Krāsvielas

Krāsvielas ir ķīmiski savienojumi, kas intensīvi absorbē daļu no redzamās gaismas spektra (tātad ir krāsaini) un ar kuriem ir iespējams nokrāsot dažādus materiālus. Parasti par krāsvielām sauc ūdenī šķīstošas krāsojošās vielas (vielas, kuras nešķīst iekrāsojamā vidē, sauc par pigmentiem). Krāsvielas galvenokārt ir organiskas vielas.
Krāsvielas saista gaismas enerģiju un pārveido to galvenokārt siltumenerģijā. Ir arī tādas krāsvielas, kuras sava ierosinātā stāvokļa enerģiju spēj atdot citām vielām vai arī izstarot cita (vienmēr lielāka) viļņa garuma gaismas veidā (sk. fotoluminiscence).
Īpaši tiek izdalītas pārtikas krāsvielas, ko lieto pārtikas produktu izskata uzlabošanai un kurām parasti ir E piedevas numurs.

Vēsture

Vielas, kas spēj krāsot citas vielas (tajā skaitā šķiedras, audumus, ādu), izmanto jau no seniem laikiem. Šim nolūkam tika izmantoti krāsainie māli, minerālu pigmenti, ekstrakti no augiem un dzīvniekiem.

Tikai 18. gadsimtā sāka iegūt lētas sintētiskās krāsvielas. To neapšaubāmi ietekmēja tekstilrūpniecības straujā attīstība un pāreja uz automatizētu rūpniecību. Pirmā sintētiskā azokrāsviela tika iegūta 1855. gadā. To sintezēja Varšavas universitātes profesors J. Natansons. Uzsildot anilīnu ar dihloretānu aizkausētā caurulītē, viņš ieguva savienojumu sarkanā krāsā, kas spēja krāsot vilnu un zīdu sarkanā krāsā. Trīs gadus vēlāk Francijā Vergēns ieguva to pašu krāsvielu ar citu metodi un nosauca to par fuksīnu, jo tās krāsa bija līdzīga fuksijas ziedu krāsai. Ar šo nosaukumu krāsviela pazīstama arī mūsdienās. 1858. gadā P.Grīss atklāja diazotēšanas reakciju, kas iezīmēja azokrāsvielu sintēzes sākumu un vēlāk kļuva par pamatu daudzām histoķīmiskām metodēm. 1864. gadā Grīss atklāja azosametināšanas reakciju. Nedaudz agrāk tādā veidā tika iegūts aminoazobenzols un pārvērsts par indulīnu (Dēls un Karo, 1863).
Kekulē izcilais pieņēmums par benzola struktūru noveda pie aromātisko ogļūdeņražu un to atvasinājumu sistemātiskas pētīšanas. 1870. gadā Kekulē paveica diazotēta anilīna azosametināšanas reakciju ar fenolu un reizē ar pirmās oksoazokrāsvielas iegūšanu noteica azosavienojumu struktūru. Diazotēšanas un azosametināšanas reakciju vienkāršība un daudzveidība noveda pie liela skaita azokrāsvielu sintēzes. Šī klase vēl līdz šim ir plašākā krāsvielu klase.
Kongo sarkanais, ko 1884. gadā ieguva Bettigers, ir pirmā krāsviela, kas bija domāta kokvilnas krāsošanai. Mūsdienās Kongo sarkanā ražošana ir ļoti attīstīta, neskatoties uz to, ka krāsviela nav īpaši stabila.
Daudzas krāsvielas ir iegūtas, savienojot diazotētu benzidīnu un attiecīgo diamīnu ar dažādiem azokomponentiem.
Pirmo azokrāsvielu, kas pieder pie pirazolona rindas - tartrazīnu iegūva Ciglers 1884. gadā, izmantojot divas metodes; viena no tām ir fenilhidrazīna atvasinājuma kondensācija ar p—ketoesteri, kas kalpo kā vispārēja reakcija pirazolonu sintēzei.

Krāsvielu krāsas fizikālā būtība

Vielas krāsa saistīta ar redzamās gaismas absorbciju vielā - ar elektromagnētiskā starojuma un vielas molekulu elektronu sistēmu mijedarbību. Redzamā gaisma ir elektromagnētiskais starojums ar viļņu garumu 400 līdz 800 nm.

Daudzām vielām piemīt spēja absorbēt noteikta garuma gaismas viļņus. Mūsu redzes orgāni uztver atstaroto neabsorbēto gaismu,kas ir absorbētās gaismas papildkrāsa. Ja, piemēram, viela absorbē zilganzaļās gaismas viļņus, tā pārsvarā atstaro sarkanās gaismas viļņus un izskatās sarkana, bet, ja absorbē sarkanās gaismas viļņus, - tad atstaro zilganzaļās gaismas viļņus un izskatās zilganzaļa. Noskaidrots, ka vielas spēja absorbēt kāda noteikta garuma gaismas viļņus atkarīga no tās elektronu stāvokļa. Elektronus, kuri veido σ saites, spēj ierosināt tikai gaismas kvanti ar lielāku enerģiju, tāpēc organiskas vielas ar vienkāršām saitēm absorbē tikai ultravioletās spektra daļas gaismas viļņus. Elektronus, kuri veido π saites (dubultsaites un trīskāršās saites), spēj ierosināt arī gaismas kvanti ar mazāku enerģiju, tāpēc tādi elektroni absorbē redzamās spektra daļas gaismas viļņus.

Polimetīnkrāsvielas

Polimetīnkrāsvielu (arī cianīnkrāsvielu jeb merocianīnkrāsvielu) galvenais struktūrelements ir elektrondonora grupa, kas ar konjugētām —C=C- dubultsaitēm savienota ar elektronakceptoru grupu. Polimetīnkrāsvielas var būt katjonās, anjonās un nejonogēnās. Tās parasti iegūst no heterocikliskajiem savienojumiem, kuru molekulās ir aktīvās metilgrupas.

Polimetīnkrāsvielu konjugēto dubultsaišu sistēma absorbē gaismu šaurā spektra diapazonā, tādēļ tām ir tīras nokrāsas un tās galvenokārt ir sarkanā, zilā un zaļā krāsā. Polimetīnkrāsvielas lieto par fotosensibilizatoriem fotoemulsiju apstrādē.

Nitrokrāsvielas un nitrozokrāsvielas

Šīs krāsvielas ir nitrofenolu un nitronaftolu atvasinājumi (parasti dzeltenā krāsā). Tās pārsvarā ir anjonās un dipersās krāsvielas, kas veido krāsainus kompleksus ar metālu joniem (piemēram, dzelzi).

Arilmetānkrāsvielas

Pie tām pieder tādas svarīgas krāsvielas kā difenilmetāna (Mihlera zilā) un trifenilmetāna (malahītzaļais, fuksīni, rozanilīni, fenolftaleīns) krāsvielas, kā arī ksantēnu krāsvielas (fluoresceīns, rodamīni) un akridīnkrāsvielas (ļoti stabils sarkanais pigments hinakridons).

Arilamīnu krāsvielas

Arilamīnu krāsvielas pamatā ir difenilamīna atvasinājumi, kas satur elektrondonorās grupas. Pie tām pieskaitāmas arī oksazīnkrāsvielas un tiazīnkrāsvielas (metilēnzilais).

Azometīnkrāsvielas

To pamatā ir struktūrelements A2C = N — D , kur A ir konjugētas elektronakceptoras grupas, bet D — konjugēta elektrondonora grupa. To izejviela ir azometīns.

Azokrāsvielas

Azokrāsvielu molekulās ir viena vai vairākas azogrupas un tās iegūst azosametināšanas reakcijās. Pazīstama azokrāsviela ir metiloranžais.

Indigoīdās krāsvielas

Indigoīdās (indigo līdzīgās) krāsvielas ir kubla krāsvielas, kuras reducējas par bezkrāsainu, ūdenī šķīstošu leikosavienojumu, kurš gaisa skābekļa ietekmē veido krāsainu indigoīdo savienojumu.

Antronkrāsvielas un antrahinonkrāsvielas

Tās ir dažādu policiklisko hinonu atvasinājumi. Svarīga kodināmā antrahinonkrāsviela ir alizarīns un tā atvasinājumi (veido kompleksus ar alumīniju vai dzelzi).

Perinonkrāsvielas

Kubla krāsvielas - naftalīntetrakarbonskābes vai perilēntetrakarbonskābes atvasinājumi. Tām raksturīga fluorescence.

Ftalocianīnkrāsvielas

Ftalocianīni ir uzskatāmi par porfīna atvasinājumiem un tiem raksturīgas īpatnējas fizikālās īpašības - tie pieskaitāmi pie organiskajiem pusvadītājiem un fotovadītājiem.