조색단

3. 색 변화의 원리

분자는 특정 주파수의 빛만 흡수하고 다른 주파수의 빛은 반사하거나 투과하기 때문에 색을 나타낸다. 분자는 다양한 주파수의 빛을 흡수하고 방출할 수 있는데, 고유 진동수에 가까운 주파수를 가진 빛의 파동은 쉽게 흡수된다. 이러한 공명 현상은 분자가 분자 내 전자 이동의 주파수와 동일한 특정 주파수의 방사선을 흡수할 수 있음을 의미한다.

발색단은 분자 내에서 두 개의 서로 다른 분자 궤도 사이의 에너지 차이가 가시광선 스펙트럼 범위에 해당하여, 가시광선 영역의 특정 색 빛을 흡수하는 부분이다. 이로 인해 분자는 색을 띠게 된다.

조색단은 이러한 발색단에 결합하여 발색단의 고유 진동수를 변화시켜 분자의 색을 변화시키는 역할을 한다.^[3][6] 조색단은 흡수 파장을 증가시켜 빛을 적외선 영역에 더 가깝게 이동시키는데, 이를 배색 이동(bathochromic shift) 또는 적색 이동이라고 한다. 우드워드-피셔 규칙은 유기 화합물 분자의 공액계에 붙어 있는 여러 조색단이 최대 흡수 파장을 얼마나 이동시키는지를 추정하는 데 사용된다.

예를 들어, 벤젠은 발색단이 없어 색을 띠지 않지만, 니트로벤젠은 발색단 역할을 하는 니트로기(−NO₂)가 있어 옅은 노란색을 띤다. 여기에 히드록시기(−OH)가 조색단으로 작용하는 ''p''-히드록시니트로벤젠은 더 짙은 노란색을 나타낸다. 이때 조색단인 −OH기는 발색단인 −NO₂기와 공액을 이룬다. 비슷한 현상으로 붉은색을 띠는 아조벤젠에 조색단인 −OH기가 결합한 ''p''-히드록시아조벤젠은 더 짙은 붉은색을 띤다.

염료를 만들기 위해서는 크로모젠(색소원 분자)에 조색단이 존재해야 한다. 그러나 조색단이 발색단에 대해 메타(meta) 위치에 있으면 색상에 영향을 주지 않는다. 또한 조색단은 염료가 착색될 대상 물질에 잘 결합하도록 돕는 역할도 한다. 조색단 그룹의 전해리는 이러한 결합을 촉진하며, 이 때문에 염기성 물질은 산성 염료를 잘 받아들인다.

4. 분류

조색단은 작용기의 화학적 성질에 따라 크게 산성 조색단과 염기성 조색단 두 가지로 분류할 수 있다.

조색단은 유기 화합물의 색을 더 진하게 만드는 역할을 한다. 예를 들어, 벤젠 자체는 색이 없지만, 니트로기(−NO₂)가 붙은 니트로벤젠은 옅은 노란색을 띤다. 여기에 −OH기가 조색단으로 작용하는 p-히드록시니트로벤젠은 더 짙은 노란색을 나타낸다. 이는 조색단(−OH)이 발색단(−NO₂)과 공액하기 때문이다. 붉은색의 아조벤젠에 조색단이 붙는 경우에도 비슷한 효과가 나타나 색이 더 짙어진다.

염료가 만들어지려면 색을 내는 분자(색소원)에 조색단이 반드시 있어야 한다. 조색단은 염료가 염색될 물질에 잘 달라붙도록 돕는 역할도 한다. 특히, 조색단이 이온화되면 결합력이 강해지는데, 이 때문에 염기성 물질을 염색할 때는 산성 염료를 사용하는 경우가 많다. 다만, 조색단이 발색단의 메타 위치에 있으면 색 변화에 영향을 주지 못한다.

또한 조색단은 빛 흡수 파장을 더 길게 만드는 bathochromic shift|배소크로믹 시프트^영어(적색 이동)를 일으키는 것으로 알려져 있다. 이는 흡수하는 빛의 파장이 적외선 영역에 가까워지게 함을 의미한다. 우드워드-피저 규칙을 이용하면 공액계에 연결된 특정 조색단이 흡수 파장을 얼마나 이동시키는지 예측할 수 있다.

4. 1. 산성 조색단

• −COOH
• −OH
• −SO₃H

4. 2. 염기성 조색단

• −NH₂
• −NHR
• −NR₂

5. 염색에서의 역할

염료를 만들기 위해서는 색소원(크로모젠) 분자에 조색단이 존재하는 것이 필수적이다. 그러나 조색단이 발색단에 대해 메타 위치에 존재하면 색상에 영향을 미치지 않는다.

조색단은 염료가 착색될 대상 물질에 결합하는 것을 돕는다. 조색단 그룹의 전해리는 이러한 결합 과정을 촉진하며, 이 때문에 염기성 물질은 산성 염료를 잘 받아들인다.

또한 조색단은 분자가 흡수하는 빛의 파장을 변화시켜 색상에 영향을 미친다. 조색단은 흡수 파장을 더 긴 쪽으로 이동시켜 적외선 영역에 가깝게 만드는데, 이를 배색 이동(bathochromic shift^영어) 또는 적색 이동이라고 한다. 우드워드-피셔 규칙은 유기 화합물의 공액계에 붙어 있는 여러 조색단이 최대 흡수 파장을 얼마나 이동시키는지를 예측하는 데 사용된다. 일반적으로 염료 제조 시에는 색상을 더 선명하고 강하게 만드는 조색단이 선택된다.^[6]

참조

_[1] 서적 Principles of Organic Chemistry Jai Sai Publications
_[2] 논문 1958
_[3] 간행물 The Dye Spectrum https://books.google[...] Reed Business Information 1989-05
_[4] 서적 Principles of Organic Chemistry Jai Sai Publications 2020-09
_[5] 논문 1958
_[6] 간행물 The Dye Spectrum https://books.google[...] Reed Business Information 1989-05
_[7] 문서 서울대학교 화학생물공학 기초실험 매뉴얼
_[8] 웹사이트 네이버 백과사전 http://100.naver.com[...]