Красители играют важную роль в жизни человека, начиная от тканей и косметики и заканчивая продуктами питания и медицинскими препаратами. Эти вещества, способные менять цвет материалов, имеют долгую историю, богатую открытиями и инновациями. Давайте подробнее рассмотрим, как развивалась история красителей, их химический состав, способы получения и применение.
История получения красителей
Древние времена
Первое использование красителей относится к древним цивилизациям: человек использовал природные пигменты, полученные из минералов, растений и животных, для окраски тканей, а также в декоративных и ритуальных целях. Самыми ранними красителями были охра, уголь, индиго и красный меланж, известные с древности.
Средние века
В средние века искусство получения красителей стало более сложным. Открытие новых красителей (например, кошенили из насекомых для получения красного цвета) и методов, таких как закрепление цвета, значительно улучшило качество окраски. Появились специализированные ремесленные мастерские, что дало толчок к развитию текстильной промышленности.
При раскопках в 1954 г. одного из древнейших памятников, так называемой «стоянки Маркина гора» (около с. Костенки в Воронежской области) на глубине 4,5 м было обнаружено захоронение человека давностью 20–40 тыс. лет до н.э. Дно могилы было засыпано красной охрой, такой же охрой были сверху присыпаны и кости скелета.
Охра (или «вохра») — природный пигмент, обычно содержащий метагидроксид железа FeO(OH) с примесью алюмосиликатов — сложных природных соединений алюминия и кремния. По цвету охры делят на светло-желтые (12–25% Fe2O3) и золотисто-желтые (40–75% Fe2O3). Красную охру (Fe, Fe2)O4[6] называли еще «мумия», или «железный сурик». Мумия содержит 35–70% Fe2O3 и получается при обжиге железосодержащих руд. Кроме Fe2O3 мумия включает еще глинистые вещества и диоксид кремния SiO2.
В красках, которые использовал монах-живописец Дионисий в 1492 г. для росписи знаменитых фресок Ферапонтова монастыря, также содержалась охра.
Новый и новейший времена
С 19 века наблюдается бум синтетических красителей благодаря химической революции. В 1842 Зинин открыл реакцию восстановления ароматических нитропроизводных в ароматические амины действием сернистого аммония (см. Реакция Зинина). Этим путём Зинин синтезировал в 1842 анилин, который до этого был получен Ю. Ф. Фрицше из красителя индиго, а также α-нафтиламин. С этого момента анилин можно было получать в промышленном масштабе. С этого момента началась эра ярких, устойчивых красителей, которые начали массово использоваться в текстильной и других отраслях.
Химический состав красителей
Красители могут быть разделены на два основных типа: натуральные и синтетические.
- Натуральные красители состоят из природных соединений, таких как антоцианы, каротиноиды и хлорофиллы. Их химический состав весьма разнообразен и может включать как простые органические молекулы, так и сложные структуры.
Антоцианы — растительные пигменты, относящиеся к группе флавоноидных соединений. Они существуют преимущественно в виде гликозидов, молекулы которых состоят из углеводного остатка и неуглеводного фрагмента (антоцианидина).
Особенность строения антоцианов — наличие в гетероциклическом кольце четырёхвалентного кислорода (оксония), который придаёт молекуле положительный заряд. Это определяет способность антоцианов образовывать соли с органическими и минеральными кислотами, имеющими красную окраску, или с щелочами — синюю.
- Синтетические красители представляют собой органические соединения, синтезированные в лаборатории. Они могут содержать такие функциональные группы, как амино-, нитро- и карбоксильные, и часто имеют более сложные структуры, позволяющие создавать разнообразные цвета и оттенки.
Каротиноиды — органические пигменты жёлтого, оранжевого или красного цветов. Они имеют структуру изопреноидов: в молекулах четыре изопреновых фрагмента связаны в полиеновую цепь.
Цвет каротиноидов зависит от числа сопряжённых двойных связей в молекуле. Например, β-каротин имеет 7 таких связей и жёлтый цвет, ликопин — 11, что придаёт ему красный цвет.
Каротиноиды нерастворимы в воде, но хорошо извлекаются из пластид органическими растворителями (бензин, спирт).
Хлорофиллы
Хлорофиллы — зелёные пигменты, содержащиеся в хлоропластах растений, водорослей и некоторых цианобактерий. Их строение включает две части:
- Гидрофильное порфириновое ядро. Состоит из центрального атома магния, соединённого с четырьмя атомами азота пиррольных колец. Пиррольные кольца связаны между собой метиновыми мостиками, образуя тетрапиррольное кольцо.
- Гидрофобный фитольный «хвост». Прикреплён к порфириновому ядру.
Хлорофиллы не растворяются в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях.
- Синтетические красители представляют собой органические соединения, синтезированные в лаборатории. Они могут содержать такие функциональные группы, как амино-, нитро- и карбоксильные, и часто имеют более сложные структуры, позволяющие создавать разнообразные цвета и оттенки.
Строение синтетических красителей зависит от их класса и может включать различные фрагменты, которые определяют цвет, растворимость и другие свойства соединения. Цвет красителя обусловлен наличием в его молекуле хромофорной системы — системы сопряжённых кратных связей и связанных с ней электронодонорных и электроноакцепторных заместителей.
Классификация
Существует химическая классификация синтетических красителей, которая основана на сходстве строения молекул. Некоторые классы красителей:
Азокрасители — содержат азогруппу −N═N− в хромофорной системе. Нитрокрасители — имеют нитрогруппу −NO₂. Нитрозокрасители — содержат нитрозогруппу −NO. Антрахиноновые — производные антрахинона. Кубовые — содержат несколько конденсированных ароматических колец и не менее двух карбонильных групп. Индигоидные — в основе строения лежит структура молекулы индиго или тиоиндиго. Также существует техническая классификация, которая отражает назначение и способ применения красителей. Например, выделяют водорастворимые и нерастворимые в воде красители. bigenc.ruspravochnick.ru
Получение красителей
Процесс получения красителей может значительно варьироваться в зависимости от их типа и назначения.
- Натуральные красители получают из растений и животных. Например, анилин — краситель из растения индиго, а кармин — краситель из кошенили. Процессы получения обычно включают экстракцию, фильтрацию и осаждение.
Впервые индиго использовали для окрашивания тканей ещё 60 тысяч лет назад. В древности краситель получали из индигоферы красильной, которая росла только в Индии.
Во времена древнего Египта самый качественный индиго выделяли из морских улиток Murex, которые были распространены в прибрежных водах восточного Средиземноморья.
Первые попытки синтезировать индиго в лабораторных условиях принадлежат французскому химику Огюсту Лорану. В 1841 году он выделил изатин — кристаллическое соединение, которое растворялось в воде, окрашивая её в синий.
Адольф Байер впервые синтезировал индиго в 1870 году. Основой для его опытов был изатин, при перегонке которого с цинковой пылью химик получил вещество, названное им индолом, из производного которого затем удалось выделить индиго.
Дальнейшее производство индиго стало возможным благодаря Карлу Хойману, который предложил более простой способ получения красителя и запатентовал его в 1897 году.
Получение кармина из кошенили включает несколько этапов:
- Сбор насекомых. Для этого используют специальные инструменты, чтобы избежать повреждения жучков. Насекомых собирают с кактусов, где они обитают.
- Обработка. Собранных букашек промывают, а затем подвергают механической обработке, чтобы отделить красящие мешочки и их содержание от лапок, а также включений грязи и пыли.
- Высушивание. Полученную массу высушивают, чтобы уменьшить влагосодержание.
- Измельчение. Сушёную массу молотят в порошок. Этот порошок обладает ярко-красным цветом и содержит красящий пигмент.
- Экстракция. Порошок подвергают экстракции с использованием кислот, например, лимонной или уксусной. Это позволяет извлечь чистую краску.
- Очистка. Полученный экстракт проходит процесс очистки, для удаления ненужных компонентов.
- Повторная сушка и измельчение. Чистый пигмент сушат и молотят до получения финального продукта, который может быть представлен в виде порошка, кристаллов или жидкости.
Из-за трудоёмкости процесса сбора кошенили и изготовления кармина, себестоимость получаемого красителя дороже по сравнению с синтетическими красителями. Для производства всего 500 граммов красителя нужно до 70 тысяч насекомых.
- Синтетические красители производятся через химические реакции: например, конденсацию, добавление или редукцию. Эти процессы часто происходят на массовых химических заводах с применением высоких технологий. Используются сырьевые материалы, такие как угольная смола, нефтепродукты и некоторые минеральные вещества.
Применение красителей
Красители находят широкое применение в различных отраслях:
- Текстильная промышленность: Одно из основных направлений применения красителей. Они используются для окраски тканей и создания уникальных дизайнерских изделий.
- Пищевая промышленность: Красители добавляются в продукты питания для улучшения визуального восприятия и привлечения покупателей. Все красители, используемые в пищевой промышленности, должны соответствовать строгим стандартам безопасности.
- Косметическая индустрия: Красители используются в производстве косметики и средств личной гигиены. Здесь важно учитывать безопасность применения, так как кожа может быть чувствительной к определённым компонентам.
- Искусство и украшения: Художники используют пигменты для создания красок, а также для декоративного оформления различных предметов.
- Медицинская сфера: Некоторые красители используются в диагностических процедурах, например, в контрастных веществах для рентгенографии.
Красители играют важную роль в жизни человека, начиная от тканей и косметики и заканчивая продуктами питания и медицинскими препаратами. Эти вещества, способные менять цвет материалов, имеют долгую историю, богатую открытиями и инновациями. Давайте подробнее рассмотрим, как развивалась история красителей, их химический состав, способы получения и применение.