Boyalar ve pigmentler gibi birçok renkli organik bileşik vardır. Bu renkler nasıl ortaya çıkıyor? Organik bir bileşiğin rengi ile yapısı arasında yakın bir ilişki vardır. Bu içerikte, Shimadzu’nun UV-2550 UV-VIS spektrofotometresi ile elde edilen organik bileşiklerin absorpsiyon spektrumlarını kullanarak bu ilişki açıklanmaktadır.

1. Konjuge Çift Bağ Sistemleri ile Absorpsiyon Pikleri Arasındaki İlişki
Eşlenik çift bağ sistemlerine sahip (bundan sonra "eşlenik sistemler" olarak anılacaktır), diğer her bağın bir çift bağ olduğu birçok organik bileşik vardır. Bu konjuge sistemler, tepe dalga boyları ve absorpsiyon yoğunlukları üzerinde büyük bir etkiye sahiptir.

Şekil 1, benzen, naftalin ve antrasenin yapılarını göstermektedir. Şekil 2, bu bileşiklerin etanol içinde çözülmesi ve elde edilen çözeltilerin analiz edilmesiyle elde edilen absorpsiyon spektrumlarını göstermektedir. Konsantrasyonlar, bileşenlerin absorpsiyon yoğunlukları kabaca aynı olacak şekilde ayarlanmıştır. Şekil 2'de, konjuge sistem büyüdükçe tepe dalga boylarının uzun dalga boyu bölgesine doğru kayma eğiliminde olduğu görülebilir. Tablo 1, çeşitli organik bileşiklerin tepe dalga boylarını ve molar absorpsiyon katsayılarını vermektedir. Molar absorpsiyon katsayısı, bir maddenin ışığı ne kadar güçlü absorbe ettiğinin bir ölçüsüdür. Değeri ne kadar büyükse emilim o kadar büyüktür. Daha büyük konjuge sistemlerde, absorpsiyon pik dalga boyları uzun dalga boyu bölgesine doğru kayma eğilimindedir ve absorpsiyon pikleri daha büyük olma eğilimindedir.

Şekil 1. Benzen, Naftalin ve Antrasenin Yapıları


Şekil 2. Benzen, Naftalin ve Antrasenin Absorpsiyon Spektrumları


Tablo 1. Çeşitli Organik Maddelerin Absorpsiyon Pikleri ve Molar Absorpsiyon Katsayıları1)

2. Büyük Konjuge Sistemli Gıda Boyalarının Absorpsiyon Spektrumları

Şekil 3, New Coccine (Kırmızı No. 102) ve Brilliant Blue FCF (Mavi No. 1) gıda boyalarının yapılarını gösterir ve Şekil 4, bunların absorpsiyon spektrumlarını gösterir. Gıda boyaları, Şekil 3'te gösterilenler gibi büyük konjuge sistemlere sahip olma eğilimindedir ve bu nedenle, tepe dalga boyları, görünür bölgede (400 ila 700 nm) ortaya çıkan piklerle, uzun dalga boyu bölgesine doğru kayma eğilimindedir. Bu yüzden renk olarak tanınırlar. Bu arada, gördüğümüz renk, madde tarafından absorbe edilmeyen renktir (buna "tamamlayıcı renk" adı verilir). Şekil 4'te gösterildiği gibi, New Coccine, 450 ila 550 nm aralığında mavi ve yeşil ışığı emer ve bu nedenle tamamlayıcı renk olan kırmızı insan gözü tarafından görülür. Parlak Mavi FCF, 560 ila 650 nm aralığında sarı ışığı emer ve böylece mavi insan gözü tarafından görülür.


Şekil 3. Yeni Coccine ve Brilliant Blue FCF Yapıları


Şekil 4. Yeni Coccine ve Brilliant Blue FCF isimli Gıda Boyalarına ait Absorpsiyon Spektrumları

3. Fonksiyonel Grupların Etkisi

Absorpsiyon pikleri ayrıca fonksiyonel gruplardan da etkilenir. Şekil 5, bir benzen halkasına bağlı bir hidroksil grubundan oluşan benzen, fenol ve bir hidroksil grubu ve bir benzen halkasına bağlı bir nitro grubundan oluşan p-nitrofenolün absorpsiyon spektrumlarını göstermektedir. Fonksiyonel gruplar, 400 nm’nin ötesine geçerek görünür bölgeye girmese de konjuge sistemleri etkileyerek absorpsiyon piklerinin benzenin dalga boyundan daha uzun dalga boylarında görünmesine neden olurlar. Organik bileşiklerin rengi, bu durumda, büyüklüğünden konjuge sistem daha çok etkilenir.


Şekil 5. Benzen, Fenol ve p-Nitrofenol’ün Absorpsiyon Spektrumları


Şekil 6. Fenol ve p-Nitrofenol’ün Yapıları

4. Büyük Moleküler Çerçeve ve Küçük Konjuge Sistemli Bileşiklerin Absorpsiyon Spektrumları

Şekil 7, bir farmasötik olarak kullanılan prednizolon ve benzenin absorpsiyon spektrumlarını göstermektedir. Prednizolon geniş bir moleküler çerçeveye sahip olmasına rağmen, konjuge sistemi küçüktür ve bu nedenle pik dalga boyları büyük ölçüde uzun dalga boyu bölgesine doğru kaymaz ve pik noktaları, benzeninki ile kabaca aynı konumda görünür.


Şekil 7. Prednizolon ve Benzen’in Absorpsiyon Spektrumları


Şekil 8. Prednizolon ve Benzen’in Yapıları

5. Uzun Dalgaboyu Bölgesine Doğru Kaymanın Nedeni

Konjuge sistemin boyutu arttıkça pik dalga boyu uzun dalga boyu bölgesine doğru kayma eğilimindedir. Bunun nedenine bakmak için öncelikle ışığın enerjisi ile elektronların hareketi arasındaki ilişkiyi düşünelim.
Işık, hem dalgaların hem de parçacıkların (fotonlar) özelliklerini sergiler.
Bir fotonun enerjisi hc/λ olarak ifade edilir. Burada h Planck sabiti, c ışık hızı ve λ dalga boyudur.
Ultraviyole ve görünür bölgelerdeki absorpsiyon, elektronların geçişi ile ilgilidir. "Geçiş", bir elektronun bir hareket durumundan diğerine geçişini ifade eder. Konjuge sistemdeki π elektronlarının hareket durumu, moleküler çerçeveyi oluşturan σ elektronlarınınkinden daha kolay değişir. Bir foton bir π elektronla çarpışırsa, o π elektronu kolaylıkla farklı bir hareket durumuna geçer. Fotonun az miktarda enerjisi olsa bile bu doğrudur.

Nispeten büyük konjuge sistemlerdeki elektronlar, düşük enerjili fotonlardan daha kolay etkilenir. Geçiş, fotonların enerjisinin elektronlar tarafından emilme şeklini ifade eder. Bir fotonun nispeten küçük bir enerjisi varsa, o foton için hc/λ değeri nispeten küçüktür ve bu nedenle λ'nın değeri nispeten büyüktür. λ, absorpsiyon dalga boyu olarak gözlenir ve bu nedenle, konjuge bir sistem varsa, λ'nın büyük olduğu bölgelerde, yani uzun dalga boyu bölgesinde pikler görülme eğilimindedir.

Referanslar
1. C101-E111 Shimadzu UV Talk Letter Vol. 2, February 2009
2. Masayoshi Nakahara: "Renk Bilimi", Baifukan (2002), s. 108