発色団

発色団は、特定の波長の光を吸収し、結果として色を反射する分子です。このため、発色団は一般に有色分子と呼ばれます。この単語は、古代ギリシャ語のχρῶμᾰ (chroma) 「色」と-φόρος (phoros) 「運搬者」に由来しています。自然界の多くの分子は発色団であり、葉の緑色の原因となる分子であるクロロフィルも含まれます。私たちの目に見える色は、可視光の特定の波長スペクトル内で反射物体に吸収されなかった光の色です。発色団は、2 つの異なる分子軌道間のエネルギー差が可視スペクトル (または非公式な文脈では、精査中のスペクトル) の範囲内にある分子領域を示します。発色団に当たる可視光は、電子を基底状態から励起状態へと励起することによって吸収されます。光エネルギーを捕捉または検出する役割を果たす生物学的分子において、発色団は光が当たると分子の構造変化を引き起こす部分です。

β-カロチン分子の発色団を形成する 11 個の共役二重結合が赤で強調表示されています。

共役π結合系発色団

哺乳類の目では、分子*レチナールは***共役発色団**です。 *レチナールは*11-シス-レチナールとして始まり、正しい波長の光子γ（光）を捕らえると、全トランス-レチナールにまっすぐになり、網膜のオプシンタンパク質を押して化学シグナル伝達カスケードを誘発し、脳による光や画像の知覚につながります。

分子内の 2 つの隣接する p 軌道がπ結合を形成するのと同じように、分子内の 3 つ以上の隣接する p 軌道は共役π系を形成できます。共役π系では、電子は p 軌道の特定の距離に沿って共鳴するため、特定の光子を捕捉できます。これは、ラジオアンテナが長さに沿って光子を検出するのと似ています。通常、π系の共役度が高いほど (長いほど)、捕捉できる光子の波長が長くなります。言い換えると、分子図で隣接する二重結合が増えるごとに、システムは黄色光を吸収する可能性が低くなり、赤色光を吸収する可能性が高くなるため、私たちの目には次第に黄色に見える可能性が高くなることが予測できます。(「共役二重結合が 8 つ未満の共役系は紫外線領域のみを吸収し、人間の目には無色です」、「青や緑の化合物は通常、共役二重結合だけに依存しているわけではありません。」) ^[3]

共役発色団では、電子は、芳香族系のような電子雲によって生成される拡張パイ軌道であるエネルギーレベル間をジャンプします。一般的な例としては、レチナール（目の中で光を検出するために使用）、さまざまな食品着色料、布地染料（アゾ化合物）、pH指示薬、リコピン、β-カロチン、アントシアニンなどがあります。発色団の構造のさまざまな要因によって、発色団がスペクトルのどの波長領域を吸収するかが決まります。分子内の不飽和（多重）結合が多い共役系を長くまたは拡張すると、吸収がより長い波長にシフトする傾向があります。ウッドワード-フィーザー則を使用して、共役パイ結合系を持つ有機化合物の紫外可視最大吸収波長を概算できます。 ^[^{出典が必要}^]

これらのうちいくつかは金属錯体発色団で、金属が配位子と錯体を形成している。例としては、植物が光合成に利用するクロロフィルや、脊椎動物の血液中の酸素輸送体であるヘモグロビンがある。これら2つの例では、テトラピロール大環状環の中心に金属が錯体を形成している。この金属はヘモグロビンのヘム基（ポルフィリン環の鉄）の鉄、クロロフィルの場合はクロリン型環に錯体を形成したマグネシウムである。大環状環の高度に共役したπ結合系は可視光を吸収する。中心金属の性質も、金属-大環状環錯体の吸収スペクトルや励起状態寿命などの特性に影響を及ぼすことがある。^[4]^[5]^[6] 大環状ではないが共役したπ結合系を持つ有機化合物中のテトラピロール部分は、やはり発色団として機能する。そのような化合物の例としては、黄色を呈するビリルビンやウロビリンなどがあります。

補助色団

助色団は、発色団に結合した原子の官能基であり、発色団の光吸収能力を変更し、吸収の波長または強度を変更します。

ハロクロミズム

ハロクロミズムは、 pH の変化に応じて物質の色が変わるときに発生します。これは、周囲の pH が一定量変化すると分子構造が変化するpH 指示薬の特性です。この構造の変化は、pH 指示薬分子の発色団に影響します。たとえば、フェノールフタレインは、次の表に示すように、pH の変化に応じて構造が変化する pH 指示薬です。

pHが約0～8の範囲では、分子は3つの芳香環を持ち、すべて中央の四面体sp ³ 混成炭素原子に結合していますが、芳香環のπ結合は共役していません。範囲が限られているため、芳香環は紫外線領域の光のみを吸収し、化合物はpHが8.2を超えると無色に見えます。しかし、pHが8.2を超えて増加すると、その中心の炭素は二重結合の一部となり、sp ²混成になり、p軌道が環のπ結合と重なります。これにより、3つの環が共役して拡張された発色団を形成し、より長い波長の可視光を吸収してフクシア色を示します。^{[7] pHが0～12以外の範囲では、他の分子構造の変化によって他の色の変化が発生します。}フェノールフタレインの詳細を参照してください。

一般的な発色団の吸収波長

参照

参考文献

^ Kräutler, Bernhard (2016 年 2 月 26 日). 「高等植物におけるクロロフィルの分解 - フィロビリンは豊富だが、熟成、老化、細胞死の目に見える兆候としてはわかりにくい」. Angew. Chem. Int. Ed . 4882 (55): 4882–4907. doi :10.1002/anie.201508928. PMC 4950323. PMID 26919572 .
^ Virtanen, Olli; Constantinidou, Emanuella; Tyystjärvi, Esa (2020). 「クロロフィルは緑色の光を反射しない - 誤解を正す方法」. Journal of Biological Education . 56 (5): 1–8. doi : 10.1080/00219266.2020.1858930 .
^ リプトン、マーク（2017年1月31日）。「第1章：電子構造と化学結合、第1.10章：π共役」。パーデュー：Chem 26505：有機化学I（リプトン）、LibreTexts版。パーデュー大学。
^ Gouterman, Martin (2012). 「ポルフィリンおよび関連環の光学的スペクトルと電子構造」。Dolphin , David (編)。The Porphyrins V3。物理化学、パート A。Elsevier。pp. 1–165。doi :10.1016/ B978-0-12-220103-5.50008-8。ISBN 978-0-323-14390-5. NAID 10005456738。
^ Scheer, Hugo (2006). 「クロロフィルとバクテリオクロロフィルの概要: 生化学、生物物理学、機能と応用」。クロロフィルとバクテリオクロロフィル。光合成と呼吸の進歩。第 25 巻。pp. 1–26。doi : 10.1007/1-4020-4516-6_1。ISBN 978-1-4020-4515-8。
^ Shapley, Patricia (2012). 「有機分子による光の吸収」。2013年6月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。2012年12月14日閲覧。
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^ ハリス、C. ダニエル (2016)。定量化学分析（第9版）。ニューヨーク：フリーマン。p. 437。ISBN 9781464135385。
^ Pretsch, Ernö. (1989). 有機化合物 の構造決定のためのスペクトルデータ表。Thomas Clerc、Joseph Seibl、Wilhelm Simon（第2版）。ベルリン、ハイデルベルク：Springer Berlin Heidelberg。ISBN 978-3-662-10207-7. OCLC 851381738.

外部リンク

色の原因: 色が生成される物理的なメカニズム。
クロモフォアで高速ナノサイズエレクトロニクスが可能になるかもしれない - Azonano.com

[1] Kräutler, Bernhard (2016 年 2 月 26 日). 「高等植物におけるクロロフィルの分解 - フィロビリンは豊富だが、熟成、老化、細胞死の目に見える兆候としてはわかりにくい」. Angew. Chem. Int. Ed . 4882 (55): 4882–4907. doi :10.1002/anie.201508928. PMC 4950323. PMID 26919572 .

[JBE-2] Virtanen, Olli; Constantinidou, Emanuella; Tyystjärvi, Esa (2020). 「クロロフィルは緑色の光を反射しない - 誤解を正す方法」. Journal of Biological Education . 56 (5): 1–8. doi : 10.1080/00219266.2020.1858930 .

[3] リプトン、マーク（2017年1月31日）。「第1章：電子構造と化学結合、第1.10章：π共役」。パーデュー：Chem 26505：有機化学I（リプトン）、LibreTexts版。パーデュー大学。

[4] Gouterman, Martin (2012). 「ポルフィリンおよび関連環の光学的スペクトルと電子構造」。Dolphin , David (編)。The Porphyrins V3。物理化学、パート A。Elsevier。pp. 1–165。doi :10.1016/ B978-0-12-220103-5.50008-8。ISBN 978-0-323-14390-5. NAID 10005456738。

[5] Scheer, Hugo (2006). 「クロロフィルとバクテリオクロロフィルの概要: 生化学、生物物理学、機能と応用」。クロロフィルとバクテリオクロロフィル。光合成と呼吸の進歩。第 25 巻。pp. 1–26。doi : 10.1007/1-4020-4516-6_1。ISBN 978-1-4020-4515-8。

[6] Shapley, Patricia (2012). 「有機分子による光の吸収」。2013年6月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。2012年12月14日閲覧。

[7] Clark, Jim (2016 年 5 月). 「UV-可視吸収スペクトル」. chemguide.co.uk .

[8] ハリス、C. ダニエル (2016)。定量化学分析（第9版）。ニューヨーク：フリーマン。p. 437。ISBN 9781464135385。

[9] ^ Pretsch, Ernö. (1989). 有機化合物 の構造決定のためのスペクトルデータ表。Thomas Clerc、Joseph Seibl、Wilhelm Simon（第2版）。ベルリン、ハイデルベルク：Springer Berlin Heidelberg。ISBN 978-3-662-10207-7. OCLC 851381738.