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出版者:

作者:何瑾馨 编

出品人:

页数:305

译者:

出版时间:2009-1

价格:35.00元

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isbn号码:9787506451420

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• 染
• 染料
• 化学
• 有机化学
• 精细化工
• 高分子化学
• 色彩化学
• 纺织化学
• 应用化学
• 化学工业
• 染料合成

染料的分子世界：从结构到应用的深度探索 本书简介 本书旨在深入探讨有机合成化学与材料科学交汇领域的前沿——染料化学的精髓与奥秘。我们并非侧重于传统意义上色彩的物理现象描述或简单的应用罗列，而是致力于构建一个从基础理论到复杂工程应用的完整知识体系，为读者构建一幅功能性有机分子设计与制造的全景图。 本书的结构分为五个核心部分，每部分都旨在层层递进，将深奥的化学原理与实际的工程挑战紧密结合。 --- 第一部分：染料分子基础与光物理化学（The Molecular Foundation） 本部分是理解一切染料性能的基石。我们首先摒弃对传统“颜色”的感性描述，转而聚焦于发色团（Chromophore）和助色团（Auxochrome）的精确电子结构解析。 1.1 电子激发态与跃迁理论： 详细阐述 $pi ightarrow pi^$ 跃迁和 $n ightarrow pi^$ 跃迁在分子光谱中的具体表现。引入库恩-费斯默（Kuhn-Fiesmer）理论的现代修正版本，用以预测吸收光谱的红移（Bathochromic shift）和蓝移（Hypsochromic shift）。重点讨论电荷转移（Charge Transfer, CT）现象，这是现代高性能染料（如半导体染料和荧光探针）设计的核心驱动力。 1.2 构象与弛豫动力学： 染料分子在激发后并非静止，其分子内和分子间的运动（如几何异构化、内旋转）决定了其量子效率。本章细致分析非辐射弛豫途径（如内转换IC和系间窜越ISC），并引入时间分辨光谱技术（如飞秒激光诱导荧光）在解析这些超快过程中的应用。我们将探讨如何通过引入刚性结构（如螺环或稠环系统）来抑制非辐射弛豫，从而提高荧光量子产率。 1.3 溶剂效应与环境敏感性： 溶剂的极性、粘度和氢键能力对染料吸收和发射特性的影响，远超简单的斯托克斯位移。我们使用朗格-奥本海默（Lange-Oppenheimer）模型和感应作用模型，量化溶剂极化对激发态偶极矩变化的影响。这部分内容直接关联到染料作为化学传感器的应用潜力。 --- 第二部分：合成策略与结构修饰（Synthesis and Molecular Engineering） 理论的价值最终要通过精密的有机合成来实现。本部分聚焦于构建复杂共轭体系的实用化学方法。 2.1 经典成环与偶联反应的深化应用： 我们不满足于教科书式的反应，而是重点讨论将经典反应（如维蒂希反应、Knoevenacker反应）应用于构建大共轭骨架的过程控制。例如，如何利用催化剂的选择性控制多重偶联反应的区域选择性，以精确控制分子长度。 2.2 杂环骨架的引入与功能化： 现代染料设计高度依赖于氮、硫、氧等杂原子构成的杂环。重点解析噻吩、吡咯、喹啉等骨架如何作为强给电子或吸电子单元嵌入共轭链。我们讨论了BODIPY（硼二吡咯甲烷）核心的定制化合成路径，作为高亮度荧光探针的典范。 2.3 规模化与绿色化学挑战： 在实验室合成向工业生产过渡时，面临原子经济性、后处理复杂性、以及溶剂回收的挑战。本章介绍流体化学（Flow Chemistry）在连续化、高危反应（如硝化、重氮化）中的安全应用，并探讨水相或超临界流体作为反应介质的绿色合成趋势。 --- 第三部分：功能化染料：超越色彩（Functional Dyes Beyond Coloration） 本部分是本书的重点，探讨染料分子如何被赋予除着色以外的特定物理或化学功能。 3.1 光电活性染料（Photoelectric Dyes）： 有机光伏（OPV）染料敏化太阳能电池（DSSC）： 深入分析D-π-A（给体-桥联-受体）结构如何优化电荷分离效率。讨论能级匹配（HOMO/LUMO对TiO2的注入势垒）的重要性，以及固态堆积对光电转换效率（PCE）的影响。 有机发光二极管（OLED）材料： 重点研究延迟荧光（TADF）材料的设计，如何通过极小的单重态-三重态能级差 ($Delta E_{ST}$) 来实现接近100%的内量子效率。解析分子内扭转如何促进ISC过程。 3.2 生物成像与诊断探针： 探究染料分子如何与生物系统相互作用。讨论近红外（NIR）区域染料（如菁染料、花菁类）的设计，以克服生物组织的固有散射和自发荧光干扰。分析光动力疗法（PDT）中，如何设计高单线态氧产率的染料（光敏剂），并研究其在细胞膜上的靶向机制。 3.3 响应性与智能材料： 探讨如何设计对外部刺激（pH、离子浓度、剪切力、温度）敏感的分子开关。例如，基于分子内电荷转移（ICT）机制的荧光探针，如何通过目标分子的结合诱导构象或电子结构的突变，实现信号的“开启”或“关闭”。 --- 第四部分：染料的固态行为与界面化学（Solid State and Interfacial Phenomena） 染料在实际应用中往往处于固态薄膜或与基材界面接触的状态，其聚集行为至关重要。 4.1 聚集诱导猝灭（ACQ）与聚集诱导发光（AIE）： 详细比较传统的ACQ现象（分子间 $pi-pi$ 堆积导致的能量耗散）与新兴的AIE效应。重点解析AIE的机理，特别是分子内受限旋转（RIR）在激活荧光中的作用，以及如何利用AIE特性设计高效固态发光材料。 4.2 染料在纤维与聚合物基质中的结合机制： 分析物理吸附（范德华力、氢键）与化学键合（共价或配位键）在提高色牢度中的作用差异。引入扩散动力学模型，预测染料在聚合物网络中的渗透与分布，这对高保色性涂层设计至关重要。 4.3 薄膜形态控制： 在有机电子学中，染料分子的排列（有序晶体、液晶相或无定形）决定了电荷传输的效率。讨论退火、溶剂蒸汽处理等后处理技术如何调控薄膜的微观结构，以及X射线衍射（XRD）在表征这些结构中的应用。 --- 第五部分：分析、标准化与工业实践（Standardization and Industrial Realization） 最后一部分将视野扩展到实验室之外，关注染料产品的质量控制、环境影响和未来方向。 5.1 性能表征的量化标准： 介绍如何科学地报告染料的性能。不仅仅是测定最大吸收波长，更要精确测定摩尔吸光系数 ($varepsilon$)、荧光量子产率 ($Phi_f$)，以及在特定介质中的光稳定性（Lightfastness）测试标准（如Xenon-arc加速老化测试）。 5.2 环境毒理与法规遵循： 染料工业对水体污染影响显著。本章探讨偶氮染料的还原裂解潜在致癌风险，以及重金属络合染料的替代方案研究。介绍REACH等国际法规对染料组分可追溯性的要求。 5.3 染料的未来：人工智能辅助设计（AI-Aided Design）： 探讨如何利用机器学习（ML）模型，基于大量的分子结构-性能数据库，快速预测新型骨架的吸收峰、合成难度或毒性，加速新一代功能染料的研发周期。 --- 本书内容严谨，逻辑清晰，既为高年级本科生和研究生提供了深入的理论基础，也为从事功能材料、有机电子、纺织印染及生物医学工程领域的专业人士提供了前沿的参考和实践指导。它不是一本关于“颜色”的书，而是一本关于“如何用可控的分子结构去调控光与物质的相互作用”的化学专著。

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这本书中关于“助剂”在染料过程中的作用的介绍，让我大开眼界。我一直以为，染色就是把染料和布料丢进水里就可以了。然而，这本书让我认识到，在染色的过程中，还需要各种各样的“助剂”来配合，才能达到理想的染色效果。例如，书中提到的“分散剂”在处理不溶于水的染料时至关重要，它能将染料颗粒均匀地分散在水中，避免染料结块，确保染色均匀。还有“匀染剂”，它能控制染料在纤维上的上染速度，防止出现深浅不一的染色现象。我对“固色剂”的介绍尤其感兴趣，这种物质能够进一步增强染料与纤维的结合，提高染料的牢度。这些助剂的存在，就像是化学反应中的催化剂或者辅助工具，它们虽然不是染料本身，却在很大程度上影响着染色的最终结果。这让我联想到生活中的很多事情，往往单方面的努力是不够的，还需要合适的“辅助”才能事半功倍。这本书让我对染料工艺的复杂性和精妙性有了更深的理解，也让我看到了化学在提升产品性能方面所扮演的关键角色。

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阅读过程中，我对书中关于“活性染料”的章节特别着迷。我一直对那些能够直接与纤维形成共价键的染料充满好奇。书中的描述让我明白了，活性染料之所以能够如此牢固地附着在棉、麻等纤维上，是因为它们分子中含有能够与纤维分子中的羟基（-OH）或氨基（-NH2）发生化学反应的活性基团。这种共价键的形成，使得活性染料的染色牢度非常高，不容易脱落。我脑海中不禁浮现出那些色彩鲜艳、经久耐穿的棉质衣物，原来它们的色彩生命力，很大程度上就源于活性染料的魔力。书中还详细介绍了不同类型的活性染料，以及它们在不同染色条件下的反应机理。我开始理解，为什么在染色过程中需要控制pH值，为什么有些活性染料需要在较高的温度下进行染色。这些细节都揭示了活性染料背后复杂的化学反应和精密的工艺要求。这本书让我对“活性”这两个字有了更深刻的体会，不仅仅是颜色上的活跃，更是化学反应上的主动参与，让色彩真正地融入到织物之中，成为其不可分割的一部分。

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这本书的封面上“染料化学”几个字，让我在书店里驻足良久。我并非专业科班出身，只是一个对色彩世界充满好奇的普通爱好者。平时接触到的染料，无非是扎染T恤时那一抹鲜艳的蓝，或是给旧布料上色的那一股神秘的紫。我一直以为，染料的世界就只是这么简单，是艺术家手中的颜料盘，是服装设计师调配出的流行色。然而，当指尖滑过这本书厚实的封面，一种莫名的期待油然而生。它会不会揭示那些隐藏在色彩背后的科学原理？会不会让我明白，为什么有些颜色如此持久，有些则轻易褪色？我迫切地想知道，那些我们司空见惯的五彩斑斓，究竟是如何被创造出来，又为何能如此生动地呈现在我们眼前。这本书，在我看来，就像是一个通往未知领域的邀请函，承诺着一场关于色彩的深度探索。我脑海中已经开始勾勒出各种画面：古老的植物染料是如何从土壤和阳光中汲取灵感，现代合成染料又是如何突破自然的限制，创造出前所未有的视觉体验。我期待着在这本书中，找到那些能够解释一切的答案，让我对“染料”这个词，有一个全新的、更深刻的认知。它不仅仅是关于颜色，更是关于化学的魔力，关于人类智慧与自然的对话。

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当我读到书中关于“酸性染料”和“碱性染料”的章节时，我才真正理解了不同纤维对染料的“亲和力”是如何产生的。我一直觉得，毛、丝等蛋白质纤维和棉、麻等纤维素纤维在染色上的表现不同，但并不知道其根本原因。书中解释道，蛋白质纤维具有两性电解质的性质，其中含有氨基（-NH2），在酸性条件下会带正电荷，而酸性染料通常带有负电荷，两者之间能够通过静电吸引形成牢固的结合。反之，碱性染料通常带正电荷，能够与蛋白质纤维中的负电荷部分（如羧基）发生作用。而对于纤维素纤维，它们本身不带电荷，染色主要依靠染料分子的物理吸附、范德华力或形成共价键等。我甚至开始想象，如果将一种碱性染料用来染毛衣，会发生什么？书中关于“染料分子的大小”和“纤维的孔隙度”对染色效果的影响的讨论，也让我对染色过程有了更全面的认识。这不仅仅是颜色上的选择，更是化学性质的匹配，是分子间的相互作用，是一种精妙的化学选择。

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这本书对染料的“牢度”这一概念的阐述，让我对日常生活中遇到的褪色问题有了更深入的理解。我一直觉得，衣服洗几次颜色就变淡，是理所当然的事情。但这本书让我明白，牢度并不仅仅是一个简单的“耐洗”或“耐晒”的问题，它涉及到染料分子与纤维之间的结合强度，以及染料分子自身在光、热、化学试剂作用下的稳定性。书中详细介绍了“耐光牢度”、“耐洗牢度”、“耐摩擦牢度”等多种评价指标，并且解释了影响这些牢度的化学机理。例如，在耐光牢度方面，书中提到了光敏氧化、光解反应等，这些都可能导致染料分子分解，从而引起褪色。而对于耐洗牢度，则更多地与染料在洗涤剂和水中溶解性以及与纤维结合的牢固度有关。我甚至开始思考，为什么有些老物件的颜色依然鲜艳，而有些新衣服却很容易褪色。这本书不仅解答了我的疑惑，更让我对纺织品的品质有了更挑剔的眼光。我开始关注商品的色牢度信息，不再轻易被廉价的色彩所迷惑，而是更注重其内在的化学稳定性和持久性。

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在阅读的最后，我深刻地感受到，这本书所介绍的“染料化学”远不止于色彩的鲜艳。它是一门关于物质转化、分子结构、化学反应以及工程应用的多学科交叉的科学。从天然植物中提取的色彩，到实验室里合成的万千异彩，再到工业生产中对色彩的精准控制，每一个环节都充满了化学的智慧和力量。我开始更加留意生活中的各种色彩，不再只是欣赏它们的美丽，而是尝试去思考它们是如何产生的，它们是否稳定，是否对环境友好。这本书就像是一把钥匙，为我打开了一个全新的视角，让我能够以更科学、更深入的方式去理解和欣赏这个五彩斑斓的世界。它让我明白，每一个鲜艳的色彩背后，都蕴藏着一段关于化学的精彩故事，等待着我去发掘和品味。这不仅仅是一本书的结束，更是我对于色彩认知的一次全新启航，一次对化学魅力的深刻体验。

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随着阅读的深入，我对染料的化学结构以及它们如何与纤维发生作用产生了浓厚的兴趣。书中关于“共轭体系”和“发色团”的讲解，虽然初听起来有些晦涩，但结合具体的染料分子结构图，我渐渐理解了为何有些分子能够吸收特定波长的光而呈现出鲜艳的颜色。我特别被书中对“蒽醌染料”和“偶氮染料”的介绍所吸引。它们独特的化学结构，赋予了它们不同的染色性能和牢度。我甚至开始想象，那些在纺织品上闪耀的色彩，其背后是多么精妙的分子设计和合成过程。书中还探讨了染料与纤维之间的结合方式，例如“物理吸附”、“化学键合”等。我明白了为什么有些染料需要特定的染色条件，比如高温、酸碱环境，才能牢固地附着在纤维上，而有些则可以轻松地进行染色。这种对微观世界的深入剖析，让我对纺织品染色这一过程有了全新的敬畏感。我不再仅仅看到一件衣服的颜色，而是开始联想到背后那复杂的化学反应和精密的工艺。这本书让我明白，色彩的背后，是一门严谨的科学，是一种智慧的创造。

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初次翻开这本书，我就被其中详尽的图示和专业的术语所吸引。虽然有些概念对我来说是全新的，但作者循序渐进的讲解方式，以及大量生动的实例，让我逐渐拨开了迷雾。我尤其对书中关于“色光混合”和“颜料混合”的阐述印象深刻。我一直以为红色加黄色就是橙色，蓝色加黄色就是绿色，是如此的直观和理所当然。然而，书中所描述的，却是光波的叠加与颜料分子的吸收和反射。那种精确到分子层面的解释，让我对色彩的产生有了颠覆性的认识。我开始意识到，我们所看到的颜色，并非物体的固有属性，而是光与物质相互作用的结果。例如，当白色光照射在红色的物体上时，红色物体吸收了大部分颜色的光，只反射出红色的光波，从而在我们眼中呈现为红色。这种基于物理和化学原理的解释，让我对色彩的感知变得更加理性。书中对于各种染料的分类，从天然染料到合成染料，再到功能性染料，也让我对染料的世界有了更宏观的认识。我开始理解，为什么有些染料价格高昂，有些则经济实惠；为什么有些染料对环境友好，有些则可能存在污染。这本书不仅仅是科普，更像是一本关于色彩的哲学书，引导我去思考颜色背后的本质。

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这本书中关于“还原染料”的介绍，让我对那些需要特殊处理才能显色的染料产生了浓厚的兴趣。我一直对那些颜色饱满、牢度极佳的深色织物印象深刻，尤其是那些靛蓝色牛仔裤，其独特的“做旧”效果更是让人着迷。书中解释了还原染料的染色原理：这类染料在水中溶解性很差，需要经过还原剂（如连二亚硫酸钠）的作用，在碱性条件下转化为可溶性的“隐色体”，然后才能被纤维吸收。染色完成后，还需要通过氧化剂（如空气中的氧气）将其重新氧化为不溶性的染料，使其牢固地附着在纤维上。这个过程就像是一场精密的化学“变身”，将原本顽固的染料分子变得可以被利用，然后再将其“变”回来，使其牢固地留存。我甚至能够想象出那种在染缸中进行的化学转化，以及其背后所需的精确的温度、pH值和时间控制。这种需要多步化学反应才能完成的染色过程，让我对染料的“活性”和“惰性”有了更具象化的理解。它不仅仅是颜色的呈现，更是一场化学反应的艺术。

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这本书中关于“印染工艺”的介绍，让我意识到，染料不仅仅是简单的“涂抹”或者“浸泡”，它背后蕴含着一系列复杂而精细的工业技术。我一直觉得，印花图案就是把颜料印上去，然后等着干。但书中对于“转移印花”、“数码印花”等现代印花技术的描述，让我看到了科技在色彩应用上的进步。例如，转移印花涉及到将染料预先印在特殊的“转移纸”上，然后通过加热和加压，将染料转移到织物上，这种技术能够实现非常细腻的图案和鲜艳的色彩，而且对于一些难以直接染色的纤维也适用。而数码印花则更加灵活，可以直接通过电脑控制喷墨打印机将染料喷射到织物上，实现个性化和按需生产。这些工艺的进步，不仅提升了色彩的表现力，也大大降低了生产过程中的环境污染。我甚至开始联想到，一件充满艺术感的服装，其背后可能是一系列高科技的化学和工程技术的结晶。

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