不溶性偶氮染料
不溶性偶氮染料由无水溶性基团的偶合组分和芳伯胺的重氮
盐在纤维上偶合成不溶于水的偶氮染料, 故名为不溶性偶氮染
料 ( azoic dye) 。 前者称为色酚 ( naphtol), 后者称为色基
( base) 。 一般染色过程是先用色酚打底, 色酚与纤维借氢键
和范德华力相结合, 然后与色基底重氮盐显色 。 色基重氮化时
需用冰, 所以又称为冰染料 ( Ice dye) 。 它们未经显色前实
为染料中间体, 而非染料 。
引 言
现在常用色酚主要是邻羟基芳甲酰芳胺类和乙酰乙酰芳胺
类。改变芳甲酰基中芳基结构和胺基上引入不同取代基,可
以调整染料的色光或改变其性能。最主要的 2-羟基- 3萘甲
酰苯胺的衍生物,分子式如下:
O H
C
O
N H A r R
改变 Ar或 R,均影响其对纤维的亲和力、色相和色牢度。作
为色基的芳伯胺,同样改变芳基结构或芳环上的取代基,亦可
实现上述影响。色基重氮化是比较复杂的化学反应过程,将重
氮化的芳胺预先与无机化合物形成稳定的盐类,或转变成某种
稳定形式的化合物后与色酚混合,染色或印花后改变条件,再
转变为活泼形式而偶合显色,简化了染色和印花的过程。
不溶性偶氮染料主要用于纤维素纤维的染色和印花, 几乎可
得浓艳的各种色谱, 尤以橙, 红, 蓝, 酱红和棕等浓色为优 。
其水洗牢度较好, 只稍逊于还原染料, 但价格却便宜得多, 染
色也简单, 得到广泛应用 。 但这类染料得色谱不及还原染料齐
全, 耐光牢度也不及 。 尤其不宜染淡色, 否则不但耐光牢度差,
且遮盖力较弱, 得色不够丰满 。
不溶性偶氮染料在纤维素纤维上应用过程是:先将色酚溶
解在一定浓度的烧碱溶液中,再上染到纺织物上,在色酚供电
子基(羟基)邻位或对位与重氮化的色基偶合。这样就限制了
它的应用范围,因而很少再在合纤和蛋白纤维上使用。
O H
C N H
O
+
O H
C N H
O
N NC l
C l
N 2 + C l
C l
色酚
2-羟基 -萘 -3-甲酰芳胺及其衍生物
2-羟基 -萘 -3-甲酰苯胺及其衍生物的品种较多,由 BON酸酰
化苯胺或萘胺而得,苯胺或萘胺环上无水溶性基团。常见合成
方法是将等摩尔比的 BON酸和芳伯胺在溶剂(如氯苯)中与三
氯化磷一起加热而成。
2 A r - N H 2 + P C l 3
O H
C O H
O
2 + A r - N = P N H - A r
O H
C N H
O
A r
2 + H P O
2
A r - N = P N H - A r
O H
C N H
O
O H
C N H
O
O C H
3
O H
C N H
O
C H
3
A S A S - D A S - O L
O H
C N H
O
O C H
3
O H
C N H
O
C H
3
O C H
3
O H
C N H
O
O C H
3
O C H
3
A S - R L A S - L T
A S - B G
O H
C N H
O
O C H
3
O C H
3
C l
O H
C N H
O
N O
2
O H
C N H
O
A S - B O
A S - I R T
A S - S W
A S - B S
O H
C N H
O
色酚 AS的酸性很弱,不溶于水,在强碱水溶液中形成钠盐而
溶解。反应是可逆的,烧碱应该稍过量一些,否则钠盐水解而
降低其溶解性。水解稳定性随结构而异。若在织物上打底后发
生水解,会妨碍以后的偶合。
O H
C
O
N H A r
+ N a O H
O N a
C
O
N H A r
+ H 2 O
烧碱过量较多时,在光的作用下能够催化使色酚 AS被空气氧
化,形成没有偶合能力的醌式结构。
显色时,如果色基重氮液中有过量的亚硝酸,将使色酚发生
亚硝化反应。
O
C
O
N H
+ 2 [ O ]
O H
h r
O
O
C
O
N H
+ H 2 O
O
O H
C
O
N H A r
+ H O N
O H
C
O
N H A r
N O
- H 2 O
O
C
O
N H A r
N O
F e 1 / 3
3 +
O H
C
O
N H A r
N O
+ F e 3 +
为了防止色酚的氧化和亚硝化,保护羟基邻位,在色酚碱
溶液中加入甲醛使 α 位发生羟甲基化反应。
显色时,因条件变化,羟甲基脱落,恢复偶合能力。但是
温度太高时,两分子化合物羟甲基之间交链而失去偶合能力。
O H
C
O
N H A r
+ C H 2 O
O H
C
O
N H A r
C H 2 O H
发生偶合反应时, 色基重氮盐在羟基邻位偶合, 其偶合能力
与色酚的分子结构有关 。 色酚 AS类的偶合能力不及有活泼亚甲
基的化合物, 偶合 pH值为中性或弱碱性 。
在色酚 AS类酰芳胺的芳环上引入取代基, 使染料的颜色发生
变化, 不同取代基的深色效应为:
NO2>Cl>CH3>H>OCH3
同一取代基因位置不同, 深色效应也不同 。 通常在酰胺基对
位, 深色效应最明显, 间位次之, 邻位最浅 。 色酚 AS的结构对
其日晒牢度也有影响, 酰芳胺苯环的 2,4,5位上有取代基日
晒牢度有所提高, 以甲氧基最佳 。
乙酰乙酰芳胺( β -酮基酰胺)衍生物
AS系色酚,因含有萘环,经偶合后的染料无黄色。
乙酰乙酰芳胺类又称 AS-G类,分子结构中有活泼的亚甲基,
与色基偶合,可以生成不同色光的黄色。它们是乙酰乙酸乙酯
与芳伯胺在二甲苯等溶剂中加热缩中制成的。主要的结构形式
如下:
色酚 AS-G类与纤维素纤维的亲和力较大,但耐晒牢度差,
其中以 AS-LG,AS-LAG的耐晒牢度好一些。这类色酚的偶合能
力最强,最佳偶合 PH值为 3~4.5。
色 酚 A S - G
C l
N H
O C H
3
C C H
2
O
C
O
C C H
2
C N H
C l
O C H
3
O C H
3
O O
C H
3
O
色 酚 A S - L G
色 酚 A S - L 4 G
C H
3
N H C
O
C H
2
C H
3
C C H
3
O
C N HC H
2
CC H
3
O O
N
S
C N H C C H
2
C C H
3
O O
其他邻羟基芳甲酰芳胺类
含二苯并呋喃杂环的 2-羟基 -3-甲酰芳胺色酚。例如色酚 AS-
BT,AS-KN,它们主要染棕色,其结构分别如下,O
O H
C N H A r
O
A r =
O C H
3
O C H
3
A S - B T
A r = A S - K N
含咔唑杂环结构的邻羟基 —— 甲酰芳胺色酚,例如主
要染棕色色酚 AS-LB和主要染黑色的色酚 AS-SG,AS-SR。它们
的结构分别如下:
N
H
O H
C N H C l
O
A S - L B
N
O H
C
H
N H
X
O C H
3
O
X = H A S - S G
X = C H
3
A S - S R
2-羟基 -3-蒽甲酰芳胺,它们相似于 AS-D而具有蒽环结构的
色酚,例如 AS-GR,与蓝色基 BB偶合,可得到蓝光绿色。
酞菁磺酰氨基吡唑啉酮类,例如色酚 AS-FGGR,它和邻氯苯
胺等色基重氮盐偶合,为比较鲜艳的蓝色,日晒及气候牢度都
比较好,偶合能力与色酚 AS相近,其结构是:
O H
C N
C H 3
HO
A S - G R
N
C
N
C H 2
C C H 2
S O 2 N H
3 ~ 4
C u P C
色 酚 A S - F G G R
? 色酚与纤维的直接性
色酚分子中酰胺键与两边芳环间构成的共轭系统影响色酚对
纤维素纤维的直接性。色酚钠盐存在下式所示的酰胺 —— 异酰
胺的互变异构现象,异酰胺式分子中有一个较长的共平面的共
轭系统,增加了对纤维的直接性。 O
C N H
O
O
C
O
H
N
酰 胺 式 ( 酮 亚 胺 式 ) 异 酰 胺 式 ( 烯 酮 式 )
如果亚胺基氮原子上的氢原子被甲基取代,不能发生互变异
构,不但失去对纤维的直接性,在烧碱中的溶解也大大下降。
在萘和酰胺基间插入烷基,两芳环间的共轭系统被破坏,对
纤维没有直接性。
色酚 AS类对纤维素纤维的直接性随芳胺结构而变化。芳胺芳
环上引入极性基,增加色酚的直接性,且对位取代基的效果比
邻、间位大。酰芳胺芳环稠合性增加,直接性升高。由萘胺制
得色酚的直接性一般较苯胺衍生物大,其中 2-萘胺衍生物的直
接性又大于 1-萘胺衍生物,
部分色酚 AS类直接性大小顺序如下:
AS- SW>AS- BO>AS- IRT>AS- BS>AS- RL>AS- OL>AS- D>AS
打底时色酚上酰胺基与纤维素纤维上羟基形成氢键结合,然
后显色,染料分子中的偶氮基与纤维分子呈垂直状态。
从应用角度看,色酚对纤维的直接性应适宜。若太高,染缸
中色酚打底时虽吸收比较完全,摩擦牢度较好,但不宜于轧染,
因不易控制补充液的浓度而引起色差。也不适应于拔染印花,
否则从织物上清除被拔染的部分比较困难。当然直接性也不能
太小,因为容易产生浮色,牢度也不会好。
色基和色盐
色基是一类不含磺酸基等水溶性基团的芳伯胺,其数量很大,
但从偶合后的色泽、染色牢度、偶合条件等各种因素考虑,目
前应用的只有五十多种。
按化学结构,色基大致可分为下列三类。
苯胺及其衍生物 这是一类结构最简单的色基,它们和
色酚显色可得到橙色和红色,色光纯正。
例如间 -氯苯胺 ( 橙色基 GC) 显橙色; 2-甲基 -5-硝基苯胺
( 大红色基 G), 2,5-二氯苯胺 ( 大红色基 GG) 显大红色; 2-
甲氧基 -4-硝基苯 ( 红色基 B) 显枣红色等 。
这类色基偶合后的耐晒牢度不好, 在苯环氨基的间位有供电
子基, 邻位有吸电子基, 耐晒牢度获得较大提高 。 但氨基邻位
不能引入硝基, 否则日晒牢度下降, 易受还原物质的影响而改
变色光 。 常见的取代基有 -Cl,-NO2,-CN,-CH3,— CONH2、
-R,-OR,-CF3,-SO2NH2等 。 引入 -Cl和 -CN还能够使染料的
色光明亮 。
属于此类色基的一些常用品种有:
N H
2
C l
O C H
3
N H
2
C l
C l
N H
2
C H
3
N H
2
C l
C l
N H
2
C l
O C H
3
N H
2
O
2
N
C H
3
N H
2
N O
2
橙 色 基 G C 红 色 基 K B
大 红 色 基 G G 红 色 基 B 大 红 色 基 G
黄 色 基 G C 红 色 基 R C
对苯二胺 N取代物
这类色基与色酚 AS偶合可得紫色、蓝色等。
N H N H
2
C H
3
O
C O N H
C H
3
N H
2
O C H
3
C O N H
O C
2
H
5
N H
2
O C
2
H
5
凡 拉 明 兰 色 基 B
紫 色 基 B
蓝 色 基 B B
氨基偶氮苯衍生物 这类色基与杂环色酚配合使用可染得
黑色。
杂环结构的色基 近年来出现了杂环结构如苯并吲哚和
苯并三唑的色基,与色酚 AS- ITR偶合后,再用铜盐和钴盐后
处理,得到橄榄绿色和灰蓝色,具有很高的日晒、摩擦牢度和
良好的耐氯牢度,
O
N
N
N
C H 3
O C H 3
N H 2
N
N
N
O C 2 H 5
O C 2 H 5
N H 2
O
V a r i o g e n 色 基 1 V a r i o g e n V a r i o g e n 色 基 3色 基 2
N
H
N H 2
N
C l
色盐
色盐是色基重氮盐的稳定形式。
重氮盐的稳定性随结构而有很大差别。氨基偶氮苯和对氨基
二苯胺类重氮盐比较稳定,有的则很不稳定,干燥状态容易爆
炸。一般色基在染色前重氮化,然后偶合显色,使印染厂的工
序增多,而且某些色基重氮化时比较困难。为了解决上述问题,
染料厂将一些色基预先重氮化为重氮盐,再加入适当的稳定剂
和稀释剂制成稳定的粉状色盐,使用时只要将它们溶于水中即
可与色酚偶合显色 。
色盐主要有四种形式
稳定的重氮硫酸盐或盐酸盐
N H N
2
C lC H
3
O
N H N
2
C l
N
C H
3
N N
2
C H
3
H S O
4
蓝 色 盐 V B
蓝 色 盐 R T
枣 红 色 盐 G - B C
稳定的重氮复盐
许多重氮化合物能够与具有配位价金属离子的盐类生成稳定
的复盐。
C l
N
2
C l
O C H
3
2
Z n C l
2
N N N
2
C lO 2 N
2
Z n C l
2
N H N N
O C
2
H
5
N
2
C l
C H
3
C l N
2 Z n C l 2
大 红 色 盐 R C
黑 色 盐 K
黑 色 盐 G
稳定的重氮芳磺酸盐
不能与金属盐类形成稳定复盐的重氮化合物一般能与芳磺酸
(苯磺酸及其衍生物及 1,5和 1,6萘二磺酸)生成稳定的重氮
盐,从溶液中分离出来,也易干燥和磨细。
O C H 3
N 2 +O 2 N
S O 3
S O 3 N a
红 色 盐 B
稳定的重氮氟硼酸盐
重氮化合物与氟硼酸作用生成很稳定的复盐,但难溶于水。
染色时加入胺盐或钠盐提高其溶解度。例如:
N 2 B F 4
C l
橙 色 盐 G C
印花用稳定的不溶性偶氮染料
为了简化印花手续,将色酚和重氮化色基某种稳定形式混
合,印到织物上偶合而显色。这类染料目前有快色素、快磺素、
快胺素和中性素。
快色素染料 又称重氮色酚染料,是色酚和反式重氮
酸盐的混合物,1915年问世。
O H
H +
N N
A r O N a N NA r
O N a
芳胺的重氮酸盐随 pH值变化存在顺、反互变异构,反式重
氮酸盐无偶合能力。当 pH值下降又转变成活泼的顺式重氮酸盐,
恢复偶合能力。印花时将此混合物调浆印花,印花织物经汽蒸
后再经酸性介质处理就可以显色。
芳环上含有多个弱吸电子基或有较强的吸电子基的重氮化
合物,转变成反式重氮酸盐形式要求 pH值较低,用碱量少,温
度也不高,易制备成快色素染料。
快磺素染料
重氮化合物的中性或微酸性溶液与亚硫酸的作用,生成具有
偶合能力的 重氮亚硫酸盐,在水溶液中很快转变成稳定的重氮
磺酸盐,再经加热处理可转变为有偶合能力的顺式重氮亚硫酸
盐,或被氧化成为活泼的重氮硫酸盐。
N a 2 S O 3
N N C lA r A r N N O S O 2 N a A r N N S O 3 N a
[ O ]
A r N N O S O 3 N a
重 氮 亚 硫 酸 盐 ( 不 稳 定 ) 重 氮 磺 酸 盐 ( 稳 定 )
重 氮 硫 酸 盐 ( 不 稳 定 )
放 置 ( 冷 )
汽 蒸
芳环上有给电子基,易制备成重氮磺酸盐。将此稳定的化
合物与色酚混合,则制成快色素染料,1934年问世。印花后经
汽蒸处理,稳定的磺酸盐转变为活泼的亚硫酸盐,或经氧化剂
如重铬酸钠汽蒸,转变为活泼的硫酸盐,均可与混入色酚偶合
显色。
由于快磺素显色比较困难,应用有限。二苯胺衍生物常用
此法稳定,
+ A S D
1 快 色 素 深 蓝 G
2 快 色 素 蓝 I B
N H N N S O
3
N aC H
3
O
N H N N S O
3
N aC H
3
O + A S
3 快 色 素 黑 B
N H N N S O
3
N aC H
3
O
+ A S - O L ( 8 8 % ) + A S - G ( 1 2 % )
快胺素染料
重氮化合物与脂肪族或芳香族伯、仲胺作用,生成无偶合能
力的重氮氨基或重氮亚氨基化合物。
A r N 2 C l +
A r ' N H 2
R N H 2
A r N N N H A r '
A r N N N H R
重 氮 氨 基 化 合 物
A r N 2 C l +
A r N N N R ' A r '
A r N N N R ' R
重 氮 亚 氨 基 化 合 物
A r N H R '
R N H R '
当介质的 pH值下降,上述产物可以转变为原来的重氮化合
物和胺。将这样的重氮氨基化合物与色酚混合,就成为快胺素
染料。这些胺类称为稳定剂。印花后织物经有机酸(如乙酸)
蒸汽处理时,重氮氨基化合物分解,生成具有偶合能力的重氮
化合物,与相混的色酚偶合而显色。
快胺素染料中的重氮氨基化合物应具备水溶性好、稳定性
好、在酸性蒸汽中又易分解放出重氮化合物的性能。因此制备
重氮氨基化合物时应当选择合适的重氮化合物和胺类。
? 中性素染料
使用快胺素染料印花的织物,需在酸性蒸汽中显色,使设
备腐蚀严重,又不能与还原染料共印,使其应用受到限制。五
十年代产生了中性素染料。此类染料也是色基的重氮氨基化合
物与色酚混合而成,它们与快胺素的区别在于选择稳定剂不同,
以碱性较弱的邻羧基芳仲胺为主,
将中性素染料印花织物在中性蒸汽中分解产生重氮化合物,
与相混的色酚偶合而显色。
以下列色基和色酚为例,试以反应方程式表示不溶性偶氮染料染色中所涉及的化
学反应,并阐述影响这些反应的因素。
N H 2
N O 2
- O C H
3
O H
C O N H
红色基 B 色酚 AS - SW