Нафтопираны

Нафтопираны — это класс органических соединений, производных пирана, в молекуле которых одно или несколько бензольных колец конденсированы с пирановым циклом. Нафтопираны относятся к группе фотохромных соединений, способных обратимо изменять свою молекулярную структуру и, как следствие, окраску под воздействием ультрафиолетового (УФ) или видимого света. Благодаря этому свойству они нашли широкое применение в производстве светочувствительных материалов, в частности, в очковых линзах с переменным затемнением (фотохромных линзах).

Химическое строение и классификация

Основу структуры нафтопиранов составляет пирановый цикл — шестичленное гетероциклическое кольцо, содержащее один атом кислорода. Конденсация с нафталиновыми фрагментами приводит к образованию двух основных типов соединений:

• 2H-нафто[1,2-b]пираны — структура, в которой пирановый цикл конденсирован с нафталиновым ядром по связи 1,2.
• 3H-нафто[2,1-b]пираны — структура, в которой пирановый цикл конденсирован с нафталиновым ядром по связи 2,1.

Различия в строении определяют спектральные характеристики и скорость фотохромных превращений. Наиболее распространёнными в промышленности являются 3H-нафто[2,1-b]пираны, которые обеспечивают более широкий диапазон изменения цвета и лучшую кинетику затемнения.

Механизм фотохромизма

Фотохромизм нафтопиранов основан на обратимом фотохимическом процессе. В исходном состоянии (бесцветная или слабоокрашенная форма) молекула находится в закрытой (спироциклической) конфигурации, которая слабо поглощает свет в видимой области спектра. При облучении УФ-излучением (длина волны 300–400 нм) происходит разрыв углерод-кислородной связи в пирановом кольце. Это приводит к раскрытию цикла и образованию плоской мероцианиновой структуры, которая обладает интенсивным поглощением в видимой области (400–700 нм). Именно эта форма придаёт материалу тёмную окраску.

После прекращения облучения или при нагревании происходит обратная термическая реакция: мероцианиновая форма возвращается в исходное закрытое состояние, и материал обесцвечивается. Скорость обратного перехода (релаксации) зависит от температуры и химической структуры конкретного нафтопирана. Время полного обесцвечивания может составлять от нескольких секунд до нескольких минут.

Применение

Фотохромные линзы

Основная область применения нафтопиранов — производство фотохромных (хамелеонных) очковых линз. В отличие от более старых технологий на основе серебряных галогенидов, нафтопираны позволяют создавать линзы из органических полимеров (например, поликарбоната или CR-39). Они равномерно распределяются в массе полимера или наносятся в виде покрытия.

Преимущества использования нафтопиранов в линзах:

• Быстрое затемнение и обесцвечивание — современные составы обеспечивают высокую скорость реакции.
• Широкий спектр цветов — от серого и коричневого до зелёного и синего.
• Устойчивость к усталости — способность выдерживать тысячи циклов «затемнение-обесцвечивание» без значительной потери эффективности.
• Температурная зависимость — при низких температурах линзы темнеют сильнее, при высоких — слабее, что является общей особенностью органических фотохромов.

Другие области

• Оптические запоминающие устройства — возможность обратимого изменения оптических свойств используется в экспериментальных системах хранения данных.
• Молекулярные переключатели — в супрамолекулярной химии и нанотехнологиях нафтопираны применяются как компоненты, управляемые светом.
• Защитные покрытия — добавление нафтопиранов в лаки и краски для создания покрытий, меняющих цвет под воздействием солнечного света (например, для автомобильных стёкол или архитектурных элементов).

История

Фотохромизм нафтопиранов был впервые описан в середине XX века. Однако практическое применение началось только в 1990-х годах, когда были разработаны стабильные и технологичные производные, пригодные для введения в полимерные матрицы. Ключевую роль в коммерциализации сыграли компании, специализирующиеся на производстве очковых линз, такие как Essilor (Франция) и Transitions Optical (США, совместное предприятие Essilor и PPG Industries). В 2000-х годах нафтопираны вытеснили галогениды серебра из большинства сегментов рынка фотохромных очков благодаря лучшей совместимости с пластиковыми линзами и более широкому выбору цветов.

Синтез

Синтез нафтопиранов обычно осуществляется реакцией конденсации между производными нафтола и α,β-ненасыщенными альдегидами или кетонами в присутствии кислотных катализаторов. Например, 3H-нафто[2,1-b]пираны получают взаимодействием 2-нафтола с пропаргиловыми спиртами или их производными. Выход реакции зависит от заместителей в исходных реагентах и условий проведения процесса (температура, растворитель).

Безопасность и экология

Нафтопираны, используемые в потребительских товарах (очковые линзы), считаются безопасными для здоровья при нормальных условиях эксплуатации. Они не выделяют токсичных веществ и не мигрируют из полимерной матрицы. Однако в производственных условиях необходимо соблюдать меры предосторожности, так как некоторые промежуточные продукты синтеза могут быть раздражающими или токсичными. Утилизация отходов, содержащих нафтопираны, должна проводиться в соответствии с местными экологическими нормами.

Источники

1. Bouas-Laurent, H., & Dürr, H. (Eds.). (2003). Photochromism: Molecules and Systems. Elsevier.
2. Crano, J. C., & Guglielmetti, R. J. (Eds.). (1999). Organic Photochromic and Thermochromic Compounds. Springer.
3. Patents of Essilor International and Transitions Optical, Inc. (1990–2010).
4. Kobayashi, S., & Muto, J. (2011). Photochromic Organic Compounds. In: Handbook of Photonics. CRC Press.