Die Chemie der F a r b s t o f f e

1

Die Chemie der

Farbstoffe

2

Gliederung

1. Definition

2. Klassifizierung

3. Theorie der Farbigkeit

4. Der Einsatz von Farbstoffen

4.1 Textilfärberei

4.2 Lebensmittelfarbstoffe

4.3 Funktionelle Farbstoffe

5. Schulische Relevanz

3

1. Def.: Farbstoff

• Farbgebende Stoffe mit einer Absorption zwischen 400 und 800 nm (DIN: 55944)

• Solche Farbmittel, die in ihrem Anwendungsmedium löslich sind (DIN: 55934)

• Organische Verbindungen, die die Eigenschaft haben, andere Materialien zu färben

1. Definition

4

2. Klassifizierung

P igm en te

a n o rg a n ische

P ig m e n te

n a tü rliche syn th e tis che

F a rbs to ffe

o rg a n ische

F a rb m itte l

2. Klassifizierung

5

Einteilung nach Chromophoren

X Y n

2. Klassifizierung

N(CH3)2

N(CH3)2

(CH3)2N

C

+

C +

NO3S

N

OH

β-Naphthylorange

O

O

NH

NH

O

O

Indanthren

Kristallviolett

Polymethinfarbstoffe Azofarbstoffe

Triphenylmethan-farbstoffe

Anthrachinon-farbstoffe

6

3. Die Theorie der Farbigkeit● Farbigkeit: Resultat der Wechselwirkung von Licht

und Materie

● Licht: elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich 400 – 760 nm

Zerlegung des weißen Lichts in die einzelnen Spektralfarben:

3. Die Theorie der Farbigkeit

D1:Lichtbrechung

D1: Lichtbrechung

● Ablenkung des Lichts beim Übergang in ein anderes Medium

● Brechungswinkel abhängig von Wellenlänge

● Größerer Brechungswinkel bei kleinen Wellenlängen


9

● Wellenlängen des sichtbaren Bereichs der elektromagnetischen Strahlung:

● Lichtenergie ist in Form von Photonen gequantelt: E = h · ν mit v = c/λ

E = h · c/λ


10

Wechselwirkung von Licht und Materie

Farbe: ● Summe des reflektierten und durchgelassenen Lichts (Transmission)

● Komplementär zur absorbierten Lichtfarbe


11

● Absorbierte Lichtenergie führt zu Elektronenanregung● Elektronenübergang HOMO-LUMO● Absorbierte Lichtenergie entspricht Energiedifferenz

zwischen HOMO und LUMO

E

HOMO

LUMO

HOMO

LUMO

E

ΔE = h · νΔE


ΔE

12

Zusammenhang zwischen Molekülbau und Farbigkeit

● Farbstoffe besitzen ausgedehnete konjugierte π-Systeme

sp2-hybridisierte C-Atome einer C=C-Doppelbindung

Konjugierte Doppelbindungen

π-Elektronen in p-Orbitalen frei beweglich → delokalisierte Elektronen


13

• Je länger das konjugierte π-System, desto niedriger ΔE

σ

σ*

π

π*

π

σ

σ*

π*

ψ1

ψ2

ψ3

ψ4

E

Ethen Butadien Ethen


14


V1: Aromatenprobe

V1: Aromatenprobe3. Die Theorie der Farbigkeit

Friedel-Crafts-Alkylierung:

C

Cl

Cl

Cl

H Al

Cl

Cl Cl

Cl

Cl

ClAlCl C

Cl

H Cl

C

Cl

H ClCHCl2H

CHCl2

- H+

17

Konjugiertes π-System

C H CHCl2+-CH2Cl2 C

+C

C+


CHCl2 AlCl3

18


Einsatz aus ästhetischen Gründen:– Färben von Textilien und Leder

– Druckereien, Papierfärbung

– Färben von Lebensmitteln

– Kosmetika etc.

Einsatz aus funktionellen Gründen:– Indikatoren

– Sensibilisatoren etc.


19

4.1 Textilfärberei● Farbstoffe sollen Textilien waschecht färben

● Waschechtheit beruht auf Wechselwirkung zwischen Farbstoff und Faser

● Fasertypen:

Wolle: ionisierte Amino- bzw. Carboxylgruppen

Seide: ionisierte Amino- bzw. Carboxylgruppen

Baumwolle: Hydroxylgruppen

4.1 Textilfärberei

20

4.1.1 Entwicklungs-Farbstoffe• Azo-Entwicklungs-Farbstoffe• Grundierung der Textilien mit der

wasserlöslichen farblose Kupplungskomponente

• Nach dem Trocknen Zugabe der Diazoniumsalz-Lösung

• Azokupplung: Entwicklung des wasserunlöslichen Farbstoffs auf der Faser

• Haftung durch Adsorption an der Faser

4.1 Textilfärberei

V2: Entwicklungsfärben

22

V2: Entwicklungsfärben

Diazoniumion

NH2HO3S N

+O HO3S N

+

H

N

H

O

OH--H2O

HO3S N

H

N OH3O+-H2O

HO3S N N+

HO3S N+

N

Sulfanilsäure Nitrosylkation

4.1 Textilfärberei

OH-H

3O+

-H2O

23

β-Naphthol β-Naphtholorange

4.1 Textilfärberei

- H+

OH

HO3S N N HO3S N

N

OH

24

4.1.2 Substantiv-Farbstoffe

• Polyazofarbstoffe• Keine kovalente oder

salzartige Bindung• Bindung an die

Cellulosefaser über Dipolkräfte, van-der-Waals-Kräfte oder Wasserstoffbrücken-Bindungen

• Wenig waschechtKongorot

NH2

NaO3S

N N N N

NH2

SO3Na

4.1 Textilfärberei

25

4.1.3 Küpen-Farbstoffe• Indigo- und Indanthren-

Farbstoffe• Unlöslicher Farbstoff• Keine Direktfärbung möglich• Reduktion in lösliche Form

(Leuko-)• Auf der Faser wird Leukoform

zum unlöslichen Farbstoff oxidiert

• Van-der-Waals-Kräfte• Waschecht• Nicht abriebfest

Indigofera tinctoria

4.1 Textilfärberei

V3: Küpenfärbung

27

V3: Küpenfärbung

NH

NH

O

O

NH

NH

O

O

Na2S2O4

O2

Indigo Leukoform

4.1 Textilfärberei

S2O4

2-+ 4 OH

-2 SO3

2-+ 2 H O 2

+3 +4

+2

+2

+1

+1

28

• Azo-, Anthrachinon- und Kupferphthalocyanin-Farbstoffe

• Bindung über Amino-Gruppe an einen „reaktiven Anker“

• Fixierung über kovalente Bindung

• Sehr waschecht

4.1 Textilfärberei

4.1.4 Reaktiv-Farbstoffe

29

4.1.5 Beizen-Farbstoffe● Metallkomplex-Farbstoffe● Beizmittel: wasserlösliche Mineral- oder Metallsalze

(Alaun, Eisen- und Kupfersalze)● Feste Verbindung zwischen Metallion und Farbstoff● Hohe Waschechtheit

Rubia tinctorum

OH OH

Al3+

O O

Al+

O

O

OH

OH

O O-H+

O

OH

O

Al

-H+

O

+

+

Allizarin

+

+

4.1 Textilfärberei

30


• Natürliche, naturidentische oder synthetische Farbstoffe

• Zum Färben von Nahrungs-, Genuss- und Arztneimitteln

• Verleihen ein appetitliches Aussehen

• E 100 - E 200

• ADI-Werte (Acceptable Daily Intake)

• Bewertung durch FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations) / WHO (World Health

Organization)


D2: Echter oder falscher Lachs?

32

D2: Echter oder falscher Lachs?


OH

O

O

OH

AstaxanthinOH

N=N

NaO3S

SO3Na

OH

N=N

NaO3S

SO3Na

SO3Na

Gelborange SCochenillerot A

33

Fleischfärbung des Lachs

● Carotinoid-Einlagerungen im Muskelgewebe

nicht durch einfache Extraktion isolierbar!

● Nahrung der Lachse: Krebstiere

● Futterzusätze in Lachsfarmen: „Carophyll Pink“


34

4.3 Funktionelle Farbstoffe4.3 Funktionelle Farbstoffe

● Anwendung nicht aufgrund ästhetischer Wirkung

● Farbe ist irrelevant

● Erfüllen wohldefinierte Funktion

Klassifizierung:

● Lichtabsorbierende- bzw. lichtemittierende Eigenschaften

● Lichtinduzierte Polarisation

● Photoelektrische und photochemische Aktivität

35

Der Einsatz funktioneller Farbstoffe● Sensibilisatoren für Silberhalogenide in

fotografischen Filmen

● Optische Datenspeicherung (Elektrofotografie)

● Photochrome Verbindungen in Sonnenbrillen

● pH-Indikatoren in der Analytik

● Natürliche Farbstoffe (Chlorophyll, Anthocyane)

● Betain-Farbstoffe für empirische Ermittlung der Lösungsmittelpolarität


V4: Darstellung von Fluorescein

37

V4: Darstellung von Fluorescein


38

Fluorescein


39

Prinzip der Fluoreszenz● Farbstoffe:

Absorption der Lichtenergie → Umwandlung in Schwingungsenergie (Wärme)

● Fluoreszenzfarbstoffe:

Absorption der Lichtenergie → Umwandlung in Schwingungsenergie aufgrund starrem Molekülgerüst nicht möglich → Abgabe der Energie in Form von Fluoreszenz

OH

O

O

O

OH

OH

O

O

OH

Phenolphthalein

Fluorescein


40


Absorption von kurzwelligem Licht, Emission von längerwelligem Licht

→Stokes-Shift

41


Verwendung von Fluorescein● Fluoreszenzmikroskopie

● Nachweis von Bromiden

● pH-Indikator für undurchsichtige Lösungen

(Bsp.: Klärschlammtitration)

● Quellenfärbung (Nachweis unterirdischer Wasserläufe)

● Seenotrettung (500 g färben 4000 qm Wasseroberfläche)

● Diagnose von Hornhautschäden am Auge

42

Anthocyane: natürliche pH-Indikatoren

● Wasserlösliche Pflanzenfarbstoffe (Blüten, Früchte)

● Schutz vor UV-Strahlung

● Locken Insekten an

● Binden freie Radikale

Anthocyane

● Anthocyane: R= OH; H

● Anthocyanine: Glycoside der Anthocyane

● Glycosidform: wasserlöslicher und stabiler


V5: Zauberrose

44

V5: Die Zauberrose

NH3

O

O-Zucker

OH

OH

O-Zucker

O

O-Zucker

O

O-Zucker

OH

OHOH

Cyanin: pH 1- 2 (rot) Chinoide Base: pH 6-7 (blau)


D3: Solvatochromie

46

D3: Solvatochromie

N

O

2,6-Diphenyl-4-(2,4,6-triphenyl-1-pyridinio)-phenolat

● Solvatochromer Farbstoff

● Grundzustand in polaren Lsm. stabilisiert → ΔE (HOMO-LUMO) wird größer

● Hypsochrome Bandenverschiebung mit zunehmender Lsm.-Polarität


47

Lsm.:

Farbe: blau grün gelb rot

OO

OH


OH

48

5. Schulische Relevanz GK / LK 13.2 Wahlthema „Angewandte Chemie“

(Std.: GK 24; LK 43)

● Licht und Farbe

● Theorien der Farbigkeit

● Einteilung der Farbstoffe nach Farbstoffklassen

● Synthese von Farbstoffen

● Färbetechniken

● pH-Indikatoren

● Lebensmittelfarbstoffe

● Natürliche Farbstoffe

5. Schulische Relevanz

Die Chemie der F a r b s t o f f e

Documents

Transcript of Die Chemie der F a r b s t o f f e