Die Chemie der Farbstoffe

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

1. Definition 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

2. Klassifizierung 2. Klassifizierung

Einteilung nach Chromophoren 2. Klassifizierung Polymethinfarbstoffe Azofarbstoffe n β-Naphthylorange Triphenylmethan-farbstoffe Anthrachinon-farbstoffe C + Indanthren Kristallviolett

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:

D1:Lichtbrechung

3. Die Theorie der Farbigkeit D1: Lichtbrechung Ablenkung des Lichts beim Übergang in ein anderes Medium Brechungswinkel abhängig von Wellenlänge Größerer Brechungswinkel bei kleinen Wellenlängen

Lichtenergie ist in Form von Photonen gequantelt: 3. Die Theorie der Farbigkeit 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

Wechselwirkung von Licht und Materie 3. Die Theorie der Farbigkeit Wechselwirkung von Licht und Materie Farbe: Summe des reflektierten und durchgelassenen Lichts (Transmission) Komplementär zur absorbierten Lichtfarbe

Absorbierte Lichtenergie führt zu Elektronenanregung 3. Die Theorie der Farbigkeit Absorbierte Lichtenergie führt zu Elektronenanregung Elektronenübergang HOMO-LUMO Absorbierte Lichtenergie entspricht Energiedifferenz zwischen HOMO und LUMO E E LUMO LUMO ΔE = h · ν ΔE ΔE HOMO HOMO

Zusammenhang zwischen Molekülbau und Farbigkeit 3. Die Theorie der Farbigkeit 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

Je länger das konjugierte π-System, desto niedriger ΔE 3. Die Theorie der Farbigkeit Je länger das konjugierte π-System, desto niedriger ΔE Ethen Ethen Butadien E σ* σ* ψ4 π* π* ψ3 ψ2 π π ψ1 σ σ

3. Die Theorie der Farbigkeit

V1: Aromatenprobe

V1: Aromatenprobe Friedel-Crafts-Alkylierung: 3. Die Theorie der Farbigkeit Friedel-Crafts-Alkylierung: - H+

Konjugiertes π-System 3. Die Theorie der Farbigkeit Konjugiertes π-System

4. Der Einsatz von Farbstoffen Einsatz aus ästhetischen Gründen: Färben von Textilien und Leder Druckereien, Papierfärbung Färben von Lebensmitteln Kosmetika etc. Einsatz aus funktionellen Gründen: Indikatoren Sensibilisatoren etc.

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

4.1.1 Entwicklungs-Farbstoffe 4.1 Textilfärberei 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

V2: Entwicklungsfärben

V2: Entwicklungsfärben 4.1 Textilfärberei V2: Entwicklungsfärben Sulfanilsäure Nitrosylkation H3O+ OH- -H2O Diazoniumion

4.1 Textilfärberei - H+ β-Naphthol β-Naphtholorange

4.1.2 Substantiv- Farbstoffe 4.1 Textilfärberei 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 waschecht Kongorot

4.1.3 Küpen-Farbstoffe Indigo- und Indanthren- Farbstoffe 4.1 Textilfärberei 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

V3: Küpenfärbung

V3: Küpenfärbung S O + 4 OH 2 SO + 2 H O Leukoform Indigo 4.1 Textilfärberei V3: Küpenfärbung +2 +1 +1 +2 Leukoform Indigo +3 2- - +4 2- S O + 4 OH 2 SO + 2 H O 2 4 3 2

4.1 Textilfärberei 4.1.4 Reaktiv-Farbstoffe Azo-, Anthrachinon- und Kupferphthalocyanin- Farbstoffe Bindung über Amino- Gruppe an einen „reaktiven Anker“ Fixierung über kovalente Bindung Sehr waschecht

4.1.5 Beizen-Farbstoffe Metallkomplex-Farbstoffe 4.1 Textilfärberei 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 Allizarin

4.2 Lebensmittelfarbstoffe 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?

D2: Echter oder falscher Lachs? 4.2 Lebensmittelfarbstoffe D2: Echter oder falscher Lachs? Astaxanthin Cochenillerot A Gelborange S

Fleischfärbung des Lachs 4.2 Lebensmittelfarbstoffe Fleischfärbung des Lachs Carotinoid-Einlagerungen im Muskelgewebe nicht durch einfache Extraktion isolierbar! Nahrung der Lachse: Krebstiere Futterzusätze in Lachsfarmen: „Carophyll Pink“

4.3 Funktionelle Farbstoffe Anwendung nicht aufgrund ästhetischer Wirkung Farbe ist irrelevant Erfüllen wohldefinierte Funktion Klassifizierung: Lichtabsorbierende- bzw. lichtemittierende Eigenschaften Lichtinduzierte Polarisation Photoelektrische und photochemische Aktivität

Der Einsatz funktioneller Farbstoffe 4.3 Funktionelle Farbstoffe 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

V4: Darstellung von Fluorescein 4.3 Funktionelle Farbstoffe V4: Darstellung von Fluorescein

4.3 Funktionelle Farbstoffe Fluorescein

Prinzip der Fluoreszenz 4.3 Funktionelle Farbstoffe 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 Phenolphthalein Fluorescein

4.3 Funktionelle Farbstoffe Absorption von kurzwelligem Licht, Emission von längerwelligem Licht →Stokes-Shift

Verwendung von Fluorescein 4.3 Funktionelle Farbstoffe 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

Anthocyane: natürliche pH-Indikatoren 4.3 Funktionelle Farbstoffe Anthocyane: natürliche pH-Indikatoren Wasserlösliche Pflanzenfarbstoffe (Blüten, Früchte) Schutz vor UV-Strahlung Locken Insekten an Binden freie Radikale Anthocyane: R= OH; H Anthocyanine: Glycoside der Anthocyane Glycosidform: wasserlöslicher und stabiler Anthocyane

V5: Zauberrose

V5: Die Zauberrose 4.3 Funktionelle Farbstoffe Chinoide Base: pH 6-7 (blau) Cyanin: pH 1- 2 (rot)

D3: Solvatochromie

2,6-Diphenyl-4-(2,4,6-triphenyl-1-pyridinio)-phenolat 4.3 Funktionelle Farbstoffe D3: Solvatochromie Solvatochromer Farbstoff Grundzustand in polaren Lsm. stabilisiert → ΔE (HOMO-LUMO) wird größer Hypsochrome Bandenverschiebung mit zunehmender Lsm.- Polarität 2,6-Diphenyl-4-(2,4,6-triphenyl-1-pyridinio)-phenolat

Farbe: blau grün gelb rot 4.3 Funktionelle Farbstoffe Lsm.: Farbe: blau grün gelb rot OH

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

Ende