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

1. Die Chemie derFarbstoffe

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. 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

4. 2. Klassifizierung 2. Klassifizierung

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

6. 3. Die Theorie der Farbigkeit 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:

7. D1:Lichtbrechung

8. 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

9. 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

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

11. 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

12. 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

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

14. 3. Die Theorie der Farbigkeit

15. V1: Aromatenprobe

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

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

18. 4. Der Einsatz von Farbstoffen 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.

19. 4.1 Textilfärberei 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

20. 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

21. V2: Entwicklungsfärben

22. 4.1 Textilfärberei V2: Entwicklungsfärben Sulfanilsäure Nitrosylkation H3O+ OH- -H2O Diazoniumion

23. 4.1 Textilfärberei - H+ β-Naphthol β-Naphtholorange

24. 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

25. 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

26. V3: Küpenfärbung

27. 4.1 Textilfärberei V3: Küpenfärbung +2 +1 +1 +2 Leukoform Indigo +3 +4 2- - 2- S O + 4 OH 2 SO + 2 H O 3 2 2 4

28. 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

29. 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

30. 4.2 Lebensmittelfarbstoffe 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)

31. D2: Echter oder falscher Lachs?

32. 4.2 Lebensmittelfarbstoffe D2: Echter oder falscher Lachs? Astaxanthin Cochenillerot A Gelborange S

33. 4.2 Lebensmittelfarbstoffe • 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 Farbstoffe 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

35. 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

36. V4: Darstellung von Fluorescein

37. 4.3 Funktionelle Farbstoffe V4: Darstellung von Fluorescein

38. 4.3 Funktionelle Farbstoffe Fluorescein

39. 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

40. 4.3 Funktionelle Farbstoffe • Absorption von kurzwelligem Licht, Emission von längerwelligem Licht →Stokes-Shift

41. 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

42. 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

43. V5: Zauberrose

44. 4.3 Funktionelle Farbstoffe V5: Die Zauberrose Chinoide Base: pH 6-7 (blau) Cyanin: pH 1- 2 (rot)

45. D3: Solvatochromie

46. 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

47. 4.3 Funktionelle Farbstoffe • Lsm.: • Farbe: blau grün gelb rot OH

48. 5. Schulische Relevanz 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

49. Ende