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Die Chemie der Farbstoffe

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Gliederung1. Definition 2. Klassifizierung3. Theorie der Farbigkeit4. Der Einsatz von Farbstoffen

4.1 Textilfärberei 4.2 Lebensmittelfarbstoffe4.3 Funktionelle Farbstoffe

5. Schulische Relevanz

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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 tische

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 +

NO3SN

OH

β-Naphthylorange

O

O

NH

NH

O

O

IndanthrenKristallviolett

Polymethinfarbstoffe Azofarbstoffe

Triphenylmethan-farbstoffe

Anthrachinon-farbstoffe

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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

3. Die Theorie der Farbigkeit

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● 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

3. Die Theorie der Farbigkeit

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Wechselwirkung von Licht und Materie

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

● Komplementär zur absorbierten Lichtfarbe

3. Die Theorie der Farbigkeit

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● 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

3. Die Theorie der Farbigkeit

ΔE

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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

3. Die Theorie der Farbigkeit

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

σ

σ*

π

π*

π

σ

σ*

π*

ψ1

ψ2ψ3

ψ4

E

Ethen Butadien Ethen

3. Die Theorie der Farbigkeit

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3. Die Theorie der Farbigkeit

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+

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Konjugiertes π-System

C H CHCl2+-CH2Cl2 C

+ C

C+

3. Die Theorie der Farbigkeit

CHCl2 AlCl3

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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. Der Einsatz von Farbstoffen

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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

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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

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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- H3O+

-H2O

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β-Naphthol β-Naphtholorange

4.1 Textilfärberei

- H+

OH

HO3S N N HO3S N

N

OH

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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

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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

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V3: Küpenfärbung

NH

NH

O

O

NH

NH

O

O

Na2S2O4

O2

Indigo Leukoform

4.1 Textilfärberei

S2O42-

+ 4 OH-

2 SO32-

+ 2 H O 2 +3 +4

+2

+2

+1

+1

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• 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

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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 OAl

+

O

O

OHOH

O O-H+

O

OH

O

Al

-H+

O

+

+

Allizarin

+

+

4.1 Textilfärberei

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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)

4.2 Lebensmittelfarbstoffe

D2: Echter oder falscher Lachs?

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D2: Echter oder falscher Lachs?

4.2 Lebensmittelfarbstoffe

OH

O

O

OH

AstaxanthinOH

N=N

NaO3S

SO3Na

OH

N=N

NaO3S

SO3Na

SO3Na

Gelborange SCochenillerot A

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Fleischfärbung des Lachs● Carotinoid-Einlagerungen im Muskelgewebe

nicht durch einfache Extraktion isolierbar!● Nahrung der Lachse: Krebstiere● Futterzusätze in Lachsfarmen: „Carophyll Pink“

4.2 Lebensmittelfarbstoffe

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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

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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

4.3 Funktionelle Farbstoffe

V4: Darstellung von Fluorescein

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V4: Darstellung von Fluorescein

4.3 Funktionelle Farbstoffe

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Fluorescein

4.3 Funktionelle Farbstoffe

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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

4.3 Funktionelle Farbstoffe

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4.3 Funktionelle Farbstoffe

Absorption von kurzwelligem Licht, Emission von längerwelligem Licht

→Stokes-Shift

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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

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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

4.3 Funktionelle Farbstoffe

V5: Zauberrose

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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)

4.3 Funktionelle Farbstoffe

D3: Solvatochromie

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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

4.3 Funktionelle Farbstoffe

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Lsm.:

Farbe: blau grün gelb rot

OO

OH

4.3 Funktionelle Farbstoffe

OH

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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

Ende