Farbstoffe – Einführung (Expertenwissen)

Farbstoffe – Einführung (Expertenwissen) Übung

• Entscheide, welche Verbindung nicht farbig ist.

  Tipps

  Je mehr konjugierte Doppelbindungen vorhanden sind, desto kleiner ist der Energieunterschied zwischen HOMO und LUMO.

  Lösung

  Alle Stoffe tragen auxochrome Gruppen, die die Farbe verstärken könnten.Trotzdem ist Phenol eine farblose Verbindung, die im UV-Bereich absorbiert.

  Zum einen hat Phenol nur drei konjugierte Doppelbindungen. Je mehr konjugierte Doppelbindungen vorhanden sind, desto kleiner ist der Energieunterschied zwischen HOMO und LUMO und desto größer ist die Anregungswellenlänge (→ Verschiebung in den sichtbaren Bereich).

  Andererseits trägt Phenol nur eine auxochrome Gruppe, sodass durch mesomere Effekte nur eine geringe Stabilisierung (Näherung von HOMO und LUMO) erreicht werden kann.

• Bestimme die Merkmale und Substituenten der auxochromen und antiauxochromen Gruppe.

  Tipps

  Die $\pi$-Elektronensysteme im Farbstoff sind konjugiert. Wohin können die Substituenten die Elektronen verschieben?

  Lösung

  Der mesomere Effekt (M-Effekt) beschreibt die Fähigkeit eines Substituenten beziehungsweise einer Gruppe in einem konjugierten System, die $\pi$-Elektronendichte zu verändern. Die Ausbildung von Ladungserhöhung oder -verminderung erfolgt durch Mesomerie. Dies bezeichnet die Ausbildung von $\pi$-Bindungen durch Aufnahme von $\pi$-Elektronen durch einen Substituenten oder die Einbindung eines freien Elektronenpaars (meist an Heteroatomen wie Sauerstoff und Stickstoff).

  Auxochrome sind Gruppen, die Elektronendichte in das konjugierte System hineinschieben. Diesen Effekt bezeichnet man auch als +M-Effekt. Diese Auxochromen sind Substituenten, die ein freies Elektronenpaar an einem Heteroatom besitzen und dessen Reste einen +I-Effekt (induktiver Effekt) zeigen. Sie verschieben das Absorptionsspektrum in den energieärmeren roten bzw. gelben Bereich. Besonders wichtige Gruppen sind:

  • Amino-,
  • Hydroxid-,
  • Halogen-,
  • Alkyl-,
  • Alkenyl-,
  • Ether-,
  • Amid-.

  Antiauxochrome haben einen -M-Effekt, welcher bewirkt, dass diese Gruppen Elektronendichte aus dem System herausziehen. Sie verschieben damit das Absorptionsspektrum in den blaugrünen Bereich. Dazu gehören vor allem:

  • Aldehyd-,
  • Keton-,
  • Carbonsäure-,
  • Nitril-,
  • Sulfonsäure-,
  • Nitro-.

• Finde die farbgebenden Gruppen in den Molekülen.

  Tipps

  Ein Auxochrom schiebt Elektronendichte in das konjugierte $\pi$-System.

  Chinone entstehen bei der Oxidation von zweiwertigen Phenolen.

  Lösung

  Ein organischer Farbstoff ist eine Substanz mit einem ausgedehnten, konjugierten $\pi$-Elektronensystem, durch welches eine Absorption aus dem sichtbaren Bereich ermöglicht wird. Eine Absorption im sichtbaren Bereich ist genau dann möglich, wenn das HOMO (höchst besetzte Molekülorbital) und das LUMO (niedrigst besetzte Molekülorbital) möglichst nah beieinander liegen. Dies wird durch ein chromophores System (griech.: chroma → Farbe; phoros → tragend) erfüllt. Wichtige Bestandteile eines chromophoren Systems sind:

  • chionide Systeme,
  • aromatische Systeme,
  • Diazogruppen und
  • konjugierte Doppelbindungen.

  Durch Auxochrome mit +M-Effekt, wie z.B. eine Aminogruppe oder eine Hydroxylgruppe, oder Antiauxochrome mit -M-Effekt wie die Carboxylgruppe oder eine Sulfonsäuregruppe, wird die Farbe verstärkt.

• Erkläre den Aufbau eines Farbstoffs am Beispiel von Alizaringelb.

  Tipps

  Erst durch Konjugation wird eine Absorption von Licht im sichtbaren Bereich ermöglicht.

  Eine Hydroxylgruppe kann durch das freie Elektronenpaar des Sauerstoffs Elektronen in das System hineinschieben.

  Lösung

  Ein organischer Farbstoff ist eine Substanz mit einem ausgedehnten, konjugierten $\pi$-Elektronensystem. An diese Substanzen wird allerdings die Bedingung gestellt, dass sie das Licht aus dem sichtbaren Bereich, d.h. von 400 bis 700 nm (violett → rot) absorbieren, weil nur dann auch Licht aus dem sichtbaren Bereich reflektiert werden kann. Das reflektierte Licht hat die Komplementärfarbe zum absorbierten Licht.

  Eine Absorption im sichtbaren Bereich ist nur möglich, wenn das HOMO (höchst besetztes Molekülorbital) und das LUMO (niedrigst besetztes Molekülorbital) möglichst nah beieinander liegen. Dies wird durch ein chromophores System (griech.: chroma → Farbe; phoros → tragend) erfüllt.

  Durch Auxochrome mit +M-Effekt, wie z.B. eine Aminogruppe oder eine Hydroxylgruppe, oder Antiauxochrome mit -M-Effekt, wie die Carboxylgruppe, wird die Farbe verstärkt.

  Auxochrome

  • Bathochrome
  • +M-Effekt
  • Verschiebung: gelb-rot

  Antiauxochrome

  • Hypsochrome
  • -M-Effekt
  • Verschiebung: blau-grün

• Erkläre die Farbigkeit von Stoffen.

  Tipps

  Fällt Licht durch ein Prisma, so kannst du dahinter einen Regenbogen sehen. Weißes Licht setzt sich aus diesen ganzen Farben zusammen.

  Ein Körper ist rot, wenn er grünes Licht absorbiert.

  Lösung

  Farbigkeit entsteht dadurch, dass ein Stoff die Fähigkeit hat, bestimmte Wellenlängen des Lichtes zu absorbieren und den Rest zu reflektieren. Zum Beispiel glänzt Kupfer metallisch rot, weil es durch die ungebundenen Elektronen das grüne Licht absorbieren kann. Das heißt, ein Stoff nimmt immer die Komplementärfarbe zur absorbierten Farbe an. Durch Vermischen zweier Komplementärfarben erhält man wieder weißes Licht und die Komplementärfarben liegen sich auf dem Farbkreis nach Johannes Itten genau gegenüber.

• Erläutere die unterschiedliche Farbgebung von Polyenen.

  Tipps

  Aromaten sind ebenfalls planare durchkonjugierte Verbindungen.

  Konjugation ist nur an $sp^2$-Kohlenstoffzentren möglich.

  Lösung

  Mithilfe der UV/Vis-Spektroskopie können die Übergänge von Elektronen ausgehend von einem Grundzustand in einen angeregten Zustand gemessen werden.

  Im Fall der Polyene kann es durch Anregung zu $\pi$ → ${\pi}^*$ Übergängen kommen. Ein $\pi$-Molekülorbital ist ein bindendes Molekülorbital, welches durch Überlappung von zwei $p_z$-Orbitalen zustande kommt. Diese stehen im konjugierten Alken parallel zueinander, da durch den $sp^2$-hybridisierten Kohlenstoff alle Kohlenstoffatome in einer Ebene liegen. Der Elektronenübergang findet aus dem höchst besetzten Molekülorbital HOMO in das niedrigst unbesetzte Molekülorbital LUMO statt.

  Ob ein Stoff farbig erscheint, ist jedoch davon abhängig, wie groß der Energieunterschied zwischen den beiden Grenzorbitalen ist. Bei den Polyenen ist bis zur neunten Doppelbindung der Energiunterschied so groß, dass die Elektronen nur durch UV-Licht angeregt werden können, was sich nicht als Farbe äußert. Ab einer Konjugation von neun Doppelbindungen tritt eine Farbigkeit auf, wie z.B. in den Carotinoiden (Möhrenfarbstoff).

  Durch den Einfluss von Auxochromen oder Antiauxochromen gehen die Grenzorbitale ebenfalls aufeinander zu.