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Die Chemie der
Farbstoffe
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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
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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
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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
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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
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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
ψ2
ψ3
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-H
3O+
-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
S2O4
2-+ 4 OH
-2 SO3
2-+ 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 O
Al+
O
O
OH
OH
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