Organische Farbmittel
1. Molekülbau und Farbigkeit
Beispiele für farbige Verbindungen
(Demonstrationen)
Ein Farbstoff ist ein Stoff, der
nach Absorption eines Teils des Gesamtspektrums ein farbiges Licht
reflektiert.
Spektrum
Beispiel
Ein farbiger Körper erscheint rot,
wenn alle farbigen Anteile des Lichts, außer Rot, von ihm absorbiert werden.
Der Farbeindruck Rot ergibt sich
aber auch, wenn er grünes Licht absorbiert, die anderen Anteile des weißen
Lichts praktisch vollständig reflektiert. Die Summe dieser Anteile ergibt
ein zum absorbierten Grün komplementäres Rot.
Farbige Naturstoffe: Carotine,
Chlorophyll (FOLIE)
Gemeinsames Strukturmerkmal?
- delokalisiertes
p-Elektronensystem -
ausgedehntes System konjugierter Doppelbindungen
Die Absorption beruht auf der
Anregung von Elektronen, die in einen energiereichen Zustand übergehen. Mit
zunehmender Ausdehnung des mesomeren Systems verschiebt sich das
Absorptionsmaximum in den sichtbaren Bereich.
(Beispiel Carotine)
Vergleich:
Benzol
Nitrobenzol p-Nitro-anilin
(farblos)
(gelblich) (gelb)
allgemeines Aufbauprinzip für
Farbstoffe:
Organische Farbstoffmoleküle
bestehen aus einem Chromophor, in der Regel ein Kohlenstoffgerüst mit
konjugierten Doppelbindungen und geeigneten Endgruppen. Als
wirksamste Endgruppen erweisen sich Kombinationen von Elektronen-Donatoren D
(+M-Substituent, Auxochrom) und Elektronen-Akzeptoren A (-M-Substituent,
Antiauxochrom), die mit dem p-Elektronensystem in Wechselwirkung
treten:
Auxochrom
p-System
Antiauxochrom
| Auxochrom |
Chromophor (p-System) |
Antiauxochrom |
|
H-O-
R-O-
-O-
H2N-
R2N- |
[-CH=CH-CH=CH-]n
-N=N-
aromatische Ringsysteme |
-NO2
-CO-R |
Versuch: p-Nitro-anilin wird
in Ethanol gelöst und dann mit konz. Salzsäure versetzt: Die Farbe
verschwindet!
Auswahl von Farbstoffen - Suche nach auxochromen, antiauxochromen und
chromophoren Gruppen
Synthese von Azofarbstoffen
Diazotierung:
Freisetzung von Salpetriger Säure aus Natriumnitrit und Salzsäure:
NaNO2 + HCl ->
HNO2 + NaCl
Bildung des Diazoniumions:
C6H5-NH2
+ HNO2 + H+ -> C6H5-N2+
+ 2 H2O
Anilin: primäres aromatisches Amin Diazoniumion
Das
Diazoniumion ist wegen Delolkalisierung der pos. Ladung nur schwach
elektrophil -> nur reaktionsfähige Aromaten werden angegriffen: aromatische
Amine und Phenole (stark elektronenliefernde Substituenten, +M!)
Kupplungsreaktion:
evtl.
Wiederholung der Aromatensubstitution: p-Komlex,
s-Komplex
Sulfanilsäure, Diazoniumsalz + Dimethylanilin
Azoverbindung: Methylorange, Indikator
Bei Zugabe von Säure erfolgt Farbumschlag nach Rot. Die
Struktur des Farbstoffes kann dann durch die folgenden mesomeren
Grenzformeln beschrieben werden:
Farbigkeit der
Triphenylmethanfarbstoffe
Beispiele: Phenolphthalein, Fluorescein, Eosin, Malachitgrün,
Kristallviolett -> Grundkörper Triphenylmethan
Versuche: Synthese von
Phenolphthalein (Sp. Phenol + Sp. Phthalsäureanhydrid + 1 Tr. konz.
Schwefelsäure erwärmen) und Fluorescein (Sp. Resorcin + Sp.
Phthalsäureanhydrid + 1 Tr. konz. Schwefelsäure erwärmen) - Eingießen in
Wasser, das zuvor mit verd. Natronlauge alkalisch gemacht wurde.
Rotfärbung von Phenolphthalein in alkalischer Lösung:
Bei
Laugenzugabe zur farblosen Form erfolgt Ringöffnung unter Bildung eines
Dianions - mesomeriestabilisierte chinoide Form rot!
Fluorescein und Eosin analog
Fluoreszenz: Die absorbierte Strahlungsenergie wird augenblicklich wieder
als solche abgestrahlt (Unterschied zur Phosphoreszenz). Die
Sekundärstrahlung hat die gleiche oder eine kleinere Frequenz
Versuch: Verhalten von
Kristallviolett beim Ansäuern ->
Umschlag nach Grün und schließlich Gelb.
Erklärung?
Textilfärbung
Anforderungen an einen Textilfarbstoff:
-
Farbstoff soll wasserlöslich sein und aus dieser Lösung auf die
Faser aufziehen
-
Lichtechtheit
-
Waschechtheit (auch gegen Waschmittel, Säuren, Alkalien, Schweiß)
Direktfarbstoffe
ziehen aus der Lösung ohne Vorbehandlung direkt auf die Faser auf -
Einlagerung in intermicellare Hohlräume
Beispiel: Kongorot
Reaktivfarbstoffe
gehen chemische Bindung mit den Fasermolekülen ein -
bessere Waschechtheit
Beispiel: Dichlortriazinderivat mit reaktionsfähigen Chloratomen
Dispersionsfarbstoffe
für hydrophobe Fasern (z.B. Polyamide) - wasserunlösliche
Farbstoffe lösen sich in der Faser
Küpenfarbstoffe
werden durch Reduktion in
eine lösliche Form gebracht und ziehen so auf der Faser auf. Anschließend
Oxidation.
Beispiel: Indigo
Indigo Indigweiß
blau,
unlöslich farblos, löslich
Beizenfarbstoffe:
Metallionen als Beizen (Alaun, Eisensalze) -> Komplexbindung
Beispiel: Alizarin (Krapp-Wurzel)
Entwicklungsfarbstoffe:
Farbstoff
wird auf der Faser synthetisiert - „Eisfarben“
1.
Färben mit einem Küpenfarbstoff (Indigo)
Durchführung (Lit.:1,S.44) Zu 2 g Indigo, suspendiert in 2 l Wasser von
60°C, werden 5 ml konz. NaOH und 4 g Natriumdithionit gegeben. Nachdem beim
Rühren eine gelbe Lösung entstanden ist, kann ein Stück Baumwoll- oder
Wollgewebe einige Minuten unter Rühren mit dem Glasstab zugegeben werden.
Danach läßt man das Gewebe abtropfen, wäscht kurz mit schwach essigsaurem
Wasser, anschließend mit klarem Wasser und läßt an der Luft trocken.
2.
Färben mit einem Direktfarbstoff (Kongorot)
Durchführung: Etwa 0,25 g Kongorot werden in 100 ml Wasser von 60°C gelöst
und mit 15 g NaCl und 0,5 g Natriumcarbonat versetzt. Anschließend wird ein
Stück Baumwollgewebe hineingegeben und bis zum Sieden erhitzt. Nachdem man
das Gewebe noch etwa 30 min unter gelegentlichem Umrühren im Färbebad
belassen hat wird es herausgenommen, kalt gewaschen und anschließend
getrocknet.
Die
erhaltene Farbe ist zwar recht lebhaft im Farbton, aber nur wenig wasch- und
lichtecht.
3.
Beizenfärbung mit Alizarin
Wolle-
und Seidenproben (fettfrei) zum Beizen 30 min in ca. 5%ige Lösungen von
Metallsalzen (Fe, Cu, Zn, Al) einlegen und gelegentlich bewegen (evtl. in
der Beize kurz aufkochen). Proben herausnehmen, kurz unter fließendem Wasser
spülen und in die Färbelösung aus ca. 0,2% Farbstoff, angesäuert mit
Essigsäure, einlegen. Es wird auf 90°C erwärmt und etwa 30 min auf dieser
Temperatur gehalten. Danach werden die Proben herausgenommen, mit
Leitungswasser gespült und an der Luft getrocknet. Parallelversuch mit
alkalischer Färbelösung und Vergleich der Ergebnisse.
4.
Beizenfärbung mit Karminsäure
Durchführung wie 3., aber Al3+-Beize
5.
Beizenfärbung mit Hämatoxylin
Durchführung wie 3., aber
Beize mit Eisen(III)-salz
max. 0,1%ige Lösung, Färben
in sodaalkalischer Lösung
Vorschrift variieren und
protokollieren
Aufgaben
1. Der angegebene
Azofarbstoff soll hergestellt werden.
1.1 Erklären Sie, welche
Gruppen für die Farbstoffeigenschaft verantwortlich sind.
1.2 Stellen Sie die
Syntheseschritte mit Strukturformelgleichungen dar und benennen Sie die
Stoffe.
2. Phenol und Anilin können
bei der Azokupplung als Kupplungskomponente dienen. Dabei reagiert Phenol in
alkalischer Lösung rascher als in saurer Lösung und Anilin kuppelt stark
saurer Lösung überhaupt nicht. Erklären Sie dieses Verhalten unter
Verwendung von Strukturformeln.
3. Die Strukturformel zeigt
einen Azofarbstoff.
3.1 Welche Gruppen erhöhen
die Wasserlöslichkeit dieses Farbstoffs? (mit Begründung unter Verwendung
von Strukturformelausschnitten!)
3.2 Welche Gruppen können
zur Bindung dieses Farbstoffs an die Fasern von a) Baumwolle und b) Wolle
beitragen? (mit Begründung unter Verwendung von Strukturformelausschnitten!) |
