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Aufbau eines Farbstoffs 09:53 min

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Transkript Aufbau eines Farbstoffs

Guten Tag und herzlich willkommen! Dieses Video heißt "Aufbau eines Farbstoffs (für den Leistungskurs)". Das Video gehört zur Reihe "Farbstoffe". Als Vorkenntnisse solltet ihr euch bereits in der organischen Chemie gut auskennen. Ihr kennt Alkane, Alkene, Alkine und ihr wisst, was Aromaten sind. Mein Ziel ist es, euch in diesem Video Verständnis des Aufbaus eines organischen Farbstoffs zu vermitteln.

Den Film habe ich in 7 Abschnitte unterteilt: 1. Was sind Farbstoffe? 2. Farbspektrum und Komplementärfarben 3. Chromophore 4. Auxochrome und Antiauxochrome 5. Polyene und Cyanine 6. Butadien und Grafit als zwei Extrema 7. Zusammenfassung

  1. Was sind Farbstoffe? Was versteht man unter dem Begriff Farbstoffe? Im engeren Sinne sind das Verbindungen, die Textilien färben. Im weiteren Sinn, und den wollen wir hier auch verwenden, handelt es sich dabei um farbgebende Substanzen. Im Video wollen wir dabei nur die organischen Farbstoffe besprechen.

  2. Farbspektrum und Komplementärfarben: Das Spektrum des farbigen Lichtes kann man unter Benutzung wichtiger Farben in etwa so anordnen: violett, dunkelblau, hellblau, dunkelgrün, hellgrün, gelb, orange, rot. Die Wellenlängen der entsprechenden Lichtsorten umfassen einen Bereich von 400 bis 700 nm. Nehmen wir an, es gelangt auf einen Körper weißes Licht, meist ausgestrahlt von der Sonne. Ein Teil dieses Lichtgemisches - wir nehmen an, es soll violett sein - wird dann absorbiert. Im Ergebnis wird grünes Licht reflektiert. Dies macht nun die Farbe des Körpers aus. Violett und grün sind Komplementärfarben. Hier einige Beispiele für Komplementärfarben: violett und hellgrün, blau und gelb, hellblau und orange, dunkelgrün und rot.

  3. Chromophore: Beginnen wir mit einigen Beispielen für Farbstoffmoleküle: Indigo, Kristallviolett, Kongorot. Welche Eigenschaft vereint diese Farbstoffe? Alle Farbstoffe besitzen ein großes konjugiertes π-Elektronensystem. Konjugiert - zur Erinnerung - heißt: Doppel- und Einfachbindungen wechseln sich ab. Dieses molekulare Grundgerüst bezeichnet man als Chromophor (Farbträger). Schauen wir uns noch einmal das Indigomolekül an: Wir finden einen fortlaufenden Wechsel von Doppel- und Einfachbindungen. Welche Konsequenzen hat das? Schauen wir uns dafür ein Modell an. Wir beginnen mit dem Ethen. Interessant für uns sind nur 2 Orbitale und zwar das sogenannte LUMO aus dem Englischen. Es bedeutet im Deutschen "das niedrigste, unbesetzte Molekülorbital". Wenn sichtbares Licht auf das Ethenmolekül einfällt, so stellt man fest, dass die Elektronen vom HOMO nicht auf das LUMO springen können, weil die Energiedifferenz zwischen beiden relativ hoch ist. Folglich findet auch keine Lichtabsorption statt. Daher ist Ethen farblos. Schauen wir uns einmal an, wie bei einem Chromophor LUMO und HOMO angeordnet sind. Der Energieunterschied ist viel geringer als beim Ethen. Daher kann Licht auch Elektronen vom HOMO auf das LUMO heben. Nehmen wir an, die absorbierte Farbe des Lichtes ist rot. Dann ist die reflektierte Farbe, die Komplementärfarbe zu rot, die Farbe des Farbstoffes, grün.

  4. Auxochrome und Antiauxochrome: Schauen wir uns noch einmal die Struktur des Moleküls von Kongorot an. Wir sehen am Chromophorgerüst funktionelle Gruppen. Auxochrome nennt man die Aminogruppe NH2 und die Hydroxigruppe OH. Diese Gruppen weisen einen Plus-M-Effekt auf. Sie schieben Elektronen in das Chromophorsystem ein. Andere Substituenten heißen Antiauxochrome. Dazu zählen die Sulfonsäuregruppe SO3H und die Nitrogruppe NO2. Diese Gruppen haben einen Minus-M-Effekt. Sie ziehen Elektronen aus dem Chromophor ab. Im Ergebnis kommt es zu einer Farbvertiefung des Chromophors. Was das bedeutet, werden wir im nächsten Abschnitt untersuchen.

  5. Polyene und Cyanine: Polyene zeichnen sich durch eine einfache Kohlenstoffkette aus, in der Doppel- und Einfachbindungen abwechseln. In der experimentellen Modellreihe befinden sich am Anfang und am Ende Methylgruppen. Cyanine haben an einem Ende eine auxochrome Gruppe: R2N. In der Mitte haben sie die gleiche Struktur wie Polyene. Auf der anderen Seite der Kette befindet sich eine antiauxochrome Gruppe, hier blau dargestellt. Die Doppelbindungen sind in den Polyenen konjugiert. Es besteht jedoch keine Mesomerie, wir können keine 2 Grenzstrukturen aufschreiben. Bei den Cyaninen kann man sehr wohl 2 Grenzstrukturen aufschreiben, daher besteht Mesomerie. Auf diese Problematik gehe ich detailliert im Video "Zusammenhang zwischen Struktur und Farbe eines Farbstoffs" ein. Bei einer Doppelbindung sind sowohl das Polyen als auch das Cyanin farblos. Aber schon bei 2 Doppelbindungen trifft man auf einen Unterschied: Das Polyen ist farblos, das Cyanin hingegen hellgrün. Und erst bei sage und schreibe 9 Doppelbindungen findet man ein farbiges Polyen, es ist gelb. Das entsprechende Cyanin ist an dieser Stelle bereits farblos, weil der HOMO-LUMO-Unterschied so gering ist, dass nur noch eine Infrarotanregung stattfindet. Das Polyen mit n=11 ist orangefarben. Bei n=19 ist es schließlich Purpur. Wir können somit feststellen: Auxochrome und Antiauxochrome kombiniert, führen zu einer drastischen Kettenverkürzung bei einem Farbstoff.

  6. Butadien und Grafit als zwei Extrema: Dem Butadienmolekül geht es ähnlich wie dem Ethenmolekül. Der energetische Unterschied zwischen LUMO und HOMO ist so hoch, dass eine Anregung aus dem sichtbaren Bereich des Lichtes nicht stattfinden kann und somit kann auch kein Licht absorbiert werden. Nur ultraviolettes Licht wird absorbiert. Das hat aber keinerlei farbliche Konsequenzen. Im Ergebnis erhält man eine farblose Verbindung. Ganz anders sieht es beim Grafit aus. Hier liegen besetzte und unbesetzte Orbitale so eng beieinander, dass eine vollständige Absorption des gesamten sichtbaren Lichtes erfolgt. Es kann kein Licht mehr reflektiert werden, Grafit ist schwarz.

  7. Zusammenfassung: Das Spektrum des sichtbaren Lichtes verläuft von Violett bis Rot von etwa 400 bis 700 nm. Aus den unterschiedlichen Lichtsorten lassen sich Paare bilden: grün und rot, hellgrün und violett. Diese stellen exakt den Absorptions- und Reflexionsanteil des weißen Lichtes dar. Man nennt diese beiden Farben auch Komplementärfarben. Damit ein Stoff farbig ist, muss er ein Chromophor sein. Chromophore verfügen über ausgedehnte konjugierte π-Elektronensysteme. Bestimmte funktionelle Gruppen, Auxochrome und Antiauxochrome, wirken als Farbverstärker. So hat zum Beispiel das erste farbige Cyanin eine viel kürzere Kette als das erste farbige Polyen. Zwei Extreme haben wir festgestellt: Bei Butadien findet keine Lichtabsorption statt, daher ist die Verbindung farblos. Bei Grafit findet eine vollständige Absorption des weißen Lichtes statt. Es wird kein Licht mehr reflektiert, die Verbindung ist schwarz.

Ich danke für die Aufmerksamkeit, alles Gute - auf Wiedersehen!

Aufbau eines Farbstoffs Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Aufbau eines Farbstoffs kannst du es wiederholen und üben.

  • Bestimme den Aufbau eines organischen Farbstoffs am Beispiel von Kongorot.

    Tipps

    Erst durch Konjugation ist eine Absorption von Licht im sichtbaren Bereich möglich.

    Eine Aminogruppe kann durch das freie Elektronenpaar des Stickstoffs Elektronen in das konjugierte System hineinschieben.

    Lösung

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

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

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

  • Verbinde die Komplementärfarben.

    Tipps

    Ein Rubin absorbiert grünes Licht.

    Farben, die sich im Farbkreis gegenüberstehen, sind Komplementärfarben.

    Lösung

    Wird eine Probe mit weißem Licht bestrahlt, so absorbiert diese einen Teil des Lichtes und der andere Teil wird reflektiert. Absorbiert die Substanz das grüne Licht, so wird die Komplementärfarbe Rot reflektiert. Das heißt, durch Vermischen zweier Komplementärfarben erhält man wieder weißes Licht. Komplementärfarben liegen sich auf dem Farbkreis nach Johannes Itten genau gegenüber.

  • Ordne den pH-abhängigen Formen des Kristallvioletts die richtigen Farben zu.

    Tipps

    Schreibe die mesomeren Formen der aufgezeichneten Moleküle auf. Wie viele auxochrome Gruppen sind wirksam?

    Je mehr auxochrome Gruppen wirksam sind, desto energieärmeres (rotes) Licht absorbiert die Verbindung.

    Lösung

    Mithilfe der UV/Vis-Spektroskopie kann die pH-Wert-Abhängigkeit eines Farbstoffs bestimmt werden. In dieser Spektroskopie wird eine Probe mit Licht einer monochramatischen Wellenlänge bestrahlt und das Licht, das von der Probe reflektiert wird, wird gemessen. Das Verhältnis aus eingestrahlter zu abgegebener Intensität bezeichnet die Transmission (Durchlässigkeit).

    • Struktur 1
    Struktur 1 ist das farblose Kristallviolett. Durch die Anlagerung des Hydroxid-Ions wird das Carbokation in ein Neutralteilchen umgewandelt. Aber nicht nur das Kohlenstoffatom ändert die Hybridisierung. Zuerst ist es planar, d.h. $sp^2$-hybridisiert. Durch den vierten Substituenten wird es tetraedisch ($sp^3$). Da ein $sp^3$-Hybrid nicht konjugationsfähig ist, sind die wirksamen Chromophore nur die drei Benzolringe. Wie wir in der vorherigen Aufgabe gelernt haben, ist ein Polyen mit drei Doppelbindungen farblos, weil HOMO und LUMO eine zu hohe Energiedifferenz haben.

    • Struktur 2
    Das zweite Molekül zeigt das gelbe Molekül bei pH = 0. Durch die hohe $H^+$-Konzentration werden zwei der drei Aminogruppen elektrophil vom Wasserstoff-Ion angegriffen. Dadurch bildet sich am Stickstoff eine positive Ladung aus, die dazu führt, dass dieser Stickstoff nicht mehr mit konjugiert ist. Die Konjugation (Mesomerie) erfolgt nun über das Methylen-Ion und einen Benzolringe, inklusive des Stickstoffs. Das heißt, es gibt nur ein wirksames Auxochrom, wodurch energiereicheres Licht (Violett) benötigt wird, um die Elektronen anzuregen.

    • Struktur 3
    Molekül 3 zeigt das grüne Kristallviolett bei pH = 2. Bei diesem sauren pH-Wert ist nur eine Aminogruppe elektrophil vom $H^+$ angegriffen worden. Dadurch stehen immer noch das Methylen-Kation und zwei Benzolringe inklusive der Stickstoffatome in Konjugation. Damit gibt es zwei wirksame Auxochrome. Die Besonderheit an diesem Molekül ist nun, dass das HOMO und LUMO nur eine sehr geringe Energiedifferenz haben und deswegen die Elektronen schon durch energiearmes, rotes Licht angeregt werden können.

    • Struktur 4
    Molekül 4 ist das Kristallviolett in neutraler Lösung. Hierbei gibt es drei wirksame Auxochrome, da keine Protonierung oder nucleophiler Angriff stattgefunden hat. Durch dieses große Cyanin-Molekül braucht es energiereicheres Licht als Rot. Es absorbiert Gelb und ist deswegen intensiv violett.

  • Entscheide, welcher Stoff farblos ist.

    Tipps

    Bei Ethen ist die Energiedifferenz zwischen HOMO und LUMO so hoch, dass es nicht im sichtbaren Bereich absorbieren kann.

    Auxochrome und Antiauxochrome verstärken die Farbigkeit.

    Lösung

    Bei den abgebildeten fünf Molekülen haben sich drei Farbstoffe versteckt:

    • Molekül 1: Indigo → natürlich vorkommender blauer Farbstoff zum Färben von Jeans-Hosen,
    • Molekül 3: Kristallviolett,
    • Molekül 4: Cyanidin → natürlich vorkommender Farbstoff im Rotkohl.
    Diese drei Stoffe sind stark farbig, da sie ein ausgedehntes $\pi$-Elektronensystem aufweisen und auxochrome Gruppen: $-NH_2$; $-OH$ sowie antiauxochrome Gruppen: $C=O$ enthalten.

    Bei Butadien (2) und Octa-2,4,6-trien (5) sind nur 2 bzw. 3 Doppelbindungen miteinander konjugiert. Dadurch ist der Energieunterschied zwischen HOMO und LUMO so hoch, dass ein Elektronenübergang nicht durch Licht des sichtbaren Bereichs angeregt werden kann. Da die Substanz folglich im UV-Bereich absorbiert ist sie farblos.

  • Bestimme, welche Merkmale und Substituenten den Auxochromen und Antiauxochromen zuzuordnen sind.

    Tipps

    mesomere Grenzstrukturen von Nitrobenzol

    Die $\pi$-Elektronensysteme in Farbstoffen sind konjugiert. Wohin verschieben Substituenten Elektronen, damit dies gegeben ist?

    Lösung

    Der mesomere Effekt (M-Effekt) beschreibt die Fähigkeit eines Substituenten, bzw. 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 den Substituenten oder die Einbindung freier Elektronenpaare der Substituenten.

    Auxochrome sind Gruppen, die Elektronendichte in das konjugierte System hineinschieben. Diesen Effekt bezeichnet man als + M-Effekt oder auch ortho/para-dirigierend. Diese Auxochrome sind Substituenten, die ein freies Elektronenpaar an einem Heteroatom besitzen und dessen Reste einen + I-Effekt zeigen. Dazu gehören:

    • Amin-, Hydroxid-, Halogen-, Alkyl-, Alkenyl-, Ether- und Amid-Reste.
    Antiauxochrome haben einen - M-Effekt, das bewirkt, dass diese Gruppen Elektronendichte aus dem System herausziehen. Diese Substituenten besitzen entweder keine freien Elektronenpaare oder ein freies Elektronenpaar am Heteroatom und Reste mit einem - I-Effekt. Dazu gehören u.a.:

    • Aldehyd-, Keto-, Carbonsäure-, Nitril-, Sulfonsäure- und Nitro-Gruppe.
  • Erläutere die unterschiedliche Farbgebung von Polyenen und Cyaninen.

    Tipps

    Ein Dien bzw. eine Doppelbindung ist immer planar.

    Das HOMO ist ein bindendes Molekülorbital ($\pi$).

    Lösung

    Mithilfe der UV/Vis-Spektroskopie können die Übergänge von Elektronen von einem Grundzustand in einen angeregten Zustand gemessen werden. Erlaubte Übergänge der Elektronen sind zwischen $\pi$ → $\pi^*$ (Doppelbindung), $n$ → $\pi^*$ oder $\sigma$ → $\sigma^*$ (Einfachbindung).

    Im Fall der Polyene oder Cyanine liegt nur der Fall vom Übergang von $\pi$ → $\pi^*$ vor. Ein $\pi$-Molekülorbital ist ein bindendes Molekülorbital, welches durch Überlappung von zwei $p_z$-Orbitalen zustande kommt. Diese stehen im Alken parallel zueinander, da durch den $sp^2$-hybridisierten Kohlenstoff alle Kohlenstoffatome in einer Molekülebene liegen. Dazu senkrecht steht dieses $p_z$-Orbital. Es gibt zwei verschiedene Möglichkeiten zur bindenden und antibindenden Überlappung. Der Elektronenübergang findet jetzt aus dem höchst besetzten Molekülorbital (HOMO) in das niedrigst unbesetzte Molekülorbital (LUMO) statt.

    Ob ein Stoff farbig erscheint, ist jetzt nur noch abhängig davon, wie groß der Energieunterschied zwischen den beiden Molekülorbitalen ist. Bei den Polyenen ist bis zur neunten Doppelbindung der Energieunterschied so hoch, dass die Elektronen nur durch UV-Licht angeregt werden können, was keine Auswirkung auf die Farbe hat. Ab einer Konjugation von neun Doppelbindungen tritt eine Farbigkeit auf. Beispiele sind z.B. Carotinoide und Fettsäuren.

    Bei Cyaninen, die auxochrome (z.B. $-NR_2$) und antiauxochrome (z.B. $-{NR_2}^+$-Gruppen enthalten, ist Mesomerie möglich. Durch die Mesomerie durch die auxochromen und antiauxochromen Gruppen wird die Kette verkürzt. Durch diesen Effekt ist der Energieunterschied zwischen HOMO und LUMO bei einer Doppelbindung so gering, dass schon IR-Licht zum Anregen der Elektronen genügt. Jedoch steigt die Energiedifferenz ab höherer Konjugation und die Farbigkeit sinkt.