Farbigkeit organischer Verbindungen auf chemischer Ebene. Theoretische Analyse und chemische Anwendungsgebiete

Inhaltsverzeichnis

1. Wie entsteht Farbigkeit?
1.1 Veränderung der Farbigkeit und wichtige Begriffe für Farbstoffe.

2. Farbstoffe.
2.1 Azofarbstoffe.
2.1.1 pH-Abhängigkeit der Azofarbstoffe.
2.2 Triphenyl(methan)farbstoffe.

3. Färbeverfahren und Fasern.
3.1 Übersicht.
3.2 Küpenfärbung.
3.3 Entwicklungsfärbung.

Die Farbigkeit organischer Verbindungen

Vorwort

Das Unterrichtsmodul Farbstoffe unterteilt sich in die drei wichtigsten Klassen: Triphenylmethanfarbstoffe, Anthrachinon-farbstoffe und Azofarbstoffe. Maßgeblich beeinflusst haben diese Arbeit die Unterrichtsmaterialien eines Gymnasiums, Erläuterungen eines Fachlehrers und Hintergrundinformationen aus dem Internet. Dabei ist besonders Ulrich Helmich zu nennen, welcher am 23. Februar 2008 eine Übersicht zu diesem Thema verfasste und dessen Bilddateien in dem Vorbereitungstext eingebaut wurden. Es finden sich im Folgendem ein Einarbeitungstext in das Thema Farbstoffe allgemein und speziell die Azo- und Triphenylmethanfarbstoffe sowie Färbeverfahren.

Für die Farbigkeit spielen die delokalisierten π-Elektronen eine Rolle. D.h. eine Verbindung benötigt ein π-Elektronensystem aus Doppelbindungen^[1].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Beispiel Ethen. In den pz – Orbitalen befinden sich die π-Elektronen, welche aber auf zwei unterschiedliche Arten überlappen können. Ein bindendes π-Molekülorbital und ein anti-bindendes π*-Molekülorbital sind möglich, nur im ersten halten sich (normalerweise) die π-Elektronen auf.

Das π-Molekülorbital ist energieärmer als das π*-Molekülorbital.

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Trifft Licht auf das π-Molekülorbital wird eines der beiden Elektronen angeregt in das π*-Molekülorbital zu gehen, womit die Energie des Systems gleich null ist. Die stabilisierende Wirkung des π-Molekülorbitals ist genauso groß wie die destabilisierende Wirkung des π*-Molekülorbitals.

Das Licht spaltet die π – Bindung, die C-Atome des Ethens werden nur noch durch die σ – Bindung zusammengehalten.

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Beispiel Butadien.

Nun sind 4 pz – Orbitale vorhanden. Die π – Bindungen kommen durch die Überlappung des C1 und C2 bzw. C3 und C4 Orbitals zustande. Jedoch überlappen auch das C2 und C3 Orbital. Die 4 π – Elektronen sind über alle 4 Kohlenstoffatome delokalisiert.

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Die vier p-Orbitale können zu vier verschiedenen Molekülorbitalen kombiniert werden: zwei bindende π-Molekülorbitale und zwei anti-bindende π*-Molekülorbitale. Das π2-Molekülorbital ist das höchste, noch mit Elektronen besetze Orbital (befindet sich im Grundzustand). Das π2*-Molekülorbital ist das niedrigste noch nicht mit Elektronen besetzte Orbital (von Elektronen im angeregten Zustand besetzt).Stoffunabhängig benennt man das ' hightest occupied molecular orbitale ' als HOMO und das ' lowest unoccupied molecular orbital ' als LUMO. Bei Lichteinfall wird (sehr häufig) das Elektron vom HOMO ins LUMO angeregt und der Farbton kommt zu Stande.

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Beispiel Hexatrien. Es existieren 6 pz – Orbitale, 3 bindende π-Molekülorbitale und 3 anti-bindende π*-Molekülorbitale. Deshalb ist der (energetische) Abstand zwischen HOMO und LUMO (in einem Energiediagramm) kleiner, d.h. weniger Energie wird für den Übergang von HOMO zu LUMO benötigt, langwelligeres Licht wird absorbiert.

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Funktionelle Gruppen an organischen Verbindungen, welche die Farbigkeit und den Farbton bestimmen werden Chromophore genannt.

Wichtigste Chromophore im Überblick.

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Jedes Molekül mit einem Chromophor wird als Chromogen (Farberzeuger) bezeichnet.

Hypsochromer Effekt: Farbaufhellung durch Verkürzung des delokalisierten π-Elektronensystems.

Bathochromen Effekt: Farbvertiefung durch Verstärkung des delokalisierten π-Elektronensystems.

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Das delokalisierte π-Elektronensystem absorbiert Lichtwellen indem es die delokalisierten π-Elektronen in einem höheren angeregten Zustand führt. Die dafür benötigte Energie liefern nur bestimmte Wellenlängen. Hat man die Energie aufgenommen, entfällt diese Wellenlänge aus dem Farbspektrum und die Gegenfarbe (Komplementärfarbe) wird sichtbar.

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Auxochrome Gruppen sind Elektronendonatoren, haben +M – Effekt. Verstärkung des delokalisierten π-Elektronensystems.

Antiauxochrome Gruppen sind Elektronenakzeptoren, haben -M – Effekt.

Push and pull System: Befindet sich eine auxochrome funktionelle Gruppe und eine antiauxochrome funktionelle Gruppe gleichzeitig an einer Verbindung, dann wird die Delokalisierung der π -Elektronen verstärkt. Darum ist der Stoff dunkler.

Stärke der auxochromen Gruppen.

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Durch Einführung von auxochromer Gruppen in einen aromatischen Rest bzw. Teil wird eine bathochrome Wirkung erzielt.

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2.1 Azofarbstoffe

Charakteristikum dieser Farbstoffe ist die -N=N- Gruppe

Herstellung.

I. Diazotierung

(a) Herstellung des diazotischen Reagenzes.

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(b) Herstellung des Ausgangsstoffes der Azokopplung.

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[...]

^[1] Bilder wurden von http://www.u-helmich.de/che/Q2/farbe/02/farbigkeit-folien.pdf entnommen.