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Farbstoffe + Farbigkeit

Farbstoffe + Farbigkeit

 *Merimal:
Licht
A: positive Ladung
D freies Elektronen-
paar
Eigenschaften des Lichts:
Sichtbarer Bereich des Lichts: Wellenlängenbereich 3

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*Merimal: Licht A: positive Ladung D freies Elektronen- paar Eigenschaften des Lichts: Sichtbarer Bereich des Lichts: Wellenlängenbereich 380nm-780nm des elektromagnetischen Spektrums -^· Delohalisierung aus der Schale Absorbtion von Licht) (HOMO-LUMO) ● Mesomerie Z.B.: Farbstoffe und Farbigkeit → Elektron aus HOMO (höchstes besetztes Energieniveau) wird in LUMO! (niedrigstes besetztes Energieniveau) angehoben Grundzustand Chemie LK - Q2.1.2. Auxochrom T-Elektronen (Doppelbindungs- elektronen) 1 -C = Erscheinung, dass Elektronenverteilung zwischen mehrerer, (fiktiver) Grenzformeln liegt Elektronen- Obergang HOMO(=highest occupied molecular orbital) 01 R-COP HOMO -Lumo angeregter Zustand 11 → je kürzer die Wellenlänge (Lambda), (E~ ^^ ) Umso energiereichert ist die Strahlung, A ¿ -LUMO (= lowest unoccupied molecular orbital) -14-Effekt (Elektronenalizeptor) Absorbtion verschiebt sich in längerwelligen Bereich! farbvertiefender Effekt /bathochrome Verschiebung v=J' Molekülstruktur + Farbigkeit! Gründe für Farbigkeit): 1. Chromophort (konjugiertes Doppelbindungssystem) 2. Auxochrome! (Molekülgruppen, die Elektronen liefern/ aufnehmen) C L Mesomerie- Pfeil ¿ 11 unvollkommene Mesmerie, Vergrößerung des Mesomeriesystems/ Energieniveaus der Elektronen nähem sich soweit an, dass zunehmend energiearmes Licht zur Anregung der Elektronen ausreicht ← R-C ·N. Energieabgabe (Bewegungsenergie) Picosehunde R R oder: R-C R Ćć ç =C '의 Ç Grundzustand I Energiegehalt des Lichts muss mit. Differenz E₁-E₂ übereinstimmen Kompromiss } darstellung" // * C- (Polyen) ↑ Ladungstrenning energetisch ungünstig R R +M-Effekt (Elektronendonator) farblos (Cyanin) L>gelbgrün R vollkommene Mesomerie → energetisch gleichwertig → je vollkommener Mesomerie, desto längerwelliges Licht wird absorbiert 2 Aromaten Hückel-Regel (1931) Aromat Verbindung, deren ebenes (planares) + ring- förmiges, konjugiertes System (4n+2) delokalisierte Elektronen besitzt (n=0,1,2...) 2.B.: Benzoll OH T : b-d]= 01 3 6 Elektronen = 4·1+2 →n=1 Halogenierung Z.B.: Br₂ (+kat :4183) Sulfonierung z.B.: S03 (+kaf H₂30₂) (rauchende Schwefel säure) Alkylierung mit Halogenalkan 2.B.: H₂C-CL (+kat: AlCl3) allgemein Allylgruppen -CL;-Br;-I-F -NO₂-S034; ₂01 -C O-R-CH Aldehyd Ester -COOH (säure). Elektrophile Substitution (SE) →→s.S.5 1) Bildung des π-Komplexes 2) Bildung des 6-Komplexes unter Aufhebung des Aromaten 3) Rearomatisierung i Alkylierung mit Athen Nitrierung 2.8.: HNO3 (+Kat: H₂SO4) Elektrophile Zweitsubstitution → Erstsubstituent nimmt Einfluss. Reaktivität + Orientierung der. Zweitsubstitution 2.8.: C₂H4 (rkat: H₂SO4) 120 Reaktivität im Erstsubstituent Vergleich zu Benzol -OH; -OR; -NH₂ -CH₂ sehr viel größer Aktivierung des Ringsystemes größer kleiner Z.B.: auf Ô sehr viel kleiner →→Desabstivierung des Bingwystems 120° Bri 201 o o's Nitrobenzol Benzol 120° + HBr S-Q-H 01 +...

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HCL +H₂O alle C-C Bindungen gleich lang →regelmäßiges, planares Sechseck ● • Bindungslänge zw. Einfach-Doppelbindung (139 pm) D +I um 151 kJ/mol energieärmen als das hypothetische Cyclohexatrien (=Mesomeriëenergie) Nitrierung 4. -I >+M -I -M Indultive + L mesomere Effelte -IM NO1 90 lo vor Nitrierung Salpetersäure +Schwefelsäure → Nitryllation : N-0 201 N MX Nitrobenzal H H H H H ↑ Reaktionsbedingungen: ! KKK-Regel: Kalte + Katalysator / begünstigen SE am "Kern"; Nitrierung 2. 개-한 + + =S=0) 100-H Erstsubstituent 10² 10-H m ²0=8 =0, + H₂0 dirigierend nach / ор ор 0; P 10 12 NO₂ Diese Energie differenz NO₂ m-Dinitrobenzol o-ortho (direkt benachbart) P=para (gegenüber) m = metal (mittig) alternativ: H * auch : (S$5-Regel: Sonnenlichtt Siedehitze begünstigen SR an der Seitenhette) Abb35313 Friedel-Crafts- Allylierung 3-0-0 Eleldrophil P NO₂ NO₂ Elektrophil m No₂ I-Effekt (induktiver Effekt)! Anderung der Elektronendichte im Ring aufgrund einer EN-Differenz H HACTH Z.B.: Z.B.: Ort der Fall 21 M-Effekt (mesomerer Effekt); = Einbeziehung bzw. Herausziehen eines Elektronenpaares in die/aus der, Mesomerie des Ringes 3 H 101 EN (H) = 2,2 EN (c) = 2,5 +I-Effekt! Position 0;p elektronenliefemd ED + M-Effekt Zweitsubstitution H 001 0;p! +I-Effekt Tabelle Veränderung von Erstsubstituentent Red Sn/HCL (alt. H₂/Kat) gilt für alle Erst- Substituenten mit... + M-Effekt & -M-Effekt! 1) OH-Gruppe (Phenole), → Erzeugung von Phenoli aus Alhylresti: 2) NH₂ - Gruppe (Amine)! NO₂ NH₂ 3) COOH-Gruppe (Säuren)) Oxidation in mehreren Stufen mit Kaliumper- manganat (KMnO4) : H 101 10000000-00 Z.B.: EN (H)=2,2 EN (0) = 3,5 → elektronenziehend -M-Effekt! -I-Effekt. H z.B.: HC-C-CH3 O Cumol Begründung • mehr mesomere Grenzformeln vorhanden →mesomenestabilisierter bei op ·bei oip ist positive Ladung bei je einer mesomeren Grenzformel benachbart →meta ist wahrscheinlicher •+I-Effekt begünstigt o; p CH3 Tolval OX 02 ox KMnO₂ ... OH S Phenol TOS O-H Benzolsäure + H3C p=u (1 C CH3 2 - Azofarbstoffe! R-Ñ-Ñ-R R=N=N-R Azogruppe Verwendung Farbemittel Wolle + Leder ← Lebensmittelfarbstoffe Säure-Base-Indikatoren ● • • aromatische Ring- systeme, häufig mit Substituentent 2. Herstellung der Kupplungshomponente! B-Naphtol + Ethanol ·Ñ-Ñ----06 . • lipophil (fettlöslich) →Sulfonatgruppen machen lipophob (wasserlöslich) 42.B. Anfärben von Shuhcreme Problematik: Azospaltung: Entstehung krebserregender Amine 3. Kupplung Lösung 1 + Lösung 2 →B-Naphtolorange Mechanismus Azofarbstoffe/ 1. Erzeugung des Nitrosyllations NaNO₂+ HCl = HONO + NaCl Natriumnitat Salpehige Save HONO+HIN=0+ H₂O 2. Diazotierung H Ô aromalisches Diazoniumion N=N! •NI+IN=0₂₁ H Synthese eines Azofarbstoffes! 1. Herstellung der Drazoniumsalz-Lösung Bedingungen: 1 Sulfanilsäure+ Natriumnitrit (NaNO₂) + H₂O + HCL 1. Kühlung i Nitrosylation Diazolomponente Nitrosyllation (2.B. Anilin) 3. Azokupplung + से saure, Azofarbstoffe (z.B. - S03 H) basische Azofarbstoffe (z. B. -NH₂) Z.B.: H SE -0-H Kupplungs komponente, (z. B. Phenol) H H H H ON: N=N₁ →Diazoniumion ist instabil to verhocht" bei Raumtemperatur N=₁ 12 + H₂O Azofarbstoff --- 1Ō-H → + + N₂ + HCl 2. Kupplung begünstigt durch a) elektronenziehende Substituenten an Diazokomponente (2.B. -S0₂ H) (FM) b) elektronenliefernde Substituenter on Kupplungshomponente (2.B. -OH) 00 N=NI aromatisches Diazoniumion N=NO-H +He + H₂0 Stickstoff wird abgespalten Mechanismus der elektrophilen aromatischen Substitution (Bsp.: Bromierung) Einleitung: Die elektrophile Sulastitution 1) Bildung des π-Komplexes ist 18pl +Br-Brl+Al-Br Realhen des Benzols. Die Substitution wird daher begünstigt, weil bei einer Addition an das Benzolmolekul dessen Aromazität verloren gehen würde, welche dem Molekul Benzol Brom Rearomatisierung 3)! 1 Bel Katalysator 2) Bildung des 6-Komplexes unter Authebung des Aromaten! Bel Brl 1 TT-Komplex Stabilität verleiht. Die Einstufung der Realition Das Brommolekül wird durch Wechselwirkung mit den delohalisierten Elektronen des als elektrophil erfolgt auf- Benzolrings polarisiert. grund des Realitionsverhaltens des Substituenten. £ →Br Brl. Al-Bel 5-Komplex Der partiell negative Teil tritt gleichzeitig mit dem Katalysator AlBrz in Wechselwirkung. Dabei entsteht der T-Komplex. + 1 1801 Brl 1Br-Al-Bri Bri Katalysator £ Br Brl. → H Brl + Br-Al-Brl Carbotahon 6-Komplex TT-komplex Es kommt zur heterolytischen Spaltung des Brommoleküls. Der elektrophile Teil addiert an das Ringsystem unter Aufhebung des aromatischen Zustands. Es entsteht der 5-Komplex, der ein Carbokation darstellt. Der nucleophile Teil (Br) wird durch das Katalysatormolekül gebunden. Brl Brombenzol |Bri Katalysator www Bri Al-Brl 1 \Brl Bromwasserstoff + B₁1 + H-Bri SAL-Bil 1861 Katalysator Das Carbolation reagiert im letzten Schritt unter Abgabe eines Protons mit dem Ammoniumbromidion unter Bildung von Brombenzol und Bromwasserstoff. Der Kata- lysator wird regeneriert. Das aromatische System wird wieder hergestellt. Farbigkeit + Molekülstruktur Chemische Verbindungen erscheinen farbig, wenn ihre Moleküle Licht bestimmter Wellenlängen aus dem sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums (380nm - 780nm) absorbieren. Dem Menschen erscheint die Verbindung dabei in der Komplementärfarbe zum absorbierten Licht. -Elektronen Die Absorption beruht auf der Anregung von delokalisierten Elektronen im Molekül. Dabei werden Elektronen kurzfristig aus dem höchstbesetzten Molekülorbital (HOMO) in das am niedrigsten besetzte Molekülorbital (LUMO) angehoben. Diese Anregung kann jedoch nur stattfinden, wenn die Energie des eingestrahlten Lichts der Differenz E2-E1 entspricht. der Energieniveaus Diese Delokalisierung der Elektronen wird durch konjugierte Doppelbindungssysteme (Chromophore) erreicht. Je länger bzw. größer das Chromophor ist, desto weiter verschiebt sich die Absorption in den längerwelligen Bereich und desto größer ist dementsprechend der farbvertiefende Effekt, der auch als ,,bathochrome Verschiebung" bezeichnet wird. Mit zunehmender Anzahl an konjugierten Doppelbindungen kommt es zur Vergrößerung des Mesomeriesystems, wodurch sich die Energieniveaus der Elektronen soweit annähern, dass zunehmend energieärmeres Licht zur Anregung der Elektronen ausreicht. Neben dem Grundgerüst der Chromophore kann die Delokalisierung zudem durch auxochrome Gruppen verstärkt werden. Auxochrome sind Molekülgruppen, die zusätzlich Elektronen liefern (+ M-Effekt) bzw. aufnehmen (- M- Effekt) können. Durch diese wird eine vollkommene Mesomerie im Molekül ermöglicht, die dazu führt, dass sich die Elektronen stärker delokalisieren, wodurch die bathochrome Verschiebung weiter begünstigt wird. S

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Anderung der Elektronendichte im Ring aufgrund einer EN-Differenz H HACTH Z.B.: Z.B.: Ort der Fall 21 M-Effekt (mesomerer Effekt); = Einbeziehung bzw. Herausziehen eines Elektronenpaares in die/aus der, Mesomerie des Ringes 3 H 101 EN (H) = 2,2 EN (c) = 2,5 +I-Effekt! Position 0;p elektronenliefemd ED + M-Effekt Zweitsubstitution H 001 0;p! +I-Effekt Tabelle Veränderung von Erstsubstituentent Red Sn/HCL (alt. H₂/Kat) gilt für alle Erst- Substituenten mit... + M-Effekt & -M-Effekt! 1) OH-Gruppe (Phenole), → Erzeugung von Phenoli aus Alhylresti: 2) NH₂ - Gruppe (Amine)! NO₂ NH₂ 3) COOH-Gruppe (Säuren)) Oxidation in mehreren Stufen mit Kaliumper- manganat (KMnO4) : H 101 10000000-00 Z.B.: EN (H)=2,2 EN (0) = 3,5 → elektronenziehend -M-Effekt! -I-Effekt. H z.B.: HC-C-CH3 O Cumol Begründung • mehr mesomere Grenzformeln vorhanden →mesomenestabilisierter bei op ·bei oip ist positive Ladung bei je einer mesomeren Grenzformel benachbart →meta ist wahrscheinlicher •+I-Effekt begünstigt o; p CH3 Tolval OX 02 ox KMnO₂ ... OH S Phenol TOS O-H Benzolsäure + H3C p=u (1 C CH3 2 - Azofarbstoffe! R-Ñ-Ñ-R R=N=N-R Azogruppe Verwendung Farbemittel Wolle + Leder ← Lebensmittelfarbstoffe Säure-Base-Indikatoren ● • • aromatische Ring- systeme, häufig mit Substituentent 2. Herstellung der Kupplungshomponente! B-Naphtol + Ethanol ·Ñ-Ñ----06 . • lipophil (fettlöslich) →Sulfonatgruppen machen lipophob (wasserlöslich) 42.B. Anfärben von Shuhcreme Problematik: Azospaltung: Entstehung krebserregender Amine 3. Kupplung Lösung 1 + Lösung 2 →B-Naphtolorange Mechanismus Azofarbstoffe/ 1. Erzeugung des Nitrosyllations NaNO₂+ HCl = HONO + NaCl Natriumnitat Salpehige Save HONO+HIN=0+ H₂O 2. Diazotierung H Ô aromalisches Diazoniumion N=N! •NI+IN=0₂₁ H Synthese eines Azofarbstoffes! 1. Herstellung der Drazoniumsalz-Lösung Bedingungen: 1 Sulfanilsäure+ Natriumnitrit (NaNO₂) + H₂O + HCL 1. Kühlung i Nitrosylation Diazolomponente Nitrosyllation (2.B. Anilin) 3. Azokupplung + से saure, Azofarbstoffe (z.B. - S03 H) basische Azofarbstoffe (z. B. -NH₂) Z.B.: H SE -0-H Kupplungs komponente, (z. B. Phenol) H H H H ON: N=N₁ →Diazoniumion ist instabil to verhocht" bei Raumtemperatur N=₁ 12 + H₂O Azofarbstoff --- 1Ō-H → + + N₂ + HCl 2. Kupplung begünstigt durch a) elektronenziehende Substituenten an Diazokomponente (2.B. -S0₂ H) (FM) b) elektronenliefernde Substituenter on Kupplungshomponente (2.B. -OH) 00 N=NI aromatisches Diazoniumion N=NO-H +He + H₂0 Stickstoff wird abgespalten Mechanismus der elektrophilen aromatischen Substitution (Bsp.: Bromierung) Einleitung: Die elektrophile Sulastitution 1) Bildung des π-Komplexes ist 18pl +Br-Brl+Al-Br Realhen des Benzols. Die Substitution wird daher begünstigt, weil bei einer Addition an das Benzolmolekul dessen Aromazität verloren gehen würde, welche dem Molekul Benzol Brom Rearomatisierung 3)! 1 Bel Katalysator 2) Bildung des 6-Komplexes unter Authebung des Aromaten! Bel Brl 1 TT-Komplex Stabilität verleiht. Die Einstufung der Realition Das Brommolekül wird durch Wechselwirkung mit den delohalisierten Elektronen des als elektrophil erfolgt auf- Benzolrings polarisiert. grund des Realitionsverhaltens des Substituenten. £ →Br Brl. Al-Bel 5-Komplex Der partiell negative Teil tritt gleichzeitig mit dem Katalysator AlBrz in Wechselwirkung. Dabei entsteht der T-Komplex. + 1 1801 Brl 1Br-Al-Bri Bri Katalysator £ Br Brl. → H Brl + Br-Al-Brl Carbotahon 6-Komplex TT-komplex Es kommt zur heterolytischen Spaltung des Brommoleküls. Der elektrophile Teil addiert an das Ringsystem unter Aufhebung des aromatischen Zustands. Es entsteht der 5-Komplex, der ein Carbokation darstellt. Der nucleophile Teil (Br) wird durch das Katalysatormolekül gebunden. Brl Brombenzol |Bri Katalysator www Bri Al-Brl 1 \Brl Bromwasserstoff + B₁1 + H-Bri SAL-Bil 1861 Katalysator Das Carbolation reagiert im letzten Schritt unter Abgabe eines Protons mit dem Ammoniumbromidion unter Bildung von Brombenzol und Bromwasserstoff. Der Kata- lysator wird regeneriert. Das aromatische System wird wieder hergestellt. Farbigkeit + Molekülstruktur Chemische Verbindungen erscheinen farbig, wenn ihre Moleküle Licht bestimmter Wellenlängen aus dem sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums (380nm - 780nm) absorbieren. Dem Menschen erscheint die Verbindung dabei in der Komplementärfarbe zum absorbierten Licht. -Elektronen Die Absorption beruht auf der Anregung von delokalisierten Elektronen im Molekül. Dabei werden Elektronen kurzfristig aus dem höchstbesetzten Molekülorbital (HOMO) in das am niedrigsten besetzte Molekülorbital (LUMO) angehoben. Diese Anregung kann jedoch nur stattfinden, wenn die Energie des eingestrahlten Lichts der Differenz E2-E1 entspricht. der Energieniveaus Diese Delokalisierung der Elektronen wird durch konjugierte Doppelbindungssysteme (Chromophore) erreicht. Je länger bzw. größer das Chromophor ist, desto weiter verschiebt sich die Absorption in den längerwelligen Bereich und desto größer ist dementsprechend der farbvertiefende Effekt, der auch als ,,bathochrome Verschiebung" bezeichnet wird. Mit zunehmender Anzahl an konjugierten Doppelbindungen kommt es zur Vergrößerung des Mesomeriesystems, wodurch sich die Energieniveaus der Elektronen soweit annähern, dass zunehmend energieärmeres Licht zur Anregung der Elektronen ausreicht. Neben dem Grundgerüst der Chromophore kann die Delokalisierung zudem durch auxochrome Gruppen verstärkt werden. Auxochrome sind Molekülgruppen, die zusätzlich Elektronen liefern (+ M-Effekt) bzw. aufnehmen (- M- Effekt) können. 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