Farbigkeit von Organischen Farbstoffen – Struktur bei Farbstoffen – Doppelbindungssystem (=Chromphore)

In einem vorherigen Kapitel wurde die Farbtheorie von Witt vorgestellt. Mit Hilfe der Farbtheorie nach Witt können Farbstoffe in funktionale Einheiten aufgeteilt werden. Nach dieser Theorie weisen Farbstoffe folgende Kriteria auf:

  • Konjugiertes π-Elektronensystem
  • Substitutionsffekte durch Vorhandensein von Auxochromen

Im folgenden Kapitel wird nun die strukturelle Voraussetzung für einen Organischen Farbstoffen vorgestellt.

Die Struktur Organischer Farbstoffe

Wie im einführenden Kapitel erwähnt, kommt Farbigkeit dadurch zustande, dass „farbloses“ oder weißes Licht eine Zusammensetzung von vielen elektromagnetischen Wellen unterschiedlicher Wellenlänge (unterschiedlicher Farben) ist. Jede Materie wechselwirkt dabei mit dieser elektromagnetischen Strahlung. Dabei nimmt der Körper, der mit der Strahlung wechselwirkt bestimmte Bereiche der elektromagnetischen Strahlung auf (der Körper absorbiert Teile der Strahlung). Der Rest der elektromagnetischen Strahlung geht durch den Körper hindurch oder wird von diesem reflektiert. Die reflektierte Strahlung nehmen wir mit unseren Sinnesorganen wahr, wodurch wir eine Farbigkeit „feststellen“.

Die Farbtheorie von Witt konnte auch deshalb aufgestellt werden, da viele organische (Farbstoffe) und deren Struktur untersucht wurden. Trägt man beispielsweise die Wellenlänge (Absorptionsmaximum) gegen die Anzahl der Doppelbindungen auf, so lässt sich bereits das Ergebnis erkennen.

Absorption

Wie eingangs erwähnt, absorbiert jede Verbindung Energie (Anregung vom Grundzustand in den angeregten Zustand). Doch nicht jede Verbindung erscheint gefärbt. Eine Verbindung erscheint nur gefärbt, wenn die absorbierte Energie im Bereich der Wellenlänge des sichtbaren Lichts liegt. Die obige Grafik (Hinweis: schematische Zeichnung) zeigt, dass die Absorption von elektromagnetischer Strahlung im Bereich des sichtbaren Lichts vor allem bei organischen Verbindungen mit mehreren (konjugierten) Doppelbindungen vorliegt.

Wie auch bei anorganischen Farbstoffen entsteht die Farbigkeit durch Absorption von Teilen des sichtbaren Lichts, während der „Rest“ des sichtbaren Lichts am „Farbstoff“ reflektiert wird und die menschlichen Sinnesorgane zu einer Farbe zusammensetzen einer Absorption wird dem „Stoff“ Energie zugeführt (Lichtenergie), dabei wird ein Elektron in der Elektronenhülle in ein höheres Energieniveau „angehoben“, das Atom bzw. die Verbindung wird so vom Grundzustand in den angeregten Zustand überführt. Die nachfolgende Erklärung gibt einen groben Überblick über die Entstehung der Farbigkeit bei organischen Farbstoffen (und setzt sehr viel chemisches und physikalisches Fachwissen voraus)

Erklären lässt sich die Farbigkeit mit Hilfe der MO-Theorie. Wenn wir organische Verbindungen (nur mit Einfach- oder Doppelbindungen) betrachten, liegen nur Einfach- bzw. Doppelbindungen vor. Nach der MO-Theorie entstehen Moleküle durch die Addition von Molekülorbitalen. Bei Organischen Verbindungen kommen also drei Orbitalarten vor (, , und „n“ = nichtbindende, in der Regel bei Anwesenheit von Heteroatomen). Jedes Molekülorbital kommt zusätzlich dabei als bindendes Orbital und antibindendes Orbital vor.

Die Orbitale sind nach steigender „Energie“ wie eine Leiter angeordnet. Die „Auffüllung“ der Orbitale mit Elektronen erfolgt gemäß dem Pauli-Prinzip. Dabei werden die Elektronen immer so „positioniert“, dass im Grundzustand die niedrigsten Orbitale besetzt sind. Betrachten wir nun eine solche „Leiter“ aus Orbitalen, die bis zu einem bestimmten Energieniveau mit Elektronen gefüllt werden, so gibt es zwei „hervorzuhebende“ Orbitale:

Das HOMO (highest occupied molecule orbital) ist das höchste besetzte Orbital, während das LUMO (lowest unoccupied molecule orbital) das „erste“ unbesetzte Orbital bezeichnet, dass dem HOMO das nächsthöhere Orbital ist. Absorbiert nun ein organischer Farbstoff Lichtenergie, so wird ein Elektron vom HOMO in das LUMO angehoben.

Warum aber muss eine organischer Farbstoff über konjugierte Doppelbindungen verfügen, um die Eigenschaften eines Farbstoffes zu besitzen. Dies liegt an der Energiedifferenz zwischen bindendem und antibindendem Orbital.Untersuchen wir eine langkettige organische Verbindung mit Einfachbindungen, stellen wir fest, dass eine Absorption im Bereich des kurzwelligen UV-Lichts erfolgt. Zwischen dem Sigma-Orbital und dem (antibindenden) Sigma*-Orbital liegt eine höhere Energiedifferenz vor, als die Lichtenergie im Bereich des sichtbaren Lichts eine Elektronenanregung vom HOMO in das LUMO „liefern“ würde.

Betrachten wir nun den ersten organischen Farbstoff, den wir in der obigen Grafik analysiert haben. Beim 1,3-Butadien findet eine Lichtabsorption im Bereich von ca. 220 nm statt. Beim 1,3-Butadien mit seinen Doppelbindungen stehen gemäß MO- bzw. LCAO-Theorie vier Molekülorbitale für die π-Bindungen zur Verfügung. Zwei dieser Orbitale (die unteren) sind jeweils mit zwei Elektronen besetzt, die anderen beiden Orbitale sind antibindende. Es findet beim 1,3-Butadien also eine π =>π* Übergang statt.

Untersucht man nun viele organische Stoffe mit konjugierten Doppelbindungen stellt man fest, dass die Energiedifferenz zwischen HOMO und LUMO (zumindest bei linearen organischen Verbindungen) von der Kettenlänge abhängt. Die Energiedifferenz ist umgekehrt proportional zur Kettenlänge der konjugierten Doppelbindungen.

Ergebnis:

Damit hätten wir auch die Farbtheorie nach Witt bestätigt, die besagt, dass jeder organische Farbstoff über einen „Strukturbereich“ verfügt, der als Chromophor bezeichnet wird.

Das Chromophore ist, wie der Name schon sagt, der Farbträger des Farbstoffes. Dieser Strukturteil ist für jeden Farbstoff zwingend erforderlich. Bei jedem Farbstoff wird die Struktur der Chromophore durch Mehrfachbindungen gewährleistet (konjugiertes Doppelbindungssystem).

Neben diesem Strukturteil gibt es noch den Bereich der „Auxochrome“. Auxochrome sind wie der Name schon sagt, Hilfen. Die Aufgaben der Auxochrome sind in der Regel (in Kombination mit derm Chromophore) eine Farbverstärkung bzw. verschiebung zu erreichen. Die Wirkung der Auxochrome beruht auf einem M-Effekt bzw. -M-Effekt.