Abitraining Chemie Klausur Grundkurs 3
Thema: Gelbe Farbstoffe in Safran und Kurkuma
Orientierungen zur Lösung
Aufgabe 1: Erklären Sie am Beispiel des Farbstoffs Crocin unter Bezug auf die Tabelle den Zusammenhang zwischen Lichtabsorption und Farbigkeit. Begründen Sie anhand der Molekülstruktur die Farbigkeit von Crocin. Geben Sie eine Reaktionsgleichung und den Reaktionstyp für die beim Erwärmen einer Crocinlösung mit verdünnter Salzsäure ablaufende Reaktion an.
Teil 1) den Zusammenhang zwischen Lichtabsorption und Farbigkeit erklären:
wichtige Aspekte:
– Spektralfarben des weißen Lichts
– Energiestufenmodell der Lichtabsorption, Anregung von Elektronen
– Absorptionsmaximum des Crocins im Bereich von 435 bis 480 nm
– Zusammenhang zwischen absorbierter Spektralfarbe (Blau) und Eigenschaften des Farbstoffs (Gelb)
Teil 2) anhand der Molekülstruktur die Farbigkeit von Crocin begründen:
wichtige Aspekte:
– ausgedehntest System konjugierter Doppelbindungen liegt vor (Chromophor, Polyenstruktur
– Mesomeriemodell: mesomere Grenzstrukturen, Delokalisation von konjugierten π-Elektronen
Teil 3) eine Reaktionsgleichung und den Reaktionstyp für die beim Erwärmen einer Crocinlösung mit verdünnter Salzsäure ablaufende Reaktion angeben:
Reaktionsgleichung:
Reaktionstyp: säurekatalysierte Esterspaltung (auch möglich: säurekatalysierte Hydrolyse)
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Aufgabe 2: Geben Sie den Reaktionstyp der nach Zugabe von Bromwasser zu einer Crocinlösung ablaufenden Reaktion an. Erläutern Sie den Ablauf dieser Reaktion in Einzelschritten. Begründen Sie anhand der beschriebenen Reaktion die beobachtbare Farbänderung einer Crocinlösung bei Zugabe von Bromwasser.
Teil 1) Reaktionstyp angeben (Zugabe von Bromwasser zu einer Crocinlösung):
elektrophile Addition
Teil 2) den Ablauf dieser Reaktion in Einzelschritten erläutern:
Schritt 1: Annäherung eines Brom-Moleküls an die
C=C-Doppelbindung mit temporärer Polarisierung der Elektronenpaarbindung, Wechselwirkung des positiv teilgeladenen Brom-Atoms und der Doppelbindung (Tradukt), heterolytische Trennung der Bindung des Brom-Moleküls und Bildung eines Bromonium-Ions (Interdukt) sowie eines Bromid-Ions
Schritt 2: Anlagerung eines Wasser-Moleküls an ein Kohlenstoff-Atom des Dreirings des Bromonium-Ions und anschließende Abspaltung eines Protons (Bildung eines Bromalkohols), oder Anlagerung eines Bromid-Ions am Bromonium-Ion (Bildung einer Dibromverbindung)
Teil 3) anhand der beschriebenen Reaktion die beobachtbare Farbveränderung der Crocinlösung bei Zugabe von Bromwasser begründen:
• Das im Crocin-Molekül vorliegende und für die gelbe Farbe verantwortliche System konjugierter Doppelbindungen wird durch die Reaktion der C=C-Doppelbindungen mit Brom-Molekülen und die beschriebene Bindung von Brom-Atomen sowie von Hydroxy-Gruppen sukzessive verkleinert,
• die zur Anregung der Elektronen benötigte Energie wird sukzessive erhöht, die Wellenlänge des absorbierten Lichts wird verringert,
• schließlich erscheint die Lösung farblos, wenn die Energie des sichtbaren Lichts zur Anregung der Elektronen nicht mehr ausreicht.
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Aufgabe 3: Begründen Sie die Unabhängigkeit der beiden mesomeren Systeme des Curcumin-Moleküls (Form A). Erläutern Sie anhand der Molekülstrukturen der Formen A und B des Curcumin-Moleküls (Abbildungen 2 und 3) die unterschiedliche Farbe neutraler und alkalischer Kurkumalösungen. Stellen Sie eine begründete Hypothese auf, ob die Zugabe von Bromwasser ebenfalls zur Unterscheidung von reinem Safran und gefälschtem Safran verwendet werden kann.
Teil 1) die Unabhängigkeit der beiden mesomeren Systeme des Curcumin-Moleküls (Form A) begründen:
• Zwischen den beiden Carbonyl-Gruppen des Curcumin-Moleküls befindet sich eine CH2-Gruppe.
• Diese CH2-Gruppe kann keine Doppelbindung eingehen und ist daher in keines der beiden anliegenden mesomeren Systeme eingebunden.
Teil 2) anhand der Molekülstrukturen der Formen A und B des Curcumin-Moleküls die unterschiedliche Farbe neutraler und alkalischer Kurkumalösungen erläutern:
• Form A des Curcumin-Moleküls besitzt zwei Carboxy-Gruppen in der die beiden Phenylringe verbindenden Kohlenstoffkette.
• Es liegen zwei kleinere, getrennte mesomere Systeme vor, die Farbstofflösung erscheint gelb.
• In der in alkalischem Medium vorliegenden Form B liegt anstelle einer der beiden Carbonyl-Gruppen eine Hydroxy-Gruppe vor, in der Kohlenstoffkette liegt eine weitere C=C-Doppelbindung vor.
• In Form B des Curcumin-Moleküls liegt ein durchgehendes System delokalisierter π-Elektronen über das gesamte Molekül vor.
• Die Hydroxy-Gruppe an einem der beiden Phenylringe des Curcumin-Moleküls hat ein Proton abgespalten, sodass hier eine O–-Gruppe vorliegt; in der unteren mesomeren Grenzstruktur befindet sich die negative Ladung am Sauerstoff-Atom der ursprünglichen Carbonyl-Gruppe.
• Die Vergrößerung des mesomeren Systems sowie der stärkere +M-Effekt der O–-Gruppe gegenüber der Hydroxy-Gruppe (bzw. das Vorliegen einer weiteren mesomeren Grenzstruktur) führen im alkalischen Medium zu einer Verschiebung des Absorptionsmaximums in den längerwelligen Bereich (490 bis 500 nm), die wahrgenommene Komplementärfarbe der alkalischen Kurkumalösung ist Rot.
Teil 3) eine begründete Hypothese aufstellen, ob die Zugabe von Bromwasser ebenfalls zur Unterscheidung von reinem Safran und gefälschtem Safran verwendet werden kann:
• Eine Crocinlösung wird durch Zugabe von Bromwasser entfärbt.
• Das Curcumin-Molekül enthält ebenfalls Doppelbindungen, die mit Brom reagieren könnten. Dadurch würde das π-Elektronen-System der Moleküle verkleinert und eine Kurkumalösung farblos.
• Damit ein Reagenz zur Unterscheidung zweier Substanzen eingesetzt werden kann, muss es mit den zwei Substanzen unterschiedlich reagieren.
• Eine Bromlösung eignet sich nicht zur Unterscheidung von reinem Safran und gefälschtem Safran, wenn beide Farbstoffe mit Brom reagieren.