Abitraining Chemie Klausur Leistungskurs 3
Thema: Gelbe Farbstoffe in Safran und Kurkuma
Orientierungen zur Lösung
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Aufgabe 1: Erklären Sie am Beispiel der Farbstoffe Curcumin und Crocin unter Bezug auf Tabelle 1 den Zusammenhang zwischen Lichtabsorption und Farbigkeit. Begründen Sie anhand der Molekülstrukturen die Farbigkeit von Curcumin (Form A) und Crocin.
Teil 1) am Beispiel der Farbstoffe Curcumin und Crocin unter Bezug auf Tabelle 1 den Zusammenhang zwischen Lichtabsorption und Farbigkeit erklären:
– Spektralfarben des weißen Lichts
– Anregung von Elektronen und dem Energiestufenmodell der Lichtabsorption
– Absorptionsmaximum im Bereich von 435 bis 480 nm des Curcumins und des Crocins
– Zusammenhang zwischen absorbierter Spektralfarbe, hier Blau, und Eigenfarbe des Farbstoffs, hier Gelb.
Teil 2) anhand der Molekülstrukturen die Farbigkeit von Curcumin (Form A) und Crocin begründen:
Hinweis: Es wird erwartet, dass der Prüfling am Beispiel von Curcumin (Form A) und Crocin Aussagen zu den jeweils vorliegenden ausgedehnten Systemen konjugierter Doppelbindungen (Chromophor; Crocin: Polyenstruktur; Curcumin: zwei mesomere Systeme jeweils aus einem aromatischen Ring und konjugierten Doppelbindungen in der Seitenkette) und zum Mesomeriemodell macht: mesomere Grenzstrukturen, Delokalisation von konjugierten π-Elektronen, Einfluss von Donator-/Akzeptorgruppen, beim Curcumin z. B. der Hydroxy- und Methoxy-Gruppen als Donatorgruppen und der Carbonyl-Gruppe als Akzeptorgruppe
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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) den Reaktionstyp der nach Zugabe von Bromwasser zu einer Crocinlösung ablaufenden Reaktion angeben:
elektrophile Addition
Teil 2) den Ablauf dieser Reaktion in Einzelschritten erläutern:
Hinweis: Es wird erwartet, dass der Prüfling auf die typischen Schritte einer elektrophilen Addition eingeht.
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 Farbänderung einer 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 Hydroxygruppen 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 die auftretende Farbveränderung bei Zugabe von Natronlauge zu einem Kurkumaextrakt anhand einer Reaktionsgleichung und geeigneter mesomerer Grenzstrukturen. Erläutern Sie, weshalb auch eine Natriumcarbonatlösung zur Untersuchung einer möglichen Fälschung von Safran mit Kurkumapulver 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) die auftretende Farbveränderung bei Zugabe von Natronlauge zu einem Kurkumaextrakt anhand einer Reaktionsgleichung und geeigneter mesomerer Grenzstrukturen erläutern:
Reaktionsgleichung und mesomere Grenzstruktur:
• Bei Zugabe von Natronlauge wandelt sich Form A der Curcumin-Moleküle (durch eine intramolekulare Protonenübertragung) in Form B um, die an der gekennzeichneten Position mit den Hydroxid-Ionen der Natronlauge in einer Säure-Base-Reaktion zu Wasser-Molekülen und einer deprotonierten Form des Curcumin-Moleküls mit einer negativ geladenen O–-Gruppe reagieren.
• O–-Gruppen weisen einen stärkeren +M-Effekt als Hydroxy-Gruppen auf.
• Zudem liegt in Form B der Curcumin-Moleküle ein vergrößertes π-Elektronensystem vor, die Delokalisierung der π-Elektronen erstreckt sich über das gesamte Molekül,
• beide Effekte führen zu einer Verschiebung des Absorptionsmaximums in den längerwelligen Bereich (490 bis 500 nm), die wahrgenommene Komplementärfarbe ist Rot.
Teil 3) erläutern, weshalb auch eine Natriumcarbonatlösung zur Untersuchung einer möglichen Fälschung von Safran mit Kurkumapulver verwendet werden kann:
• Aufgrund des relativ niedrigen pKB-Werts der Carbonat-Ionen reagieren diese gegenüber Wasser-Molekülen als Base, in einer Gleichgewichtsreaktion entstehen Hydrogencarbonat- und Hydroxid-Ionen:
CO32- + H2O \( \rightleftharpoons \) HCO3– + OH–
• Somit liegt eine alkalische Lösung vor, die Curcumin-Moleküle reagieren wie beschrieben in einer Säure-Base-Reaktion mit den Hydroxid-Ionen.
Alternativ: Die Carbonat-Anionen können aufgrund ihres relativ niedrigen pKB-Wertes in einer Säure-Base-Reaktion mit den Farbstoff-Molekülen zu Hydrogencarbonat-Ionen und deprotonierten Farbstoff-Molekülen reagieren. Angabe einer entsprechenden Reaktionsgleichung.
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Aufgabe 4: Erläutern Sie anhand einer Reaktionsgleichung, welche Reaktion beim Erwärmen einer Crocinlösung mit verdünnter Salzsäure abläuft. Begründen Sie das Auftreten eines Niederschlages bei dieser Reaktion. Beurteilen Sie anhand der Molekülstrukturen und der Angaben zur Herstellung die Eignung von Crocin und Curcumin als Lebensmittelfarbstoffe für die Färbung von wasserhaltigen und von fetthaltigen Lebensmitteln (z. B. Margarine).
Teil 1) anhand einer Reaktionsgleichung erläutern, welche Reaktion beim Erwärmen einer Crocinlösung mit verdünnter Salzsäure abläuft:
Eine säurekatalysierte Esterspaltung (alternativ: säurekatalysierte Hydrolyse) führt zur Bildung eines Dicarbonsäure-Moleküls und zweier Zweifachzucker-Molekülen aus einem Molekül Crocin.
Reaktionsgleichung:
• Diese CH2-Gruppe kann keine Doppelbindung eingehen und ist daher in keines der beiden anliegenden mesomeren Systeme eingebunden.
Teil 2) das Auftreten eines Niederschlages bei dieser Reaktion begründen:
Die aus den Crocin-Molekülen entstehenden Dicarbonsäure-Moleküle sind nicht wasserlöslich (da die beiden großen, gut wasserlöslichen Zweifachzuckerreste abgespalten wurden).
Die beiden Carboxy-Gruppen sind zwar polar, der unpolare Charakter der langen Polyenkette überwiegt jedoch, die Dicarbonsäuren fallen daher in der wässrigen Lösung als Niederschlag (Feststoff) aus.
Teil 3) die Eignung von Crocin und Curcumin als Lebensmittelfarbstoffe für die Färbung von wasserhaltigen und von fetthaltigen Lebensmitteln beurteilen:
Crocin ist aufgrund seiner Molekülstruktur (zwei große, hydrophile Zweifachzuckerreste mit zahlreichen polaren Hydroxy-Gruppen) wasserlöslich und somit gut geeignet für die Färbung wasserhaltiger Lebensmittel. Curcumin-Moleküle (Form A) besitzen nur zwei Hydroxy-Gruppen, über die Wasserstoffbrücken zu Wasser-Molekülen gebildet werden können, der unpolare Charakter überwiegt; Curcumin dürfte somit fettlöslich sein und sich als Farbstoff für fetthaltige Lebensmittel wie z. B. Margarine eignen. Für beide Farbstoffe spricht, dass Sie leicht gewonnen (Curcumin) bzw. günstig (biotechnologisch) hergestellt (Crocin) werden können.