Azofarbstoffe

Azofarbstoffe in der Chemie

Eine für Azofarbstoffe charakteristische Azobrücke beschreibt dabei die Verbindung von zwei Bereichen des Moleküls über eine Stickstoff-Doppelbindung (-N=N-).

Ganz allgemein dargestellt siehst Du diese Bindung in der nachfolgenden Abbildung:

Abbildung 1: Strukturformel einer Azobrücke

Die Auswahl der möglichen Reste der Azofarbstoffe ist hier absolut beliebig, wie Du noch im weiteren Verlauf merken wirst. Oftmals ist nicht nur ein Atom angehangen, sondern mehrere miteinander verknüpfte funktionelle Gruppen und Strukturen.

Mit über 2000 Vertretern sind Azofarbstoffe damit die größte Gruppe der Farbstoffe. Ein Teil davon wird in Lebensmitteln verwendet. Dazu gehören die folgenden Vertreter, die Du auf jeden Fall kennen solltest:

• Tartrazin (E 102)
• Chinolingelb (E 104)
• Sunsetgelb (E 110)
• Azorubin (E 122)
• Brillantschwarz (E 151)
• Braun HT (E 155)
• Cochenillerot (E 124)

Azofarbstoffe Liste

Die gerade aufgeführten Bezeichnungen sind die jeweiligen Trivialnamen, die von der IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) akzeptiert werden. Diese sind häufig deutlich einfacher, als die komplexen Strukturen zu benennen, die hinter den Azofarbstoffen stecken.

Bereits die erste Unterscheidung beginnt jedoch bei der Anzahl an vorkommenden Azobrücken. Daher wird entsprechend dieser unterschieden in:

• Mono-Azofarbstoffe (eine Azobrücke)
• Dis-Azofarbstoffe (zwei Azobrücken)
• Tris-Azofarbstoffe (drei Azobrücken)
• Tetrakis-Azofarbstoffe (vier Azobrücken)
• ...

Oftmals werden allerdings auch alle Farbstoffe mit drei und mehr Azobrücken als Polyazofarbstoffe bezeichnet.

Eine weitere Möglichkeit der Benennung besteht darin, dass immer die Abschnitte bis zu den Azobrücken benannt und dann über einen Pfeil verbunden werden. Damit Du Dir das besser vorstellen kannst, siehst Du die folgende Abbildung. Dabei handelt es sich um den bereits genannten Azofarbstoff Brillantschwarz.

Abbildung 2: Strukturformel von Brillantschwarz

Du siehst hier zwei Azobrücken. Entsprechend handelt es sich bereits um einen Dis-Azofarbstoff. Die konkrete Benennung mit der Pfeilschreibweise wäre nun: 1-Aminobenzol-4-sulfosäure→1-Aminonaphthalin-7-sulfosäure→1-Acetylamino-8-naphthol-4,6-disulfosäure.

Azofarbstoffe Vorkommen

Bevor Du Dich mit der Herstellung der Azofarbstoffe beschäftigst, schaust Du Dir am besten erst einmal an, was diese Stoffe ausmacht und wo Azofarbstoffe vorkommen. Dann verstehst Du sicherlich besser, warum sie so häufig synthetisiert werden.

Azofarbstoffe: Farbigkeit

Charakteristisch für Azofarbstoffe ist natürlich die farbgebende Azobrücke. Sie wird als chromophor bezeichnet, da sie hauptsächlich für die Farbigkeit der Stoffe vorhanden ist. Als Reste wirst Du oftmals aromatische Ringe finden. Das sind die Ringstrukturen, die Du schon bei Brillantschwarz gesehen hast.

Diese aromatischen Ringe wirken oftmals auxochrom. Das heißt, sie verschieben das Absorptionsmaximum in den längerwelligen oder kurzwelligeren Bereich. Normalerweise liegt das Maximum im Bereich der UV-Strahlung. Diese ist kurzwelliger als das Licht, dass Du sehen kannst. Durch die sogenannte bathochrome Verschiebung gelangt das Absorptionsmaximum in den sichtbaren Bereich und sorgt so für eine Farbänderung.

Das Ganze existiert natürlich ebenfalls in die gegenteilige Richtung, wobei das Absorptionsmaximum in den kurzwelligen Bereich verschoben wird. Das wird dann entsprechend als hypsochromer Effekt bezeichnet. Die folgende Abbildung zeigt Dir eine solche Veränderung:

Abbildung 3: Hypsochromer Effekt

Tatsächlich handelt es sich hier um die Farbstoffe Indigo und Purpur. Beide besitzen beinah die gleiche Strukturformel. Nur besitzt Purpur auf beiden Seiten der Azobrücke an den aromatischen Ringen jeweils noch Brom-Substituenten.

Abbildung 4: Strukturformel von Purpur

Indigo unterscheidet sich nur dadurch, dass es eben jene Brom-Substituenten nicht besitzt.

Azofarbstoffe: Steuerung biologischer Prozesse

Eine weitere faszinierende Eigenschaft der Azofarbstoffe ist es, dass sie unter anderem dazu verwendet werden können, um biologische Prozesse mithilfe von Licht und Hitze zu steuern. Dabei werden einzelne Fragmente in Proteine eingebaut. Bei Raumtemperatur besitzen Azofarbstoffe die sogenannte trans-Konformation. Diese hast Du bereits in Abbildung 1 kennengelernt. Diese Bezeichnung sagt aus, dass sich die jeweiligen Reste nicht auf der gleichen Seite befinden, sondern gegenüber angeordnet sind.

Wird der Azofarbstoff dann mit Licht bestrahlt, kommt es zur sogenannten Konformationsänderung. Er nimmt die sogenannte cis-Konformation an.

Abbildung 5: cis-Konformation der Azobrücke

Diese Konformation der Azofarbstoffe kann nun biologische Prozesse auslösen und ist damit deutlich interessanter für Wissenschaftler*innen, da keine zusätzlichen Reagenzien hinzugefügt werden müssen und die Reaktion direkt beobachtet werden kann.

Eine weitere Eigenschaft, die dahin gehend vorteilhaft wirkt, sind die verschiedenen polaren und unpolaren Gruppen, die ein Azofarbstoff besitzt. Je nach Medium können die Farbstoffe speziell darauf ausgelegt werden, dass sie sich in den entsprechenden Medien lösen oder eben nicht. Somit kann unter anderem eine gewissen Farbechtheit gewährleistet werden.

Azofarbstoffe Herstellung

Nun wird es also chemisch: Du möchtest Azofarbstoffe herstellen. Für die Azofarbstoff-Synthese sind zwei Schritte essentiell, die Du im folgenden genauer kennenlernst. Als Beispielreaktion werden Nitro-Anilin und Phenol miteinander reagieren. Es wird am Ende ein gelber Farbstoff entstehen.

Azofarbstoffe Herstellung: Diazotierung

In diesem Schritt wird das Amin zur Herstellung von Azofarbstoffen in Lösung diazotiert. Das klingt natürlich viel zu komplex. Daher schaust Du Dir das jetzt Schritt für Schritt an.

Ein Amin ist erst einmal ein aromatischer Ring mit einer NH₂-Gruppe. Die Gruppe wird als Amino-Gruppe bezeichnet, woher dann die Bezeichnung des Amins kommt. Anilin ist ein solches Amin, das übrigens in den meisten Fällen verwendet wird. Nitro-Anilin besitzt zudem noch eine Nitro-Gruppe (NO₂), die der Einfachheit halber direkt gegenüber der Amino-Gruppe sitzt. Dieses Nitro-Anilin reagiert mit Natriumnitrit und Salzsäure. Die Salzsäure in Lösung sorgt dabei für ein saures Milieu, das katalytisch wirkt, also die Reaktion beschleunigt.

Aus dem Natriumnitrit bildet sich im sauren Milieu ein Nitrosyl-Kation (NO⁺). Dieses ist elektrophil, wird als von Elektronen angezogen. Der Stickstoff aus der Amino-Gruppe besitzt eine Elektronenbindung, die diese Anziehung ausübt. Unter Abspaltung von zuerst einem Proton (H⁺) und dann der endständigen OH-Gruppe entsteht schlussendlich ein Diazonium-Ion. Das Proton verbindet sich mit der OH-Gruppe zu Wasser.

Azofarbstoffe Herstellung: Azokupplung

Das Diazonium-Ion ist genau der Zwischenschritt in der Herstellung von Azofarbstoffen, der notwendig ist, damit ein zweiter Stoff nun daran binden kann. In diesem Fall handelt es sich dabei um Phenol. Der hinzugefügte Stoff wird unter anderem als Kupplungskomponente bezeichnet.

Die chemische Reaktion dahinter wird als elektrophile Zweitsubstitution bezeichnet. Der Reaktionsmechanismus basiert daher auf der sogenannten elektrophilen Substitution. Der aromatische Ring wirkt dabei anziehend auf den partiell positiven Stickstoff. Durch die Bindung verliert allerdings der Ring des Phenols seine aromatischen Eigenschaften. Durch Abspaltung eines Protons kann diese wiederhergestellt werden.

Es entsteht am Ende die gewünschte Azobrücke zwischen Nitro-Anilin und Phenol. Du erhältst einen Azofarbstoff.

Azofarbstoffe Beispiele

Nun sind Dir im Laufe dieser Erklärung bereits einige mögliche Verwendungen vorgestellt worden. Damit Du einen besseren Überblick hast, findest Du hier noch einmal alle Anwendungen für Azofarbstoffe an einem Ort:

• Lebensmittelfarbstoff wie in Gummibärchen
• Färben von:
  • Textilien
  • Holz
  • Öle
• Beschichtungsmittel
• Anfärben von Krebszellen zum besseren Mikroskopieren
• Nachweismittel für Stoffwechselprodukte
• Säure-Base-Indikator

Die Wirkung als Säure-Base-Indikator beruht darauf, dass die Azobrücke abhängig vom pH-Wert protoniert werden kann. Das bedeutet, es werden Protonen (H⁺) hinzugefügt. Beispiele dafür sind Methylrot und Methylorange.

Allerdings dürfen beispielsweise nicht alle Azofarbstoffe in Lebensmitteln verwendet werden. Genauso ist es inzwischen verboten, diese Farbstoffe auch in Tätowierfarbe zu verwenden. Die Ursache bekommst Du im folgenden, letzten Abschnitt erklärt.

Azofarbstoffe Gefahren

Du hast im Rahmen der Synthese von Azofarbstoffen Nitro-Anilin kennengelernt. Dieses Amin ist jedoch giftig. Wenn Du Azofarbstoffe zu Dir nimmst, dann ist Dein Körper in der Lage, diese aufgenommenen Farbstoffe an der Azobrücke wieder zu spalten. Es entstehen die giftigen Amine, die karzinogen, also krebsfördernd wirken. Inzwischen gibt es daher Richtlinien, die eben jene Azofarbstoffe verbieten.

Dennoch können einige Farbstoffe weiterhin verwendet werden, da hier besonders die Dosis entscheidend über die giftige Wirkung ist. Die entsprechenden Farbstoffe müssen aber deutlich gekennzeichnet werden. Weiterhin können Aufschriften wie "Kann Aktivität und Aufmerksamkeit von Kindern beeinträchtigen" zu finden sein. Eine Studie aus dem Jahr 2007 stellte fest, dass die Azofarbstoffe an der Ausbildung des Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätssyndrom, kurz ADHS, beteiligt sein können.

Viele Unternehmen, dazu gehört auch Haribo, haben inzwischen darauf reagiert und die Azofarbstoffe völlig verbannt und durch natürliche Farbstoffe ersetzt. Deine Gummibärchen kannst Du also in genau Deiner Lieblingsfarbe sorgenfrei genießen.