Günter Baars E-Lern- und Lehrmedium: Quantenchemie und Chemie farbiger Stoffe Modul: Quantenchemie und organische farbige Stoffe

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2 Günter Baars E-Lern- und Lehrmedium: Quantenchemie und Chemie farbiger Stoffe Modul: Quantenchemie und organische farbige Stoffe Korrektorat: Dina Baars, Bern Illustrationen: Christoph Frei, Bern 1. Auflage 2010 Alle Rechte vorbehalten Copyright Pädagogische Hochschule PHBern 2

3 Inhalt Inhaltsverzeichnis Lernziele Das farbige Geheimnis von Paprika Carotinoide in unserem täglichen Leben Wann sind Stoffe farbig? Der Sehvorgang Das Spektralfotometer Übungen mit Lösungen zum Kapitel Der eindimensionale Kasten; das Elektronengas-Modell Lernziele Das Elektron im eindimensionalen Kasten Eindimensionaler Kasten und farbige Stoffe; das Elektronengas-Modell Anregungsenergie und absorbierte Wellenlänge Überprüfung des Modells anhand der Cyanin-Farbstoffe Übungen mit Lösungen zum Kapitel Das Elektronengas-Modell und Polyene Lernziele Polyene und ihr Absorptionsverhalten; Einführung des Korrekturfaktors V korr Interpretation des Korrekturterms V korr Übungen mit Lösungen zum Kapitel Die Bedeutung der Endgruppen am Beispiel der Phenylpolyenale und ihrer Farbsalze Lernziele Polyenale und Phenylpolyenale Farbsalze der Phenylpolyenale (Carboxonium- und Immonium-Salze) Zusammenstellung der Ergebnisse Übungen mit Lösungen zum Kapitel Anhang Konstanten, Zeichen, Einheiten und Formeln Experimente zu den Kapiteln 1 bis

4 Inhalt Dünnschichtchromatografische Untersuchung von Paprikapulver Bestimmung der maximalen Absorption λ exp von 1,1 -Diethyl-4,4 -carbocyaniniodid Bestimmung der maximalen Absorption λ exp der drei Phenylpolyenale Umsetzung der Phenylpolyenale zu Farbsalzen (Carboxonium- und Immonium-Salze) Bestimmung der maximalen Absorption λ exp der Farbsalze der Phenylpolyenale Synthesevorschriften für die Phenylpolyenale Trienal, Pentaenal und Heptaenal Synthese von 7-Phenyl-2,4,6-heptatrienal (Trienal) Synthese von 11-Phenyl-2,4,6,8,10-undecapentaenal (Pentaenal) Synthese von 15-Phenyl-2,4,6,8,10,12,14-pentadecaheptaenal (Heptaenal) Reinheitsprüfung der Phenylpolyenale durch Dünnschichtchromatografie Berechnungen zum eindimensionalen Kasten Finden der Wellenfunktion zur Beschreibung eines Elektrons im eindimensionalen Kasten Berechnung der Konstanten A (Normierung der Wellenfunktion) Berechnung der möglichen Energien für das Elektron im eindimensionalen Kasten Berechnung der Anregungsenergie ΔE ber Berechnung der Wellenlänge λ ber der absorbierten Strahlung Berechnung der mittleren kinetischen Energie T sowie der Geschwindigkeit v eines Elektrons im Grundzustand Berechnung der mittleren kinetischen Energie T 1 einer Marmel Berechnung der Anregungsenergie E ber einer Marmel mit v = 0,01 m s

5 1.1 Lernziele 1. Sie wissen, welche Farbstoffgruppe im Paprika vorkommt und können ihre wichtigsten Vertreter benennen. 2. Sie verstehen die Begriffe Spektralfarben, Absorption sowie Komplementärfarben und können sie an Beispielen erläutern. 3. Ihnen ist der charakteristische Aufbau der Moleküle farbiger Stoffe verständlich. 4. Sie sind in der Lage, den Prozess des Farbensehens kurz zu erklären. Lewis-Formel 1.2 Das farbige Geheimnis von Paprika Unter den verschiedenen Klassen von Naturfarbstoffen gehört diejenige der Carotinoide zweifellos zu den am weitesten verbreiteten und wichtigsten. Etwa 17 verschiedene Carotinoide sind im Paprikapulver enthalten. Aceton kann sie herauslösen und mithilfe eines Chromatogramms lassen sie sich anschliessend voneinander trennen (Experimentiervorschrift Abschnitt 5.2.1). Die Moleküle dieser farbigen Stoffe enthalten alle ein Kohlenwasserstoff- Grundgerüst mit konjugierten Doppelbindungen. Die Endgruppen der Moleküle hingegen sind verschieden (Abb. 1.1). Name, Vorkommen Beta-Carotin (Karotten) C H C C CCH 3 Fucoxanthin (Algen) H H Zeaxantin (Mais) H H Capsanthin (Paprika) H 5

6 H Crocetin (Safran) H Canthaxanthin Abb. 1.1 Lewis-Formeln von Molekülen einiger Carotinoide Carotinoide sind organische farbige Stoffe, die Licht absorbieren und von Bakterien und grünen Pflanzen bei der Fotosynthese benutzt werden. Sie gehören zu den Polyenen, Kohlenwasserstoffen, die in ihrer chemischen Struktur viele konjugierte Doppelbindungen aufweisen (poly = viel, -en bezeichnet eine Doppelbindung). 1.3 Carotinoide in unserem täglichen Leben Carotinoide kommen als natürliche Farbstoffe in vielen Lebensmitteln vor: u.a. in Tomaten, Karotten, Paprika, Früchten, Beeren, Eiern sowie in zahlreichen Tieren, wie z.b. Hummer, in verschiedenen Fischsorten und Muscheln. Durch ihre weite Verbreitung und Problemlosigkeit hinsichtlich der Toxizität bieten sich Carotinoide als Zusatz zu Lebensmitteln geradezu an. Dem β-carotin kommt grosse Bedeutung zu, weil es im Körper des Menschen durch ein Enzym in zwei Moleküle Retinal gespalten wird, die anschliessend zu Retinol (Vitamin A) reduziert werden. Der menschliche rganismus kann Vitamin A nicht produzieren, sodass er auf die Zufuhr von β-carotin angewiesen ist. Weil Vitamin A (wichtig im Sehprozess; Abschnit 1.5) aus β-carotin entsteht, nennt man dieses auch Provitamin A. Der bevorzugte Depotort von Vitamin A ist die Leber, es ist aber auch in Milch, Eiern und dem Blutplasma enthalten. β-carotin ist das häufigste Carotinoid im Pflanzen- und Tierreich. Sehbehinderung und Blindheit lassen sich durch prophylaktische Verabreichung hoher Dosen von Vitamin A an Vorschulkindern verhindern. Patienten, die unter Juckreiz, Brennen, Rötung und Schwellung der dem Sonnenlicht ausgesetzten Haut leiden, kann man mit ß-Carotin behandeln (Fotosensibilisierung der Haut). Die Therapie bewirkt aber keine Heilung der Krankheit, sondern nur ein Abklingen der Symptome. 6

7 β-carotin Spaltung H 3 C CH 3 CH 3 CH 3 H 3 C CH 3 CH 3 CH 3 Reduktion H CH 3 CH 3 Retinal Retinol (Vitamin A) Abb. 1.2 Umwandlung von β-carotin in Retinol ß-Carotin wird im Körper von Milchkühen nicht in Vitamin A umgewandelt, sondern im Milch- und im Körperfett deponiert. ß-Carotin gibt man als Farbstoff zu Getränken, Beutelsuppen, Butter, Käse, Joghurt, Speiseeis, Kaffee, Cremen, Puddings, Sirup, Konditoreiprodukten, Teigwaren und anderen Eierprodukten. Crocetin (Safran) als Farbstoff oder als Gewürz aus Safran zu gewinnen ist sehr teuer, weil seine Produktion äusserst arbeitsintensiv ist. Die Stempel der Blüten, die das Gewürz liefern, müssen einzeln von Hand ausgerissen werden. Aus mehreren tausend Stempeln lassen sich nur wenige Gramm Crocetin gewinnen. Die Safranpflanzungen von Mund im Wallis (Schweiz) liefern jährlich auf einer Fläche von 4750 m 2 nur etwa 1 kg Safran. In früheren Zeiten hatten Geflügelzucht und Eierproduktion ihren Platz im Freien auf dem Bauernhof. Damit war eine Fütterung mit viel faser- und carotinoidhaltigem Frischfutter (Maiskörner, grünes Gras) verbunden. Da die Tiere nicht unter Wachstumsstress standen (langsameres Wachstum und weniger Eier), fanden sie in der Nahrung genügend Carotinoide, um Fleisch und Eier zu färben. Heutige Geflügelzucht und Eierproduktion sind verbunden mit Stress und proteinreicher, faserarmer Nahrung. Letztere enthält viel weniger Carotinoide als faserhaltiges Futter. Durch den Wachstumsstress lagern die Tiere geringere Mengen an Carotinoiden im Körper ein. Dies führt dazu, dass die Farbe der Produkte fahl ist. Deshalb werden 7

8 heute der Geflügelnahrung Carotinoide beigemengt. Man verwendet dabei entweder stabilisierte synthetische Carotinoide oder Extrakte aus natürlichen Produkten. Auch in Gefangenschaft gehaltene Vögel oder Fische verlieren meist ihre glanzvolle gelbe bis rote Farbe, wenn dem Futter nicht genügend Carotinoide beigemengt sind, weil die Nahrung in Gefangenschaft sich meist grundsätzlich von derjenigen in Freiheit unterscheidet. Das Gefieder von Flamingos erhält durch Canthaxanthin seine schöne rosarote Farbe. Werden die Tiere schlecht gefüttert, verschwindet sie, die Flamingos werden sehr blass bis weiss. Auch Goldfische benötigen Carotinoidzugaben zum Futter. Aufgrund ihres weitverbreiteten Vorkommens, ihrer Lichtschutzfunktion in Pflanzen und der Provitamin-A-Wirkung von ß-Carotin wurde und wird der mögliche Einsatz von Carotinoiden in der Medizin untersucht. Carotinoide vermindern z.b. die Anfälligkeit gegenüber Hautkrebs. Tierversuche haben die Schutzwirkung vor chemisch induziertem und lichtinduziertem Hautkrebs gezeigt. 1.4 Wann sind Stoffe farbig? Sichtbare elektromagnetische Strahlung, die in unser Auge fällt, bezeichnen wir als "Licht". Dieses umfasst einen kleinen Ausschnitt aus dem grossen Bereich der elektromagnetischen Wellen und kann durch ein Prisma in die verschiedenen Wellenbereiche zerlegt werden, die der Mensch als Farben - Spektralfarben - empfindet. Die Spektralfarben lassen sich mit einer Sammellinse wiederum zu Weiss vereinigen. Die Farben zweier Lichtstrahlen, die zusammen weisses Licht ergeben, nennt man Komplementärfarben. Das Licht kann von einer Strahlungsquelle direkt, aber auch indirekt in unser Auge gelangen, und zwar indem es von der Materie zurückgestrahlt oder durchgelassen wird. Von einem farbigen Gegenstand wird aus dem weissen Licht ein Teil der auftreffenden Strahlung absorbiert (verschluckt). Nur der Rest wird remittiert (zurückgestrahlt) oder hindurchgelassen. Fällt er in das Auge des Betrachters, entsteht der farbige Eindruck. Eine bestimmte Farbe eines Gegenstands kann auf zwei Arten erzeugt werden: Entweder absorbiert er alle Farben ausser derjenigen, in der er selber erscheint. Beim Chlorophyll ist dies der Fall: Alle Farben, mit Ausnahme des grünen Lichts, werden absorbiert. Die andere 8

9 Art, einen Farbeindruck zu erzeugen, ist weiter verbreitet: Ein farbiger Stoff absorbiert eine bestimmte Farbe und erscheint in der Mischung der remittierten Farben, der Komplementärfarbe. Ein Gegenstand, der violettes Licht absorbiert, ist für das menschliche Auge gelbgrün. Für den Sinneseindruck macht es keinen Unterschied, ob der Farbeindruck auf die erste oder die zweite Art entsteht. Ein Beispiel aus dem Garten soll dies illustrieren: Die rote Blüte und der grüne Stiel einer Tulpe unterscheiden sich durch den molekularen Aufbau der Gewebestruktur. So kommt es, dass die Blüte aus dem weissen Sonnenlicht den blaugrünen Bereich absorbiert. Sie entzieht dem Sonnenlicht einen Teil der Energie und remittiert nur den nicht verwendeten Teil der Strahlung, der für den Betrachter rot aussieht. Bei den Tulpenstielen ist es anders. Sie absorbieren ausser dem grünen Bereich das gesamte Spektrum des Lichts und erscheinen daher grün. Tabelle 1.1: Absorbiertes Licht und sichtbare Farbe Wellenlängenbereich des absorbierten Lichts [nm] Farbe des absorbierten Lichts beobachtete Farbe violett gelbgrün blau grünblau gelb orange blaugrün rot grün gelbgrün purpur violett gelb blau orange grünblau rot blaugrün Farbige Stoffe absorbieren bestimmte Anteile aus dem Sonnenlicht (Wellenmodell der Elektronen; diskrete Energiezustände). Die Substanzfarbe ist in den meisten Fällen die Komplementärfarbe der absorbierten Anteile. 9

10 Desaktivierung angeregter Moleküle Die von den Molekülen durch Lichtabsorption aufgenommene Energie kann durch ganz unterschiedliche Mechanismen wieder abgegeben oder verbraucht werden. Diese Vorgänge bezeichnet man als Desaktivierung. Es gibt folgende Möglichkeiten der Energieabgabe: a) Strahlungslose Desaktivierung durch Abgabe von Wärme Die aufgenommene Lichtenergie kann in Schwingungs- und Rotationsenergie der Moleküle umgewandelt werden. Zusammenstösse zwischen den heftig schwingenden Molekülen mit Fremdmolekülen (z.b. den Molekülen eines Lösemittels) führen zur Energieübertragung und somit zur Desaktivierung. Die aufgenommene Lichtenergie wird also in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben. Man bezeichnet diese Art der Energieabgabe als strahlungslose Desaktivierung. Die meisten farbigen Substanzen geben die aufgenommene Energie auf diese Weise ab. b) Desaktivierung durch Abstrahlung von Licht, d.h. durch Fluoreszenz oder Phosphoreszenz Die aufgenommene Lichtenergie kann auch durch Abstrahlung von Licht wieder abgegeben werden. Dabei unterscheidet man zwischen zwei Möglichkeiten der Emission: - Die Lichtemission erfolgt rasch, d.h. die Lichtabstrahlung ist nur gleichzeitig mit der Lichtabsorption zu beobachten. Diese Art der Lichtemission nennt man Fluoreszenz. - Die Lichtemission erfolgt sehr langsam, bisweilen unter minutenlangem Nachleuchten. In diesem Zusammenhang spricht man von Phosphoreszenz. c) Desaktivierung durch Sensibilisierungsvorgänge, d.h. durch Energieübertragung auf andere Moleküle Die durch Lichtabsorption angeregten Moleküle können ihre überschüssige Energie auf andere Moleküle übertragen. Solche Anregungen bezeichnet man als Sensibilisierung, die primär absorbierenden farbigen Stoffe als Sensibilisatoren. Ein wichtiges Beispiel ist die Rolle des Chlorophylls bei der Fotosynthese. Die aufgrund von Sensibilisierungsmechanismen angeregten Moleküle können ihrerseits nach einem der unter a), b) oder d) beschriebenen Mechanismen desaktiviert werden. 10

11 d) Desaktivierung durch chemische Reaktionen Die aufgenommene Energie kann von den Molekülen farbiger Stoffe zur Durchführung chemischer Reaktionen verwendet werden, die unterschiedliche Reaktionsarten initiieren: - Bindungsspaltung: Die Energiebeträge von 146 bis 239 kj mol -1, die mit sichtbarem Licht aufgenommen werden, reichen aus, um kovalente Bindungen zwischen Atomen wie Br Br oder Cl Cl zu spalten. Mit UV-Licht der Wellenlänge λ = 300 nm (ΔE 400 kj mol -1 ) lassen sich sogar C C-Bindungen oder C H-Bindungen spalten (Tabelle 1.2 und 1.3). Tabelle 1.2: Energiegehalt E von elektromagnetischer Strahlung verschiedener Wellenlängen Wellenlänge λ in nm Energiegehalt E in kj mol -1 (Photonen) , , , , , , ,482 Tabelle 1.3: Bindungsenthalpien in kj mol -1 (Bindungen) H H 436 C H 413 C N 305 C C 348 Si H 318 C 358 Si Si 176 N H 391 C F 489 F F 159 P H 322 C Cl 339 Cl Cl 242 As H 245 C Br 285 Br Br 193 H 463 C I 218 I I 151 S H 367 Si F 586 S S 255 Se H 277 F 193 Te H 241 Cl 208 N N 945 F H 567 = 498 Cl H 431 C = * 820 C = C 594 Br H 366 C N 891 C C 778 I H 298 * im C 2 - Isomerisierungen: Lichtabsorption bei tiefen Temperaturen kann Isomerisierungen zu energiereicheren Konstitutionsisomeren bewirken, die bei Raumtemperatur instabil oder metastabil sind. 11

12 Als Beispiel sei die Bildung von Benzol-Isomeren genannt: Dewarbenzol, Benzvalen, Prisman. Derivate dieser hochgespannten Ringsysteme können durch Bestrahlung geeigneter Benzolderivate mit Licht spezieller Wellenlänge synthetisiert werden. Abb. 1.3 Bildung von Dewarbenzol, Benzvalen und Prisman aus Benzol durch Isomerisierung Reaktionen dieser Art gehören in das wichtige Gebiet der Fotochemie. Desaktivierung a) Strahlungslose Desaktivierung durch Abgabe von Wärme M* M b) Desaktivierung durch Abstrahlung von Licht, d.h. durch Fluoreszenz und Phosphoreszenz M* M E E' = h h f.ν c) Desaktivierung durch Sensibilisierungsvorgänge, d.h. durch Energieübertragung auf andere Moleküle a) M* + S M + S* b) d) 12

13 d) Fotochemische Prozesse - Dissoziation (Spaltung) von Bindungen E A B A + B.. E z.b.. + Br Br Br. Br - Isomerisierung (siehe oben) Abb. 1.4: Desaktivierungsmechanismen angeregter Moleküle 1.5 Der Sehvorgang Beim Sehvorgang nehmen unsere Augen elektromagnetische Strahlung auf, die eine entsprechende Quelle ausgesandt hat. Der zeitliche Ablauf beim Entstehen des Sehvorgangs ist jedoch wegen der hohen Geschwindigkeit des Lichts für den Menschen nicht bemerkbar. Das Auge ist ein optisches System. Es hat die Aufgabe, sichtbare Strahlung auf die Netzhaut zu richten. Die Rezeptoren (Stäbchen und Zapfen) nehmen den physikalischen Reiz (Lichtreiz) auf und formen ihn in eine physiologische Erregung um, die sie anschliessend über Nervenfasern in den Sehnerv und von diesem zum Gehirn leiten. Dort wird die Erregung in eine Empfindung und diese in bewusstes Sehen umgewandelt. Die Linse des Auges lässt die elektromagnetischen Wellenlängen zwischen 380 nm (1 Nanometer = 10-9 m) und 760 nm hindurch. Wegen ihrer veränderlichen Krümmung ist sie in der Lage, verschieden weit entfernte Gegenstände nacheinander scharf auf die Netzhaut zu projizieren. Die wichtigsten Bestandteile der Netzhaut, die Rezeptoren, sind Stäbchen (etwa 100 Millionen im menschlichen Auge) und Zapfen (etwa 3 Millionen). Die Stäbchen nehmen ausschliesslich Helligkeitsunterschiede wahr und sind vor allen Dingen dann von Bedeutung, wenn nur sehr wenig Beleuchtung vorhanden ist ("Dämmerungssehen"). Farbunterschiede sind mithilfe der Stäbchen nicht zu erkennen. So wird verständlich, dass man nachts bei spärlicher Mondbeleuchtung keine Farbunterschiede wahrnehmen kann, da bei dem geringen vorhandenen Licht nur noch die Stäbchen in Funktion sind. Die Stäbchen sind gefüllt mit einer Flüssigkeit, dem "Sehpurpur" (Rhodopsin). Es handelt sich bei dieser Substanz um den an ein Eiweissmolekül (psin) gebundenen Carotinoidfarbstoff Retinal (den Aldehyd des Retinols, also einen Verwandten des Vitamins A), der unter Einwirkung von Licht chemisch verändert wird. 13

14 Die Zapfen sind auf helles Licht angewiesen und können unterschiedliche Farben wahrnehmen. Man unterscheidet drei verschiedene Arten von Zapfen, die entweder rotes, grünes oder blaues Licht besonders stark absorbieren und entsprechende Signale zum Gehirn senden: - Sensoren, die maximal auf blaues Licht ansprechen (λ max bei 450 nm), - Sensoren, die besonders für grünes Licht empfindlich sind (λ max bei 550 nm), - Sensoren, die insbesondere auf rotes Licht ansprechen (λ max bei 620 nm). In den Zapfen ist ebenfalls Retinal an psin-moleküle gebunden, wobei sich in den drei Zapfenarten die psin-moleküle geringfügig unterscheiden. Auf diesen Unterschieden beruht die verschiedene Wellenlängenempfindlichkeit. Abb. 1.5 Spektren der drei Farbzentren eines Normalbeobachters Lichteinfall bewirkt in den Stäbchen und Zapfen eine Formveränderung des Retinal- Moleküls, die gleichzeitig die Raumstruktur des psin-moleküls beeinflusst. Dabei wird ein Signal ausgelöst, das am optischen Nerv entlang in das Gehirn gelangt. Die Bindung des Retinal-Moleküls an das Eiweiss-Molekül löst sich und an anderer Stelle der Netzhaut verwandelt sich das Retinal-Molekül in die ursprüngliche Form zurück; damit kann es sich wieder an das psin-molekül binden. 14

15 Retinal vor Belichtung Retinal nach Belichtung Abb. 1.6 Isomerisierung durch Lichteinfall. 4-cis-Retinal wird durch Lichteinfall zu all-trans- Retinal Abb. 1.7 Immonium-Salz des 4-cis-Retinals H N psin Das Spektralfotometer Um die Absorption eines Stoffs quantitativ zu erfassen, verwendet man ein Spektralfotometer. Zur experimentellen Ermittlung der Extinktion (Auslöschung) E λ wird die Lösung einer Substanz S von einer Lichtquelle L mit Licht der Intensität I 0 durchstrahlt. Für die Intensität von absorbierten Anteilen I a und von durchgelassenen Anteilen I d gilt die oben genannte Beziehung: I 0 = I d + I a. Misst man Lösungen, so muss man zuerst das Lösemittel als Hintergrund registrieren, damit allfällige Absorptionen dieses Stoffs als Nulllinie verrechnet werden. Abb. 1.8 Schematische Darstellung der Funktionsweise eines Spektralfotometers 15

16 Das von einer Lichtquelle ausgehende Licht durchläuft ein Prisma, wobei eine Wellenlänge nach der anderen durch einen Spalt auf die Probe geschickt wird. Die Intensität des auf den Detektor auftreffenden Lichts wird in Relation zur Intensität des eingestrahlten Lichts ausgewertet. Abb. 1.9 Schematische Darstellung des Aufbaus eines Spektralfotometers Die Auswertung der Messungen erfolgt mithilfe einer grafischen Darstellung (Spektrum), in der die Wellenlänge gegen die Extinktion aufgetragen wird. Sie ist ein Mass dafür, wie stark Licht von einer Probe absorbiert wird. Die Extinktion ist definiert als Logarithmus zur Basis 10 des Verhältnisses Lichtintensität vor der Probe zu Lichtintensität nach der Probe: E λ = log(i 0 /I d ). Auf der x-achse des Spektrums der Abb ist die Extinktion aufgetragen, auf der y-achse die Wellenlänge. Der Stoff, 11-Phenyl-undecapentaenal (Pentaenal), absorbiert maximal bei 400 nm, das gesamte sichtbare Licht mit Wellenlängen über 480 nm wird nicht absorbiert. Die Farbe der gemessenen Lösung ist gelbgrün, absorbiert wird also die Komplementärfarbe violett. Abb Spektrum von 11- Phenylunde-capentaenal (Pentaenal,) in Dichlormethan gelöst 16

17 Man findet bei Molekülen keine Linienspektren, sondern mehr oder weniger breite Banden, welche häufig die Form von Glockenkurven aufweisen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass es neben der Anregung von Elektronen auch noch zur Anregung von Schwingungen und Rotationen des Moleküls kommt. 1.7 Übungen mit Lösungen zum Kapitel 1 Übungen 1.1 Nennen Sie 2 Beispiele von natürlich vorkommenden farbigen Stoffen. 1.2 Wie viele verschiedene Zonen lassen sich im Chromatogramm der acetonischen Lösung von Paprika unterscheiden? Wie lässt sich diese Tatsache erklären? 1.3 Welche Gemeinsamkeit besitzen die Moleküle der Carotinoide und worin unterscheiden sie sich? 1.4 Worin besteht der Unterschied zwischen Zapfen und Stäbchen? 1.5 Weshalb können die Zapfen Licht unterschiedlicher Wellenlängen absorbieren? 1.6 a) Wie heisst die Farbstoffgruppe, die Sie aus dem Paprikapulver extrahiert haben? b) Nennen Sie 2 wichtige Vertreter der Gruppe und ihre Herkunft. c) Überlegen Sie, welche chemische Struktur für die Farbigkeit der Stoffe verantwortlich ist. 1.7 a) In welchem Wellenlängenbereich absorbiert ein violetter Farbstoff? b) Welche Komplementärfarbe muss man range zuordnen? 1.8 Beschreiben Sie kurz den Prozess des Sehens. Lösungen 1.1 Chlorophyll, Safran, Indigo, Hämoglobin. 1.2 Man kann bis zu 17 Zonen unterscheiden. Das heisst, dass in dem Extrakt aus Paprikapulver nicht nur ein Farbstoff vorkommt, sondern ein Gemisch aus mehreren Farbstoffen, die sich in der chemischen Struktur voneinander unterscheiden. 1.3 Alle Moleküle besitzen ein Grundgerüst mit konjugierten Doppelbindungen; ihre Endgruppen hingegen sind verschieden. 1.4 Die Zapfen können unterschiedliche Farben aus dem hellen Licht wahrnehmen. Die Stäbchen nehmen ausschliesslich Helligkeitsunterschiede wahr. 1.5 In den drei Zapfenarten unterscheiden sich die an das Retinal gebundenen psin- Moleküle. Dies ergibt verschiedene Wellenlängenempfindlichkeiten. 17

18 1.6 a) Die Farbstoffgruppe nennt man Polyene. Zu der Gruppe gehören die Carotinoide, die Sie aus dem Paprikapulver extrahiert haben. b) ß-Carotin z.b. in Karotten, Paprika, Milch. Fucoxanthin in Meeresalgen; es ist das häufigste Carotinoid in der Natur (Biomasse der Algen!) c) Die Anzahl der Doppelbindungen und die verschiedenen funktionellen Gruppen an den Enden des Farbstoffmoleküls. 1.7 a) Ein violetter Farbstoff absorbiert zwischen 560 und 580 nm. b) Die Komplementärfarbe von range ist Grünblau. 1.8 Der signalaufnehmende Abschnitt der Netzhaut ist die Schicht der Rezeptoren (Stäbchen und Zapfen). In den Fotorezeptoren sind die sog. Sehfarbstoffe eingelagert, welche die Umwandlung von Lichtreizen in neuronale Impulse vermitteln. Die Sehfarbstoffe sind lichtempfindliche Verbindungen, die bei Lichtabsorption ihre chemische Struktur ändern. Die Impulse werden weiter ins Gehirn weitergeleitet und führen zum Sinneseindruck Sehen. 18