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Computergestützte Experimente - Messung: Absorption

Farbstoffe
Lichtabsorption des Cyanidins

Ziel: Ermittlung der Absorptionsmaxima des Cyanidins und seiner Metallkomplexe

Peter Keusch



Messwerterfassung und Auswertung der Messdaten mit dem Programm "Messen und Auswerten"
und dem Analog-Digital-Wandler CASSY-E


English version





Chemikalien:
Ethanol 96 %
1 N HCl
0.1 N Aluminium(III)chlorid - Lösung
0.01 N Eisen(III)nitrat - Lösung
0.5 %ige NH3 - Lösung

Geräte und Glaswaren:
Fotometer mit Schreiberausgang: Spectronic 20 Bausch & Lomb
Rundküvetten (Spectronic)


Gefahren und Sicherheitsmaßnahmen:

Ethanol ist leicht entzündlich.

Schutzbrille, Schutzhandschuhe und gute Raumdurchlüftung erforderlich.


Versuchsdurchführung:

Den Blütenblättern zweier roter Rosen wird mit 50 mL Ethanol der Farbstoff entzogen. Jeweils 5 mL des filtrierten Extraktes pipettiert man in vier Reagenzgläser. Die Lösung im ersten Reagenzglas dient als Referenzlösung. Die Lösungen in den anderen drei Reagenzgläsern werden tropfenweise mit 1 N HCl versetzt bis eine intensive Rotfärbung auftritt. In das dritte Reagenzglas werden tropfenweise 0.5%ige NH3-Lösung zugefügt bis sich die Lösung blau färbt. Die vierte Lösung versetzt man mit Eisen(III)-nitrat- bzw. Aluminium(III)-chlorid-Lösung.


Foto
Abb. 1:   Extrakt (1)   Extrakt versetzt mit HCl (2)    Extrakt versetzt mit HCl und NH3 (3)
Extrakt versetzt mit HCl und AlCl3-Lösung (4)



Spectronic 20 (Download) verfügt über einen analogen Ausgang an der Unterseite des Gerätes. Dieser ist an den Steckplatz B des Interface angeschlossen.

Das Fotometer wurde so konzipiert, dass bei einer Transmission von 100 % das analoge Signal an seinem Ausgang 1 Volt beträgt; sofern das Fotometer 0 % Transmission zeigt, ist die Ausgangsspannung 0 Volt.

Anpassung des Programms 'Multimeter':







- Im Programm  "Messen und Auswerten"  wird das Unterprogramm  "Multimeter"   aktiviert, im Untermenü  <F3 > 'Meßgrößen auswählen®Kanal B neu wählen'   als Messgröße  'Spannung DC'   gewählt und unter   <F4> 'Automatik / Param. / Formel ® Parameter eingeben'   als Name des Parameters   Wellenlänge , als physikalisches Symbol   I  und als physikalische Einheit   nm  fixiert.
- Unter  "Formel eingeben"  wird als physikalisches Symbol  E  festgesetzt, die Anzahl der Nachkommastellen mit   4  angegeben und gemäß  E = 2 - logU·100  der Formelansatz   E (n, l, U) =   mit   - lnU / ln10 ergänzt  (Abb. 2).



Abb. 2: Menuscreen - Anpassung des Programms 'Multimeter'


Messung: Nachdem die Wellenlänge gewählt wurde und das Fotometer auf Null abgeglichen ist, wird in den Küvettenhalter eine mit Wasser gefüllte Küvette plaziert. Den Zeiger des Messinstruments stellt man bei geschlossenem Strahlengang auf die Transmission T = 100 % bzw. auf die Extinktion E = 0 ein. Auf dem Messbildschirm wird eine Spannung von ca 1 V angezeigt. Nun ersetzt man die mit Wasser gefüllte Küvette durch eine Küvette, die zu 3/4 mit der Lösung des Farbstoffes gefüllt ist, betätigt Funktionstaste   <F1> , gibt die betreffende Wellenlänge ein und bestätigt den Meßwert mit   ¿ . Anschließend wird eine um 5 nm höhere Wellenlänge gewählt, das Fotometer wiederum mit einer mit destilliertem Wasser gefüllten Küvette versorgt, der Zeiger des Messinstruments auf die Tranmission T = 100 % geregelt und die Extinktion der Farbstofflösung bei der betreffenden Wellenlänge gespeichert.

Ehe die Messreihe gespeichert wird, beschriftet man unter   <F7>'Darstellung auswählen'  die x-Achse mit l  und die y1-Achse mit   E. Unter  'Optionen wählen'  sorgt man für eine Darstellung der Messpunkte als Kreuze.


Versuchsauswertung:

Ein direkter Vergleich der Messungen ist in einem Überlagerungsmodus möglich, der innerhalb der   <F8> 'Diskettenoperationen'®'Multigraphik ein'  aktiviert werden kann. Dabei lädt man die Messreihen einzeln ein, um sie dann im Hauptmenü unter   <F6>'Graphisch auswerten'   gemeinsam darstellen zu können. Durch Betätigen der Funktionstaste   <F3>  und Eingabe der Nummer des betreffenden Graphen wird eine Ausgleichskurve durch die Messpunkte gelegt (Abb. 2, 3).


Absorptionsspektrum
Abb. 2: Auswertungsbildschirm
Cyanidinchlorid:  lmax = 375nm / 530 nm  (1)      Anhydrobase (Anion):  lmax = 375 nm / 560 nm  (2)


Absorptionsspektrum
Abb. 3: Auswertungsbildschirm
Cyanidinchlorid: lmax = 375nm / 530 nm  (1)      Eisenkomplex:  lmax = 535 nm  (2)
Aluminiumkomplex:   lmax = 560 nm  (3)


Deutung des Versuchsergebnisses:

·   Die Stoffgruppe der Anthocyane lässt sich in die zuckerfreien Anthocyanidine (Aglykone) und die Anthocyane (Glykoside) unterteilen. Anthocyane sind Pflanzenfarbstoffe, lokalisiert in der Zellvakuole. Sie bedingen die roten, violetten und blauen Färbungen vieler Blüten und Früchte. Als Ringskelett enthalten sie das Flaven (2-Phenyl-chromen) und liegen entweder als 3- oder 3.5-Glykoside vor  (1).


·   Durch Säuren werden die Anthocyane in die betreffenden Zucker und die eigentlichen Farbstoffkomponenten (Anthocyanidine) gespalten. Bei der sauren Hydrolyse entstehen Flavyliumsalze (Oxoniumsalze), deren Kationen mesomeriestabilisiert sind  (2).



·   Cyanidin, Paeonidin und Pelargonidin stellen die in Rosen gefundenen Cyanidine dar.



·   Während die mineralsauren Salze der Anthocyanidine mehr oder weniger rot gefärbt sind, so das vorliegende Cyanidinchlorid, zeigen die bei der Reaktion der Oxoniumsalze mit Hydroxidionen entstehenden Anthocyanidistrukturen violette bis blaue Farbtöne  (4).



Strukturen des Cyanidins in wässeriger Lösung unter variierenden pH-Bedingungen





Abbau des Cyanidins


·   Der pH-Wert beeinflusst im wässerigen Milieu die Farbe der Anthocyane. Bei niedrigen pH-Werten dominiert das rote Flavyliumkation. Nur in einem pH-Bereich von 1-3 isr das Benzopyrilium-Kation stabil. Eine Erhöhung des pH-Wertes ist mit einer Abnahme sowohl der Farbintensität als auch der Flavyliumkation-Konzentration verbunden. Aufgrund des nukleophilen Angriffs des Wassers auf die Position 2 des Chromophors wird das konjugierte 2-Benzopyrilium-System unterbrochen und eine farblose Carbinolbase (Chromenol) gebildet. Sobald der pH-Wert höher steigt, wird das Gleichgewicht unter raschem Protonenverlust des Flavyliumkation zugunsten der chinoiden Anhydrobase bzw. deren Anions verschoben. Die Lösung erscheint violett bzw. dunkelblau  (4).  Ist ein pH-Wert von 8 überschritten, öffnet sich der zentrale Pyranring und es entsteht das gelbliche Chalkon. Werden die alkalischen Lösungen der Anthocyanidine mit Säure versetzt, verschiebt sich das Gleichgewicht wieder auf die Seite des roten Flavyliumkations. Liegen jedoch aufgrund des hohen pH-Wertes bereits Chalkonanionen vor, ist eine Regeneration der roten Farbe nicht mehr möglich.Das Chalkon lagert sich durch Keto-Enol-Tautomerie in ein a - Diketon. Die Spaltung des Chalkons führt schließlich zur Bildung einer Carbonsäure (substituierte Benzoesäure) und eines Hydroxyaldehyds (2,4,6-Trihydroxybenzaldehyd)  (5).


·   Anthocyanudine, die im B-Ring orthoständige freie Hydroxyl-Gruppen besitzen, bilden mit Al3+ und Fe3+-Ionen stabile tief purpurfarbene Komplexe. Obschon in Rosen Aluminium-Komplexe nicht nachweisbar sind, zeigt obiges Experiment, das auch in den Blüten der Rose vorliegende Anthocyanidine Al3+ komplexieren.



Aluminum-Komplex des Cyanidin-3-Glucosids



Hinweise:
Experimente in Projektion   Anthocyane als pH-Indikatoren und Komplexbildner
  Demonstrationsexperiment auf Video   Blaukraut oder Rotkraut?
  Demonstrationsexperiment auf Video   Reaktion von Backtriebmitteln mit Inhaltsstoffen des Malventees
Les anthocyanes


Liste der CASSY-Experimente