Auxochrome Gruppen

Wie du vielleicht schon weißt, bestehen Farbstoffe aus einem Chromophor. Das ist meist ein System aus konjugierten Doppelbindungen, welches für die Erzeugung der Farbigkeit verantwortlich ist. Häufig werden jedoch noch weitere Substituenten am Chromophor benötigt, damit diese erzeugte Farbigkeit verstärkt wird. Diese funktionellen Gruppen am Chromophor sind auxochrome Gruppen.

Die Fragen, was auxochrome Gruppen sind, wie die auxochromen Gruppen auf das Chromophor wirken, und, was der bathochrome Effekt ist, werden dir nun beantwortet.

Auxochrome Gruppen – Definition

Farbstoffe bestehen aus einem Chromophor. Das Chromophor ist eine Gruppe von Atomen oder Ionen, die den Farbstoffen Farbigkeit verleiht. Meistens besteht ein Chromophor aus mehreren konjugierten Doppelbindungen. Durch dieses Chromophor haben Farbstoffe ein Absorptionsmaximum im sichtbaren Bereich oder auch UV-Bereich.

Auxochrome Gruppen sind funktionelle Gruppen, die an das Chromophor gebunden sind. Diese auxochrome Gruppen versetzen das Absorptionsmaximum des Chromophors in einen Bereich des Lichtspektrums, der langwelliger oder kurzwelliger ist. Die Farbigkeit des Chromophors verändert sich durch diesen Effekt.

Sofern das Absorptionsmaximum des Chromophors im UV-Bereich liegt und somit für das Auge des Menschen nicht sichtbar ist, kann eine Farbe ausgelöst werden.

In den häufigsten Fällen wird das Absorptionsmaximum des Chromophors in eine Zone des Lichtspektrums, welches langwelliger ist, versetzt. Dieser Vorgang wird als bathochromer Effekt bezeichnet.

Abbildung 1: Verschiebung des Absorptionsmaximums durch den bathochromen Effekt

Neben dem bathochromen Effekt gibt es noch weitere Effekte im Zusammenhang mit der Absorption von Licht. Der hypsochrome Effekt ist eine Verschiebung des Absorptionsmaximums in einen kurzwelligeren Bereich des Spektrums. Im Verlauf des Artikels lernst du diesen Effekt genauer kennen.

Des Weiteren existieren der hyperchrome und hypochrome Effekt. Vereinfacht gesagt, absorbiert beim hyperchromen Effekt der Farbstoff mehr Licht, sodass es zu einer verstärkten Intensität des Extinktionssignals kommt. Beim hypochromen Effekt kommt es zu einer verminderten Absorption und daher zu einem schwächeren Extinktionssignal im Absorptionsspektrum.

Damit du die Effekt besser einordnen kannst, siehst du hier ein Absorptionsspektrum. Auf der x-Achse ist die Wellenlänge des Lichts sichtbar und auf der y-Achse siehst du Extinktion.

Abbildung 2: Übersicht der Effekte auf ein Absorptionsmaximum

Auxochrome Gruppen erkennen

Im Folgenden Abschnitt wird dir erklärt, wie du Auxochrome Gruppen erkennst und welche Funktionsweisen diese haben.

Funktionsweise der auxochromen Gruppen

Auxochrome Gruppen sind funktionelle Gruppen mit freien Elektronenpaaren, welche als sogenannte Elektronendonatoren wirken. Denn diese auxochromen Gruppen können ihre Elektronenpaare über einen +M-Effekt mit dem Chromophor des Farbstoffs teilen. Das bedeutet, dass die auxochromen Gruppen ihre Elektronenpaare über Mesomerie dem Chromophor bereitstellen.

Die freien Elektronenpaare der auxochromen Gruppen sind somit über Mesomerie delokalisiert. Diese delokalisierten Elektronenpaare bewirken den bathochromen Effekt, sodass das Chromophor des Farbstoffs eine energieärmere, langwelligere Strahlung absorbiert.

Diese Lichtstrahlung regt den Farbstoff an. Es kommt eine Farbigkeit beim Farbstoff zustande. Der bathochrome Effekt kann die Farbigkeit des Chromophors durch den Substituenten verstärken.

Es gibt jedoch auch Gruppen ohne freies Elektronenpaar, die dennoch als auxochrome Gruppen fungieren. Diese Substituenten des Chromophors können einen +I-Effekt ausüben. Dieser +I-Effekt hat eine vergleichbare Wirkung auf das Chromophor. Die Wirkung auf das Chromophor des Farbstoffs ist jedoch weniger stark ausgeprägt.

Auxochrome Gruppen – Tabelle

In der folgenden Tabelle siehst du einige Beispiele für auxochrome Gruppen, die mit dem Chromophor der Farbstoffe verbunden sein können. Dazu wird auch die Wirkung auf das Chromophor, die von diesen Substituenten ausgeht, beschrieben.

Auxochrome Gruppen – Beispiele

Damit du die Funktionsweise der auxochromen Gruppen besser verstehst, werden nun zwei Beispiele erläutert. Das erste Beispiel ist Pikrinsäure. Pikrinsäure liegt in der Form von gelben Kristallen vor und hat diese Strukturformel:

Abbilldung 3: Pikrinsäure

Es ist erkennbar, dass Pikrinsäure einen aromatischen Ring besitzt. Dieser aromatische Ring bildet das Chromophor. Die Hydroxygruppe, welche an das Chromophor als Substituent gebunden ist, ist eine auxochrome Gruppe. Der Sauerstoff der Hydroxygruppe hat zwei freie Elektronenpaare, die über Mesomerie mit dem Chromophor geteilt werden können. Es liegt ein +M-Effekt vor und es kommt zum bathochromen Effekt.

Abbildung 4: Die Hydroxygruppe der Pikrinsäure übt einen +M-Effekt auf das Chromophor aus

Ein weiteres Beispiel ist der Farbstoff Anilingelb, welcher eine gelbe bis orange Farbe besitzt. Die Struktur des Farbstoffs sieht wie folgt aus:

Abbildung 5: Der Farbstoff Anilingelb

Anilingelb ist ein Azofarbstoff. Die aromatischen Ringe sowie die Azogruppe dienen hierbei als Chromophor. Die Aminogruppe ist eine auxochrome Gruppe. Die Wirkung der Aminogruppe basiert auf einem +M-Effekt, da diese funktionelle Gruppe ein freies Elektronenpaar besitzt. Somit kommt es zum bathochromen Effekt.

Abbildung 6: Die Aminogruppe in Anilingelb übt einen +M-Effekt auf das Chromophor aus

Auxochrome und antiauxochrome Gruppe

Neben auxochromen Gruppen gibt es auch antiauxochrome Gruppen, die an das Chromophor als Substituent gebunden sein können. Antiauxochrome Gruppen sind funktionelle Gruppen, die selbst keinen bathochromen Effekt auslösen. Sie können diesen beim Chromophor jedoch vergrößern. Der Grund liegt im -M-Effekt oder -I-Effekt der Substituenten, der auf das Chromophor ausgeübt wird.

Über einen -M-Effekt werden Elektronen aus dem mesomeren System des Chromophors gezogen. Somit unterstützen antiauxochrome Gruppen das System der delokalisierten Elektronen und erhöhen somit die Auswirkungen des bathochromen Effekts.

Hypsochrome bilden eine Unterkategorie der Antiauxochrome. Funktionelle Gruppen, die eine -I-Effekt ausüben, sind Hypsochrome. Hypsochrome ziehen als Substituenten Elektronen aus dem konjugierten Doppelbindungssystem heraus, da sie eine hohe Elektronegativität haben.

Der -I-Effekt hat eine etwas weniger stark ausgeprägte Wirkung auf das Chromophor als der -M-Effekt. Beispiele für Hypsochrome sind Halogene wie Brom oder Chlor.

Die Wirkung von Hypsochromen kann anhand der Farbstoffe Indigo und Purpur verdeutlicht werden. Der Farbstoff Indigo ist eine aromatische Verbindung, welche eine blaue Farbigkeit aufweist. Purpur ist ein violetter Farbstoff, der nahezu die gleiche Strukturformel wie Indigo hat. Der entscheidende Unterschied zwischen den beiden Farbstoffen liegt darin, dass zwei Wasserstoff-Atome durch Brom-Atome ausgetauscht wurden. In Abbildung 5 siehst du die Strukturformeln von Indigo und Purpur.

Abbildung 7: Die Farbstoffe Indigo und Purpur

Die Brom-Atome im Farbstoff Purpur bewirken, dass das Absorptionsmaximum des Farbstoffs in einen Bereich des Lichtspektrums verschoben wird, der kurzwelliger ist. Grund ist der -I-Effekt der beiden Brom-Atome, der auf das Chromophor ausgeübt wird.

Antiauxochrome Gruppen – Beispiele

In der nachfolgenden Tabelle siehst du einige Beispiele für antiauxochrome Gruppen.