Select your language

Suggested languages for you:
Log In Anmelden
StudySmarter - Die all-in-one Lernapp.
4.8 • +11k Ratings
Mehr als 5 Millionen Downloads
Free
|
|

Die All-in-one Lernapp:

  • Karteikarten
  • NotizenNotes
  • ErklärungenExplanations
  • Lernpläne
  • Übungen
App nutzen

Push Pull System Chemie

Save Speichern
Print Drucken
Edit Bearbeiten
Melde dich an und nutze alle Funktionen. Jetzt anmelden
Push Pull System Chemie

Hast Du schon mal was von goldener Milch gehört? Dabei handelt es sich um ein Trendgetränk mit dem intensiv gelben Gewürz Kurkuma als Hauptbestandteil. Kurkuma soll neben seiner Funktion als Gewürz auch besonders gesund sein. Das zu beurteilen, ist Aufgabe der Biochemie oder Medizinforschung. Die organische Chemie interessiert sich vielmehr dafür, woher Kurkuma seine goldgelbe Farbe hat.

Denn wie so häufig ist die Ursache dafür ein organisches Molekül. In diesem Fall handelt es sich um den Naturstoff Curcumin (Abbildung 1), dessen Farbigkeit von der charakteristischen organischen Struktur stammt. In stark sauren Lösungen verfärbt sich der Farbstoff ins Rötliche, sodass er sogar als Indikator verwendet werden kann.

Push Pull System – Bedeutung in der Chemie

Organische Farbstoffe bestehen in der Regel aus einem Kohlenwasserstoffgerüst mit einem für die Farbigkeit verantwortlichen Bereich, der Chromophor genannt wird. Daran siehst Du, dass nicht unbedingt das ganze Molekül für die Farbigkeit verantwortlich sein muss, wobei das allerdings häufig so ist.

Der angeregte Zustand – Ursache der Farbigkeit

Für die Farbigkeit eines organischen Chromophors sind die delokalisierten, also relativ locker gebundenen, π-Elektronen verantwortlich. Sie lassen sich mithilfe von Licht in einen angeregten Zustand versetzen. Dabei findet nach der Molekülorbitaltheorie (MO-Theorie) ein Übergang von einem bindenden π-Orbtial in ein antibindendes π*-Orbital statt. Für das menschliche Auge ist dann der reflektierte Anteil des elektromagnetischen Spektrums sichtbar, also die Komplementärfarbe zum absorbierten Licht.

Mit der Molekülorbitaltheorie kann die Elektronenstruktur von Molekülen beschrieben werden. Orbitale kannst Du Dir als eine Wolke lauter möglicher Punkte vorstellen, an denen sich ein Elektron aufhalten kann. Das einfachste Orbital, das s-Orbital, ist eine schlichte Kugel. In einzelnen Atomen besetzen die Elektronen sogenannte Atomorbitale. Nähern sich zwei Atome, um eine Bindung einzugehen, entstehen neue Molekülorbitale (MO).

Wenn Du mehr zum Thema Orbitalmodell lernen willst, schau Dir gern die Erklärung dazu an.

Wenn genug Energie (z. B. durch Erhöhung der Temperatur oder Bestrahlung mit Licht) da ist, können Elektronen vom bindenden ins antibindende MO übergehen. Durch die Größe und die vielen Elektronen im Molekül ist die Sache bei organischen Molekülen natürlich etwas komplexer.

Übergänge vom HOMO ins LUMO

Bei großen Molekülen sind nicht immer π-Orbitale die am höchsten besetzten Orbitale. Genauso verhält es sich mit den π*-Orbitalen, die nicht unbedingt die tiefsten unbesetzten Molekülorbitale sein müssen. Daher wird vereinfacht das höchste besetzte Molekülorbital, kurz HOMO (engl. Highest Occupied Molecular Orbital), und das tiefste unbesetzte Molekülorbital, kurz LUMO (engl. Lowest Unoccupied Molecular Orbital), betrachtet.

Der Grund dafür ist, dass in einem solchen konjugierten π-Elektronensystem viele π- und π*-Orbitale zusammenkommen, die sich energetisch nur leicht unterscheiden. Da die π-Elektronen ohnehin über das gesamte Chromophor delokalisiert sind, kannst Du Dich daher auf die HOMO-LUMO-Übergänge konzentrieren.


In Abbildung 3 siehst Du, dass die unteren Energieniveaus der HOMO mit Elektronen besetzt sind. Unter Besetzung eines solchen Orbitals niedriger Energie erhöht sich die Stabilität eines Moleküls. Die energetisch höher liegenden LUMO sind frei oder werden nur kurzzeitig besetzt.

Unter der Aufnahme der Energie einer bestimmten Wellenlänge kann ein Elektron in den angeregten Zustand versetzt werden, sodass ein LUMO besetzt wird.

Organische Chromophore

Organische Chromophore unterscheiden sich je nach Farbstoff und können mithilfe organischer Reaktionen verändert werden. Das ist einer der Gründe, warum in der Natur so viele verschiedene Farben vorkommen. Im Laufe der Evolution haben Tiere und Pflanzen ihre Farbstoffe unbewusst an bestimmte Situationen angepasst, um etwa besser überleben zu können. Das ist natürlich nicht von heute auf morgen, sondern über mehrere Jahrtausende passiert.

Auch an Deiner Haut kannst Du kurzfristige Änderungen in der Farbe feststellen. Du brauchst Dich dafür nur mal in die Sonne zu legen. Mit der Zeit wird Deine Hautfarbe immer dunkler. Die Ursache dafür ist die Bildung des Farbstoffs Melanin, der Dich beim nächsten Sonnenbad besser vor einem Sonnenbrand schützen soll. Je heller Dein Hauttyp ist, desto geringer ist die ursprüngliche Konzentration an Melanin in Deiner Haut.

Wenn Du mehr zur faszinierenden Welt der Chromophore lernen willst, schau doch einfach mal in unserer leicht verständlichen Erklärung zum Chromophor rein!

Im Labor können Chemiker*innen Chromophore über chemische Reaktionen anpassen, damit diese Licht einer bestimmten Wellenlänge absorbieren. Push-Pull-Systeme sind dabei besonders interessant, da es sich hier meistens um relativ kleine Moleküle handelt, die trotzdem im sichtbaren Bereich des Lichtspektrums absorbieren und daher für den Menschen farbig erscheinen.

Auxochrome Gruppen

Sobald die Struktur verändert wird, also beispielsweise eine neue funktionelle Gruppe an das ursprüngliche Chromophor geknüpft wird, verändert sich in der Regel auch die Farbe. Verschiebt sich die Absorption in Richtung längerer Wellenlängen, handelt es sich um eine auxochrome Gruppe. Die Veränderung im Absorptionsverhalten wird in diesem Fall auch als bathochromer Effekt (Rotverschiebung) bezeichnet. Durch diese Verschiebung ändert sich auch die vom menschlichen Auge wahrgenommene Farbe.

Auxochrome Gruppen entfalten ihre Wirkung am besten, wenn zusätzlich eine antiauxochrome Gruppe an das Chromophor geknüpft wird. Ansonsten wäre der bathochrome Effekt unter Umständen nicht stark genug ausgeprägt.

Wenn Du mehr zu diesem Thema wissen willst, bist Du hier goldrichtig. Du findest im Bereich Farbstoffe nämlich eine ganze Erklärung zu auxochromen Gruppen.

In bestimmten Fällen kann eine zusätzliche funktionelle Gruppe die Absorption auch zu kürzeren Wellenlängen verschieben. In dem Fall handelt es sich um den hypsochromen Effekt (Blauverschiebung). Chemiker*innen versuchen aber in der Regel, die Delokalisierung über einen größeren Raum zu erstrecken, weil die meisten Ausgangsmoleküle im UV-Bereich absorbieren. Daher werden die meisten Farbstoffe eher so synthetisiert, dass sie einen bathochromen Effekt haben.

Push Pull System Chemie: Der Effekt einfach erklärt

Wenn sowohl eine auxochrome als auch eine antiauxochrome Gruppe an ein Chromophor geknüpft sind, handelt es sich um ein sogenanntes Push-Pull-System.

Push-Pull-Systeme

Farbstoffe werden als Push-Pull-Systeme bezeichnet, wenn sie mindestens zwei funktionelle Gruppen (Auxochrome und Antiauxochrome) haben, die das delokalisierte π-Elektronensystem erweitern und die Elektronendichte erhöhen.

Ein Push-Pull-System hat eine stark veränderte Farbe im Vergleich zum ursprünglichen Chromophor ohne funktionelle Gruppen. Der Grund dafür sind funktionelle Gruppen, die die Elektronendichte zum delokalisierten π-Elektronensystem schieben, und andere, die sie aus dem Molekül herausziehen.

Daher werden auxochrome Gruppen auch Push-Gruppen und antiauxochrome Gruppen auch Pull-Gruppen genannt. Ihre ganze Wirkung entfalten sie häufig nur zusammen, da sie das delokalisierte π-Elektronensystem verlängern und die Elektronendichte erhöhen. Das Resultat ist ein stark bathochromer Effekt.

Warum aber wirken diese speziellen Molekülendungen derart auf das delokalisierte System ein? Um diese Frage beantworten zu können, ist die genauere Betrachtung funktioneller Gruppen nötig.

Mesomerer Effekt

Funktionelle Gruppen mit freiem Elektronenpaar können einen mesomeren Effekt auf das delokalisierte π-Elektronensystem eines Chromophors ausüben. Wie das funktioniert, kannst Du anhand der Mesomerie sehen.

Mit Mesomerie (auch Resonanz oder Konjugation) ist gemeint, dass in einigen Molekülen die π-Elektronen delokalisiert sind und es keine eindeutige Strukturformel gibt, sondern nur Grenzstrukturen. Wenn Du mehr zu diesem Thema lesen willst, kannst Du Dir gern die Erklärung dazu anschauen.

Wenn eine funktionelle Gruppe wie –OH als Substituent im Farbstoffmolekül untergebracht ist, vergrößert sich die Konjugation. Das bedeutet, die π-Elektronen sind also über einen größeren Raum verteilt, wie Du beim Umklappen der Elektronenpaare am Beispiel der gelben Pikrinsäure siehst:

Aber warum verschiebt sich die Absorption dadurch zu größeren Wellenlängen, also zu energieärmerer Strahlung? Der Grund dafür ist, dass bei längeren Molekülen weniger Energie zur Anregung benötigt wird. Mit anderen Worten: Die energetische Aufspaltung zwischen HOMO und LUMO ist geringer.

Ein kleinerer energetischer Unterschied führt dazu, dass auch die absorbierte Energie bei einer Anregung geringer ist. Die Absorption geringerer Energie entspricht wiederum einer größeren Wellenlänge im Lichtspektrum, wodurch ein bathochromer Effekt entsteht.

Da die –OH-Gruppe ein Elektronenpaar in das konjugierte π-Elektronensystem "schieben" kann, wird sie als Push-Gruppe bezeichnet. Sie verursacht einen sogenannten positiven mesomeren Effekt, kurz +M-Effekt. Hier siehst Du einige Gruppen mit einem +M-Effekt:

  • –O
  • –OH
  • –OR
  • –NH2
  • –NR2
  • –Ar (Arylgruppen wie z. B. die Phenylgruppe)
  • –Br, –Cl, –I, –F

Pull-Gruppen "ziehen" die Elektronendichte aus dem Chromophor. In diesem Fall ist das ein negativer mesomerer Effekt, kurz -M-Effekt. Beispiele für elektronenziehende Gruppen sind:

  • –COOR
  • –COOH
  • –CHO
  • –(CO)R
  • –CN
  • –NO2

Wenn ein Chromophor gleichzeitig durch eine Push- und eine Pull-Gruppe ergänzt wird, können die π-Elektronen über einen größeren Raum verteilt werden. Daher weisen Push-Pull-Systeme einen starken bathochromen Effekt (Absorption bei größeren Wellenlängen) auf.

Induktiver Effekt

Die unterschiedlich hohen Elektronegativitäten der gebundenen Atome verursachen außerdem einen induktiven Effekt.

Sieh Dir die Hydroxygruppe (–OH) als Beispiel an: Das Sauerstoffatom hat eine höhere Elektronegativität als Kohlenstoffatome. Ist die Hydroxygruppe am Chromophor, also direkt an ein Kohlenstoffatom geknüpft, übt sie eine elektronenziehende Wirkung aus.

In diesem Fall handelt es sich um einen negativen induktiven Effekt, kurz -I-Effekt. Du fragst Dich, warum Hydroxygruppen dann trotzdem elektronenschiebend wirken und die Elektronendichte erhöhen? Die Ursache dafür ist, dass der +M-Effekt in diesem Fall stärker ist als der -I-Effekt.

Bis auf Alkylreste (reine Kohlenwasserstoffreste, meist als –R abgekürzt) haben die meisten Substituenten einen -I-Effekt:

  • –OH
  • –OR
  • –NH2
  • –NR2
  • –NO2
  • –CN
  • –COOH
  • –Br, –Cl, –I, –F

In einigen Fällen ist der induktive Effekt stärker als der mesomere Effekt, wie Du am Beispiel von Indigo und Purpur sehen kannst. Indigo ist eine aromatische Verbindung, die für uns Menschen blau erscheint. Der Farbstoff Purpur hat eine ähnliche Struktur, allerdings ist seine Farbe aufgrund der Brom-Substituenten nicht blau, sondern violett. Der Grund dafür ist, dass die Brom-Substituenten wegen des -I-Effekts die Elektronendichte im Chromophor verringern. Funktionelle Gruppen mit -I-Effekt bewirken also eine Verschiebung zu kürzeren Wellenlängen (hypsochromer Effekt).

Wenn eine Pull-Gruppe mit -M-Effekt vorhanden wäre, könnte das mesomere System vergrößert werden, weil Brom-Substituenten einen +M-Effekt ausüben. Da aber keine vorliegt und die Elektronegativität von Brom so hoch ist, wird Elektronendichte aus dem Chromphor gezogen.

Push Pull System – Weitere Beispiele aus der Chemie

Sobald jeweils mindestens eine Push- und eine Pull-Gruppe an ein Chromophor geknüpft sind, handelt es sich um ein Push-Pull-System. Ein interessantes Beispiel sind Cyaninfarbstoffe, die jeweils an beiden Enden den gleichen Amino-Rest tragen. Aufgrund der Mesomerie handelt es sich um ein Push-Pull-System, obwohl die einzelnen Stickstoff-Gruppen normalerweise einen +M-Effekt ausüben.

Die doppelt gebundene Ammonium-Gruppe übt hier aber einen -M-Effekt aus, da sie eine positive Ladung trägt. So können Elektronen von links nach rechts über einen größeren Raum verteilt werden, wodurch ein bathochromer Effekt entsteht.

Push Pull System Chemie – Das Wichtigste

  • Push-Pull-Systeme sind Farbstoffe, die mindestens zwei funktionelle Gruppen (Auxochrome und Antiauxochrome) haben, die das delokalisierte π-Elektronensystem erweitern und die Elektronendichte erhöhen.
  • Durch die höhere Elektronendichte liegen das HOMO und das LUMO energetisch näher beieinander, sodass weniger Energie benötigt wird, um ein Elektron in den angeregten Zustand zu versetzen.
  • Im Vergleich zum ursprünglichen Farbstoffmolekül ohne zusätzliche Substituenten, verschiebt sich die Absorption bei einem Push-Pull-System zu größeren Wellenlängen (bathochromer Effekt).
  • Funktionelle Gruppen können mesomere und induktive Effekte verursachen, da sie die Elektronendichte im Chromophor entweder erhöhen oder verringern.

Nachweise

  1. Kurt Nassau (2001). The Physics and Chemistry of Color: The Fifteen Causes of Color, 2. Auflage. Wiley & Sons.
  2. Sason S. Shaik; Philippe C. Hiberty. (2007). A Chemist's Guide to Valence Bond Theory. John Wiley & Sons.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Push Pull System Chemie

Bei einem Push-Pull-System handelt es sich um einen Farbstoff mit zusätzlichen funktionellen Gruppen, die das delokalisierte π-Elektronensystem erweitern und die Absorption zu größeren Wellenlängen verschieben (bathochromer Effekt).

Push-Pull-Systeme sind Farbstoffe, die aus einem Chromophor und jeweils mindestens einer Push- sowie einer Pull-Gruppe bestehen.

Ein Push-Pull-System verursacht, im Vergleich zum entsprechenden Farbstoffmolekül ohne zusätzliche Substituenten, eine Verschiebung der Absorption zu größeren Wellenlängen (bathochromer Effekt).

Finales Push Pull System Chemie Quiz

Frage

Wie heißen die beiden Effekte, die für eine Änderung der Elektronendichte in einem Chromophor sorgen?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Mesomerer Effekt
  • Induktiver Effekt
Frage anzeigen

Frage

Wie wird der farbgebende Teil eines Moleküls genannt?

Antwort anzeigen

Antwort

Chromophor

Frage anzeigen

Frage

Wie wird eine Verschiebung der Absorption zu größeren Wellenlängen genannt?

Antwort anzeigen

Antwort

Bathochromer Effekt

Frage anzeigen

Frage

Wie wird die Verschiebung der Absorption zu kleineren Wellenlängen genannt?

Antwort anzeigen

Antwort

Hypsochromer Effekt

Frage anzeigen

Frage

Warum verursachen die Brom-Atome im Purpur trotz +M-Effekt einen hypsochromen Effekt?

Antwort anzeigen

Antwort

Aufgrund der hohen Elektronegativität des Broms überwiegt der -I-Effekt. Außerdem ist keine Pull-Gruppe vorhanden, die zusammen mit den Bromsubstituenten die Mesomerie erhöhen würden.

Frage anzeigen

Frage

Wie wird das tiefste unbesetzte Molekülorbital genannt?

Antwort anzeigen

Antwort

LUMO (engl. Lowest Unoccupied Molecular Orbital)

Frage anzeigen

Frage

Wie wird das höchste besetzte Molekülorbital genannt?


Antwort anzeigen

Antwort

HOMO (engl. Highest Occupied Molecular Orbital)

Frage anzeigen

Frage

Wie werden funktionelle Gruppen genannt, die die Absorption eines Chromophors zu größeren Wellenlängen verschieben?

Antwort anzeigen

Antwort

Auxochrome

Frage anzeigen

Frage

An ein Chromophor wird eine Hydroxygruppe eingebracht. Wie sollte sich in dem Fall das Absorptionsverhalten verändern?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Absorption verschiebt sich zu größeren Wellen. Es gibt eine Rotverschiebung, auch bathochromer Effekt genannt.

Frage anzeigen

Frage

An ein Chromophor werden Substituenten mit -I-Effekt substituiert. Wie verändert sich in dem Fall das Absorptionsverhalten?

Antwort anzeigen

Antwort

Das Absorptionsmaximum liegt nun weiter in Richtung kleinerer Wellenlängen (Hypsochromer Effekt, auch Blauverschiebung).

Frage anzeigen

Frage

Warum werden zusätzlich zu Auxochromen in einigen Fällen auch Antiauxochrome an ein Chromophor substituiert?

Antwort anzeigen

Antwort

In einigen Fällen kommt dadurch der Push-Pull-Effekt erst so richtig zur Geltung. Mit alleiniger Push-Gruppe (Auxochrom) kann die Mesomerie sonst zu gering ausgeprägt sein, um den gewünschten bathochromen Effekt zu erzielen.

Frage anzeigen

Frage

Wie wird das Phänomen genannt, dass Strukturformeln für einige Moleküle mit mehreren Grenzstrukturen dargestellt werden können?

Antwort anzeigen

Antwort

Mesomerie

Frage anzeigen

Frage

Warum erscheinen Farbstoffe farbig?

Antwort anzeigen

Antwort

Durch Anregung mit Licht wird eine bestimmte Wellenlänge des Spektrums absorbiert. Für das menschliche Auge ist dann die Komplementärfarbe sichtbar.

Frage anzeigen

Frage

Welcher natürliche Farbstoff ist in Kurkuma enthalten?

Antwort anzeigen

Antwort

Curcumin

Frage anzeigen

Frage

Wenn ein schwarz erscheinender Farbstoff alle Wellenlängen des sichtbaren Lichtspektrums absorbiert, welche Farbe hat dann ein Stoff, der kein Licht absorbiert?

(Hinweis: Ein solcher Stoff wird nicht mehr als Farbstoff bezeichnet.)

Antwort anzeigen

Antwort

Ein solcher Farbstoff erscheint farblos bzw. weiß.

Frage anzeigen
Mehr zum Thema Push Pull System Chemie
60%

der Nutzer schaffen das Push Pull System Chemie Quiz nicht! Kannst du es schaffen?

Quiz starten

Finde passende Lernmaterialien für deine Fächer

Alles was du für deinen Lernerfolg brauchst - in einer App!

Lernplan

Sei rechtzeitig vorbereitet für deine Prüfungen.

Quizzes

Teste dein Wissen mit spielerischen Quizzes.

Karteikarten

Erstelle und finde Karteikarten in Rekordzeit.

Notizen

Erstelle die schönsten Notizen schneller als je zuvor.

Lern-Sets

Hab all deine Lermaterialien an einem Ort.

Dokumente

Lade unzählige Dokumente hoch und habe sie immer dabei.

Lern Statistiken

Kenne deine Schwächen und Stärken.

Wöchentliche

Ziele Setze dir individuelle Ziele und sammle Punkte.

Smart Reminders

Nie wieder prokrastinieren mit unseren Lernerinnerungen.

Trophäen

Sammle Punkte und erreiche neue Levels beim Lernen.

Magic Marker

Lass dir Karteikarten automatisch erstellen.

Smartes Formatieren

Erstelle die schönsten Lernmaterialien mit unseren Vorlagen.

Melde dich an für Notizen & Bearbeitung. 100% for free.