Поиск:  




Кунсткамера

Читальный зал

Гроссе Э., Вайсмантель X.

Химия для любознательных. Основы химии и занимательные опыты.

Глава 6. КОРОТКО О ХИМИИ КРАСИТЕЛЕЙ

Еще в Х веке до нашей эры, на дне Средиземного моря вблизи Тира - легендарного города в древней стране Финикии, воздвигнутого на скале у побережья нынешней Сирии, - ловили улиток-иглянок. (Современные зоологи называют их Murex brandalis.)
Сотням рабов приходилось изо дня в день нырять за этими улитками в море. Другие рабы выдавливали их, растирали с солью и подвергали дальнейшей переработке, состоявшей из многих операций. Добытое вещество вначале было белым или бледно-желтым, но под действием воздуха и солнечного света постепенно становилось лимонно-желтым, затем зеленым и, наконец, приобретало великолепную фиолетово-красную окраску.
Полученный пурпур в течение нескольких веков был самым ценным из всех красителей. Он был тогда символом власти - право носить окрашенные пурпуром одеяния было привилегией правителей и ближайших к ним знатных особ. Окрашивание только одного квадратного метра ткани красителем, добытым таким способом, стоило очень дорого. Ведь для получения одного грамма пурпура нужно было обработать 10 000 улиток!
Изнурительный труд рабов Тира, которые надрывались для того, чтобы властители могли носить одеяние с пурпурной каймой, - не единственный в истории пример такого рода. Через несколько сотен лет индиго - фиолетово-синий краситель, добываемый из растения Indigofera tinctiria, стал одним из крупных источников наживы для британской Ост-Индской компании, сколотившей свое состояние грабежом. Корабли Ост-Индской компании ежегодно доставляли во все части света от 6 до 9 миллионов килограммов этого ценного красителя по цене 1 ? английских фунта, т.е. 30 марок золотом за килограмм.
В наши дни все давно привыкли к тому, что дешевые и в то же время яркие красители всех цветов и оттенков легко купить в магазине. Их изготовление теперь уже не требует непосильного труда рабов или населения колоний. Красители, в том числе пурпур и индиго, производят рабочие, техники и инженеры на химических заводах. Впрочем, пурпур и индиго утратили свою былую славу. Их вытеснили более светопрочные синтетические красители, широким выбором которых мы сегодня располагаем.

КРАСИТЕЛИ ИЗ ВОЛЬФЕНА

Как приступили к синтезу красителей? Кто первым открыл путь к нынешним успехам? Здесь следовало бы привести множество имен. События развивались подобно цепной реакции. Как только были достигнуты первые успехи, дальнейшее развитие становилось все более быстрым и приводило к еще большим достижениям.
В 1826, 1840 и 1841 гг. Унфердорбен, Фрицше и Зинин независимо друг от друга получили из индиго анилин. В 1834 г. Рунге обнаружил анилин в каменноугольной смоле, в том же году он открыл фенол и несколько позже - первый краситель из каменноугольной смолы - розоловую кислоту. В 1856 г. юный Перкин в лаборатории Гофмана в Лондоне получил мовеин, а спустя 3 года Вергэну в Лионе удалось синтезировать фуксин (Первый синтетический краситель был получен в 1855 г. польским химиком, профессором Варшавского университета Натансоном, работавшим в то время в нашей стране - в г. Юрьеве (Тарту). При нагревании анилина с дихлорэтаном Перкин получил ярко-красный краситель, позднее выделенный Вергэном при окислении технического анилина и названный фуксином.
Через полгода после этого, в 1856 г. 18-летний английский химик Перкин, работая во время каникул в своей домашней лаборатории, при неудачной попытке синтезировать хинин неожиданно получил яркий красновато-фиолетовый краситель - мовеин. Вместе с отцом и братом Перкин основал фирму и уже через год организовал производство мовеина в заводском масштабе. Тем самым Перкин положил начало созданию анилинокрасочной промышленности. - Прим. перев.). В 1868 г. Гребе и Либерманн раскрыли секрет ализарина - красного красителя, добываемого из корней марены. Затем последовали синтезы эозина и других фталеиновых красителей Байером и Каро и расшифровка строения красителей антраценового ряда Э. Фишером и О. Фишером. К концу XIX в. эти достижения увенчались внедрением в промышленность синтеза индиго по методу, разработанному Гейманном и другими химиками.
Уже в 1911 г. фирмы Германии экспортировали 22 000 т синтетического индиго. Выпуская одновременно 1 500 т дешевого синтетического ализарина, они почти полностью вытеснили природный ализарин, что привело к резкому сокращению разведения марены. В наши дни синтез красителей описан уже в 50 000 патентов и на мировом рынке насчитывается около 15 000 красителей самых различных оттенков.
В Германии на основе достижений науки быстро развивалась мощная анилинокрасочная промышленность. Возникло гигантское монополистическое объединение ИГ-Фарбениндустри, которому уже к началу первой мировой войны принадлежало 85% всего мирового производства красителей Этот трест приобрел в Германии положение государства в государстве. Известны многие его преступления, с том числе его роль застрельщика в развязывании второй мировой войны (Хозяева треста способствовали приходу фашистов к власти в Германии в 1933 г. и активно сотрудничали с ними в дальнейшем. - Прим. перев.).
В 1925 г. к этому тресту присоединилось предприятие "Агфа", основанное акционерным обществом по производству анилиновых красителей в Берлине. В ГДР оно превратилось в крупное социалистическое предприятие - завод синтетических красителей в Вольфене. В годы второй мировой войны это предприятие было сильно разрушено. 1 апреля 1952 г. после частичного восстановления советская военная администрация передала его ГДР.
В наши дни завода Вольфене является частью химического комбината в Биттерфельде. Он выпускает около 700 различных продуктов, которые экспортируются в 36 стран. Среди них наряду с уже названными красителями - лекарственные и душистые вещества, косметические препараты азотные удобрения, средства для защиты растений, инсектициды, моющие средства и химические реактивы. Для их производства предприятие использует 1300 исходных и промежуточных веществ, включая такие простые вещества, как серная кислота и едкий натр.
Значительную часть продукций, изготовленной в Вольфеме, составляют красители. В том числе давно выпускаются сернистые черные красители и красители для хлопчатобумажного волокна черного и темно-синего цвета.
После 1945 г. в дополнение к этому развернулось производство новых красителей разных цветов. Появилось новое оборудование. Оно здесь обычно меньше по размерам, чем на других химических заводах, зато продукция несравненно ценнее.
Поскольку промышленность выпускает все новые волокна, постоянно возникает потребность и в новых красителях. Поэтому сейчас особое значение приобретает расширение ассортимента красителей а создание красителей новых оттенков. Здесь открыт необъятный простор для поиска. С 1957 г., например, выпускаются в Вольфене светопрочные и прочные к стирке купраминовые красители. Новые разработки позволяют ограничить импорт красителей и тем самым экономят государству средства.

ТАЙНА ЦВЕТА

Перед нами формула красителя относительно простого строения:
метилоранж Его точное химическое название - n,n'-диметиламиноазобензолсульфонат натрия. Мы уже встречалось с этим веществом, только когда мы применяли его в качестве индикатора, то называли иначе - Метиловым оранжевым. Для крашения этот краситель, правда, не годится, так как при добавлении кислоты желтая окраска переходит в красную.
Органические красители не случайно имеют сложное строение. Исследования многих химиков позволили установить связь между окраской соединения и его строением. Основу, или ядро, молекулы красителя, как правило, образует кольцевая структура. К ней должны быть присоединены носители цвета - хромофоры. Это всегда ненасыщенные группы:

СН=СН- этиленовая группа
=С=О карбонильная группа (оксогруппа, кетогруппа)
-N=N- азогруппа
-N=O нитрозогруппа
-NO2 нитрогруппа

Ядро и хромофорные группы вместе образуют окрашенную систему - хромоген. В большинстве случаев наличие только одного хромофора еще не дает окраски. Например, в молекуле оранжевого b-каротина - красителя моркови - содержится 11 двойных связей. Кроме того, цвет зависит от того, как именно хромофоры расположены и связаны между собой. Для усиления цвета, углубления его оттенка и для достижения большей прочности выкраски на волокне к ядру с хромофором должны быть присоединены дополнительные группы - ауксохромы. К ним относятся, прежде всего, гидроксильная группа ОН и аминогруппа NH2, которые не только влияют на окраску, но и вследствие своего кислого или основного характера повышают сродство красителя к волокну
(С целью упрощения вопроса авторы приводят представления, которые, в основном, соответствуют хромофорно-ауксохромной теории цветности, сформулированной немецким ученым Виттом в 1876 г. Последняя оказала положительное влияние на развитие химии красителей, но в настоящее время во многом устарела. Современная электронная теория цветности рассматривает цвет как результат взаимодействия со светом электронного облака молекулы красителя - см., например: Б. И.Степанов. Введение в химию и технологию органических красителей. М., "Химия", 1971, - Прим. перев.).
Несмотря на то, что эти правила давно известны, открытие нового красителя и в наши дни иногда бывает вызвано счастливой случайностью.
С учетом приведенных представлений рассмотрим подробнее формулу знакомого нам Метилового оранжевого:
метилоранж
Пользуясь нашим простым оборудованием и набором реактивов, мы, к сожалению, сможем синтезировать лишь некоторые из множества красителей, однако и эти примеры помогут нам понять, насколько богата и увлекательна эта область химии.

СИНТЕЗИРУЕМ КРАСИТЕЛИ ИЗ АНИЛИНА

Первый в мире патент на получение синтетического красителя из каменноугольной смолы был выдан восемнадцатилетнему Уильяму-Генри Перкину. За сходство с окраской цветка мальвы (по-английски mauve) Перкин назвал этот краситель мовеином. Вскоре фиолетовый цвет стал самым модным. Фирма "Перкин и К°", производившая мовеин, всячески содействовала этому, так как Перкину необходимо было убедить красильщиков в преимуществе нового красителя. Через Францию мовеин поставлялся и в германские государства.

Мовеин в пробирке

Мовеин образуется из технического аминобензола (анилина), содержащего толуидин, при действии сильного окислителя.
Разотрем в порошок немного дихромата калия (осторожно - яд!), добавим к нему несколько капель воды - до консистенции каши, прильем 2,5 мл концентрированной серной кислоты и полученную смесь взболтаем. При необходимости ее можно недолго погреть на слабом пламени газовой горелки.
К 1 мл сырого анилина (яд!) добавим только что приготовленную хромовую кислоту и осторожно нагреем. Смесь приобретает фиолетовую окраску. Дадим ей остыть и извлечем краситель, добавляя 10-15 мл воды. Но предупреждаем: попытка окрасить ткань погружением в раствор мовеина не даст хорошего результата.

Синтезируем Анилиновый желтый

Вначале растворим в одной пробирке 2 г нитрита натрия (нитриты ядовиты!) в 10 мл воды, а в другой - 0,5 мл анилина в 5 мл денатурата. Оба раствора поставим в баню для охлаждения. Нитрит натрия предварительно можно получить из нитрата натрия при сильном нагревании его в пробирке. Затем в колбе Эрленмейера вместимостью 250 мл при эффективном охлаждении (лучше всего ледяной водой или снегом) смешаем 0,5 мл анилина с 2 мл концентрированной соляной кислоты.
Образуется кристаллический, белый гидрохлорид анилина. Добавим к нему при перемешивании воду до полного растворения - всего около 10 мл. При непрерывном охлаждении и одновременном перемешивании медленно прильем в колбу Эрленмейера водный раствор нитрита натрия, подождем 2- 3 минуты и добавим приготовленный спиртовый раствор анилина. Образуется осадок, который, если мы все время тщательно охлаждали реакционную массу, остается желтым. Это и есть краситель Анилиновый желтый Попробуем использовать его для крашения ткани. Для этого нужно фильтрованием отделить краситель от раствора, затем промыть на фильтре холодной водой и в заключение высушить на воздухе.
Теперь попробуем разобраться, что происходило в колбе. Сначала у нас получилась солянокислая соль анилина (гидрохлорид анилина);
получение гидрохлорида анилина
При этом израсходовалась не вся соляная кислота. Оставшаяся часть ее прореагировала с нитритом натрия с образованием хлорида натрия и азотистой кислоты:

NaNO2 + НСl = NaCl + HNO2

Последняя с гидрохлоридом анилина, образовала окрашенное соединение - диазобензолхлорид:

диазобензолхлорид

Мы видим, что молекула этого соединения содержит хромофорную азогруппу -N=N-, которая уже была упомянута в начале этого раздела. Хотя диазобензолхлорид окрашен, он не окрашивает ткань, так как в нем нет ауксохромной группы. Поэтому нам приходится снова добавить анилин, чтобы ввести в молекулу красителя аминогруппу -NH2 :

уравнение реакции

(В приведенном рассуждении содержится неточность. Диазобензолхлорид имеет ионное строение:

диазобензолхлорид

Это вещество, называемое солянокислым фенилдиазонием, неустойчиво и легко подвергается превращениям, в частности, с образованием окрашенных соединений, однако само по себе не окрашено. Не следует путать входящую в состав этого соединения диазониевую группу-N=N с хромофорной азогруппой -N==N-. Прим. перев.)
Как и уже упомянутый Метиловый оранжевый, Анилиновый желтый относится к классу азокрасителей. Сейчас он редко применяется для крашения, так как его вытеснили лучшие желтые красители.

Анилиновый черный - краситель для хлопка

Открытый в 1863 г. Анилиновый черный относится к числу старейших органических красителей.
Это популярный краситель хиноидного строения, имеющий брутто-формулу C43H34N8
(Столь давно найденный Лайтфутом Анилиновый черный замечателен своим великолепным, "сочным" черным цветом, на фоне которого особенно ярко выглядят рисунки, нанесенные другими красителями. В этом отношении с ним и сейчас не может сравниться ни одни из черных красителей других классов. Поэтому вопрос о его строении в течение многих лет привлекает к себе внимание химиков. Однако загадка оказалась весьма сложной и до сих пор не решена до конца. Существенный вклад в решение вопроса внесли Вильштеттер и Грин (через 50 лет после открытия красителя!}, а также советский химик И. С. Иоффе. - Прим. перев.).
В пробирке к 0,5 мл анилина прильем равный объем концентрированной соляной кислоты, смесь взболтаем и медленно добавим 7 мл воды. Затем прильем к смеси еще 4 мл концентрированного раствора дихромата калия и оставим реакционную массу на 5-10 минут. При этом появится черная окраска. Выльем раствор в химический стакан на 100 мл, нагреем его до кипения и будем кипятить 0,5 -1 минуту, а потом охладим. Образовавшийся Анилиновый черный отфильтруем, краситель на фильтре промоем водой. Он не растворяется в воде и спирте. Темный фильтрат можно вылить.

ПОЛУЧИМ ФТАЛЕИНОВЫЕ КРАСИТЕЛИ

Ранее мы уже познакомились с нафталином, который содержится в среднем масле, получаемом при перегонке каменноугольной смолы:

нафталин

Рассматривая его структурную формулу, мы видим, что она состоит из двух колец, имеющих два общих атома углерода. Поэтому нафталин относят к числу конденсированных циклических соединений.
Из нафталина путем каталитического окисления получается фталевая (1,2-бензолдикарбоновая) кислота, а из нее при отщеплении воды - соответствующий ангидрид.

Фталевый ангидрид из фталевой кислоты

Фталевая кислота продается в магазинах химических реактивов. Для наших опытов мы сами получим фталевый ангидрид:

схема реакции

На песочной бане медленно нагреем в фарфоровой чашке небольшое количество фталевой кислоты. Чашку накроем часовым стеклом такого же диаметра. Фталевая кислота плавится при 230 °С. На стекле мы вскоре увидим красивые длинные иглы возгоняющегося фталевого ангидрида. Из него мы получим три любопытных красителя.

Получение индикатора фенолфталеина

В фарфоровой чашке тщательно перемешаем несколько кристаллов гидроксибензола (фенола) с трехкратным количеством фталевого ангидрида. Пипеткой будем добавлять по каплям серную кислоту - до тех пор, пока смесь полностью не пропитается жидкостью. Теперь при непрерывном перемешивании стеклянной палочкой подвергнем содержимое чашки на малом пламени горелки через асбестированную сетку нагреванию в течение нескольких минут. Когда появится белый дым, ненадолго прекратим нагревание, иначе потеряется слишком много фталевого ангидрида, который кипит при 131,6 °С. В конце опыта мы увидим, что плав приобретает окраску- от коричнево-красной до оранжевой. Реакция окончена:

фенолфталеин

Выльем плав в химический стакан с водой. При этом выпадает в осадок белый порошок, состоящий, в основном, из фенолфталеина наряду с некоторым количеством непрореагировавшего фталевого ангидрида. Присоединим к суспензии остатки плава из чашки, ополаскивая ее водой. Еще раз энергично размешаем содержимое стакана стеклянной палочкой, дадим ему отстояться и декантацией (сливанием) отделим воду от осадка.
Растворим полученный краситель в небольшом количестве спирта. Этот раствор мы можем использовать в качестве индикатора. Если добавление одной капли его к раствору щелочи вызывает интенсивное малиновое окрашивание, которое при добавлении кислоты снова исчезает, то мы можем быть уверены в том, что синтез удался.
Фенолфталеин - простейший фталеиновый краситель. Его синтез, впервые осуществленный еще в 1871 г. немецким химиком Байером, основан на реакции конденсации, при которой серная кислота действует как водоотнимающее средство.
Фенолфталеин непригоден для крашения волокон, потому что его окраска изменяется в зависимости от кислотности среды. Он используется преимущественно в качестве индикатора. Кроме того, фенолфталеин служит слабительным.
Его близкими родственниками являются флуоресцеин и эозин.

Чем подцвечивают воду в ванне

Препараты для подцвечивания и отдушивания воды в ванне наряду с различными солями и эфирными маслами содержат краситель, который поглощает падающий свет и тотчас излучает его обратно. Излучаемый свет обладает меньшей энергией и, следовательно, характеризуется большими длинами волн, чем поглощенный. Это явление называется флуоресценцией, а краситель - флуоресцеином.
Проведем опыт точно так же, как и получение фенолфталеина, только вместо гидроксибензола (фенола) возьмем один из его аналогов- 1,3-дигидроксибензол (резорцин) в количестве, равном количеству фталевого ангидрида. Реакционную массу постепенно нагреем до 180 °С.
Плав получается густым и имеет кроваво-красную окраску. Дадим ему застыть и половину сохраним для дальнейших опытов, а другую половину переработаем следующим образом. Поместим плав в пробирку, перемешаем с разбавленным водным раствором аммиака или едкого натра, слегка нагреем и взболтаем. Образуется соль, придающая раствору интенсивное окрашивание. Щелочи нужно взять достаточно, поскольку она необходима не только для превращения флуоресцеина в соль, но и для нейтрализации серной кислоты. (Осторожно! При нейтрализации выделяется тепло.)
Одну каплю раствора добавим в большую пробирку с водой и перемешаем. Если теперь посмотреть на раствор против света, то он выглядит желтым. Если же смотреть на него в отраженном свете - сверху или по направлению падающего света на темном фоне, то заметна зеленая флуоресценция. Благодаря флуоресценции можно обнаружить этот краситель в самой малой концентрации.
Флуоресценция хорошо заметна даже при растворении 1 г вещества в 40 000 л воды! 250 г этого красителя достаточно для подцвечивания воды в бассейне для плавания длиной 100 м, шириной 25 м и глубиной 2 м. Способность флуоресцеина необычайно легко обнаруживаться в ничтожно малых концентрациях используют для определения направления подземных водных течений.
Примером может служить решение вопроса об "исчезновении" Дуная. B верховье этой реки, вблизи железнодорожной станции Иммединген, большая часть дунайской воды теряется в рыхлых известняковых породах. Чтобы установить направление движения воды в 1877 г. вблизи этой станции в Дунай высыпали 10 кг флуоресцеина. Через 60 часов один из выставленных постов обнаружил в маленькой речушке Аах в Хегау отчетливую флуоресценцию.
Тем самым было доказано, что вода Дуная большей частью просачивается в испещренный трещинами известняк, достигает удаленной за 15 км речки Аах и оттуда выходит в подземное озеро, примыкающее к Боденскому озеру.

Прекрасный, как заря

Близкий родственник флуоресцеина - краситель, получивший свое название от греческого слова "эос" (утренняя заря). Он образует темно-красные кристаллы, которые растворяются в воде с образованием яркой розовой окраски. Как только эозин был открыт, он сразу же стал одним из самых любимых красителей для тканей из шерсти, хлопка и шелка.
Эозин мы найдем и в губной помаде, и в составе краски для знаков опасности; кондитеры применяют его для окраски сладостей, биологи - для окрашивания микробов.
Для получения эозина нужно иметь несколько капель брома, поэтому опыт можно проводить только в химическом кружке. Бром - сильный яд! Пары его раздражают глаза и дыхательные пути, а брызги вызывают на коже болезненные ожоги. Поэтому опыты с бромом можно проводить только в резиновых перчатках и защитных очках в вытяжном шкафу или на открытом воздухе.
К остатку полученного нами ранее флуоресцеина в фарфоровой чашке добавим 1-2 капли брома и слегка нагреем. После охлаждения добавим несколько миллилитров раствора едкого натра. Когда появится красное окрашивание, одну каплю раствора красителя разбавим водой, чтобы можно было наблюдать флуоресценцию. Остальную часть красителя используем для цветных реакций.
Например, при анализе органических соединений для обнаружения брома в присутствии хлора можно воспользоваться эозиновой пробой.
Приготовим флуоресцеиновую бумагу. Для этого пропитаем фильтровальную бумагу раствором флуоресцеина, высушим ее и разрежем на полоски величиной с полоски лакмусовой бумаги. На такую полоску нанесем малое количество исследуемого вещества и выдержим ее над отверстием бутылки с концентрированным водным раствором аммиака. В присутствии брома бумага на обработанном месте приобретает бледно-розовую окраску.

структурные формулы

В заключение еще раз сравним формулы всех трех родственных красителей (Приведенные формулы соответствуют бесцветным формам красителей, способным, впрочем, легко превращаться в окрашенные. Подробнее см. Б.И. Степанов. Введение в химию и технологию органических красителей. М., "Химия", 1971. - Прим. перев.):
Мы видим, что все они имеют общую основу - трифенилметан:

трифенилметан

Поэтому они входят в класс трифенилметановых красителей.

Читать сначала >>> || Содержание книги || Читать дальше >>>

Читальный зал кунсткамеры: что тут есть?


 


Рассылки Subscribe.Ru
Алхимик - новости и советы