Aufgabe 3 - Teilaufgaben 1 und 2: Synthese von Ca… · Abitur NRW Chemie GK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg 2023

Fachspezifische Vorgaben:

Carmoisin (E 122) ist ein synthetischer, in Europa zugelassener Lebensmittelfarbstoff. Das Extinktionsmaximum von Carmoisin liegt bei 516 nm. Carmoisin ist beständig gegen Fruchtsäuren, Licht und Hitze und wird aufgrund seiner intensiven Farbe in zahlreichen Lebensmitteln eingesetzt, u. a. in Süß- und Zuckerwaren, Marzipan, Puddingpulver, Kunstspeiseeis, Fruchtkonserven, Fertigsuppen und Paniermehl. Seit 2010 müssen Lebensmittel, die Lebensmittelfarbstoffe der Farbstoffklasse enthalten, zu der Carmoisin gehört, mit dem Warnhinweis „Kann Aktivität und Aufmerksamkeit bei Kindern beeinträchtigen“ versehen sein. Der ADI-Wert (acceptable daily intake) von Carmoisin beträgt 4 mg/kg Körpergewicht. Er gibt die Menge an, die bei einem Menschen bei täglicher lebenslanger Aufnahme als unbedenklich gilt.

Als Ausgangsstoffe für Carmoisin dienen bicyclische Kohlenwasserstoffverbindungen mit einem Naphthalin-Grundgerüst. Naphthalin (Stoff A) ist ein weißer Feststoff, der in unpolaren Lösemitteln gut löslich ist. Gibt man elementares Brom ($\text{Br}_2$) zu einer Naphthalinlösung, entfärbt sich die Lösung nicht. Im Vergleich dazu entfärbt sich eine Lösung aus 1,2,3,4,5,8-Hexahydronaphthalin (Stoff B) und elementarem Brom schnell.

Zur Carmoisin-Synthese eignen sich die beiden Naphthalin-Derivate 1-Hydroxynaphthalin (1-Naphthol) und 1-Aminonaphthalin. Zuerst werden beide Verbindungen sulfoniert, indem man konzentrierte Schwefelsäure ($\text{H}_2\text{SO}_4$) hinzugibt. Dabei dienen Schwefeltrioxid-Moleküle ($\text{SO}_3$) als Reaktionspartner, die in der konzentrierten Schwefelsäure gelöst vorliegen. Bei der Sulfonierung (Abbildung 1, Schritte Ia und Ib) entstehen 4-Hydroxynaphthalin-1-sulfonsäure und 4-Aminonaphthalin-1-sulfonsäure. 4-Hydroxynaphthalin-1-sulfonsäure ist in Natronlauge besser löslich als in stark saurer Lösung. Aus 4-Aminonaphthalin-1-sulfonat-Ionen lassen sich durch Zugabe von Natriumnitrit ($\text{NaNO}_2$) und Salzsäure ($\text{HCl(aq)}$) Diazonium-Ionen herstellen (Schritt II), die mit 4-Hydroxynaphthalin-1-sulfonat-Ionen zu Carmoisin reagieren (Schritt III).

Zusatzinformationen:

Als ein Derivat (von lateinisch derivare ‚ableiten‘) wird in der Chemie ein Stoff ähnlicher Struktur bezeichnet. Derivate sind z. B. Stoffe, die an Stelle eines Wasserstoff-Atoms ein anderes Atom oder eine ganze Atomgruppe besitzen bzw. bei denen ein oder mehrere Atome/Atomgruppen entfernt wurden.

Schwefeltrioxid-Moleküle sind planar gebaut und enthalten drei gleichlange Bindungen zwischen dem Schwefel-Atom und den Sauerstoff-Atomen.

Tabelle 1: Zusammenhang von absorbierter Strahlung, zugehöriger Spektralfarbe und beobachteter Komplementärfarbe

Wellenlänge $\lambda$ in nm · Spektralfarbe · Komplementärfarbe

< 400 · ultraviolett · farblos

400 – 435 · violett · gelbgrün

435 – 480 · blau · gelb

480 – 490 · grünblau · orange

490 – 500 · blaugrün · rot

500 – 560 · grün · purpur

560 – 580 · gelbgrün · violett

580 – 595 · gelb · blau

595 – 605 · orange · grünblau

605 – 770 · rot · blaugrün

Carmoisin – Synthese und Einsatz als Lebensmittelfarbstoff

1.

Geben Sie die charakteristischen Merkmale aromatischer Systeme an. Erläutern Sie mithilfe der Molekülstrukturen, warum sich Stoff A (Naphthalin) und Stoff B (1,2,3,4,5,8-Hexahydronaphthalin) gegenüber Brom verschieden verhalten. Erläutern Sie, in welchen Einzelschritten die Reaktion von Stoff B mit Brom abläuft. [16 Punkte]

2.

Geben Sie für die Sulfonierung von 1-Naphthol und von 1-Aminonaphthalin jeweils die Reaktionsgleichung sowie den Reaktionstyp an. Erläutern Sie, weshalb sich 4-Hydroxynaphthalin-1-sulfonsäure in Natronlauge und in stark saurer Lösung unterschiedlich löst. Erläutern Sie in Einzelschritten und unter Nennung des Reaktionstyps, wie 4-Hydroxynaphthalin-1-sulfonat-Ionen und Diazonium-Ionen zu Carmoisin-Molekülen reagieren (Schritt III). [24 Punkte]