Aufgabe 3 - Organische Reaktionsmechanismen · Abitur NRW Chemie LK · Haupttermin 2023

Fachspezifische Vorgaben:

Carmoisin (E 122) ist ein synthetischer, in Europa zugelassener Lebensmittelfarbstoff. Das feste Natriumsalz ist gut wasserlöslich und beständig gegen Licht und Hitze. Das Extinktionsmaximum von Carmoisin liegt bei 516 nm. Carmoisin wird aufgrund seiner intensiven Farbe u. a. für Getränke, Süß- und Zuckerwaren, Marzipan, Puddingpulver, Kunstspeiseeis, Fruchtkonserven, Fertigsuppen und Paniermehl verwendet.

Carmoisin kann aus bicyclischen Kohlenwasserstoffverbindungen hergestellt werden, die ein Naphthalin-Grundgerüst tragen. 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.

Für die Carmoisin-Synthese können die beiden Naphthalin-Derivate 1-Hydroxynaphthalin (1-Naphthol) und 1-Aminonaphthalin eingesetzt werden (Abbildung 1). Beide Verbindungen werden zunächst sulfoniert, indem sie mit konzentrierter Schwefelsäure ($\text{H}_2\text{SO}_4$) versetzt werden. Dabei dienen Schwefeltrioxid-Moleküle ($\text{SO}_3$) als Reaktionspartner, die in der konzentrierten Schwefelsäure gelöst vorliegen. Bei der Sulfonierung (Schritte Ia und Ib) entstehen 4-Hydroxynaphthalin-1-sulfonsäure und 4-Aminonaphthalin-1-sulfonsäure. Beide Verbindungen lassen sich in verdünnter Natronlauge lösen und reagieren unter bestimmten Bedingungen zum gewünschten Farbstoff Carmoisin. Dabei wird 4-Aminonaphthalin-1-sulfonsäure zunächst in ein Zwischenprodukt überführt (Schritt II) und der Reaktionsansatz anschließend mit 4-Hydroxynaphthalin-1-sulfonsäure versetzt (Schritt III).

Konzentrationsbestimmung

Lebensmittel mit Farbstoffen aus der Farbstoffklasse, der auch Carmoisin angehört, tragen seit 2010 verpflichtend den Warnhinweis „Kann Aktivität und Aufmerksamkeit bei Kindern beeinträchtigen“. Ob die für die einzelnen Lebensmittel festgelegten Höchstmengen an Farbstoffen eingehalten werden, wird durch Konzentrationsbestimmungen kontrolliert. Enthält eine Limonade Carmoisin als einzigen zugesetzten Farbstoff, kann dessen Konzentration gut fotometrisch bestimmt werden.

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 an, wodurch aromatische Systeme gekennzeichnet sind. Erläutern Sie mithilfe der Molekülstrukturen, warum sich Stoff A (Naphthalin) und Stoff B (1,2,3,4,5,8-Hexahydronaphthalin) gegenüber Brom unterschiedlich verhalten. Erläutern Sie, wie die Reaktion zwischen Stoff B und Brom in einzelnen Schritten abläuft. (16 Punkte)

2.

Geben Sie an, um welchen Reaktionstyp es sich bei der Sulfonierung von 1-Naphthol handelt. Erläutern Sie diese Reaktion in ihren einzelnen Schritten. Begründen Sie, an welcher Position 1-Naphthol sulfoniert wird. (12 Punkte)

3.

Entwickeln Sie eine Reaktionsgleichung für die Reaktion in Schritt II der Carmoisin-Synthese und nennen Sie dabei den Reaktionstyp sowie die beteiligten Stoffe. Geben Sie begründend an, welche Reaktionsbedingungen in diesem Schritt eingehalten werden müssen. Entwickeln Sie außerdem eine Reaktionsgleichung für die Reaktion in Schritt III der Carmoisin-Synthese und geben Sie dabei den Reaktionstyp an. (18 Punkte)