Demzufolge müsste eine Farbveränderung von rot über orange zu gelb zu erwarten sein, da ein kürzeres delokalisiertes π-Elektronensystem energiereichere, also kurzwelligere elektromagnetische Strahlung absorbiert. Einen solchen Effekt nennt man hypsochromen Effekt (Farbaufhellung):
(Oberer Balken: Absorbiertes Licht,
unterer Balken: Komplementärfarbe)
Tatsächlich beobachtet man neben der Gelbfärbung aber auch Farbveränderungen zu grün, lila und orange.
Woran liegt das? ...
Wenn anfangs nur einige Doppelbindungen durch die Bromierung verloren gegangen sind, haben die Brom-Atome mit ihren nicht bindenden, also einsamen Elektronenpaaren die Möglichkeit dem verbleibenden delokalisierten π-Elektronensystem Elektronen zur Verfügung zu stellen. Dadurch erweitert sich also das π-Elektronensystem in diesem Bereich wieder. Die Folge ist eine Absorption von länger welligerer Strahlung.
Solche Atome oder Atomgruppen, die freie Elektronenpaare abgeben können (Elektronendonatoren), werden auxochrome Gruppen genannt. Diese Wechselwirkung (+M-Effekt) mit dem delokalisierten π-Elektronensystem des Chromophors führt zu einer Verstärkung der Delokalisierung der π-Elektronen. Die Energiedifferenzen zwischen Grundzustand und angeregten Zuständen werden dann noch geringer, so dass langwelligeres Licht zur Anregung ausreicht und es zu einer Farbvertiefung kommt (bathochromer Effekt).
Bei geringem Bromierungsgrad überwiegt bei diesem Versuch der bathochrome Effekt. Bei höherem Bromierungsgrad sind kaum noch konjugierte Doppelbindungen vorhanden, es überwiegt die Farbaufhellung nach gelb. Es ergeben sich auch Zonen unterschiedlicher Färbung und Mischfarben (gelb + blau = grün).
Bei dem gleichen Versuch mit β-Carotin (siehe vorige Seite) lag die Absorption schon zu weit in der Nähe der UV-Strahlung, so dass sich der bathochrome Effekt der Brom-Atome nicht bemerkbar machte.
Eine weiterführende, fundierte Erklärung des Tomatensaftversuches findet man:
- Universität Bayreuth, Regenbogen im Tomatensaft, am 09.02.13 abgerufen
Zu den Antiauxochromen Gruppen zählt man funktionelle Gruppen mit elektronenziehender Wirkung
(–M-Effekt), die sich an dem mesomeren System des Chromophors beteiligen können und im Zusammenspiel mit einer auxochromen Gruppe den bathochromen Effekt verstärken. Man spricht in diesem Fall auch von einem push-pull-System.
Damit kann man erklären, warum es auch Farbstoffe gibt, die nur ein relativ kurzes -Elektronensystem besitzen, uns aber trotzdem farbig erscheinen.
Beispiele:
Das erste Beispiel zeigt einen Cyanin-Farbstoff der zur Klasse der Polymethin-Farbstoffe gehört. Die tertiäre Amino-Gruppe und die quartiäre Amonnium-Gruppe sind bei den Cyaninen über eine Polyen-Brücke verbunden. Beide Gruppen haben eine recht starke bathochrome Wirkung. Daher absorbieren Cyan-Farbstoffe trotz ihres sehr kleinen π-Elektronensystems bereits Licht im sichbaren Bereich.
Cyanin-Farbstoffe sind meistens blau und lichtempfindlich, weswegen sie in der Photographie Verwendung finden.
Die Anzahl an delokalisierten pi-Elektronen in einem Molekül ist entscheidend für die Farbigkeit. Je mehr delokalisierte pi-Elektronen vorhanden sind, desto größer ist die absorbierte Wellenlänge. Auch funktionelle Gruppen können die Farbigkeit beeinflussen.
Auxochrome
Auxochrome sind funktionelle Gruppen, die das pi-System vergrößern. Dadurch wird die Absorption des Farbstoffes zum langwelligen (roten) Bereich verschoben. Diese Verschiebung wird als bathochromer Effekt bezeichnet.
Antiauxochrome
Antiauxochrome sind funktionelle Gruppen, die das pi-System verkleinern. Dadurch wird die Absorption des Farbstoffes zum kurzwelligen (blauen) Bereich verschoben. Diese Verschiebung wird als hypsochromer Effekt bezeichnet.
Auxochrome (von griech. αυξειν auxein „wachsen“ und chroma „Farbe“) sind funktionelle Gruppen in Farbstoff-Molekülen, die das Absorptionsmaximum einer bereits vorhandenen färbenden Gruppe (Chromophor) in den längerwelligen Bereich des Spektrums verschieben. Dadurch tritt eine optisch wahrnehmbare Farbveränderung ein, hier spricht man vom bathochromen Effekt. Das Absorptionsmaximum des Chromophors alleine liegt oft im UV-Bereich und ist für das menschliche Auge nicht sichtbar.
Laut der Farbstofftheorie nach Witt besteht ein Farbstoff typischerweise aus einer färbenden Gruppe (Chromophor) sowie einer oder mehreren auxochromen, d. h. farbverstärkenden Gruppen.
Verursacht wird der Effekt der Auxochrome durch deren Wirkung als Elektronenpaardonatoren. Diese führen dem konjugierten System des Chromophors Elektronendichte zu und unterstützen somit deren Delokalisation, wodurch zur Anregung energieärmeres, also längerwelliges Licht benötigt wird. Beispiele für Auxochrome sind funktionelle Gruppen mit freien Elektronenpaaren wie –OH, –NH2, –OR oder –NR2, die über einen +M-Effekt mit dem Doppelbindungssystem des Chromophors eine entsprechende Farbänderung hervorrufen. Auch Alkylgruppen, die lediglich über einen +I-Effekt als Elektronenpaardonatoren wirken, gehören zu den Auxochromen, wenngleich ihre Wirkung schwächer ausfällt.
Verstärkt werden kann der bathochrome Effekt durch Antiauxochrome. Dies sind funktionelle Substituenten mit einem elektronenziehenden −M-Effekt- bzw. −I-Effekt. Sie sind zusammen mit Auxochromen an den Chromophor gekoppelt und verstärken die Delokalisation der Elektronen. Da der Donator-Effekt der Auxochrome in der Regel stärker ist, wirken Antiauxochrome nicht entgegen, sondern unterstützend auf den bathochromen Effekt. Beispiele für antiauxochrome Gruppen sind die Carbonyl- oder Nitrogruppe.
Hypsochrome sind funktionelle Substituenten, die nur einen −I-Effekt besitzen. Diese Substituenten führen als einzige funktionelle Gruppe zu einer Blauverschiebung des Chromophors. Das Absorptionsmaximum eines bereits vorhandenen Chromophors wird hier in den kürzerwelligen Bereich des Lichtspektrums verschoben. Hypsochrome Gruppen werden seltener gezielt verwendet und spielen eine untergeordnete Rolle, da das Absorptionsspektrum wie zuvor erwähnt meist im UV-Bereich liegt und in den sichtbaren Bereich verschoben werden muss.