Showexperimente

Einleitung

Durch Bromierung von Fluorescein (Dinatriumsalz, sog. Uranin) entsteht Tetrabromfluorescein. Dieses wird auch als Eosin Y (engl. yellowisch »gelblich«) oder Eosin G bezeichnet. Es unterscheidet sich in wässriger Lösung mit seiner orangeroten Farbe deutlich, von der gelben Uraninlösung. Diese Reaktion wird als Nachweis von geringen Mengen Brom eingesetzt [2].

Verwendete Chemikalien

Produkt

Verwendete Geräte, Versuchsaufbau

Gleichspannungsquelle (z. B. 9-V-Block), 2 Kabel, Kupferelektrode (stabförmig, abgerundete Spitze), zwei Krokodilklemmen, Filterpapier (Whatman), 25-ml-Becherglas, Petrischale, Pinzette, 10 cm × 10 cm, farbloses Folienstück (z. B. aus der Deckfolie eines Schnellhefters), Analysenwaage, 25-ml-Messzylinder, Glasstab, UV-Lampe (λ = 365 nm)

Versuchsdurchführung

Herstellung der Kaliumbromid-/Uraninlösung

In das 25-ml-Becherglas werden 10 mL dest. Wasser gegeben und darin 0.2 g Kaliumbromid gelöst. Anschließend gibt man in die Lösung 0.02 g Uranin. Wenn sich das Uranin gänzlich gelöst hat, wird die Lösung in eine Petrischale gegossen.

Mit der Pinzette bringt man das Filterpapier in die Lösung ein, wartet kurz, bis sich das Filterpapier vollgesogen hat und auf die Folie gelegt. Mittels einer Krokodilklemme und Kabel wird das Filterpapier mit dem Minuspol der Gleichspannungsquelle, der Kupferstab mit dem Pluspol, verbunden. Nach anlegen einer Spannung von 8–9 V, schreibt man ohne großen Druck, mit dem Kupferstab ein Wort auf das Filterpapier (z. B. EOSIN G). Die Buchstaben haben eine rötliche Farbe.

Reaktionsgleichung

An der Krokodilklemme (Kathode) des Filterpapiers wird Wasser zu Wasserstoff reduziert:
2 H₂O_(l) + 2 e⁻ → H_2(g) +2 OH⁻_(aq)

Tropft man eine Indikatorlösung, z. B. Thymolphthalein, in die Nähe der Krokodilklemme auf dem Filterpapier, zeigt ein Farbumschlag des Indikators die Anwesenheit von Hydroxidionen (OH⁻) an.

An der Anode (Pluspol) entstehen aus Kupferatomen, in einer Nebenreaktion (Oxidation), Kupfer(II)-ionen:
Cu → Cu²⁺ + 2 e⁻
Dies spielt jedoch für die gemachten Beobachtungen keine Rolle.

Essenziell ist die anodische Oxidation von Bromidionen zu gelöstem elementarem Brom (Bromwasser):
2 Br⁻_(aq) → Br_2(aq) + 2 e⁻
Das gebildete Brom reagiert sofort mit Uranin. Die mehrstufige Reaktion verläuft über Mono-, Di-, Tri- bis zum Tetrabromfluorescein [3].

Für diese elektrophile aromatische Substitution wird kein Katalysator benötigt. Dafür ist die Alkoholat-Gruppe verantwortlich. Sie erhöht die Elektronendichte im Dreiringsystem (+M-Effekt). Betrachtet man die beiden wesentlichen mesomeren Grenzstrukturformeln von Uranin, ergibt sich eine Erklärung für die Regioselektivität, mit der diese Bromierung abläuft (Abb. 2). Die Alkoholat-Gruppe dirigiert zur ortho- und para-Position (1,2- bzw. 1,4-Stellung). Da die beiden 1,4-Stellungen bereits besetzt sind, erfolgt die Bromierung an den ortho-Positionen. Eine Substitution am unteren Ring ist unwahrscheinlich, da die Carboxylat-Gruppe eine desaktivierende Wirkung besitzt (Abb. 2). Sie führt zu einer Erniedrigung der Elektronendichte
(−M-Effekt).

Betrachtet man das beschriebene Filterpapier unter UV-Licht (λ = 365 nm) erkennt man, dass das gebildete Eosin G keine Fluoreszenz zeigt, obwohl es zu den Fluoreszenzfarbstoffen zählt. Ursächlich dafür ist die Oxidation von Wasser – eine Nebenreaktion an der Anode (Pluspol):
2 H₂O_(l) → O_2(g) + 4 H⁺_(aq) + 4 e⁻

Diese Nebenreaktion bewirkt ein lokales Absinken des pH-Werts. Das Eosin G-Gleichgewicht ist auf die Seite der Lactonform verschoben (Abb. 3). Die Lactonstruktur zeigt keine Fluoreszenz (Abb. 4).

Medien

Quellenangaben

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Elektrochemisches Schreiben mit Fluorescein