Kristallviolett (nach dem botanischen Namen violetter Enzianarten auch Gentianaviolett beziehungsweise Enzianviolett genannt, nach dem Colour Index C.I. Basic Violet 3) ist eine organisch-chemische Verbindung mit der Summenformel C25H30N3Cl. Es gehört zur Gruppe der Triphenylmethanfarbstoffe, die eine wichtige kommerzielle Farbstoffklasse bilden, und war einer der ersten synthetischen Farbstoffe. Der Name Enzianviolett bezieht sich auf die Farbe, die den Blütenblättern bestimmter Enzianarten ähnelt. In festem Zustand hat es einen goldgrünen, metallischen Glanz, in Wasser gelöst erscheint es dunkelviolett. Kristallviolett wurde 1883 zum ersten Mal gezielt hergestellt.
Es wird unter anderem in Druckfarben, zur Herstellung von dokumentenechten Stiften, Stempel- und hektografischen Farben sowie zum Färben von Papier verwendet. Als histologisches Färbemittel und in der Gram-Färbung wird es zur Klassifizierung von Bakterien verwendet. In der Tiermedizin wurde Kristallviolett in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt.
Kristallviolett besitzt klinisch nützliche Merkmale und verschiedene pharmakologische Wirkungen. Es weist antibakterielle, antimykotische und anthelmintische Eigenschaften auf und war lange als topisches Antiseptikum von Bedeutung. Der Farbstoff, der wegen seines geringen Preises, seiner hohen Stabilität und Verträglichkeit häufig in der Medizin eingesetzt wurde, ist durch modernere Arzneimittel weitgehend verdrängt worden.
Nomenklatur Der Name Kristallviolett wurde von Alfred Kern gewählt, da andere Methylviolettfarbstoffe nur als amorphe Pulver bekannt waren, während sich Kristallviolett vor allem durch seinen kristallinen Zustand und durch seine einheitliche Zusammensetzung auszeichnete. In der Literatur werden die Namen Kristallviolett, Gentianaviolett, auch Gentian Violett, im englischen Gentian violet, und Methylviolett 10B zum Teil synonym, zum Teil für verschiedene Stoffe oder Mischungen verwendet.
Die Bezeichnung Gentianaviolett wird oft für pharmazeutische Präparate verwendet. Nach dem Europäischen Arzneibuch darf Kristallviolett bis zu 10 % des Pentamethylderivats Basic Violet 1 enthalten, das verfahrensbedingt meist in größeren Mengen in Kristallviolett vorhanden ist. Nach dem Arzneibuch der Vereinigten Staaten von Amerika muss der Gehalt an Kristallviolett mindestens 96 % betragen. Michlers Keton sowie Schwermetallverunreinigungen durch die verwendeten Katalysatoren dürfen nur in geringen Mengen vorhanden sein.
Geschichte mini|links|hochkant|Alfred Kern (um 1890) Kristallviolett fiel zunächst als einer der Bestandteile von Methylviolett an, einem Farbstoff, der erstmals 1861 von Charles Lauth synthetisiert wurde. Dabei handelte es sich um ein Gemisch aus tetra-, penta- und hexamethylierten Pararosanilinen. Ab 1866 wurde Methylviolett von der Firma Poirrier et Chappat in Saint-Denis hergestellt und unter dem Namen „Violet de Paris“ vermarktet.
Kristallviolett wurde erstmals 1883 in reiner Form von Alfred Kern synthetisiert, der in Basel bei der Firma Bindschedler & Busch arbeitete. Um die schwierige Synthese mit Phosgen zu optimieren, arbeitete Kern mit dem deutschen Chemiker Heinrich Caro bei der BASF zusammen. mini|links|hochkant|Hans Christian Gram (vor 1900) Der Name „Enzianviolett“ wurde möglicherweise von dem deutschen Apotheker Georg Grübler eingeführt, der 1880 in Leipzig eine Firma gründete, die sich auf den Vertrieb von Färbereagenzien für die Histologie spezialisierte. Die von Grübler vertriebene Kristallviolettfärbung enthielt wahrscheinlich eine Mischung aus methylierten Pararosanilinfarbstoffen. Die Färbung erwies sich als populär und wurde 1884 von Hans Christian Gram zum Färben von Bakterien verwendet. Er schrieb die Anilin-Kristallviolett-Mischung Paul Ehrlich zu. Die selektive Anfärbung von Mikroorganismen in einem Wirtsorganismus mit verschiedenen Farbstoffen führte Paul Ehrlich zu der Annahme, dass es möglich sein müsste, Mikroorganismen abzutöten, ohne den Wirtsorganismus zu schädigen. Aus den Arbeiten mit Farbstoffen entwickelte Ehrlich die Begriffe „selektive Toxizität“ und „Chemotherapie“. Grüblers Kristallviolett war wahrscheinlich sehr ähnlich, wenn nicht identisch, mit dem Methylviolett von Lauth, das 1875 von Victor André Cornil als Färbemittel verwendet wurde.
Obwohl der Name Enzianviolett weiterhin für histologische Färbungen verwendet wurde, fand er in der Farbstoff- und Textilindustrie keine Verwendung. Die Zusammensetzung des Farbstoffes war nicht definiert und verschiedene Lieferanten verwendeten unterschiedliche Mischungen. 1922 setzte die Biological Stain Commission ein Komitee unter dem Vorsitz von Harold Conn ein, um die Eignung der verschiedenen kommerziellen Produkte zu untersuchen. In seinem Buch „Biological Stains“ beschreibt Conn Kristallviolett als „eine schlecht definierte Mischung violetter Rosaniline“.
Die Entdeckung der antiseptischen Eigenschaften von Kristallviolett wird dem deutschen Augenarzt Jakob Stilling zugeschrieben. Er veröffentlichte 1890 eine Monographie über die bakterizide Wirkung einer Lösung, die er „Pyoktanin“ nannte und bei der es sich wahrscheinlich um eine dem Kristallviolett ähnliche Mischung von Anilinfarbstoffen handelte. Er ging eine Partnerschaft mit E. Merck & Co. ein, um „Pyoktanin caeruleum“ als Antiseptikum zu vermarkten.
Carl Benda wies 1898 durch Färbung mit Kristallviolett Hunderte von Körnchen im Cytoplasma eukaryotischer Zellen nach und nannte sie Mitochondrien, von griechisch mitos, Faden, und khondrion, Körnchen. Im Jahr 1902 stellten Wilhelm von Drigalski und Heinrich Conradi fest, dass Kristallviolett zwar das Wachstum vieler Bakterien hemmt, jedoch nur eine geringe Wirkung auf Bacillus coli (Escherichia coli) und Bacillus typhi (Salmonella typhi), beides gramnegative Bakterien, hat. Eine sehr viel detailliertere Studie über die Wirkung von Grüblers Kristallviolett auf verschiedene Bakterienstämme wurde 1912 von John Churchman veröffentlicht. Er stellte fest, dass die meisten grampositiven (angefärbten) Bakterien empfindlich auf den Farbstoff reagierten, während die meisten gramnegativen (nicht angefärbten) Bakterien unempfindlich waren, und beobachtete, dass der Farbstoff eher bakteriostatisch als bakterizid wirkt.
In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurde Kristallviolett zur Behandlung einer Vielzahl von Krankheiten eingesetzt, nach der Entdeckung und großtechnischen Herstellung von Sulfonamiden und Penicillin in den 1940er Jahren jedoch kaum noch verwendet. Die Forschung konzentrierte sich stattdessen auf die Entwicklung neuer Klassen von Antibiotika. Mit dem Auftreten von Antibiotikaresistenzen gewann jedoch die Anwendung von Kristallviolett in der Dermatologie und zur Bekämpfung von Sepsis wieder an Bedeutung.
Gewinnung und Darstellung Ein ökonomisches Verfahren zur Herstellung von Kristallviolett beruht auf der 1883 von Kern und Caro patentierten Umsetzung von N,N-Dimethylanilin (1) mit Phosgen (2) in einem Eintopfverfahren. In Gegenwart von Zinkchlorid wird primär Michlers Keton (4,4′-Bis-dimethylamino-benzophenon) (3) gebildet, das ohne Zwischenisolierung mit Phosgen zur Zwischenstufe 4 umgesetzt wird, die mit N,N-Dimethylanilin zum Kristallviolett (5) reagiert.
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Alternativ kann Michlers Keton (1) mit N,N-Dimethylanilin (2) in Gegenwart von Phosphorylchlorid kondensiert werden. Dabei findet eine elektrophile Substitution am N,N-Dimethylanilin in para-Stellung durch den Kohlenstoff der Carbonylgruppe von Michlers Keton statt. Phosphorylchlorid dient als Elektronenpaarakzeptor für den Sauerstoff der Carbonylgruppe des Ketons. Das Kohlenstoffatom ist dadurch positiv geladen und damit in der Lage, den Aromaten elektrophil anzugreifen. Aus der entstehenden Carbinolbase (3) wird anschließend Wasser eliminiert.
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Auch die ursprünglich von Kern entwickelte Verfahrensvariante geht von Michlers Keton (1) aus. Dabei entsteht zunächst durch die Reduktion mit Zinkstaub oder Natriumborhydrid das sogenannte Michlers Hydrol, Bis[4-(dimethylamino)phenyl]methanol (2). Durch Kondensation des Hydrols mit N,N-Dimethylanilin (3) entsteht die Leukobase (4). Durch Oxidation der Leukobase in Gegenwart von Salzsäure entsteht Kristallviolett (5).
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Die Leukobase kann auch durch die Umsetzung von Dimethylaminobenzaldehyd mit zwei Moläquivalenten N,N-Dimethylanilin erhalten werden.
Eine weitere Darstellung in einem Eintopfverfahren erfolgt durch Umsetzung von N,N-Dimethylanilin (1) mit Formaldehyd (2). Formaldehyd wird in situ aus Paraformaldehyd erzeugt und es entsteht zunächst Michlers Base (3), die oxidativ durch Luftsauerstoff und Chloranil (6) in Gegenwart des Eisenkomplexes des Dihydrodibenzotetraazaannulens (5) als Katalysator mit N,N-Dimethylanilin zu Kristallviolett (4) umgesetzt wird.
rahmenlos|hochkant=4.69|zentriert|Darstellung von Kristallviolett
Kristallviolett wird in Indien, China und in gewissem Umfang in den USA hergestellt. Die Produktionsmengen in China und Indien sind nicht bekannt, in den USA wurden in den Jahren 1986 und 1990 Produktionsmengen zwischen 227 und 454 Tonnen angegeben. Kristallviolett wird in der Europäischen Union nicht hergestellt, jedoch importierte die EU im Jahr 2012 zwischen 210 und 230 Tonnen Kristallviolett.
Eigenschaften Physikalische Eigenschaften
Kristallviolett liegt meist in Form feiner, metallisch-gold glänzender Nadeln vor. Mit neun Molekülen Kristallwasser bilden sich bronzefarbene Kristalle, die wasserfreie Modifikation besteht aus mehrfarbig schillernden Kristallen. Es löst sich in Wasser und anderen polaren Lösungsmitteln mit intensiv violetter Farbe mit einem Absorptionsmaximum bei 590 Nanometern. Die absorbierte Spektralfarbe ist Gelb-Grün, die Komplementärfarbe dazu Violett. Das grundlegende Chromophor des Kristallvioletts ist das Triphenylmethyl-Kation, die drei Dimethylaminogruppen sind die Auxochrome. Das Absorptionsspektrum zeigt neben den Absorptionsmaxima eine Schulterbande. Diese Besonderheit des Absorptionsspektrums wird durch die Existenz zweier in wässriger Lösung im Gleichgewicht vorliegenden Grundzustandsisomere erklärt, die planare und die pyramidale Form.
rahmenlos|hochkant=2.2|Gleichgewicht zwischen dem planaren und dem pyramidalen Isomer von Kristallviolett in wässriger Lösung
Aus der Kristallstrukturanalyse geht hervor, dass Kristallviolett im festen Zustand eine propellerartige Struktur aufweist, bei der die aromatischen Ringe um 32 ° gegenüber der zentralen horizontalen Ebene gedreht sind.
Das Kristallviolettkation wird als Resonanzhybrid betrachtet, bei dem die positive Ladung auf die drei Stickstoffatome sowie das zentrale Kohlenstoffatom delokalisiert ist. Der Einfachheit halber wird meist nur eine Grenzstruktur angegeben. Als Molekülsymmetrie besitzt das Kristallviolettmolekül die Punktgruppe D3.
Chemische Eigenschaften