mini|hochkant=1.6|Mit Farbstoffen gefärbte Tücher in Bangladesch
Farbstoffe sind Farbmittel, die im Gegensatz zu Pigmenten in Anwendungsmedien wie Wasser oder anderen Lösungsmitteln löslich sind. Sie lassen sich nach verschiedenen Kriterien klassifizieren, beispielsweise nach ihrer Herkunft (Naturfarbstoffe / synthetische Farbstoffe), ihrer Verwendung (Substrat), ihrer chemischen Struktur (Chromophor) oder ihrem anwendungstechnischen Einsatzgebiet.
Die systematische Bezeichnung der Farbstoffe erfolgt nach dem Colour Index (C.I.). Der C.I. Generic Name ergibt sich aus der Verwendungsklasse, dem Farbton, sowie einer fortlaufenden Nummer und die C.I. Constitution Number gibt einen Hinweis auf die chemische Struktur. So ist beispielsweise Direct Red 2 mit der Konstitutionsnummer C.I. 23500 die Bezeichnung nach dem Colour Index für den roten Azofarbstoff aus der anwendungstechnischen Gruppe der Direktfarbstoffe.
Durch die Zugabe von Fällungsmitteln bzw. Beizmitteln lassen sich einige Farbstoffe verlacken und damit in unlösliche Pigmente (Lackpigmente) umwandeln.
Geschichte Über die Verwendung von Farbstoffen im Altertum gibt es wenige Kenntnisse, da sie relativ leicht durch die Einwirkung von Licht, Luft und Mikroorganismen zersetzt werden.Wolfgang Glöckner, Walter Jansen, Rudolf G. Weißenhorn (Hrsg.): Handbuch der experimentellen Chemie Sekundarbereich II. Band 10, Aulis Verlag Deubner & Co. KG, Köln 2008, ISBN 978-3-7614-2388-2, S. 304–309. Mittels moderner analytischer Methoden (beispielsweise bei der HPLC) lassen sich jedoch kleinste Spuren von Farbstoffen nachweisen. Es gelang den blauen, wasserlöslichen Farbstoff Indigotin auf über 3000 Jahre alten ägyptischen Textilien nachzuweisen. Die Kultivierung der Indigopflanze (Indigofera tinctoria) ist bereits 2500 v. Chr. in Ägypten nachweisbar und aus der Antike sind Aufzeichnungen zum Färbeprozess mit Indigo überliefert (Papyrus Leidensis, Papyrus Holmiensis). In Europa wurde dieser Farbstoff aus dem Färberwaid gewonnen. Dieser Zugang wurde im 17. Jahrhundert durch Einfuhr großer Mengen Indigo aus Ostindien unrentabel.Christian-Herbert Fischer: Historische Farbstoffe. In: Spektrum der Wissenschaft. Nr. 10, 1997, S. 104 ff.
mini|Blick in die Historische Farbstoffsammlung der Technischen Universität Dresden
Die Verwendung des echten Purpurs, gewonnen aus der an der Küste des östlichen Mittelmeeres vorkommenden Purpurschnecke, ist ebenfalls bereits in der Antike nachweisbar. Für Rotfärbungen wurde das sehr teure Purpur zum Teil durch den im Färberkrapp (Rubia tinctorum) enthaltenen Farbstoff Alizarin ersetzt, ein Farbmittel, das schon vor Christi Geburt bekannt war. Weitere seit alters her verwendete Farbstoffe natürlichen Ursprungs waren Henna, Kermes, Kurkuma und Safran.
Mit der „Entdeckung“ Amerikas wurden natürliche Farbstoffe aus Hölzern (Blauholz, Rotholz, Gelbholz) in der Textil- und Lederfärberei, ferner für Haar- und Papierfärbung bedeutsam.Ullmanns Enzyklopädie der Technischen Chemie. 4. Auflage. Band 11, Stichwort: Farbstoffe, natürliche. S. 103. Ebenso wurde die Verwendung von echtem Karmin, gewonnen aus Cochenilleschildläusen (Dactylopius coccus Costa), in Europa populär.
mini|Video: Mauvein – Die Erfindung des ersten synthetischen Farbstoffs durch William Henry Perkin Die Grundlage für die Entwicklung synthetischer organischer Farbstoffe wurde in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts gelegt. Friedlieb Ferdinand Runge isolierte und charakterisierte 1834 aus Steinkohlenteer, der bei der Verkokung von Steinkohle als Nebenprodukt anfällt, unter anderem Anilin und Phenol.Karl Aloys Schenzinger: Anilin. Zeitgeschichte-Verlag Berlin, 1937, . Der erste synthetische Farbstoff wurde 1832 durch Zufall vom deutschen Chemiker Karl von Reichenbach entdeckt und Pittakall genannt.George B. Kauffman: Pittacal - The first synthetic dyestuff. In: Journal of Chemical Education. 54, 1977, S. 753, doi:10.1021/ed054p753. Der Chemiker August Wilhelm von Hofmann beschäftigte sich ab 1843 mit der Chemie des Steinkohlenteers und entwickelte zahlreiche neue Umsetzungen und Verfahren. Hofmanns Schüler William Henry Perkin fand 1856 bei Oxidationsversuchen von Anilin das Mauvein. Dies war der erste synthetischen Farbstoff, der kommerziell hergestellt wurde. In den Folgejahren nahm die Chemie der Teerfarben, insbesondere durch die Arbeiten von Hofmann und seiner Schüler Perkin, Johann Peter Grieß, Carl Alexander von Martius (Gründer der Agfa) und Georg Merck (Gründer der Firma Merck & Co. in New York),Hans Joachim Störig: Kleine Weltgeschichte der Wissenschaft 2. 4. Auflage. Fischer Taschenbuch, 1982, ISBN 3-596-26399-9, S. 136–137. eine stürmische Entwicklung: 1856: Erste Synthese des Triphenylmethan-Farbstoffs Fuchsin durch den polnischen Chemiker Jakub Natanson 1858: Entwicklung und Patentierung einer Herstellung von Fuchsin durch den französischen Chemiker François-Emmanuel Verguin. Nahezu zeitgleich entwickelte August Wilhelm Hofmann eine alternative Fuchsin-Synthese. 1861: Erfindung vom Kristallviolett durch Charles Lauth – ein Farbstoff aus der Gruppe der kationischen Farbstoffe, der sich für Druckfarben, Tinten und Durchschreibepapier eignet.Hermann Raaf: Organische Chemie im Probierglas. 13. Auflage, Kosmos Verlag, Stuttgart 1975, ISBN 3-440-04266-9, S. 186. 1862: Entwicklung der Diazotierungsreaktion als wichtiger Zwischenschritt zur Synthese von Azofarbstoffen durch Johann Peter Grieß. Die Azofarbstoffe entwickelten sich zur wichtigsten und größten Gruppe der synthetischen Farbstoffe.Joachim Rudolf: Knauers Buch der modernen Chemie. Th. Knauer Nachf., München/Zürich 1975, ISBN 3-426-00381-3, S. 257–263. 1863: Erfindung von Bismarckbraun durch Martius – erster kommerziell hergestellter Azofarbstoff. 1869: Erste Synthese eines natürlichen Farbstoffs – Alizarin – durch den BASF-Chemiker Heinrich Caro in Zusammenarbeit mit Carl Graebe und Carl Liebermann. 1871: Entwicklung der Synthese des pH-Indikators Phenolphthalein aus Phthalsäureanhydrid und Resorcin durch Adolf von Baeyer. 1877: Synthese von Malachitgrün durch Otto Fischer. 1878: Erste Vollsynthese von Indigo durch Adolf von Baeyer. Ein alternatives Herstellungsverfahren wurde 1890 durch Karl Heumann entwickelt, das nach weiteren Verbesserungen zur industrielle Herstellung des Farbstoffs ab 1897 führte. Die kostengünstige industrielle Indigo-Produktion, die durch weitere Verfahrensoptimierungen – insbesondere durch den Chemiker Johannes Pfleger – erzielt wurde, führte in wenigen Jahren zu einer drastischen Verringerung des Marktanteils des natürlich gewonnenen Indigos. Wichtig für diese Entwicklung war die erfolgreiche großtechnische Herstellung und Vermarktung der neuen synthetischen Farbstoffe. So sicherte sich Perkin seine Erfindung durch ein Patent und gründete eine chemische Fabrik, in der bereits ab 1857 das Mauvein als Farbstoff zur Färbung von Seide und Baumwolle produziert wurde. In Deutschland wurden 1863 die spätere Hoechst AG (am 2. Januar 1863 als Theerfarbenfabrik Meister, Lucius & Co.) und Bayer AG (am 1. August 1863 als Friedr. Bayer et comp.)Unternehmensgeschichte Bayer AG, abgerufen am 8. November 2018 und zwei Jahre danach die BASF (am 6. April 1865 als Badische Anilin- und Sodafabrik) gegründet.
Eine Weiterentwicklung der Farbstoffchemie im 20. Jahrhundert war die Einführung lichtechter Küpenfarbstoffe auf Anthrachinon-Basis. Der erste Vertreter war 1901 der bei der BASF entwickelte Farbstoff Indanthren-Blau, aus dem sich das umfangreiche Indanthren-Sortiment entwickelte. In den zwanziger Jahren wurde durch die Erfindung der Dispersionsfarbstoffe das Färben hydrophober Kunstfasern, wie Acetatseide oder später Polyesterfasern ermöglicht. Mit der Entwicklung der Phthalocyanine, insbesondere dem Kupferphthalocyanin, wurde ab 1935 durch die ICI ein neuer metallhaltiger Chromophor hergestellt, der zunächst als Pigment verwendet wurde. Durch die Einführung von löslichmachender Sulfonsäuregruppen konnte dieser Chromophor auch als Farbstoff verwendet werden. 1951 wurden die ersten Reaktivfarbstoffe für die Färbung von Wolle eingeführt und ab 1956 Reaktivfarbstoffe für die Baumwollfärberei. In den folgenden Jahrzehnten lag der Schwerpunkt der Textilfarbstoffentwicklung in der Verbesserung der anwendungstechnischen Eigenschaften. Beispielsweise durch die Entwicklung von bifunktionellen Reaktivfarbstoffen oder Reaktivfarbstoffen mit neuen Reaktivgruppen.
Neben den textilen Anwendungen rückten im Laufe der Zeit die funktionellen Farbstoffe verstärkt in den Fokus. Dieser Begriff wurde 1993 für Farbstoffe geprägt, deren spezifische Anwendung nicht auf ihren ästhetischen Farbeigenschaften beruhen. Funktionelle Farbstoffe werden unter anderem in der Medizin, der Pharmazie, der Fotovoltaik, bei der Datenspeicherung oder in der Druckindustrie eingesetzt.
Chemisch-physikalische Grundlagen Für den Menschen ist das Lichtspektrum im Wellenlängenbereich zwischen 380 und 790 nm sichtbar. Trifft weißes Licht auf einen Körper, wird das Lichtspektrum teilweise reflektiert und teilweise absorbiert. Werden beispielsweise kurzwellige Anteile der Lichtfarbe (Violett bis Blau, 420–480 nm) absorbiert, so enthält die remittierte Strahlung vorwiegend langwellige Anteile (bis 780 nm) und der Farbeindruck, die sogenannte Körperfarbe, ist Gelb bis Rot. mini|Sichtbares Anregungslicht (oben) und das Farbspektrum der Farbstoffe (unten) Farbstoffe absorbieren und reflektieren ebenfalls einen Teil des sichtbaren weißen Lichts und es wird die Mischung aus den Komplementärfarben des absorbierten Lichts vom Auge wahrgenommen. mini|unten|π-Elektronendelokalisation im p-Aminoazobenzol. Die NH2-Gruppe wirkt farbvertiefend (auxochrom). mini|links|Konjugiertes π-Elektronen-System von aromatischen Ringen und einer Azogruppe am Beispiel des p-Aminoazobenzols. Die Farbstoff-Eigenschaft einer chemischen Verbindung ergibt sich aus ihrer chemischen Struktur. Während Moleküle mit σ-Bindungen elektromagnetische Energie im Röntgen- und UV-Bereich absorbieren, werden Moleküle mit Elektronen in π-Bindungen (ungesättigte Bindungen) bereits durch elektromagnetische Strahlung mit geringerer Energie angeregt. Bei mehreren konjugierten ungesättigten Bindungen im Molekül sind die π-Elektronen delokalisiert und mit steigendem Grad der Konjugation verringert sich der energetische Abstand zwischen Grundzustand und angeregtem Energiezustand des Moleküls. Das Absorptionsmaximum verschiebt sich in Richtung längerer Wellenlängen und in den sichtbaren Bereich des Spektrums.K.Peter C. Vollhardt: Organische Chemie. VCH, Weinheim, 1. Auflage 1988, S. 618, ISBN 3-527-26912-6. (→Bathochromer Effekt)
Derartige Molekülstrukturen werden nach der Farbstofftheorie von Otto Nikolaus Witt als Chromophore bezeichnet. Funktionelle Gruppen im Molekül, die als Elektronendonatoren oder als Elektronenakzeptoren wirken, beeinflussen die Mesomerie im Molekül, indem sie Elektronendichte der chromophoren Gruppe erhöhen oder verringern. Sie werden auch als Auxochrome oder Antiauxochrome bezeichnet.
Auxochrome Gruppen sind beispielsweise die Hydroxy-, Ether-, Amino- und Amido-Gruppe, antiauxochrome Gruppen die Carbonyl-, Nitro-, Carboxyl- und Sulfo-Gruppe.
Klassifizierung von Farbstoffen Die gängigste Einteilung der verschiedenen Farbstoffe erfolgt nach ihrer chemischen Struktur oder nach ihrem färbetechnischen Anwendungsverfahren.
Klassifizierung nach chemischen Strukturen
Anthrachinonfarbstoffe
mini|140px|Anthrachinon