12.06.2025

Komplexbildung zwischen ACID RED 266 und CTAB in wässriger Lösung Teil 1: UV/VIS-Spektroskopie kombiniert mit statischer Lichtstreuung von AR in Wasser

Die Wechselwirkungen zwischen polymeren Verbindungen wie Polyelektrolyten und Tensiden sowie deren große Strukturvielfalt ist umfangreich untersucht worden, wie z.B. folgender Übersichtsartikel belegt [1].

Dies resultiert sicherlich aus der kommerziellen Bedeutung heraus, die diesen beiden Komponenten in Wasch-, Spül- und Pflegeprodukten zukommt und somit entsprechend die anwendungsbezogene Forschung vorangetrieben hat.

Zum einen sind diese Komponenten in diversen Produkten weltweit stark verbreitet und zum zweiten ermöglicht gerade die Kombination von Polymeren und Tensiden, den Anteil der Tenside zu verringern (Kostenersparnis und Reduktion hautreizender Eigenschaften), da sich durch ihr Zusammenspiel synergistische Effekte ergeben, die ohne Polymer allein nicht erreichbar wären [2].

Andererseits bieten diese und vergleichbare Studienobjekte gerade auch der stärker akademisch orientierten Forschung sehr interessante Einblicke in die Selbstorganisationsprozesse kleiner sowie größerer Moleküle oder einer Kombination beider, die möglicherweise auch Parallelen zu Organisationsprozessen in biologischen Systemen aufzeigen können. Betrachtet man z.B. die reversible temperaturabhängige Reorganisation von DNS-Einzelsträngen in helikale Doppelstränge [3], dann spielen neben dem stabilisierend wirkenden kovalent verknüpften Zucker-Phosphatgerüst auch enthalpische (z.B. van-der-Waals-Kräfte bzw. π,π-Wechselwirkungen zwischen den gestapelten aromatischen Basenpaaren innerhalb der Doppelhelix) sowie entropische Beiträge (Freisetzung von Lösemittelmolekülen infolge der Zusammenlagerung anderer) eine wichtige Rolle zur Ausbildung dieser Doppelhelix.

: Abb.1: Schematische Darstellung
der Mizellbildung. Die Mizellen sind
vereinfachtals zweifarbige Kreise
dargestellt, wobei derschwarze
Ring die polaren Kopfgruppen
und die graue Kreisfläche die un-
polaren Alkylketten repräsentieren.

Eine andere Klasse in Wasser reversibel aggregierender Moleküle sind z.B. Tenside, die eine Konzentrations-abhängige Aggregation mit vielfältigen Organisationsformen aufweisen. Diese lassen sich z.B. über ihre kritische Mizellbildungskonzentration (engl. cmc) charakterisieren [4]. Unterhalb dieser reichern sich die Tensidmoleküle bevorzugt an der Wasser-Luft-Grenzfläche an, wobei sich die polaren Kopfgruppen im Wasser befinden und die unpolaren Alkylketten in die Luft weisen.

Bei der cmc treten Tensid-Aggregate in der wässrigen Phase auf, die in verschiedenen Geometrien vorliegen können. Eine häufige Form ist z.B. die Kugelmizelle. Hierbei weisen die polaren Kopfgruppen (schwarz) nach außen zur wässrigen Phase und die Alkylketten (grau) nach innen, wie in Abbildung 1 dargestellt. Neben den Kugelmizellen existieren auch noch andere Geometrien, auf die jedoch nicht weiter eingegangen wird.

In Gegenwart von Polymeren adsorbieren oder binden Tenside in wässriger Lösung vorzugsweise an die Oberflächen der Polymere, da diese je nach Typ entweder eine niederenergetische unpolare Oberfläche und/oder ionische oder polare Gruppen anbieten können. Bevor sich jedoch Mizellen bilden, entstehen wahrscheinlich bereits kleinere Aggregate aus Tensidmolekülen. Daher wurde auch eine kritische Aggregationskonzentration (engl. cac) eingeführt, die diesen Effekt beschreibt und unterhalb der cmc liegt [5].

Farbstoffe stellen eine weitere Klasse potenziell in Wasser reversibel aggregierender Systeme dar, obwohl sie meist mit molekular-dispersen Lösungen assoziiert werden. Spektroskopische Hinweise auf Aggregationseffekte, wie z.B. Wellenlängenverschiebungen im Absorptionsmaximum und/oder Abnahmen in der Extinktion mit steigender Farbstoffkonzentration, wurden vorzugsweise als Monomer-Dimer-Gleichgewichte interpretiert und entsprechend analysiert [6].

Mit Dimeren sind hier Doppelmolekül-Aggregate gemeint, die über van-der-Waals Kräfte bzw. π,π-Wechselwirkungen zusammengehalten werden. In einigen Fällen konnte jedoch gezeigt werden, dass mitunter deutlich größere Aggregate als Dimere vorliegen können, wenn neben der optischen Spektroskopie (UV/VIS) auch andere analytische Methoden, wie z.B. die für Polymere typische statische [7] und dynamische Lichtstreuung [8] eingesetzt werden.

Mindestens ebenso interessant wie die Einzelsysteme sind solche, bei denen zwei aggregierende Systeme miteinander gemischt werden: Ein anionischer aromatischer Azo-Farbstoff Acid Red 266 (AR, Abbildung 2a) mit einem kationischen Tensid Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB, Abbildung 2b). Im Folgenden wird beschrieben, welche spektroskopischen Veränderungen beobachtet werden, wenn bei einer fest gewählten Farbstoffkonzentration an AR die Konzentration an CTAB variiert wird. Begleitende dynamische und elektrophoretische Lichtstreuexperimente geben hierbei Einblicke in das Aggregations- und De-Aggregationsverhalten dieses Mischsystems.

Strukturformeln
Abb.2a: Strukturformel für den anionischen Azofarbstoff AR.; Abb.2b: Strukturformel für das kationische Tensid CTAB.

UV/VIS-Spektroskopie von AR in Wasser - ein kurzer Rückblick

Abbildung 3 zeigt die normierten UV/VIS-Spektren von AR in Wasser bei zwei Farbstoffkonzentrationen, die sich um etwa einen Faktor 10 unterscheiden. Das Spektrum von 0,8 µM AR in Wasser erscheint etwas weniger strukturiert als das der höher konzentrierten Lösung mit 72 µM AR. Letzteres weist eine deutliche Schulter um ca. 550 nm auf und ist in der Wellenlänge maximaler Absorption blau-verschoben (hypsochrom) gegenüber dem Spektrum der Lösung mit geringerer Farbstoffkonzentration. Eine solche Wellenlängenverschiebung geht auf eine stapelartige Aggregation der Farbstoffmoleküle zurück [8], wie in Abbildung 7 am Ende dieses Artikels skizziert. Durch ergänzende ¹⁹F-NMR-Untersuchungen konnte eine solche zusätzlich bestätigt werden [7].

Abb.3: Normierte Absorptionsspektren von AR in Wasser bei zwei verschiedenen Farbstoff-Konzentrationen.

Die Existenz zweier isosbestischer Punkte, in denen sich beide Spektren schneiden sowie deren konstante Lage über einen größeren Konzentrationsbereich, deuten auf das Vorliegen eines Gleichgewichts zweier spektroskopisch unterscheidbarer Spezies hin. Unter der Annahme eines Monomer-Dimer-Gleichgewichts wurde die Dimerisierungskonstante K_D bestimmt und aus ihrer Temperaturabhängigkeit die thermodynamischen Größen wie ΔG_D, ΔH_D und ΔS_D, wie in [7] beschrieben.

mit
K_D: Gleichgewichtskonstante der Dimerisierung [L/mol]
c_M: Monomerkonzentration von AR [mol/L]
c_D: Dimerkonzentration von AR [mol/L]

Formel2

mit
ΔG_D: Freie Enthalpieänderung der Dimerisierung [kJ/mol]
ΔS_D: Entropieänderung der Dimerisierung [J/K·mol]
ΔH_D: Enthalpieänderung der Dimerisierung [kJ/mol]
R: Allgemeine Gaskonstante 8,314 J/K·mol
T: Temperatur [K]

Die thermodynamischen Daten in Tabelle 1 zeigen, dass der Aggregationsprozess in Wasser freiwillig, also unter Energiegewinn, abläuft (negatives ΔG_D). Der negative Enthalpiebeitrag (ΔH_D) kann wahrscheinlich mit den π,π-Wechselwirkungen der aromatischen Ringe der AR-Moleküle in einem Stapelaggregat in Zusammenhang gebracht werden. Der positive Entropiebeitrag (ΔS_D) resultiert sehr wahrscheinlich aus einer vermehrten Freisetzung von Lösemittelmolekülen (Wasser) infolge der Aggregation der AR-Moleküle.

Tab.1: Thermodynamische Daten der Aggregation von AR in Wasser.

Statische Lichtstreuung (SLS) von AR in Wasser - ein kurzer Rückblick

Die Grundlagen der statischen Lichtstreuung sind z.B. in [10] nachzulesen. An dieser Stelle zum Verständnis nur so viel, dass in einem statischen Lichtstreuexperiment eine Probe unter einem festen Winkel mit monochromatischem Laserlicht bestrahlt wird und die Lichtstreuintensität an mehreren Winkelpositionen detektiert wird. Hierbei wird eine zeitlich gemittelte Streulichtintensität zur Auswertung verwendet. Die reziproke Intensität bei den verschiedenen Messwinkeln wird dann häufig in Abhängigkeit vom Quadrat des Sinus des Streuwinkels (sin²(θ)) oder vom Quadrat des Streuvektorbetrags (q²) dargestellt (Abbildung 4). Der sin² (θ)-Term korrigiert hierbei das sich Winkel-abhängig ändernde Streuvolumen, so dass dieses für jeden Streuwinkel konstant bleibt.

Schema statischen Lichtstreuung
Abb.4: Schematische Darstellung zur statischen Lichtstreuung.

: Abb.5: Schematische Darstellung
ausgewählter Partikel-Geometrien.

Liegen in der untersuchten Probe Partikel entsprechender Größe und ausreichender Streuintensität vor, dann kann der Partikelformfaktor (P(q)) dieser Objekte experimentell gewonnen werden [11]. Dieser kann wichtige Informationen zur Geometrie der streuenden Partikel liefern. In Abbildung 5 sind drei Geometrien potenzieller Formfaktormodelle skizziert, die prinzipiell für die untersuchten Farbstoffaggregate in Frage kommen.

Abbildung 6 zeigt eine normierte Darstellung experimentell gewonnener Formfaktoren von AR in Wasser sowie in 0,05 M NaCl-Lösung im Vergleich zu drei berechneten Formfaktoren.

Der Trägheitsradius (Gyrationsradius, R_G) liefert durch Multiplikation mit dem Betrag des Streuvektors q = 4·π·n·λ^-1·sin(θ/2) ein dimensionsloses Produkt q·R_G. Hierbei ist n der Brechungsindex des Lösemittels (Wasser, n = 1,33), λ ist die Wellenlänge des verwendeten Lasers (647 nm) und θ ist der jeweilige Streuwinkel. Der Formfaktor P(q) ist ebenfalls dimensionslos.

Abb.6: Normierte Messdaten für 0,5 mM AR in Wasser und 0,25 mM AR in 0,05 M NaCl (markiert als AR*)
mit den Formfaktormodellen für ein polydisperses Knäuel und ein polydisperses flexibles Stäbchen (Wurm).

Eine Darstellung wie Abbildung 6 wird als Holtzer-Plot bezeichnet und bietet den Vorteil, bei hohen Werten von q bzw. q·R_G, ein Plateau bei zylinderförmigen Partikeln kenntlich zu machen [12]. Genau dies ist der Fall für 0,2 mM AR in Gegenwart von 0,05 M NaCl. Es handelt sich hierbei um eine Stäbchen-bzw. Zylinder-förmige Geometrie mit einer Teilflexibilität, die mit dem Wurmmodell nach Koyama [13] beschrieben werden kann. Die experimentell gewonnen Formfaktordaten von AR in Wasser enden jedoch bei kleinen q·R_G-Werten, für die noch kein Plateau zu erkennen ist. Zwar passen sie gut zu einem polydispersen Knäuelmodell, jedoch erscheint ein solches eher unwahrscheinlich, da die Farbstoffaggregate nicht durch kovalente Bindungen zusammengehalten werden, wie z.B. in einem Polymer, sondern allein durch schwächere physikalische Kräfte mit geringerer mechanischer Flexibilität.

Die Daten für 0,5 mM AR in Wasser durchlaufen ein Maximum, das bei etwa q·R_G = 1,7-1,8 liegt. Ein Wert von q·R_G = 1,73 entspricht hierbei einer Polydispersität von M_W/M_N = 2, wenn eine Schulz-Zimm-Verteilung zu Grunde gelegt wird [12]. M_W steht hier für das Massen-gemittelte Molekulargewicht und M_N für das Zahlen-gemittelte.

Nichtdestotrotz belegen diese Daten eindrucksvoll, dass bereits bei einer Farbstoffkonzentration von 0,5 mM (= 500 µM) AR in Wasser aggregiert vorliegt, da Trägheitsradien (R_G) von ca. 90 nm gefunden werden, die deutlich oberhalb von monomeren oder dimeren Einheiten liegen. In Gegenwart von Kochsalz (0,05 M NaCl) erreichen die Trägheitsradien von AR im Konzentrationsbereich von 20 µM bis 250 µM = 0,25 mM sogar 150-200 nm [7]. Hierbei wird in Gegenwart von NaCl die elektrostatische Abschirmung der Farbstoffaggregate durch die Erhöhung der Ionenstärke derart reduziert, dass es zu einem Längen- und Querschnittswachstum kommt (Aggregatbündel mit z.B. 5 oder 7 Molekülen pro Querschnitt), ausgehend von 1-2 Molekülen in Abwesenheit von NaCl [7].

Kleine oder große Objekte?

: Abb.7: Schematische Darstellung eines Dimers mit
Übergangsdipolmomenten M₁ und M₂ im Abstand R_i
zueinander sowie die Gesamtlänge L eines größeren
Farbstoffaggregats, indem sich das Dimer-Motiv
wiederholt. Eine leichte Versetzung der Moleküle
soll der Teilflexibilität Rechnung tragen.

Die UV/VIS-Spektroskopie reagiert empfindlich gegenüber einer elektronischen Störung miteinander wechselwirkender Moleküle, die in einem Dimer, wie in Abbildung 7 dargestellt, angeordnet sein können. Die Lage der Übergangsdipolmomente M₁ und M₂ im Abstand R_i zueinander beeinflussen folglich das UV/VIS-Spektrum einer Farbstofflösung.

Ist das Farbstoffaggregat viel größer als ein Dimer, dann lässt es sich formal aus einer Wiederholung des Dimer-Motivs aufbauen, wobei die kleinste Einheit wahrscheinlich eine mittlere Geometrie der nächsten miteinander wechselwirkenden Einheiten darstellt, gewissermaßen eine Art optische Elementarzelle.

Eine mittlere Geometrie deshalb, weil das in Abbildung 7 dargestellte Dimer selbst auch wieder nächste Nachbarn hat, die in gelber Farbe herausgezeichnet sind und deren Einfluss mit zunehmendem Abstand vom Zentrum vermutlich abklingt.

Die UV/VIS-Spektren lassen sich dann in einigen Fällen noch immer als Monomer-Dimer-Gleichgewichte interpretieren, wenn beispielsweise isosbestische Punkte vorliegen. Diese bestätigen jedoch nur ein Gleichgewicht spektroskopisch unterscheidbarer Spezies [7], die offensichtlich für AR bereits deutlich größer als Dimere sind. Nur zur Orientierung: Für Monomere und auch Dimere von AR liegt R_Glth; 1 nm. Mit Hilfe der statischen Lichtstreuung wird hingegen die gesamte Länge L (Konturlänge) der Aggregate erfasst, wie in Abbildung 7 schematisch verdeutlicht.

Hinweis

Teil 2 des Artikels "UV/VIS-Spektroskopie, dynamische und elektrophoretische Lichtstreuung von AR + CTAB in Wasser" ist am 10.07.2025 auf Analytik NEWS erschienen.

Literatur

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