Wirt-Gast-Komplex β-Cyclodextrin und Phenolphthalein

1. Experiment ist im WACKER-Schulversuchskoffer enthalten	nein
2. Versuchsvorschrift wurde modifiziert	nein
3. Video-Clip verfügbar	ja als wmv oder mov
4. Flash-Animation verfügbar	nein
5. Weitere Materialien: Arbeitsblatt 3

7. Cyclodextrine in der Textilausrüstung

1 Materialien, Chemikalien, Zeitbedarf

Bechergläser (100 mL, 400 mL breite Form)
Waage
Spatel
Magnetrührer
Rührstäbchen
Thermometer
Magnetrührer mit Heizplatte
Ölbad
Aluminiumfolie
Fön
Handschuhe
Pipette

destilliertes Wasser
Eis
β-Cyclodextrin
Natronlauge c = 5 mol*L^-1 C
Cyanurchlorid (2,4,6-Trichlor-1,3,5-triazin) T⁺, C
Baumwollproben (10 cm x 10 cm)
ethanolische Phenolphthalein-Lösung, w = 1% F
Natronlauge c = 0,1 mol*L^-1C

Zur Herstellung der Lösung für die Behandlung der Baumwollproben sollten 10 Minuten eingeplant werden. Die Behandlung der Baumwollproben und der Nachweis für die erfolgreiche Textilausrüstung mit Cyclodextrinen dauern ebenfalls 10 Minuten.

2 Versuchsdurchführung und -beobachtung

Man temperiert 25 mL destilliertes Wasser auf 0° - 5° C und gibt 1,48 g Cyanurchlorid hinzu. Unter Rühren werden langsam 4 mL Natronlauge c = 5 mol*L^-1 zugetropft, wobei die Temperatur nicht über 5° C steigen darf. Bei 5 – 15° C werden weitere 2 mL Natronlauge und 4,54 g β-Cyclodextrin hinzugegeben. Dann taucht man nacheinander die Baumwollproben in die Lösung ein, presst den Stoff in den Händen (Handschuhe tragen!) aus und legt den Stoff zwischen zwei Aluminiumfolie-Streifen. Dieses Päckchen wird auf die Heizplatte gelegt und mit dem auf 150° C erhitzten Ölbad-Topf beschwert. Nach einer Minute nimmt man die Probe heraus und wäscht die Baumwollprobe unter kaltem Wasser aus. Die Probe wird mit dem Fön vollständig getrocknet. Zum Nachweis für die Ausrüstung des Baumwollstoffes mit Cyclodextrin tropft man mit der Pipette einige Tropfen einer alkalischen Phenolphthalein-Lösung auf die Stoffprobe. Zum Vergleich wird auch eine unbehandelte Baumwollprobe mit der Phenolphthalein-Lösung getestet.

Das Cyanurchlorid ist nicht wasserlöslich und schwimmt zunächst auf der Wasseroberfläche. Nach Zugabe der Natronlauge bildet sich zunächst eine Suspension, gibt man auch noch das β-Cyclodextrin hinzu, entsteht eine klare Lösung. Die in der Lösung getränkten Baumwollproben zeigen auch nach der Hitzebehandlung keine sichtbaren Veränderungen. Die magentafarbene, alkalische Phenolphthalein-Lösung entfärbt sich auf den behandelten Baumwollproben, während bei unbehandelten Baumwollproben die rotviolette Farbe deutlich zu erkennen ist.

Abb. 2.30: Nachweis der Ausrüstung von Baumwollstoff mit Cyclodextrinen

3 Versuchsauswertung

Da β-Cyclodextrin nicht reaktiv genug ist, um direkt an die Baumwollfaser gebunden zu werden, wird β-Cyclodextrin zunächst derivatisiert. Als Ankermolekül wird das reaktive Cyanurchlorid verwendet, das in einem ersten Schritt mit Natronlauge umgesetzt wird. In der Reaktion greift das Hydroxid-Ion an einem positiv polarisiertem Kohlenstoff-Atom in dem Cyanurchlorid an. Das Produkt Dichlortriazinyl-Natrium ist deutlich besser wasserlöslich.

Abb. 2.31: Cyanurchlorid wird vor der Reaktion mit β-Cyclodextrin in das Dichlortriazinyl-Natrium-Salz überführt

Unter alkalischen Bedingungen wird ein zweites Chlor-Atom durch ein β-Cyclodextrin-Molekül substituiert.

Abb. 2.32: Das Monochlortriazinyl-β-Cyclodextrin ist reaktiv genug, um mit Hydroxygruppen der Baumwollfaser zu reagieren

Das chlorsubstituierte Kohlenstoff-Atom im Monochlortriazinyl-β-Cyclodextrin ist so stark positiv polarisiert, dass hier eine nucleophile Substitution mit einer Hydroxygruppe aus der Cellulose erfolgen kann.

Abb. 2.33: Unter Wärmezufuhr und Abspaltung von Chlorwasserstoff wird das Cyclodextrin-Derivat an der Cellulose kovalent gebunden

Nachdem man nicht kovalent gebundenes Cyclodextrin aus den Baumwollproben ausgewaschen hat, kann der Stoff getestet werden. Ist die Textiloberfläche mit Cyclodextrin-Molekülen versehen, dann entfärbt sich die alkalische Phenolphthalein-Lösung sofort, da sich ein farbloser Cyclodextrin-Komplex mit dem Phenolphthalein-Dianion bildet.

4 Tipps und Anmerkungen

Wenn man die getränkte Baumwollprobe zwischen Heizplatte und Ölbad erhitzt, kann es zu braunen Verfärbungen kommen, da sich das Cyclodextrin thermisch zersetzt. Dann muss die Zeit der Wärmeeinwirkung verkürzt werden. Einen Anhaltspunkt gibt das Zischen, das aufgrund der Wasserverdampfung zu hören ist. Wenn der größte Teil des Wassers verdampft ist, lässt das Zischen nach und man kann die Stoffprobe aus der Aluminiumfolie nehmen. Die Wärmebehandlung ist notwendig, um das Cyclodextrin-Derivat an der Baumwolloberfläche zu fixieren. Wäscht man nämlich ein in der Cyclodextrin-Lösung getränktes Baumwollstück mit Wasser aus und macht dann den Test mit der Phenolphthalein-Lösung, so bleibt die rotviolette Farbe sichtbar. Auch der Waschvorgang nach der Wärmebehandlung ist wichtig, da dann nicht fixiertes Cyclodextrin abgewaschen wird und den Test mit der Phenolphathlein--Lösung verfälscht. Die gefertigten Baumwollproben können in dem Versuch Maskierung von Zigarettenrauch eingesetzt und auf Funktionsfähigkeit getestet werden.

5 Ergänzende Sachinformationen

In der industriellen Herstellung erfolgt die Ausrüstung mit Cyclodextrinen in einem kontinuierlichen Prozess (siehe Abb. 2.34). Nach der Fixierung der Stoffbahn wird der Stoff in Wasser ausgewaschen und anschließend getrocknet.

Abb. 2.34: Kontinuierliches Verfahren zur Ausrüstung von Baumwollstoff mit Cyclodextrinen

Die funktionalisierten Textilien werden eingesetzt, um unangenehme Gerüche wie Rauch oder Schweiß zu maskieren. Man kann die Textilien aber auch gezielt mit Duftstoffen oder hautpflegenden Substanzen beladen, die dann beim Tragen kontinuierlich abgegeben werden. Bei der Wäsche werden die Gast-Moleküle aus den Cyclodextrin-Molekülen entfernt, so dass die Funktionsfähigkeit als Geruchsabsorber wieder hergestellt ist oder die Cyclodextrin-Moleküle erneut Duftstoffe oder andere Substanzen aufnehmen können.

6 Literatur

Wacker Chemie AG; Beta W7 MCT – New ways in surface modification (www.wacker.com/internet/webcache/de_DE/PTM/BioTec/Cyclodextrins/ Derivatives/mct-new_ways.pdf)
Tausch, M.; von Wachtendonk, M.; Chemie 2000+ Band 3; C.C. Buchner Bamberg, 2005, S. 128-129
Buschmann, H.-J.; Frische Brise aus der Kneipe; WACKER WORLD WIDE CORPORATE MAGAZINE 3-01, 2001, 14-17
Knittel, D.; Thoms, G.; Buschmann, H.-J., Schollmeyer, E.; Melliand Textilberichte; 6, 2005, 463-464
Woyke, A.; „Cyclodextrine“ – Molekulare Zuckertüten. Ein Chemie-Praktikum für die 13.Klasse (www.science-forum.de/download/Cyclo-praktikum.pdf)