Kleuren zien

1993 • Kleuren zien
30
Het is zonder twijfel een van de mooiste stukjes scheikunde die er zijn: de
chemie van kleurstoffen. Bijna oneindig lijkt de variatie in kleurstoffen bij
bloemen, fruit, vlinders en gesteenten.
En bij de mens zelf: mensen met een
donkerbruine huid, een lichtroze huid,
blauwe ogen of bruine ogen, zwart
haar of blond haar. Al eeuwen lang
probeert de mens dat nog verder te
verfraaien met make-up en haarverf,
maar vooral met kleurige kleding.
Dankzij de scheikunde is dat nu op
grotere schaal mogelijk dan ooit.
De enorme vraag naar goed hechtende en goedkope textielkleurstoffen
is in de 19de eeuw de motor geweest
achter de stormachtige groei van de
scheikunde.
Hoe sterk kleur en scheikunde met
elkaar zijn verweven, blijkt uit het
feit dat een bespreking van kleur en
kleurstoffen vanzelf een overzicht oplevert van de verschillende atoommodellen die in de scheikunde een grote
rol spelen of hebben gespeeld.
Indigo
Spijkerbroekenblauw, of indigo, is
waarschijnlijk de meest populaire kledingkleurstof. Het is tegelijk een van
de langst bekende kleurstoffen, want
al in de oudheid wisten de Indiërs dat
uit de bladeren van de indigoplant,
de indigofera tinctoria, deze kleurstof
te winnen was. De hoeveelheid indigo
die gemaakt kon worden, bleef vrij
klein, en de prijs dus hoog. Pas in de
koloniale tijd werd de kleurstofproductie groots aangepakt. Vooral in
India en Zuid-Amerika werden veel
indigoplantages aangelegd.
Het winnen van de indigo uit de indigoplanten is erg arbeidsintensief. De
planten moeten na het oogsten een
tijdlang geweekt worden totdat ze
gaan rotten. Een gele kleurstof gaat
dan in oplossing en onder invloed
van zuurstof uit de lucht wordt uiteindelijk het blauwe indigo gevormd.
Aan het eind van de 19de eeuw waren
alleen al in India honderdduizenden
boeren bij de teelt van indigo betrokken, en werden de planten door tienduizenden arbeiders verwerkt.
31
199
3
VU
cam
pus
indigo
gereduceerd indigo
Tyrisch purper
Vanaf 1865 waren in Duitsland enkele
firma’s bezig met de ontwikkeling van
een manier om in het laboratorium
indigo te maken. Dat bleek niet mee
te vallen. Het kostte alleen al dertien
jaar onderzoek om de structuurformule van indigo vast te stellen. Er
werd onvoorstelbaar veel geld en
energie in het onderzoek gestoken,
zo overtuigd was men dat een geslaagde synthese een fortuin op zou
leveren. In 1896 had men succes: na
dertig jaar hadden onderzoekers bij
BASF een winstgevende manier gevonden om indigo te maken. Al snel
verdiende het bedrijf kapitalen aan de
synthetische indigo terwijl in India de
indigoteelt instortte. Binnen enkele
jaren waren de indigoplantages verlaten en duizenden werkloos.
Van koninklijk purper to haarverf
Mooi en fel gekleurde kleding, zoals
we die nu kennen, is nog maar betrekkelijk kort voor de gemiddelde
burger betaalbaar. Van de oudheid,
de middeleeuwen en de tijd tot zo’n
anderhalve eeuw geleden, moeten we
ons geen al te kleurige voorstelling
maken. De meeste dagelijkse kleding
had nauwelijks kleur: bruin, naturel of
wat wazig groen. Dat had een groot
voordeel: aan de kleur was niet te zien
of het kledingstuk ooit gewassen was.
Alleen de adel en de geestelijkheid
konden zich fel gekleurde kleding
permitteren. Beroemd was in de oudheid Tyrisch purper dat uit slakken
werd gewonnen. Toen een onderzoeker in 1909 nog wat Tyrisch purper
maakte, kreeg hij al snel in de gaten
hoe duur deze stof geweest moest
zijn: 12000 purperslakken (Murex
brandaris) leverden maar 1,4 gram
kleurstof. Gelukkig was dat voldoende om de structuurformule van
de stof te bepalen. Dat leverde een
verrassing op: het bleek gewoon een
indigomolecuul te zijn met daaraan
twee broomatomen. De duurste koningsmantels in de oudheid bleken
dus geverfd te zijn met een kleurstof,
nauw verwant aan de kleurstof van
onze tegenwoordige spijkerbroeken.
Daarbij viel de kleur van Tyrisch purper nogal tegen: de ‘koninklijke kleur’
bleek lang zo mooi niet als die van
veel synthetische kleurstoffen.
De ontdekking en grootschalige
productie van synthetische kleurstoffen begon in 1856 met een mislukte
scheikundeproef. In dat jaar probeerde William Perkin, een Engelse
scheikundestudent die in Duitsland
studeerde, tijdens zijn vakantie in
Londen uit aniline het geneesmiddel
kinine te maken. Maar helaas, zijn
proef mislukte. In plaats van kinine
kreeg hij een paarsblauwe prut. Dat
proeven mislukten was in die tijd
heel normaal. De grote verdienste
van Perkin was, dat hij de rommel
niet weggooide, maar ging testen als
verfstof. Het bleek prima aan textiel
te hechten. Omdat hij een goed practicumverslag had bijgehouden had hij
nu in plaats van een geneesmiddel,
het recept voor de eerste synthetische
kleurstof in handen: mauveïne zoals
hij het noemde.
Dit was het begin van een nieuw tijdperk. Perkin wijdde zich verder aan
het bouwen van fabrieken om meer
van deze en soortgelijke stoffen te
maken. Goede en goedkope anilinekleurstoffen veroverden de wereld.
Langzamerhand ontstond de kleurrijke samenleving die we nu kennen.
Perkin kreeg een ridderorde en werd
al gauw schatrijk.
Niet alleen zijn de laatste anderhalve
eeuw talrijke nieuwe kleurstoffen ontdekt, maar ook werd duidelijk hoe de
hechting aan textielvezels tot stand
komt. Immers, een kleurstof kan pas
op textiel gebruikt worden, als hij
goed aan de vezel hecht.
Van enkele processen die al sinds de
oudheid worden gebruikt, is nu de
scheikundige achtergrond duidelijk.
Indigo zelf bijvoorbeeld, is onoplosbaar en hecht niet aan de buitenkant
van vezels. Verven met indigo kan
dus niet: het textiel komt vrijwel
kleurloos uit het verfbad. Maar wel
kan de indigo met een reductor omgezet worden in een goed oplosbare
gele stof (twee keton groepen worden
daarbij veranderd in polaire hydroxygroepen). Met die stof kun je heel
goed textiel verven. Het wordt dan
geel. Wanneer de vezel doordrenkt is
met deze stof, kan met een oxidator
zoals zuurstof de onoplosbare blauwe
indigo weer teruggevormd worden.
Dit zit dan opgesloten binnen in de
vezels. Beschadiging van de vezels
vooral bij ‘stone-washing’ is funest,
de indigo spoelt voor een deel weg en
de stof wordt bleker.
Andere kleurstoffen hechten zich aan
de vezel met waterstofbruggen of
ionbindingen, of gaan een reactie aan
met de vezel. Verschillende soorten
vezels kunnen hierbij andere kleurresultaten geven. Zo hechten zure of
basische kleurstoffen soms beter aan
wol (een eiwitvezel met veel geladen
groepen) dan aan katoen, dat een
cellulosevezel is. Vaak wordt gebruik
gemaakt van een zogenaamd bijtmiddel. Dat is een metaal-zout met meerwaardig positief geladen metaalionen,
zoals ijzer, tin en chroomionen. Deze
ionen hechten zowel aan de vezel als
32
aan de kleurstof. Door de reactie met
de kleurstof verandert bovendien de
kleur, zodat soms mooiere en fellere
kleuren ontstaan.
Kleur in het haar
Perkins’ ontdekking bracht ook
nieuwe mogelijkheden voor de kappers. Tot dan toe waren voor het
kleuren van haren plantaardige stoffen gebruikt zoals indigo, kamille en
henna. Deze laatste stof wordt nog
steeds toegepast: gecombineerd met
metaalzouten is een grote variatie
aan kleuren te maken. De ontdekking van anilinekleurstoffen zorgde
voor nieuwe en betere haarverven. De
gewenste kleurstof wordt in het haar
gevormd (ontwikkeld zegt de kapper)
door reactie van aniline-achtige stoffen met waterstofperoxide. Door deze
reactie worden grotere moleculen
gevormd die het haar niet meer kunnen verlaten, zodat het haar blijvend
een nieuwe kleur heeft.
Een kleurige E-nummerparade
Vrijwel iedereen zal ze kennen: Smarties, die fel gekleurde snoepjes waar
de meeste kinderen dol op zijn. Een
bonte verzameling kleurstoffen, met
een aantal mooie voorbeelden van
de kleurstoffen die zoal in Nederland
toegestaan en gebruikt worden. Op
de verpakking van Smarties staat een
hele rij E-nummers. Een wijdverbreid
misverstand is dat E-nummers op
synthetische, dus niet-natuurlijke
stoffen zouden wijzen. E 162 bijvoorbeeld is de rode kleurstof die in rode
bietjes voorkomt. In worteltjes komt
van nature E 160a voor, in paprika’s
E 160c en in spinazie zitten grote
hoeveelheden E 140. Deze kleurstoffen behoren tot de groep van de natuurlijke kleurstoffen. Vooral de rode
paprikakleurstof E 160c wordt vaak in
voedingsmiddelen als kleurstof toegevoegd. Ook het toevoegen zelf kan op
een ‘natuurlijke’ manier: als de consument graag oranje eierdooiers in
het ei wil, worden die door de kip op
bestelling geleverd als er in het kippevoer paprikapoeder is bijgemengd.
Een tweede groep kleurstoffen wordt
gevormd door de natuuridentieke
kleurstoffen. Dit zijn kleurstoffen die
in de natuur voorkomen, maar die
zuiverder of goedkoper synthetisch
kunnen worden nagemaakt. Caroteen,
het hierboven al genoemde worteltjesgeel, kan uit worteltjes worden
geëxtraheerd, maar het kan ook in
het laboratorium worden gemaakt.
In feite zijn natuurlijke stoffen en
natuur-identieke stoffen gelijk, maar
verontreinigingen zorgen toch vaak
voor geringe verschillen. In natuurlijke stoffen zitten bijvoorbeeld meestal
33
nog resten van andere stoffen en van
oplosmiddelen die voor de extractie
zijn gebruikt.
De derde groep kleurstoffen bestaat
uit natuurlijke stoffen waarvan de moleculen een beetje veranderd zijn om
andere of betere kleuren te krijgen.
Een voorbeeld is de groene kleurstof
E 141. Deze is afgeleid van chlorofyl
zoals dat in haast alle groene planten
voorkomt. Als kleurstof is chlorofyl
niet zo geweldig geschikt omdat het
onder invloed van licht of warmte
geleidelijk ontleedt. De kleur vervaagt
dan. Midden in dat chlorofylmolecuul
zit een magnesium-ion. Als je dat vervangt door een koper-ion, dan wordt
de kleur veel intenser, en is het molecuul stabieler. Wie in Engeland wel
eens doperwtjes uit blik heeft gezien,
weet hoe fel groen deze kleurstof is.
Caramel is een ander voorbeeld van
een iets gewijzigd natuurlijk molecuul. Het wordt gemaakt door het
voorzichtig verhitten van suiker.
Probeer zelf maar eens om thuis
caramelvla te maken van suiker. Het
blijkt dan erg lastig te zijn om precies
de mooie lichtbruine kleur te krijgen.
Omdat de grondstof erg goedkoop is,
en er nauwelijks beperkingen voor het
gebruik van caramel zijn, is het inmiddels verreweg de meest gebruikte
voedingskleurstof: E 150. Meer dan
95 massa-% van alle toegevoegde voedingskleurstoffen is caramel!
Omdat caramel erg vertrouwd klinkt,
hebben de meeste mensen daar gevoelsmatig veel minder moeite mee
dan met geheel synthetische kleurstoffen. Scheikundig gezien geldt
eerder het omgekeerde: synthetische
kleurstoffen zijn zuivere stoffen die
buitengewoon grondig getest en
onderzocht zijn, terwijl caramel een
mengsel is van allerlei niet of nauwelijks onderzochte stoffen. Bovendien
wordt bij het maken van caramel in
de industrie, aan de suiker vaak een
klein beetje ammoniumcarbonaat
en een sulfiet toegevoegd voor nog
betere kleuren. Het stikstof- en het
zwavel-atoom in deze stoffen kunnen
mee-reageren tijdens het caramelliseren, en daardoor zijn in dit soort caramel moleculen aangetroffen die er
niet echt vertrouwenwekkend uitzien.
Vooral in cola wordt dit soort caramel
ver werkt.
De vierde groep kleurstoffen omvat
de synthetische kleurstoffen. De bekendste hiervan is tartrazine. Dit is
een veel toegepaste, maar ook een
nogal omstreden felgele kleurstof.
Het is een azo-kleurstof, dat betekent
dat in het molecuul een stikstof-stikstof dubbele binding voorkomt. De
kritiek op vooral tartrazine richt zich
op allergie (overgevoeligheid) voor de
stof en op het veroorzaken van hyperactiviteit bij kinderen.
Overgevoeligheid van tartrazine blijkt
bij ongeveer 0,05% van de mensen
voor te komen. Dit getal zegt alleen
iets als je het vergelijkt met de overgevoeligheid voor eieren, koemelk,
vis, tomaten en aardbeien. Hiervoor
blijkt ongeveer 20% van de mensen
overgevoelig te zijn! Net zoals mensen die overgevoelig zijn voor aardbeien beter geen aardbeien kunnen
eten, moeten mensen die overgevoelig zijn voor tartrazine, oppassen voor
E 102. Gelukkig is het tegenwoordig
verplicht om op alle voedingsmiddelen met toegevoegde kleurstoffen te vermelden welke kleurstoffen
zijn gebruikt.
Tartrazine is ook in opspraak gekomen doordat het bij kinderen hyperactiviteit zou veroorzaken. Inderdaad
is in een klein aantal gevallen een
verband tussen hyperactiviteit en tartrazine aangetoond, maar tot nu toe
alleen in combinatie met het gebruik
van conserveermiddelen. Een beperking van felgekleurd snoepgoed kan
zeker geen kwaad voor hyperactieve
kinderen, maar dat geldt ook voor
andere kinderen. Wel blijkt dan al snel
hoe moeilijk het is om voedingsmiddelen te vinden waar helemaal geen
kleurstoffen aan zijn toegevoegd.
Kleurenblind
Knalrood is geen stemmig grijs
John Dalton, een Engelse chemicus,
stelde in de 18e eeuw zijn beroemd
geworden atoomtheorie op: alle
enkelvoudige stoffen (elementen)
bestaan uit atomen, en alle samengestelde stoffen (de verbindingen)
bestaan uit moleculen. Ideaal was die
theorie niet, want waarom verschillende atoomsoorten samen moleculen
vormen en wat de atomen in moleculen bij elkaar houdt, kon zijn theorie
niet verklaren. Toch heeft zijn atoomtheorie een enorme invloed gehad.
Bij zijn tijdgenoten was Dalton niet
alleen bekend om zijn atoomtheorie.
Veel opvallender was dat hij kleurenblind was. Op begrafenissen waarbij iedereen in stemmig grijs of zwart
verscheen, kon hij in knalrode kleren
komen. Daarmee maakte hij meer
indruk dan met z’n atoomtheorie.
Het bleek dat hij geen rood kon zien.
Hij schaamde zich daar helemaal niet
voor, maar ging vol enthousiasme
het verschijnsel kleurenblindheid onderzoeken en schreef er een dik boek
over.
Ik zie, ik zie.... wat jij niet ziet
Inmiddels weten we dat kleurenblindheid veel voorkomt, 8% bij mannen en
1% bij vrouwen. De meesten zijn roodkleuren-blind, sommigen zijn groenkleurenblind en heel zeldzaam is
blauw-kleurenblindheid. Dit betekent
dat gemiddeld in elke schoolklas één
leerling zit die kleurenblind is. Doordat kleurenblinden nuanceverschillen
kunnen zien die anderen niet opvallen, zien ze in bijgaand plaatje een
ander getal dan de meesten.
Kleurenzienden kunnen dat andere
getal slechts met grote moeite zien.
Dat past uitstekend bij de moderne
inzichten over de werking van het
oog. Als je ergens naar kijkt, vallen
de lichtstralen van dat voorwerp achterin het oog op het netvlies. Daarin
zitten drie soorten kegelvormige
cellen, die elk of voor rood, of voor
groen of voor blauw licht gevoelig
zijn. Bij kleurenblinden werkt een
van deze soorten cellen niet. Als het
donker wordt, vervagen de kleuren
omdat de kegelvormige cellen ophouden met werken. Gelukkig bezit
ons netvlies ook nog staafvormige
cellen. Die zijn bij schemering actief.
Staafjes zijn meer dan honderd maal
gevoeliger dan kegeltjes, maar spelen
geen rol bij kleuren zien. Een staafje
is zo gevoelig, dat het kan reageren
op één enkel foton, dat is de kleinste
hoeveelheid licht die er bestaat. Staafjes raken dan ook snel overbelast.
Overdag, als er veel licht is, zijn ze
nauwelijks werkzaam. Dan spelen ze
alleen nog een rol in het ‘perifere’
gezichtsveld, het zien-van-opzij.
Ik zie, ik zie, wat ik niet zie
Hoe komt het zien nu tot stand? Dat
is tegelijk erg moeilijk en erg boeiend: vanaf de oudheid hebben bijna
alle filosofen erover nagedacht en
hebben alle natuuronderzoekers het
onderzocht. Dalton was beslist niet
de enige. Het is het te gemakkelijk
om te denken dat een plaatje van
wat je ziet (op dit ogenblik dus deze
letters) als een soort film naar je hersenen gaat om daar bekeken te worden. Dat gebeurt niet: al in het oog
worden de signalen voorbewerkt. Als
een netvliescel hetzelfde ziet als een
naburige cel, wordt vrijwel niets doorgegeven, maar als hij iets verschillends ziet, wordt er een extra signaal
meegegeven. Hetzelfde gebeurt in de
tijd: als de cel hetzelfde ziet als even
daarvoor dooft het signaal uit, een
veranderend signaal wordt versterkt.
leder weet dat uit de natuur: een
dier dat door de kleur niet opvalt is
onzichtbaar totdat het zich beweegt.
Hoeveel invloed de hersenen op het
34
zien hebben, wordt prachtig geïllustreerd door de proef met de blinde
vlek. De blinde vlek is de plaats waar
de gezichtszenuw het oog verlaat,
daar is het netvlies ongevoelig. Als
je met het rechter oog op leesafstand
naar het kruisje kijkt, komt de ronde
cirkel op de blinde vlek en wordt onzichtbaar. Je ‘ziet’ nu de zwarte kleur
op de plaats waarvan je weet dat er
wit is. Als je daarna een potlood of
iets anders langwerpigs op de witte
cirkel legt, zie je het hele voorwerp,
dus ook het stukje op de witte cirkel
dat je niet kunt zien. Je hersenen vullen het ontbrekende kennelijk zelf
aan: je ziet iets wat je beslist niet
zien kunt. Daarom zie je normaal de
blinde vlek ook niet: de hersenen vullen de ruimte zelf in, zoals ze dat ook
doen met alle gebieden die niet veranderen of waar niet veel bijzonders
opvalt. Je zou kunnen zeggen dat veel
van wat je ziet, een fantasie van de
hersenen is.
De zenuwcellen van de gezichtszenuw
transporteren dus allerlei signalen
naar de hersenen, maar hoe worden
deze zenuwen geprikkeld ? Dat kan
alleen maar door een scheikundige
reactie gebeuren. Na lang zoeken is
inmiddels duidelijk welke reactie het
is.
Het blijkt een reactie te zijn die al bekend was van tomaten- en worteltjeskleurstoffen. Daarin zit een gele
kleurstof die door bestraling tijdelijk
kan veranderen in een rode kleurstof.
De ruimtelijke structuur aan weerskanten van een dubbele binding verandert daarbij. De scheikunde heeft
voor die verschillende structuren de
woorden cis en trans bedacht.
In het oog gebeurt precies hetzelfde
met een molecuul dat erg veel op
deze tomaten- en worteltjeskleurstof
lijkt en retinal heet. In dit retinal zitten dubbele bindingen. Een dubbele
binding is niet vrij draaibaar zoals
een gewone binding: dat wordt veroorzaakt door twee extra elektronen in die dubbele binding. Als het
molecuul geraakt wordt door een
lichtstraal (een foton), verliezen deze
bijzondere elektronen even hun taak
uit het oog, zodat de binding een
halve slag kan draaien voordat hij
weer vastgezet wordt. Hierdoor krijgt
het molecuul een heel andere vorm:
de bocht in het molecuul gaat er uit
en het molecuul strekt zich. Door de
vormverandering van retinal verandert
ook de vorm van het eiwit waar het
retinal aan vast zit. De kettingreactie
die hiervan het gevolg is, zorgt voor
het in gang zetten van het zenuwsignaal. Daarna remt het proces zichzelf
en wordt de beginsituatie weer her35
steld. Deze terugreactie gaat vrij langzaam: na vijf minuten is de helft van
alle geraakte retinalmoleculen weer
teruggevormd, na een half uur vrijwel
alles. Deze snelheid is mooi te meten
als je even in de zon kijkt. Bijna alle
cellen in het getroffen gebied op het
netvlies zijn dan aangeslagen, en kunnen niets meer waarnemen totdat het
oorspronkelijke retinal weer teruggevormd is.
Lasers en kleurstoffen tegen kanker
Bij de Faculteit Scheikunde wordt veel
onderzoek met licht gedaan in het
Lasercentrum van de Vrije Universiteit. Er staat een groot aantal lasers:
indrukwekkende lichtkanonnen op
zware luchtgeveerde tafels, maar ook
veel kleinere. Een van de onderzoekers die daar werken is Arjan Mank.
Hij werkt met diode-lasers, waarvan
er vijf in een lucifersdoosje gaan.
Heel praktisch vindt hij deze kleine
lasers, met een kleine aanpassing
kun je ze zo aan een 9-volts batterij
schakelen en ze hebben waarschijnlijk
een levensduur van 20 jaar of langer.
Ze geven een prachtige rode lichtstraal. Dalton had deze kleur met z’n
kleurenblinde ogen niet kunnen zien
en met zijn atoommodel niet kunnen
verklaren.
Arjan legt snel uit hoe een laser
werkt: “Als je je een atoom voorstelt
zoals Bohr dat deed, draaien er om
de atoomkern elektronen in vaste
banen, op verschillende afstanden
van de kern. Als een elektron zich
door verhitting of bestraling tijdelijk
te ver van de kern waagt, valt het al
snel weer terug naar de baan waar
het in thuis hoort. Bij dat terugvallen straalt het elektron licht uit met
een kleur die kenmerkend is voor
het soort atoom waarbij het gebeurt.
Groen en rood Bengaals vuur, maar
ook gele straatlantaarns komen zo
aan hun karakteristieke kleuren: door
respectievelijk barium-, strontium- en
natriumatomen.
Einstein voorspelde aan het begin van
de 20ste eeuw al dat sommige elektronen ook anders vanuit een hoge baan
kunnen terugvallen. Soms wacht een
elektron even op een zetje van een
cis-retinal
trans-retinal
langskomende lichtstraal met precies
de juiste kleur. Het licht dat nu uitgezonden wordt, heeft dezelfde kleur
en richting als de langskomende lichtstraal. Die wordt dus versterkt. Als
er maar genoeg elektronen zijn die
op dat zetje zitten te wachten, kan
de lichtstraal uitgroeien tot een felle
lichtbundel.
Bekend is de helium-neonlaser,
die onder andere in de streepjescode-lezer zit bij de kassa van de
supermarkt. Of de diodelaser die in
CD-spelers de gegevens van een CD
leest. Deze laatste zendt vaak infrarood licht uit dat niet te zien is. Sinds
enige tijd zijn er ook diodelasers die
rood licht uitzenden; dit zijn de lasers
waar Arjan Mank zijn onderzoek mee
doet.
ftalocyanine
Kankerbestrijding met kleurstoffen
Arjan verricht een promotieonderzoek binnen de vakgroep Analytische
Chemie. Hij houdt zich bezig met
ftalocyaninen, blauw gekleurde stoffen die gebruikt kunnen worden bij
kankertherapie. De structuur van een
ftalocyaninemolecuul lijkt wel wat op
heem in een hemoglobinemolecuul.
Ftalocyanine absorbeert rood licht.
Dat is te zien op bijgaande foto, waar
een laserstraal valt op een vaatje met
een ftalocyanine-oplossing. De rode
straal wordt duidelijk zwakker in de
vloeistof. Door absorptie komen er
elektronen in het ftalocyaninemolecuul in een te hoge baan, maar bij het
terugvallen hebben die elektronen
een heel merkwaardige eigenschap.
Ze kunnen hun teveel aan energie aan
zuurstof afgeven, dat daardoor in een
bijzondere, actieve toestand raakt die
schadelijk is voor lichaamscellen. Die
worden vernietigd, en als dat kankercellen zijn, is dat ook de bedoeling.
Deze zogenaamde ‘fotodynamische
therapie’ bestaat uit het inbrengen
van ftalocyaninen in of zo dicht mogelijk bij het gezwel, gevolgd door
bestraling met rood licht. Daarvoor
is erg veel rood licht nodig, zodat je
daarvoor het best een rode laser kunt
gebruiken. De therapie werkt vooral
bij tumoren die in of dicht onder de
huid liggen. Helaas is de therapie nog
niet volmaakt. Zo zijn de toegepaste
ftalocyaninen in de praktijk nog vaak
mengsels van isomeren, waarvan de
ene vorm beter werkt dat de andere.
Maar welk isomeer werkt het best? En
hoe zijn die isomeren te herkenen?
Het onderzoek van Arjan Mank hoopt
niet alleen de vragen rond de ftalocyaninen te beantwoorden, maar ook de
praktische problemen hoe het moet
na afloop van de therapie. Ftalocyaninen zijn niet giftig, maar worden
slechts langzaam uitgescheiden en
niet afgebroken. Ze blijven dus lang
in het lichaam aanwezig. Ook als het
niet meer nodig is, kan de stof actieve
zuurstof blijven produceren, bijvoorbeeld gestimuleerd door zonlicht. En
na vernietiging van de kankercellen
worden dan ook gezonde cellen aangetast.
De huidige praktijk is dat medici direct na afloop van de therapie stoffen
toedienen om geproduceerde actieve
zuurstof weg te vangen. Dat is niet de
mooiste oplossing voor het probleem.
Het zou veel beter zijn als iemand een
methode zou vinden om de kleurstof
weer vlot uit het lichaam te krijgen, of
een afbreekbare stof kan maken met
vergelijkbare eigenschappen.
Een goede detectiemethode voor de
afzonderlijke ftalocyaninen is hierbij
een eerste vereiste, en dat heeft dan
ook Arjan’s eerste aandacht. Daarna
kan hij uitzoeken welk isomeer wat
doet. Uiteindelijk kunnen dan onderzoekers van de afdeling farmacochemie samen met medici uitzoeken wat
de meest geschikte kleurstoffen zijn
voor deze therapie.
Elektronenwolken
Veel stoffen hebben een kleur, maar
dat wil nog niet zeggen dat de kleinste onderdelen van die stof (atomen,
moleculen of ionen) ook een kleur
hebben. Een los goud-atoom is niet
goudkleurig, de kleur ontstaat pas
als er een grote hoeveelheid goudatomen bij elkaar in een stukje goud
zitten.
Anders is dit bij gekleurde
koolstofverbindingen zoals indigo,
caroteen en tartrazine. De kleuren
hangen hierbij niet van het kristal
af, maar het molecuul is zelf verantwoordelijk voor de kleur. Hoe komen
deze moleculen aan hun kleur? Neem
indigo. Waarom is indigo blauw?
Dat is een gemakkelijke vraag, maar
het antwoord is nogal ingrijpend. Het
vraagt om een heel nieuw atoommodel. Vrijwel iedereen leert op school
het atoommodel zoals Bohr zich dat
in het begin van de 20ste eeuw voorstelde: een atoom bestaat uit een
kern, en daaromheen draaien zeer
snel een aantal elektronen in banen
op bepaalde afstanden van de kern.
Voor een los atoom is dit een prachtig
model, maar voor moleculen is het
minder geschikt. Want elektronen
verzorgen ook de bindingen tussen
de atomen in een molecuul, en die
bindingen draaien helemaal niet rond
een kern, ze hebben een min of meer
vaste plaats tussen twee of meerdere
atoomkernen.
Na Dalton en Bohr moet het atoommodel dus opnieuw aangepast worden. We denken ons de elektronen
36
liever in elektronenwolken, die soms
een gewone bolvorm hebben, maar
vaak ook heel interessante vormen
zoals halters, of druppels die allemaal naar verschillende kanten ‘vallen’. Hiernaast zijn enkele wolken
getekend. Die zien er heel anders uit
dan de vertrouwde elektronenbanen
van Bohr. Een atoombinding tussen
twee atomen in een molecuul stellen
we ons dan voor als twee elektronenwolken, van elk atoom één, die
naar elkaar toe gericht zijn en met
elkaar zijn versmolten. Deze gemeenschappelijke wolk heet nu een atoombinding. Het zijn de streepjes die je in
elke structuurformule ziet staan. Voor
de stevigheid van de moleculen zijn
ze heel belangrijk, maar voor de kleur
van de moleculen niet.
Bijzondere pi-elektronen
Voor de kleur zijn andere elektronen
van belang: bijzondere elektronen die
niet zijn betrokken bij gewone bindingen. Ze zitten bijvoorbeeld vaak
in stikstofatomen. Het stikstofatoom
in ammoniak (NH3) heeft drie elektronen nodig voor de gewone bindingen
met de waterstof-atomen maar houdt
daarna nog twee bijzondere elektronen over, die het bijvoorbeeld kan
gebruiken om de extra H in NH4+ te
binden. Ook zuurstofatomen bezitten
bijzondere elektronen. Verder komen
ze altijd in dubbele bindingen voor:
één binding daarin is een gewone
atoombinding maar de tweede, extra
binding wordt gevormd door deze
bijzondere elektronen. Omdat deze
bijzondere elektronen niet mee doen
aan de gewone bindingen, zitten ze
ook niet tussen de atomen in het molecuul, maar in elektronenwolken er
onder en er boven.
Als je ruimtelijke molecuulmodellen
van kleurstoffen bekijkt, zie je dat
het grote moleculen zijn. Bovendien
zijn ze vlak en zitten er opvallend
veel dubbele bindingen in. Daardoor
hebben bijna alle atomen in het molecuul van die bijzondere elektronen.
Scheikundigen noemen deze elektronen vaak pi-elektronen. In kleurstofmoleculen zorgen ze ervoor dat het
molecuul netjes vlak blijft. In het
indigo-molecuul is dat goed te zien:
als je alle atomen met pi-elektronen
zou inkleuren, kun je vrijwel het hele
molecuul kleuren. Alleen aan de rand
zitten waterstofatomen die niet meedoen. Voor de rest zijn het allemaal
koolstofatomen met een dubbele binding, zuurstof- en stikstofatomen.
37
Broodjes Hamburger
Al deze pi-elektronen zitten niet tussen de atomen in het vlak, want daar
zitten immers de gewone atoombindingen, maar vooral in wolken
onder en boven zo’n vlak molecuul.
Deze wolken kunnen met elkaar
versmelten en er ontstaat één grote
elektronenwolk. Een kleurstofmolecuul lijkt daardoor een beetje op een
broodje hamburger: alle atomen en
gewone bindingen zitten in de hamburger, en de pi-elektronen verzamelen zich in de broodjes daaronder en
daarboven. Als het broodje nu maar
groot genoeg is, kunnen de pi-elektronen daarin iets dat de strak gebonden elektronen in de hamburger zelf
niet kunnen: een beetje energie uit
zichtbaar licht absorberen. De pi-elektronen zitten minder vastgebonden
dan de elektronen die voor de bindingen zorgen, ze zijn beweeglijker en
kunnen met licht dat een geschikte
kleur heeft mee gaan trillen. Daarbij
absorberen ze deze kleur licht.
Bij het indigo-molekuul is geel licht
daar erg geschikt voor: geel licht
wordt door de pi-elektronen geabsorbeerd. Als wit licht op een indigo-molekuul valt, wordt alles teruggekaatst
behalve het gele licht. Dat teruggekaatste licht ziet er dan blauw uit.
Indigo-blauw.
Kleurstofmoleculen zijn dus makkelijk
te herkennen: grote moleculen met
een groot ononderbroken gebied in
het molecuul waar alle atomen over
deze bijzondere pi-elektronen beschikken. Die zorgen er voor dat het
molecuul vlak blijft, en geven door
lichtabsorptie het molecuul een kleur.
Niet alleen textielkleurstoffen zijn zo
te herkennen: ook indicatoren hebben dergelijke moleculen. Een van de
bekendste zuur/base indicatoren is
fenolftaleïne. Dit heeft een prachtige
paars-rode kleur, maar met een zuur
kun je een koolstofatoom midden in
het molecuul van z’n pi-elektronen
beroven. Dat heeft dramatische gevolgen, want daardoor kunnen deze
elektronen niet langer meehelpen om
het molecuul vlak te houden. Twee
grote stukken van het molecuul kantelen en draaien weg uit het vlak. Er
is niets meer van dat mooie hamburgermodel over, en het molecuul is op
slag kleurloos.
fenolftaleïne (paars)