Chimica organica/Colore

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Introduzione[modifica]

Una onda elettromagnetica è caratterizzata da una energia che è inversamente proporzionale alla sua lunghezza d'onda. Le onde elettromagnetiche risultano visibili, e vengono interpretate dall'occhio umano come "colori", quando hanno una lunghezza d'onda compresa tra i 700 (rosso) e i 400 nanometri (viola). Una sostanza risulta colorata al nostro occhio quando assorbe alcune onde elettromagnetiche visibili che la colpiscono, riflettendo le altre. Il colore è dato da queste ultime. L'assorbimento di una onda elettromagnetica da parte di una molecola avviene quando questa subisce una trasformazione che richiede tanta energia quanta quella che caratterizza l'onda. Tipicamente la trasformazione che può subire una molecola e che richieda energie simili a quelle che caratterizzano le onde elettromagnetiche visibili è l'eccitamento degli elettroni, cioè il loro pasaggio da orbitali a bassa energia ad orbitali ad energia più alta. Un caso interessante di eccitamento di elettroni è quello che riguarda gli elettroni dei legami π coniugati. Infatti più ampio è il sistema di doppi legami coniugati, più facile risulta l'eccitamento degli elettroni, maggiore sarà la lunghezza d'onda delle onde elettromagnetiche assorbite a causa di tale eccitamento elettronico. Esiste dunque un nesso tra lunghezza del sistema di doppi legami coniugati che caratterizza una molecola e il suo colore. Ecco alcuni esempi che mettono in luce l'esistenza di questo nesso.

Colore e pH: gli indicatori acido-base[modifica]

La fenolftaleina è un indicatore acido/base, ovvero una sostanza il cui colore dipende dal pH al quale si trova. Al di sotto di pH 8.2 e' incolore, al di sopra di pH 9.8 e' violacea.
  • Questo significa che al di sopra di pH 9.8 ...

gli elettroni sono in grado di passare da una condizione energeticamente favorita ad una sfavorita tra le quali esiste una differenza di energia identica a quella che caratterizza un'onda elettromagnetica di colore viola

  • ... e significa anche che al di sotto di pH 8.2

le condizioni nelle quali si possano trovare gli elettroni sono diverse rispetto a quelle esistenti a pH 9.8 e, in particolare, non esistono condizioni la cui differenza di energia sia quella tipica delle onde elettromagnetiche di colore viola.

È intuibile che responsabile di questo comportamento dipendente dal pH sia il distacco di uno o entrambi gli idrogeni dagli OH, che si verifica proprio tra pH 8.2 e 9.8. Infatti la coppia di elettroni in più che si viene a trovare sugli ossigeni può delocalizzarsi per risonanza sugli anelli benzenici. Questo fa sì che a 9.8 il sistema di doppi legami coniugati sia più esteso rispetto a 8.2.

Fenolftaleina
Fenolftaleina

Colore e numero di legami π coniugati: alcuni coloranti di origine naturale ammessi come additivi negli alimenti[modifica]

La possibilità di aggiungere un additivo agli alimenti è stabilita, a livello internazionale, dal comitato per il Codex Alimentarius. Questo si occupa di redigerne un elenco (che trovate qui) e attribuire a ciascuno un numero identificativo univoco (indicato con l'acronimo INS #, che sta per International Numbering System). La comunità europea ammette l'uso solo di una parte di tali additivi (elencati qui), che sono indicati con la lettera E, seguita dal medesimo numero attribuito dal comitato per il Codex Alimentarius. Ai coloranti sono attribuiti i numeri dal 100 al 199. La figura a fianco mostra la diretta proporzionalità tra il numero di doppi legami coniugati che caratterizza alcuni carotenoidi impiegabili negli alimenti e il loro colore. Per non violare i diritti d'autore che coprono l'articolo dal quale questi numeri sono stati tratti, la figura non riporta né i nomi delle molecole né gli esatti valori dell'energia assorbita. Per maggiori dettagli è però possibile leggere l'articolo originale, citato nella bibliografia. Da notare come un numero di doppi legami coniugati minore di 7 non consente assorbimenti di onde elettromagnetiche nel campo del visibile.

Il gruppo epossido che comprende i carboni 5 e 6 della violaxantina e degli altri carotenoidi va incontro, durante la preparazione dei succhi di frutta, ad una rapida conversione in un ciclo furanico. Questo capita per catalisi acida, come riportato nello schema a fianco. [1] Da notare come la conversione accorci il sistema di doppi legami coniugati, causando uno decremento di circa 20 nm (per ciascuno dei 2 gruppi epossido) dell'intero spettro di assorbimento.

Doppi Legami e lunghezzad'onda
Alcuni carotenoidi
Sopra: Relazione tra numero di doppi legami coniugati e lunghezza d'onda di un picco di assorbimento[2]

A fianco: Violaxantina: conversione del gruppo epossido in ciclo furanosico acido catalizzata

Violaxantina: conversione del gruppo epossido in ciclo furanosico acido catalizzata

Colore ed effetto dei gruppi che circondano i legami π coniugati: la natura si colora[modifica]

La figura sotto mostra invece l'effetto che i sostituenti alle estremità di tre carotenoidi hanno sul colore conferito da uno stesso numero di doppi legami coniugati. Per maggiori dettagli sui caroteni si veda la sezione specifica.

Zeaxantina Licopene β-carotene
Zeaxantina

Calendula officinalis

Licopene (rosso) uno dei pigmenti del pomodoro
Pomodoro
β-carotene (arancione) pigmento della carota

Carote (alla Julienne)

La zeaxantina, gialla, è il pigmento della Calendula e uno di quelli della retina. Il β-carotene, arancione, è il pigmento della carota
Cantaxantina Astaxantina
Cantaxantina, pigmento rosa dei fenicotteri

Fenicottero

Astaxantina
Gamberetti
Aragosta blu
Sinistra: La Cantaxantina è il pigmento rosa dei fenicotteri - Centro: L'astaxantina, pigmento rosa di gamberetti e aragoste - Destra: Cosa combina la coniugazione tra astaxantina e una proteina in alcune aragoste. Tale proteina è, in queste rare aragoste, così abbondante da avvocinare molecole di astaxantina a coppie. La numova elettronica dell'una finisce per modificare quella dell'altra

Colore delle emulsioni[modifica]

Secondo quanto rilevato da McClements, [3] "La qualità percepita di molti prodotti commerciali basati su emulsioni è determinata dal loro colore. Recentemente sono state pianificate ricerche volte alla identificazione della relazione tra il loro colore e alcune loro caratteristiche fisiche, quali dimensione, concentrazione, indice di rifrazione e aggregazione delle particelle in sospensione." McClements rileva in particolare che l'interazione tra la luce riflessa e filtrante e le particelle sospese è modulata dal diametro di queste. ad esempio, definendo il colore delle emulsioni secondo il sistema CIE Lab (L=luminosità, a=verde->rosso, b=blu->giallo, chroma=radq(a^2+b^2)) rileva che la luminosità delle emulsioni olio-in-acqua è direttamente proporzionale al raggio delle particelle sospese fino a che questo è inferiore a 0.1 micron, inversamente proporzionale successivamente. Incide sulla luminosità delle emulsioni anche il rapporto tra indice di rifrazione della fase continua e indice di rifrazione della fase dispersa. Una alta luminosità si può ottenere quando tale rapporto è molto lontano dall'unità.

Approfondimenti[modifica]

Le caratteristiche delle onde elettromagnetiche possono essere difficili da visualizzare, perché nella vita quotidiana sono poche le esperienze che permettono di toccarle con mano. Per rimediare a questa mancanza può essere interessante osservare il finzionamento del Radiometro di Crookes.

Bibliografia[modifica]

  1. C.H. Eugster. In Carotenoids; Britton, G.; Liaaen-Jensen, S.; Pfander, H. Eds.; Birkhäuser Verlag: Basel, 1995; p 71
  2. A.J. Melendez-Martinez, G. Britton, I.M. Vicario and F.J. Heredia. Relationship between the colour and the chemical structure of carotenoid pigments. Food Chemistry 101:1145-1150 (2007)
  3. D.J. McClements Colloidal basis of emulsion color. Current Opinion in Colloid & Interface Science 7(5-6):451-455 (2002)