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Neue Polymere gegen multiresistente Bakterien

Multiresistente Bakterien entstehen, wenn Bakterien mit subletalen Antibiotikadosen in Berührung kommen. Dies kann vielfältige Ursachen haben: Ärzte verschreiben falsche oder unnötige Antibiotika, Patienten nehmen sie unregelmäßig oder zu kurz ein oder Antibiotika werden prophylaktisch in der Lan...

Alle Farbmittel, die sich zum Anfärben von Gegenständen oder zum Einfärben von Materialien, darunter insbesondere von Textilien, eignen, lassen sich in zwei Klassen einteilen: unlösliche Farbpigmente oder (wasser)lösliche Farbstoffe. Die Menschen früherer Kulturepochen gewannen sowohl Farbpigmente als auch Farbstoffe ausschließlich aus natürlichen Quellen. So dienten farbige Mineralien, Gesteine und Erden zur Herstellung von Farbpigmenten, während lösliche Farbstoffe hauptsächlich aus Färbepflanzen oder Tieren wie der Purpurschnecke oder der Cochenille-Laus stammten. Je nach Zugänglichkeit dieser natürlichen Quellen waren solche Farbstoffe oft kostbar und teuer. Beispiele hierfür sind das Ultramarin, das aus dem seltenen und nur in wenigen Gebieten der Erde vorkommenden Mineral Lapislazuli gewonnen wird und der Antike Purpur. Dieser findet sich in den Drüsen der Purpurschnecke — um soviel Farbstoff zu gewinnen, dass damit ein Gewand gefärbt werden kann, sind aber mehrere Zehntausend der Tiere nötig.
Erst zum Ausgang des Mittelalters lernte man — eher zufällig — synthetische Farbmittel herzustellen: Auf der Suche nach dem Stein der Weisen, der gemeine Erden in Gold oder Silber verwandeln sollte, schmolzen Alchimisten verschiedene mineralische Stoffe zusammen. Sie erhielten dabei nicht nur das weiße Gold Porzellan — auch dies ein Abfallprodukt der Suche nach dem Stein der Weisen — sondern auch tieffarbige Produkte.
Den Anfang machte hierbei das im ersten Jahrzehnt des 18. Jahrhunderts gefundene eisenhaltige Berliner Blau [s. Nachr. Chem. 2010, 58, 1124], dem bald weitere farbige Pigmente folgten (Tabelle 1). Hierzu gehören u. a. das von Carl Wilhelm Scheele im Jahr 1775 erstmals hergestellte und dann vom Fabrikanten Wilhelm Sattler in Schweinfurt als Schweinfurter Grün produzierte Kupferarsenit sowie das von Luis Jacques Thenard ab dem Jahr 1799 erzeugte Cobaltblau. Diese künstlich erzeugten Farbpigmente waren wegen ihrer hohen Farbstärke und teilweise einfachen Zugänglichkeit lange Zeit sehr beliebt, bis man feststellte, dass sie aufgrund ihres hohen Schwermetallgehalts sehr toxisch sind. Daher sind sie heute praktisch nicht mehr im Gebrauch, zumal mittlerweile ungiftige schwermetallfreie Ersatzpigmente preiswert produziert werden können.


<h2>Durchbruch der Teerfarbstoffe</h2>
Solche Ersatzpigmente werden zumeist aus organischen Ausgangsmaterialien gewonnen. Im 19. Jahrhundert wurden im Zuge der Industrialisierung riesigen Mengen an Koks zur Erzeugung von Eisen und Stahl benötigt. Bei der Herstellung von Koks aus Kohle fiel als Nebenprodukt Teer in erheblichen Mengen an. Dieser war zunächst unliebsamer Abfall, bis im Jahr 1856 der junge englische Student William H. Perkin versuchte, aus dem im Teer vorhandenen und bereits von Friedlieb Ferdinand Runge im Jahre 1834 daraus isolierten Anilin und seinen Derivaten das als Antimalariamittel dienende, fiebersenkende Chinin herzustellen. Er fand aber stattdessen eine gut färbende Substanz. Nachdem es ihm gelungen war, ein technisches Verfahren zu erarbeiten, wie er diese im größerem Umfange herstellen konnte, vertrieb er sie unter den Namen Perkins Violet oder Mauvein.
Perkins Entdeckung beflügelte andere Chemiker, aus dem Anilin und seinen ebenfalls im Teer vorhanden Abkömmlingen weitere Farbstoffe herzustellen (Tabelle 2). Dem ersten, dem dies nach Perkin gelang, war der französische Chemiker Emanuel Verguin, der im Jahr 1858 das Fuchsin entdeckte. Diesem brillanten, zum Textilfärben geeigneten Farbstoff folgten weitere — insbesondere die von Peter Grieß 1860 entdeckten und von Carl Alexander Martius industriell produzierten Azofarbstoffe wie das Bismarckbraun oder das Buttergelb. Diese Entdeckungen legten den Grundstein für die Entstehung einer leistungsstarken Teerfarbenindustrie, die sich in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts in Europa und Übersee rasch entwickelte. Vor allem in Deutschland boomte die Farbenproduktion: Ende des 19. Jahrhunderts stammten etwa 80 Prozent der weltweit produzierten Teerfarbstoffe aus deutschen Fabriken.
Hauptabnehmer der farbstoffproduzierenden Firmen war im 19. Jahrhundert vornehmlich der Textilsektor. Für das Anfärben von Textilien entwickelte die chemische Industrie ein umfangreiches Farbstoffsortiment, nicht nur aus ästhetischen Gründen, sondern auch wegen der chemischen Natur der jeweils zu färbenden Textilfasern. So benötigten die tierischen Fasern Wolle und Seide andere Farbstoffe als Baumwolle oder Zellwolle. Gleiches gilt auch für die in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts auf den Markt gelangenden Synthesefasern auf Basis von Polyacrylnitril (z. B. Dralon), Polyamid (z. B. Nylon) und Polyester, zu deren Anfärbung Farbstoffe mit völlig neuartigen Strukturelementen erforderlich waren.
Die meisten der zum Textilfärben entwickelten Teerfarbstoffe hatten dabei zunächst keinen strukturellen Bezug zu den Naturfarbstoffen. So konnten sich von diesen einige wenige trotz starker Konkurrenz durch die synthetisch hergestellten Farbstoffe zunächst behaupten. Dies waren vor allem Indigo und Krapprot, die im großem Umfange aus Färbepflanzen gewonnen wurden. Beide Naturfarbstoffe waren aber bald viel besser und billiger auf synthetischem Weg herstellbar. Daher verdrängten die synthetischen Farbstoffe ihre natürlichen Analoga fast völlig vom Markt, nachdem die technische Indigosynthese bei der BASF gelungen war. So kam Frankreich in den siebziger und achtziger Jahren des 19. Jahrhunderts in wirtschaftliche Bedrängnis, da sich der Anbau des Krapps in Südfrankreich und der Import des Indigos aus Asien nicht mehr rentierte und die Anbaugebiete in diesen Regionen stillgelegt werden mussten.


<h2>Die Farbstoffe emanzipieren sich von der Textilindustrie</h2>
Im 20. Jahrhundert entwickelte sich eine kaum noch übersehbare Vielfalt an organischen Farbstoffen und Farbpigmenten. Mittlerweile werden diese fast ausnahmslos aus Erdöl hergestellt, und es fanden sich zahlreiche weitere Anwendungsgebiete außerhalb der Textilindustrie. Den Anfang machten noch im späten 19. Jahrhundert die Sensibilisierungsfarbstoffe für die Halogensilber-Fotografie. Diese Farbstoffe, beispielsweise das Cyanin (1) und das Pinacyanol (2) (Abbildung 1), verschieben die Lichtempfindlichkeit des Silberhalogenids in den langwelligen (blauroten bzw. roten) Spektralbereich, so dass sich dadurch naturgetreue Fotos herstellen ließen. Später nutzte die Farbfotografie dann organische Farbstoffe auch als Bildfarbstoffe. Ab den 1960er Jahren gab es Sofortbildverfahren, bei denen die Synthese der erforderlichen Bildfarbstoffe unmittelbar im belichteten Filmmaterial stattfand.
Technologiebestimmend waren organische Farbstoffe und Farbpigmente auch für die Kopiertechnik. Diese nahm im Jahr 1917 mit dem von dem Chemieunternehmen Kalle entwickelten Diazotypie-Verfahren ihren Anfang. Es folgten dann elektrophotographische Kopierverfahren, in denen organische Farbstoffe wie das Kupfer-Phthalocyanin (3) (Pigmentblau 15) als Fotoleiter und organische Pigmente wie das Naph-tholrot (4) (Pigmentrot 23) als Toner eingesetzt wurden (Abbildung 2). Sie haben heute in Form von lasergesteuerten Farbdruckern einen hohen Entwicklungsstand erreicht.
Organische Farbstoffe und Farbpigmente machten auch neuartige Bildaufzeichnungs- und Wiedergabeverfahren möglich. Dazu gehören elektrochrome Verfahren, bei denen organische Farbstoffe spannungs- und ladungsabhängig reversibel entstehen und wieder zerstört werden. So lassen sich Fensterscheiben und Spiegel bedarfsabhängig abdunkeln oder aufhellen. Zu einem wichtigen Typ organischer Farbstoffe entwickelten sich solche Verbindungen, die nicht nur wie die meisten der herkömmlichen Farbstoffe sichtbares Licht absorbieren und dadurch ihre Farbigkeit erlangen, sondern auch das auf sie auftreffende Licht wieder in einem gewissem Umfange und Spektralbereich emittieren. Ihre erste praktische Anwendung fanden solche Leuchtstoffe als optische Aufheller, die dafür, wie das Blankophor B (5), farblos sein mussten, um ihren Weißton-Effekt nicht durch eine Eigenfärbung zunichte zu machen. Später folgten dann die Signal- oder Schockfarben, die z.B. in Form der Rhodamine (6) oder Cumarine (7) besonders brillante Färbungen erzeugten (Abbildung 3).
Weitere neuartige und praktische Anwendungsbereiche für Farbstoffe mit Emittereigenschaften eröffnen sich in den letzten Jahrzehnten in der Biochemie und der medizinischen Diagnostik. Mit Sensorfarbstoffen gelingt es, biologische Materialen selektiv anzufärben und durch Bestrahlung, beispielsweise mit UV-Licht, zum Leuchten zu bringen. Dadurch werden bestimmte Stoffwechselprodukte oder Krankheitserreger, aber auch Krebszellen im lebenden Organismus gut sichtbar. Daraus lassen sich dann Therapien entwickeln.


<h2>Von der Röhre bis zur LED</h2>
Leuchtstoffe werden auch in der klassischen, elektronenstrahlgesteuerten Bildröhre eines TV-Farbempfängers eingesetzt. Obwohl hier vorwiegend auf anorganischer Basis aufgebaut, indem z.B. europiumdotierte Silikate benutzt werden, dienen sie zur Erzeugung und Wiedergabe farbiger Bilder. Diese Elektronenstrahlbildröhren sind inzwischen aber weitgehend durch Flachbildschirme ersetzt. Hier ermöglichen elektrisch schaltbare Farbstoffe mit flüssigkristallinen Eigenschaften die farbgetreue Bildwiedergabe dank einer Hintergrundbeleuchtung.
Doch auch dieser Flachbildschirmtyp scheint nur eine Übergangstechnik zu sein. Die sich zunehmend durchsetzende LED-Technik enthält als wichtigste Komponenten organische Leuchtdioden.
In ihnen befinden sich zwischen leitfähigen, teilweise transparenten Elektroden und dünnen organischen Schichten, die zur Leitung von Elektronen und positiven Ladungsträgern befähigt sind, zur Lichtemission befähigte Emitter, darunter oft metallhaltige Komplexverbindungen (Abbildung 4). Sie werden dadurch zum Leuchten gebracht, dass die zu ihnen gelangenden negativen und positiven Ladungsträger unter Abgabe von Licht rekombinieren.
 Neuerdings werden Farbstoffe und Farbpigmente in zunehmenden Umfang auch als Lichtwandler in organischen Solarzellen eingesetzt. In ihnen kehren sich die in einer Leuchtdiode ablaufenden Prozesse um, indem hier das einfallende Sonnenlicht eingefangen und auf direktem Weg in elektrischen Strom umgewandelt wird. Die so konstruierbaren farbstoffdotierten organischen Solarzellen haben gegenüber den Siliciumzellen als anorganische Konkurrenten eine Reihe von Vorteilen: Sie sind leichter, billiger herzustellen und erreichen eine größere spektrale Empfindlichkeit und damit eine bessere Nutzung der einfallenden Strahlung. Durch unterschiedliche Farbstoffe lässt sich das zu nutzende Spektralgebiet vom UV- über das sichtbare bis ins infrarote Gebiet ausdehnen. Beispiele hierfür sind die Rylene (10), die durch eine besonders hohe Photostabilität ausgezeichnet sind und mit n = 0 und 1 im sichtbaren und mit n = 2, 3 und 4 im infraroten Spektralgebiet absorbieren (Abbildung 5).
Synthetisch hergestellte Farbstoffe und Farbpigmente haben trotz ihrer mehr als 150-jährigen Geschichte nicht an Bedeutung verloren. Zu den klassischen Anwendungen in der Textilfärberei, des Zeug- und Buchdrucks sowie ihres Einsatzes als Gestaltungsmaterialien in der Automobil- und der Bauindustrie sind zahlreiche Einsatzgebiete hinzugekommen, vor allem in der Kommunikations- und Informationstechnik.
Die steigenden Anforderungen an Farbstoffe und Pigmente machen diese chemisch immer komplizierter. Die Weltmarktpreise für maßgeschneiderte Spezialfarbstoffe sind deshalb oft enorm hoch: Tonerfarbstoffe zum Drucken von 1000 Seiten kosten je nach Farbton und Qualität gegenwärtig zwischen 40 und 100 Euro, während Emitterfarbstoffe für organische Leuchtdioden in einer Menge von 10 g bis zu 10 000 Euro kosten können. Diese Preise können aber deutlich sinken, wenn organische Leuchtdioden zu Massenprodukten werden.
Spezialfarbstoffe spielen heute beim technologischen Wandel eine ähnliche Rolle wie die Teerfarbstoffe vor etwa 100 Jahren: Sie garantieren den Unternehmen und Ländern einen technischen Fortschritt, die sie kostengünstig produzieren und marktfähig zum Einsatz bringen. Allerdings unterscheiden sich die heutigen Firmen, die Farbstoffe herstellen in einem von den Werksgiganten des 19. Jahrhunderts: Während in diesen früher Tausende von Beschäftigten an der Produktion von Farbstoffen beteiligt waren, arbeiten heute nur relativ kleine Mitarbeiterteams mit hohen Spezialkenntnissen und -fertigkeiten, um für die von der modernen, durch die Mikroelektronik und Datenkommunikation geprägte Industrie Produkte herzustellen und für ihre jeweiligen Anwendungsgebiete einsatztauglich zu machen.
Horst Hartmann ist Professor am Department Chemie der TU Dresden und leitet dort die Historische Farbstoffsammlung (s. Chem. unserer Zeit 1993, 27, 237).


<h2>— — — Highlights aus der    Anorganischen Chemie</h2>
Thomas Fässler organisiert zusammen mit dem Vorstand der Wöhler-Vereinigung auf dem GDCh-Wissenschaftsforum Bremen die Vortragsreihe “Highlights aus der Anorganischen Chemie”. Er sieht eine “entscheidende Rolle der anorganischen Chemie” bei aktuellen Forschungsfragen.
Nachrichten aus der Chemie: Herr Fässler, “Chemie schafft Zukunft” ist das Motto des Wissenschaftsforums in Bremen. Welchen Beitrag leistet die anorganische Chemie dazu?
Thomas Fässler: Ob Katalyse oder Materialchemie — in allen Fällen spielt die anorganische Chemie eine entscheidende Rolle. So präsentiert die Wöhler-Vereinigung der GDCh in diesem Jahr gleich über drei Tage die faszinierende Bandbreite der anorganischen Chemie. Die Vorträge erstrecken sich von aktuellen Ergebnissen aus der Grundlagenforschung bis hin zu den heißen Themen aus der industriellen Forschung und ihrer Anwendung.
Nachrichten: Was erwartet den Besucher in Ihrer Session und was sollte er auf keinen Fall verpassen?
Fässler: In über 20 Vorträgen mit internationaler Beteiligung werden von Montag bis Mittwoch zukunftsweisende Themen vorgestellt. Besonders berücksichtigt sind Hauptgruppenelementchemie, bioanorganische Chemie, Energiespeichermaterialien, molekulare Legierungen sowie metalloide Cluster. Mit besonderer Spannung werden wir den Wettstreit zwischen metallgestützter Katalyse und metallfreier, hauptgruppenelementbasierter Bindungsknüpfung verfolgen. Als weiteres Highlight sehen wir das Symposium “Vom Molekül zum Material”. Dieses richtet die Wöhler-Vereinigung gemeinsam mit der Fachgruppe Festkörper- und Materialchemie aus.


<h2>— — — Fachgruppe Nuklearchemie: Jahrestagung</h2>
Horst Geckeis ist Vorsitzender der Fachgruppe Nuklearchemie. Die Fachgruppe veranstaltet auf dem GDCh-Wissenschaftsforum in Bremen ihre Jahrestagung. Das Wissenschaftsforum bietet dafür eine ideale Plattform, denn die “Nuklearchemie leistet einen unverzichtbaren Beitrag zur Lösung gesellschaftlich relevanter Probleme.”
Nachrichten aus der Chemie: Herr Geckeis, welches Programm erwartet die Besucher in Bremen?
Horst Geckeis: Das Tagungsprogramm der Jahrestagung Nuklearchemie spiegelt die Vielfalt dieses Forschungsgebiets wieder — von Radiopharmazie, Actinidenchemie, nuklearchemischer Grundlagenforschung sowie Analytik bis hin zu hochaktuellen Themen. Eingeladene Vorträge führen z. B. in die nukleare Entsorgung ein, ein Thema, dem die Öffentlichkeit größte Aufmerksamkeit widmet. Peter Wikberg, Forschungsdirektor der schwedischen Kernbrennstoff-Entsorgungsgesellschaft SKB, wird über das sehr weit fortgeschrittene Endlagerprojekt in Forsmark berichten. Rikard Malmbeck vom Institut für Transurane in Karlsruhe gibt einen Überblick über aktuelle Entwicklungen zur Reduktion der Langzeitradiotoxizität hochradioaktiver Abfälle. Dahinter steckt die chemische Abtrennung langlebiger hochradiotoxischer Elemente mit dem Ziel, sie anschließend durch Transmutation in kurzlebige oder stabile Nuklide umzuwandeln. Frank Peter Weiss, Geschäftsführer der Gesellschaft für Reaktorsicherheit, wird darüber berichten, was man über den Ablauf der Ereignisse bei der Reaktorhavarie in Fukushima weiß, und welche Schlussfolgerungen daraus zu ziehen sind.
In einer gemeinsamen Veranstaltung mit der Fachgruppe Analytische Chemie und dem GDCh-Arbeitskreis Analytik mit Radionukliden und Hochleistungsstrahlenquellen werden modernste Speziations- und Analysentechniken mit Synchrotronstrahlenquellen diskutiert. Franz J. Hormes, Direktor der Canadian Light Source wird diese Sitzung eröffnen und aktuelle Anwendungsbeispiele aus Katalyseforschung, Nanotechnologie, Polymerchemie und analytischer Chemie vorstellen.
Nachrichten: “Chemie schafft Zukunft”, so das Motto der Tagung. Welchen Beitrag leistet Ihr Fachgebiet dazu?
Geckeis: Innovative Forschung ist unerlässlich für die zukünftige Sicherung und Weiterentwicklung unserer Gesellschaft. Nuklearchemische Forschung liefert unverzichtbare Beiträge zu den gesellschaftsrelevanten Bereichen Energie, Gesundheit und Umwelt.
Nachrichten: Worauf freuen Sie sich am meisten in Bremen? Was sollten die anderen Teilnehmer auf keinen Fall verpassen?
Geckeis: Das Wissenschaftsforum der GDCh bietet die einzigartige Chance der Kommunikation sowohl innerhalb der Fachgruppen, vor allem aber mit anderen chemischen Disziplinen. So bietet die Fachgruppe Nuklearchemie mit der Veranstaltung zum Thema chemische Analytik mit Hochleistungsstrahlenquellen eine Diskussionsplattform für alle Fachrichtungen. Die Gelegenheit zu fachübergreifenden Gesprächen sollte kein Chemiker verpassen.

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