Kolory karminu

Indygokarmin to barwnik, będący pochodną indygo, znanego szerzej jako niebieski pigment, którym farbowane są dżinsy, a o którym kiedyś już pisałem (link). Dwie grupy sulfonowe, będące resztami kwasu siarkowego, powodują w jego przypadku, że związek ten w odróżnieniu od wolnego indygo jest dość dobrze rozpuszczalny w wodzie, oraz reaguje na zmiany kwasowości. Przy pH bardzo zasadowym, powyżej 13, zmienia kolor na żółty, przy obojętnym lub kwaśnym jest niebieski, zaś przy lekko zasadowym obie formy pojawiają się w ramach równowagi, dając wypadkowy kolor zielony.
Jest często stosowanym barwnikiem spożywczym, można go też spotkać w niebieskich kapsułkach leków.

Inną ciekawą właściwością związku jest wyraźna reakcja na redukcję lub utlenienie, co znajduje zastosowanie w tym ciekawym i efektownym eksperymencie.

Przepis jest w zasadzie dość prosty - należy wziąć około 3% roztwór glukozy i 3% roztwór wodorotlenku sodu, połączyć je w szklanej butelce na ciepło, w temperaturze około 40 stopni, dodając taką ilość indygokarmiu, aby widać było wyraźny kolor. Początkowo roztwór będzie zielony, potem pociemnieje i poprzez czerwonawy odcień stanie się żółty. W tym momencie nie trzeba go już ogrzewać, dalej będzie reagował na zimno. Co takiego będzie się działo?
Jeśli zaczniemy wytrząsać napełnioną do połowy butelkę, roztwór zmieni kolor. Najpierw z żółtego zrobi się czerwony, a po dokładniejszym wytrząsaniu zielony. Odstawiony  powraca do żółtego koloru w ciągu około minuty, po czym znów może być wytrząsany ze zmianami koloru, odstawiony aż powróci do żółtego i tak kilkanaście razy.
Ze względu na zestaw kolorów eksperyment znany jest jako "chemiczne światła drogowe".

Nagrałem jeden taki cykl bez cięć, aby było widać szybkość przemian:


  W tle kolbka z roztworem indygokarminu w wodzie destylowanej.

Na czym właściwie polegają te przemiany? Glukoza jest związkiem o właściwościach redukujących, co zawdzięcza obecności grupy aldehydowej na jednym z końców. Indygokarmin zaś jest na redukcję wrażliwy. W alkalicznych warunkach cząsteczki glukozy w formie pierścienia otwierają się, i stają się aktywnymi reduktorami. Barwnik zaczyna reagować, przyłączając elektrony i protony. Ponieważ cząsteczka posiada dwa miejsca mogące ulegać redukcji, w trakcie reakcji pojawia się związek pośredni, ze zredukowaną tylko jedną grupą, który ma w roztworze kolor czerwony. Całkowite przereagowanie daje związek żółty, tak zwany leuko-indygokarmin.

Glukoza jest natomiast utleniana, przede wszystkim do kwasu glukuronowego. Podczas wytrząsania następuje proces odwrotny - tlen z powietrza reaguje z leuko-barwnikiem w ten sam sposób przez związek pośredni. Mamy tutaj więc dość ciekawy przypadek dwuetapowego procesu, w którym ustala się pewna równowaga między formami. Pośrednia forma czerwona stanowi w fazie, w której roztwór jest czerwony, niemal jedyną postać barwnika. Całkowicie zredukowana forma żółta może pojawiać się dopiero od momentu zaniku w roztworze niezredukowanej formy zielonej, w przeciwnym razie ich cząsteczki będą wymieniać między sobą elektrony i protony do pośredniej formy czerwonej. Od tego momentu potrzebna jest dostatecznie duża ilość reduktora, bo przy za małym jego stężeniu, w formę żółtą nie zmieni się zauważalna ilość substancji.
Co ciekawe, bezpośrednia reakcja glukozy z tlenem z powietrza jest dość powolna. Indygokarmin przez to, że chętnie reaguje zarówno z jednym jak i drugim, jest katalizatorem procesu.

Przy podanych stężeniach cykle można powtarzać kilkanaście razy, aż do wyczerpania któregoś ze składników - przy małej ilości roztworu w dużej butelce pierwsza wyczerpie się glukoza i przy zbyt małym jej stężeniu, równowaga procesu zostanie zaburzona, a pozostawiony sam sobie roztwór osiągnie tylko czerwony etap pośredni. W tym momencie nawet mały dodatek zasadowego roztworu glukozy wystarczy aby dokończyć proces, toteż taki niedoredukowany roztwór mógłby ją wykrywać  (lub inne reduktory).
Sprawdziłem to dodając do takiego roztworu sok jabłkowy, kilka mililitrów zawierających cukry redukujące i zapewne kwas askorbinowy wystarczało w zupełności.
W odwrotnej sytuacji, gdy dużo roztworu umieścimy w małej butelce, z małą ilością powietrza, to tlen pierwszy się skończy. Wówczas żółty roztwór podczas wytrząsania stanie się najwyżej czerwony. Zdarzyło mi się tak z jedną z prób. Kolba zostawiona na noc, następnego dnia nie reagowała na wytrząsanie. Sądziłem, że widocznie składniki się już zużyły i chciałem wylać. Zauważyłem jednak, że zassał się koreczek. Po otwarciu kolby przedmuchałem ją więc i wytrząsnąłem. Zielony kolor powrócił.

Szybkość zmian kolorów zależy od stężeń glukozy i barwnika, oraz od temperatury. Na kanale Royal Society podano formułę, która w temperaturze roztworu około 45 stopni po wytrząśnięciu powraca do żółtego koloru w 10 sekund. Żółty roztwór z końcowym, zredukowanym związkiem, stanowi dość czuły odczynnik wykrywający tlen, wodę utlenioną lub nadtlenki, co wykorzystuje się nawet w badaniach biologicznych.
Przy podanych stężeniach roztwór jest na tyle mało szkodliwy, że po rozcieńczeniu wodą można go wylać do zlewu.

Co ciekawe, indygokarmin może też ulegać przeciwnej reakcji i ze stanu podstawowego może zostać utleniony. Powstaje wówczas żółte dehydroindygo, które rozpada się na sulfonowaną izatynę. Wykorzystuje się tę reakcję  przy manganometrycznym oznaczaniu garbników, zanik koloru wskaźnika wyznacza moment, gdy polifenole z roztworu zostały już utlenione.

-----
* Beyond The Blue Bottle - Royal Society of Chemistry, YT