Добрый день, уважаемые читатели. Сегодня мы с вами поговорим об одном интересном красителе — о флуоресцеине.
Итак, флуоресцеин — это органическое соединение, относящееся к трифенилметановым красителям с химической формулой C₂₀H₁₂O₅. Физически представляет из себя кристаллы от желто-оранжевого до оранжево-красного цвета плохо растворимые в воде. Растворимость в этиловом (изопропиловом) спирте значительно выше (как и некоторых других органических растворителях). Своё название флуоресцеин получил благодаря выраженной ярко-зелёной флуоресценции. Структурная формула флуоресцеина представлена на рисунке ниже.
Типовым промышленным способом синтеза флуоресцеина является конденсация фталевого ангидрида с резорцином в присутствии хлорида цинка.
Спектр применения флуоресцеина в науке и технике достаточно широк. Так, например, в органическом синтезе флуоресцеин применяется в качестве основы для синтеза других ксантеновых красителей: эритрозина, эозинов, уранина А (натриевой соли флуоресцеина) и т.д.; для обнаружения протечек в теплосетях; для окрашивания пластиков, стикеров и текстовыделителей; в спасательных жилетах в качестве сигнальной капсулы (зелёное флуоресцентное пятно хорошо видно с воздуха); в медицине для диагностики некоторых глазных заболеваний; в качестве красителя для некоторых биологических образцов; в качестве красителя для различных напитков и всего, что попадётся на день святого Патрика в Ирландии и пр.
Учитывая распространённость флуоресцеина давайте понаблюдаем за его флуоресценцией самостоятельно?
Для проведения опыта необходимо растворить в 1 литре воды 0.5-1г гидроксида натрия. Далее необходимо включить УФ-подсветку и выключить свет. Если теперь взять всего несколько кристаллов флуоресцеина и добавить к полученному раствору, то по мере растворения будет наблюдаться яркий светящийся шлейф
Суть в том, что в слабощелочной среде флуоресцеин растворяются лучше т.к. образуется динатриевая соль — уранин А.
Вживую это выглядит вот так:
Если же в качестве растворителя вы используете органический растворитель (например, этиловый спирт либо ацетон), то в него гидроксид натрия можно не добавлять — в них флуоресцеин растворяется и так неплохо.
Последние годы с массовым распространением 3D-печати ряд производителей выпустили на рынок пластики, содержащие в своём составе флуоресцеин либо его производные. Так, например, в подборке фото ниже представлен внешний вид и флуоресценция черепа, напечатанного на 3D-принтере пластиком PETG.
При освещении УФ-лампой выглядит достаточно эффектно.
Но можно ли самостоятельно синтезировать флуоресцеин? Именно этим мы сейчас и займёмся.
I. Для проведения первого синтеза необходимо взять 10г резорцина, 7-7.5г фталевого ангидрида и 1.5г безводного хлорида цинка. Далее необходимо смешать фталевый ангидрид с резорцином и тщательно измельчить. После этого к смеси добавляется безводный хлорид цинка, все компоненты тщательно перемешиваются и помещаются в термостойкую тару. Обычно для синтеза используют керамический либо металлический тигель, но мы воспользуемся химическим стаканом.
Полученную смесь необходимо нагреть на песчаной бане либо плитке с термодатчиком до температуры 160-180 градусов Цельсия, тщательно перемешать и продолжить нагревать ещё 40-60 минут (в некоторых руководствах рекомендуется нагревать 1-2 часа). В реакционной смеси протекает процесс конденсации резорцина с фталевым ангидридом.
По мере протекания процессов раствор будет густеть и приобретёт тёмно-красный цвет. При этом излишки фталевого ангидрида будут возгоняться и конденсироваться на холодных стенках химического стакана (особенно если его накрыть часовым стеклом) в виде длинных игольчатых кристаллов.
Когда смесь станет густой необходимо её вылить в 150 мл ледяной воды — в воде выпадет осадок красно-коричневого цвета в виде одного либо нескольких крупных кусков. Теперь необходимо очистить полученный флуоресцеин от сопутствующих примесей хлорида цинка и непрореагировавших ингредиентов. Очистку будем проводить через растворимую динатриевую соль — уранин А.
Для получения уранина А и нейтрализации остатков хлорида цинка добавим к воде с флуоресцеином 50 мл 10% раствора гидроксида натрия, нагреем до 50-60 градусов Цельсия при постоянном перемешивании. Уранин А при этом растворится в воде, а в осадок выпадет гидроксид цинка и другие нерастворимые компоненты. Далее раствор необходимо профильтровать от полученного осадка. Теперь можно выделить чистый флуоресцеин (в лактонной форме).
Для этого при постоянном перемешивании раствора к нему необходимо прилить раствор соляной, либо 20-30% раствор серной кислоты до нейтрального либо слабо-щелочного pH. Наиболее актуально проводить нейтрализацию до слабощелочной среды в случае использования серной кислоты т.к. её остатки будет труднее удалить в дальнейшем. При этом мы потеряем неизбежно небольшое количество флуоресцеина. Но лучше потерять небольшое количество флуоресцеина, чем получить примесь свободной серной кислоты. Остатки же соляной кислоты удаляются достаточно просто при дальнейшей сушке т.к. она летуча в отличии от серной кислоты.
По мере добавления кислоты и нейтрализации динатриевой соли в осадок будет выпадать чистый флуоресцеин от желто-оранжевого до оранжево-красного цвета. Его необходимо отфильтровать, один-два раза промыть небольшим количеством ледяной воды и высушить.
II. Для проведения второго синтеза необходимо также взять 10г резорцина, 7-7.5г фталевого ангидрида, но вместо безводного хлорида цинка — 2-3 мл концентрированной серной кислоты (96-98%). Далее необходимо перемешать все ингредиенты в керамическом тигле либо химическом стакане, нагреть до температуры 160-180 градусов Цельсия и выдержать 40-60 минут.
В процессе конденсации резорцина и фталевого ангидрида смесь также будет густеть, но по итогу будет более жидкой по сравнению с предыдущим случаем из-за присутствия серной кислоты. Теперь необходимо аккуратно по каплям вылить полученную смесь в ледяную воду (с кристаллами льда) при интенсивном перемешивании. При этом необходимо помнить, что реакция серной кислоты с водой экзотермическая с большим выделением тепла.
Перевод полученного флуоресцеина в уранин А и нейтрализация свободной серной кислоты производится аналогично предыдущему случаю, но для нейтрализации необходимо использовать 90 мл 10% раствора гидроксида натрия. После этого раствор также фильтруется от нерастворимого осадка, флуоресцеин выделяется в виде лактонной формы серной либо соляной кислотой, тщательно промывается 1-2 раза ледяной водой и сушится. По итогу у вас должен получиться порошок от желто-оранжевого до оранжево-красного цвета.
К сожалению, у нас получился порошок с коричневато-зелёным оттенком, что свидетельствует о загрязнении флуоресцеина продуктами окисления резорцина из-за перегрева реакционной смеси на одном из этапов синтеза.
В общем и целом полученный продукт можно очистить от примесей методом перекристаллизации, но для множества экспериментов полученный флуоресцеин подойдет и без дополнительной очистки.
Но как понять что мы точно получили флуоресцеин, а не что-то другое? Как минимум, можно взять несколько кристаллов полученного порошка, растворить в 50-100 мл слабощелочного раствора и подсветить УФ-лампой — должна наблюдаться ярко-зелёная флуоресценция.
Похоже на флуоресцеин, но не совсем достоверно т.к. некоторые производные флуоресцеина светятся примерно в том же диапазоне длин волн.
Для более надёжной идентификации приготовим раствор с концентрацией примерно 5 мкМ. Для этого возьмём 0.1г флуоресцеина и растворим в 100 мл воды с pH 8-9. Получится стоковый раствор. Далее возьмём 1 мл стокового раствора и добавим 9 мл воды с pH равным 8-9 — получится промежуточный раствор. А для приготовления целевого раствора возьмём 0.8 мл промежуточного раствора и добавим к 50 мл воды с pH равным 8-9. Да, нужно вот такое сильное разведение…
Если теперь подсветить раствор УФ-лампой, то должна также наблюдаться яркая зелёная флуоресценция. При этом пик флуоресценции динатриевой соли флуоресцеина при концентрации 1-10 мкМ и pH равным 8-9 должен лежать в диапазоне длин волн 515-520 нм.
Что же у нас получилось по результатам измерений? — 518 нм, что полностью соответствует литературным данным. Таким образом нам действительно удалось синтезировать флуоресцеин.
А что будет если концентрации флуоресцеина увеличить в 100 раз? Давайте проверим!
По результатам измерений хорошо наблюдается красное смещение — пик флуоресценции сместился в более длинноволновую область и теперь лежит на длине волны 552 нм т.е. цвет свечения стал более жёлтым. Такое смещение объясняется образованием димеров и агрегатов в растворе. Эти же процессы объясняют появление жёлтого оттенка в нашем самом первом эксперименте.
Ну что же, наша статья подошла к концу. Думаю она была достаточно интересной и наглядной. А на этом на сегодня всё… …хотя, нет, ещё не всё… …ещё нужно отмыть посуду после синтеза флуоресцеина…
Если вы обратили внимание, то флуоресцеин обладает достаточно высокой красящей способностью и высоким квантовым выходом (у флуоресцеина в щелочной среде один из самых высоких квантовых выходов среди красителей). Его флуоресценция отчётливо наблюдается даже при концентрациях 1-10 мкМ. К чему это приведёт при мытье посуды?
Если у вас посуда не совсем новая и стенки уже стали шероховатыми, то процесс отмывания остатков флуоресцеина начинает резко стремиться к бесконечности… Вы отмываете посуду слабощелочным раствором, ополаскиваете первый раз, наливаете воду для второго ополаскивания, отворачиваетесь на пару секунд, а вода снова приобрела зелёный оттенок… Снова отмываете слабощелочным раствором, ополаскиваете, наливаете воды, даете немного постоять — вода вновь становится зелёной… …и так раз за разом, до скончания времён… На этом моменте вы по настоящему узнаете что такое высокая красящая способность, высокий квантовый выход и почему динатриевую соль флуоресцеина используют для поиска течей и микротрещин в теплосетях…
Вот теперь на сегодня точно всё. Спасибо, что дочитали до конца!
Список использованной литературы:
- Пара слов о флуоресцеине
- Гордон П., Грегори П. Органическая химия красителей: перевод с английского. — Москва: Мир, 1987 г.
- Ю. Ю. Лурье. Справочник по аналитической химии. М.: Издательство «Химия», 1971 г., 456 с.