Индиго: воссоздавая краситель фараона Teach article

Переведено Дарьей Эзериной (Daria Ezerina). Что связывает ваши джинсы, морских улиток, вайду и египетскую королевскую семью? Это краситель – индиго. Узнайте его…

В древнем Египте лишь один корабль имел парус, окрашенный в фиолетовый цвет. Он принадлежал фараону и служил хорошо видимым сигналом другим судам, плывущим по Нилу о том, что они должны освободить путь кораблю фараона.

Даже сегодня тёмно-синий, фиолетовый и алый – цвета, традиционно ассоциируются с королеской властью, роскошью и богатством.Это связано с тем, что такую окраску очень трудно и дорого получить с помощью естественных красителей. До появления синтетических красителей 100 лет назад, естественные красители (растетельного, животного, либо минерального происхождения) были единственным способом окрашивания тканей.

Яркий пурпурный цвет паруса фараона был получен с помощью индиго – естественного красителя, который может быть выделен из определённых растений и животных.Благодаря римскому натуралисту Плинию старшему (см. информацию о Плинии старшем), нам даже известны методы окрашивания, использованные древними цивилизациями. Данное задание позволит Вашим студентам почувствовать себя ранними химиками, выделяя индиго из листьев вайды красильной.

Пользуясь простым лабораторным оборудованием, ученики средней школы всех возрастов смогут провести эту экстракцию за одно или два практических занятия.

Более юные ученики (11-15 лет) смогут выполнить экстракцию не вникая в подробности о химической реакции (хотя следует отметить, что рецензент посчитал, что задание более подходит ученикам старше 14-ти лет). Ученики с более продвинутыми знаниями органической химии (старше 16-ти лет) могут изучить соедининия и реакции более тщательно. Опыт также имеет отношение к использованию науки в промышленности и может быть использован как часть проекта на эту тему.

Всё об индиго

Индиго является органическим соединением, которое существует в трёх формах, каждая из которых окрашена по-разному: сам индиго является синим, тогда как монобромоиндиго пурпурный, а дибромоиндиго красновато-фиолетовый (рис. 1). Красители естественного происхождения могут содержать как один из этих пигментов, так и смесь двух или трёх в разных пропорциях, что приводит к целому диапазону красок от красного к синему (Cooksey, 2001). Интенсивность цвета также зависит от процесса обработки ткани, например, от того, сушили ли её после окрашивания на солнце или в тени.  

Во времена древнего Египта самый качественный индиго выделяли из морских улиток Murex, которые когда-то были распространены в прибрежных водах восточного средиземноморья. С помощью археологических данных с Крита можно предположить, что выделение индиго из улиток Murex началось в 2000 году д.н.э. К 1000 году д.н.э. финикийцы — цивилизация, центром которой была территория современного Ливана, эксплуатировали этот ценный краситель.

Вся их экономика была основана на торговле Тирийским пурпуром – фиолетого-пурпурным краситем индиго, выделяемого из улиток Murex brandaris (теперь их называют Bolinus brandaris). Эта деятельность их настолько прославила, что слово «финикиец» происходит от греческого «финиссо», что означает «делать красный».

Индиго, выделяемый из улиток Murex был таким дорогим из-за того, что 12000 улиток давали лишь 1,4 г. Тирийского пурпура – количества, достаточного лишь на окраску носового платка! Соединения, используемые для производства красителя выделяются гипобранхиальной железой улитки, находящейся между кишечником и жаберным органом. Благодаря своим противомикробным свойствам, эти предшественники индиго вероятно являются частью защитной реакции улиток. Свежие выделения бесцветны, но темнеют при контакте с воздухом. Согласно Плинию старшему, для выделения красителя улиток давили, оставляли на три дня разлагаться в основной солёной воде, а затем кипятили до десяти дней – только представьте себе запах!

Финикийцы доводили этот процесс до совершентсва в течении сотен лет и обнаружили, что, меняя вид улиток, методы экстракции и обработки, они могли получать целый спектр цветов от красного до пурпурного и синего (таблица 1).

Индиго более низкого качества также может быть выделен из определённых растений, и эта техника, как ни странно, возникла ранее, чем метод выделения из улиток финикийцев. В Индии методы экстракции индиго из «Индигоферы красильной» — куста Indigofera tinctoria были известны до 2000 года д.н.э. В Европе этот краситель выделяли из вайды (Isatis tinctoria). Несмотря на то, что эти два растения содержат разные предшественники, индикан в индигофере и изатан Б в вайде (таблица 1 и рис. 2), они оба дают одинаковый краситель – индиго.

Производство индиго из вайды протекает в три основные стадии:

1. Кипячение листьев для выделения водо-растворимого изатана Б (рис. 3А; пункты 1-6 в задании, приведённом ниже)
    
2. Добавление основания (аммиака) для гидролиза молекулы, удаления углеводной группы, оставляя индолил-3-он или его тавтомер, идоксил (рис. 3Б; пункт 7 в задании, приведённом ниже)
    
3. Подвержение экстракта воздуху, что приводит к окислению и соединению двух молекул индолил-3-она и образованию индиго синего цвета (рис. 3В; окрашивание шерсти и получение порошка индиго в задании, приведённом ниже).

Задание для учеников: выделение индиго из листьев вайды красильной

Материалы

Для каждой группы учеников:

• Свежие листья вайды красильной (Isatis tinctoria) (в количестве достаточном для того, чтобы наполнить лаборатоный стакан ёмкостью 1 л)
• Семена вайды можно легко приобрести в садовых центрах, а в некоторых странах вайда является распространённым растением.
• 20%-ный раствор аммиака
• Три лабораторных стакана ёмкостью 1л
• Дистиллированная вода
• Октановая кислота (по желанию)
• Горелка и штатив
• Мешалка
• Сито или дуршлаг
• Мерные цилиндры и/или 10 мл-вые пипетки
• Жаропрочные перчатки
• Воронка и фильтровальная бумага
• Нож для резки листьев (по желанию)
• Шерсть для окрашивания (по желанию)
  Я использовал комок белой вязальной шерсти и немного грубой серо-белой овчины.

Порядок осуществления действий

1. Наполните стакан листьями вайды. Вытащите листья из стакана и порежьте или порвите на мелкие кусочки.
2. Наполните стакан на две трети дистилированной водой и доведите до кипения с помощью горелки.

3. 

   Добавьте несколько порванных листьев в кипящую воду, помешайте и продолжайте нагревать. Как только вода вновь закипит, добавьте ещё листьев. Продолжайте добавлять листья и нагревать, пока вся вайда не будет использована.

4. После того, как все листья были использованы, продолжайте кипятить ещё 1 минуту.
5. Процедите жидкость из варёных листьев в чистый стакан.
6. Охладите до комнатной температуры путём погружения стакана в мелкий поддон с холодной водой, перемешивая как экстракт в стакане, так и воду в поддоне. У вас теперь есть раствор, содержащий, помимо прочего, изатан Б – нестабильный гликозид индоксила.
7. Когда раствор охладится, измерьте объём вашего экстракта и добавьте количество аммиака, эквиваленого 1% этого объёма, например, на 1 л экстракта добавьте 10 мл аммиака; на 100 мл экстракте добавьте 1 мл аммиака. Раствор должен немедленно поменять цвет с коричневого на коричневато-жёлтый, а затем зелёный. У вас теперь есть расвор, содержащий, помимо прочего, индоксил.

Для окраски шерсти

Намочите шерсть и положите в экстракт на 10 минут. Выньте и оставьте сушиться на воздухе.

Для получения порошка индиго

1. Насыщите экстракт кислородом путём переливания раствора из одного стакана в другой в течении 10-ти минут.
2. Возможно при аэрации образуется слишком много пены; в этом случае постепенно, по капле, добавьте октановой кислоты. Она действует как поверхностно-активное вещество.
3. Для получения порошка индиго профильтруйте экстракт через фильтровальную бумагу.

Чтобы порошок индиго можно было бы использовать как краситель, его необходимо растворить в воде и смешать с восстановителем, как например, с гидросульфитом натрия (Na2S2O4). При контакте с воздухом окрашенный материал (например, шерсть) посинеет.

 

Заметки о безопасности

Помните, что индиго и многие из его предшественников являются красителями, поэтому старайтесь не проливать их на одежду или кожу. При использовании концентрированного раствора аммиака, а также индиго и его предшественников, надевайте перчатки и химические очки, защищающие от брызг. Проводите все реакции под вытяжным шкафом. Также обратите внимание на общие заметки о безопасности журнала Наука в школе.

Вопросы для обсуждения

• Зачем мы кипятим листья? Что при этом происходит?
• Что случается при добавлении аммиака?
• Почему при высыхании окрашенной шерсти она синеет?
• Что происходит с раствором когда, при изготовлении порошка, раствор переливается из стакана в стакан? Почему индиго выпадает в осадок?
• Можете ли вы узнать, как индиго получают в промышленных масштабах сегодня? Каковы его основные применения?

Дополнительные задания

Вы также можете попросить своих студентов более тщательно изучить химию индиго и других красителей с помощью некоторых из заданий, приведённых ниже.

Расчёт выхода индиго

Взвесьте листья до экстракции и высушенный порошок индиго. Вычислите процент выхода индиго следующим образом: (масса индиго/масса листьев) х 100. Вы можете сравнить выход из свежих и высушенных листьев, или сравнить его с другими источниками индиго, как например, с Indigofera tinctoria.

Использование индиго в качестве красителя

В нашем эксперименте индиго используется для окраски шерсти. Можно ли использовать индиго для окраски других материалов? Вы можете сравнить естественные материалы, как хлопок, лён и шёлк с синтетическими или смешанными (например, полиэстровым хлопком, хлопковой лайкрой).

Эффективность изготовления индиго

1. а) Из каких листьев можно получить больше индиго: более больших, старых листьев или более молодых, маленьких листьев? Выразите количество полученного индиго в граммах и на лист (сосчитайте количество листьев до экстракции). Из каких из них можно получить наибольшее количество индиго?
2. Выращивайте растения с добавлением азотосодержащего удобрения и без него. Старайтесь добавлять из расчёта 2-4 г азота на квадратный метр почвы (для начала  вам необходимо будет сосчитать количество удобрения, которое даёт данное количество азота). Увеличивает ли добавление азотосодержащего удобрения количество полученного индиго?
3. Попробуйте поместить растения в темноту на несколько дней (накройте их чёрной пластмассой). Влияет ли это на количество полученного индиго? Что вы можете заключить о метаболизме изатана Б в растении?
4. Исследуйте влияние других способов обработки растений или срезанных листьев.
5. Испытайте влияние изменения метода экстракции, например, разными основаниями.

Исследование других красителей

Мои студенты получали красители из кожуры лука, из марены и ягод мирты. Они также испытывали стойкость красителей путём стирки окрашенных материалов с помощью разных методов.

Изучая химию с Плинием старшим

Это задание является частью более обширного междисциплинарного проекта, разработанного с 14-15 летними учениками для изучения древних научных технологий. Плиний старший (23-70 года н.э.) был римским писателем и натуралистом. Его энциклопедия, Naturalis Historia, содержит в себе большинство научных знаний того времени. Мы начинали каждую тему с обсуждения выдержки из Naturalis Historia, а потом пытались воссоздать либо эксперимент, описанный в тексте, либо что-то похожее.

Таким образом, студенты начинали в схожем до-научном состоянии, что и Плиний и, с помощью работы в лаборатории и обсуждений, обретали современные научные знания по каждой теме. Процесс мотивировал даже самых неувлечённых студентов.

Прочими заданиями в проекте были воссоздание древних духов (Farusi, 2011), изготовление стеклянных тессер борной кислотой, симулирование люминисценции моллюска Pholas dactylus и изготовление чернил из чернильных орешков (Farusi, 2007).

Благодарность

Автор хотел бы поблагодарить доктора наук Дэвида Хилла (Dr David Hill) из Университета Бристоля, Соединённое Королевство (University of Bristol, UK), за его советы по экстракции индиго из вайды.

Download

Download this article as a PDF