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Bei dieser Datei handelt es sich um ein Protokoll, das einen Vortrag im Rahmen
des Chemielehramtsstudiums an der Uni Marburg referiert. Zur besseren
Durchsuchbarkeit wurde zudem eine Texterkennung durchgeführt und hinter das
eingescannte Bild gelegt, so dass Copy & Paste möglich ist – aber Vorsicht, die
Texterkennung wurde nicht korrigiert und ist gerade bei schlecht leserlichen
Dateien mit Fehlern behaftet.
Alle mehr als 700 Protokolle (Anfang 2007) können auf der Seite
http://www.chids.de/veranstaltungen/uebungen_experimentalvortrag.html
eingesehen und heruntergeladen werden.
Zudem stehen auf der Seite www.chids.de weitere Versuche, Lernzirkel und
Staatsexamensarbeiten bereit.
Dr. Ph. Reiß, im Juli 2007
Vortrag
im Rahmen des Lehramtsstudienganges "Chemie"
an der Philipps-Universität Marburg
Chemie des Haares
gehalten von: Claudia Katthagen
Lutherstr. 4
35037 Marburg
am 08.02.1995
Chemie in der Schule: www.chids.de
2
Gliederuna;,
o. Begüßung und Vorstellung der Gliederung
1. Der Aufbau des Haares
2. Chemie der Aminosäuren
Versuch 1: Aminosäurechromatogramm
3. Dauerwelle
Versuch 2: Baumannscher Versuch
Versuch 3: Dauerhafte Haarumformung
Versuch 4: Bestimmung des Reduktionsmittels in
Dauerwellflüssigkeit
4. Blondieren
Versuch 5: Blondierung
5. Die Farbe der Haare
Versuch 6: Diffusion an einer semipermeablen Membran
Versuch 7: Färben einer Haarsträhne
3
Chemie des Haares
"Das Haar in der Suppe
mißfällt uns sehr
selbst wenn es vom Haupte
der Geliebten wär."
Wilhelm Busch (1832-1908)
Die folgenden Haarspaltereien sind nicht an den Haaren herbeigezogen, Haare auf
den Zähnen brauchen sie auch nicht und in diesem haarigen Vortrag soll
niemandem ein Haar gekrümmt werden.
Lexikon:
Haare, (pili) ein- oder mehrzellige, meist fadenförmige Bildung aus Keratin der
Epidermis mancher Tiere und des Menschen. Unter den Wirbeltieren haben nur die
Säugetiere Haare. Sie dienen vor allem der Temperaturregulation und als
Strahlenschutz, haben aber auch Tastsinnesfunktion und stellen einen
Schmuckwert oder Tamschutz dar.
Man unterscheidet den frei aus der Haut herausragenden Haarschaft und die in
einer grubenförmigen Einsenkung steckende Haarwurzel, die ist an ihrem Ende zur
Haarzwiebel verdickt ist. In diese ragt von unten her eine zapfenförmige,
bindegewebige Lederhautpapille (Haarpapille) hinein. Sie enthält ein Blutgefäßnetz
sowie Pigmentzellen und versorgt die die teilungsfähigen Zellen der Haarzwiebel.
Von dieser Haarmatrix aus wächst und regeneriert sich das Haar (bei Zerstörung der
Matrix oder der Papille ist keine Haarbildung mehr möglich).
Das heißt Zellteilung und biologische Veränderungen finden nur in der Haarwurzel
statt, der Haarschaft hingegen ist verhornt und nicht mehr lebend.
Nach oben zu sterben die Haarzellen ab und verhornen. Aus unvollständig
verhornten und eingetrockneten Zellen bildet sich das Haarmark. Um das Mark
herum liegt die Haarrinde, in deren Zellen Farbstoffe abgelagert sind, die die
Haarfarbe bedingen. Außen umgeben verhornte Zellen eines einfachen
Plattenepithels das Haar dachziegelartig (Schuppenschicht).
4
Einleitung
Haare, der schönste Schmuck des Menschen
Der Menschlicher Körper ist auch ein "Zeichen und Informationssystem":
Durch Mimik, Gestik, durch bestimmte Körperhaltungen, durch sein Aussehen,
Make-up, Frisur, Haarbeschaffenheit und Farbe kann der Mensch verschiednen
Botschaften an andere Menschen übermitteln. Auslöser-Reize helfen die Beziehung
der Geschlechter herzustellen. Es gibt typische Merkmale, die mit dem
Erscheinungsbild der Frau und des Mannes verbunden sind.
Auch das Haar gehört in die Gruppe der Auslöser-Reize. Weiches, glänzendes,
helles, feines Haar erinnert unbewußt an Babyhaar und ruft Beschützerinstinkte
beim Mann auf den Plan. Bestimmte Haarfarben werden als "erotisch" angesehen
und wirken attraktiv auf den Partner. Schönes gepflegtes Haar ist ein wesentliches
Element der äußeren Erscheinung.
Unser Haar ist eine Art biochemisches Tagebuch. Es registriert - und zwar
haargenau - den Mineralien- und Spurenelementehaushalt des Menschen. In den
USA wird seit Jahren durch genaue Haaranalyse versucht Pannen im Körper
aufzuspüren, wenn andere Untersuchungsmethoden erfolglos waren.
Besonderheiten:
Am menschlichen Körper können sich bis zu 2.000.000 Haare wachsen. Auf einem
Quadratmeter Haut sind das bis zu 500 Haare.
Ein einzelnes Haar kann ein Gewicht von 80g tragen, bevor es reißt. Auf die Anzahl
von rund 100.000 Kopfhaaren umgerechnet, können an diese theoretisch ein
Gewicht von zehn Autos (10 Tonnen) gehängt werden. Die Reißfestigkeit der Haare
erklärt auch die Haarakrobatik im Zirkus.
5
Wachstum und Aufbau des Haares
[Folie 1: "Der Aufbau des Haares"]
[Dias ']
Haare und Nägel gehören zu den Anhangsgebilden der Haut.
Es werden verschiedene Arten von Haar unterschieden:
Langhaare wachsen auf dem Kopf
Borstenhaare sind die Wimpern, Augenbrauen, Barthaare und die Haare in Nase
und Ohren. Sie sind wesentlich dicker, borstiger und kürzer als Langhaare, im
Prinzip aber gleich aufgebaut.
Alle Haare werden periodisch ersetzt und erneuert. Man unterscheidet zwischen
Anagen- (=Wachstums-), Katagen- (=Übergangs-) und Telogenstadium
(=Ruhestadium). Die Dauer der einzelnen Phasen für Haare unterschiedlicher
Körperregionen ergibt sich aus der folgenden Tabelle:
Tab. 1.: Wachstums- und Ruhephasen von Humanhaaren (nach Stüttgen, G.,
Schaefer, H., 1974)
Kopfhaut
Augenbrauen
Handrücken
Barthaare
Anagen
Katagen
Telegen
Anagen
Telogen
Anagen
Telogen
Anagen
Telegen
2-6 Jahre
2 Wochen
3-4 Monate
4-8 Wochen
3 Monate
10 Wochen
7 Wochen
10 Monate
2 Monate
85-90 % der Haare
1 0/0
"
9-14 0/0
"
Das Haarwachstum erfolgt zyklisch. Jeder Haarfolikel besitzt einen autonomen, von
umgebenen Folikeln unabhängigen Zyklus. Die Anagenphase ist der Beginn eines
jeden Wachstumszyklus und dauert beim Kopfhaar drei bis sechs Jahre. Im
Anschluß folgt die ein- bis zweiwöchige Übergangsphase. In der etwa zweimonatigen Ruhephase wird das alte Haar durch ein neues Anagenhaar aus der
Kopfhaut herausgeschoben.
Der Rhytmus des Haarwechsels eines Menschen ist abhängig von Faktoren wie dem
Lebensalter und davon abhängiger Hormonversorgung sowie allgemeiner Ernährung
des Kopfhaarbereiches.
6
Das Haar als Polypeptidkette
[Folie 2: "Im Haar enthaltene Aminosäuren"]
Das Haar ist hauptsächlich aus Keratin aufbebaut. (Säugetiere .o-Keratm, Vögel und
Reptilien: ß-Keratin) Ein einzelnes Haar ist im Durchschnitt 20 p,m dick und aus
abgestorbenen Zellen entstanden. Diese werden von dicht gepackten Makrofibrillen
(0=200 nm) autqebaut, welche sich wiederum aus 8-nm-Mikrofibrillen aufbaut, die
duch eine amorphe Proteinmatrix mit hohem Schwefelgehalt zusammengehalten
wird. Ein Muster von 9+2 Protofibrillen (2 nm) bildet die Mikrofibrille.
Die Protofilamente bestehen aus zwei eng assoziierten Paaren von a-Helices, die
linksgängig umeinander gewunden sind. Hierdurch erfolgt eine Verkürzung der
Ganghöhe der normalen a-Helix von 0,54 nm auf 0,51 nm. Man nennt diese Struktur
auch Doppelwendel-Dimer, Superhelix oder coiled coil.
Die Doppelwendel-Konfiguration ist eine Folge der Primästruktur der AminosäureKette.
Versuch 1.: Aminosäure-Chromatogramm
Versuchsvorschrift analog Skript zum Organischen Praktikum für
Lehramtskandidaten, Ninhydrin-Detektion und Hydrolyse eines AS-Gemisches
Chemikalien :
6 M Salzsäure
0,1 M Salzsäure
Butanol
Eisessig
dest. Wasser
Ninhydrin-Lösung
Geräte:
Chromatographie-Kammer
Reagenzgläser (schmelzbar)
Chromatographiepapier
Trockenschrank (100° C)
Gebläsebrenner
Zerstäuber
Abdampfschale
Kapillaren
Man gibt ein Büschel der zu untersuchenden Haare (evt. verschiedenen Proben:
blond, schwarz, glatt oder kraus) in ein Reagenzglas und schiebt es bis zu dessen
Boden. Dann versetzt man es mit 3-4 ml6 M (=1/2 konz.) Salzsäure und schmilzt zur
Ampulle ab. Die Ampullen werden 24 Stunden bei 100 0 C im Trockenschrank
inkubiertl Dadurch werden die Haare in die Aminosäuren zerlegt. Die entstandene
Lösung wird vorsichitig abgedampft und dann in 0,1 M Salzsäure aufgenommen. Auf
dem Chromatographiepapier zeichnet man eine Startlinie ein und trägt die Lösungen
mit Hilfe von Kapillaren auf. Parallel wird ein Aminosäure-Gemisch bekannter
Zusammensetzung aufgetragen. Die Rf-Werte der einzelnen AS sind voher zu
ermitteln.
7
Als Laufmittel dient eine Mischung aus Butanol, Eisessig und Wasser im Verhältnis
4 : 1 : 1. Die Laufzeit beträgt 4 Stunden.
Das fertige Chromatogramm wird trocken gefönt und mit einer Ninhydrin-Lösung
besprüht. Dann wird mit dem Fön so lange gleichmäßig erhitzt (einige Min.), bis die
farbigen Banden sichtbar werden. [Rf-Werte siehe Kopie des Chromatogramms]
Es läuft folgende Reaktion ab:
Im ersten Reaktionsschritt bildet die Aminosäure mit Ninhydrin eine Schiff'sche
Base, die dann unter Bildung des Aldimins oxidativ decarboxyliert. Das Aldimin
reagiert direkt mit einem zweiten Ninhydrin-Molekül zu dem intensiv gefärbten
Produkt (Ruhemanns Violett). Der Frabton kann je nach Aminosäure von Blau bis
Rotviolett divergieren.
Chemie der Aminosäuren:
Die Chemie der Aminosäuren wird bestimmt durch die Peptidbindung. [Folie3]
In den 30'er Jahren endeckte William Astbury, daß das Röntgenbeugungsmuster
von Wolle eine repetitive strukturelle Einheit zeigte, die sich in Abständen von 0,54
nm entlang der Richtung des Wollfaserverlaufs erstreckte. Durch Behandlung mit
Wasserdampf konnte eine reversible Dehnung erfolgen.
Linus Pauling und Robert Corey sagten 1951, einige Jahre vor der vollständigen
Aufklärung der ersten Proeinstrukur, die Existenz von Sekundärstrukturen in Form
von o-Helix und ß-Faltblatt voraus. Durch Röntgenbeugungsuntersuchungen an
kristallinen Peptiden erhielten sie folgende Informationen: Die Länge der C-NBindung liegt mit 0,132 nm zwischen einer typischen C-N-Einfachbindung (0,149
nm) und einer C=N-Doppelbindung (0,127 nm). Die Peptidbindung ist planar (alle
vier mit der C-N-Gruppe verbundenen Atome liegen in derselben Ebene), die (XKohlenstoffatome immer in trans-Position zu einander. Das heißt es liegt ein
teilweiser Doppelbindungs-Charakter (und teilweiser Dipol-Charakter) vor!
Da um die C-N-Bindungsachse keine Rotation möglich ist, kann das Rückrat einer
Polypeptidkette also als eine Reihe starrer Ebenen angesehen werden, die durch
substituierte Methylengruppen -CH(R)- von einander getrennt sind. Die starren
Peptidbindungen schränken die Zahl der Konformationen ein, die eine
Polypeptidkette einnehmen kann. Pauling und Corey wußten um die Bedeutung der
H-Brücken für die Ausrichtung polarer chemischer Gruppen bzw. der -C=Q und der
-N-H-Gruppen von Peptidbindungen.
Die einfachste Anordnung einer Peptidkette mit starren Peptidbindungen aber
rotationsfähigen N-Ca und C-Ca -Bindungen ist eine helicale Struktur. Pauling und
Corey bezeichneten sie als a-Helix.
Die Seitenketten der Aminosäurereste weisen vom helicalen Rückrat nach außen.
Ein Grund für die besondere Stabilität der a-Helix gegenüber anderen möglichen
Konformationen ist die optimale Nutzung der Möglichkeiten zur Bildung von
Wasserstoffbrücken. Diese entstehen zwischen dem Wasserstoff jeder Peptidbindung und dem Carbonylsauerstoffatom der Aminosäure, die sich in linearer
Sequenz jeweils 4 Reste weiter in Richtung des N-Terminus befindet. Alle
Peptidbindungen der Kette sind also an derartigen H-Brückenbindungen beteiligt.
8
Jede Windung der a-Helix ist über mehrere H-Brücken mit dem benachbarten
Windungen verbunden, was der Struktur insgesamt eine beträchtliche Stabilität
verleiht. Bestimmt wird die Stabilität der a-Helix vor allem durch die AminosäureSequenz.
Eine besondere Rolle spielen hier die Cystein-Reste, da sie die Möglichkeit zur
Bildung von Disulfidbrücken bieten. Im Keratin des Haares ist Cystein daher auch
die häufigste Aminosäure (siehe Folie 2). Die Bildung und Lösung von
Disulfidbrücken beruht auf einem Redox-System das vom Friseur zur
Haarumformung genutzt wird. Dies kann experimentell durch den Baumannschen
Versuch [Folie 6] gezeigt werden:
Dauerwelle
Versuch 2: Baumannscher Versuch
[Folie 6]
Versuchsvorschrift analog Praxis-Magazin in PdN-Ch. 2/43. Jg. 1994,
"Potenzialdifferenzen beim Friseur" Th. M. Braun (verändert)
und Skript zum Organischen Praktikum, J. Butenuth, Versuch 10.21.10
Chemikalien: Cystein-Lösung (0,5g Cystein in 100 ml wäßriger
Natriumacetat-Lösung, c=1 mol/I, auflösen
Eisen(II)-sulfat (FeS04 * 7 H20)
Geräte:
Demonstrationsreagenzgläser
Man füllt ein Reagenzglas 2-3 cm (nicht mehr) mit der Cystein-Lösung, gibt 0,2 g
Eisen(II)-sulfat dazu (Noch besser eine verdünnte Lösung von Eisen(I)-sulfat) und
schüttelt kräftig. Die Lösung färbt sich Blau-Violett und entfärbt sich von selber nach
2-3 Minuten. Bei erneuten Schütteln tritt dei Färbung wieder auf und verschwindet
wiederum nach einigen Minuten. Dies kann so lange forgeführt werden, bis daß das
Cystein vollständig verbraucht ist.
Reaktionsgleichungen siehe Folien 6+7!
Cystein bildet mit Eisen-Ionen Komplexe. Dabei ist der Eisen (III)-Cystein-Kompiex
blau/violett gefärbt, während der Eisen(II)-Cystein-Komplex farblos ist. Die Eisen(III)Ionen entstehen durch Oxidation mit dem gelösten Sauerstoff. Sie können dann bei
der Oxidation des Cystein die freiwerdenden Elektronen aufnehmen. Durch das
Schütteln wird neuer Sauerstoff in die Lösung gebracht.
Die Reaktion endet, wenn kein Cystein in der reduzierten Form mehr vorliegt.
9
Dauerwellen beruhen auf chemischen Reaktionen [Folie8]
Die natürliche Haarkrause wird duch eine Krümmung des Haarfolikels
hervorgerufen. Um eine kurzfristige Umformung zu erreichen, werden bei der
"Wasserwelle" die H-Brückenbindungen aufgebrochen und neu geknüpft. Will man
jedoch eine dauerhafte Umformung des natürlichen Haares erreichen, indem man
entweder krauses Haar glatt ziehen oder glattes Haar in Locken legen will, muß man
zur "chemischen Keule" greifen: Die Dauerwelle, früher Kaltwelle genannt im
Gegensatz zur HeißweIle des Brennstabes, beruht auf der chemischen Öffnung und
teilweisen Wiederherstellung der Disulfidbrücken. Im ersten Schritt werden die
Disulfidbrücken mit einem Reduktionsmittel, in den meisten Fällen handelt es sich
um Thioglykolsäure, gespalten. Es entstehen zwei Cystein- bzw. CysteinsäureReste. Hat der Friseur auf diese Weise ca. 15-20% der Disulfidbrücken gelöst,
werden die Haare in die neue gewünschte Form gebracht. Dann erfolgt die
Fixierung, das heißt die Wiederherstellung der Disulfidbrücken durch Oxidation. Als
Oxidationsmittel kommt heute zum überwiegenden Teil Wasserstoffperoxid zum
Einsatz.
Im nächsten Versuch wird die Konzentration des Reduktionsmittels in einem
gängigen Dauerwellpräparat (LOREAL) untersucht.
Versuch 3: Bestimmung der Reduktionsmittelkonzentzration in
Dauerwellflüssigkeit [Folie 9]
Direkte Iodometrie
Versuchsdurchführung nach Vorschrift im Skriptum zum Anorganisch-Chemischen
Praktikum für Lehramtskandidaten, E. Gerstner, 1989, Vorschrift Nr. 37, S. 178.
Chemikalien: Dauerwellflüssigkeit (=Entwicklerflüssigkeit)
lodlösung (ceq= 0,1mallt)
H2 S0 4 (C=1 moili)
NaHC0 3 (fest) p.a.
Stärkelösung
Maßlösung bekannter Konzentration zur Titerberechnung
Geräte:
Meßkolben
Erlenmeyerkolben
Meßpipetten
Vollpipetten
Peleusball
Bürette
Magnetrührer
Rührfisch
Zur Titration werden eine bestimmte Anzahl Tropfen der Weelflüssigkeit in einen
kleinen Erlenmeyerkolben vorgelegt und mit einigen Tropfen Schwefelsäure,
destiliertem Wasser und etwas festem NaHC03 versetzt. Vor Beginn der Titration
muß die Schaumauflösung abgewartet werden. Die Stöärkelösung wird möglichst
spät zugegeben und titriert bis zum Bestehnbleiben iner schwachen Blaufärbung.
Berechnung und Reaktionsgleichung siehe Folie 9'
10
Versuch 4: Dauerhafte Haarumformung
Chemikalien: mind. 2 lange unbehandelte Haarsträhnen
Dauerwellflüssigkeit
Fixiermittel (ersatzweise H2 0 2-Lösung (18 %
Geräte:
))
Dauerwellwickler (ersatzweise dünnes RG)
Durchführung gemäß Beschreibung in der Packungsbeilage, eventuell zur
Beschleunigung der Reaktion erwärmen.
Reaktionen wie oben beschrieben [Folien 8+9].
Melanin
Zwischen den Zellen des Haarbalges sitzen die Melanocyten. Diese spezialisierten
Zellen geben proteingebundene Pigmente, die Melanine, an das entstehende Haar
ab. Diese werden in die Haarstruktur eingebaut, bevor die äußere Kutikula entsteht.
Es gibt zwei Arten von Pigmente Eumelanine und Phaeomelanine. Eumelanine
besitzen eine relativ große ovale Granula und ergibt braune bis schwarze Farbtöne.
Die zahlreichen chinoiden Gruppen machen das Molekül leichter angreifbar für
Oxidationsmittet Phaeomelanine haben eine kleine geschichtete Granula, sind für
gelbe bis rote Töne zuständig und erweisen sich als relativ beständig gegenüber
Oxidationsmitteln.
Je dunkler das Haar ist, um so mehr Pigmente enthält es. Beim Blondieren oder
Hellerfärben werden die Pigmente verringert, dadurch das sie chemisch abgebaut
werden. Eine Blondierung verändert auch dei Frabrichtung des Haares. Bei einer
Blondierung werden durch die oxidierende Wirkung der Blondiermittel die zwei
Pigment-Arten unterschiedlich schnell angegriffen. Durch die Verschiebung des
Mischungsverhältnisses der Pigemnte erfolgt eine Belebung der Farbe. Z. B. erhält
aschblondes Haar einen Goldton durch Hervorhebung der Phaeomelanine.
Blondieren = Abbau der Naturpigmente
Blondiermittel bestehen aus zwei Komponenten: Dem Blondierpulver (-greme oder gel) und einer H202-Lösung als Oxidationsmittel. Die konzentrationen der H2 0 2 Lösung variiert von 6 % - 18 % und ist meistens durch Zusatzstoffe stabilisiert. Das
Blondierpulver enthält Ammoniumsalze und Quell- und Verdickungsmittel. Zur
Verstärkung sind Peroxodisulfate oder Peroxide zugesetzt, die die Wirkungsdauer
verlängern: Sie geben auch dann noch Sauerstoff ab, wenn das H202 kaum noch
wirkt. Außerdem wirken sie einem Rot- oder Gelbstich entgegen, durch verstärkten
Abbau des Phaeomelanins.
Wasserstoffperoxid als alleiniges Oxidationsmittel wäre zu schwach um die
Naturpigmente aufzuhellen, erst durch Zugabe des NH3 erfolgt die pH-Einstellung im
alkalischen und die Oxidationswirkung wird verstärkt (Gleichgewichtsverschiebung).
Der Ammoniak hat aber noch eine zweite sehr wichtige Funktion in dem er die
Quellung des Haares fördert Im alkalischen Milieu werden die
Wasserstoffbrückenbindung aufgehoben. Hierin besteht aber auch die Gefahrt der
11
unerwünschten "Neben"-wirkungen, nämlich Veränderungen an Salz- Wasserstoffund Disulfidbrückenbindungen.
Versuch 5: Blondierung
Chemikalien: Blondierpulver
Wasserstoffperoxidlösung
unbehandelte (dunkel-)braune Haarsträhnen
Geräte:
Porzellanschale
Pinsel
Wasserbad
große Petrischale
Magnetrührer mit Thermometersteuerung
Kurz vor dem Auftragen auf die trockenen Haarbündel wird das Blondierpulver mit
der Wasserstoffperoxid-Lösung zu einer geschmeidigen Masse angerührt (Kein
Metall verwenden! Katalysator!). Die Haarsträhnen werden reichlich mit der
Blondiermasse bestrichen und im Wasserbad bei 37° C 10 Minuten einwirken
gelassen. Die Oxidationswirkung wird durch die Konzentration der ~02-Lösung und
Dauer der Behandlung bestimmt. Unter normalen Bedingungen wird auf
Wärmezufuhr auf jeden Fall verzichtet, da sie zur Haarschädigung führen und die
Wärmeentwicklung durch die Reaktion ausreichend ist. Im Versuch muß die
Reaktion jedoch beschleunigt werden.
Zur Veranschaulichung können verschieden behandelte Haarsträhnen auf einem
Schaubild aufgeklebt, durch die im Vortrag blondierte Strähne ergänzt und im
Auditorium durchgereicht werden
Die Farbe des Haares
Die Farbe der Haare wird neben dem natürlichen Pigmentgehalt durch die
Beschaffenheit der Kutikula beeinflußt. Hormonelle Einflüssse bestimmen das
Wachstum der Haare. Durch Gaseinschlüsse kann es zum Beispiel zur Ergrauung
kommen.
Der Friseur unterscheidet drei Arten der Veränderungen der Haarfarbe: Temporäre,
semipermanente und permante Haarfärbemittel
Die temporären Färbemittel haben eine schwache Affinität zum Haar-Keratin und
werden daher mit der Zeit wieder ausgewaschen. Verlangt werden jedoch
Abriebfestigkeit und Lichtbeständigkeit. Bei den semipermanenten Färbemitteln
liegt eine größere Eindringtiefe zu Grunde, die zusammen mit einer hohen Affinität
zum Keratin des Haares zu einer schwer sehr haltbaren Färbung verhelfen. Meist
sind hier Nitrophenylendiamin- oder Nitroanilin-Derivate im Einsatz. Man nennt
semipermanente Färbemittel auch direkt-ziehende Färbemittel, da sie bereits als
fertige Farbstoffe auf das Haar aufgetragen werden. Im Gegensatz dazu werden die
Farbstoffpigmente der permanenten Haarfärbemittel erst im Haar durch eine
chemische Reaktion gebildet. Die permanenten Färbemittel haben einen
Marktanteilvon 80 %. Sie zeichnen sich durch besonders hohe Licht- und
Witterungsbeständigkeit aus und sind auch gegen andere Haarbehandlungsmittel
beständig!
12
Das Problem des "Haarchemikers" besteht beim Färben also darin, die Pigmente
möglichst tief in das Haar eindringen zu lassen, um eine haltbare Färbung zu
erreichen. Die im folgenden Versuch vorgeführte Diffusion an einer semipermeablen
Membran veranschaulicht den dabei ablaufenden Vorgang:
Versuch 6: Diffusion an einer semipermeablen Membran
[Folie 14]
Chemikalien: Kaliumpermanganat
raumgreifendes organisches Pigment
z.B. Kongorot (muß wasserlöslich sein)
Wasser
Geräte:
zwei große Standzylinder mit glattgeschliffenem Rand
Cellophan (=Einmachfolie)
Über zwei randvoll mit Waser gefüllte Standzylinder spannt man je ein Stück
Cellophan so, daß es die Wasseroberfläche berührt und gibt eine kleine Menge
Kaliumpermanganat bzw. Kongorot auf die Folie. Beide Chemikalien nehmen
Wasser auf, welches frei durch die Membran wandern kann. Das gelöste
Kaliumpermanganat kann durch die Membran diffundieren und verteilt sich unter
Schlierenbildung in der Wassersäule. Das Kongorot dagegen ist zu groß für die
Passage der Membran und bildet einen farbigen Wassertropfen auf der Oberfläche
des Cellophans.
Im nächsten Versuch wird die Funktionsweise von Oxidationshaarfärbemittel
gezeigt: Zwei an sich farblose niedermolekulare Stoffe werden zu gefärbten
Kettenmolekülen oxidiert.
Versuch 7: Funktionsweise von Oxidationshaarfärbungen:
[Folie 15]
Chemikalien: p-Phenylendiamin
Wasserstoffperoxid
Geräte:
Reagenzglasständer
Man löst je eine Spatelspitze p-Phenylendiamin in einem RG und löst es in Wasser.
Nun gibt man zu den Lösungen unterschiedliche Konzentrationen an H20 2 und
schüttelt kurz. Nach einiger Zeit tritt eine Braunfärbung auf, die mit zunehmender
Konzentration des H202 schneller und verstärkt eintritt.
Durch das Wasserstoffperoxid wird das farblose Phenylendiamin zum Chinondiimin
oxidiert. Dieses kann elektrophil an einem Phenylendiamin-Molekül angreifen und
wird addiert. Es kommt zur Kettenbildung, die durch die braune Färbung angezeigt
wird.
Reaktionen siehe Folie 15!
13
Auf der nächsten Folie sind die verschiedenen Kupplungskomponenten für
zahlreiche Farbnuancen gezeigt. Allen Reaktionen liegt den allgemeines Prinzip zu
Grunde:
1. Oxidation des Phenylendiamins zum Chinondiimin
2. Kupplung zu Diphenylaminen
3a. Oxidation der Diphenylamine zu Farbstoffen
3b. Kupplung von Diphenylamin mit Indaminen mit 3 Ringen
4. evt. weitere Kondensationen zu höhermolekularen Farbpigmenten.
Auf den folgenden Folien [Folie 10 + 11] wird ein natürliches blondes und ein
braunes Haar im Querschnitt gezeigt und im Gegensatz dazu gefärbte bzw. getönte
Haarquerschnitte. Im natürlichen Haar liegen die Pigmente in der Matrix verteilt, die
Kutikula ist ungefärbt. Beim gefärbten Haar sieht man wie weit der Farbstoff in die
Matrix eindringen konnte und daß der Markkanal gefärbt ist. Bei der Tönung ist
besonders stark die Kutikula gefärbt.
Die Folien 18 - 20 zeigen rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von gesunden
abgebrochenen Haar und der Haarmatrix. sowie Haarspliß und Ablösung der
Kutikulaschuppen durch chemische Behandlungsmittel inclusive wieder anliegende
Kutikulaschuppen nach Behandlung mit Pfelgemitteln.
Ende:
Kosmetik hat zu tun mit der Pflege und der Verschönerung des Menschen. Was ihr
im Laufe der Geschichte nicht gelungen ist, was ihr auch in Zukunft nicht gelingen
wird, ist die Aufhebung menschlicher Begrenztheit.
"Du bist am Ende - was Du bist.
Setz dir Perücken auf von Millionen Locken,
Setz deinen Fuß auf ellenhohe Socken,
Du blieibst doch immer was du bist."
Johann Wolfgang v. Goethe in Faust
14
Literaturliste:
Braun, Th. M., "Potentialdifferenzen beim Friseur", in: Praxis der
Naturwissenschaften-Chemie, 2/43. Jg. 1994
Chemie heute, Sekundarbereich 11, "Der Friseur als Proteinchemiker" , Schroedel
Schulbuchverlag GmbH, Hannover, 1988 (mit Vorsicht zu genießen !)
Greß, P., D. Hoch, M. Schmock, D. Wanke, "Das Färben des Haares",
WELLA AG, Darmstadt 1984
Lehninger/Nelson/Cox, "Prinzipien der Biochemie", 2. Auflage, Kapitel 7
"Die dreidimensionale Struktur von Proteinen", Spektrum Akademischer Verlag
Heidelberg Berlin Oxford, 1994
Peters, Imke Barabara, "Es wächst auf Dir" , Werbedruck Köhler & Voltmer,
Oldenburg, 1989
Römpp, Chemie Lexikon, Thieme Verlag, Stuttgart, 9. Aufl. 1990
Rook, Arthur , Rodney Dawber, "Diseases of the Hair and Scalp",
Blackwell Scientific Publications, Oxford
Ullmans: Encyclopädie der technischen Chemie, 3. Auflage, 10. Band
S. 727-760, "Haarbehandlungsmittel", H. Freytag
Umbach, Wilfried, "KOSMETIK, Entwicklung, Herstellung und Anwendung
kosmetischer Mittel", Thieme Verlag, Stuttgart, 1988
Vogel, Friedrich, "Kosmetik aus der Sicht des Chemikers" in: Chemie
in unserer Zeit, 20. Jahrg. 1986, Nr. 5, VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim
Vollhardt, K. Peter C., "Organische Chemie", Kapitel 27.3. "Oligomere und
Polymere von Aminosäuren: Die Struktur von Peptiden und Proteinen", VCH
Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim, 1990
Vollmer, Günter, Manfred Franz, "Chemische Produkte im Alltag",
Georg Thieme Verlag Stuttgart, New York 1985
Zahn, Helmut, "Das Haar aus der Sicht des Chemikers" in: Chemie
in unserer Zeit, 23. Jahrg. 1989, Nr. 5, VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim
FACHDIASERlE "Das Haar", WELLA Friseurservice
Der Aufbau des Haares:
Doppelwendel aus
I'
~~i
zwe i a-Helices
Mikrofibriile
,,
t:')iI
Makr ofibrille
->
b .
,~'_JJ
,
I
I
t
Protofilament
(ein Paar von
I
I
I
Doppelwendeln ) f
I
r
i
Mikfrofibrille
\9
+
2-Anordnung)
-"-'
. _...._ ..
.-
..... --~_._._~._",..-
- ...-_---
•
•
•
c
_
..
Im Haar enthaltene Aminosäuren:
Seitenkette
Name
Konz.0 Rf-Wert
[Mol-%]
Cystein
Cysteinsäure
Cystin
-CH2-SH
-CH2SO:#
-CH2-S-S-CH2-
} 16,7
10
09
Glutamin
Glutaminsäure
-(CHV2-CONH2
Serin
-CH2-OH
Asparagin
Asparaginsäure
-CH2-CONH2
-CH2-COOH
Arginin
-(CH2)3- NH -c-NH 2
NB
6,2
17
06
Alanin
-eH3
4,6
22
-(CHV2-COOH
11,8
"
..
R = Seitenkette
} 12,1
} 5,3
24
20
c
n
*
R L~I~
R 0
~N-C-C-N--t-~*
I 'H
n
H'IH
H
1l
R I?I
R 0
+N-C-C=N~-~1:I
H
H
'
I'
H H
n
3O'ger Jahre: WlI.lam Astbury
Repetetive strukturelle Einheiten
reversible Dehnung
1951 - Unus Paullng u, Roben Corey
Bedeutung der H-Brückenbindungen
Existenz einer Sekundarstruktur
~ die a-Helix
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Wasserstoffbindung
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H-N-H
®
I Salzbindungen
I Schwefelbindung
e-Helix
Querverbindung
zur Helix od. Matrix
Schwefelbindung
Wasserstoffbindung
Salzbindung
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~C-O
-\ 9
Fe
2+
•
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tiN-C-H
\
2+
Fe
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HC-S
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H
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,0-
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~N-C-H
2+
Fe
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Hc-S
2
+ O2
+
4
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\
\
//
4 ~N-C-H
Fe
+ 2 H.zO
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Hc-s
2
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H
H
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C-O
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4 tiN-C-H
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Fe
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HC-S
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4 Fe
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+ 2
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H H-N-H I
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2 Fe3+
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1/2
EO = + 0.,08 V
EO=+O,77V
EO = + 1,23 V
Cystein bildet mit Eisen-Ionen Komplexe:
Fe2+(Cystein)-Komplex farblos
Fe3 +(Cystein)-Komplex =blauviolett
=
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Dauerwellen beruhen auf
chemischen Reaktionen
Natürliche Krause ~ Krümmung der Haarfolikel
Kurzfristige Umformung ~ "Wasserwelle"
Dauerhafte Umformunq-s Chemische Veränderung
1. Schritt: Spaltung der Disulfidbrücken
2. Schritt: Neubildung von Disulfidbrücken
schematisch:
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i
I Reduktion :
I" + 2 e
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2
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Vort8g8: 0,2 ml WeIIflO••igkeit
Verbrauch (1 2 ) :
Ceq (12)
). l rc
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1.-'- •
=0,2 mol", Meq(Red.) =92,114 mglmmol
I m (Red.) =Ceq (12) * t * V (12) * Meq (Red.)
t = 0(9"1
Dichte (J = 1, 19 gJml " 0,2 ml = 0,238 9 = 238 mg
I Z2
I
'5 :::.
mg * 100 I 238 mg =
A2.
%
Eumelanlne:
- braune bis schwarze Töne
- große ovale Granula
- chinoide Gruppen
- leichter angreifbar von
Oxidationsmitteln
Phaeome la n i ne: - gelbe bis rote Töne
- kleine geschichtete Granula
- relativ bestandig gegenOber
Oxld.tionsmltteln
o
R = eH:! CH NH:! COOH
R
Eumelanin
Phaeomelanin
(postuüerte Struktur der Untereinheiten.
-, Atthur Rook and Rodney Oawber)
8US : "Otseases of the hafr anct
=Oxidative Zerstörung der Melanin-Pigmente
- Oxidationsmittel: H202 -Lösung (6 - 18 %)
BIondIerpulver:
- Ammoniumsalze
- Peroxodisulfate oder Peroxide
- Quellmittel und Verdickungsmittel
neutrales \,1 il ieu:
H 202 + 2 H 20 -
•
Cl=(nasc.)
+ 2 H 30+ + 2 e
(EO = + 1,68 V)
alkalisches Milieu:
EO = - 008
, V
~elte
Funktion des NH3~
- pH-Einstellung
- Quellung des Haares
"Nebenwirkungen":
- Veränderungen an Salz-, Wasserstoff- und
DisulfidbrOcken
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.....................
:
- Pigmentgehalt
- Beschaffenheit der Kutikula
- hormonelle Einflüsse
- Gasgehalt
Temporäre Flrb.mlttel
- schwlIChe AtfinttAat zum H••r-Ker-.tln
- Lichtbestandigkeit
- Abriebfestigkeit
- auswaschbar
Semipermanente Flrben,ittel
- hohe Affinitat zum Haar-Keratin
- große Eindringtiefe
- Nitrophenylendiamin- oder Nitr08nilin-Derivate
direkt-ziehende FArbemittel
-=
Permanente Haarflrbemlttel
- Marktanteil 80 0/0
- Farbstoffbildg. im Haar
- Licht- u. Witterungsbestandigkeit
- beständig gg. andere Haarbehandlungsmittel
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Das Färben des Haares
- Pigmente müssen möglichst tief eindringen,
um eine haltbare Färbung zu erreichen .
Versuch:
Diffusion an einer
semipermeablen Membran
Vor her:
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Funktionsweise von Oxidationshaarfärbungen:
NH2
Ox.
Phenylendiamin
Chinondiimin
(farblos)
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NH
+
--
NH
..elektrophil"
1
HN
1
braun
HN=:::r NH
Chinondiimin (COf)
h:~'
anilinrot
anilinrot
H
~NyyN~
H~~~~NIbraun
grün
..poIymerbraU"l"
Mechanismus der Farbstoffbildung bei Oxidationsfarbstoffen
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Hinweis

Transcription

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