Les colorants organiques

Historique des colorants organiques

Depuis fort longtemps, l’homme utilise les substances colorées pour modifier l’aspect extérieur de son environnement. Ces substances étaient constituées de pigments animaux et minéraux des grottes décorées et de teintures des vêtements (on utilisait la garance et l’indigo, teintures préparées à partir de plantes). Les premiers colorants connus sont ce utilisés à Lascaux (France) ou à Altamira vers 12000 avant Jésus CHRIST.
Ces colorants étaient des pigments minéraux : oxydes de fer pour les jaunes, les ocres, et les rouges et oxydes de manganèse pour les bruns. Dès 1500 avant notre ère les Egyptiens réalisaient des teintures dont la majorité était d’origine végétale ; extraites des plantes, des arbres ou des lichens ou bien d’origine animale ; extraites aussi des insectes comme le kermès ou des mollusques comme la pourpre. Parmi les colorants d’origine naturelle on peut citer le safran (jaune), le pastel (bleu) et la garance (rouge).
Mais le nombre de colorants n’a jamais accédé quelques dizaines jusqu’à la fin du XIXe siècle. Le développement de la chimie des colorants est essentiellement associé à l’industrie chimique. En effet la chimie révolutionne leur utilisation et leur production avec la découverte des colorants synthétiques. Ainsi on est à l’ère de la disparition progressive des colorants naturels et maintenant les opérations de teintures sont grandement simplifiées. L’industrie des colorants synthétiques est née en 1856 quand le chimiste anglais W. H. Perkin, dans une tentative de synthèse de la quinine artificielle pour soigner la malaria a obtenu la première matière colorante synthétique qu’il appela « mauve » (aniline, colorant basique). Perkin a breveté son invention et a installé une chaîne de production, qui serait bientôt suivie par d’autres. De nouveaux colorants synthétiques commencent à paraître sur le marché. Cependant en 1868, l’alizarine fut synthétisée par les Allemands Graebe et Liebermann et en 1880, la synthèse de l’indigo par Brayer. Dans le même temps, voient le jour de nouveaux colorants, n’ayant pour la plupart aucun lien avec la nature.
Au XXe siècle d’autres catégories importantes de colorants apparaissent dont on peut citer : les colorants azoïques : colorants dérivés de l’azobenzène (C6H5-N=N- C6H5), la plupart jaune ou rouge (1911).Ils comprennent aujourd’hui le groupe le plus large des colorants synthétiques. les colorants dits dispersifs (1922); les colorants réactifs en 1956.
Ainsi les colorants synthétiques contrairement aux colorants naturels sont nombreux et comptent plus de sept (7) mille exemplaires et chacun est adapté à une technique particulière ou à usage spécial.

Pigments

La coloration des matières permet d’en modifier certaines caractéristiques, dans le but par exemple de répondre à des besoins d’esthétisme, de repérage, de décoration,… Deux sortes de matières colorantes sont utilisées : les pigments et les colorants. Leurs origines et leur mode de préparation diffèrent. Contrairement aux colorants qui sont absorbés par le support et s’unissent chimiquement aux molécules qu’ils colorent, les pigments se fixent uniquement à la surface de l’objet.
Les pigments organiques peuvent être classés en deux groupes : les pigments organiques classiques et les pigments organiques de hautes performances. Les pigments classiques : Ils sont jaunes, rouges, bleus, verts ou oranges. Ils trouvent l’essentiel de leurs applications dans la fabrication des encres d’imprimerie.
Leur force colorante est également utilisée pour les peintures principalement grandes publiques, en substitution des pigments minéraux pouvant présenter des dangers liés à leur toxicité. La relative stabilité thermique de certains d’entre eux (jusqu’à 220-240°C) en font des matières colorantes intéressantes pour les matières plastiques .Dans ce groupe on peut citer :
Les pigments classiques azoïques ; leur synthèse fait appel à la diazotation d‘une amine aromatique pour former une base diazoïque, en général le 3-nitro-4- aminotoluène. Le produit obtenu est ensuite couplé (réaction de copulation) avec un agent adéquat, lequel caractérisera le pigment fini. Les pigments classiques de phtalocyanine : Identifié en 1928, le bleu de phtalocyanine apparait comme une molécule complexe bien que relativement facile à fabriquer. Les pigments de bleu phtalocyanine sont largement utilisés dans toutes les industries. Les plus forts tonnages sont consommés dans les encres d’imprimerie, ces pigments bleus constituant une base de la trichromie dans les métiers d’impression.
Par halogénation de la molécule de bleu de phtalocyanine on obtient les pigments verts (pigment vert7 (chloré) et pigment vert 36 (bromé)). Ce pigment vert a d’excellentes propriétés et peut être considéré comme le pigment vert par excellence dans toutes les industries.
Enfin, il existe une dernière catégorie de pigments classiques qui sont en fait des colorants basiques complexés par des acides minéraux. Commercialement ils sont connus sous le nom de marque « Fanal » et ne sont que dans le secteur des encres. Ces pigments sont purs, vifs, mais se dégradent rapidement en présence de produits chimiques tels que les solvants, les acides et les bases.
Les pigments organiques de hautes performances(PHP) : ils peuvent être considérés comme le résultat des recherches de grandes firmes chimiques pour obtenir dans le domaine des jaunes, oranges, rouges, et violets des pigments ayant des caractéristiques techniques équivalentes aux verts et bleus de phtalocyanine. Les PHP apportent donc le brillant, la force colorante, la résistance aux agents chimiques, et aux intempéries, l’innocuité toxicologique là où les pigments minéraux et organiques classiques ont atteint leur limite. Les PHP ont été développés au cours des cinquante dernières années et sont issus de familles de molécules diverses et complexes.
Le niveau d’investissements nécessaires à leur recherche et production est énorme. Seul un petit nombre de groupes parmi les grandes sociétés multinationales de la chimie peuvent l’assumer.

Utilisation des colorants

Alimentation

L’utilisation de colorants dans l’alimentation est devenue très importante aujourd’hui. Les hommes donnent une grande importance aux colorants alimentaires. Les colorants alimentaires synthétiques sont utilisés dans le monde entier pour éviter la perte de couleur d’origine dans les aliments transformés, ainsi que pour rendre les produits plus attrayants pour les consommateurs. Les colorants alimentaires synthétiques sont considérés comme supérieurs aux colorants alimentaires naturels en termes de valeur de couleur, d’uniformité et d’applicabilité dans divers aliments transformés . En effet, ceux-ci préfèreront acheter une tomate bien rouge plutôt que légèrement tachetée de vert. Ce qui est vrai même si le goût n’est pas modifié par la couleur des aliments. D’un point de vue nutritionnel, l’usage des colorants alimentaires n’est généralement pas nécessaire.
En fait, dans certains cas, ils sont utilisés pour abuser le consommateur en donnant une fausse impression de qualité (par exemple, lorsqu’un colorant jaune est ajouté aux pâtes ou aux gâteaux pour faire croire à une plus grande quantité d’œufs qu’il y a véritablement). Les colorants ont pour but d’améliorer l’aspect des aliments. Ils permettent de palier une perte de coloration pendant la production, de colorer des aliments incolores et de renforcer une idée gustative spécifique (comme dans la confiserie, le vert ou le jaune pour le goût citron…). Ils compensent également les variations saisonnières : par exemple, le beurre n’est jaune qu’en été, alors qu’en hivers, il est jugé trop pâle par les industriels qui lui ajoutent un colorant jaune, le ß-carotène.
L’utilisation de ces colorants alimentaires reflète nos habitudes alimentaires et notre société de consommation : repas rapides sortant du congélateur, désir de consommer des produits « exotiques » en toutes saisons, etc. Habitués à manger du beurre jaune et des glaces à la pistache colorées en vert, les consommateurs sont souvent déconcertés devant des couleurs inhabituelles, même naturelles comme celle des pommes de terre « vitelotte noire » dont la chair est d’un beau violet. Aujourd’hui, l’industrie des colorants constitue un secteur capital de la chimie moderne. Depuis quelques décennies, l’industrie alimentaire mondiale utilise une quantité de plus en plus importante de colorants naturels ou artificiels (en France, de 100 à 150 tonnes par an) surtout dans les conserves, les confiseries, les boissons, mais aussi dans la charcuterie, les fruits et légumes, les matières grasses (huile, beurre, fromage) et le sucre. En raison de la grande quantité de colorants alimentaires artificiels présents dans les régimes alimentaires des nourrissons, leurs effets indésirables ont été très préoccupants dans la littérature. Il a été suggéré que les colorants alimentaires artificiels affectent le comportement des enfants, l’hyperactivité étant le trouble le plus courant.

La biologie

La théorie de la formation cellulaire selon laquelle l’ensemble des éléments cellulaires se cristallisait au tour du noyau fut réfutée par Robert REMAK, Rudolf Virchow et Albert KÖLLIKER qui démontrèrent que les cellules étaient formées par scission de cellules préexistantes selon le fameux aphorisme fondateur Virchow : omnis cellula e cellula, base de théorie naissante même si le mécanisme de la division cellulaire restait encore inconnu. La théorie cellulaire stimulée par une approche réductionniste des problèmes biologiques, devint le paradigme le plus constant de la biologie moderne. Dès lors la relation entre morphologie cellulaire et maladies devenait un champ d’études majeur pour le développement de la médecine du XIXe siècle. Ces nouveaux concepts ne purent se développer que grâce à la conjonction de nouvelles techniques de coloration des préparations microscopiques qui permettent d’isoler et de différencier de nouvelles structures : membrane protoplasme cytoplasme, noyau,… Une découverte permit d’obtenir une meilleure résolution et l’invention était due à Ernest ABBE, il convenait de plonger les objets à observer dans un liquide de l’huile. Seul inconvénient : la plus part des pièces à observer étaient translucides ; et l’immersion empêchait une vision claire de leurs morphologies. C’est la raison pour laquelle la coloration spécifique des structures cellulaires et subcellulaires mit opportunément bon ordre aux questions en suspens. D’autant plus que des progrès complémentaires furent enregistrés avec le développement de la technique du microtome et l’utilisation de nouvelles méthodes. Préalable indispensable, la fixation permettait d’inactiver les structures cellulaires par des moyens chimiques (éthanol, aldéhydes comme le formol) ou physiques (chauffage). Si, en l’absence de techniques fiables de fixation et de coloration, les cellules humaines ou les micro-organismes n’auraient pu être observées précisément. Quant aux colorations effectuées aujourd’hui, au laboratoire, selon des règles bien établies, permettant leur standardisation et automatisation, leur découverte doit beaucoup au hasard ou à la persévérance des chercheurs. Des théories relatives aux matières colorantes s’étaient relayées durant tout le XIXe siècle.

Quelques familles de colorants

Colorants azoïques

Les colorants azoïques ont pour chromophore le groupe (- N=N -). Ce chromophore a été découvert par P. Griess en 1858. Ces structures qui reposent généralement sur le squelette de l’azobenzène, sont des systèmes aromatiques ou pseudo-aromatiques liés par un groupe chromophore azo . Ces colorants sont produits en générale par une réaction de diazotation d’amines aromatiques et réaction de copulation avec des amines aromatiques ou phénols. Ces réactions offrent un très grand nombre de possibilités de liaisons entre molécules et cela s’explique par le développement considérable de la classe des colorants azoïques qui comporte plus de 1000 produits commercialisés. Cette catégorie de colorant est actuellement la plus répandue sur le plan de l’application, puisqu’ils représentent plus de 50% de la production mondiale de matières colorantes. Les colorants azoïques se répartissent en plusieurs catégories : les colorants basiques, acides, directs et réactifs solubles dans l’eau, et les azoïques dispersés et à mordant non ioniques insolubles dans l’eau. Il est estimé que 10 à 15% des quantités initiales sont perdues durant les procédures de teinture et sont évacués sans traitement préalable dans les effluents. Notons que plus de 60% de la production mondiale en colorant est utilisé par les industries textiles et plus de la moitié de cette quantité est déversée dans les eaux réceptrices plus ou moins sans traitement.

Les Colorants anthraquinoniques

Les colorants anthraquinoniques sont d’un point de vue commercial, les plus importants après les colorants azoïques . Avec leurs nuances bleue et turquoise ils complètent les colorants azoïques jaunes et rouges. La molécule de base de ce groupe de colorants est l’anthraquinone qui présente le groupe chromophore carbonyle (C =O) sur un noyau quinone qui est le chromogène.
En revanche, dans le bleu et le turquoise, les colorants anthraquinoniques conduisent à de meilleures caractéristiques de solidité à la lumière, aux agents chimiques et de vivacité des coloris. Ainsi, ces deux classes de colorants se complètent idéalement pour composer la palette de nuances. Les chromogènes anthraquinoniques constituent la base de la plupart des colorants naturels rouges, dont le plus célèbre est la garance, qui après détermination de la formule chimique (dihydroxy-1,2-anthraquinone), a été fabriquée synthétiquement sous le nom d’alizarine. Malgré leurs méthodes complexes de synthèse, les colorants anthraquinoniques trouvent une grande variété d’applications. La découverte des indigoïdes par leur constitution chimique, mais de qualité moins égale, car très résistants à la lumière et aux agents divers.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Historique des colorants organiques
Chapitre II : Pigments et teintures
II-1-Pigments
II-2-Teintures
Chapitre III : Utilisation des colorants organiques
III-1- Alimentation
III-2- Textile
III-3-Biologie
Chapitre IV : Quelques familles et synthèses des colorants organiques
IV-1- quelques familles de colorants
IV-2-Synthèse des colorants organiques
Conclusion
Références Bibliographiques