DE2842862A1

DE2842862A1 - Verfahren zur bestimmung von ionen, polaren und/oder lipophilen substanzen in fluessigkeiten

Info

Publication number: DE2842862A1
Application number: DE19782842862
Authority: DE
Inventors: Peter Dix; Dieter Dr Phil Jaworek; Fritz Prof Dr Rer Nat Voegtle
Original assignee: Boehringer Mannheim GmbH
Current assignee: Roche Diagnostics GmbH
Priority date: 1978-10-02
Filing date: 1978-10-02
Publication date: 1980-04-10
Also published as: ZA794814B; SU1135436A3; CA1142841A; AU515023B2; EP0010615A1; DE2967135D1; US4367072A; AU5123379A; ATE8713T1; JPH0240985B2; EP0010615B1; JPS5548643A

Description

Die qualitative und/oder quantitative Bestimmung einzelner Ionen in physiologischen Flüssigkeiten ist für die Diagnose, Therapie und Verlaufskontrolle im medizinischen bereich, aber auch in der Prozesskontrolle chemischer, mikrobiologischer u.a. Verfahren von grosser Bedeutung. In der klinischen Diagnostik sind bisher chemische Verfahren mit Farbstoffen, daneben spektralphotometrische Verfahren sowie Methoden mit ionenselektiven Elektroden beschrieben worden.

Bei der Flammen-Emissionsanalyse (Flammenphotometrie) wird die Intensität des von angeregten Atomen emittierten Lichtes photoelektrisch - bei der dem Element entsprechenden Wellenlängen - gemessen.

Im Gegensatz hierzu werden nach dem Verfahren der Atomabsorptions-Spektroskopie nicht-angeregter Atome benutzt, deren Konzentration um einige Zehnerpotenzen höher liegt. Die Vorteile dieser Methode sind die grössere Empfindlichkeit sowie das Fehlen spektraler Interferenzen. Als Nachteile sind im Vergleich zur Eraissionsanalyse aufzuzählen: der relativ grosse-apparative Aufwand, sehr grosse Probevolumina (2 ml!), geringe Probefrequenz sowie die getrennte und hintereinandergeschalteten Bestimmung beider Parameter. Obwohl dieses Verfahren zur Bestimmung von Natrium, Kalium, als Referenzmethode angesehen wird, bleibt es dennoch auf med.-wissenschaftliche Laboratorien beschränkt.

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7,vv einfachen und schnellen Bestimmung auch von Ionen-Konzentrationen bzw. - Aktivitäten in wässrigen Lösungen sind ionen3ensitive Elektroden (ISE) geeigneit, die im Vergleich zu den spektralphotometrischen Verfahren einen geringeren Apparate-Aufwand erforderlich machen. Nachteile dieser ionenselektiven Elektroden sind die relativ lange und z.T. unterschiedliche Ansprechzeit der Elektroden, das Verstopfen des Elektroden-Sensors durch in der Probe vorhandene hoch- und niedermolekulare Substanzen, so dass diese über relativ kurze Stabilitäten verfügen.

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Es war daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein schnelles und zuverlässiges, sowohl im Flüssigtest als auch mittels Teststreifen durchführbares Verfahren zur Bestimmung von Ionen und stark polaren Substanzen in Flüssigkeiten, insbesondere biologischen Flüssigkeiten, wie z.B. Blutserum zu entwickeln.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß man das zu bestimmende Ion oder die polare Substanz einwirken läßt auf einen gegenüber dem zu bestimmenden Ion oder der polaren bzw. lipophilen Gast-Substanz selektiven Komplexliganden oder Wirtsmolekül, wobei dieser bzw. dieses durch direkte kovalente oder heteropolare Bindung mit einem CJiromophor verknüpft ist oder der Chromophor in Form eines (Einschluß-) Komplexes enthält und danach die Extinktionsänderung mißt. Als selektive Komplexliganden können cyclische oder acyclische medio- bzw. makromolekulare Verbindungen in Frage, welche gegenüber dem nachzuweisenden Ion oder der nachzuweisenden Substanz ein Komplexbildner bzw. ein Wirtsmolekül ist oder in Gegenwart derselben, die zur Komplex- bzw. Adduktbildung erforderliche Sekundärstruktur annimmt, wobei die polaren Bereiche in Gegenwart des Ions zu diesem hin ausgerichtet werden. Ringgröße und Struktur des "Wirtsmoleküls" ergeben in Abhängigkeit vom wirksamen Durchmesser bzw. dem spezifischen polaren oder hydrophoben des komplexierten "Gast-Ions bzw. -Moleküls" die Selektivität. Bei der Komplexbildung ändert der Ligand häufig seine Konformation, in der R_egel wird sie fixiert, wodurch Komplexbildung und - Dissoziation beeinflußt werden. So eignen sich als

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Komplexliganden Verbindungen von Oligo- bzw. Polyether-, Poly-Ester-, Poly-Amid-Typ. Gut geeignet sind z.B. Kronenether, Cryptanden, Podanden oder Derivate davon, sowie cyclische Peptide oder Peptide, welche in Gegenwart des zu bestimmenden Ions oder der polaren Substanz die zur Komplexboldung erforderliche Sekundär-, Tertiär- und Quartär-Struktur annehmen, weiterhin Tetrahydrofuran-haltige esterverknüpfte Makrolide und analoge Verbindungen, die in biologischen Systemen den Transport regulieren.

Die Derivate der Komplexliganden bzw. Wirtsmoleküle können Brücken oder Ketten aufweisen, welche Oligo- bzw. PoIy-Ethylenglykol-Gruppierungen oder andere Heteroatom-haltige Gruppierungen enthalten können.

Der kovalent oder heteropolar gebundene Chromophor ist ein Farbstoff oder Fluoreszenzfarbstoff oder ein Chromogen, dessen Absorptionsspektrum sich durch Ladungsverschiebung bzw. Störung der Mesomerie durch das Gastion bzw. -molekül ändert. Als Farbstoffe kommen z.B. diejenigen des Polyen-, Merichinoid-, Chinon-, Azo- (wie Methylorange und Methylrot u.a.), Pyrrol-, Azomethin-, Merocyanin-, Anthrachinon-, Indigo-, Cyanin-, Alizarin-, Indophenol-, Stilben-, Polymethin-, Phthalein-Typ in Frage. Das Gastteilchen kann ein saurer Farbstoff oder ein Salz davon sein, z.B. das Lithium-, Natrium-, Kalium- oder Ammonium- Salz. Der Farbstoff enthält hierbei eine Carboxylat-, SuIfonat-, Phenolat- oder Thiophenolat-Gruppierung u.a.

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Die nachzuweisenden Ionen können Kationen und Anionen sein, z.B. Alkalimetall-, Erdalkalimetall-, Ammonium- oder andere Metall-Ionen, insbesondere Schwermetallionen wie Eisen-, Zink-, Kupfer-, Kobaltionen sein. Es sind somit vor allem Lithium-, Natrium-, Kalium-, Magnesium-, Calcium-Ionen sowie organische Kationen beispielsweise Oligoalkylammonium-Ionen, Phosphonium-Ionen, Guanidin-Ionen, Cholin-Ionen u.a. Als nachzuweisende Anionen sind insbesondere Chlorid-, Sulfat-, Phosphat-, Hydrogenphosphat, Hydrogenbicarbonat-Ionen, zu nennen, als polare Substanzen kommen neutrale Gastteilchen wie beispielsweise Harnstoff, Guanidin, Harnsäure u.a.

Die Kation- und Anionkonzentrationen sowie Konzentrationen von neutralen Gastteilchen wie Harnstoff, Guanin, Harnsäure lassen sich auf diese einfache Weise durch Farbeffekte, also photometrisch qualitativ und quantitativ erkennen.

Die Selektivität kann sich sowohl auf ein einziges, ganz bestimmtes Ion als auch auf eine Ionengruppe beziehen. Hierzu sind z.B. Farbstoffe mit meheren Kronenethern verschiedener Hohlraumgrößen einsetzbar:

= m = η

• U γ.

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weiterhin können an einem Kronenethergerüst auch verschiedenartige Farbstoffe angehängt werden.

Der Farbumschlag kann beispielsweise auf folgendem Mechanismus beruhen

wobei folgendes Mesomeriesystem zugrunde liegt:

Die Kronenether- und Cryptand-Chemie beinhaltet eine Vielzahl von Methoden zur Knüpfung größerer und mittlerer Ringe sowie bi- und tricyclischer Systeme mit (^cH₂)_n-» Aryl- und Heteroatom-haltigen Strukturelementen. Kronenether, Cryptanden und Podanden-Moleküle zeigen die Fähigkeit der Ausbildung stöchiometrischer kristalliner Komplexe sowie der selektiven bzw. spezifischen Komplexierung von Alkali-, Erdalkali-, Ammonium- und Schwermetallionen sowie von Neutralmolekülen. Über das Phasentransferverhalten der genannten Verbindungen liegen zahlreiche experimentelle Ergebnisse vor.

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Zur Definition der Kronenether, Cryptanden und Podanden siehe die Übersichtsarbeiten P. Vögtle in Kontakte (Merck) 1977 und 1978.

Trotz ausgedehnter Untersuchungen in der Kronenether- und Cryptand-Chemie bzgl. Synthesen und Komplexierung als auch über die Ionenbeeinflussung der Farbe etwa bei Beizenfarbstoffen, Komplexometrie-Indikatoren und Porphyrin-Farbstoffen ist bisher über die Kombination dieser beiden Gebiete nichts bekannt geworden.

Es gibt eine Reihe von Arbeiten über relevante Überbrückungen bei Cyclophanen und Kronenethern unter Ausnützung von Verdünnungsprinzip und Templateffekt. Es liegen umfassende Kenntnisse über Synthese und Komplexierungsverhalten von cyclischen Kronenethern und Gryptanden vor. Gleichfalls wurden im einzelnen Reaktionen an Kronenether-Systemen mit Erfolg durchgeführt. Die bisherigen Erfahrungen auf diesem Gebiet ermöglichen zum einen die Synthese geeigneter bekannter und nun zu synthetisierender Kronenether- und Cryptandbausteine, zum anderen die Einführung Polyethylenglycol- oder anderer Heteroatom-haltiger Brücken.

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i-.us dem Baustein 1 konnte z.B. eine Reihe von Azo- sowie Di- und Triphenylmethan-Farbstoffen hergestellt werden. An diesen Azofarbstoffen kann in Abhängigkeit von der Ringgröße eine selektive, für jedes Ion spezifische Verschiebung des sichtbaren Absorptionsmaximums in bestimmter Richtung beobachtet werden, die häufig mit einer Änderung der molaren Extinktion verbunden ist. Die größten Verschiebungen verursacht erwartungsgemäß das in einem bestimmten Kronenetherring innerhalb einer Gruppe des Periodensystems bzgl. des Radius optimal passende Kation.

Es wurden verschiedene Farbstoffsysteme mit Kronenether- und Cryptand-Einheiten veränderlicher Ringgröße und Struktur versehen. Hierbei beinhaltet ist auch die Variation in der Lipophilie/Hydrophilie innerhalb des Hohlraumes und an der Peripherie des Kronenetherrings. Beide Strukturelemente sollen so miteinander verbunden sein, daß ein oder mehrere Donor-Heteroatome des Liganden gleichzeitig essentieller Bestandteil des Chromophors sind. Es scheint, daß ein komplexiertes Kation an einer empfindlichen Stelle des Chromophors mehr oder weniger angreift und so seine Absorption spezifisch beeinflußt. Diese Einwirkung auf das absorbierende System dürfte von Faktoren wie Größe des Ions, Ladungsdichte, Solvatation sowohl des Farbstoffs wie auch des Ions und evtl. der Art des Änions sowie des Lösungsmittels abhängen.

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Die neuartigen Farbstoffsysteme sind von großem Interesse, da sie ohne weiteres eine Fülle von Messungen und Berechnungen erlauben, die sich z.B. auf die Ionenselektivität, bedingt durch die Komplexkonstanten gegenüber verschiedenen Ionen und den Einfluß von Ionen bestimmter Ladungsdichte auf das chromophore System verschiedenster Farbstofftypen in Hinblick auf Extinktions- und Absorptionseigenschaften erstrecken.

Es sind hierdurch Verbindungen geschaffen worden, die eine vielseitige praktische Anwendung erlauben:

a) Kronenetherfarbstoffe eignen sich aufgrund ihrer Ligandeigenschaften als Indikatoren bzw. Sonden, etwa zum Nachweis des Phasentransfers von Salzen, zum Studium des Ionentransports durch lipophile Medien, z.B. künstlichen und biologischen Membranen, d.h. zu Untersuchungen im Zusammenhang mit membranologischen Forschungen in physiologischer bzw. pathologischer Hinsicht.

b) Eine weitere Anwendung liegt in der Möglichkeit des ionenselektiven Anfärbens von Gewebeschnitten. Eine gegebenenfalls quantitative Auswertung erlaubt hierbei Rückschlüsse auf Art und Konzentration von Ionen, welche sich in der Verschiebung von ·„ und Extinktion bemerkbar machen.

III3. Λ

c) Der Einsatz chromophorer Cryptand-Systeine gewährleistet vor allem in wässrigen Medien neben wesentlich höherer Komplex-

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Stabilität eine verbesserte Selektivität. Neben dem qualitativen und quantitativen photometrischen Nachweis verschiedener Alkali- und -k'rdalkali- sowie Ammonium-Ionen mit Hilfe von tfirtschromophoren verschiedener Hohlraumgröße in Lösungen wie z.B. Blut oder Seren und anderen Körperflüssigkeiten lassen sich diese auch auf Trägermaterialien identifizieren. Hierbei ist die Verwendung als Sprühreagenz für Ionenchromatogramme oder Siliconabdrücken aus dem Bereich der medizinischen Diagnostik möglich. Nach dem Muster der Thermographie lassen sich entweder durch Besprühen von Gewebebereichen oder deren Abdrücken mit ionenselektiven Färb- oder Fluoreszenzstoffen physiologische/pathologische Salzkonzentrationen durch Farbveränderungen sichtbar machen. -Es ist dadurch u.U. möglich, krankhafte Stellen wie etwa Krebsgewebe von gesundem Material zu unterscheiden.

d) Innerhalb der Farbfotographie ist der Ersatz herkömmlicher Oxidationskuppler durch Kronenether- und Cryptandhaltige Substanzen möglich. Diese erlauben einerseits die Einstellung verschiedener Farbnuancen und führen andererseits aufgrund der Ionenspezifität Veränderungen des Oxidationspotentials zur spezifischen Veränderung von Empfindlichkeiten. Letzteres gilt vor allem auch für Sensibilisatoren, deren verkronte Form in Wechselwirkung mit speziellen Ionen zur Modifizierung ihres Redox-Potentials und damit zur Veränderung des empfindlichen Sensibilisator-Verhaltens Anlass geben dürfte. In ähnlicher Weise sollten Kronenether- und Cryptandhaltige Redoxindikatoren durch Ionenzusatz beeinflussbar sein.

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e) Aus der Kenntnis über Komplexierung von organischen Ammonium- und Guadiniumsalzen sowie von Neutralmolekülen (z.B. Harnstoff und CH-acide Verbindungen) ist erfindungsgemäß nunmehr der Nachweis mit geeigneten Wirtschromophoren ermöglicht. Der Nutzen in medizinischer und biochemischer Hinsicht dürfte hierbei im spezifischen photometrischen Nachweis bestimmter körpereigener Substanzen und evtl. der kinetischen Verfolgung enzymatischer Prozesse zu finden sein. Im Hinblick darauf ist an die Anheftung lipophiler Hohlräume in Form von endolipophilen bzw. endohydroph'oben makrocyclischen Verbindungen mit exohydrophiler oder exopolarophiler Molekularperipherie an empfindliche, d.h. chromophorbeeinflussende, Positionen eines der Farbstoffe gedacht, die die Einhüllung eines passenden Neutralteilchens erlauben und wahrscheinlich durch H-Brücken bedingt eine Absorptions- bzw. Extinktionsveränderung hervorrufen.

η = 1 - 3 0

Es wurden die Phenylaza-Kronenether des Typs 1 dargestellt. Sie eignen sich besonders wegen ihrer Analogie zu dem in der Farbstoff chemie viel verwendeten N,N-Dimethylanilin und ähnlichen Anilinen. Durch Azokupplung wurden weitere F_arbstoffe der Typen 2-4 dargestellt, deren unverkronte Analoga als lichtechte T_extilfarben bekannt sind.

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Zu Seite

= H—'

\ O

— Η

O.

-H

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Dar auxochrome Kronenetherstickstoff lässt hier eine hypsochrome Verschiebung des Absorptionsmaximums bei der Wechselwirkung mit dem Gastion zu, denn sein freies Elektronenpaar steht nach erfolgter Komplexierung zur Mesomerie nicht mehr oder nur noch zum Teil - abhängig von der Art dse komplexierten Ions (z.B. ladung) - zur Verfugung. Eine weitere Erhöhung der Ionenselektivität lässt sich durch teilweise Versteifung des Kronenetherrings erzielen, wie z.B. in dem Phenylaza-benzokronenether des Typs 5, die sich z.B. als Azokupplungspartner und zu weiteren noch anzuführenden Umsetzungen eignen,

η = 1 - 3

Es interessieren vor allem chromophore Systeme, bei denen
eine leichte Beeinflussbarkeit durch ein komplexiertes Ion zu erwarten ist, z.B. solche mit hoher Solvatochromie, wie z.B. Indophenole der Typen 6 und 7, die sich auf dem Wege
1-8-9-6,7 herstellen lassen.

\_y

R^

R,

Q--

-H₁H

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8 9

Per letzte Schritt beinhaltet eine oxidative Kupplung mit Phenolen. Die analogen CH-Verbindungen, z.B. 1o, lassen sich aus Aldehyden 11 darstellen, die z.B. über eine ViIsmeier-Reaktion erhältlich sind:

ΓΧ.

11

Des weiteren eignen sich Stilbene und Merocyanine und evtl, Azaanaloge wie 14:

^R1

R = Alkyl

Zur Erreichung höherer Komplexstabilität vor allem in wässrigem Medium und höhere Selektivität führt die Verknüpfung von Farbstoffen im obigem Sinne mit Cryptandsystemen. Hier ist vor allem die Kupplung reaktiver Diazoniumsalze mit Benzocryptanden vorteilhaft (siehe z.B. 15 und 16):

^H- 15c

16

O 17

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Als Modellsubstanzen für die Synthese haben sich Benzokronenether erwiesen, die gleichfalls über das zu erwartende Verhalten gegenüber Ionen Aufachluss geben (siehe z.B. 17). BIe Variation der Hohlraumgrösse verlangt Benzocryptanden, wie sie für 15 und 16 benötigt werden, die jedoch um eine oder mehrere Oxiethyleneinheiten verkürzt oder verlängert sind.

Darüberhinaus werden Cryptanden des neuartigen Types 18 synthetisiert:

18

Auf ähnliche Weise sind auch solche des Typs 19 herstellbar, die sich ähnlich wie die einfachen Phenylaza-Kronenether durch Reaktion in 4-Position des Anilingerüstes zu Parbstoffcryptanden umsetzen lassen, wie z.B. zu 2o und 21.

ζ I)

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Off

Neben den bisher genannten Typen, bei denen eine Mesomerie-Beinfussung z.B. -Störung durch eingelagerte Ionen an einem Heteroatom stattfindet, ist es auch möglich, dass ein Angriff

am Antiauxochrom bzw. an einer Azobrücke stattfindet; siehe 22 und 23

Beispiele für Fluoreszenzfarbstoff-Kronenether:

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Weitere Beispiele für Farbstoff-Kronenether:

x=N, CH

y = CHp, NH, 0, S

z.B. Methylent)lau-Kronenether

^Ä L,

^e*<

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Azomethin-Farbstoffe:

Lipphile Hohlräume:

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Ausser den Azo- und Triphenylmethan-Farbstoffen lassen sich nach analoger Methode auch Fluoreszenzfarbstoffe, besonders leicht die aus der Gruppe der Phthaleine, mit Kronenetherringen - an den Chromophor bei der Komplexierung besonders empfindlich beeinflussenden Stellen - versehen:

Bei solchen Fluoreszenzfarbstoffen liegt eine stärkere Störung der Farbe bzw. der Fluoreszenz (Phosphoreszenz). des Chromophors durch Komplexierung vor. Durch Einstellen des.Kronenetherhohlraumes auf bestimmte Ionen können solche Wechselwirkungen und Effekte auf bestimmte Ionensorten selektiv eingestellt-werden. Hier spielen ausser den Alkali- und Erdalkalimetallionen die Schwermetallionen eine Rolle, sowie Ammoniumionen und andere organische Oniumionen wie Phospho-¹ niuionen etc. Es kommt hier ein Nachweis von Ammoniumgruppen-enthaltenden Desinfektionsmitteln in Frage.

Durch Einbringen von Farbstoffkronenethern (oder umgekehrt von Ionen) in Fasern bzw. Kunststoffolien etc. lassen sich durch eien Färbevorgang, der dem Beizen entsprechen kann, sowohl Farben auf Textilien etc. fixieren als auch modifi-

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zierte Pärbevorgänge und Farbnuancen erzielen. Die Bindung ist dabei nicht ionogen und nicht kovalent, sondern geschieht über eine Kronenether-Wirts-Gast-Wechselwirkung, d.h. Ion-Dipol-Wechselwirkung; sie kann reversibel gestaltet werden. Ändere bereits untersuchte bzw. synthetisierte Farbstofftypen sind:

Anthrachinon-Kronenether:

Andere Anthrachinone mit funktioneilen Gruppen, etwa SuIfonsäuregrupper., bzw. Naphthochinonsulfonsäuren, die in der Färberei früher oder heute noch eingesetzt werden, können auf diese Weise ionenselektiv modifiziert werden bzw. zum Nachweis bestimmter Ionen dienen, auch etwa dadurch, dass sie auf Papier oder Fasern sowie Polymere aufgetragen bzw. gebunden sind.

Ähnliches gilt für Alizarin-Kronenethern der folgenden Struktur:

0
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£5

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Hier ist die typische Komplexierungsstelle erhalten geblieben, jedoch modifiziert (Ion-Dipol-Wechselwirkung statt
Salzbildung und Chelateffekt).

Färbstoff-Kronenether von Cyanin-Typ:

Gyanin-Farbstoffe spielen eine technische Rolle. Es sei hier z.B. auf die entsprechenden Abschnitte in organisch-chemischen Lehrbücher bzw. Farbstoffbücher verwiesen. Ein sehr einfacher Cyanin-Farbstoff ist das König'sehe Salz der folgenden Struktur:

x^ö

welches einfach aus Pyridin und N-Methylanilin herstellbar ist,

Das König'sehe Salz kann durch Anheften von Kronenethern so modifiziert werden, dass bei der Komplexbildung mit Alkali-

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bzw. Erdalkali- oder Schwerraetallionen Farbänderung bzw. Farbeffekte eintreten, die zum Nachweis bzw. zu Konzentrationsbestimmungen dieser Ionen, auch bei gleichzeitigem Vorliegen anderer Ionen, eingesetzt werden können.

Auf der anderen Seite ist zu berücksichtigen, dass u.U. auch neutrale Gastmoleküle wie Harnstoff, Ammoniumsalze wie Cholin etc. auf diese Weise selktiv nachgewiesen werden können, aufgrund ihrer Farbeffekte, sowohl qualitativ als auch quantitativ. Eine Möglichkeit zur Modifizierung von Cyanin-Farbstoffen vom Typ des König'sehen Salzes besteht in der Verbrückung der beiden Stickstoff-Zentren durch eine Kronenether-artige cyclische oder auch offenkettige Kronenethereinheit mit Donorendgruppen:

Auf diese Weise wird der Chromophor bei der Wirts-Gast-Wechselwirkung, d.h. beim Einnisten des Kations, durch positive Ladung des Kations zusätzlich gestört. Das Kation wird durch die angeheftete Kronenetherstruktur unmittelbar an den

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empfindlichen Teil (Slektronenwolke) des Chromophors herangezogen bzw. fixiert und ist in der Lage, dieses chromophore System durch Anziehen von Elektronen aus der lockeren II-Elektronenwolke zu verändern, was die Farbeffekte hervorruft. Es ist nun leicht vorstellbar, dass durch kürzere oder längere Kronenetherbrücken, die durch verschiedene Heteroatome bzw. durch den Einbau von starren aromatischen Strukturelementen wie Pyridinringen etc. modifiziert werden können, diese Farbstoffe auf die verschiedenartigste Weise bei der Komplexierung beeinflusst werden können.

Eine andere Möglichkeit, Kronenether mit Oyaninstruktur vom Typ des König'sehen Salzes herzustellen, besteht darin, von dem in para-Stellung mit einem Azakronenetherring versehenen Anilin auszugehen und bei der Komplexierung das einsame Elektronenpaar am para-Amin-Stickstoff des Kronenetherrings durch Einnisten des Ions empfindlich zu stören, so dass dieses einsame Elektronenpaar nur noch in geringem Masse zur Mesomerie zur Verfugung steht, was Farbänderungen erzwingt.

Eine Möglichkeit, auch komplizierte Naturstoff-Ionophore wie Valinomycin, Nonactin und andere in ionenselektive Farbreaktionen bzw. Farbtests einzubeziehen, ist folgende: In Valinomycin wird ein Farbstoffsalz, z.B. 2,4-Dinitrophenylhydrazoniumchlorid, Natriumpikrat oder ein ähnlicher Farbstoff, eingelagert. Der Valinomycin-Farbstoff-Komplex hat im allgemeinen eine andere Farbe bzw. Absorptionsmaximum

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-X-

als der freie Farbstoff. Im zweiten Schritt wird zu diesem Valinomycin-Farbstoffkomplex die in ihrer Konzentration zu testende Salzlösung zugegeben, wobei das kaliumspezifische Valinomycin die in der Lösung vorhandenen Kalium-Ionen komplexiert, wodurch der Farbstoff aus dem Yalinomycin-Hohlraum verdrängt wird und in Lösung nun wieder eine andere Farbe bzw. Absorptionsspektrum aufweist.

Auf diese Weise kann die Kaliumspezifität des Valinomycins für .iarbtests ausgenutzt werden. Als einfaches Farbstoffsystem, das sich zur Einlagerung bzw. Anlagerung an Valinomycin und nachfolgende Verdrängung mit Kalium-Ionen eignet, wurden insbesondere Hydraziniumsalze mit verschiedenen angeknüpften mesomeren Systemen wie z.B. Azo-Funktionen geprüft. Es werden sterisch möglichst wenig anspruchsvolle Farbstoffkationen verwendet, die mit Valinomycin einen schwachen, aber doch hinreichend stabilen Komplex bilden, der auch nicht zu stark sein darf, um nachher mit Kalium-Ionen, auch in geringer Konzentration wieder quantitativ zerlegt werden kann.

Analoge Versuche mit Kronenethern anstelle des Valinomycins liessen deutliche Farbeffekte bzw. Änderungen der längerwelligen Absorption des Farbstoffs im an den Kronenether gebundenen Zustand und in freiem Zustand erkennen. Die Anwendung sowohl von kationischen Farbsalzen wie 2,4-Dinitrophenylhydrazonium-Ionen als auch anionischen

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iarbträgern wie Pikrationen bieten eine Fülle von Variationsund Anwendungsmöglichkeiten, deren Wahl von Fall zu Fall, d.h. auf die eingesetzten Komponenten massgeschneidert werden kann.

λ,

+ KSCN oder

T τ 18 Krone-6 _ν -, + NaOlO. Metallsalzkomplex _= -^ Komplex 4 > _{mit 18 Kron}^_₆

4-blassgelb freies gelb

Als besserer Farbstoff könnte z.B. folgend Azo-Verbindung dienen:

Zur quantitativen Bestimmung von Harnstoff aus wässrigen lösungen kann ein Chinolinligand synthetisiert werden, der sowohl für Harnstoff als auch Thioharnstoff geeignet ist.

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Siehe hierzu Tetrahedron Letters Nr. 3, 3o9-312 (1978):

nnnn

/ΛΜ

II

OCH,

III

0-ICH₂I₁₀-O

H H"

ICH₃ HjCO'

IV

VI

Weitere experimentelle Darlegungen gehen aus den folgenden Beispielen hervor:

Beispiel 1

Photometrische Bestimmung von Kalium mit einem ionenselektiven Farbstoff, der den Chromophor über ein mesomeres System kovalent gebunden enthält:

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-X-

Der ionenselektive Farbstoff wird in Chloroform gelöst und mit einer Lösung, die Kalium-Ionen enthält, geschüttelt. Der mit Kalium komplexierte Farbstoff tritt in die wässrige Phase über und kann bei 600 nm im Photometer quantitative, in Abhängigkeit von der Aktivität vorhandener Kalium-Ionen, bestimmt werden.

Beispiel 2

Zur Untersuchung der Eigenschaften des in Beispiel 1 genannten ionenselektiven Farbstoffes für Streifenteste wurde die Lösung des Farbstoffes auf einen Filterpapierstreifen getropft und dieser Streifen getrocknet. Der so behandelte Papierstreifen wird bei Zugabe von Probelösungen, die Kaliumionen enthalten, dunkelrot gefärbt. Neben dieser qualitativen Nachweismethode kann der angefärbte Streifen in einem Reflexionsphotometer quantitativ ausgewertet werden.

Beispiel 3

Selktive photometrische Bestimmung von Kalium mit einem Liganden, der einen Chromophor kovalent gebunden trägt.

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-X-

32 2S428S2

Lösungen:

Der Farbstoff, 7,5 mg , wird in 25o ml Methanol gelöst» o,1 M Lösungen von CaCl^

FaCl

KCl

LiCl

MgCl

in o,1 M Triäthanolamin-Hydrochlorid/NaOH-Puffer, pH= 7,ο , lösen.

o,oo1 - o,1 M KCl in o,1 M Triäthanolamin-Hydrochlorid/ NaOH-Puffer, pH= 7,ο .
Versuchsbeschreibung:

3 ml Farbstofflösung werden mit o,5 ml der zu untersuchenden Salzlösung versetzt und bei 366 nm das Absorptionsverhalten im Photometer bestimmt. Dieser Farbstoff zeigt unter genannten Bedingungen gegenüber Kalium ein anderes Spektrum als in Gegenwart von Lithium, Natrium, Calcium und Magnesium. Die Konzentration der Kalium-Ionen ist der Extinktion direkt proportional.

Beispiel 4

Photometrische Bestimmung von Calcium und Lithium mit einem heterocyclischen Kronenether, wobei der Chromophor kovalent verknüpft wurde.

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Der Farbstoff wird in Chloroform gelöst (E573 _nm ⁼⁰>^ö) und mit gleichen Volumenteilen wässriger Salzlösung versetzt. Nach qualitativen Untersuchungen haben sich mit Natrium* Magnesium, Kalium keine Reaktionen ergeben, mit Lithium und Calcium wurde bei 578 nm eine Farbänderung gemessen, die der Konzentration der zu bestimmenden Ionen proportional ist.

Beispiel 5

Orangegefärbtes 2,4-Dinitrophanylhydrazinium-Salz (z.B. Hydrochloric!; A ^395 nm) als einfacher Modellfarbstoff wurde in Methanol/HpO gelöst und mit molaren Mengen [i8]Krone-6 als Modellionophor (für Valinomycin bzw. Nonactin) zugefügt. Man beobachtet eine Änderung der Absorption (Aufhellung) zwischen dem freien Farbstoff und dem im Ionophor-Komplex gebundenem ( \ „„„es 384 nm). Fügt man hier-

Lu ei X

zu eine Kaliumionen-haltige Methanοl/EUO-Lösung, so beobachtet man eine Farbveränderung (-Vertiefung), da der freigesetzte Farbstoff wieder das anfängliche Absoptionsmaximum aufweist.

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Beispiel 6

Ersetzt man den Kronenether in dem vorhergehenden Experiment durch andere Ionophore wie Valinomycin oder Nonactin, so beobachtet man ähnliche, je nach Ionophor mehr oder weniger stark ausgeprägte Farbeffekte bzw. Absoptionsänderungen.

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Claims

Patentansprueche

1. Verfahren zur Bestimmung von Ionen oder polaren und/oder lipophilen Substanzen in Fluessigkeiten, dadurch gekennzeichnet, dass man das zu bestimmende Ion oder die polare/ lipophile Substanz einwirken laesst auf einen gegenueber dem zu bestimmenden Ion oder der polaren Substanz selektiven Komplexliganden bzw. Wirtsmolekuel, wobei dieser durch direkte kovalente oder heteropolare bzw. hydrophobe Bindungen mit einem Chromophor verknuepft ist oder den Chromophor in Form eines Einschlusskomplexes enthaelt und danach die Extinktionsaenderung misst.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der selektive Komplexligand bzw. Wirtsmolekuel eine cyclische oder acyclische Verbindung ist, welche gegenueber dem nachzuweisenden Ion oder der nachzuweisenden Substanz ein Komplexbildner/Wirtsmolekuel ist oder in Gegenwart derselben die zur Komplexbildung bzw. Wirts-Gast-Wechselwirkung erforderliche Struktur annimmt.

3. Verfahren nach einem der Ansprueche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der selektive Komplexligand bzw. das Wirtsmolekuel eine cyclische oder offenkettige Verbindung vom Oligoether-, Oligoester- oder Oligoamid-Typ oder ein reines Kohlenwasserstoffgeruest wie ein lipophiles Wirtsmolekuel, beispielsweise Cyclodextrine, Cyclophane, ist oder eine Kombination dieser Funktionen.

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4. Verfahren nach einem der Ansprueche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der selektive Komplexligand ein Kronenether, Cryptand, Podand oder ein Derivat davon ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Derivate der Komplexliganden Bruecken bzw. Ketten aufweisen, welche Polyethylenglykol-Gruppierungen oder andere Heteroatom-haltige Gruppierungen enthalten.

6. Verfahren nach einem der Ansprueche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Komplexligand ein cyclisches Peptid oder ein Peptid ist, welches in Gegenwart des zu bestimmenden Ions oder der polaren Substanz die zur Komplexbildung erforderliche Sekundaer-, Tertiaer- oder Quartaerstruktur annimmt oder ein Tetrahydrofuran-haltiges esterverknuepftes Makrolid ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Komplexligand Valinomycin, Nonactin oder verwandte Verbindungen sind.

8. Verfahren nach einem der Ansprueche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass der kovalent oder heteropolar gebundene Chromophor ein Farbstoff oder Fluoreszenzfarbstoff oder ein Chromogen ist, deren Absorptionsspektren sich durch Wechselwirkung mit den Gastteilchen wie apolaren Ionen oder lipophilen Molekuelen durch Ladungsverschiebung oder Stoerung des mesomeren Systems aendern.

9. Verfahren nach einem der Ansprueche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass den Chromophor Polyen-, Merichinoid-, Chinon-, Azo-, Pyrrol-, Merocyanin-, Indigo-, Indophenol-, Stilben-, Azomethin-, Anthrachinon-, Naphtochinon-, Cyanin-, Phthalein-, Polymethin-Struktur besitzt.

10. Verfahren nach einem der Ansprueche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass der im Einschlusskomplex bzw. Wirtsmolekuel

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enthaltene Chromophor ein saurer Farbstoff oder ein Salz davon ist.

11." Verfahren nach einem der Ansprueche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass das Salz des Farbstoffs ein Lithium-, Natrium-, Kalium-, Calcium-, Magnesium-, Ammonium-Salz ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprueche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass der Farbstoff eine Carboxylat-, SuIfonat-, Phenolat- oder Thiophenolat-Gruppierung enthaelt.

13. Verfahren nach einem der Ansprueche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass das nachzuweisende Ion ein Kation oder Anion ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kation ein Alkalimetall, Erdalkalimetall- oder anderes Metall-Ion, wie ein Schwermetall-Ion, ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Kation das Lithium-, Natrium-, Kalium-, Magnesium-, Calcium- oder ein Schwermetall-Ion wie Eisen-, Zink-, Kupfer-, Kobalt-, Molybdän-, Chrom-Ion ist.

16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass .das Anion das Chlorid-, Bromid-, Jodid-, Sulfat-, Nitrit-, Nitrat-, Phosphat- oder Hydrogencarbonat-Ion ist.

17. Verfahren nach einem der Ansprueche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass die polare Substanz Harnstoff, Guanidin, Harnsaeure, Cholin, Creatinin ist oder lipophile Gastmolekuele wie Steroide wie Cholesterin, Lipide wie Triglyceride, sind.

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18. Verfahren nach einem der Ansprueche 1-16, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachweissystem auf einem festen Traeger, wie Papier, Kunststoffolie, Glas oder Metall aufgebracht oder darin eingarbeitet ist.

19. Reagenz zur Bestimmung von Ionen oder polaren Substanzen in Fluessigkeiten, dadurch gekennzeichnet, dass es einen gegenueber dem zu bestimmenden Ion oder der polaren bzw. Neutral-Substanz selektiven Komplexliganden bzw. dem Iipophilen Wirtsmolekuel, beispielsweise vom Ionophor-, Kronenether- bzw. Cyclodextrin-Typ enthaelt, welche durch direkte kovalente oder heteropolare Bindung mit einem Chromophor verknuepft ist oder den Chromophor in Form eines Einschlusskomplexes enthaelt.

20. Testkit zur Durchfuehrung des Verfahrens nach einem der Ansprueche 1-18, bestehend aus einem Reagenz nach Anspruch 19.

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