Synthese und Charakterisierung von Tetramethylmurexid

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mgritsch
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Synthese und Charakterisierung von Tetramethylmurexid

Beitrag von mgritsch »

Synthese und Charakterisierung von Tetramethylmurexid

Die Geschichte des Murexids ist bereits so alt wie die Geschichte der modernen Chemie, führt uns fast 250 Jahre zurück und hat viele berühmte Namen beschäftigt.

Bereits 1776 entdeckte Carl Willhelm Scheele[1] es bei seinen Untersuchungen von Harnsteinen: als er sie mit Salpetersäure auflöste und Ammoniak zusetzte, erhielt er eine kräftig violette Farbe und hatte im Prinzip den "Murexid-Test" erfunden. William Hyde Wollaston und William Prout (berühmt geworden durch die "Prout'sche Hypothese nach der die Atommasse jedes Elements ganzzahliges Vielfaches der Atommasse des Wasserstoffs sei) ordnete sie 1818 erstmals richtig dem Ammoniumsalz der Purpursäure zu und gab ihr auch den Namen.

Liebig und Wöhler[3] beschäftigten sich in ihrer Arbeit "Untersuchungen über die Natur der Harnsäure" mit der Untersuchung der Reaktionsprodukte der Harnsäure - unter anderem auch mit Salpetersäure. Neutralisierten sie das Reaktionsprodukt in der Hitze, erhielten sie Ammoniumpurpurat. Sie führten dafür auch den Namen Murexid ("murex-" in Anlehnung an Purpur, der lateinische Gattungsname der Purpurschnecke ist Murex; "-id" in Anlehnung an die vermutete Amidstruktur) ein und zeigten einen weiteren, zuverlässigeren Syntheseweg durch Oxidation aus Uramil (5-Aminobarbitursäure) mit Quecksilberoxyd. Sie waren von dieser Verbindung fasziniert, so schrieben sie:
...dies führte uns nun zu einer Herleitungsmethode dieses merkwürdigen Produkts, welches an Schönheit alles übertrifft was die Chemie darbietet...
Die ermittelte Summenformel C12H12N10O8 war zwar falsch, auch die Einschätzung, dass es sich um ein Amid und kein "Ammoniaksalz im gewöhnlichen Sinne" handelt nur teilweise richtig. Richtig erkannt er jedoch, dass die freie Purpursäure nicht existiert, sondern dass Murexid beim Ansäuern unter anderem wieder in Uramil zerfällt. Recht behalten sollten Sie auch mit der einleitenden begeisterten Bemerkung über die Vielfalt der Verbindungen die sie aus Harnsäure synthetisieren konnten:
Die Philosophie der Chemie wird aus dieser Arbeit den Schluß ziehen, daß die Erzeugung aller organischen Materien, insoweit sie nicht mehr dem Organismus angehören, in unseren Laboratorien nicht allein wahrscheinlicher, sondern als gewiß betrachtet werden muß. Zucker, Salicin, Morphin werden künstlich hervorgebracht werden. Wir kennen freilich die Wege noch nicht, auf dem dieses Endresultat zu erreichen ist, weil uns die Vorderglieder unbekannt sind, aus denen diese Materien sich entwickeln, allein wir werden sie kennen lernen.
Gregory[4] optimierte 1841 die Reaktionsbedingungen für die Synthese von Alloxan aus Harnsäure, aus dem man Alloxantin und in weiterer Folge Murexid gewinnen kann. Fritzsche korrigierte die Formel später zu C16H8N6O11, Gmelin in seinem Handbuch wiederum zu C16H8N6O12 und stellte es durch Überleiten von NH3 auf Alloxantin her. Beilstein[5] passte die Synthesevorschrift von Liebig und Wöhler aus Uramil an und bestätigte Gmelins - immer noch falsche - Formel. Weiters stellte er die Amid-Hypothese von Liebig und Wöhler in Frage, zeigte dass das von ihnen gefundene "Murexan" tatsächlich identisch mit Uramil ist und stellte einige andere Salze der Purpursäure her.

Stenhouse[6] bemerkte 1843 dass auch Thein (Coffein) eine Murexidreaktion ergibt, Rochleder [7] beschäftigte sich 1849 mit den Oxidationsprodukten des Coffeins und stellte durch Oxidation mit Chlor Dimethylalloxan und Dimethylalloxantin her - letzterer Verbindung gab er den Namen "Amalinsäure". Auch hier konnte er eine Murexidreaktion bemerken, stellte aber fest:
"Der hierbei gebildete Körper löst sich in Wasser mit der Farbe des Murexids auf, man erhält aber aus dieser Lösung keine Krystalle von Murexid, ebenso wird die Flüssigkeit durch Zusatz von Kali sogleich entfärbt, ohne daß zuvor die Farbe in Blau übergeht."
Er stellte auch die Hypothese auf, dass Coffein und Theobromin verwandt seien. Ludwig Medicus[8] schließlich zeichnete 1875 erstmals die richtigen Strukturen der Harnsäure und der Purinbasen Xanthin, Guanin, Coffein, Theobromin (hier lag er noch falsch mit der Position der zweiten Methylgruppe) sowie Hypoxanthin.

Maly[9] erwähnte 1881 bereits "die nahe verwandtschaftliche Stellung, welche man den beiden Pflanzenbasen Caffein und Theobromin zur Harnsäure gewöhnlich anweist" und zeigte dass sich Coffein und Theobromin um eine Methylgruppe unterscheiden, seine Summenformeln waren bereits korrekt. In einer weiteren Arbeit[10] 1882 prüfte er Rochleders Darstellung der Amalinsäure aus Coffein und Chlorat und korrigierte auch bereits auf die richtige Summen- und Strukturformel!

Emil Fischer[11] systematisierte 1882 die Darstellung der Amalinsäure weiter und untersuchte auch viele andere Coffein-Derivate. Falsch lag er jedoch bei den daraus gezogenen Schlüssen und der Strukturformel des Coffeins (er zweifelte Medicus' Strukturvorschlag an), ein Sauerstoff landete im falschen Ring - folglich war auch seine Ansicht über Xanthin und Theobromin nicht richtig. Die Murexidprobe benutzte er auch. Heinrich Biltz[12] schließlich optimierte die Darstellung der Amalinsäure erneut indem er zur Reduktion Zinnchlorid einsetzte. Seine Vorschrift findet sich bis heute als Referenz in Papers die von dieser Vorläuferverbindug des Murexids (bzw. Tetramethylmurexids) ausgehen.

Wann genau die Struktur des Murexids und seiner Derivate fest stand konnte ich nicht ganz nachvollziehen - 1936 rätselte Davidson [13] wegen Unklarheiten bzgl des Mechanismus der Bildung und der sauren Hydrolyse immer noch über den (bereits richtigen) Vorschlag von Piloty, Möhlau, Slimmer und Stieglitz aus 1904. Davidson stellte es durch Umsetzung von Alloxantin in siedendem Eisessig dar[14].

Einzug in die Analytik hielt das Murexid schließlich mit der Arbeit von Schwarzenbach und Gysling[15] 1949 - sie benutzten Murexid als Indikator auf Calcium- und andere Metall-Ionen. In einer weiterführenden Arbeit[16] wurden schließlich auch die strukturanalogen Verbindungen synthetisiert und untersucht. Autherhoff[17] stellt weitere Murexid-Derivate unterschiedlicher Methylierung her und untersuchte sie. Und diese Molekül ist nach wie vor nicht aus der Mode - In Google Scholar findet man in den ersten 4 Monaten 2020 bereits 96 Verweise auf "Murexid".

Von diesen Verbindungen habe ich mir das Tetramethylmurexid ausgesucht da es aus einfach und billig zugänglichem Coffein leicht nach dem Verfahren von Biltz[12] mit geringer Modifikation herstellbar ist und auch einige interessante analytisch-Chemische Eigenschaften hat, die es vom "kommerziellen" Murexid unterscheiden.



Geräte:
500 ml Zweihals-Rundkolben, Magnetrührer, Wasserbad mit Thermostat, Tropftrichter, Gaseinleitungsrohr, Sinternutschen, Bechergläser


Chemikalien:
Coffein
Salzsäure
Natriumchlorat
Zinn(II)chlorid
Wasserstoffperoxid
Tetramethylalloxantin
Ammoniumhydrogencarbonat
Tetramethylmurexid


Hinweis: zum Zwischenprodukt Tetramethylalloxantin bzw. zum Produkt Tetramethylmurexid konnte ich keine gesicherten toxikologischen Einstufungen in der Literatur finden. Das Analog Alloxantin ist jedoch dafür bekannt, durch Zerstörung der insulinproduzierenden Zellen Diabetes auszulösen, daher ist im Umgang damit höchste Vorsicht geboten!
Hinweis: bei der Synthese entsteht Chlorgas bzw. kann Chlorcyan entstehen, es ist daher unbedingt in einem Abzug bzw. im Freien zu arbeiten!


Durchführung:
In einem 500 ml Zweihals-Rundkolben werden 25 g (0,129 mol) Coffein vorgelegt und unter Rühren in 35 ml konz. (37%) HCl (ca 0,42 mol) und 75 ml dest. Wasser gelöst. Um das Ausströmen von Chlorgas bzw. HCl-Dämpfen zu minimieren wurde ein Rückflusskühler aufgesetzt, jedoch nicht mit Wasser betrieben. Auf einem Hals des Kolbens wurde bereits ein Gaseinleitungsrohr vorgesehen das mit einem Schlauch mit einer kleinen Aquarienpumpe für Luft verbunden war, jedoch anfangs noch nicht eingeschaltet. Später wurde es gegen einen Glasstopfen getauscht um bequem Chlorat zugeben zu können.

Der Ansatz wird auf einem Wasserbad das auf 50 °C eingestellt ist temperiert und dann werden in kleinen Portionen über eine Zeit von 2-3 Stunden verteilt 8,7 g Natriumchlorat unter kräftigem Rühren zugegeben. Die langsame Zugabe ist dabei für einen Erfolg essentiell wichtig, da ein Überschuss zu einem vermehrten Abbau des Coffeins über das Zwischenprodukt Alloxan hinaus führt! Man kann es z.B. gut damit abschätzen, dass sich durch das gebildete Chlor eine gelbliche Farbe im Ansatz bzw. der Gasphase darüber erkennen lässt - erst wenn diese merklich nachgelassen hat sollte die nächste Portion (kleine Spatel voll) zugegeben werden. Bereits nach kurzer Zeit beginnt die Ausscheidung eines weißen Niederschlags aus 8-Chlorcoffein. Die Menge an Niederschlag nimmt immer mehr zu und der Ansatz wird so dick, dass er nur noch schwer gerührt werden kann. Um die Rührbarkeit etwas zu unterstützen wurden nochmal ca. 20 ml halbkonz. Salzsäure zugegeben. Erst bei ca. 3/4 der Menge an Chlorat kommt es wieder zu einer merklichen Auflösung, eine vollständige Auflösung des Niederschlags erfolgt erst wenn alles Chlorat zugegeben ist.

Nach Beendigung der Zugabe wurde noch ca. 30 min weiter gerührt, dann ca. 15 min am warmen Wasserbad Luft durch den Ansatz geblasen um überschüssiges Chlor zu entfernen, schließlich wurde das Wasserbad gegen eine Eiskühlung getauscht und weitere 15 min Luft durchgeblasen. Der Rückflusskühler wurde nun gegen einen Tropftrichter getauscht und eine Lösung von 14,1 g Zinn(II)Chlorid (als SnCl2 0,5 H2O; 0,071 mol) in 20 ml halbkonz. HCl in den kalten Ansatz langsam eintropfen gelassen. Bereits nach kurzer Zeit schied sich ein weißer, feinkristalliner Niederschlag ab, nach Beendigung der Zugabe wurde nochmal ca. 30 min weiter gerührt.
Nun wurden 5 ml 35% Wasserstoffperoxid zugegeben, worauf sich die Menge an Niederschlag nochmal merklich erhöht. Nach weiteren 30 min Rühren am Eisbad wurde der Niederschlag abgenutscht, gut mit kaltem Wasser nachgewaschen und an der Luft an einem warmen Ort getrocknet.

Zur Reinheitskontrolle wurde eine DC gemacht - Tetramethylalloxantin löst sich in fast keinem Lösungsmittel, lediglich in DMF. Als Laufmittel diente Aceton:Chloroform:Wasser 15:4:1. Im Produkt wurden keine Verunreinigungen, insbesondere kein Coffein gefunden.

Ausbeute: 10,1 g Tetramethylalloxantin (45,8% d.Th.)

Zur Umsetzung zum Tetramethylmurexid wurden 3,0 g Tetramethylalloxantin (8,8 mmol) im Mörser sehr fein gepulvert und in einem 25 ml Becherglas vorgelegt. Dazu wurden 3,0 g Ammoniumhydrogencarbonat (38 mmol, ein mehr als doppelter molarer Überschuss) gegeben und das ganze rasch und so innig wie möglich vermischt. Sofort bei Kontakt der beiden Stoffe bildet sich eine violette Färbung die rasch intensiver wird und ins bräunliche übergeht. Das Becherglas wurde mit einem Uhrglas abgedeckt und der Ansatz über Nacht an einem warmen Ort (z.B. auf dem Heizkörper) stehen gelassen. Am nächsten Tag wurde das Becherglas zunächst wieder abgedeckt, nach weiteren ca 12 Stunden wurde es im Trockenschrank bei 110 °C nochmal 2 Stunden getrocknet. Nach dem Erkalten konnte die poröse Masse in einer Porzellanschale leicht zu einem intensiv ziegelroten Pulver zerrieben werden.

Zur Reinheitskontrolle wurde eine DC gemacht - Tetramethylmurexid löst sich in fast keinem Lösungsmittel, lediglich in Wasser oder DMF. Als Laufmittel diente Aceton:Chloroform:Wasser 15:4:1. Das Produkt neigt zur Zersetzung bzw. laufen ionische Verbindungen auf Kieselgel generell schlecht - im Produkt wurden jedoch keine Verunreinigungen durch Tetramethylalloxantin mehr gefunden. Schwarzenbach und Gysling[16] kristallisierten noch 2 x durch auflösen in Wasser und Fällung durch Aussalzen mit Ammoniumchlorid um und erhielten so ein analytisch reines Produkt. Dies erschien hier aber nicht unbedingt erforderlich.

Ausbeute: 3,0 g Tetramethylmurexid (100% d.Th.)

Achtung: es ist hier wichtig, den Ansatz nach dem anfänglichen Vermischen nicht mehr erneut durchzurühren! Durch die Reaktion wird Wasser freigesetzt sodass der Ansatz beim Rühren zu einem klebrigen festen Klumpen zusammenbacken würde der nur schlecht trocknet bzw. nur schwer gepulvert werden kann. Sollte das passieren, so kann man die Masse in siedendem Alkohol suspendieren - Tetramethylmurexid löst sich darin nur schlecht, allerdings erhält man so wieder ein feinpulvriges Produkt das abgenutscht werden kann.


Charakterisierung:
Murexid ist in der Analytischen Chemie beliebt als metallochromer Indikator zur Bestimmung von Ca, Cu, Ni oder Co. Tetramethylmurexid sollte dafür auch gut geeignet sein, da es nach wie vor das gleiche chelatbildende Strukturelement enthält:

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Der wesentliche Unterschied ist jedoch, dass alle NH durch CH3 substituiert sind, wodurch die Säure-Basen-Eigenschaften die sich in der "5-basigen Säure" Murexid durch die Tautomerie:

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ergeben wegfallen. Tatsächlich zeigt Tetramethylmurexid keine pH-abhängigen Farbumschläge, es zersetzt sich lediglich bei hohem (>10) oder niedrigem (<4) pH mehr oder weniger rasch durch Zerfall in seine Bestandteile. Der Vorteil ist daher, dass es im Gegensatz zu Murexid auch bei pH-Werten <8 gut einsetzbar ist bei denen Murexid sonst eine orange Eigenfarbe hat, wodurch der Umschlag bei einer Titration mit EDTA nicht mehr klar wahrnehmbar wäre. Das empfindliche Spiel mit der richtigen Dosierung von NH3 kann somit entfallen - denn eine zu große Menge an NH3 wäre auch wieder störend da sie durch Amin-Komplexbildung die Titration ebenfalls stört.

In einem ersten Test zeigt Tetramethylmurexid im Bereich pH 5 - 8 sehr kontrastreiche Farbumschläge zu Gelb-Orange-Tönen mit Cu, Ni, Co, Zn, Cd. Mit Pb ergibt sich eine wenig kontrastierende Kirschrot-Färbung, Ca ergibt bei pH 10 eine wenig kontrastierende dunkle Orange-Tönung.

Ein optimaler Indikator für die komplexometrische Titration ist es aber dennoch nicht - wie ein Test mit Zn zeigte, ist der Farbumschlag doch eher schleifend (vermutlich einer etwas zu geringen Komplexbildungskonstante geschuldet). Hat man eine Vergleichslösung, dann kann man natürlich auf das reine Magenta des freien Indikators hin arbeiten und kann durchaus Ergebnisse mit <3% Abweichung erhalten, die letzten Tropfen sind dabei aber schwer einzuschätzen. Möglicherweise könnte es aber gut als Farbreagens für die Photometrische Bestimmung der genannten Metalle im Spurenbereich (unter 10-4 mol/l) geeignet sein.

Die Charakterisierung mit dem Photometer zeigt ein ausgeprägtes Absorptionsmaximum bei 530 nm, der gelbe Komplex mit Zn hat das Maximum hingegen bei 461,5 nm.



Entsorgung: Abfälle kommen zu den halogenhaltigen organischen Abfällen.


Erklärung:
Coffein ist ein Purinalkaloid aus der Stoffgruppe der Xanthine. Alle NH- Gruppen des Xanthins sind darin durch Methylengruppen substituiert, was seine sehr hohe chemische Stabilität bzw. geringe Reaktionsfreudigkeit erklärt. Lediglich die CH-Gruppe des Imidazolrings (Position 8 ) ist noch für einen Angriff frei - hier erfolgt im ersten Schritt eine Substitution durch Chlor das sich aus Chlorat und HCl bildet:

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Das 8-Chlorcoffein ist hydrolyseempfindlich bzw. kann nun durch weites Chlor oxidiert und gespalten werden, sodass Dimethylalloxan entsteht. Die Spaltprodukte sind dabei Methylamin und Chlorcyan (Rochleder[7] berichtete 1849 bei seinen Versuchen bei der Umsetzung von feuchtem Coffein mit Chlorgas von einem "flüchtigen Körper, der sich durch seinen unangenehmen Geruch zu erkennen giebt. Er reizt die Augen zu Thränen und bewirkt in der kleinsten Menge einen unterträglichen Kopfschmerz in der Stirngegend"). Unter den Reaktionsbedingungen dürfte das Chlorcyan aber vermutlich sofort zu Cyansäure hydrolysiert werden die wiederum rasch zu Ammoniak und CO2 weiter zerfällt.

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Dimethylalloxan wäre aus dem Ansatz aufgrund seiner guten Löslichkeit schwer isolierbar, daher wird es im nächsten Schritt mittels Sn(II) zu Tetramethylalloxantin reduziert. Dabei wird zunächst die Hälfte des Dimethylalloxans zu 5-Hydroxydimethylbarbitursäure (Dimethyl-Dialursäure) reduziert, diese kondensiert unter den Bedingungen mit noch freiem Dimethylalloxan zum Tetramethylalloxantin, Rochleder[7] nannte das Produkt "Amalinsäure".

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Um eine gute Ausbeute zu erzielen, darf man also keinesfalls zu viel Reduktionsmittel zusetzen, da dann weniger Produkt entsteht. Andererseits ist der oxidative Abbau des Coffeins zum Dimethylalloxan vermutlich nicht ganz stöchiometrisch bzw mit 100% Ausbeute, daher führt die Zugabe einer mehr oder weniger stöchiometrischen Menge Sn(II) zu einer zu geringen Ausbeute. Meine Vorversuche haben gezeigt, dass die nachträgliche Zugabe von H2O2 in der Kälte offensichtlich geeignet ist, hier eine gezielte "Rück-Oxidation" zu bewirken ohne wieder über das Ziel hinaus zu schießen. Erst wenn der Ansatz wieder auf Raumtemperatur ist, reagiert das H2O2 merklich mit der HCl unter erneuter Bildung von Chlor was das Produkt wieder zerstören würde.

Hier gibt es in der Literatur übrigens abweichende Darstellungen der Struktur der Amalinsäure - teils wird sie als Pinakol dargestellt (C-C-Bindung zwischen den beiden Alloxan-Ringen mit vicinalen OH-Gruppen), teils als Ketal (C-O-C-Bindung zwischen den beiden Alloxan-Ringen). Welche der beiden zutrifft bzw. ob es hier eine Tautomerie gibt dazu konnte ich keine finale Aussage finden. Davidson[13] merkte 1936 bei seinen Arbeiten zur Strukturaufklärung der Murexide jedoch an, dass wohl die Pinakol-Form vorliegen müsse, da auch O-Acetylierte Alloxane die Reaktion ergeben.

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Emil Fischer[11] erklärte und systematisierte die Synthese erstmals 1882, er setzte als Reduktionsmittel H2S ein, was jedoch Schwierigkeiten mit der Entfernung von ausgeschiedenem Schwefel verursacht. Biltz[12] optimierte die Synthese 1912 indem er zur Reduktion Zinnchlorid einsetzte, er berichtete von einer Ausbeute von 84%. Auterhoff[17] konnte 1968 im Rahmen seiner Arbeiten zur Synthese unsymmetrischer Murexide jedoch nur eine Ausbeute von 27% bestätigen - so gesehen sind meine knapp 46% durchaus zufriedenstellend. Ohne die Nachbehandlung mit dem H2O2 wäre die Ausbeute vermutlich ähnlich niedrig ausgefallen.

Die Umsetzung von Tetramethylalloxantin zum Murexid erfolgt sehr einfach durch direkte Umsetzung mit NH3. Auterhoff[17] leitete 8 h lang am Wasserbad trockenes NH3 auf das Alloxantin, Gysling und Schwarzenbach[16] setzten mit 20-facher Menge (40-facher molarer Überschuss) Ammoniumcarbonat um. Tatsächlich ist Ammoniumcarbonat hervorragend dafür geeignet und die Reaktion läuft glatt ab, entstehende Feuchtigkeit hilft sicher auch bei der vollständigen "Durchtränkung" der Reaktionsmasse mit NH3. Ein Überschuss an Ammoniumcarbonat zersetzt sich in der Wärme sehr leicht und restlos in flüchtige Bestandteile sodass eine weitere Aufreinigung nicht erforderlich ist. Eine 20-Fache Menge erscheint aber auf jeden Fall hoch übertrieben.

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Bilder:
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Ansatz ist am Wasserbad und bereit


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Ausscheidung von 8-Chlorcoffein


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Durchblasen von Luft zur Vertreibung überschüssigen Chlors


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Zutropfen der SnCl2-Lösung


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Zwischenprodukt Tetramethylalloxantin


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DC des Zwischenprodukts Tetramethylalloxantin (Links: Referenz Coffein, rechts: Produkt)


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Umsetzung zu Tetramethylmurexid - beim Zusammengeben bildet sich sofort eine violette Färbung


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Das fertige Produkt


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Farbreaktionen von Tetramethylmurexid mit Metallionen: Das Reagenz, mit Cu, Ni und Co (v.l.n.r)


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UV-VIS Spektrum des Produkts, λ-max = 530 nm


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Einsatz als Indikator bei einer komplexometrischen Titration


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Murexid ist bei hohem oder niedrigem pH nicht sehr beständig. Bei pH 10 zerfällt es langsam (Bilder nach 0 min, 40 min 1:40h)


Literatur:

[1] Scheele, Kongl. Vetenskaps Academiens Handlingar. (1776), 37, p.327-332
[2] Prout, Phil. Trans. (1818), p.421
[3] Wöhler, F. and Liebig, J. Ann. Pharm. (1838), 26, p.241-336
[4] Gregory, J. Prakt. Chem. (1841), 22, p.371-372
[5] Beilstein, F. Justus Liebigs Ann. Chem. (1858), 107, p.176-191
[6] Stenhouse, J., Justus Liebigs Ann. Chem.(1843), 45, p.366-372
[7] von Rochleder, F., Justus Liebigs Ann. Chem. (1849), 71, p.1-12
[8] Medicus L., Justus Liebigs Ann. Chem. (1875), 175, p.230-251
[9] Maly, R. and Hinteregger, F., Ber. Dtsch. Chem. Ges. (1881), 14, p.723-728
[10] Maly, R., Andreasch, R., Monatshefte für Chemie (1882) 3, p.92–110
[11] Fischer, E., Justus Liebigs Ann. Chem.(1882), 215, p.253-320
[12] Biltz, H., Ber. Dtsch. Chem. Ges. (1912), 45, p.3659-3675
[13] Davidson D., Epstein E., The Journal of Organic Chemistry (1936), 01(3), p.305-314
[14] Davidson D., J. Am. Chem. Soc. (1936), 58, 1821-1822
[15] Schwarzenbach, G. and Gysling, H. Helv. Chim. Acta (1949), 32, p. 1314-1325
[16] Schwarzenbach, G. and Gysling, H. Helv. Chim. Acta (1949), 32, p. 1484-1504
[17] Auterhoff, H. and Bohle, F.-J. (1968), Die Murexide der gebräuchlichen Purinderivate. Arch. Pharm. Pharm. Med. Chem., 301: 73-77

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lemmi
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Beitrag von lemmi »

Das gefällt mir sehr gut! Es hat historische Remineszenzen und der Indikator wäre für die Komplexometzrie vielleicht doch interessant. Hast du den Eindruck, dass der Umschlag schlechter ist, als beim normalen Murexid? Da ist er ja oft auch nicht eben scharf.
"Alles sollte so einfach wie möglich gemacht werden. Aber nicht einfacher."(A. Einstein 1871-1955)

"Wer nur Chemie versteht, versteht auch die nicht recht!" (G.C. Lichtenberg, 1742 - 1799)

"Die gefährlichste Weltanschauung ist die Weltanschauung der Leute, die die Welt nie gesehen haben." (Alexander v. Humboldt, 1769 - 1859)

Nail
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Beitrag von Nail »

Schick! Ich wundere mich immer wo man solche Anleitungen herbekommt.
Kann man das ganze auch mit 8-Bromcoffein machen?
Q.E.D.

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mgritsch
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Beitrag von mgritsch »

lemmi hat geschrieben:Das gefällt mir sehr gut! Es hat historische Remineszenzen und der Indikator wäre für die Komplexometzrie vielleicht doch interessant.
Ja war eine nette Reise von „hey Coffein kann man billig kiloweise kaufen, da muss man doch was draus machen können“ über eine längere Literaturrecherche bis zur Anpassung der Vorschriften... thematisch alles da was mir gefällt - alte Synthesevorschriften, einiges selbst zu erarbeiten, analytisch nützlich, bunt :)
Hast du den Eindruck, dass der Umschlag schlechter ist, als beim normalen Murexid? Da ist er ja oft auch nicht eben scharf.
Ehrlich gesagt war ich nie ein großer Fan von murexid und kann es nicht genau beurteilen. Tendenziell eher ja. Hast du Lust es zu vergleichen? Schicke gerne eine Probe... ;)

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mgritsch
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Beitrag von mgritsch »

Nail hat geschrieben:Schick! Ich wundere mich immer wo man solche Anleitungen herbekommt.
Bisschen Kreativität, bisschen Erfahrung, viel Literatursuche :) (Google, Google Scholar, die Originalpublikationen, scihub, ...)
Kann man das ganze auch mit 8-Bromcoffein machen?
Versuch es doch :) wobei die Frage ist woher das als Ausgangspunkt käme...

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lemmi
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Beitrag von lemmi »

mgritsch hat geschrieben:Ehrlich gesagt war ich nie ein großer Fan von murexid und kann es nicht genau beurteilen. Tendenziell eher ja. Hast du Lust es zu vergleichen? Schicke gerne eine Probe... ;)
Murexid ist für manches halt der Klassiker (aber wem sage ich das) und eine Dikussion über Alternativen hatten wir ja im Kobaltanalytik-Thread schon mal. Ja, ich würde es gerne mal vergleichend einsetzen!
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mgritsch
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Beitrag von mgritsch »

Hm, suche gerade mehr Literatur dazu und Scwarzenbach, Gysling und Kohn bestätigen dass die Komplexbildungskonstanten identisch sind... sollte also als Indikator gleich reagieren! Und die Literatur bestätigt auch dass es deswegen gerne zur photometrischen Bestimmung von Ca in biologischer Matrix benutzt wird...
Sollte ein sehr nützlicher Indikator sein und ich mache evtl noch einen Artikel zur chemometrie damit... Ermittlung von Komplexbildungskonstanten.. Photometrie bei 2 Wellenlängen...

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mgritsch
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Beitrag von mgritsch »

Also nach nochmaligem Nachlesen und vor allem nach durchdenken und durchrechnen der Theorie (nicht nur Versuch macht kluch :)) bin ich zum Schluss gekommen dass es keinen Sinn macht als Indikator.
Begründung:

Schwarzenbach gibt für Murexid mit Zn bei pH 6 eine Komplexbildungskonstante logK = 3,1 an.
In seiner Publikation erörtert er auch gründlich die pH-Abhängigkeit dieser Konstante. Die erste Dissoziationsstufe zum Purpureat ist eine sehr starke Säure (pKs <0), die nächste pKs ist schon viel höher (8,2). Aufgrund der Säure-Eigenschaften von Murexid ergibt die Reaktion Ca+2 + MH4- die neue Säure CaMH4+ die wiederum leicht ein Proton abgibt zu CaMH3 oder sogar ein weiteres zu CaMH2-. Dadurch verschiebt sich das Gleichgewicht mit steigendem pH nach rechts und steigt bei Murexid die Komplexbildungskonstante mit dem pH.

Bei Tetramethylmurexid jedoch fehlt wie oben erörtert die Möglichkeit der weiteren Dissoziationsstufen, somit bleibt die Komplexbildungskonstante im pH-Bereich konstant und ist im übrigen fast identisch mit der von Murexid bei niedrigem pH (was strukturell erklärbar logisch ist).

Setzt man nun eine Rechnung auf wie die komplexometrische Titration einer 0,01 M Zn Lösung mit 0,01 M EDTA abläuft (Kann man nach den gleichen Prinzipien wie pH rechnen, man muss nur eine pH-Abhängige Konditionalkonstante statt der lit. Konstante einsetzen), und koppelt das Gleichgewicht Indikator-Zn daran, so ergibt sich folgendes Bild:

Bild

man sieht in der roten Kurve schön den Verlauf von pM (-log Konzentration Zn), unter den Bedingungen bei pH 6 ergibt sich von 99% zu 101% Titrationsgrad ein schöner Konzentrationssprung um 5,5 Größenordnungen - die Titration selbst geht also bei dem pH sehr gut.
Die gelbe Linie zeigt den Verlauf der Konzentration an Indikator-Metall-Komplex, und der läuft fast parallel mit. Wenn ich mir die Punkte suche wo ein Umschlag beginnt (ich habe das mal definiert als: wo 10% des Metall-Indikator-Komplexes bereits zerfallen sind und als freier Indikator vorliegen, das sollte man bereits als Farbveränderung sehen) und wo er endet (wo 90% des Metall-Indikator-Komplexes bereits zerfallen sind und als freier Indikator vorliegen, das ist schon fast die endgültige Farbe), dann ist das bereits ab einem Titrationsgrad von 22% der Fall (beginnende Farbveränderung) und bei 98% Titrationsgrad wird man es als mehr oder weniger fertig sehen. Das macht sich rein praktisch als "schleifender Umschlag" bemerkbar bzw neigt man zu einem Minderbefund :)

Zum Vergleich - würde die Komplexbildungskonstante mit dem Indikator zB 7 betragen, sähe das Bild so aus:
Bild

DAS ist ein scharfer Umschlag und ein präzises Ergebnis.

Umgekehrt wenn sie zu hoch ist, zB 10 bekommst du zu hohe Befunde weil du extra EDTA verbrauchst um dem Indikator sein Metall "entreißen" zu können (im Extremfall einer viel zu hohen sagt man der Indikator blockiert...):
Bild


Ist das aller Tage Abend? Nein - denn bei höherem pH ist die Konditionalkonstante mit der EDTA auch wieder höher und damit passt das Ergebnis in Summe... setzen wir den pH auf 9 hoch und schwupps - die Welt ist wieder in Ordnung :)
Bild


Ein guter Indikator muss einige Bedingungen erfüllen - der Farbwechsel muss kontrastreich sein und nicht zuletzt ist es wichtig, dass die Komplexbildungskonstante optimal mit der zwischen EDTA und Metall zusammnenpasst. nicht zu niedrig - dann schleift es. Nicht zu hoch, dann Überbefund oder schleifen nach oben. Optimal sind ca 4 pK-Einheiten.

Tetramethylmurexid ist da einfach zu niedrig. Für photometrische Methoden aber immer noch sehr gut geeignet!

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mgritsch
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Beitrag von mgritsch »

So, Geschichte und Literatur sind drin, von mir aus fertig.
Lemmi wird die Geschichte hoffentlich mögen ;)

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NI2
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Beitrag von NI2 »

Sehr schön,... Ich hoffe ich hab es nicht überlesen, aber hast du die Komplexzusammensetzung überprüft? also dass wirklich ML und nicht ML2 vorliegt?

als ML2 würde es dann so aussehen:

Bild

Formsachen: Ladungen von Metallen in der Form M2+ und nicht M+2 angeben. Das Gradzeichen gehört zu C (also 100 °C und nicht 100° C)
I OC

There is no sadder sight in the world than to see a beautiful theory killed by a brutal fact. [T. Huxley]
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mgritsch
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Beitrag von mgritsch »

NI2 hat geschrieben:Sehr schön,... Ich hoffe ich hab es nicht überlesen, aber hast du die Komplexzusammensetzung überprüft? also dass wirklich ML und nicht ML2 vorliegt?
Schwarzenbach sagt 1:1 :)
Vor allem nach der 2. Deprotonierung liegt ein neutraler Komplex vor...

Formsachen: Ladungen von Metallen in der Form M2+ und nicht M+2 angeben. Das Gradzeichen gehört zu C (also 100 °C und nicht 100° C)
jetzt brauch ich mal ein bisschen Pause davon... aber feel free! ;)

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NI2
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Beitrag von NI2 »

Was genau wird denn da deprotoniert? Das Monoanion des Tetramethylmurexid enthält keine Protonen mehr.
Bei Murexid stimme ich dir zu, beim TMM ist mir noch nicht ganz klar wie das gehen soll.

Bild

Das kann ich leider nicht ändern ohne es neu zuzeichnen :P
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mgritsch
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Beitrag von mgritsch »

stimmt. natürlich nur beim Murexid.
aus Analogie und aufgrund der in der lit berichteten Konstanten die gleich wie die von Murexid bei niedrigem pH sind vermute ich das es beim T.Methylmurexid auch ein 1:1 Komplex ist. Genaueren gibt die Lit nicht her...

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NI2
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Beitrag von NI2 »

Gut, dann habe ich das doch richtig interpretiert... deswegen fragte ich nach der Bestimmung der Komplexzusammensetzung, so etwas geht auch photometrisch und würde man das noch ergänzen (evtl eigener Artikel) wäre das ziiiemlich cool und vervollständigend. Wenn nur ein TMM dran hängt könnte der rest natürlich auch Wasser sein.

Ist die Verbindung dann eigentlich noch organisch oder schon anorganisch? :dita:
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mgritsch
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Beitrag von mgritsch »

Hmmm... ein erster Test: mit einer 0,2 M ZnOAc Lösung ist es nicht sonderlich stabil... Absorption nimmt ca 20% pro Stunde ab. Die rein wässr Lösung ist aber stabil.
Mal sehen wie es mit anderen Metallen so reagiert...

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