Synthese und Test von Cuprizon

[mgritsch]

Synthese und Test von Cuprizon
Cuprizon, [370-81-0], Bis(cyclohexanon)oxaldihydrazon, BCO, Oxalsäure-bis(Cyclohexylidenhydrazid), bis[(2-Cyclohexylidenhydrazinyl)oxy]ethan-1,2-dion

Cuprizon ist ein empfindliches und selektives Reagenz auf Kupfer ^[4,5,6]. In schwach alkalischer Lösung bildet es einen intensiv blau gefärbten Komplex (λ max = 595 nm, ε = 16.000). Es wurde 1950 von G. Nilsson vorgestellt.^[1]

Ein molarer Extinktionskoeffizient von ε = 16.000 bedeutet, dass bei photometrischer Bestimmung unter der Voraussetzung dass volle Farbintensität erreicht wird und keine weitere Verdünnung erfolgt, das Limit einer sinnvollen Quantifizierung (LOQ) mit einer Absorption von 0,01 (10% relativer Fehler bei einer Ablesegenauigkeit von A=0,001) bei lediglich etwa 0,04 mg/l Cu liegt!

In der medizinischen Forschung hat es eine gewisse Bedeutung als Modellsubstanz für das Studium der Multiplen Sklerose, da es bei jungen Mäusen eine (reversible) Demyelinisierung von Nervenzellen auslöst.^[2] Es wird unter anderem auch für die Bestimmung des Kupfergehalts im Blutserum genutzt^[3].

Auch die Vorläufersubstanz Oxalsäurebishydrazid kann bereits als sehr empfindliches Reagenz auf Cu genutzt werden - für sich alleine bildet sie nur einen schwach gefärbten Komplex mit Kupfer, zusammen mit Formaldehyd (oder Acetaldehyd) ergibt sich jedoch ein tief dunkelvioletter Komplex. Über den genauen Mechanismus schweigt die Literatur, vermutlich bildet sich aber in Situ aus dem Hydrazid und dem Aldehyd auch eine vergleichbare Schiff-Base.


Geräte:
Bechergläser, Rundkolben, Rückflusskühler, Magnetrührer, Filternutschen


Chemikalien:
Diethyloxalat
Hydrazinhydrat 80%
Cyclohexanon
p-Toluolsulfonsäure
Ethanol
Formaldehyd-Lösung 35%

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Oxalsäurebishydrazid
Cuprizon



Durchführung:
Diethyloxalat kann einfach und in praktisch quantitativer Ausbeute durch azeotrope Veresterung von Oxalsäure mit Ethanol gewonnen werden (siehe z.B unter viewtopic.php?f=21&t=4543). Diethyloxalat ist eine angenehm dezent fruchtig riechende, farblose Flüssigkeit mit einem Siedepunkt von 185 °C die mit Wasser nicht mischbar ist.

Synthese von Oxalsäurebishydrazid:
In einem Becherglas wurden 24,5 ml (0,4 mol) 80% Hydrazinhydrat mit 25 ml Wasser verdünnt und ein einem kalten Wasserbad (Kristallisierschale) vorgelegt. Dann wurden unter gutem Rühren 14,6 g (0,1 mol) Diethyloxalat zugetropft. Anfangs löst sich das Diethyloxalat noch nicht, dann kann man rasch die Bildung einer Trübung und bald eines feinen rein weißen Niederschlags beobachten, der Ansatz wird cremig dick. Nach ca. 15-20 Minuten wurde das Becherglas aus dem kühlenden Wasserbad genommen und zur Vervollständigung der Reaktion noch ein paar Stunden bei Raumtemperatur weiter rühren gelassen.

Das Rohprodukt wurde abgenutscht und aus siedendem dest. Wasser umkristallisiert wobei sich wunderschöne, mehrere mm lange, schneeweiße nadelförmige Kristalle abscheiden.

Ausbeute: 9,68 g (82,0% d.Th.)

Die Mutterlauge kann aufbewahrt und für Tests mit Oxalsäurebishydrazid genutzt werden. Oxalsäurebishydrazid ist in Wasser einigermaßen, in Ethanol so gut wie völlig unlöslich.

Synthese von Cuprizon:
In einem 500 ml Rundkolben wurden 5,9 g (50 mmol) Oxalsäurebishydrazid und 10,9 ml (105 mmol) Cyclohexanon in ca 350 ml abs. Ethanol vorgelegt und eine Spatel p-Toluolsulfonsäure zugegeben. Es wurde ca. 2 Stunden am Rückfluss gekocht wobei das Oxalsäurebishydrazid langsam in Lösung geht und sich das gut in Ethanol lösliche Cuprizon bildet. Es verblieb eine restliche Trübung, der Ansatz wurde heiß filtriert wobei bereits eine große Menge Cuprizon ausfiel. Die Kristalle wurden abgenutscht und die Mutterlauge zusammen mit den Filterrückständen (hauptsächlich im Filter ausgefallenes Produkt) in einem Becherglas erneut aufgekocht, das Volumen auf ca. 300 ml eingeengt und erneut heiß filtriert. Das Filtrat wurde über Nacht kalt gestellt und die ausgefallenen Kristalle abgenutscht, mit etwas Ethanol nachgewaschen und mit der ersten Charge vereinigt.

Ausbeute: 11,8 g (84,7% d.Th.)

Test von Cuprizon bzw. Oxalsäurebishydrazid:
Es wurde eine Testlösung mit einem Gehalt von ca. 30 mg Cu²⁺ pro Liter hergestellt.
In Reagenzgläsern wurden ca. 25 ml dieser Testlösung vorgelegt und:
a) 1 ml konz. NH3-Lösung zugegeben (Vergleich der Farbtiefe des Tetraammin-Komplexes) --> es bildet sich eine blassblaue Farbe.
b) 1 ml einer ethanol. Lösung von Cuprizon + 3 Tropfen konz. NH3-Lösung zugegeben --> es bildet sich rasch eine tief dunkelblaue Färbung die sich noch etwas vertieft.
c) 1 ml einer gesättigten wässr. Lösung von Oxalsäurebishydrazid, 1 ml konz. NH3-Lösung und 1 ml 35% Formaldehyd-Lösung --> es bildet sich nach Zugabe des Oxalsäurebishydrazid eine schwache graugrüne Färbung, nach Zugabe des Formaldehyd geht sie rasch in eine dunkel-violettblaue Färbung über, die mit der Zeit noch merklich an an Intensität zunimmt. Die Farbtiefe ist letztendlich deutlich kräftiger als bei Cuprizon, das Reagenz somit eigentlich empfindlicher. Allerdings weist die Literatur auch auf die größere Empfindlichkeit gegenüber Reaktionsbedingungen (pH, Konzentrationen, Fremdionen aus dem Puffer) hin. Dafür ist es stabiler gegen Ammonium-Ionen als Cuprizon.^{[4, 5]} Mit Acetaldehyd-Lösung soll der Nachweis nochmal etwas empfindlicher ausfallen als mit Formaldehyd.^{[4, 5]}


Entsorgung:
Abfälle kommen zu den halogenfreien organischen Abfällen.


Erklärung:
Diethyloxalat wird durch Hydrazinolyse sehr leicht in das Oxalsäurebishydrazid überführt:

Achtung, die Reaktion ist stark exotherm, wenn man konz. Hydrazin direkt zum Ester zugibt kann es zum Verspritzen durch die große Wärmeentwicklung kommen, daher wird in verdünnter Lösung und mit Anfangs zusätzlicher äußerer Kühlung gearbeitet.

Unter saurer Katalyse reagiert Cyclohexanon mit dem Hydrazid unter Bildung der Bis-Cyclohexylidenhydrazinyl-Verbindung:

Auch andere Carbonylverbindungen gehen diese Reaktion ein, lt. Literatur ist aber das Reagenz mit Cyclohexanon das empfindlichste auf Kupfer.

Kupfer-Ionen reagieren im schwach alkalischen mit Cuprizon unter Bildung eines Komplexes:

Es ist darauf zu achten, dass der pH nicht zu hoch ist - ab pH 10 kommt es zur alkalischen Hydrolyse und Zersetzung des Reagenzes unter Freisetzung von Hydrazin und Oxalsäure bzw. Stickstoff durch Oxidation durch das Cu^[4].
Auch andere Metallionen bilden mit dem Reagenz eine Färbung, diese ist aber nicht blau und fällt deutlich schwächer aus. Cuprizon kann daher als spezifisch für Cu angesehen werden.

Welches Produkt bei der Reaktion mit Oxalsäurebishydrazid und Formaldehyd (bzw. Acetaldehyd) im alkalischen entsteht ist in der Literatur nicht genauer beschrieben. Vermutlich dürfte trotz der alkalischen Bedingungen unter dem katalytischen Einfluss des Cu eine dem Cuprizon analoge Methylenhydrazinyl-Verbindung entstehen. Warum man diese in der Form in situ erzeugt und nicht unmittelbar als Reagenz herstellt ist jedoch nicht klar. Acetaldehyd soll sogar das Cyclohexanon aus Cuprizon verdrängen.^[4]


Bilder:

Ansatz für Oxalsäurebishydrazid zu Beginn

reichlich ausgefallenes Oxalsäurebishydrazid

Wunderschöne Kristalle von Oxalsäurebishydrazid

Ansatz für Cuprizon unter Rückfluss, es ist eine Trübung erkennbar

Das fertige Produkt Cuprizon, nicht ganz rein weiße feine Kristalle

Vergleichstest 30 mg Cu pro Liter mit Ammoniak, Cuprizon und Oxalsäurebishydrazid+Formaldehyd

Vergleichstest mit anderen Metallen - v.l.n.r: Cu, Ni, Co, Fe²⁺




Literatur:
[1] Acta chem. scand. (1950), 4, p. 205 http://actachemscand.org/doi/10.3891/ac ... nd.04-0205
[2] Acta Neurologica Scandinavica (2008), 117, pp. 72-76. https://doi.org/10.1111/j.1600-0404.2008.01036.x
[3] Anal. Chem. (1955), 27, 7, pp. 1195–1197 https://doi.org/10.1021/ac60103a054
[4] Analytica Chimica Acta (1961), 24, pp. 579-588 https://doi.org/10.1016/0003-2670(61)80120-7
[5] Anal. Chem. (1968), 40, 14, pp. 2196–2197 https://doi.org/10.1021/ac50158a050
[6] Fres. Z. Anal. Chem. (1971), 255, pp. 194–201 https://doi.org/10.1007/BF00424953

[SebastianV]

Hey! Du hast bei der Diskussion über mein Cyclohexanon verheimlicht, was man damit tolles synthetisieren kann!

[aliquis]

Mit welchem Katalysator und bei welchen Temperaturen kann man denn die Oxalsäure verestern, ohne sie zu zersetzen? Mit p-TSS oder Natriumhydrogensulfat wollte es bislang leider nicht klappen.
Während man Hydrazinhydrat und Formaldehyd aus Holland bekommen kann, gibt's den weit harmloseren Ester nirgendwo privat zu kaufen...

[Seaborg]

Sehr ästhetische organische Chemie.
Vielleicht das selektivste Reagenz auf Kupfer. Der bevorzugte pH-Bereich für die Anwendung soll bei 7 - 9 liegen und der Farbkomplex mit einer Rate von 1 %/h zerfallen. Maximale Farbentwicklung nach 5 min..
Die Sensitivität wird mit 0,03 ppm angegeben.
Das Lambert-Beer'sche Gesetz soll im Bereich 0 - 4 ppm gelten.
Ethanol soll die Stabilität fördern. Der Komplex ist nicht extrahierbar mit org. LM.
Neben den angegebenen Kationen stören ebenfalls NICHT: Al, Mn(II), Hg(I, II), Mo, Ag, Sn(II), W, Uranyl, Zn, acetat, chlorid, nitrat, sulfat, tartrat.

[mgritsch]

Mit welchem Katalysator und bei welchen Temperaturen kann man denn die Oxalsäure verestern, ohne sie zu zersetzen?

Ich habe damals p-TSS benutzt (2% auf die eingesetzte Oxalsäure, wobei die Oxalsäure schon sauer genug sein sollte sich da selbst zu katalysieren. Wasser schleppen mit Chloroform/Ethanol bis stöch. Menge erreicht (inklusive Kristallwasser!), erst Lömi bei Normaldruck und dann den Ester im Vakuum destillieren führte bei mir zu 90% Ausbeute. Wenn das bei dir nicht klappt, keine Ahnung warum?

Während man Hydrazinhydrat und Formaldehyd aus Holland bekommen kann,

Ich rechne damit dass es auch mit Hydrazinsulfat (+entsprechend Lauge) gehen sollte, ist eventuell noch einfacher zu haben.

gibt's den weit harmloseren Ester nirgendwo privat zu kaufen...

„Harmlos“ -> siehe die GHS, zB im Vergleich zu p-TSS. Kann man wirklich nicht mehr ernst nehmen die bunten Bildchen.

[mgritsch]

Dankeschön für die ergänzenden Informationen, ich vermute du hast schon einige praktische Erfahrung damit?

Die Sensitivität wird mit 0,03 ppm angegeben.

Das passt gut zu meiner Abschätzung des LOQ, wobei die Frage ist was „Sensitivität“ genau meint, vermutlich die qualitative Nachweisgrenze bei visueller Beurteilung?

Das muss man sich auch mal vergegenwärtigen was die Zahlen bedeuten. Bei 0,03 mg = 30 μg/l und einem großzügigen Volumen von 1 ml (in deiner Welt vergleichsweise ein Eimer ) sind das gerade mal 30 ng

Andererseits sind das immer noch ca 5x10^14 Atome, also für Homöopathen schon eine Überdosis

[aliquis]

Ich habe damals p-TSS benutzt (2% auf die eingesetzte Oxalsäure, wobei die Oxalsäure schon sauer genug sein sollte sich da selbst zu katalysieren. Wasser schleppen mit Chloroform/Ethanol bis stöch. Menge erreicht (inklusive Kristallwasser!), erst Lömi bei Normaldruck und dann den Ester im Vakuum destillieren führte bei mir zu 90% Ausbeute. Wenn das bei dir nicht klappt, keine Ahnung warum?
(...)
Ich rechne damit dass es auch mit Hydrazinsulfat (+entsprechend Lauge) gehen sollte, ist eventuell noch einfacher zu haben.
(...)
„Harmlos“ -> siehe die GHS, zB im Vergleich zu p-TSS. Kann man wirklich nicht mehr ernst nehmen die bunten Bildchen.

Ich hatte bislang nur Vorversuche im Probierglas durchgeführt. Auch nach längerem Erhitzen wollte sich kein Ester-typischer Geruch einstellen, es roch nur nach Ethanol wie zuvor. Vll. lag es am mangelnden Wasseraustrag (obwohl während des einfachen Erhitzens eigentlich auch schon genug Ethanol-Wasser-Azeotrop abgedampft worden sein müsste...).
Sollte ich es nochmal als Syntheseansatz versuchen, müsste ich mich mit dem kruden Produkt nach Ausschütteln von Säure und Abdestillieren von überschüssigem Ethanol begnügen. Vakuumdestillationen gibt's bei mir nicht, Verwendung von Chloroform ebenso wenig.

Hydrazinsulfat ist frei nur bei einem polnischen Händler auf einer großen Handelsplattform erhältlich, der Holländer rückt das nicht an Privatpersonen raus - obwohl es weit risikoärmer zu handhaben ist als das Hydrat... Selbst hergestellt habe ich das Sulfat letzten Sommer mal, war wegen der Sicherheitsmaßnahmen aber ziemlich aufwendig und die Ausbeute mit verdünnter Schwefelsäure auch nur recht mager... Solange es das zu kaufen gibt (ist auch wirtschaftlicher), würde ich es nicht nochmal synthetisieren. Gehört zu den Stoffen, die ich eh (selbst in Kleinstmengen) nur dann benutze, wenn es absolut unumgänglich ist... In situ zum Hydrat umgesetzt hat die Kupferspiegelbildung damit jedenfalls nicht geklappt. Bei Hydrazin und seinen Verbindungen sollte man die GHS-Symbole m. E. durchaus ernst nehmen. Die Gefahren des Esters muss man in der Tat nicht überbewerten - solange man ihn nicht als Geschmacksstoff verwendet...

[mgritsch]

Ich hatte bislang nur Vorversuche im Probierglas durchgeführt. Auch nach längerem Erhitzen wollte sich kein Ester-typischer Geruch einstellen, es roch nur nach Ethanol wie zuvor. Vll. lag es am mangelnden Wasseraustrag (obwohl während des einfachen Erhitzens eigentlich auch schon genug Ethanol-Wasser-Azeotrop abgedampft worden sein müsste...).

das wird so nix.
Das Ethanol-Wasser-Azeotrop trägt vor allem Ethanol aus, das hat keinen entsprechenden Effekt, es sei denn du würdest ständig absoluten EtOH nachfüllen (sehr luxuriöse Variante...). Speziell wenn du das handelsübliche Dihydrat benutzt trägst du damit ordentlich Wasser ein. Der Geruch des Esters ist vergleichsweise dezent, nicht so ein brutalo-Lömi Geruch wie Ethylacetat und obendrein weniger flüchtig. Das wird von Ethanol sicher gut überdeckt. Da musst du wirklich zuerst Wasser ausschleppen und den Ester einigermaßen abdestillieren.

die Oxalsäure verestern, ohne sie zu zersetzen?

Die conclusio dass sich was zersetzt hätte ist vielleicht ein bisschen vorschnell?

[aliquis]

Ja, die Hydrolyse läuft der Esterbildung hier wirklich sehr zuwider. Und da die gängigen Schleppverfahren für mich nicht in Frage kommen, wird's bei mir wohl nichts werden mit diesem Ester.

Zersetzung tritt bei Oxalsäure und Ameisensäure leicht ein, wenn man konz. Schwefelsäure als Katalysator für die Veresterung einsetzt, weswegen Bisulfat und TSS hier ausnahmsweise mal nicht nur die Notlösung für Hobbychemiker sind, sondern sogar die Mittel der Wahl.

Teurer absoluter Alkohol kann in vielen Fällen auch durch günstigeren vergällten 99 %igen Bioethanol ersetzt werden, wo 1 % MEK nicht stört. Und gegen ein bisschen Restfeuchte hilft Molekularsieb, Calciumoxid oder wasserfreies Kupfer- bzw. Natriumsulfat.

Was ich mich frage: wenn nur absoluter Alkohol in der Lage ist, effektiv Wasser auszuschleppen, warum hat man dann bei einfacher Destillation eines niedrig-konzentrierten Ethanol-Wasser-Gemisches kein Azeotrop in der Vorlage, sondern nur 40-60 %igen Alkohol? Oder mache ich da gerade einen Denkfehler?

[lemmi]

Der Artikel gefällt mir gut. Eine schöne, glatte Synthese eines empfindlichen Reagenz'. Bevor ich wieder drei Wochen lang nicht in meine Bibliothek komme, hier noch zwei Anleitungen für die photometrische Bestimmung von Kupfer (aus: J. Fries: Spurenanalyse-Erprobte Photometrische Methoden; E.Merck, Darmstadt, ohne Jahresangabe - ca. 1970)

Schichtdicken von 5 cm sind heute allerdings unüblich. Da müsste man entsprechend umrechnen.

[mgritsch]

Bevor ich wieder drei Wochen lang nicht in meine Bibliothek komme, hier noch zwei Anleitungen

Öha, das klingt nach einer schönen Reise (inklusive neuer Entdeckungen), viel Spaß!

Und danke für die Anleitungen, kann ich mal vergleichen gegen die anderen die ich bisher habe. Ist alles eher „makro“, mit 20 bzw. 30 ml Probe. Ich finde die absolut-Angaben in μg auch etwas verwirrend, aber ja, kann man auf die Probenvolumen beziehen. Mit Cuprizon wäre dann zB die Quantifizierung bis ca 1 μg in 30 ml, somit 33 μg/l möglich. 33 ppb! Nicht schlecht. Mit 1 statt 5 cm Küvette immer noch 165 ppb / 0,165 ppm.