Voltammetrie

Reduktiv bestimmbare funktionelle Gruppen

Welche funktionellen Gruppen organischer Arzneistoffe an der Quecksilberelektrode reduziert werden, wie viele Elektronen sie aufnehmen und welche Arzneistoffe man so bestimmt.

Prüfungsrelevanz: wichtig ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze6 Punkte
  • Bei der reduktiven Bestimmung nimmt ein Analyt an der Quecksilberelektrode Elektronen auf. Kationen, Anionen und Neutralmoleküle sind so bestimmbar, auch organische Arzneistoffe mit reduzierbarer Gruppe.
  • Nitroaromaten wie Nitrobenzol, 4-Nitrotoluol, Nitrofural, Nitrofurantoin und Niclosamid werden über die Nitrogruppe bestimmt (4 Elektronen zum Hydroxylamin, in saurer Lösung 6 zum Amin).
  • p-Benzochinon wird mit 2 Elektronen zum Hydrochinon reduziert. Hydrochinon selbst ist nicht reduktiv bestimmbar.
  • Menadion ist über seine Chinonstruktur in wässrigem Puffer polarographisch bestimmbar, eine Alternative zur Cerimetrie.
  • Azomethine (\(\ce{C=N}\)) wie in Diazepam werden mit 2 Elektronen zum Amin reduziert.
  • Reduzierbarkeit: 1,4-Benzochinon > Benzaldehyd > Iodbenzol > Brombenzol > Chlorbenzol. Ethanol wird bis −2 V nicht reduziert.

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Worum es geht

Viele Arzneistoffe tragen Gruppen, die an der Quecksilberelektrode Elektronen aufnehmen. Dazu gehören die Nitrogruppe, das Chinon und die C=N-Doppelbindung. Wer diese Gruppen in einer Strukturformel erkennt, weiß, ob ein Stoff wie Nitrofurantoin oder Diazepam polarographisch bestimmbar ist.

Analyte der Polarographie

An der Quecksilbertropfelektrode lassen sich ganz verschiedene Teilchen reduzieren. Kationen wie \(\ce{Cd^2+}\) oder \(\ce{Pb^2+}\) gehören dazu, ebenso Anionen wie Iodat. Auch ungeladene Moleküle nehmen Elektronen auf und sind quantitativ bestimmbar. Die Methode ist also nicht auf anorganische Analyte beschränkt.

📖 Definition: Reduktive Bestimmung

Der Analyt nimmt an der Arbeitselektrode Elektronen auf. Der dabei fließende Faraday-Strom ist proportional zu seiner Konzentration und dient der Quantifizierung.

Für neutrale organische Arzneistoffe gilt eine einfache Regel. Sie sind bestimmbar, wenn sie eine reduzierbare oder oxidierbare Gruppe tragen. Diese Gruppe ist die elektrochemisch aktive Stelle des Moleküls. In der Arzneimittelanalytik ist die Polarographie heute vor allem eine Spezial- und Vergleichsmethode für genau solche Stoffe. Oxidativ erfasste Gruppen behandelt eine eigene Einheit.

Nitroverbindungen

Die Nitrogruppe ist die klassische reduzierbare Gruppe. Besonders Nitroaromaten werden an der Quecksilberelektrode leicht reduziert. Der Stickstoff steht in der Nitrogruppe in hoher Oxidationsstufe und nimmt schrittweise Elektronen auf. Im ersten Schritt entsteht ein Hydroxylamin:

\[\ce{Ar-NO2 + 4e- + 4H+ -> Ar-NHOH + H2O}\]

In saurer Lösung folgt ein zweiter Schritt zum Amin. Insgesamt sind es dann 6 Elektronen:

\[\ce{Ar-NHOH + 2e- + 2H+ -> Ar-NH2 + H2O}\]

So sind einfache Nitroaromaten wie Nitrobenzol und 4-Nitrotoluol gut bestimmbar. Dasselbe gilt für Arzneistoffe mit Nitrogruppe. Dass man Arzneistoffe über ihre Nitrogruppe quantifiziert, wird im Examen gerne gefragt: Man muss die Nitrogruppe in der Struktur finden und als aktive Gruppe benennen.

Stoff Einordnung Bestimmt über
Nitrobenzol, 4-Nitrotoluol einfache Nitroaromaten aromatische Nitrogruppe
Nitrofural Nitrofuran mit Semicarbazon-Rest Nitrogruppe am Furanring
Nitrofurantoin Nitrofuran mit Hydantoin-Rest Nitrogruppe, auch per Differential-Pulspolarographie
Niclosamid Salicylanilid, Anthelminthikum aromatische Nitrogruppe

An der Strukturformel erkennst du Nitrofurantoin am Furanring mit Nitrogruppe, der über eine Azomethinbrücke an ein Hydantoin gebunden ist. Die polarographisch aktive Gruppe ist die Nitrogruppe. Für niedrige Gehalte eignet sich die differentielle Pulspolarographie.

Drei Strukturformeln von Nitroarzneistoffen mit hervorgehobener Nitrogruppe.

Nitrofurantoin, Nitrofural und Niclosamid: Polarographisch ausgewertet wird jeweils die Nitrogruppe (markiert).

Chinone

Chinone sind cyclische Diketone mit zwei konjugierten C=O-Gruppen am Ring. Das einfachste ist p-Benzochinon (1,4-Benzochinon). Es wird an der Quecksilberelektrode reversibel zum Hydrochinon reduziert. Dabei nimmt jedes Molekül 2 Elektronen und 2 Protonen auf:

\[\ce{C6H4O2 + 2e- + 2H+ -> C6H4(OH)2}\]

Die Elektronenzahl leitest du an der Struktur ab. Zwei C=O-Gruppen werden zu zwei OH-Gruppen, und der Ring wird aromatisch. Pro Carbonylgruppe fließt ein Elektron. Chinon und Hydrochinon bilden so ein Redoxpaar, ähnlich wie zwei Seiten derselben Münze.

🎯 Examensrelevant: Chinon und Hydrochinon

Das Chinon-Hydrochinon-System wird im Examen gerne gefragt. p-Benzochinon ist mit 2 Elektronen reduktiv bestimmbar, Hydrochinon dagegen nicht, denn es ist bereits die reduzierte Form. Achte also darauf, welche Seite des Redoxpaars in der Formel steht.

Das wichtigste Arzneistoffbeispiel ist Menadion (2-Methyl-1,4-naphthochinon, Vitamin K3). Seine Chinonstruktur wird in wässriger Pufferlösung ebenfalls mit 2 Elektronen reduziert, hier zum Menadiol. Menadion ist dadurch polarographisch quantitativ bestimmbar.

Reaktionsschema der Reduktion von p-Benzochinon zu Hydrochinon und von Menadion zu Menadiol.

Chinon-Hydrochinon-System: p-Benzochinon und Menadion nehmen je 2 Elektronen und 2 Protonen auf.

Die klassische Gehaltsbestimmung von Menadion ist die Cerimetrie. Dafür muss man es erst chemisch zum Menadiol reduzieren und dieses dann mit \(\ce{Ce^4+}\) titrieren. Die Polarographie erfasst das Chinon direkt und ist eine praktische Alternative.

Imine und Azomethine

Ein Azomethin ist eine C=N-Doppelbindung, also eine Imingruppe \(\ce{R1R2C=NR3}\). Sie wird an der Quecksilberelektrode mit 2 Elektronen zum Amin reduziert:

\[\ce{R1R2C=NR3 + 2e- + 2H+ -> R1R2CH-NHR3}\]

Diazepam trägt im Siebenring eine solche Gruppe zwischen N4 und C5. In wässrigem Puffer wird diese Azomethingruppe reduziert, es entsteht 4,5-Dihydrodiazepam. Erkennst du in einer Formel ein C=N im Ring oder in einer Kette, kannst du ihr diese 2 Elektronen zuordnen.

Strukturformel von Diazepam und seinem 4,5-Dihydro-Reduktionsprodukt.

Diazepam wird an der Azomethingruppe (C5=N4) mit 2 Elektronen zum 4,5-Dihydro-Derivat reduziert.

Reduzierbarkeit im Vergleich

Nicht jede Gruppe wird gleich leicht reduziert. Je leichter, desto weniger negativ liegt das Halbstufenpotential. 1,4-Benzochinon wird schon nahe 0 V reduziert. Benzaldehyd ist ebenfalls reduzierbar, braucht aber ein deutlich negativeres Potential. Halogenbenzole folgen noch später.

Bei den Halogenbenzolen entscheidet die Stärke der C-Halogen-Bindung. Die C-I-Bindung ist am schwächsten und bricht am leichtesten. Gesättigte Alkohole wie Ethanol werden dagegen bis −2 V gegen SCE gar nicht reduziert, Ethan entsteht also nicht.

Potentialachse mit eingeordneten organischen Verbindungen nach Reduzierbarkeit.

Qualitative Rangfolge der Reduzierbarkeit an der Quecksilbertropfelektrode.
💡 Merke

Reduzierbarkeit: 1,4-Benzochinon > Benzaldehyd > Iodbenzol > Brombenzol > Chlorbenzol. Ethanol bleibt im Messbereich unverändert.

Sollst du aus mehreren Formeln die am leichtesten reduzierbare wählen, suchst du zuerst ein Chinon. Fehlt es, folgen Carbonylverbindungen und dann Halogenaromaten nach dieser Reihe. Wie man Arzneistoffe systematisch durchmustert, zeigt die Einheit zu Strukturformeln.

Quiz

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richtig oder falsch iWarum nur Aussagen? Fragen mit fünf Antworten löst man am sichersten, indem man jede Aussage einzeln bewertet: ✓✓ sicher richtig, ✓ eher richtig, 0 unsicher, ✗ eher falsch, ✗✗ sicher falsch. Mit dem Ausschlussprinzip ergibt sich daraus die Lösung. Dieses einzelne Bewerten ist der wichtigste Handgriff fürs Examen, und genau den übst du hier.

Aussage 1

Diazepam ist in wässriger Pufferlösung an seiner Azomethingruppe polarographisch reduzierbar, wobei 2 Elektronen umgesetzt werden.

Die C=N-Gruppe zwischen N4 und C5 wird mit 2 Elektronen zum 4,5-Dihydro-Derivat reduziert.

Aussage 2

Niclosamid wird polarographisch über die Reduktion seiner aromatischen Nitrogruppe bestimmt.

Die aromatische Nitrogruppe ist die polarographisch aktive Gruppe von Niclosamid.

Aussage 3

Bei der polarographischen Reduktion von p-Benzochinon zu Hydrochinon werden pro Molekül 2 Elektronen umgesetzt.

Beide C=O-Gruppen werden zu OH-Gruppen, dafür sind 2 Elektronen und 2 Protonen nötig.

Aussage 4

Chlorbenzol wird an der Quecksilbertropfelektrode leichter reduziert als Iodbenzol.

Die Reihenfolge ist Iodbenzol > Brombenzol > Chlorbenzol, weil die C-I-Bindung am leichtesten bricht.

Aussage 5

Polarographische Verfahren eignen sich nur für anorganische Ionen, da Neutralmoleküle an der Quecksilbertropfelektrode keine Elektronen aufnehmen.

Auch ungeladene Moleküle, etwa organische Arzneistoffe mit reduzierbarer Gruppe, sind quantitativ bestimmbar.

Aussage 6

Hydrochinon lässt sich an der Quecksilberelektrode reduktiv quantitativ bestimmen.

Hydrochinon ist bereits die reduzierte Form des Chinon-Hydrochinon-Paars. Reduktiv bestimmbar ist p-Benzochinon.

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