Cerimetrische Gehaltsbestimmung organischer Arzneistoffe
Welche organischen Arzneistoffe Cer(IV) oxidieren kann, welche Vorbehandlung Paracetamol und Menadion brauchen und wie man die Stöchiometrie ableitet.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Cerimetrie organischer Arzneistoffe nutzt Cer(IV) als Einelektronen-Oxidationsmittel für Stoffe mit oxidierbaren Strukturen wie para-Aminophenolen, Hydrochinonen, Endiolen oder Dihydropyridinen.
- Paracetamol wird durch Erhitzen in verdünnter Schwefelsäure zu 4-Aminophenol hydrolysiert und dann gegen Ferroin (oder biamperometrisch) zum p-Chinonimin oxidiert: 2 mol \(\ce{Ce^4+}\) je mol.
- Die Masse folgt aus \(m = \frac{c \cdot V}{2} \cdot M \cdot \frac{V_\text{gesamt}}{V_\text{Aliquot}}\), der Aliquotierungsfaktor darf nicht fehlen.
- Menadion ist als Chinon bereits oxidiert, wird mit Zink und Salzsäure zu Menadiol reduziert und mit 2 mol \(\ce{Ce^4+}\) gegen Ferroin zurück zum Chinon titriert.
- Donorgruppen in ortho- oder para-Stellung machen Aromaten titrierbar, Resorcin (meta) und 1,2-Dinitrobenzol reagieren nicht.
- Nitrit wird zu Nitrat oxidiert; bei iodometrischer Rücktitration entsteht Iod und kein Iodat.
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Worum es geht
Cer(IV) oxidiert nicht nur Eisen(II), sondern auch organische Moleküle mit geeigneten Donorgruppen. Für die Gehaltsbestimmung von Arzneistoffen wie Paracetamol oder Vitamin K3 musst du an der Strukturformel erkennen, ob ein Stoff oxidierbar ist, schon oxidiert vorliegt oder gar nicht reagiert. Daraus folgen Vorbehandlung und Stoffmengenverhältnis.
Paracetamol
Paracetamol (4-Hydroxyacetanilid) trägt eine phenolische OH-Gruppe. Sein Stickstoff ist aber als Acetamid gebunden und dadurch kaum noch Elektronendonor. Die Ph. Eur. stellt deshalb eine saure Hydrolyse vor die Titration. Man erhitzt die Substanz in verdünnter Schwefelsäure unter Rückfluss. Die Amidbindung wird gespalten, es entstehen 4-Aminophenol und Essigsäure.
\[\ce{HOC6H4NHCOCH3 + H2O + H+ -> HOC6H4NH3+ + CH3COOH}\]
Oxidation zum Chinonimin
Im 4-Aminophenol stehen zwei Donorgruppen, OH und \(\ce{NH2}\), in para-Stellung. Cer(IV) entzieht dem Molekül zwei Elektronen, zwei Protonen werden frei. Es entsteht p-Chinonimin, das Stickstoff-Analogon des p-Benzochinons. Ein ortho-Chinon kann sich nicht bilden, weil neben der OH-Gruppe keine zweite Donorgruppe sitzt.
\[\ce{HOC6H4NH2 + 2 Ce^4+ -> OC6H4NH + 2 Ce^3+ + 2 H+}\]
Jedes \(\ce{Ce^4+}\) nimmt nur ein Elektron auf und wird zu \(\ce{Ce^3+}\). Für zwei Elektronen braucht man also 2 mol Cer(IV) je 1 mol Paracetamol. Als Indikator dient Ferroin, das den ersten Überschuss an Cer(IV) durch seinen Farbumschlag anzeigt. Alternativ erkennt man den Endpunkt biamperometrisch. Das Verfahren ist eine reine Redoxtitration. Anders als bei der Komplexometrie bindet das Metallion hier nichts, es wechselt nur seine Oxidationsstufe.
Masse berechnen
In der Praxis füllt man das Hydrolysat auf ein festes Volumen auf und titriert nur einen Teil davon. Die Rechnung mit dem Faktor 2:1 und der Aliquotierung solltest du sicher können, denn der Verdünnungsschritt geht leicht verloren.
\[m = \frac{c \cdot V}{2} \cdot M \cdot \frac{V_\text{gesamt}}{V_\text{Aliquot}}\]
\(c\): Konzentration der Cer(IV)-Lösung in mol/L, \(V\): Verbrauch in L, \(M\): molare Masse von Paracetamol (151,16 g/mol), \(V_\text{gesamt}/V_\text{Aliquot}\): Aliquotierungsfaktor.
Beispiel: Das Hydrolysat wird auf 100,0 mL aufgefüllt. Von 20,0 mL davon verbraucht man 7,90 mL Cer(IV)-Lösung mit 0,1 mol/L.
- Cer(IV) im Aliquot: 0,1 mol/L · 7,90 mL = 0,790 mmol.
- Paracetamol im Aliquot: 0,790 mmol : 2 = 0,395 mmol.
- Gesamte Probe: 0,395 mmol · (100,0 mL / 20,0 mL) = 1,975 mmol.
- Masse: 1,975 mmol · 151,16 g/mol = 298,5 mg Paracetamol.
Menadion
Menadion (Vitamin K3) ist 2-Methyl-1,4-naphthochinon. An der Strukturformel erkennt man zwei C=O-Gruppen in para-Stellung in einem Ring, an den ein Benzolring anelliert ist. An C2 sitzt eine Methylgruppe. Diese Chinonstruktur ist bereits die oxidierte Form. Cer(IV) ist selbst ein Oxidationsmittel und findet daran nichts mehr zu oxidieren. Menadion muss deshalb vor der Titration reduziert werden.
Reduktion und Rückoxidation
Dafür setzt man Zinkstaub und Salzsäure ein. Zink gibt zwei Elektronen ab, das Chinon nimmt sie zusammen mit zwei Protonen auf. Es entsteht das Hydrochinon Menadiol (2-Methyl-1,4-naphthohydrochinon).
\[\ce{C11H8O2 + Zn + 2 H+ -> C11H10O2 + Zn^2+}\]
Zink wirkt dabei nur als Reduktionsmittel. Ein Chelatkomplex mit \(\ce{Zn^2+}\) entsteht nicht, titriert wird allein das Menadiol. Überschüssiges Zink filtriert man vor der Titration ab, sonst würde es selbst Cer(IV) verbrauchen.
Dann titriert man das Menadiol mit Cer(IV)-Maßlösung gegen Ferroin. Cer(IV) oxidiert es zurück zum Chinon:
\[\ce{C11H10O2 + 2 Ce^4+ -> C11H8O2 + 2 Ce^3+ + 2 H+}\]
Am Endpunkt liegt also wieder Menadion vor und nicht das Hydrochinon. Man kann sich das wie einen Akku vorstellen: Zink lädt ihn mit zwei Elektronen auf, Cer(IV) entlädt ihn vollständig. Gemessen werden genau die Elektronen, die vorher hineingesteckt wurden.
Äquivalente an der Struktur ablesen
Die Oxidationszahlen der beiden Carbonyl-C-Atome zeigen die Bilanz. Im Chinon trägt jedes dieser C-Atome +2, im Hydrochinon als C-OH nur +1. Zwei C-Atome ändern sich also um je eine Stufe. Das ergibt zwei Elektronen je Molekül und damit 2 mol Cer(IV) je mol Menadion.
Die Menadion-Bestimmung ist ein Examensklassiker: Das Chinon wird erst mit Zink und Salzsäure zu Menadiol reduziert und dann gegen Ferroin mit 2 mol Cer(IV) je mol zurück zum Chinon oxidiert. Achte darauf, dass am Endpunkt wieder Menadion vorliegt.
Menadion lässt sich nicht direkt mit Iod-Maßlösung titrieren. Iod ist wie Cer(IV) ein Oxidationsmittel und reagiert nicht mit dem bereits oxidierten Chinon.
Ohne Maßanalyse lässt sich Menadion auch polarographisch quantitativ bestimmen. Dort wird die Chinongruppe direkt an der Elektrode reduziert, mehr dazu bei den reduzierbaren funktionellen Gruppen.
Bestimmbare und nicht bestimmbare Stoffe
Cer(IV) ist ein starkes Einelektronen-Oxidationsmittel (siehe Grundlagen der Cerimetrie). Ein Stoff ist nur bestimmbar, wenn er eine oxidierbare Struktur trägt, die in einem definierten Schritt Elektronen abgibt. Diese Auswahl gehört zum Pflichtprogramm: Hydrochinon, α-Tocopherol, Nifedipin, Ascorbinsäure und Nitrit sind direkt titrierbar, Resorcin dagegen nicht.
| Stoff | oxidierbare Struktur | Produkt |
|---|---|---|
| Hydrochinon (1,4-Dihydroxybenzol) | zwei OH in para-Stellung | p-Benzochinon |
| α-Tocopherol | Phenol-OH im Chromanring, para zum Ring-Sauerstoff | Tocopherylchinon |
| Nifedipin | 1,4-Dihydropyridin | Pyridinderivat |
| Ascorbinsäure | Endiol | Dehydroascorbinsäure |
| Nitrit | Stickstoff +III | Nitrat, Stickstoff +V |
Alle diese Stoffe titriert man ohne vorherige Reduktion. Ascorbinsäure lässt sich etwa mit Ammoniumcer(IV)-nitrat gegen Ferroin bestimmen. Auch iodimetrisch ist sie zugänglich.
Die Stellung entscheidet
Bei Aromaten hängt alles davon ab, ob ein Chinon oder Chinonimin entstehen kann. Dafür müssen zwei Donorgruppen wie OH, \(\ce{NH2}\) oder ein Ether-Sauerstoff ortho oder para zueinander stehen. Resorcin (1,3-Dihydroxybenzol) trägt seine OH-Gruppen in meta-Stellung. Aus ihm lässt sich kein Chinon formen, es ist cerimetrisch nicht bestimmbar.
Ortho- oder para-ständige Donorgruppen lassen sich zum Chinon oder Chinonimin oxidieren, meta-ständige nicht. Ein Chinon ist schon oxidiert und braucht vorher eine Reduktion.
Auch 1,2-Dinitrobenzol reagiert nicht. Seine Nitrogruppen sind hoch oxidiert und ziehen Elektronen aus dem Ring. Benazepril fehlt eine solche oxidierbare Gruppe ebenfalls, es wird nicht mit Cer(IV) bestimmt.
Lehrreich ist Benzocain neben Methyl-4-hydroxybenzoat. Nach Esterhydrolyse liegen 4-Aminobenzoesäure und 4-Hydroxybenzoesäure vor. In beiden steht para zur Donorgruppe eine Carboxylgruppe, ein Chinon oder Chinonimin kann so nicht entstehen. Selektiv gelingt die Bestimmung über die Nitritometrie. Dort wird nur die primäre aromatische Aminogruppe des Benzocains diazotiert.
Nitrit
Nitrit gibt zwei Elektronen ab und geht in Nitrat über:
\[\ce{NO2- + 2 Ce^4+ + H2O -> NO3- + 2 Ce^3+ + 2 H+}\]
Nitrit lässt sich direkt titrieren. Häufig legt man Cer(IV) aber im Überschuss vor und titriert zurück, weil salpetrige Säure im Sauren leicht zerfällt. Den Rest an Cer(IV) setzt man mit Iodid um und titriert das gebildete Iod mit Thiosulfat. Cer(IV) oxidiert Iodid dabei nur zu elementarem Iod, Iodat entsteht nicht.
\[\ce{2 Ce^4+ + 2 I- -> 2 Ce^3+ + I2}\]
Quiz
Aussage 1
Für 1 mol Paracetamol wird bei der cerimetrischen Bestimmung 1 mol \(\ce{Ce^4+}\) verbraucht.
Die Oxidation zum Chinonimin überträgt zwei Elektronen, jedes \(\ce{Ce^4+}\) nimmt eines auf: 2 mol Cer(IV) je mol Paracetamol.
Aussage 2
α-Tocopherol kann ohne vorherige Reduktion direkt mit Cer(IV)-Maßlösung titriert werden.
Die phenolische OH-Gruppe im Chromanring liegt in oxidierbarer Form vor, eine Vorbehandlung ist nicht nötig.
Aussage 3
Resorcin lässt sich wie Hydrochinon cerimetrisch zum Chinon oxidieren und bestimmen.
Resorcin trägt seine OH-Gruppen in meta-Stellung, daraus kann kein Chinon entstehen. Nur das para-ständige Hydrochinon ist titrierbar.
Aussage 4
Cer(IV) oxidiert Nitrit zu Nitrat.
Stickstoff geht dabei von +III auf +V über, je Nitrit werden zwei \(\ce{Ce^4+}\) verbraucht.
Aussage 5
Menadion wird vor der Cerimetrie mit Zinkstaub und Salzsäure zum Hydrochinon Menadiol reduziert.
Als Chinon ist Menadion schon oxidiert und muss erst reduziert werden, damit Cer(IV) etwas zu oxidieren hat.
Aussage 6
Vor der cerimetrischen Titration wird Paracetamol durch Erhitzen in verdünnter Schwefelsäure in 4-Aminophenol überführt.
Die saure Hydrolyse spaltet die Amidbindung und liefert 4-Aminophenol und Essigsäure, das 4-Aminophenol wird titriert.
Aussage 7
Am Endpunkt der cerimetrischen Menadion-Bestimmung liegt das Hydrochinon 2-Methyl-1,4-naphthohydrochinon vor.
Cer(IV) oxidiert das Menadiol zurück, am Endpunkt liegt wieder Menadion als Chinon vor.
Aussage 8
Bei der Oxidation von 4-Aminophenol durch Cer(IV) entsteht ein ortho-Chinon.
OH und \(\ce{NH2}\) stehen para zueinander, daher entsteht p-Chinonimin.
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