Formoltitration und Oximtitration
Wie Ammoniumsalze, Amine und Aminosäuren nach Umsetzung mit Formaldehyd und wie Aldehyde und Ketone nach Oximbildung über die freigesetzte Säure alkalimetrisch bestimmt werden.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Formoltitration und die Oximtitration sind Substitutionstitrationen in Wasser: Eine vorgeschaltete Reaktion setzt eine äquivalente Menge Säure frei, die alkalimetrisch titriert wird.
- Ammoniumionen bilden mit überschüssigem Formaldehyd Hexamethylentetramin (Urotropin), je \(\ce{NH4+}\) wird ein Proton frei, das mit NaOH gegen Phenolphthalein titriert wird.
- 1 mol \(\ce{(NH4)2SO4}\) verbraucht 2 mol NaOH; Methylrot statt Phenolphthalein führt zu Minderverbrauch.
- Formoltitrierbar sind Ammoniumsalze, Hydrochloride primärer Amine und α-Aminosäuren, nicht dagegen Hydrochloride tertiärer Amine und Tetramethylammoniumchlorid.
- Aldehyde und Ketone bilden mit Hydroxylaminhydrochlorid ein Oxim und setzen je Carbonylgruppe 1 mol HCl frei, titriert mit NaOH oder KOH gegen Methylorange.
- Das Acetal Paraldehyd reagiert nicht, nur freier Acetaldehyd wird über die Oximtitration begrenzt.
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Worum es geht
Manche Stoffe sind zu schwache Säuren oder gar keine Säuren und lassen sich deshalb nicht direkt titrieren. Eine vorgeschaltete Reaktion setzt dann eine äquivalente Menge starker Säure frei, die man mit Lauge erfasst. So bestimmt das Arzneibuch Ammoniumsalze und Aminosäuren mit Formaldehyd und begrenzt Aldehyde wie Acetaldehyd in Paraldehyd mit Hydroxylamin.
Formoltitration
Das Ammoniumion ist eine zu schwache Säure für eine direkte Titration (\(\mathrm{p}K_a \approx 9{,}25\), siehe pK-Werte wichtiger Säure-Base-Paare). Mit 0,1 M NaOH in Wasser entsteht kein scharfer pH-Sprung. Ammoniumchlorid lässt sich deshalb ohne Vorbehandlung nicht bestimmen. Daran ändert auch der Indikator nichts, ob Phenolphthalein oder der Mischindikator Methylorange-Methylenblau.
Prinzip: aus schwacher Säure wird starke Säure
Die Formoltitration löst das Problem chemisch. Man gibt Formaldehyd im Molüberschuss zur wässrigen Lösung. Formaldehyd kondensiert mit den Ammoniumionen zu Hexamethylentetramin, auch Urotropin oder Methenamin genannt. Dabei wird je Ammoniumion ein Proton frei:
\[\ce{4 NH4+ + 6 HCHO -> (CH2)6N4 + 4 H+ + 6 H2O}\]
Bei Ammoniumchlorid entsteht so eine äquivalente Menge Salzsäure. Diese starke Säure titriert man alkalimetrisch mit Natriumhydroxid-Maßlösung gegen Phenolphthalein. Titriert wird also nicht der Analyt selbst, sondern die freigesetzte Säure. Man spricht von einer Substitutionstitration in wässriger Lösung, nicht von einer Titration unter wasserfreien Bedingungen.
Entscheidend ist, wohin der Stickstoff geht. Das Kondensationsprodukt Urotropin ist eine viel schwächere Base als Ammoniak. Am Äquivalenzpunkt liegt das Ammonium daher nicht als Ammoniak vor, sondern fest im Käfigmolekül gebunden. Es puffert nicht mehr und verschleift den Sprung nicht.
Formaldehyd wirkt also allein über diese Umsetzung. Der \(\mathrm{p}K_a\)-Wert des Ammoniumions bleibt derselbe, das Ammoniumion verschwindet einfach aus dem Gleichgewicht. Chlorid und Indikator bleiben unberührt. Formaldehyd selbst ist nicht säure-base-titrierbar. Die käufliche Lösung enthält aber Spuren Ameisensäure und wird vorher gegen Phenolphthalein neutralisiert.
Stöchiometrie und Indikator
Jedes Ammoniumion liefert ein Proton und verbraucht damit ein Äquivalent NaOH. Ammoniumsulfat \(\ce{(NH4)2SO4}\) enthält zwei Ammoniumionen. 1 mol Ammoniumsulfat verbraucht deshalb 2 mol NaOH. Der Indikator muss im alkalischen Bereich umschlagen. Phenolphthalein mit seinem Umschlag bei pH 8,2 bis 10,0 erfüllt das; mehr dazu bei Phenolphthalein und Thymolphthalein.
Methylrot schlägt schon zwischen pH 4,4 und 6,2 um. Ein Teil der Protonen wird aber erst im schwach alkalischen Bereich vollständig erfasst. Die Titration endet zu früh, und man findet einen Minderverbrauch an NaOH.
Wird im Examen gerne gefragt: Ammoniumionen bilden mit überschüssigem Formaldehyd in Wasser Hexamethylentetramin, je \(\ce{NH4+}\) wird ein Proton frei und mit NaOH gegen Phenolphthalein titriert. Achte auf die Stöchiometrie (1 mol \(\ce{(NH4)2SO4}\) verbraucht 2 mol NaOH) und darauf, dass mit basischer Maßlösung in wässrigem Milieu titriert wird.
Geeignete und ungeeignete Analyten
Das Prinzip funktioniert nur, wenn der Stickstoff nach Abgabe des Protons noch Wasserstoff trägt. Nur dann kann er mit Formaldehyd kondensieren.
| Analyt | Formoltitration | Grund |
|---|---|---|
| Ammoniumsalze, z. B. \(\ce{NH4Cl}\), \(\ce{(NH4)2SO4}\) | geeignet | Bildung von Urotropin |
| Hydrochloride primärer aliphatischer Amine | geeignet | N–H kondensiert mit Formaldehyd |
| α-Aminosäuren, z. B. Cystein, Lysinhydrochlorid | geeignet, quantitativ | Aminogruppe wird blockiert |
| Hydrochloride tertiärer Amine | ungeeignet | freies Amin ohne N–H, keine Kondensation |
| Tetramethylammoniumchlorid | ungeeignet | quartärer Stickstoff ohne H |
α-Aminosäuren liegen in Wasser als Zwitterion vor. Ihre \(\ce{-NH3+}\)-Gruppe ist ähnlich schwach sauer wie Ammonium. Deshalb liefert auch eine Rücktitration mit Salzsäure nach Lösen in überschüssiger Natronlauge keinen brauchbaren Endpunkt. Formaldehyd bindet die Aminogruppe als Hydroxymethyl-Derivat. Ihr Proton wird dadurch so sauer, dass man es mit Natronlauge gegen Phenolphthalein erfasst. So lassen sich etwa Cystein oder Lysinhydrochlorid bestimmen.
Oximtitration
Die Oximtitration überträgt dasselbe Prinzip auf Carbonylverbindungen. Aldehyde und Ketone reagieren mit Hydroxylaminhydrochlorid zum Oxim. Dabei wird Wasser abgespalten und die im Reagenz gebundene Salzsäure frei:
\[\ce{CH3CHO + NH2OH*HCl -> CH3CH=NOH + H2O + HCl}\]
Pro Carbonylgruppe entsteht genau ein Äquivalent HCl. Man titriert es mit Natrium- oder Kaliumhydroxid-Maßlösung. Die Methode bestimmt Aldehyde und Ketone quantitativ. Einwertige Alkohole erfasst sie nicht, denn ihnen fehlt die C=O-Gruppe.
Indikation im Sauren
Anders als bei der Formoltitration liegt der Äquivalenzpunkt hier nicht im Alkalischen. Das Oxim ist nur sehr schwach basisch und verschiebt ihn kaum. Das überschüssige Hydroxylaminhydrochlorid ist dagegen selbst eine schwache Kationsäure. Man indiziert deshalb mit Methylorange. So erfasst die Lauge nur die freigesetzte Salzsäure und nicht den unverbrauchten Rest des Reagenzes.
Carbonylgruppen an der Struktur erkennen
Um einem Stoff ein Verfahren zuzuordnen, sucht man die C=O-Gruppe. Beim Aldehyd trägt das Carbonyl-C ein Wasserstoffatom (\(\ce{-CHO}\)), beim Keton zwei Kohlenstoffreste. Carbonsäuren und Ester zählen nicht dazu, denn ihre C=O-Gruppe bildet unter diesen Bedingungen kein Oxim. Ketone reagieren träger als Aldehyde. Die Ketogruppe von Ketoprofen bildet mit Hydroxylaminhydrochlorid und Natriumacetat in Ethanol erst unter Rückfluss das Oxim.
Grenzprüfung auf Acetaldehyd in Paraldehyd
Paraldehyd ist das cyclische Trimer des Acetaldehyds. Als Acetal hat es keine freie Carbonylgruppe und reagiert nicht mit Hydroxylamin. Freier Acetaldehyd steht aber mit ihm im Gleichgewicht und bildet ein Oxim. Das Arzneibuch begrenzt ihn über diese Umsetzung und Titration der Säure mit Natriumhydroxid-Maßlösung. Diese Prüfung wird im Examen gerne gefragt: Erfasst wird nur der freie Acetaldehyd, und die titrierte Säure stammt aus dem Reagenz.
Stoffmenge der Verunreinigung berechnen
Weil 1 mol Aldehyd 1 mol HCl freisetzt, entspricht die verbrauchte Lauge direkt der Aldehydmenge. Ein Beispiel: Eine Probe verbraucht 0,80 mL Natriumhydroxid-Lösung (0,1 mol/L).
- Laugenmenge: \(n(\ce{NaOH}) = c \cdot V = 0{,}1\ \text{mol/L} \cdot 0{,}80\ \text{mL} = 0{,}080\ \text{mmol}\)
- Stöchiometrie: 1 mol NaOH entspricht 1 mol HCl und 1 mol Acetaldehyd, also \(n = 0{,}080\ \text{mmol} = 80\ \text{µmol}\).
- Masse: \(m = n \cdot M = 0{,}080\ \text{mmol} \cdot 44{,}05\ \text{g/mol} \approx 3{,}5\ \text{mg}\) Acetaldehyd.
Wie man daraus einen Gehalt oder Grenzwert ableitet, zeigt Titrationsäquivalent und Gehaltsberechnung. Die beiden Verfahren unterscheiden sich vor allem in Reagenz und Indikator:
- Analyt: Ammoniumsalze, primäre Amine, α-Aminosäuren
- Reagenz: Formaldehyd im Überschuss
- Produkt: Urotropin bzw. Hydroxymethyl-Derivat
- Indikator: Phenolphthalein
- Analyt: Aldehyde und Ketone
- Reagenz: Hydroxylaminhydrochlorid
- Produkt: Oxim und HCl
- Indikator: Methylorange
Quiz
Aussage 1
Paraldehyd reagiert über seine Carbonylgruppen mit Hydroxylaminhydrochlorid, sodass die Oximtitration seinen Gehalt bestimmt.
Paraldehyd ist ein Acetal ohne freie Carbonylgruppe. Die Oximtitration erfasst nur den freien Acetaldehyd und dient zu dessen Begrenzung.
Aussage 2
Bei der Formoltitration verbraucht 1 mol Ammoniumsulfat 2 mol Natriumhydroxid.
\(\ce{(NH4)2SO4}\) enthält zwei Ammoniumionen, jedes setzt ein Proton frei, das ein Äquivalent NaOH verbraucht.
Aussage 3
Die bei der Oximbildung freigesetzte Salzsäure wird mit Lauge gegen Methylorange titriert.
Das Oxim ist nur sehr schwach basisch, der Äquivalenzpunkt liegt im Sauren. Methylorange erfasst die HCl, nicht aber das überschüssige Hydroxylaminhydrochlorid.
Aussage 4
Formaldehyd macht Ammoniumionen titrierbar, indem er ihren pKa-Wert verändert, ohne sie chemisch umzusetzen.
Formaldehyd setzt die Ammoniumionen zu Hexamethylentetramin um und setzt dabei Protonen frei. Der pKa-Wert des Ammoniumions bleibt unverändert.
Aussage 5
Verwendet man bei der Formoltitration Methylrot anstelle von Phenolphthalein, ergibt sich ein zu geringer Verbrauch an Natronlauge.
Methylrot schlägt schon im Sauren um, ein Teil der Protonen wird aber erst im schwach alkalischen Bereich erfasst. Die Titration endet zu früh.
Aussage 6
Ammoniumchlorid lässt sich in wässriger Lösung ohne weiteren Zusatz mit 0,1 M NaOH gegen Phenolphthalein scharf titrieren.
Das Ammoniumion ist dafür eine zu schwache Säure (\(\mathrm{p}K_a \approx 9{,}25\)). Erst nach Umsetzung mit Formaldehyd wird eine titrierbare Säuremenge frei.
Aussage 7
Tetramethylammoniumchlorid kann durch Formoltitration bestimmt werden.
Der quartäre Stickstoff trägt keinen Wasserstoff und kann nicht mit Formaldehyd kondensieren. Geeignet sind Ammoniumsalze, primäre Aminhydrochloride und α-Aminosäuren.
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