Identitätsprüfung und Gehaltsbestimmung durch Polarimetrie
Wofür das Arzneibuch die Polarimetrie einsetzt, welche Arzneistoffe sich polarimetrisch erfassen lassen und wie man aus einem Drehwinkel Konzentration und Massenanteil berechnet.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Polarimetrie dient im Arzneibuch zur Prüfung von Identität, Reinheit und Gehalt optisch aktiver Stoffe, besonders der Stereoisomerenreinheit.
- Die spezifische Drehung bestimmt in der Regel nicht die absolute Konfiguration, denn das Vorzeichen der Drehung hängt nicht mit R oder S zusammen.
- Acetylsalicylsäure, Salsalat, Acetylsalsalat, Harnstoff und Isopropanol sind achiral und polarimetrisch nicht erfassbar.
- Adrenalin, Fosfomycin-Dinatrium in Wasser und Norgestimat in Dichlormethan sind optisch aktiv.
- Für enantiomerenreine Stoffe gilt \(\beta = \alpha / ([\alpha] \cdot l)\) und daraus der Massenanteil \(w = \beta / \rho\) über die Dichte der Lösung.
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Worum es geht
Ein Polarimeter misst, wie stark eine Lösung polarisiertes Licht dreht. Im Arzneibuch wird daraus eine Prüfmethode für Identität, Reinheit und Gehalt chiraler Arzneistoffe wie Adrenalin. Entscheidend ist, welche Stoffe überhaupt drehen und wie man vom Drehwinkel zur Konzentration kommt.
Anwendungsbereiche
Das Arzneibuch nutzt die Polarimetrie für drei Aufgaben: Identität, Reinheit und Gehalt. Grundlage ist meist die spezifische Drehung. Sie ist der auf Schichtdicke und Konzentration bezogene Drehwinkel. Liegt der gemessene Wert im vorgeschriebenen Bereich, spricht das für den richtigen Stoff in ausreichender Reinheit.
Besonders aussagekräftig ist die Prüfung der Stereoisomerenreinheit. Optisch aktive Stereoisomere unterscheiden sich in ihrem Drehwert. Enantiomere drehen gleich stark, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen. Ist das falsche Enantiomer oder ein Diastereomer beigemischt, verschiebt sich der Drehwert messbar. Wie man daraus den Enantiomerenüberschuss berechnet, zeigt die Seite zu Racematen und optischer Reinheit.
Dass die spezifische Drehung für Identität, Reinheit und Gehalt dient, in der Regel aber nicht zur Bestimmung der absoluten Konfiguration, wird im Examen gerne gefragt.
Das Vorzeichen der Drehung verrät nicht, ob ein Stereozentrum R oder S ist. (R)-Adrenalin etwa dreht nach links. Die absolute Konfiguration klärt man mit anderen Methoden, etwa der Röntgenstrukturanalyse.
Erfassbare und nicht erfassbare Stoffe
Polarimetrisch erfassbar ist nur, was polarisiertes Licht dreht. Dafür muss das Molekül chiral sein, meist durch ein Stereozentrum. Liegt es außerdem nicht als Racemat vor, zeigt seine Lösung einen Drehwinkel.
Adrenalin trägt ein Stereozentrum am C-Atom mit der Hydroxygruppe der Seitenkette. Es lässt sich deshalb polarimetrisch quantifizieren. Fosfomycin besitzt zwei Stereozentren im Epoxidring, wässrige Lösungen von Fosfomycin-Dinatrium sind optisch aktiv. Das Steroid Norgestimat hat mehrere Stereozentren im Ringgerüst. Seine Lösung in Dichlormethan dreht ebenfalls.
Anders verhalten sich achirale Stoffe. Acetylsalicylsäure hat kein Stereozentrum. Das gilt auch für ihre Verunreinigungen Salsalat (Salicylsalicylsäure) und Acetylsalsalat (Acetylsalicylsalicylsäure). Alle drei sind optisch inaktiv und zeigen keinen Drehwinkel. Eine Reinheitsprüfung über die Drehung ist hier sinnlos. Auch die Hydrolyse ändert daran nichts, denn beide Spaltprodukte sind achiral:
\[\ce{C9H8O4 + H2O -> C7H6O3 + CH3COOH}\]
Harnstoff ist ein kleines, planares Molekül ohne Stereozentrum. Bei Isopropanol trägt das mittlere C-Atom zwei gleiche Methylgruppen und ist damit kein Stereozentrum. Wässrige Isopropanol-Mischungen lassen sich über die spezifische Drehung daher nicht unterscheiden.
An einer Strukturformel gehst du so vor: Suche C-Atome mit vier verschiedenen Substituenten. Prüfe das nicht nur für den Arzneistoff, sondern auch für seine Verunreinigungen und Hydrolyseprodukte. Die Polarimetrie taugt nur, wenn sich Arzneistoff und Verunreinigung im Drehwert unterscheiden. Bleiben alle Bausteine achiral wie bei der Acetylsalicylsäure, braucht man ein anderes Verfahren.
Konzentrationsbestimmung
Bei einem enantiomerenreinen Stoff ist der Drehwinkel proportional zu seiner Konzentration. Kennt man die spezifische Drehung, stellt man ihre Definition nach der Konzentration um. Ein klassisches Beispiel ist die Gehaltsbestimmung von Saccharose-Lösungen.
\[\beta = \frac{\alpha}{[\alpha] \cdot l}\]
Dabei ist \(\alpha\) der gemessene Drehwinkel in Grad und \([\alpha]\) die spezifische Drehung in \(^\circ \cdot \text{mL} \cdot \text{dm}^{-1} \cdot \text{g}^{-1}\). Die Schichtdicke \(l\) steht in dm. So erhält man die Massenkonzentration \(\beta\) in g/mL. Mit dem Faktor 100 im Zähler ergibt sich direkt g/100 mL.
Die Massenkonzentration bezieht die Masse auf das Volumen der Lösung. Der Massenanteil bezieht sie dagegen auf die Masse der Lösung. Bindeglied ist die Dichte \(\rho\) der Lösung in g/mL.
\[w = \frac{\beta}{\rho} = \frac{\alpha}{[\alpha] \cdot l \cdot \rho}\]
Ein Beispiel mit Saccharose, \([\alpha]_D^{20} = +66{,}5\):
- Messen: Im 2-dm-Rohr dreht die Lösung um \(+5{,}32^\circ\).
- Konzentration: \(\beta = 5{,}32 / (66{,}5 \cdot 2) = 0{,}0400\) g/mL, also 40,0 g/L.
- Massenanteil: Mit \(\rho = 1{,}015\) g/mL folgt \(w = 0{,}0400 / 1{,}015 = 0{,}0394\), also 3,94 %.
Bei einer Verreibung löst man eine gewogene Menge und rechnet über das Volumen zurück. Angenommen, 2,50 g Verreibung werden zu 50,0 mL gelöst. Der Arzneistoff hat \([\alpha] = -40\), im 1-dm-Rohr misst man \(-0{,}80^\circ\). Das ergibt 2,00 g/100 mL, also 1,00 g in 50,0 mL. Der Massenanteil in der Verreibung beträgt damit 1,00 g / 2,50 g = 40 %. Das funktioniert nur, wenn die Hilfsstoffe selbst optisch inaktiv sind.
Die Rechnung über \(\beta = \alpha / ([\alpha] \cdot l)\) und \(w = \beta / \rho\) solltest du sicher können. Achte auf \(l\) in dm und auf die Konzentrationseinheit, sonst fehlt der Faktor 100 oder 1000. Voraussetzung ist ein enantiomerenreiner Stoff.
Quiz
Aussage 1
Eine wässrige Lösung von Fosfomycin-Dinatrium dreht die Ebene des polarisierten Lichts.
Fosfomycin besitzt zwei Stereozentren im Epoxidring und ist optisch aktiv.
Aussage 2
Dreht eine Lösung eines reinen Enantiomers mit \([\alpha] = +50\) im 1-dm-Rohr um \(+2{,}0^\circ\), beträgt ihre Massenkonzentration 0,040 g/mL.
\(\beta = \alpha / ([\alpha] \cdot l) = 2{,}0 / (50 \cdot 1) = 0{,}040\) g/mL.
Aussage 3
Der Gehalt der Verunreinigung Salsalat in Acetylsalicylsäure lässt sich polarimetrisch bestimmen.
Salsalat und Acetylsalicylsäure sind beide achiral und optisch inaktiv, daher polarimetrisch nicht erfassbar.
Aussage 4
Die spezifische Drehung wird im Arzneibuch routinemäßig genutzt, um die absolute Konfiguration eines Stereozentrums festzulegen.
Das Vorzeichen der Drehung sagt nichts über R oder S aus. Die spezifische Drehung dient Identitäts-, Reinheits- und Gehaltsprüfungen.
Aussage 5
Über die spezifische Drehung lässt sich prüfen, ob ein chiraler Arzneistoff mit einem anderen Stereoisomer verunreinigt ist.
Optisch aktive Stereoisomere haben unterschiedliche Drehwerte, eine Beimischung verschiebt den gemessenen Wert.
Aussage 6
Den Massenanteil erhält man, indem man die Massenkonzentration mit der Dichte der Lösung multipliziert.
Man teilt durch die Dichte: \(w = \beta / \rho\).
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