UV-Vis-Spektroskopie

Farbreaktionen und Vis-Photometrie im Arzneibuch

Welche Metallchloridlösungen man direkt im Sichtbaren messen kann, wie das Arzneibuch Färbungen mit Farbvergleichslösungen prüft und wie farblose Analyten über eine Farbreaktion photometrisch zugänglich werden.

Prüfungsrelevanz: wichtig ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze6 Punkte
  • Vis-Photometrie misst farbige Stoffe direkt oder farblose Analyten nach einer Farbreaktion zu einem farbigen Produkt.
  • Nur Kationen mit teilweise gefüllter d-Schale färben ihre Lösung: \(\ce{CuCl2}\), \(\ce{NiCl2}\) und \(\ce{CoCl2}\) sind direkt Vis-photometrisch bestimmbar, \(\ce{ZnCl2}\), \(\ce{SnCl2}\) und die Erdalkalichloride sind farblos.
  • Farbvergleichslösungen werden aus Eisen(III)-chlorid, Cobalt(II)-chlorid und Kupfer(II)-sulfat gemischt; ausgewertet wird visuell oder photometrisch.
  • Adrenalin wird durch Luftsauerstoff rasch zu Adrenochrom oxidiert, daher erfolgt der Farbvergleich unmittelbar nach Herstellung.
  • Glyceroltrinitrat wird in ethanolischer NaOH zu Nitrit hydrolysiert, das über Sulfanilsäure und Naphthylethylendiamin einen Azofarbstoff bildet, gemessen bei 540 nm.
  • Das Ellman-Reagenz (DTNB) ist ein symmetrisches Nitrobenzoesäure-Disulfid und reagiert alkalisch mit Thiolgruppen wie im Cystein.

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Worum es geht

Im sichtbaren Bereich misst man nur, was farbig ist. Manche Stoffe sind es von Natur aus, andere macht erst eine Reaktion messbar. Beides nutzt das Arzneibuch für Reinheitsprüfungen und Gehaltsbestimmungen, etwa bei Adrenalin oder Glyceroltrinitrat. Warum ein Stoff farbig erscheint, erklärt Lichtabsorption und Farbe.

Farbige Metallchloride

Eine Lösung lässt sich direkt Vis-photometrisch bestimmen, wenn sie selbst Licht zwischen etwa 400 und 800 nm absorbiert. Bei Metallchloriden entscheidet darüber allein das Kation. Das Chlorid-Ion ist farblos.

Farbig sind Kationen mit teilweise gefüllter d-Schale. In Wasser umgeben sich diese Ionen mit Wassermolekülen als Liganden. Dieses Ligandenfeld spaltet die d-Orbitale energetisch auf. Ein d-Elektron kann dann mit sichtbarem Licht in ein höheres d-Orbital springen (d-d-Übergang). Man kann sich die Aufspaltung wie eine kleine Treppe vorstellen, deren Stufenhöhe genau einer sichtbaren Lichtfarbe entspricht.

So absorbieren wässrige Lösungen von \(\ce{CuCl2}\), \(\ce{NiCl2}\) und \(\ce{CoCl2}\) im Sichtbaren. Ihre Konzentration lässt sich direkt photometrisch nach Lambert-Beer bestimmen. Anders verhalten sich Ionen mit leerer (\(d^0\)) oder voller (\(d^{10}\)) d-Schale. Dort fehlt entweder ein Elektron, das springen könnte, oder ein freier Platz, auf den es springen könnte.

Chlorid Kation d-Elektronen wässrige Lösung direkt im Vis messbar
\(\ce{CuCl2}\) \(\ce{Cu^2+}\) \(d^9\) blau bis grün ja
\(\ce{NiCl2}\) \(\ce{Ni^2+}\) \(d^8\) grün ja
\(\ce{CoCl2}\) \(\ce{Co^2+}\) \(d^7\) rosa ja
\(\ce{ZnCl2}\) \(\ce{Zn^2+}\) \(d^{10}\) farblos nein
\(\ce{SnCl2}\) \(\ce{Sn^2+}\) \(d^{10}\) farblos nein
\(\ce{MgCl2}\), \(\ce{CaCl2}\), \(\ce{SrCl2}\), \(\ce{BaCl2}\) Erdalkali-Ionen \(d^0\) farblos nein

Sechs Reagenzgläser: drei farbige Lösungen von Kupfer-, Nickel- und Cobaltchlorid, drei farblose Lösungen von Zink-, Magnesium- und Bariumchlorid, jeweils mit d-Elektronenzahl beschriftet

Nur Kationen mit teilweise gefüllter d-Schale färben ihre Lösung
🎯 Examensrelevant: Farbige und farblose Chloride

Die Zuordnung wird im Examen gerne gefragt: Nur die Chloridlösungen von Kupfer, Nickel und Cobalt sind farbig und direkt Vis-photometrisch bestimmbar. Zink- und Zinn(II)-chlorid (\(d^{10}\)) sowie alle Erdalkalichloride (\(d^0\)) sind farblos, auch wenn Zink im Periodensystem zwischen den Übergangsmetallen steht.

Prüfung der Farbigkeit

Viele Monographien prüfen, ob eine Lösung farblos ist oder höchstens schwach gefärbt. Dazu vergleicht man sie mit einer genau definierten Referenz.

📖 Definition: Farbvergleichslösung

Eine Farbvergleichslösung ist eine Referenzlösung definierter Färbung. Das Arzneibuch mischt sie aus gelber Eisen(III)-chlorid-, roter Cobalt(II)-chlorid- und blauer Kupfer(II)-sulfat-Stammlösung in verdünnter Salzsäure.

Hier tauchen die farbigen Metallsalze aus dem vorigen Abschnitt wieder auf. Die Untersuchungslösung darf nicht stärker gefärbt sein als die vorgeschriebene Vergleichslösung. Ausgewertet wird visuell im Vergleich nebeneinander oder photometrisch über die Absorption.

Ein typisches Beispiel ist Adrenalin. In Salzsäure gelöst liegt es als gut wasserlösliches Hydrochlorid vor. Sein Brenzcatechin-Ring macht es empfindlich: Luftsauerstoff oxidiert es rasch zum roten Adrenochrom. Deshalb vergleicht man die Farbe unmittelbar nach Herstellung der Lösung.

Strukturformeln von Adrenalin und Adrenochrom mit Reaktionspfeil und Sauerstoff

Luftoxidation von Adrenalin zum roten Adrenochrom

Die Säure selbst schadet dagegen nicht. Adrenalin enthält keine hydrolysierbare Bindung. In saurer Lösung zerfällt es also nicht in Resorcin, Isopropanol und Methylamin.

Die Prüfung erfasst noch etwas anderes. Spuren von Schwermetall-Kationen wie Eisen(III) bilden mit Brenzcatechinen intensiv gefärbte Komplexe. Eine farblose Lösung zeigt damit auch, dass solche Verunreinigungen fehlen.

Photometrie nach Farbreaktion

Ist der Analyt selbst farblos, setzt man ihn zu einem farbigen Produkt um. Dessen Absorption misst man dann im Sichtbaren.

Pyridoxin und Eisen(III)-chlorid

Pyridoxin (Vitamin \(\mathrm{B_6}\)) trägt eine phenolartige 3-Hydroxypyridin-Struktur. Sie bildet wie ein Phenol mit Eisen(III)-chlorid einen farbigen Komplex (mehr bei Phenolen und Eisen(III)). Aliphatischen Aminen wie Dimethylamin fehlt diese OH-Gruppe, sie bleiben farblos. Mit Salzsäure bildet Pyridoxin über den basischen Ring-Stickstoff ein Hydrochlorid.

Glyceroltrinitrat über einen Azofarbstoff

Glyceroltrinitrat ist ein Salpetersäureester ohne Absorption im Sichtbaren. Seine Gehaltsbestimmung läuft deshalb über Nitrit:

  1. Hydrolyse: Ethanolische Natriumhydroxid-Lösung spaltet den Ester alkalisch. Dabei entstehen Nitrit und Nitrat.
  2. Diazotierung: In saurer Lösung diazotiert das Nitrit Sulfanilsäure zum Diazoniumsalz.
  3. Azokupplung: Das Diazoniumsalz kuppelt mit N-(1-Naphthyl)ethylendiamin zu einem roten Azofarbstoff.
  4. Messung: Man misst die Absorption bei 540 nm.

Der Diazotierungsschritt im Detail:

\[\ce{HO3S-C6H4-NH2 + HNO2 + H+ -> HO3S-C6H4-N2+ + 2 H2O}\]

Reaktionsschema von Glyceroltrinitrat über Nitrit und das Diazoniumsalz der Sulfanilsäure zum Azofarbstoff mit Naphthylethylendiamin

Gehaltsbestimmung von Glyceroltrinitrat: Hydrolyse, Diazotierung, Azokupplung

Der Mechanismus steht bei Diazotierung und Azokupplung. Entscheidend ist die Nitratester-Gruppe als Nitritquelle. Glyceroltripalmitat ist ein Fettsäureester und liefert bei der Hydrolyse kein Nitrit. Mit diesem Verfahren lässt es sich daher nicht bestimmen.

Ellman-Reagenz für Thiole

Das Ellman-Reagenz ist 5,5’-Dithiobis(2-nitrobenzoesäure), kurz DTNB. An der Strukturformel erkennt man es so: zwei gleiche Benzolringe, verbunden über eine Disulfidbrücke. Jeder Ring trägt eine Carboxygruppe und daneben eine Nitrogruppe. Das Molekül ist also symmetrisch.

💡 Merke

Ellman-Reagenz = symmetrisches Nitrobenzoesäure-Disulfid. Es reagiert im alkalischen Milieu mit Thiolgruppen, im Peptid also mit der SH-Gruppe des Cysteins.

Das Thiolat greift die Disulfidbrücke an. Es entsteht ein gemischtes Disulfid, und gelbes 2-Nitro-5-thiobenzoat wird frei. Weitere Thiol-Reaktionen behandelt Thiole.

Strukturformel von 5,5'-Dithiobis(2-nitrobenzoesäure) und deren Reaktion mit einer Cystein-Thiolgruppe

Ellman-Reagenz: symmetrisches Nitrobenzoesäure-Disulfid und Thiol-Disulfid-Austausch

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Aussage 1

Bei der Gehaltsbestimmung von Glyceroltrinitrat wird ein Azofarbstoff aus Sulfanilsäure und Naphthylethylendiamin bei 540 nm gemessen.

Das bei der alkalischen Hydrolyse frei werdende Nitrit diazotiert Sulfanilsäure; das Diazoniumsalz kuppelt mit Naphthylethylendiamin zum Farbstoff, gemessen bei 540 nm.

Aussage 2

Farbvergleichslösungen des Arzneibuchs werden aus Stammlösungen von Eisen(III)-chlorid, Cobalt(II)-chlorid und Kupfer(II)-sulfat hergestellt.

Die gelbe, rote und blaue Stammlösung werden in verdünnter Salzsäure zu Referenzen definierter Färbung gemischt.

Aussage 3

Eine wässrige \(\ce{NiCl2}\)-Lösung lässt sich ohne vorherige Farbreaktion im sichtbaren Bereich photometrisch quantifizieren.

\(\ce{Ni^2+}\) ist ein \(d^8\)-Ion mit teilweise gefüllter d-Schale, seine Lösung ist grün und absorbiert im Vis.

Aussage 4

Wässrige \(\ce{ZnCl2}\)-Lösungen sind farbig, weil Zink zu den Nebengruppenelementen gehört.

\(\ce{Zn^2+}\) hat eine volle d-Schale (\(d^{10}\)), d-d-Übergänge sind nicht möglich. Die Lösung ist farblos und nicht direkt Vis-photometrisch bestimmbar.

Aussage 5

Eine Adrenalin-Lösung in Salzsäure kann vor dem Farbvergleich problemlos mehrere Stunden an der Luft stehen.

Luftsauerstoff oxidiert Adrenalin rasch zum roten Adrenochrom. Der Farbvergleich erfolgt deshalb unmittelbar nach Herstellung.

Aussage 6

Das Ellman-Reagenz reagiert in stark saurer Lösung mit den Aminogruppen von Peptiden.

DTNB reagiert im alkalischen Milieu mit Thiolgruppen, im Peptid also mit der SH-Gruppe des Cysteins.

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