Karl-Fischer-Titration

Titelblatt

Expertengruppe 14
Lena Marheine
Janine Henner
Vincent Meinhardt
Kirsten Tiefringer




Anwendungsbeispiel der Karl-Fischer-Methode aus dem Europäischen Arzneibuch: Ephedrin (Ph. Eur. 10.0/0488)

Prüfung auf Reinheit von Ephedrin durch die Karl-Fischer-Methode

Inhaltsverzeichnis

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Stoffcharakterisierung

Das Phenylethylamin-Alkaloid Ephedrin trägt den IUPAC-Namen (1R,2S)-2-Methylamino-1-phenyl-1-propanol, hat eine Molare Masse von 165,24g/mol, besitzt die Summenformel C₁₀H₁₅NO, ist löslich in Wasser und sehr leicht löslich in Ethanol 96% (V/V).²
Ephedrin, in Form von farblosen Kristallen oder als fast weißes, kristallines, wasserfreies Pulver, ist photoinstabil und hygroskopisch. Durch Wasseraufnahme kann sich der Schmelzpunkt von 34°C auf 40°C verschieben.³ Bezogen auf die wasserfreie Substanz stellt das Europäische Arzneibuch einen Anspruch von mindestens 99,0 und höchstens 101,0 Prozent an den Gehalt.⁴

Das Ephedrin gehört zu den vorwiegend indirekt wirkenden Sympathomimetika, da es Noradrenalin aus den Speichervesikeln noradrenerger Neurone freisetzt und kompetitiv die Wiederaufnahme des Neurotransmitters aus dem Synaptischen-Spalt hemmt.⁵
Damit stimuliert Ephedrin indirekt α- und β-Adrenozeptoren, besitzt jedoch selbst nur geringe Affinität zu diesen.
So entsprechen die peripheren Wirkeffekte der Substanz qualitativ denen des Noradrenalins, wobei die vasokonstriktorische Wirkung deutlich ausgeprägt und der positiv inotrope Effekt am Herzen gering ist. Zusätzlich bewirkt es eine schwache Spasmolyse an den Bronchien und regt die Proteinbiosynthese und die Fettverbrennung an.⁶⁷

Das Ephedrin war lange Standardmedikament bei der Behandlung von Asthma bronchiale und besitzt als weitere Indikationen die Hypotonie, chronische Bronchitis, Narkolepsie, Hypotension nach Epiduralanästhesie und Adipositas.⁸
Durch die strukturelle Verwandtschaft zu Amphetaminen und der Fähigkeit die Blut-Hirn-Schranke passieren zu können, besitzt Ephedrin zentral stimulierende Wirkungen, weshalb frei verkäufliche Ephedrinpäparate aufgrund des steigenden Missbrauchs als Appetitzügler und Partydroge 2001 endgültig vom Markt genommen wurden.⁹¹⁰

Versuchsdurchführung

Allgemeines zur Karl-Fischer-Titration

Die Karl-Fischer-Titration wird zur Reinheitsprüfung in vielen Monographien des Arzneibuches verwendet. Sie dient der Erfassung des genauen Wassergehalts in der zu untersuchenden Substanz.
Die Grundlage der Titration ist eine Redoxtitration mit Schwefeldioxid und Iod, welche nur in Anwesenheit von Wasser stattfindet. Dies beruht auf der sogenannten Bunsen-Reaktion, auf die im Folgenden noch eingegangen wird.
Zur Versuchsdurchführung in wasserfreiem Medium (bspw. Methanol) muss zusätzlich eine Base mit ausreichender Pufferkapazität verwendet werden.¹² So können mehrere Titrationen nacheinander im selben Probengefäß durchgeführt werden, bis eine Trübung der Lösung auftritt.
Klassisch wird dabei die Hilfsbase Pyridin verwendet, praktisch wird jedoch auf weniger toxische Substanzen, wie Methylimidazol zurückgegriffen.
Im Falle von Ephedrin darf höchstens 0,5% Wasser in der Probe (2,000g) enthalten sein. Dieser Grenzwert entspricht einem rechnerischen Gehalt von etwa 0,05 Mol Wasser.¹³
Dies dient ebenfalls zur Unterscheidung vom Ephedrin-Hemihydrat, welches durch das enthaltene Wasser einen höheren Wassergehalt besitzen darf.¹⁴

Versuchsaufbau

Für die Titration wird ein Titrationsgefäß aufgebaut, in welches zwei identische Platinelektroden eingesetzt werden. Zusätzlich wird eine automatische Kolbenbürette verwendet, welche das Karl-Fischer-Reagenz (bestehend aus einem Gemisch von Iod, der gewählten Base und Schwefeldioxid) in das Titrationsgefäß einleitet. Weitere Informationen finden Sie hier.

Durchführung

Während der Durchführung ist darauf zu achten, dass der Proberaum, die Reagenzien und das Lösungsmittel vor Luftfeuchte geschützt sind. Je nach Messmethode wird durch eine Spannungsquelle entweder eine, auf Grund des wasserfreien Mediums hohe, konstante Stromstärke (20μA; Voltametrie, Messung des Potentials) oder eine hohe, konstante Spannung (500mV Amperometrie, Messung des Stromflusses) zwischen den beiden Elektroden aufrechterhalten. Das Arzneibuch gibt beide Messmethoden für das Ephedrin als geeignet an. Einzelne Schritte zur allgemeinen Durchführung des Versuchs sind hier (bivoltametrische Indikation) nachzulesen.¹⁶

Konditionierung

Vor Verwendung des Lösemittels muss dieses konditioniert werden. Dies bedeutet, dass das Lösungsmittel, hier Methanol R, durch Titration mit Karl-Fischer-Reagenz bis zum Äquivalenzpunkt von seinem Restwasser befreit wird. Dieser Vorgang wird vom Gerät selbstständig durchgeführt.¹⁷

Bestimmung des Wirkwerts

Vor der Probenbestimmung muss der Wirkwert bestimmt werden. Der Wert gibt an, wie viel mg Wasser durch einen mL Karl-Fischer-Reagenz umgesetzt werden.
Dafür wird konditioniertes Methanol R und Lactose-Monohydrat mit einem definierten Wassergehalt von 5% in das Titrationsgefäß gegeben und dieser bestimmt.
Der Wirkwert wird wie folgt errechnet:¹⁸

Probenbestimmung

Konditioniertes Methanol R wird vorgelegt. Genau 2,000g der Probensubstanz werden schnell in das Titrationsgefäß überführt, um den Kontakt mit der Luftfeuchtigkeit möglichst kurz zu halten.
Das Gemisch wird während der gesamten Bestimmung mit Hilfe eines Magnetrührfisches gerührt und das Karl-Fischer-Reagenz hinzutitriert. Die Titration verläuft nun bis zum Endpunkt automatisch.
Der bestimmte Spannungs- bzw. Stromstärkenverlauf kann nun ausgewertet werden. Es ist drauf zu achten, dass sich die Probe vollständig im Lösungsmittel auflöst. Sobald eine Trübung zu erkennen und somit die Löslichkeit der Lösung überschritten ist, muss das Lösungsmittel gewechselt werden.

Eignungsprüfung

Anschließend muss die Kompatibilität von Maßlösung, Lösemittel und Analyt bestimmt werden. Die vom Arzneibuch vorgeschlagene Eignungsprüfung ist für einen Wassergehalt von 2,5mg bis 25mg zulässig und wird wie folgt durchgeführt:
Die Karl-Fischer-Titration wird wie beschrieben durchgeführt. Anschließend werden mindestens fünf Zusätze mit definierten Wassermengen hinzugegeben, die 50%-100% des ermittelten Wassergehalts der Probe enthalten.
Für jeden Zusatz wird die Wiederfindung r berechnet:¹⁹

W₁ entspricht der tatsächlich zugesetzten Menge Wasser und W₂ der ermittelten Menge. Die Wiederfindung bewertet die Qualität des Verfahrens im Bezug auf die Verluste während der Analyse.

Die mittlere Wiederfindung wird errechnet und darf nicht mehr als +/- 2,5% betragen.
Nun wird eine Regressionsgerade aus den zugesetzten Wassermengen (y-Achse) und den ermittelten Wassermengen (x-Achse) erstellt, der Schnittpunkt mit der y- und der x-Achse, sowie die Steigung b errechnet.
Die Steigung muss, um den Anforderungen zu entsprechen, zwischen 0,975 und 1,025 liegen. (Abweichung von +/- 2,5% erlaubt)
Abschließend wird die Fehlerquote mit den folgenden Gleichungen ermittelt:²⁰

Diese dürfen maximal 2,5% betragen um den Anforderungen zu entsprechen.

Auswertung/ Interpretation/ Bedeutung und Eignung

Um den Anforderungen des Arzneibuchs zu entsprechen, darf Ephedrin maximal 0,5% Wasser enthalten. Dies bedeutet bei einer Einwaage von 2,000g genau 10mg. Für die Bestimmung ist ein sehr empfindliches Verfahren, wie die Karl-Fischer-Titration, nötig.²¹ Die Methode kann nur bei Substanzen ohne reduzierende oder oxidierende Eigenschaften angewendet werden. Auch dürfen keine Aldehyde oder Ketone als funktionelle Gruppen vorhanden sein. Ebenfalls zu beachten ist, dass die Stöchiometrie der Reaktion bei einem Wasseranteil von mehr als 1 mol/l abweicht.²² Ephedrin entspricht diesen Anforderungen. Am Äquivalenzpunkt liegt durch den Überschuss an Maßlösung elementares Iod in Lösung vor. Dieses bildet mit dem Iodid ein reversibles Redoxsystem, welches keine messbare Potentialdifferenz aufweist. So wird bei einer bivoltametrischen Indikation am Äquivalenzpunkt ein Spannungsabfall gemessen. Bei einer biamperometrischen Indikation ist die angelegte Spannung so gewählt, dass sie gerade groß genug ist um bei der geringen Potentialdifferenz des Redoxsystems einen Stromfluss auszulösen. So ist ab dem Äquivalenzpunkt ein Stromfluss messbar (s. unten: Abbildung Titrationskurven). Da im wasserfreien Medium gearbeitet wird, ist der hohe Innenwiderstand des Lösungsmittels zu beachten.

Die Reaktion läuft im Verhältnis 1:1 ab. So werden im Vergleich zur Bunsenreaktion, welche 2:1 abläuft, größere Volumina an Maßlösung verbraucht, was eine Präzisionssteigerung zur Folge hat. Zu beachten ist ein konstant basischer pH-Wert (durch Einsatz der o.g. Basen), um das Gleichgewicht der Reaktion auf die Produktseite zu verschieben. Der Massenanteil an Wasser (in %) kann über folgende Formel bestimmt werden:^{24 25}

Nachdem der Gehalt bestimmt wurde muss die Methode, wie in Kapitel 1.2.3.4 Eignungsprüfung beschrieben, validiert werden.

Übungsaufgaben

Multiple Choice (MC) Frage: Wirkwert

Was versteht man unter dem Wirkwert?

1. Der Wirkwert wird mithilfe der Standardabweichung aus den Messwerten ermittelt und gibt Aufschluss über die Genauigkeit des Verfahrens.
2. Jeder Analyt besitzt einen individuellen Wirkwert, der nach einmaliger Ermittlung konstant bleibt, im Arzneibuch tabellarisch gelistet ist und als Faktor in der Gehaltberechnung dient.
3. Bei der Eingangskontrolle eines Karl-Fischer-Reagenz muss in der Reinheitsprüfung ein definierter Wirkwert im Verhältnis von mindestens zwei Äquivalenten H2O zu einem Äquivalent Reagenz erreicht werden, damit sie den Anforderungen des Arzneibuchs entspricht.
4. Der Wirkwert ist eine Massenkonzentration und gibt an, wie viel mg H20 tatsächlich von einem ml Karl-Fischer-Reagenz umgesetzt wird.
5. Ist man sich uneinig, ob die Karl-Fischer-Titration als Verfahren für eine Analyse geeignet ist, wird von ihrem „Wirkwert“ gesprochen.

Textaufgabe: Theoretische Hintergründe der Reaktion

1. Vervollständigen Sie die Bunsen-Reaktion:

 _H2O +   __   +  SO2    ->    2 H_     +  _  H2SO4

2. Warum wird Pyridin nicht mehr als Base verwendet? Welche Base könnte als Austausch in Frage kommen?

3. Erläutern Sie den Begriff der Konditionierung. Warum ist dieser Schritt wichtig bei der Verwendung des Karl-Fischer-Verfahrens?

4. Kann der Äquivalenzpunkt auch potentiometrisch bestimmt werden? Wenn ja, worauf ist zu achten?

5. Vervollständigen Sie den Lückentext.

Oxidationsmittel, wie z.B. _____1)______ reagieren mit Iodid und Wasser. Das Iodid wird unter Verbrauch von Protonen aus dem Wasser oxidiert. Deshalb wird der Wassergehalt der Probe in Anwesenheit von Oxidationsmitteln zu ____2)_____ gemessen.

Reduktionsmittel beeinflussen die Probe andersherum. Ist ein Reduktionsmittel, wie z.B. _____3)______in der Probelösung reagiert dieses mit Iod und reduziert dieses zu Iodid (bzw. HI).

Da das entstandene Iodid als Indikation für den Wassergehalt genutzt wird, wird so der Wassergehalt zu ______4)______ gemessen.

6. Warum ist gerade Methanol ein geeignetes Lösemittel für die Karl-Fischer-Titration?

7. Ephedrin und seine Derivate wurden früher oft als Partydroge missbraucht. Auf welche Wirkung(en) von Ephedrin ist dies hauptsächlich zurückzuführen und in welchem Bereich könnte die Substanz noch auf Grund dieser oder weiterer Ihnen bekannten Wirkungen missbräuchlich eingesetzt werden?

Einzelnachweise

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