Trennung stellungsisomerer aromatischer sulfonate durch hochspannungselektrophorese in dimethylformamid

Journal of Chromatography,

268 (1983) 417484

Elsevier Science Publishers B.V., Amsterdam CHROM.

Printed in The Netherlands

16,032

TRENNUNG STELLUNGSISOMERER AROMATISCHER DURCH AMID

HOCHSPANNUNGSELEKTROPHORESE

E. BLASIUS

SULFONATE IN DIMETHYLFORM-

und E. MERNKE

Fachrichtung Anorganische Analytik und Radiochemie der Umiversitiit des Saarlandes, O-6600 Saarbticken (B.R.D.)

(Eingegangen am 2., Juni 1983)

SUMMARY Separations of position-isomeric aromatic sulphonates by high-voltage eiectrophoresis in dimethylformamide Electrophoretic separations of position-isomeric aromatic sulphonates which are not possible in aqueous buffers can be achieved using dimethylformamide as buffer solvent. Examples are the separations of naphthol sulphonates, of food colours Orange 1 and Orange 2, and of azo dyes derived from the naphthol sulphonates. An additional improvement of the separations is possible by using a temperature gradient along the migration path.

EINLEITUNG

Die Einftihrung der Sulfonduregruppe dient bei vielen organischen Verbindungen der Erh6hung der Wasserloslichkeit. Dieser Effekt beruht auf der ausgepragten Hydrophilie dieser Gruppe und der damit verbundenen guten Hydratation. Da die weitgehende Hydratation jedoch strukturelle Unterschiede zwischen chemisch lihnlichen Verbindungen iiberdeckt, sind in solchen Fallen in wiissrigen Grundelektrolyten oft keine guten Trennungen durch Elektrophorese zu erreichen. In diesem Fall sind Trennungen in nichtwlssrigen Systemen vorteilhaftl. In der vorliegenden Arbeit dienen als Beispiele die Trennungen von Naphtholdisulfonaten (Fig. 1), der Lebensmittelfarbstoffe Orange 1 und Orange 2 (Fig. 2) sowie der aus den genannten Naphtholdisulfonaten durch Azokupplung mit I-Naphthylamin hergestellten Azofarbstoffe (Fig. 3) in Dimethylformamid als Ldsungsmittel. EXPERIMENTELLER

TEIL

Die Lebensmittelfarbstoffe Orange 1 und Orange 2 stammen von der Fachrichtung Ernahrungs- und Haushaltswissenschaften, Universitat des Saarlandes, Saarbriicken, die Naphtholdisulfonate von der Firma Fluka, Neu-Ulm. Die daraus 002I-9673/83/%03.00

0

1983 Elsevier Science Publishers B.V.

E. BLASIUS, E. MERNKE

478 OH

NaO 3

*Jai0 s.mc3Na 3

NaO3

Na

I-Naphthol-3,6-disulfonat

Z-Naphthol-3,6-disulfonat

SO Na I

S03Na I-Naphthol-3,8

3

Na035

-disulfonat

Z- Naphthol-6,8-disulfonat

Fig. 1. Strukturen der verwendeten Naphtholdisulfonate. OH

OH

0 0

Na03SaN=N

N--N

Na03S

8

\

S03Na

Orange

1

Orange

Fig. 2. Strukturen der Lebensmittelfarbstoffe

Palatinrot

S03Na 2

Orange 1 und Orange 2.

A

Brilliantbordeaux

S

OH

-_N=N-

Er R 0

N=N

0

203Na Echtrot

B

Fig. 3. Strukturen der aus den Naphtholdisulfonaten

Na03S

0

0

i03Na

KristaUponceau

aus Fig. 1 hergestellten Azofarbstoffe.

TRENNUNG

AROMATISCHER

419

SULFONATE

Teflon-Stopfen Draht

mit Pt-

als ELektrode

Kiihlmante\

Trennsaule

Plexiglasstreifen Schraube LTe

fIon-Membr an

,L------

ELutionszwischensttick

Fig. 4. Apparatur zur Siiulenelektrophorese.

abgeleiteten Azofarbstoffe werden nach einer allgemeinen Vorschrift fiir die Diazotierung und Azokupplung2 erhalten. Die fiir die SHulenelektrophorese verwendete Apparatur gibt Fig. 4, die S&Ilenparameter Tabelle I, die Trennbedingungen Tabelle II. Der prinzipielle Aufhau TABELLE I PARAMETER

DER ELEKTROPHORESESAULE

LLnge der Trennsiiule Inuendurchmesser der Trennsaule Volumen der Trennsiiule Durchmesser des Kiihlmantels Totvolumen des Elutionszwischenstiicks Durchmesser des Elutionszwischenstiks Lange des Elutionszwischenstiks Elektrodengefiissvolumen

15 cm 0.33 em 1.3 cm3 1.5 cm 100 mm3 1.5 cm 1.0 cm cu. 50 cm3

E. BLASJLJS, E. MERNKE

480 TABELLE II TRENNBEDINGUNGEN FiillhBhe der TrennsBule Spanntmg Trenntemperatur Grundelektrolyt Stromstlrke Triiger Probevolumen Auswertung

FOR DIE SAULENELEKTROPHORESE 15-17 cm 1OOOV 0°C LiCl (c = 0.1 mol/l) in Dimethylformamid bzw. Wasser 2@25 mA Cellulose Je 2.5 ~1 geslttigter ethanolischer Liisung Durchflussphotometrie bei 335 nm

der Apparatur zur Siiulenelektrophorese ist schon beschriebenl. Die zwischenzeitlich durchgefiihrten Verlnderungen in der Form der Trennsgulen fiihren dazu, dass das Elutionszwischenstiick im tiefsten Punkt der Apparatur liegt und sich hier keine Luftblasen mehr festsetzen kiinnen. Insgesamt ergibt sich mit der neuen Anordnung ein wesentlich einfacheres Zusammenbauen und Fiillen der Apparatur sowie eine vielseitigere Verwendung der Einzelteile. Die Bedingungen fiir die Streifenelektrophorese sind Tabelle III zu entnehmen. ERGEBNISSE Einen Vergleich der Elutionsdiagramme bei der S%ulenelektrophorese der Naphtholdisulfonate zeigt Fig. 5. Wshrend im wissrigen Grundelektrolyten keine Trennung beobachtet wird, gelingt in Dimethylformamid die Auftrennung in drei Banden. Streifenelektrophoretische Versuche im benutzten Grundelektrolyten zeigen, dass von den beiden Disulfonaten, die siiulenelektrophoretisch nicht getrennt werden, 1-Naphthol-3,8-disulfonat eine geringfiigig hijhere Beweglichkeit be&t. Die Trennung der beiden Lebensmittelfarbstoffe Orange 1 und 2 gelingt im Grundelektrolyten ZnC12-Dimethylformamid (Fig. 6). In den Grundelektrolyten

TABELLE III TRENNBEDINGUNGEN Spannung Feldstiirke Trenntemperatur Trennzeit Grundelektrolyte Stromstirke

Trgger Probevolumen Auswertung

FOR DIE STREIFENELEKTROPHORESE

2000 v 50 V/cm 0°C bzw. Gradient von Z”C/cm im Bereich von - 10 bis + 20°C 45 min Jeweils bci den einzelnen Trennungen angegeben 5-6 mA bei LiCl in Dimethylformamid 30-35 mA bei ZnClz in Wasser 2-3 mA bei ZnClz in Dimethylformamid jeweils pro Z-cm-Streifen Glasfasexpapier Nr. 6, Schleicher & Schiill Je 5 ~1 methanol&her Liisung (c = 0.01 mol/l) Visuell

TRENNUNG

AROMATISCHER

481

SULFONATE

1-Naphthol-3,6 -disulfonat 1-Naphthol-$8 -disulfonat 2-Naphthol-3,6 -disulfonat 2-NaDhthol -6.8-disuIfonat

E

II I

1-Naphthob3,&disulfonat 2-NaphthoC3,6-disulfonat

I-Nophthol-3,6-disulfonat 2-Nnphthol-6,8-disulfomt

I 0

1

2

3

4

5

6 -t[:hl

Fig. 5. Elutionsdiagramme fiir die S&lenelektrophorese von Naphtholdisulfonaten, Grundelektrolyt LiCl (c = 0.1 mol/l) in Wasser, unten: LiCI (c = 0.1 mol/I) in Dimethylformamid.

oben:

LiCl-Dimethylformamid und ZnC&Wasser findet keine Auftrennung statt. Durch Anwendung eines Temperaturgradienten von 2”C/cm kann die Trenngiite urn etwa 65% gesteigert werden (vgl. Fig. 6d und g). Die entsprechenden Trennungen der Azofarbstoffe aus Fig. 3 zeigt Fig. 7. Sie gelingen in Wasser nur teilweise, wobei sich jeweils zwei Zonen iiberlappen und die Zonen iiberdies sehr verbreitert und diffus sind (Fig. 7a). Demgegeniiber findet im Grundelektrolyten LiCl-Dimethylformamid eine vollstiindige Auftrennung statt (Fig. 7b), die durch einen geringen Zusatz an ZnClz noch verbessert wird (Fig. 7~). Eine zu hohe ZnClz-Konzentration bewirkt jedoch eine Herabsetzung der Wanderungsgeschwindigkeit und das Zusammenfallen der Zonen von Brilliantbordeaux S, Echtrot B und Kristallponceau (Fig. 7d). Eine zusatzliche Steigerung der Trenngiite llisst sich, wie bei Orange 1 und 2, durch Anwendung eines Temperaturgradienten erzielen (Fig. 7e).

E. BLASIUS, E. MERNKE

482 Kathode

Anode I+2

Azobenzol

(I/I

d:-

4

2

g/I steigendeTemperatur

-

1 cm

Fig. 6. Streifenelektrophoretische Trennung der Lebensmittelfarbstoffe Orange 1 und Orange 2. a-f, konstante Trenntemperatur 0°C; g, Temperaturgradient 2”C/cm. Gnmdelektrolyt: a, LiCl (c = 0.2 mol/l) in Dimethylformamid; b, LiCl (c = 0.2 mol/l) und ZnC12 (c = 0.05 mol/l) in Dimethylformamid; c, ZnC& (c = 0.1 mol/l) in Wasser; d, ZnClz (c = 0.1 mol/l) in Dimethylformamid; e, ZnCll (c = 0.15 mol/l) in Dimethylfotmamid; f, ZnClz (c = 0.2 mol/l) in Dimethylformamid; g, ZnCll (c = 0.1 mol/l) in Dimethylformamid. 1 = Orange 1, 2 = Orange 2.

484

E. BLASIUS, E. MERNKE

absetzung der Elektronendichte und damit der Komplexbildungsf$higkeit des Hydroxy-Sauerstoffs. (d) In Wasser werden die insbesondere unter (a) und (c) genannten Effekte durch die starke Hydratation iiberdeckt. Nach (a) bilden Naphtholdisulfonate mit I,% bzw. 2,3-Stellung von Sulfo- und .Hydroxygruppe im Grundelektrolyten LiCl-Dimethylformamid intramolekular eine H+- oder Li+-Briicke aus. Dadurch wird die Ladung der Sulfogruppe dezentralisiert. Dies bedeutet eine geringere Solvatation durch das L6sungsmittel und mithin eine hehere elektrophoretische Beweglichkeit gegeniiber den Naphtholdisulfonaten, die keine H+- oder Lif-Briicke bilden kiinnen. Wie erwartet ist die Erhiihung der Beweglichkeit bei 1,8-Substitution gegeniiber 2,3-Substitution geringfiigig griisser. In Wasser bilden diese Naphtholdisulfonate aufgrund der starken Solvatation keine H+oder Li+-Bticke mehr aus. Die Trennung von Orange 1 und Orange 2 kann nach (b) und (c) erklgrt werden. Die Stellung der Sulfogruppe in Orange 2 bewirkt eine Herabsetzung der Komplexbildung mit Zn ‘+ . Da der Zn2+-Komplex eine geringere Ladung als der reine Farbstoff aufweist, wandert Orange 2, das den schwgcheren Komplex bildet, schneller. In Wasser werden die geringen Unterschiede in der Komplexbildungsftihigkeit durch die starke Solvatation iiberdeckt. Die iibrigen untersuchten Azofarbstoffe bilden aufgrund der Azo- und Hydroxygruppe gIeidhfalls Komplexe mit Kationen. Bei einer zur Hydroxygruppe benachbarten Sulfogruppe ist nach (a) zusltzliche Komplexbildung mijglich, wodurch sich die Ladung verringert. Brilliantbordeaux S und Echtrot B wandern deshalb langsamer als die beiden iibrigen Farbstoffe. Dariiberhinaus ist eine Beeinflussung des Trennverhaltens durch den induktiven und mesomeren Effekt der Sulfogruppe denkbar. ZUSAMMENFASSUNG

Elektrophoretische Trennungen von stellungsisomeren aromatischen Sulfonaten, die in wiissrigen Grundelektrolyten nicht mijglich sind, gelingen in Dimethylformamid. Beispiele sind die Trennungen von Naphtholdisulfonaten, der Lebensmittelfarbstoffe Orange 1 und Orange 2, sowie von Azofarbstoffen, die aus Naphtholdisulfonaten hergestellt werden. Eine Verbesserung der Trennungen geiingt durch Verwendung eines Temperaturgradienten entlang der Trennstrecke. DANK

Fiir finanzielle Unterstiitzung der Arbeit danken schungsgemeinschaft, Bonn-Bad Godesberg.

wir der Deutschen

For-

LITERATUR 1 E. Blasius, C. Schreier und K. Ziegler, Tulantu, 26 (1979) 641. 2 Autorenkollektiv, Organikum, VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, 3 E. Blasius und G. Klemm, J. Chromatogr., 135 (1977) 323.

Berlin, 12. Aufl., 1973.