Maleinsäure

Larive [49] beschreibt Maleinsäure als einen gut für die quantitative ¹H-NMR-Spektroskopie geeigneten Standard. Um hierbei die Rückführung der Analysenergebnisse auf die SI-Einheiten bei der Verwendung von Maleinsäure (Merck KG, Reinheit > 99 %) als internem Standard zu gewährleisten, war dessen Reinheit auf das ZRM Benzoesäure zurückzuführen.

Mit diesem System sollte gleichzeitig die Messunsicherheit des Verfahrens der Reinheits-analyse bestimmt werden.

6.1.1.1 Probenpräparation und Spektrenaufnahme

Die allgemeine Probenpräparation zur Reinheitsanalyse besteht aus den Einwaagen des Analyten und des internen Standards derart, dass die Intensitäten der auszuwertenden Signale im Spektrum ungefähr im Verhältnis 1:1 stehen. Daraufhin wird das Einwaagegut in deuteriertem Lösungsmittel gelöst und nach Homogenisierung anschließend ins NMR-Messröhrchen überführt.

Zur quantitativen Analyse der Maleinsäure mit dem ZRM Benzoesäure als internem Stan-dard wurden drei Aliquots eingewogen (Tabelle 6.1) und in Methanol-d4 gelöst. Die Homoge-nisierung dieser Lösungen erfolgte über Nacht. Anschließend wurden von jedem Aliquot vier Proben entnommen (Überprüfung der Homogenität innerhalb eines Aliquots) und mit den im Kapitel 5 bewährten Standardparametern (Tabelle 5.1, mit ns=32, TD=64k und D1=30s entsprechend der T1-Zeiten (Maleinsäure <^5s, Benzoesäure <3s)) gemessen.

Tabelle 6.1: Einwaagen von Maleinsäure und ZRM Benzoesäure zur Bestimmung des Reinheitsgrades der Maleinsäure.

Aliquot A Aliquot B Aliquot C

mMaleinsäure in mg 32,21 32,54 32,03

mBenzoesäure in mg 34,59 34,96 33,24

6.1.1.2 Auswertung

Das Spektrum der Lösung, dargestellt in Abbildung 6.1, zeigt bei 6,44 ppm (H2) das olefi-nische Signal der Maleinsäure sowie bei 7,58 ppm (H2), 7,70 ppm (H) und 8,14 ppm (H2) die drei aromatischen Signale der Benzoesäure.

Abbildung 6.1: ¹H-NMR-Spektrum der Lösung Maleinsäure und ZRM Benzoesäure in Methanol-d4.

Die Signale der beiden Substanzen liegen im Spektrum für eine getrennte Auswertung weit genug auseinander, wobei die drei Signale der Benzoesäure aufgrund der überlagerten ¹³ C-Satelliten mit einem Integral erfasst wurden. Die Prozessierung und Auswertung der Spek-tren erfolgte nach der im Kapitel 5.1.2 beschriebenen Arbeitsanweisung, jedoch mit einem Integrationsfaktor von 200. Die ermittelten Reinheitsgrade der Maleinsäure der Einzelmes-sungen, berechnet aus den auf ein Proton normierten Intensitätswerten, Einwaagen und Molmassen der beiden Substanzen (MMaleinsäure=146,07 g mol^-1, MBenzoesäure=122,12 g mol^-1)

und dem in der Zertifizierungsurkunde angegebenen Reinheitsgrad des ZRM nach Gleichung (3.13), sind in der Tabelle 6.2 dargestellt.

Tabelle 6.2: Analysenergebnisse der Reinheitsbestimmung von Maleinsäure.

Reinheitsgrad P in g/g %

Messung 1 Messung 2 Messung 3 Messung 4

Aliquot A 99,79 99,84 99,71 99,91

Aliquot B 99,85 99,85 99,72 99,84

Aliquot C 100,19 100,18 99,95 100,05

Aus diesen zwölf Ergebnissen wurde der Reinheitsgrad der Maleinsäure zu 99,91 g/g % mit einer Standardunsicherheit von ± 0,05 g/g % ermittelt. Die dabei erreichte geringe relative Standardunsicherheit von 0,05 % war auf das S/N von ca. 12000 und auf die großen Integra-tionsbereiche zurückzuführen.

Abbildung 6.2: Teilweise Veresterung der Maleinsäure. Das zusätzliche Signal bei 6,45 ppm stammt von den olefinischen Protonen des Maleinsäureester.

Die Verwendung von Methanol als Lösungsmittel führte zur partiellen Veresterung beider Substanzen, die sich jedoch nicht signifikant auf die auszuwertenden Protonensignale aus-wirkte. Das zusätzliche Signal mit geringer Intensität des Maleinsäureesters bei 6,45 ppm – Tieffeld-Verschiebung um 0,01 ppm (Abbildung 6.2) bezüglich der Maleinsäure – und ebenso die Signale des Benzoesäureesters wurden bei der Integration miterfasst und gaben somit die Intensitäten der eingewogenen Stoffmengen beider Substanzen richtig wieder.

6.1.1.3 Unsicherheitsbudget

Für das Verfahren der Reinheitsbestimmung sind im Unsicherheitsbudget generell die Unsi-cherheiten der Intensitätsverhältnisse (Integration), der Molmassen und Einwaagen beider Substanzen und des Reinheitsgrads des Standards zu berücksichtigen.

Die Standardunsicherheit der Integration u(IAnl/IStd) wurde nach Gleichung (4.1) aus den zwölf unabhängigen Messungen zu ± 0,05 (Typ A) bestimmt. Ferner wurden die Standardunsi-cherheiten der Molmasse von Maleinsäure (C4H4O4) zu u(MAnl)= ± 0,006 g mol^-1 und die von Benzoesäure (C7H6O2) zu u(MStd)= ± 0,004 g mol^-1 nach Gleichung (4.6) aus den Unsicher-heiten der Atommassen (entnommen aus IUPAC [85] und in Tabelle 6.3 aufgeführt) ermittelt (Typ B).

Tabelle 6.3: Atommassen und deren Unsicherheiten für H, C und O, entnommen aus IUPAC [85].

Element Atommasse in g mol^-1 Standardunsicherheit in g mol^-1

H 1,00794 ± ^0,00007

C 12,0107 ± ^0,0008

O 15,9994 ± ^0,0003

Bei der hier eingesetzten Waage, einer Mettler AT 261 Delta Range, beträgt die Ge-samtunsicherheit einer Einwaage u(mAnl) = u(mStd) = ± 0,03 mg (Tabelle 4.1). Die Unsicherheit des Reinheitsgrades des ZRMs u(fStd) wurde in der Zertifizierungsurkunde mit ± 0,0012 g/g % angegeben. Aus diesen Unsicherheitsbeiträgen, aufgelistet in Tabelle 6.4, wurde nach Gleichung (4.12) die kombinierte Standardunsicherheit zu ± 0,14 g/g % berechnet.

Tabelle 6.4: Unsicherheitsbeiträge zum Unsicherheitsbudget der Reinheitsbestimmung von Maleinsäure mit der ¹H-SP-NMR-Spektroskopie ( fi : Freiheitsgrad).

Unsicherheitsbeitrag xi u

( )

( )

i i

x x

u f_i

Integration 99,91 0,05 0,05 % 11

Molmasse Benzoesäure 122,121 g mol^-1 0,006 g mol^-1 0,005 % 50 Molmasse Maleinsäure 116,072 g mol^-1 0,004 g mol^-1 0,003 % 50

Einwaage Benzoesäure 34,59 mg 0,03 mg 0,09 % 1000

Einwaage Maleinsäure 32,21 mg 0,03 mg 0,09 % 1000

Reinheitsgrad Benzoesäure 99,9958 g/g % 0,0012 g/g % 0,0012 % 11 Komb. Standardunsicherheit u_c(y) 0,14g/g % 0,14 % 549

Die Unsicherheitsbeiträge der Molmassen und ebenso die des Reinheitsgrades vom Stan-dard stellten sich im Vergleich zu denen der Integration und der Einwaage als

vernachlässig-bar gering heraus. Dieses widerspricht der Publikation von Wells [83], bei dem die Unsicherheit des Reinheitsgrades des Standards den größten Beitrag lieferte. Es ist daher bei der Wahl des Standards darauf zu achten, dass sich dessen Unsicherheit nicht bedeutend auf die Gesamtunsicherheit des Ergebnisses auswirkt. Der effektive Freiheitsgrad feff von 549 wurde nach der Welch-Satterthwaite-Formel (Gleichung (4.5)) ermittelt. Somit kann ein Konfidenzniveau von p=95% mit einem Erweiterungsfaktor k=2 geschätzt werden.

Infolgedessen betrug nach Gleichung (4.4) die erweiterte Unsicherheit des Analysenergeb-nisses U = ± ^0,27g/g%.

6.1.1.4 Messunsicherheit des Analysenverfahrens

Die im Kapitel 6.1.1.3 berechnete kombinierte Standardunsicherheit berücksichtigt nur die zufälligen Unsicherheiten der Eingangsgrößen und gibt die Unsicherheit des Analysenergeb-nisses wieder. Um die Messunsicherheit des Analysenverfahrens zu berechnen, ist die Abweichungen des Analysenergebnisses vom Referenzwert zu ermitteln und diese sowie die Unsicherheit des Referenzwertes entsprechend Gleichung 4.17 im Unsicherheitsbudget einzuberechnen. Der Reinheitsgrad der Maleinsäure wurde vom Hersteller mit > 99 g/g % angegeben. Unter Annahme einer Rechteckverteilung (alle Werte sind gleichwahrscheinlich) ergibt sich somit als Referenzwert ein Reinheitsgrad PMaleinsäure = (99,5 ± 0,3) g/g %, dessen Unsicherheit sich entsprechend Gleichung 4.10 berechnete. Die Fehleranalyse des Verfah-rens klassifizierte die Abweichung des Analysenergebnisses als geringfügig (Tabelle 6.5).

Tabelle 6.5: Fehleranalyse und Bestimmung der relativen Messunsicherheit (k=2; p=95%) des Verfahrens der Reinheitsanalyse mit der ¹H-NMR am Beispiel Maleinsäure mit ZRM Benzoesäure als internem Standard.

x_Ref in g/g %

xi in g/g %

( )

c x

u in g/g %

|∆^xi| in g/g %

2u(∆^xi) in g/g %

rel. U in % (k=2; p=95%)

99,5 ± ^0,3 99,91 0,14 0,4 0,7 1,0

Aus der kombinierten Unsicherheit des Analysenergebnisses, der Abweichung zum Refe-renzwert und der Unsicherheit des RefeRefe-renzwertes ergab sich nach Gleichung 4.17 eine relative Messunsicherheit des Verfahrens (k=2; p=95%) zu 1%. Diese wurde hauptsächlich durch die Reinheitsangabe des Herstellers (Referenzwert) beeinflusst.

Da das Analysenergebnis nur von Einwaagen (primäre Methode), Naturkonstanten (Molmassen) und der Reinheit des ZRM abhing, war die Rückführung auf die SI-Einheiten gegeben. Die Maleinsäure konnte von jetzt an für weitere Analysen als ein auf ein ZRM zurückgeführter Standard eingesetzt werden.