Bei dieser Datei handelt es sich um ein Protokoll, das einen Vortrag im Rahmen des Chemielehramtsstudiums an der Uni Marburg referiert. Zur besseren

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Alle mehr als 700 Protokolle (Anfang 2007) können auf der Seite

http://www.chids.de/veranstaltungen/uebungen_experimentalvortrag.html eingesehen und heruntergeladen werden.

Zudem stehen auf der Seite www.chids.de weitere Versuche, Lernzirkel und Staatsexamensarbeiten bereit.

Dr. Ph. Reiß, im Juli 2007

Fachbereich e h e m i e der Philipps Universität

Protokoll zum Experimentalvortrag am 25.05.1994

Thema des Vortrages: A r z n e i s t ⁰ f f e

"1ll·'1

Christian Heindl Nikolaistr. 3 35037 Marburg

EINLEITUNG

ARZNEISTOFFSYNTHESE Aspirinsynthese

Versuch: Synthese als einfacher Handversuch Sulfonamide

Versuch: Herstellung sulfonarnidhaltiger Kapseln

PHARMAKOKlNETIK

Verzögerte Wirkstoffabgabe

Versuch: Modellversuch zur Kaliumchloridfreisetzung

2

3 3 4

5 6

7

7 10

ARZNEIMITTELANALYTIK 11

Versuch: Analyse Benzocain-haltiger Hustentabletten. 11 Versuch: Isolierung von Vitamin B2 aus Hefetabletten 12

DIAGNOSTIK 12

Phenylketonurie 13

Versuch: Nachweis von Phenylbrenztraubensäure 14

Porphyrinphyrinnachweis im Harn 14

Versuch: Porphyrin im Harn 15

I~

Selbstgefertigte Testreifen Versuch: Nitritnachweis Versuch: Acetonnachweis Versuch: Glucosenachweis

LITERATUR

15 15 16 16

19

(~

Einleitung

Beinahe spriehwört lieh ist heute die Unbeliebtheit des Chernieunterrichts in der Schule. Davon sprechen zumindest Praktiker immer wieder. Spürbar verbessern lässt sich die Akzeptanz bei den Schülern, wenn im Unterricht Themen mit konkreten Alltagsbezügen behandelt werden. So wird davon berichtet, daß Themen aus dem Bereich der Lebensmittelchemie in besonderer Weise motivieren. Auch Themen aus dem Bereich Gesundheit können mit guter Mitarbeit bei den Schülern aufwarten. Mit beiden Themenfelder ist jeder konfrontiert, Nahrung muß jeder aufnehmen und auch schon jeder war einmal

krank. Hinzu kommt, daß über den ganzen Bereich der Arzneistoffe insgesamt wenig bekannt ist, was zu einer unterschwelligen Angst bei den Verbrauchern führt, die oftmals auch nicht unbegründet ist. Die riesigen Mengen an Arzneistoffen, die im Abfalleirner oder der Toilette landen legen davon Zeugnis ab. So kann ein solches Thema dazu beitragen, etwa Licht in dieses für den Laien und auch für den Fachmann so schwer zu durchschauende Gebiet zu bringen.

Anhand dieser Themen lassen sich oft allgemeine Gesetzmäßigkeiten erarbeiten. So soll auch dieser Vortrag zwei Aspekte haben:

1.Versuche aus dem Themenkreis Arzneistoffe sollen vorgestelt werden

2.Allgemeine Aspekte aus der Organischen Chemie sollen daran deutlich werden.

Im Sinne eines interdisziplinären Denkansatz sind gewisse Überschneidungen, z. B. zur Biologie, nicht nur unvermeidl ich, sondern auch erwünscht.

Die Pharmazie und die Pharmazeutische Chemie sind eigenständuge Wissenschaften. So ist es ganz selbstverständlich, daß aus diesem rieseigen Thernengebiet nur einzelne Aspekte exemplarisch vorgetragen werden können. Eingrenzend kommt dazu, daß Versuche an Tieren und Eigenversuche in diesem Rahmen nicht durchgeführt werden können, ganz abgesehen von deren Fragwürdigkeit zu

r:

~ didaktischen Zwecken. Es wird sich also in erster Linie um Modellversuche handeln.

Die von mir vorbereiteten Versuche lassen sich folgenden Kapiteln zuordnen:

• Arzneistoffsythese

• Pharmakokinetik

• Arzneimittelanalytik

• Diagnostik

Arznei stoffsynthese

Aspirinsynthese 1

Wohl jeder hat es schon einmal in der Hand gehabt, das Aspirin .. Kaum ein anderes Medikament ist schon so lange unverändert in Gebrauch, wie das Aspirin. Es ist gewissermaßen die "Urgroßmutter" der Chemotherapeutika und dabei noch immer erstaunlich rüstig.

Die Entdeckungsgeschichte

Schon der griechische Arzt HIPPOKRATES (460-377 v. ehr. ) beschreibt die schmerzlindernde Wirkung von aus Weidenrinde hergestellten Auszügen. Auch in der mittelalteräichen Volksheilkunde waren die schmerzlindernden Wirkungen von Weidenrindenextrakten be kann. Aus dem Jahre 1763 stammt eine Untersuchung, die von der Bri tish Medical Royal Society mi t Weidenrindenextrakten an fiebernden Patienten durchgeführt wurde. Im Jahre 1828 synthetisierte ein Münchner Chemiker ein gelbliches Pulver,' das er Salicin nannte. Zehn jahre später wurde von einem Italiener eine reinere Probe der Acide Salicylice dargestellt. Dem Marburger Chemiker HE~ KOLBE gelang 1859 die Strukturaufklärung der Salicylsäure. Es dauerte aber noch einige Jahre, bis 1876 an der Berliner Charit e die an tirheumat ische und ant ipyretische Wirkung nachgewiesen wurden.Als Medikament ist die Salicylsäure jedoch mit einer Reihe von Nachteilen behaftet. Ihr gräßlicher Geschmack und ihre Reizwirkung auf die Magenschleimhaut verhindern die breit angelegte Anwendung.

.. Mit Datum 10. Oktober 1897 beschreibt der Industriecherniker

HOFFMANN, der bei der Firma Bayer in Elberfeld arbeitet eine Methode zur Acetylierung der Salicylsäure. Eine pharmakologische Überprüfung kommt zu dem Ergebnis, daß die Acetylsalicylsäure der Salicylsäure in nichts an Wirksarnkei t

nachsteht, jedoch wesentlich verträglicher ist. Damit begann der Siegeszugv der Acetylsalicylsäure, die von der Firma Bayer unter dem Namen Aspirin vertrieben wurde und wird. Der Name setzt sich aus dem Namen der Spiraesäure, die aus den Spiraesträuchern gewonnen wird und mit der Salicylsäure chemisch identisch ist und dem Praefix A für Acetyliert zusammen.

Pharmakologische Wirksamkeit

Untersuchungen aus den sechziger und siebziger Jahren wiesen nach, daß die Wirkung von Acetylsalicylsäure in einer Veränderung der Biosynthese von Prostaglandinen besteht.

Prostaglandine sind Stoffe, die universell im ganzen Körper gebildet werden und in Verbindung mit entzündlichen Prozesse stehen. Aspirin scheint nun die Prostaglandin-Synthetase zu hemmen, die die Synthese der Prostaglandine aus Arachidonsäure

katalysiert.

Neuerdings zeigen sich auch wichtige Beuträge des Aspirins bei

,~, der Herzinfarktprophylaxe und Therapie. Aspirin scheint Blutgerinsel, die zum Infarkt führen können, aufzulösen oder ihre Auflösung zu beschleunigen. Die Möglichkeiten, die in diesem Medikament stecken, scheinen noch nicht ausgelotet zu sein.

Versuch: Synthese als einfacher Handversuch

Vorgelegt werden 5g Salicylsäure. Es werden 10 ml Essigsäureanhydrid hinzugefügt. Nach etwa zweiminütigern Schwenken werden 10 ml Eisessig dazugegeben. Die Lösung klärt sich nach etwa 10 Minuten. Dann gießt man sie in 200 ml dest.

Wasser. Nach weiteren 15 min hat sich die Acetylsal icylsäure

als weiße Plättchen abgeschieden. Sie kann dann abfil triert werde.

Sulfonamide2 3

Bedeutung des Sulfanilamids

Die Bekämpfung von Infektionskrankheiten war U~rl. ist ein wichtiges Feld medizinischer Forschung. Im Laufe des 19.

Jahrhunderts wurden über die verschiedenen Krankhei tserreger entscheidende Entdeckungen gemacht. Die Therapie war aber lange Zeit ein großes Problem. Ein Meilenstein war die Entdeckung des

~ Salvarsans im Jahre 1910, einer organische Arsenverbindung, die gegen verschiedene Protozoen,d.h. tierische Erreger

insbesonders dem Erreger der Syphilis, wirksam war. Dies kann als Geburtsstunde der Chemotherapie von Infektionskrankheiten gelten.

Bei der Bekämpfung bakteriell verursachter

Infektionskrankheiten tat man sich jedoch lange noch deutlich schwerer. Bestimmte Ähnlichkeiten im Stoffwechsel der Bakterien und des Menschen machten es schwiereig, ein Medikament zu entwickeln, das selektiv den Stoffwechsel der Bakterien stört ohne gravierende Nebenwirkungen für den Patienten zu zeigen.

Eine Forschergruppe ging nun von folgender Überlegung aus, die

~\

ein gutes Beispiel dafür ist, daß auch Arbeitshypothesen, die sich später als unrichtig erweisen, zu nützliche Ergebnissen führen können. Man wußte, daß Wolle, d. h. eine Eiweißverbindung, von Textilfarbstoffen, die bestimmte funktionelle Gruppen enthalten, besonders leicht angefärbt wird. Man ging nun davon aus, daß es Stoffe geben müsse, die in ähnlich selektiver Weise die Bekterienzellwand anzufärben in der Lage sind und dabei die Bakterien schädigen. G. DO~GK fand im Jahre 1935, daß ein bestimmter Azofarbstoff diese Kriterien erfüllte. Es handelte sich um Pontosil rubrum, einen roten Azofarbstoff. Weitere Forschung ergab, daß dieser Farbstoff im Organismus abgebaut wird und das ein Abbauprodukt, das p-

Aminobenzolsulfonamid therapeutisch voll wirksam ist. Es stellte sich heraus, daß es insbesondere auf die funktionelle Gruppe der Sulfonamide ankam. So wurden eine Fülle verwandter Verbindungen auf ihreC Wirkseirnkeit _a~aen bakterielle

Infektionen getestet.

Erst Jahre später wurde der tatsächliche Wirkungsmechanismus aufgeklärt. Die Sulfonamide sind in ihrer Struktur der p- Aminobenzoesäure außerordentlich ählich. Sie werden bei der Folsäuresynthese, einem Vitamin, anstatt der p-Aminobenzoesäure eingebaut und verhindern dadurch die Synthese eines funktionsfähigen Vitamins. Es handelt sich hierbei um ein klassisches Beispiel einer kompetitiveb Hemmung.

/--

Wenige Jahre nach der Entwicklunfg der Sulfonamide begann der Siegeszug des Penicillins, das heute die Sulfonamide weitgehend aus der Therapie von Infektionskrankheiten verdrängt hat. Eine neue Einsatzrnöglichkeit für bestimmte Sulfonamide stellt die orale Therapie von Diabetes mellitus dar.

Kurzer historischer Nachtrag:

Im jahre 1939 sollte GERHARD DORMAGK den Nobelpreis für Medizin erhalten. Sei t der Literat und Regime kri ti ker eARL v. OSSIETZKY

trotz der Intervention der Hitlerregierung den Friedensnobelpreis erhielt, war es deutschen Staatsbürgern

r, verboten, Nobelpreise anzunehmen. Nach Ende des Zweiten Weltkrieges konnte DORMAGK den Preis nachträglich zuerkannt bekommen, nur die damit verbundene Geldsumme war bereits verfallen.

Versuch: Herstellung sulfonamidhaltiger Kapseln

In diesem Versuch soll der einschluß eines Medikaments in eine

·Pille und der Nachweis von Sulfonamiden gezeigt werden.

Medikamente müssen, um an ihren Wirkungsort zu gelangen in geeigneter Weise "verpackt" werden. (Siehe auch Versuch zur Wirkstoffabgabe) . Ein beliebtes "Verpackungsmaterial" ist Gelatine. Gelatine ist ein Polypeptid tierischer Herkunft. Es wir durch saure oder basische Hydrolyse von Kollagenen aus der

. Haut oder den Knochen gewonnen. Es ist gut resorbierbar, reagiert aber kaum mitArzneistoffen . In diesem Versuch wird eine dickflüssige Gelatinelösung , der als Modellsubstanz Sulfanilamid beigemischt wurde, in ein Paraffinölbad eingetropft. Dabei bilden sich kugelrunde tropfen, die aus dem Bad abgesammel t werden können. Sie werden in ein Härtungsbad aus Isopropanol und Formalin überführt.

Mit p-Dimethylaminobenzaldehyd wird das Sulfanilamid als gelbe Schiffsche Base nachgewiesen. Bei frischen Kapseln ist dieser Nachweis möglich, bei gehärteten nicht mehr.

Pharmakokinetik

Verzögerte Wirkstoffabgabe⁴

Ein wichtiger Aspekt pharmazeutischer Forschung, ist die Frage, in welcher Form die Wirkstoffe in den Körper gebracht werden und welche Metabolite daraus entstehen. Es geht also nicht nur darum, welche Wirkstoffe eingesetzt werden, sondern wie sie dem Patienten verabreicht werde. Werden Medikamente oral verabreicht, können sie in den unterschiedlichen Bereichen des Intestinaltraktes aufgenommen werden. Lutschtablette gegen Husten oder Erkältungskrankheiten sollen im Rachenraum bereits ihre Wirkung entfalten. Andere Medikamente werden im Magen raufgenommen. Wieder andere sollen dem aggressiven Milieu des Magens widerstehen, die Wirkstofffreisetzung soll im Dünndarm erfolgen. Ein besonders wichtiger Parameter ist der Unterschiedliche pH-Wert des Magens (1,3) und des Darmes (7,6).

In diesem Versuch soll als Beispiel für eine Darreichungsform mit Verzögerter Wirkstoffabgabe die sog. Retard-Kapsel vorgeführt werden, mit der Kalium dem Körpe~ zugeführt wird.

Problemstellung:

Kalium ist ein außerordentlich wichtiges Spurenelement, daß in Verbindung mit dem Element Natrium seine Wirkung im Organismus entfaltet.. Es findet sich in aller erster Linie in der Zellflüssigkeit (Cytoplasma) während sich Natrium angereichert

im extrazellulären Medium befindet. Die Unterschiedliche Verteilung dieser beiden Elemente ist die Grundlage der Membranpolarisation. Polarisierbare Membranen sind charakteristisch für Nerven und Ml~~kpl;pl1;n:0 Der Konzentrationsgradient über der Membran ist die Grundlager der nervösen Erregungsleitung. Ferner ist Die unterschiedliche Verteilung von Natrium und Kalium auch Grundlage für aktive Transportprozesse über eine Membran. So liefert beispielsweise der Konzentrationsgradient von Natrium und Kalium die Energie für die aktive Aufnahme von Glucose durch das Dünndarmepithel.

Aufrechterhalten wird der Konzentrationsgradient von Natrium und Kalium durch eine membrangebundene Ionenpumpe (siehe Abbildung 1), die fortwährend Natriumionen aus der Zelle aus- und Kaliumionen in die Zelle einschleust. Ein wesentlicher Anteil der umgesetzten Stoffwechselenergie eines Organismus wird von der Natrium/Kaliumpumpe zur Aufrechterhaltung des Konzentrationsgradienten verbraucht.

Normalerweise wird Kalium in ausreichenden Mengen mit der Nahrung vorn Menschen aufgenommen. Besonders reich an Kalium sind Bananen, Zitrusfrüchte und Tomaten.

Es ist leicht nachvollziehbar, daß es zu einer schweren Stoffwechselstörung kommt, wenn Kalium nicht mehr in

ausreichendem maße vorhanden ist. Zu einern Kaliurnrnangel können Durchfallerkrankungen, Diabetes, die Behandlung mit

Herzglycosiden und Lakritzeabusus führen. Als Symptome treten Muskelschwäche, Lähmungen, Abnahme der Darrnmotilität, und

Gedächtnisstörung~nauf. Normalerweise enthält der Körper 2 Gramm Kalium pro Kilogramm Körpergewicht. Wird diese Menge halbiert, ist der Zustand des Patienten lebensbedrohlich.

Zellmembran

•

[K] hoch [Na] niedrig

Zell- inneres

Zell- äußeres

[K] niedrig [Na] hoch

Abbildung 1: Schema der Natrium/Kalium-Pumpe

Therapie

Ist ein Kaliummangel zu befürchten, sollte rechtzeitig mit der geziel ten Ve ra b r e i c h u ng kaliumchlöridhaltiger Präparat e begonnen werden. Man sollte meinen, daß die Ver a b r e i c h u ng von

~, Kaliumchl orid eigentlich ke i n Probl em darstellt. Klinische Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß direkt verabreichtes Ka l iumchlorid zu Reiz u nge n der Darmschleimhaut und bei längerer Therapie zu Geschwürbildungen führt. Man hat deshalb nach Wegen gesucht, das Kalium über einen längeren Zeitraum in das Darmlumen abzugeben.

Retard-Tabletten

Bei diesen Tablet t en ist da s Kaliumchlorid in eine wachsartige Grundsubstanz eingebet tet. Die Wachsgranula sind in Tablet ten aus einem leicht lösli chen Grundst off eing e schlossen (siehe Abbildung 2: Aufbau einer Retardtablette (schematisch), der kurz nach der Tabletteneinnahme zerfällt. Im Darm wird dann aus

der porösen Wachsgrundmasse langsam Kaliumchlorid freigesetzt.

Örtliche Übereilungen der Darmwand können so vermieden werden.

Kaliumchlorid in wachsartiger Matrix

Rasch löslicher Überzug

.~ Abbildung 2: Aufbau einer Retardtablette (schematisch)

Versuch: Modellversuch zur Kaliumchloridfreisetzung In einern Becherglas mit 150 ml desto Wasser wird eine Kapsel mit 600 mg KCl aufgelöst. In das Becherglas taucht eine

Letfähigkeitselektrode (siehe Abbildung 3). Während des Lösungsvorganges werden die Meßwerte für die Leitfähigkeit

regelmäßig abgelesen. nachdem die äußere Schützhülle zerfallen ist, beginnt die Messung. Die Meßwerte werden in einer Kurve aufgetragen. Als Vergleich werden 600 mg Kaliumchlorid

aufgelöst und die Leitfähigkeit über der Zeit gemessen.

Strom I Spannungsquelle

Wechselstrom

KaIiumchlorid eingeschlossen in wachsrtige Matrix

Abbildung 3: Schaltschema zur Leitfähigkeitsmessung.

Auswertung

Die Leitfähigkeit der Lösung ist ein Maß für die Ionenkonzentration. Im Falle der KCl-Retard Tabletten ergibt sich eine relativ flache Kurve, die nach etwa einer Stunde eine Greh;l~:ftf~h~l:~:ft+ _erreicht. Dann ist wei taehend _alles KCl _aus der Tablette in Lösung gegangen.

Wird reines KCl verwendet, steigt die Leitfähigkeit aufgrund der leichten Löslichkeit von KCl sprunghaft an.

Die Ergebnisse sind in Abbildung 4 zusammengefaßt.

30

25 0 0

~~

-"

Strom mA 15

<>

10 0

0

<>

0 0

10 20 30 40 50 60

Zeitmin

<>

OKC I-retard ClKCI

A X

70

Abbildung 4: Zeitlicher Verlauf der Leitfähigkeit eines Systems Wasser/KCl-retard-Tabletten

Arzneimittelanalytik

Eine Aufgabe der pharmazeutischer Chemie ist es, die Inhaltstoffe in Arzneimitteln zu analysieren. Jede Apotheke ist gesetzlich verpflichtet, die ausgelieferten Arzneimittel immer wieder zu überwachen. In der Schulchemie lassen sich auf diesem Gebiet einige reizvolle Versuche machen.

Versuch: Analyse Benzocain-haltiger Hustentabletten.⁵

In bestimmten Hustentabletten ist das Lokalanaesthetikum Benzocain enthalten. Die heute gebräuchlichen Lokalanaesthetica

leiten sich alle von dem p-Aminobezoesäureethylester (Bezocain, Anaesthesin) ab.

Benzocain läßt sich sehr einfach in den Hustentabletten nachweis en. Hustentabletten werden zerstoßen und mit etwas halbkonz. Salzsäure aufgelöst. Im Eisbad wird Natriumnitrit dazugegeben. Dabei bildet sich ein aromatisches Dia zoniumkation. Als Kupplungskomponente wird eine alkalische1- Naphtol-Lösung hinzugefügt. Dabei entsteht ein prächtiger roter Farbstoff.

Versuch: Isolierung von Vitamin B₂ aus Hefetabletten⁶ Vi tamin B2, auch Ribovlavin genannt ist ein Bestandteil der beiden ver wa nd t e n Coe n zyme Flavinmo nonukleotid (FMN) und Flavinad enindinu kle otid (FAD). 1935 wurde das Vitamin B2 aus Milch isoliert. Es verleht der Milch und insbesondere der Molke se i ne gelbli c he Färbung. Seine intensiv gelbe Farbe beruht auf dem ausgedehnten delokalisierten Elektronensystem des Isoallo xa zin-Ringsystemes. Das Vi t a mi n ist gut wasserlöslich und kann mit Wasser aus den Hefetabletten herausgelöst werden.

Diagnostik

Ein wi c h ti ge r Zweig der Medizin ist die Diagnostik. Nur wenn zweifelsfreie Diognosen erstellt sind, kann vom behandelnden Arzt auch eine sinnvolle Therapie eingeleitet werden. Zur Diagnostik geh ört in allererster Linie die Erfahrung eines Arztes. Se h r viele Faktoren spielen in das Krankheitsgescheh en hi ne in , die abzuw ägen oft sehr schwierig ist. Eine Art Basisinformation für den Arzt stellen hierbei chemische Daten über den Zustand de s Organismus dar. Diese zu gewinnen ist ein bedeutsames Feld pharmazeutischer Chemie. Dabei kommen Methoden aus den verschiedensten Bereiche n der Chemie zur Anwendung.

Oftmals handel t es sich dafür um altbekannte Reaktionen, die nur in einem neuen Kontext durchgeführt werden. Hierin liegt der besondere Reiz für die Darstellung dieser Verfahren in der Schule.

•

Ausgangsmaterial für eine Routinediagnostische Untersuchung ist oftmals das Blut oder der Urin. Derartige Tests hat wohl jeder schon erlebt, die Proben werden bei jedem Hausarzt genommen, teilweise dort direkt analysiert oder in zentralen Untersuchungslabors bearbeitet.

Ich möchte hier insbesonder die verschiedenen Spielarten der Harnuntersuchung behandeln. Es sollen hier folgende Verfahren angesprochen werde:

• Nachweis auf Phenybrenztraubensäure

• Nachweis auf Porphyrine im Harn

• Selbstgefertigte Teststreifen:

Nitritnachweis Acetonnachweis Glucosenachweis

Es kommen dabei chemische Reaktionsmechanismen aus den bereichen der Organischen Chemie und der Enzymchemie zur Anwendung.

Pheny~ketonurie7⁸

Bei der Phenylketonurie handelt es sich um eine erbliche Stoffwechselkrankheit, die mit einer Frequenz von 1:100.000 in allen Bevölkerungsgruppen der Erde auftaucht. Bedingt durch eine Genmutation kann das Enzym Phenylalanin-4-hydrolase die Aminosäure Phenylalanin nicht in die Tyrosin verwandeln. Als Folge reichert sich Phenylalanin im Blut an und wird in der Leber zur Phenybrenztraubensäure desaminiert.

Phenylbrenztraubensäure ist eine neurotoxische Substanz, deren schädigende Wirkung auf das Gehirn zu schwerem Schwachsinn davon betroffener Kinder führen kann. Teil der Symptomatik sind eine gestörte Haar und Hautpigmentierung (fahle Haut, rötliche Haare) . Phenylketonurie ist durch eine Phenylalaninarme Spezialdiät therapierbar. Die Diät muß möglichst früph nachb der Geburt einsetzen. So können bleibende Schäden vollständig vermieden werden. Aus diesem Grund werden bei Säuglingen Reihenuntersuchungen (screening-tests) durchgeführt.

Versuch: Nachweis von Phenylbrenztraubensäure⁹

Zu einer Brenztraubensäurelösung wird eine Eisen (111) Ch^Lorⁱ d- Lösung gegeben. Es tritt eine intensiv grüne Färbung auf. Diese Reaktion wurde in England als "Windeltest" bei Säuglingen durchgeführt. Zur besseren Veranschaulichung wird für den Versuch eine Windel mit Phenylbrenztraubensäure präpariert. Mit einer Tropfflasche wird Eisen(III)-Lösung auf die vorbereitete Windel getropft. Die grüne Farbe ist zu beobachten.

Mechanismus der Nachweisreaktion

In einer wässrigen Phenybrenztraubensäurelöung stellt sich ein Keto-Enol Gleichgewicht ein. Die Enolationen bilden mi t Eisen(III)-Ionen einen grünen Komplex. Bei Zugabe von Bromwasser wird die Doppelbindung des Enols bromiert und dadurch der Komplex entfärbt. Nach kurzer Zeit kehrt die grüne Farbe zurück, da sich Enol neu aus der Ketoform bildet.

Porphyrinphyrinnachweis im Harn^{1 0}

Unter dem Begriff Porphyrinphyrie werden eine ganze Reihe von Krankhei ten zusamrnenge faßt, deren gemeinsames Symton das Auftreten von Porphyrin im Harn ist. Es handelt sich dabei um Krankheiten, bei denen die Häm bzw. Porphyrinphyrinbiosynthese gestört ist. Solche Stofwechselstörungen können angeboren oder auch erworben sein. Insbesondere Hexachlorbenzol, ein Fungizid, das u.a. zu Beizen von Saatgut verwendet wird, aber auch Bleiionen führen zu einer Porphyrie.

Typischerweise ist der Harn eines an Porphyrinphyrie erkrankten Patienten rötlich gefärbt oder verfärbt sich beim Stehenlassen an der Luft rötlich. Porphyrin zeigt eine charakteristische Fluoreszens bei A = 366 nm. Diese Eigenschaft kann man sich bei der Diagnose zunutze machen

Versuch: Porphyrin im Harn

Porphyrinhaltiger Harn wird mit Talkum (einem Magnesiumsilikat) ausgeschüttelt. Dabei haftet das Porphyrin adsorbt iv an den Talkumpartikeln. Anschließend wird das Talkum abzentrifugiert.

Unter einer UV-Lampe kann der charakteristische rätliche Schimmer des Porphyrins wahrgenommen werden.

Herstellung einer Porphyrinphyrinlösung als Modellharn

Braune Eierschalen enthalten Porhyrine, die auch als 00- Porphyrinühyrine bezeichnet werden. Man zerstößt braune Eierschalen mit dem Mörser. Die zerkleinerten Schalen überschichtet man mit Essigsäureethylester. Durch zutropfen von halbkonz. Salzsäure wird der Kalk der Schalen aufgelöst. Es steigen Blasen auf, die unter UV-Licht betrachtet aufgrund des freiwerdenden Porphyrinphyrins rot fluoreszieren. Ein eindrucksvolles Schauspiel! Der porphyrinhaltige Ess igsäureethyester kann für wei tere Versuche aufbewahrt werden.

Sel.bstgefertigte Testreifen^{1 1} Versuch: Nitritnachweis

Nitrit darf im Harn nicht festgestellt werden. Ist es Nachweisbar, so ist dies ein Hinweis auf Harnwegsinfektionen, z.B. durch Pseudomonaden, Escherichia eoli oder Klebsiellen.

Funktion des Teststreifens

In dem Teststreifen sind zwei der drei Komponenten eines Azofarbstoffes bereits vorhanden. Als Ausgangskornponente ist der Streifen mit Sulfanilsäure behandelt. Als

Kuplungskomponente dient N-{l-

Naphtyl)ethylendiarninhydrochlirid. Durch den Prüfharn wird das Nitrit geliefert, welches die Sulfanilsäure diazotiert. Das aromatische Diazoniurnkation kuppelt im zweiten Schritt mit der Kupplungskomponenete zu einem rosa/roten Farbstoff.

•=

.-'-.

Versuch: Acetonnachweis

Die Stoffwechselkrankheit Diabetes mellitus führt zu einer vermehrten Metabolisierung von Fettsäuren im Energiestoffwechsel. Dabei entstehen Ketone, insbesonders Aceton. Dessen charakteristischer Geruch ist bei an Diabetes erkrankten Menschen im Zustand des Hyperglycämischen Schocks wahrnehmbar. Aceton kann im Harn gemessen werden und deutet auf die Krankheit Diabetes mellitus hin. Die Nachweisreaktion beruht auf der Legalprobe. Aceton bildet mit Natrium-Prussid einen gelben Farbstoff über dessen genaue Kosti tut ion keine genauen Angaben verfügbar waren. Die Verschiedenen Komponenten für die legalprobe sind in mit den entsprechenden Lösungen getränkten Filterpapierstreifen enthalten. Die Streifen werden mit Mullbinde übereinander auf einem Streifen Overheadfolie als Trägerfolie befestigt (Schema siehe Arbeitsblatt)

Versuch: Glucosenachweis

Der Nachweis von Glucose im Urin ist ein Indiz für eine Erkrankung des Patienten an Diabetes melli tus. Diabetes melli tus heißt auch soviel wie "Ausscheidung von sü ßem Urin".

Früher diagn ostizierten Ärzte diese Krankhei t, indem sie den süßen Geschmack de s Urins feststellten .

Diabetes mellitus

Es handelt sich um eine schwe rwie gende Stof f we chselkrankheit, bei der die Re gelun g des Kohle hydratst offw ech s e l s nich t richtig abläuft. Im Blut vorhandene Glucose wird nicht in di e Speicherf orm Glycogen übe r fü h r t . Ursächlich hierfü hr ist die Unfähigkeit der Bauchspe icheldrüse im richtigen Maße das Peptidhormon Insulin zu synthetisieren. Der Blutz u c kerspiegel des Pat ienten steigt abnorm an. In den Nierent u buli ist die vollständige Rückresorbtion der Glucose nicht mehr möglich.

Zusammen mit beträ chtl ichen Wass ermengen wird sie als Harn ausgeschieden (extremer Durst von Diabetikern) .

Behandlungsmöglichkeiten stellen eine Therapie mit Insulin und eine Kontrolle der Kohlehydratzufuhr dar.

Funktionsprinzip der Glucosenachweis-Teststreifen

In den Teststreifen sind die beiden Enzyme Glucoseoxidase und Peroxidase sowie Tetrametylbenzidin enthalten. Wird der Testtreifen mit GlucosehaItiger Lösung getränkt, kommt es zu folgenden Reaktionen:

Die Glucose wird durch Luftsauerstoff in Gegenwart der Glucoseoxidase zu Gluconolacton oxidiert, das in Wässriger Lösung in Gluconat übergeht. Dabei entsteht Wasserstoffperoxid.

Im zwei ten Sehr i t t oxidiert das Wasserstoffperoxid ka tl ysiert

durch die Peroxidase das Tetramethylbenzidin zu einer

blaugrünen Verbindung.Auch bei diesen selbstgefertigten

Testsreifen werden die Reaktionslösungen auf einem Streifen Fil terpapier aufgetragen und dieses mit Mullbinde auf einern Streifen Overheadfolie fixiert.

Literatur

1 Latzel G. Synthese eines Arzneistoffes als Schülerversuch.

PdN-Ch. 6/34. Jahrgang 1985

2 Hobein B. Lutz B. Versuche zur Mikroverkapselung. PdN-Ch.

2/36. Jahrgang 1987

3 v e r g E. Meilensteine 125 Jahre Bayer 1863-1988. Herausgeber Bayer AG Konzernverwaltung Öfffentlichkeitsarbeit Leverkusen

4 Latzel G. Modellversuch zur verzögerten Wirkstoffabgabe. PdN- eh. 6/34. Jahrgang 1985

5 Brinz A. Scharf K.H. Arzneimittelanalytik. PdN-B. 3/37.

Jahrgang 1988

6 Brinz A. Scharf K.H. Arzneimittelanalytik. PdN-B. 3/37.

Jahrgang 1988

7 Scharf K.H. Historische Experimente Teil 3: Phenylketonurie.

PdN-B. 2/39 Jahrgang 1990

8 Scharf K.H. Phenylketonurie. PdN-B 8/39 Jahrgang 1990

9 Brandl H. Zum Chemismus der Föllingschen Probe auf Phenylketonurie. PdN-Ch. 8/34. Jahrgang 1985

10 Brandl H. Albrecht S. Nachweis pathologischer Beimengungen von Porphyrin-Derivaten im Harn. PdN-Ch. 3/39 Jahrgang 1990

11 Wenck H. Kleinemas B. Natho-Hetzel V. Selbstgefertigte

I~ Testsreifen. PdN-Ch. 5/38. Jahrgang 1989

Anhang: Folienvorlagen

Vortrag am 25.05.94 Referent: Christian Heindl

I.

A. Aspirin· Urgroßmutter der Chemotherapeutika

1. Versuch: Aspirinsynthese als Handversuch

B. Sulfonamide - Eine falsche Hypothese führt zu einem segensreichen Ergebnis

r> 1. Versuch:Verkapselung von Sulfonamiden in einer Gelatinematrix

2. Nachweis des Sulfonamids

11. Pharmakokinetik

A. Problem der Wirkstoffplazierung

1. Versuch: Kinetischer Versuch mit Kaliumchlorid-Retard Tabletten

111. Arzneimittelanalytik

1. Versuch: Nachweis des Lokalanaesthetikums Benzocain in 11 ustentabletten

2. Versuch:Extraktion von Vitamin B2 aus Hefetabletten

IV. Diagnostik

1. Versuch:Porhyrin im Harn

2. Versuch:Diagnose der Phenylketonurie 3. Versuch:Teststäbchen

a) Glucosenachweis b) Acetonnacltweis c) Nitritnachweis

Geschichte:

• Hippokrates (460-377 v.Chr.) beschreibt schmerzlindemde Wirkung von Säften der Weidenrinde.

• Weidenrindenextrakte Bestandteil mittelalterlicher Volksheilkunde.

• 1763 Studie über die Behandlung von 50 fiebernden Patienten,durchgeführt von dem Geistlichen Edward Stone(M itglied der britischen medizinischen Royal Society)

• 1829 Französischer Apotheker isoliert Salicylsäure in Reinform

• 1859 Strukturaufklärung der Salicylsäure durch Dermann Kolbe,Chemiker in Marburger.

• 1876 Nachweis der antipyretischen und anti rheumatischen \Virkunge der Salycylsäure an der Berliner Charite.

• 1897 Felix Hoffmann sythetisiert Acetylsalicylsäure bei der Firma Bayer.

Verwendung als Schmerzmittel unter dem Namen

••Aspirin"(A...<Acetyliert; ...spirin=Spiraesäure)

• Seit 1970 untersuchungen über Anwendung von Aspirin bei der Herzinfarktbehandlug.

Felix Hoffmann

• Durchschnittlich 8g pro Jahr pro Einwohner in Deutschland, 55g in den U.S.A

• Acetylsalicylsäure meistsynthetisiertes Medikament der Welt.

• Herstellung von 36.000 t pro Jahr in der westlichen Welt.

Synthesegleichung:

coo~

Wirkung:

>

CDOM

Greift in die Synthese der Prostaglandine ein. Prostaglandine sind Gewebshormone, die vom Körper in Zusammenhang mit entzündlichen Prozessen synthetisiert werden.

Aspirinwerbung in den Zwanziger Jahren

Geschichtlicher Hintergrund

• Im 19.Jahrhundert Entdeckung,daß

Infektionskrankheiten ursächlich mit dem Auftreten betsimmter Mikroorganismen verbunden sind.

• Paul Ehrlich erfindet Anfang des20. Jh. das Medikament Salvarsan gegen den Erreger der Syphilis,einen tierischen Einzeller.

• Problem gegen infektiöse Bakterien ein Medikament zu finden.

• Ausgangshypothese.Farbstoff, der selektiv die Bakterienzellwand anfärbt und dabei das Bakterium schädigt,

• Gerhard Dormagkentdeckt 1935 die bakterienabtötende Wirkung desroten AzofarbstoffesProntosil rubrum.

G. Dor magk am Mik roskop

\

• 1936 wird die alleinige therapeutische Wirkung der Sulfonamidkomponente entdeckt.

• 1939 Nobelpreis an G.Dormagk. Kann ihn nicht annehmen, da deutschen Staatsbürgern von der dt. Regierung die Annahme dieses Preises untersagt ist.

• Nach dem TI. Weltkrieg erkannte man,daß dieWirkung des Sulfonamids ineiner kompetitiven Hemmung der bakteriellen Folsäuresynthesebesteht (s.u.).

• Sulfonamide werden in der Therapie von Bakteriellen Infektionen weitgehend von Antibiotika verdrängt.

• Neue Therapiemöglichkeiten bei der Behandlung von Diabetikern.

Aufgrund ihrer strukturellen Änlichkeit werden Sulfonamide bei der bakteriellen Folsäuresynthese anstattp-Aminobenzoesäureeingebaut. -okompetitlve Hemmung

COOH

p-Am inobenzoesäure Sulfonamid

~ /

Da Folsäure für den Menschen ein Vitamin ist lind mit der Nahrung aufgenommen werden muß, keine ßeinträchtigung des menschlichen Stoffwechsels.

Packung des Medikaments .Prontosil"

• Bedeutung des Kaliums im Körper: Ermöglicht zusammen mit Natrium die

Membranpolarisation.Diese ist Grundbedingung für die Erregbarkeit von Nerven und Muskelzellen.

• Aufnahme in den Körper: Mit der Nahrung (Ld.R. ausreichend).

• Kaliummangel:Verluste durch Durchfall oder Erbreche,bei Behandlung mit Herzglycosiden und Diuretika.

• Therapie: Künstliche Zufuhr von Kaliumchlorid

• Probleme der Therapie mit KCI:Kaliumchlorid verursacht Reizungen der Darmwand und führt zu Geschwüren.Deshalb langsame Wirkstoffabgabe bei sog.Retard-Kapseln.

Schema der Zellmembran:

Zellmembran

[K] hoch [Na] niedrig

[K] niedrig [Na] hoch

Schaltschema der Leitfähigkeitsmessung

Strom I _~ Spannungsquelle

r:

eingeschlossen in wachsrtige Matrix

Reaktionsgleichung:

Aufbau der Retardkapsel

Kaliumchlorid in wachsartiger Matrix

. . . . .

.

" . ^,

. .

fI • tl •

.. " . . . . .

Rasch löslicher Überzug

• Vitamintabletten verbreitete Medikamente zur Selbstmedikation.

• Vitamin B_2, auch Ribovlavin genannt ist ein Bestandteil der beiden verwandten Coenzyme Flavinmononukleotid (FMN) und Flavinadenindinukleotid (FAD).

• 1935wurde das Vitamin 8₂aus Milch isoliert.

• Intensiv gelbe Farbe beruht auf dem ausgedehnten delokalisierten Elektronensystem des Isoalloxazin-Ringsystemes.

• Das Vitamin ist gut wasserlöslich und kann mit Wasser aus den Hefetabletten herausgelöst

r: werden.

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Vit. 82 und seine Coenzymform

• Krankheitsbild: UnterPorphyrieversteht man eine ganze Reihe von Krankheiten, deren gemeinsames Merkmal das Auftreten von Porphyrinen in Harn ist. Es handelt sich im einen Enzymdefektbeider Hämsynthese.

• Ursachen: Erbkrankheitoder erworben, insbesondere bei Intoxikation mit Hexachlorbenzol(einem Fungizid) oder Blei.

• Diagnose: Porphyrin kann mit Talkum aus dem Harn ausgeschüttelt werden. Identifikation der Substanz unter der UV-Lampe durch rote Fluoreszens. Nachweisgrenze bei 0, 15 umol Porphyrin / Liter Harn.

• Herstellung einer porphyrinhaltigen Lösung für Dernonstrationszwecke: Auflösen von braunen Eierschalen mit Salzsäure, Lösung des Porphyrines in Essigsäureethylester.

Ho-

I1 2 ~

o

Hämatoporphyrin

eH

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1 _~ 11

o

G- ^{O C-C-C} _{~ ~(}

^-oH

11

~O~ ^c=c-c.,yO

_"oH

OH

Enol Keton Fe(III)-lonen intensivgrün

gefärbte Komplexe.

• Analogie zu den Verbindungen

Acetessigsäureester (violett), Acetyaceton(rot).

• In einer wässrigen Lösung von Phenybrenztraubensäure Keto-Enol-Gleichgewicht.

• Enolationen bilden mit

• Zusatz von Bromwasser::::::>

Lösung wird entfärbt

Keto-Enol-Gleichgewicht

Ursache:Bromierung der Doppelbindung des Enols.

• Nach kurzer Zeit Rückkehr der Farbe

Ursache: Gleichgewicht zwischen Keto und Enolform wird durch Nachbildung von Enol wieder hergestellt.

•

Enolform Dibromaddukt 2-Keto-3-brom-3-phenypropansäure

Glucosenachweis

• Gucose im Harn deutet auf die Krankheit Diabetes mellitus hin.

• "Süßer Harn"

• Stoffwechselstörung, bei der die Unwandlung von Glucose in Glycogen nicht im Richtigen Maßeabläuft.

• Ursache: Mangel des Peptidhormons Insulin, welches von der Bauchspeicheldrüse gebildet wird.

• Ungewöhnlich hoher Blutglucosespiegel bei Diabetikern. ~Hyperglykämie.

• Hoher Blutglucosespiegel => vollständige Rückresorbtion von Glucose inder Niere ist nicht mehr möglich=>Glucose tritt im Harn auf.

Nachweis:

Glucose +

+ H

H

+

•

+

Acetonnachweis

~~~~:--:r"-.J..-c---Mullbinde

~~~~~--Reagenzpapier

<C~~~~---Saugpapter

~ ~ ~ - - - -Tr:1ger1ohe

Aufbau des Teststreifens

• Aceton tritt in den Harn über und kann dort nachgewiesen werden.

• Diabetes mellitus=> Energiestoffwechsel metabolisiert verstärktFettsäuren. Dabei entstehen Ketonkörper, insbesonders Aceton.

• CharakteristischerGeruch von Diabetikern im Zustand des Hyperglykämischen Schocks nachAceton

Nachweis

Legalprobe. Aceton bildet mit Natriumprussideinen gelben FarbstotT