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Dieses Werk wurde im Jahr 2013 vom Verlag Zeitschrift für Naturforschungin Zusammenarbeit mit der Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung derWissenschaften e.V. digitalisiert und unter folgender Lizenz veröffentlicht:Creative Commons Namensnennung 4.0 Lizenz.

48 4 H.-F. EICKE, H. FIEGE UND K.-D. GUNDERMANN

Kinetische Untersuchung der Chemilumineszenz von 7-Dimethyl-amino-naphthalin-1.2-dicarbonsäurehydrazid

in wäßrig alkalischem Wasserstoffperoxid in Gegenwart von HäminKinetic Investigation o f the Chemoluminescence of 7-Dim ethyl-am ino-naphthalin-l,2-

d icarbonic-acid-hydrazid in aqueous alcaline H20 2 in Presence of Hemin

H a n s -Fr ie d r ic h E ic k e * , H e l m u t F ieg e und K a r l -D ie t r ic h Gu n d e r m a n n

Organisch-Chemisches Institut der Technischen Universität Clausthal

(Z. Naturforsch. 25 b, 484— 491 [1970] ; eingegangen am 5. Novem ber 1969)

The chemoluminescence-system: DNH/Na0Haq/H20 2/hemin was investigated with the help of a “stopped-flow-technique”. By use of an optical cut-off-filter the chemoluminescence- (514 nm ), and the absorptionband (325 nm) resp. could be separated which proved impossible with luminol. In this way we could follow the temporal change of chemoluminescence a n d of absorption of DNH: the latter dropped coutinually with progress of the reaction while the chemoluminescence-intensity passed through a maximum before it decreased according to the same rate law (pseudo first order conditions as for DNH) which governs the absorption change of DNH. The oxidation of DNH is rate-determining and of first order as to DNH, H20 2 and (possibly) NaOH (fct = 1,5 • 10-3 s—1 M—2). The kinetic interpretation of the chemoluminescence-maxima confirmed this result. The light production occurred in a very fast secondary reaction step (k2 k t) following the oxidation of the hydrazid and with H20 2 participating. Diazochinone is assumed to be a primary oxidation product.

Zahlreiche cyclische aromatische Dicarbonsäure- hydrazide ergeben bei der Oxydation in wäßrig alkalischem Medium eine sichtbare Chemilumineszenz, deren Intensität durch Katalysatoren erheblich gesteigert werden kann (neuere Übersichten 1_8) . Am bekanntesten ist das System: H ydrazid/Na0H aq/H 20 2/ Hämin. Die Oxydation der Hydrazidgruppe soll nach folgender Bruttoreaktion verlaufen (Formel I ) . Der Mechanismus der Hydrazid-Chemilumineszenz- Reaktionen ist trotz zahlreicher Untersuchungen nicht endgültig aufgeklärt. Die bisherigen kinetischen Untersuchungen wurden ausschließlich mit3-Amino-phthalsäure-hydrazid „Luminol“ (II) durchgeführt ( I .e .1, S. 79; 9“ 13, dort weitere Zitate) , einer intensiv mit einer Quantenausbeute von

* Physikalisch-Chemisches Institut der Universität CH-4056 Basel.

1 K.-D. G u n d e r m a n n , „Chemilumineszenz organischer Verbindungen“, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York 1968.

2 K.-D. G u n d e r m a n n , Angew. Ch. 77, 572 [1965].3 K.-D. G u n d e r m a n n , Naturwissenschaften 56, 62 [1969].4 F. M c C a p r a , Quart. Rev. (chem. Soc., London) 1966. 485.5 T. J . Q u i c k e n d e n , New Zealand Inst. Chem. 28, 10 [1964].6 E . H. W h i t e , in: W . D. M c E l r o y u . B. G l a s s : ..A Sym

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7 H. S t o r k , Chemiker-Z. 85, 467 [1961].8 V. J . P a p i s o v a , V. Y a . S h l y a p i n t o k u . R. F. V a s s i l ’e v ,

Russ. chem. Rev. 34, 603 [1965].9 E . H . W h i t e . 0 . Z a f i r i o u , H . H . K ä g i u . J . M . H i l l ,

Amer. chem. Soc. 86. 940 [1964].

ca. 1% leuchtenden V erbindung 14 (Form el I I ) . Spektrophotometrische M essungen 15 beim Luminol im Oxydationssystem: w äßrige N a 0 H /H 20 2/H äm in sind experimentell schwierig, weil das sehr breite Chemilumineszenz-Spektrum des Lum inols (^max bei 424 nm) 1 die zu verfolgende A bsorptionsbande (Ämax hei 345 nm) teilweise überlappt und z. B. durch optische F ilter nicht einw andfrei abgetrennt werden kann. Aus diesem G rund befassen sich alle bisherigen Veröffentlichungen nur m it kinetischen Untersuchungen der Chemilumineszenz-/n£e/isz7ö7.

Ein spezieller Effekt der prim ären A m inogruppe auf den Mechanismus der Luminol-Chemilumines- zenz besteht n ic h t16_18. Die V erbindung ist jedoch

10 D . M . H e r c u l e s , Vortrag TU Clausthal am 6. 6. 1966.11 J. R . T o t t e r , W. S . S t e v e n s o n u . G. E . P h i l b r o o k , J.

physic. Chem. 68, 752 [1964].12 T. K u w a n a , B. E p s t e i n u . E . T. S e o , J. physic. Chem.

67, 2243 [1963].13 M . M . R a u h u t , A. M . S e m s e l u . B. G. R o b e r t s . J. org.

Chemistry 31, 2431 [1966].14 H . O . A l b r e c h t . Z. physik. Chem. 136, 321 [1928].15 J. D e r k o s c h : „Absorptionsspektroskopie im UV, sichtba

ren und IR-Bereich“, S . 165 ff., Akademische Verlagsgesellschaft, Frankfurt 1967.

16 Y. O m o t e . T . M i y a k e . S . O h m o r i u. N. S u g i y a m a , Bull, chem. Soc. Japan 40, 899 [1967].

17 B. E p s t e i n u . T . K u w a n a , Photochem. Photobiol. 4, 1157 [1965].

18 B. E p s t e i n u . T . K u w a n a , J. electroanalyt. Chem. [Amsterdam] 15,389 [1967].

KINETISCHE UNTERSUCHUNG DER CHEMILUMINESZENZ 4 8 5

schwer zu reinigen 19, 20, empfindlich gegen O xydationsm ittel 14, A lka li21, 22 und Licht 23. F ü r eine k inetische U ntersuchung sollte 7-Dim ethylam ino-naph- thalin-1.2-dicarbonsäure-hydrazid (D N H , III) 24 vorteilhaft sein, da es gegenüber Lum inol die 2,3- fache Chem ilum ineszenz-Quantenausbeute besitzt, gegen Alkali weniger empfindlich 24, 25, gegen Licht ( / = 325 nm) in alkalischer Lösung wesentlich stabiler ist und wegen seiner tertiären A m inogruppe eine geringere O xydationsem pfindlichkeit erw arten läßt (Form el I I I ) .

Ein besonderer V orteil des D N H /N a0H aq/H 20 2/ Hämin-Systems liegt in der großen W ellenlängendifferenz zwischen der Chemilumineszenz-Em ission (/■max 514 nm) und der A bsorption ( / max 325 n m) , die im V erlauf der Reaktion eine einw andfrei m eßbare V eränderung erfäh rt (Abb. 1 ). D iese Tatsache ermöglicht eine einw andfreie T rennung des Chemi- lumineszenz- und Transm issions-Spektrum s m it H ilfe

A [nm] — ►

Abb. 1. Kurve 1: Absorptionsspektrum von DNH, 2: von „ausreagiertem“ DNH, 3: Chemilumineszenz-Spektrum von DNH (nach 1. c. 24) . 4: Fluoreszenzspektrum von DNH, 5: Absorptionsspektrum des Filters UG 11 (Schott), Ordinate:

Extinktion bzw. Intensität in willkürlichen Einheiten.

eines F ilters (Schott U G -11). Auch die durch die 325-nm-W ellenlänge angeregte Fluoreszenz des DNH ( l max bei 540 nm) w ird durch das F ilter un te r

x:

19 D . S . B e r s is u . J . N ik o k a v o u r a s , N a tu r e [London] 217, 451 [1968].

20 Y . O m o t e , H . Y a m a m o t o , S . T o m io k a u . S . S u g iy a m a , B u ll. ch em . S o c . J a p a n 42, 2090 [1969].

21 C. N . Z e l l n e r u . G. D o u g h e r t y , J . A m e r . ch em . S o c . 59,2580 [1937].

22 L. F. E r d e y , W. F. P ic k e r in g u . C. L. W il s o n , Talanta [London] 9,653 [1962].

23 Y. O m o t e , T . M . M iy a k e , S. O h m o r i u . N. S u g iy a m a , B u ll. ch em . S o c . Japan 40, 899 [1967].

24 K.-D. G u n d e r m a n n , W. H o r s t m a n n u . G . B e r g m a n n , Liebigs Ann. Chem. 684, 127 [1965].

25 K.-D. G u n d e r m a n n , W . H o r s t m a n n , G . W e l l h a u s e n u . D. L a t h i a , Forschungsberichte des Landes Nordrhein- Westf. Nr. 1869 [1967].

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drückt. Das schnelle Abklingen der Chemilumines- zenz bei häm inkatalysierter O xydation m it wäßrig- alkalischem W asserstoffperoxid (in ca. 5 Sek.) macht die A nw endung eines Stopped-Flow-Spektrophoto- meters notwendig 26, 27.

Experim enteller Teil

A usgangssubstanzen

Das DNH 24 war chromatographisch rein; Natriumhydroxid, Wasserstoffperoxid (p. a.) und Hämin waren kommerziell erhältlich. Die DNH-Lösungen wurden jeweils frisch durch genaue Einwaage der entsprechenden DNH-Menge und Auflösen in Natronlauge entsprechender Konzentration hergestellt. Die Hämin Lösung wurde durch Auflösen von 13,0 mg Hämin in 500 ml 0,01-rc. NaOH und anschließender Filtration erhalten; vor der Reaktion wurde ein berechnetes kleines Volumen zur alkalischen DNH-Lösung gegeben. Die Wasserstoff- peroxid-Lösungen wurden durch Verdünnen titrime- trisch bestim m ter28 Lösungen bekannten H20 2-Gehal- tes hergestellt. Alle Lösungen wurden erst unmittelbar vor Meßbeginn mit ausgekochtem dest. Wasser be- breitet, um unkontrollierbaren Veränderungen vorzubeugen. Entgastes demineralisiertes Wasser mußte verwendet werden, damit der bei der Reaktion entstehende Stickstoff bzw. Sauerstoff von der Lösung absorbiert werden konnte *. Ohne diese Maßnahme stören Gasbläschen die optische Dichte des Systems sehr empfindlich.

Apparatur

Für die kinetischen Messungen wurde ein D u r - r u m - G i b s o n - Stopped-Flow-Spektrophotometer mit einer Quarzküvette (Länge 20 mm, Innendurchmesser1,9 mm) verwendet, die mit Hilfe eines Umlaufthermo- staten auf 25,00 +0 ,05 cC temperiert werden konnte. Bei den Transmissionsmessungen wurde — bei zwischengeschaltetem Filter UG-11 (scharfe Absorptionskante bei 390 nm) — das Verschwinden des ausgeprägten Maximums des DNH bei 2 = 324,5 nm verfolgt (Spaltbreite 1 mm, Zeitkonstante 1 msec, Mischdauer ca. 2 msec). Selbst bei größter Verstärkung des Photo- multipliersignals und höchster Empfindlichkeit des Oszillographen (Tektronix, RM 564) konnte bei zwischengeschaltetem Filter die Chemilumineszenz nicht wahrgenommen werden. Als Bezugspunkt (100% T) wurde das Maximum der Transmission nach Abklingen der Chemilumineszenz gewählt (vgl. z. B. Abb.

26 F. J. W. R o u g h t o n u. B. C h a n c e , in: Technique of Organic Chemistry, Bd. VIII/ 2 , A. W e i s s b e r g e r Ed., Interscience Publishers, Inc., New York 1963.

27 B. C h a n c e , R. E i s e n h a r d t , Q. N. G ib s o n u . K. L o n b e r g - H o l m Eds.: „Rapid Mixing and Sampling Technique“, Academic Press, Inc., New York 1964.

28 O . L i e b k n e c h t u . W . K a t z . in : Handbuch der analytischen Chemie, S. 196, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York 1953.

3 a ) . Die Aufnahme der Intensitäts-Zeitkurven der Chemilumineszenz erfolgte bei abgeschalteter Wasserstofflampe und ausgebautem Filter. Um die Flächen unter den Intensitäts-Zeitkurven, die der emittierten Lichtmenge proportional sind, vergleichen zu können, erfolgten alle Chemilumineszenz-Messungen bei derselben Multiplierspannung (550 V ). Eine Anpassung an die unterschiedlichen Lichtintensitäten war innerhalb des linearen Verstärkungsbereiches des Oszillographen möglich.

Meßvorgang

Nach sorgfältiger Temperierung auf 25,00 °C wurden beide Lösungen im Verhältnis 1 : 1 hydraulisch über die Mischkammer in die Meßküvette gedrückt. Die Reproduzierbarkeit der oszillographierten Kurven wurde regelmäßig geprüft: Bei etwa gleichem Vorschub des manuell betätigten hydraulischen Stempels war eine Unterscheidung zweier aufeinanderfolgender Kurven innerhalb der Ablesegenauigkeit (Strichdicke), d. h. für Messungen mit gleicher Systemzusammensetzung, unmöglich. Eine mögliche Zersetzung der Lösungen in den Spritzen konnte auf diese Weise sofort erkannt werden. Die Analyse einer Wasserstoffperoxid- Lösung, die sich mehrere Stdn. in einer Tankspritze befunden hatte, ergab gegenüber der frischen Ausgangslösung keinen signifikanten Unterschied im H20 2-Gehalt. Vor jeder Messung wurde die Durchflußküvette sorgfältig mit frischer Lösung gespült. Die Messungen wurden von der niedrigsten Konzentration ausgehend durchgeführt. Die Oszillogramme wurden mit einer Polaroid-Kamera photographiert. Die der Quantenausbeute proportionale Fläche unter den Inten- sitäts-Zeit-Kurven der Chemilumineszenz wurde plani- metriert. Auf Grund der großen Transmissionsänderungen mußten die aus den Oszillogrammen abgelesenen Werte der Transmission in die entsprechenden Extinktionen umgerechnet werden. In Bereichen großer Kur- ven-Steilheit waren dabei größere Fehler unvermeidbar. Hinzu kommt der Fehler bei der graphischen Bestimmung der Geschwindigkeitskonstanten. Insgesamt muß mit Streuungen von ca. +20% vom Mittelwert gerechnet werden. Dies ist bei der Beurteilung der Meßreihen zu berücksichtigen.

Spektren

Die UV-Spektren von frischer bzw. ausreagierter DNH-Lösung (Abb. 1) wurden unter den Bedingungen der Chemilumineszenz ( c d n h = 5 -IO-4 M , CNaOH =1 • 10“ 1 m , CHamin = 5 - 1 0 _ 7 m, die ausreagierte Lösung zusätzlich mit ch202 = 1 ' 1 0 - 2 m mit einem Beckman

* Bei höheren Wasserstoffperoxid-Konzentrationen lagert sich der durch Hämin auf Grund katalytischer H20 2-Zer- setzung entstandene Sauerstoff zu Bläschen zusammen, die die optische Dichte des Systems unkontrollierbar verändern. Ein ähnlicher Effekt tritt auch bei höheren DNH- Konzentrationen (1-10- * m ) durch freigesetzten Stickstoff auf.

KINETISCHE UNTERSUCHUNG DER CHEMILUMINESZENZ 48 7

DK-2A-Spektrophotometer aufgenommen, mit dem auch die Absorptionskurve des Filters UG-11 (Abb. 1) gemessen, der Gültigkeitsbereich des L a m b e r t - B e e r sehen Gesetzes bei den hier verwendeten Konzentrationen (1 cm bzw. 0,2-cm-Küvetten) ermittelt (s. Abb. 2) und die Beständigkeit einer alkalischen DNH- Lösung ( c d x h = 0 ,625-10_ 4 m in 0,1 n NaOH) gegenüber Bestrahlung mit kurzwelligem Licht ( / = 325 nm Spaltbreite 0,04 mm) geprüft wurden (Abb. 2). Die Bestimmung des Fluoreszenzmaximums des DNH (540 nm) (Abb. 1) erfolgte mit einem Zeiss-Spektral- fluorometer.

Ergebnisse

V ariie rt wurden drei P aram eter: Die DNH-Kon- zentration im Bereich 5 - IO“ 4 bis 1 ,5 -1 0 _ 5 m, die H20 2-K onzentration im Bereich 1 • 1 0 ~ 2 bis 3 • 10 -4 M und die N aO H -K onzentration im Bereich 1 -1 0 -1 bis 3 • 1 0 -3 M. Die H äm in-K onzentration (5 • 1 0~ 7 m ) und die T em peratur (25 ,00 °C) w urden konstant gehalten. Diese K onzentrationen hatten sich auf G rund von Vorversuchen als günstig erwiesen. Sie gestatten einen Vergleich der DNH-Chemilum ines- zenz m it der des Lum inols. Da im V erhältnis zur W asserstoffperoxid- und N atrium hydroxid-K onzentration n u r eine sehr geringe D N H-K onzentration erforderlich w ar, ist anzunehm en, daß die Reaktion, bezogen auf DNH, pseudo-1. O rdnung ist. Tatsächlich ergeben die M eßwerte in einem E,t- bzw. log J-t- D iagram m oberhalb eines Zeitpunktes t > Xi/t (ti/s = H albw ertzeit der R eak tion )29 eine Gerade, fü r die die Beziehung

bzw.

2 ,3 0 3 . Eo « D N H -V er b r . = - log ~

2̂ 1 1

7 2 ,303 , 7,«In ten s. = — l o g — - ,

l2~ h h

( 1)

(2)

(E i i2 = Extinktion im Zeitpunkt t x , bzw. t2, / 12 = Chem ilum ineszenz-Intensität im Zeitpunkt tx, bzw. t2) für m indestens die doppelte Halbw ertzeit erfü llt ist. Aus den Oszillogram m en 3 a und 3 b, die als typ ische Beispiele gelten können, ist zu entnehm en, daß die Chemilumineszenz un ter den dort gegebenen Bedingungen nu r ca. 5 Sek. dauert und dann zu Ende ist, wenn die Lösung ihre m axim ale Transm ission (100% T) erreicht. Anschließend beobachtet m an noch eine langsam ere nichtchemilumineszente Folgereaktion (wie aus Oszillogramm 3 c zu erkennen ist,

das dem Oszillogramm 3 a entspricht, jedoch mit kleinerer Registriergeschwindigkeit aufgenom m en w urde). Auch fü r die Folgereaktion w ird die Beziehung (1) in einem bestimm ten Bereich erfüllt. Die Chemilumineszenz-Reaktion ist bei Beginn der Folgereaktion zu über 99% abgelaufen [Ti/8> 8 s e c ] (Abb. 3 ) . Von den drei variierten P aram etern (DNH, H o0 2- und N aO H -K onzentration) wurden jeweils zwei konstant gehalten und einer verändert. Tab. 1 gibt die Resultate bei V eränderung der DNH, Tab. 2 bei V eränderung der H20 2- und Tab. 3 bei V eränderung der N aO H -K onzentration wieder.

In den folgenden Tabellen sym bolisiert „ k “ die Geschwindigkeitskonstanten pseudo-1. O rdnung und zwar k\ die für den DNH-Verbrauch, k { die fü r die In tensitätsänderung der Chemilumineszenz und k ” die für die Folgeprodukt-Bildung. D er Index i =1 ,2 bzw. 3 bezieht sich auf die variierte DNH-, H20 2- bzw. NaO H-Konzentration. D ividiert m an die Geschwindigkeitskonstanten pseudo-1. O rdnung (k \ , k { bzw. k\") durch die beiden jeweils konstant gehaltenen K onzentrationen (vgl. hierzu 1. c. 29, 30) , so erhält m an die Geschwindigkeitskonstanten 3. O rdnung für den DNH-Verbrauch k*, den In tensitätsabfall der Chemilumineszenz k*', und die Folgeprodukt-Bildung k*" in den Tabn. 1 bis 3.

Die T em peraturabhängigkeit der R eaktion wurde ebenfalls bestimmt. Infolge experim enteller Schwierigkeiten ergaben sich stark streuende W erte. Es war aber zu erkennen, daß sich die relative Lichtmenge m it steigender Tem peratur verringerte, die Geschwindigkeitskonstanten dagegen Z u n a h m e n . Diese Befunde stimmen m it Angaben von R a u h u t 13 überein.

Aus Tab. 1 ist zu ersehen, daß sowohl (k * ) als auch (k * '} — m it Ausnahm e des W ertes fü r cdnh = 5 - 1 0 - 4 m — einen W ert von etwa 1 ,5 -IO 3 sec-1

M -2 erreichen m it einem m ittleren Fehler von etwa ± 0 , 3 3 -IO3 (unter Berücksichtigung der verschiedenen Gewichte der einzelnen M ittelw erte). Die Schwankungen liegen z. T. innerhalb der experim entellen Genauigkeit bzw. sind auf N ebenreaktionen zurückzuführen. Die Abweichung fü r k* bei cdnh = 5 - 1 0 ~ 4 M kann m it der beginnenden U ngültigkeit des L a m b e r t - B e e r sehen Gesetzes begründet werden (s. Abb. 2 ) . Der offensichtliche Gang der A:*” -W erte m it abnehm ender D N H-K onzentration schließt eine M ittelwertbildung über den gesamten

29 J. E. B u n n e t , in: Technique of Organic Chemistry, B d . 30 E. S. G o u ld , „Medianismus und Struktur in der organi-V III /1 , S. 196, A. W e is s b e r g e r Ed., Interscience Publi- sehen Chemie“, 2. Aufl., S. 198 , Verlag Chemie, Weinheim shers, Inc., New York 1 9 6 1 . 1964 .

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Variable DNH-Verbrauch Intensitäts-Abfall Max. Rel. Licht- Folgeprodukt-Bildungcdnh k* k t' k*' Intensität menge b kx" k*"[m]104 [sec-1 ] [sec-1 [sec-1 ] [sec-1 /Max L re\ [sec-1 ] [sec-1

M-2 ] 10-3 m-2 ]10-3 m 2] 10 3

0,156 1,8 c 1,8 1,9 1.9 37,5 0,24 0.07 c 0,070,312 1,9 c 1,9 2,0 2,0 37,6 0.62 0.12 c 0,120,625 1,4 d 1,4 1,4 e 1,4 34.7 1.08 0,18 c 0,181,25 1,4 c 1,4 1,1 1,1 39,7 2,26 0.22 c 0,232,50 0,9 c 0,9 1,3 c 1,3 37,2 4.50 0.20 c 0,205,00 0,3 c 0,3 0.6 c 0,6 37,0 9.00 0,17 0 0.17

Tab. 1. Einfluß der DNH-Konzentration a. a ch2C>2 — 1' 10~2 M> CNaOH = 1.10~" 1 M, cHämin = 5 • 10-7 M. T = 25 °C, 13 willkürliche Einheiten, c Mittelwert aus 2 Messungen, d Mittelwert aus 5 Messungen; mittlere Abweichung + 0,22, e Mittelwert

aus 4 Messungen.

eine zunehm ende Abweichung von den Reaktions- Redingungen pseudo-1. O rdnung begründet sein: Bei cii202 = 0 ,3 1 -IO -3 M beträg t das M olverhältnis H 20 2 : DNH nur noch 5 : 1 . Auf die Geschwindigkeitskonstante fü r den Intensitätsabfall (k *') macht sich die mit abnehm ender H 20 2-Konzentration wachsende Abweichung von den Bedingungen pseudo-1. O rdnung offensichtlich wesentlich stärker bem erkbar. Die Geschwindigkeitskonstanten der Folgeprodukt- Bildung (k *") weichen unter Berücksichtigung der h ier besonders geringen M eßgenauigkeit relativ wenig voneinander ab.

Die V aria tion der N aO H -K onzentration (Tab. 3) füh rt auf gut übereinstim m ende Geschwindigkeitskonstanten 3. O rdnung fü r k* und k*'. Die W erte in Tab. 3 schwanken etwas stärker als in den obigen Tabellen auf G rund der hier besonders geringen experim entellen G enauigkeit. Ein Gang ist in den W erten nicht zu erkennen. Die K onstanten fü r die Folgeprodukt-ß//(/ung (k*") ließen sich bei Na- trium hydroxid-K onzentrationen > 5 0 - 10-3 M ol// nicht m ehr eindeutig bestim m en. Q ualitativ w ar den Oszillogram m en zu entnehm en, daß die Folgepro- duki-Bildung m it sinkender N aO H -K onzentration im m er m ehr zurückgeht. M an beobachtet allerdings

Variable DNH-Verbrauch Intensitäts-Abfall Max. Rel. Licht- Folgeprodukt-BildungCH2O2 k 2 k* k% k*' Intensitätb mengeb k2" k*"

[m ] 1 0 3 [sec-1 ] [sec-1 [sec-1 ] [sec-1 /M a x Z'rel [sec-1 ] [sec-1M ~ 2] 1 0 — 3 M - 2 ] 1 0 ~ 3 M - 2 ] 1 0 — 3

0.31 0.05 c 1.6 0.08 2.6 0.8 0.56 0.007 0.230,62 0.10 c 1.6 0.19 3.1 1.7 0,62 0.02 0.321,24 0.20 d 1.6 0.42 3.4 4.2 0.64 0.02 0.162.48 0,32 c 1.3 0.80 3.2 9.2 0.92 0.07 0.284.96 0.68 c 1.4 0.96 1.9 18.6 0,95 0.09 0,189,94 1.39 e 1,4 1,40 e 1.4 35.0 1,08 0.18d 0.18

Tab. 2. Einfluß der Wasserstoffperoxid-Konzentration a. a cdxH = 0,625 • 10~4 M, cNaOH = l ' 10-1 m, CHämin = 5.10-7 M, T — 25 °C. b Willkürliche Einheiten, c Mittelwert aus 2 Messungen, d Mittelwert aus 4 Messungen, e Mittelwert aus 5 Messungen;

mittlere Abweichung ± 0,22.

Abb. 2. Extinktion als Funktion der DNH-Konzentration (DNH in 0,1 [n] NaOH) bei k = 324,5 nm.

Bereich aus. Beschränkt m an sich auf den Konzentrations-Bereich cdxh > 0 ,625 • 10~ 4 m, so könnte man auch hier eine m ittlere Geschwindigkeitskonstante 3. O rdnung bilden: ( k * ") = (0 ,1 9 (5 ) i0,06) • 103 sec-1 M~2. D er m ittlere Fehler entspricht etwa dem der K onstanten (k * ) und (k * ' ) . Die V eränderung der W asserstoffperoxid-Konzentration (Tab. 2) füh rt zu brauchbar übereinstim m enden Geschwindigkeitskonstanten 3. O rdnung fü r den DNH- Verbrauch ( k * ) . Die Zunahm e von k* bei n iedrigen W asserstoffperoxid-K onzentrationen liegt innerhalb der M eßgenauigkeit, kann jedoch auch durch

KINETISCHE UNTERSUCHUNG DER CHEMILUMINESZENZ 48 9

Variable DNH-Verbrauch Intensitäts-Abfall Max. Rel. Licht- Folgeprodukt-BildungCNaOH 3̂ k* k./ k*' Intensität,J menge b k3 k*"[ m ] 103 [sec-1 ] [sec-1 [sec *] [sec-1 /.Max Lre\ [sec-1 ] [sec-1

M 2] 10 3 M- 2 ] 10-3 M - 2 ] 10-3

3,13 0.096 3,0 0,096 3,1 3,8 0.38 — __6,25 0,12 2,0 0,12 1,9 6,9 0,79 — —

10,50 0,16 1,4 0,17 1,4 14,9 0,98 — —20,00 0,51 2,0 0,51 2,0 26,0 1,04 — —50,00 1,17 2,4 1,20 2,4 32,5 1.06 — —

100,00 1,39 1,4 1,40 1,4 35,0 1,08 0,18 0,18

Tab. 3. Einfluß der Natriumhydroxid-Konzentration a. a c d n h = 0,625 • 10 4 M, CH2O2 —1'10 2 M, CHämin = 5-10 7 m, T —25 °C. b Willkürliche Einheiten.

den offenbar relativ langsam en Zerfall eines Reaktionsproduktes, denn die Lösung erreichte erst ca. 1 — 2 Stdn. nach A bklingen der eigentlichen Chemi- lumineszenz-Reaktion eine konstante A bsorption.

Abb. 3. Typische Oszillogramme der „DNH-Chemilumines- zenz“ ( c d n H = 0,625 • 10-4 M, ch2C>2 — 1 'IO -2 m ; CNaOH = 1-10- 1 m; CHämin = 5-10_ 7 m). 3 a. Transmission als Fkt. der Reaktionszeit zeitl. Änderung der [DNH]) [2 = 324,5 nm; Spaltbreite = 1 mm; PM-Spannung = 420 V; Zeitkonstante = 1 msek], 3 b. Chemilumineszenz-Intensität als Fkt. der Reaktionszeit (PM-Spannung = 410 V; Verstärkung = 50 mY/Div; Zeitkonstante = 1 msek). 3 c. wie Diagramm 3 a,

jedoch mit 10-facher Dehnung der Zeitachse.

Letzteres wirkte sich erschwerend auf die Bestim mung der Konstanten k* aus.

Wie beispielsweise aus dem Oszillogramm Abb. 3 zu entnehmen ist, durchlaufen die Chemilumineszenz- Intensitäts-Zeit-Kurven ein M aximum. Im Zeitpunkt dieses M aximums der S trahlungsintensität (/Max) liegt ein stationärer Zustand v o r 31. Es läßt sich zeigen, daß ly[ax unter Bedingungen pseudo-1. O rdnung unter der V oraussetzung, daß die D esaktivierung des em ittierenden Teilchens sta tionär ist unabhängig von der D NH-K onzentration, nu r eine Funktion der im Überschuß vorhandenen Kom ponenten, also der H 0O0- und der N aO H -K onzentration, ist:

/ M a x - [ H 20 2]»"[NaOH]». (3)

Die experimentellen Befunde bestätigen diese A nnahm en recht gut (Abb. 4 ) . Die M axim alintensität (/Max) bleibt im untersuchten K onzentrationsbereich

Abb. 4. Abhängigkeit der maximalen rel. Chemilumineszenz- Intensität von der DNH a-, H20 2 b- und NaOH ^Konzentration. a ch202 = 1 ' 1 ° - 2 m; CNaOH = l ' 1 0 - 1 M, CDNH = 0 ,6 2 5 -1 0 _ 4 m; CNaOH = l * 1 0 - 1 M, c c d n h = 0,625 • 1 0 - 4 m;

cH202==1 ‘ IO - 2 m; CHämin in allen Fällen = 5 -1 0 - 7 M.

konstant, unabhängig von der jeweiligen DNH-Konzentration, und ist der W asserstoffperoxid- sowie der N atrium hydroxid-K onzentration proportional,

31 J. S t a u f f u. H. S c h m i d t k u n z , Z. physik. Chem. N. F. 33, 273 [1962],

4 9 0 H.-F. EICKE, H. FIEGE UND K.-D. GUNDERMANN

allerdings n u r bis etwa 2,5 • IO-2 M ol//; oberhalb dieser K onzentration scheint / j iax allmählich unabhängig von der A lkalikonzentration zu werden.

In Abb. 5 ist die Abhängigkeit der relativen Lichtmenge (Z>rei) von den K onzentrationen des DNH, des H 20 2 und der NaOH dargestellt (Abb. 5 ). Die Lichtmenge ist der DNH-Konzentration im

Abb. 5. Abhängigkeit der relativen Lichtmenge von der DNHil-, H20 2 b- und NaOH c-Konzentration. Ordinate für die Abhängigkeit von der H20 2- und NaOH-Konzentration um den Faktor 5 gedehnt. a CH2O2 — 1 ‘10—2 m ; CNaOH = 1-10-1 M, b CDNH = 0,625-10-4 m ; CNaOH = 1 ' 10_1 M, c CDNH = 0,625• 10~4 m ; ch 2 0 2 = 1 ‘IO-2 M, CHämin in allen

Fällen = 5"-10-7 M.

untersuchten K onzentrationsbereich streng p roportional. U nter der obigen V oraussetzung, daß keine interm olekularen Löscheffekte w irksam sind, ist eine derartige A bhängigkeit zu erw arten.

Mit steigender N aO H -K onzentration nähert sich die Lichtmenge dagegen hyperbolisch einem Grenzwert (A uftragung L re\ gegen l/[N a O H ] ergibt angenähert eine G erade). Dagegen scheint die Lichtmenge m it steigender H 20 2-K onzentration zunächst m ehr parabelförm ig anzusteigen, um sich dann ebenfalls einem Grenzwert zu nähern (Abb. 5 ) .

Diskussion

Den Oszillogram m en (s. Abbn. 3 a und 3 b ) , die Reaktionen pseudo-1. O rdnung entsprechen, ist qualitativ zu entnehm en, daß die DNH-Konzentration proportional zu log T ( T = Transm ission) abnimmt, die L ichtintensität dagegen ein M aximum durchläuft, um dann anfänglich linear, später jedoch exponentiell abzufallen. Dies bedeutet, daß die Chemilumi- neszenz nicht gleichzeitig mit der Reaktion des Hy-

drazids auftritt, sondern erst in einer nachfolgenden Reaktion bei der Bildung eines R eaktionsproduktes des H ydrazids. Diese zur Lichtemission führende Folgereaktion m uß sehr schnell erfolgen (k2 ^ > k 1) , da das M aximum der Chemilumineszenz unm ittelbar nach Reaktionsbeginn au ftritt und die Chem ilum ineszenz praktisch in dem Augenblick beendet ist, wo die D N H-K onzentration ihren m inim alen W ert e rreicht. Diese Beobachtung w ird durch die quan titative Auswertung der einem Geschwindigkeitsgesetz1. O rdnung entsprechenden Ä nderung der DNH- K onzentration sowie der Lichtintensität bestätigt. Die Divison der Geschwindigkeitskonstanten pseudo-1. O rdnung durch die NaOH- und H 20 2-Kon- zentration ergib t Geschwindigkeitskonstanlen 3. O rdnung von etwa 1,5 • 103 sec“ 1 M-2 . Das gilt sowohl fü r die aus der T ransm issionsänderung des DNH wie für die aus der In tensitätsänderung der Lichtem ission bestim m ten K onstanten. U nter den vorliegenden Versuchsbedingungen ist also die Ä nderung der A bsorption derjenigen der Chemilumineszenz proportional, und die zeitliche V ariation der DNH- Konzentration von 1. O rdnung in bezug auf DNH, W asserstoffperoxid und N atronlauge:

_ d(DNH) _ j-D N H j [H20 2] [NaOH] . (4)

Zur gleichen P ropo rtiona litä t gelangt m an durch Verfolgung der M axim alintensitäten der Chem ilum ineszenz. Die Rolle der N atrium hydroxid-K onzentration im Reaktionsm echanism us der Chem ilum ineszenz ist m ehrdeutig : Sie kann z .B . die H 20 2-Disso- ziation 32, 33, die D isproportion ierung des H 20 2 34, die Fluoreszenzfähigkeit der em ittierenden Spezies (D icarbonsäuredianion) und die Salzbildung des H ydrazids (Mono- oder dianion, vgl. I. c . 1) beeinflussen.

Auf die besonderen V erhältnisse bei V ariation der N aO H -K onzentration weist die Ä nderung der M axim alintensitäten bei höheren NaOH-Konzentra- tionen (Abb. 4) und die hyperbolische A bhängigkeit der Lichtmenge von der N aO H -K onzentration (Abb. 5) [sowie eine evtl. bestehende geringe T endenz zu kleineren W erten in Richtung auf einen konstanten W ert von 1,4 • 103 sec-1 M —2 innerhalb der Geschwindigkeitskonstanten (Tab. 3 )] hin. Da beim Luminol mit dem O xydationsm ittel K 2S20 8 , dessen

32 L. E r d e y , Acta chim. Acad. Sei. hung. 3, 95 [1953]. 34 R. u. H. G e r i s c h e r , Z. physik. Chem. N. F. 6, 178 [1956].33 J. R. T o t t e r u . G . E . P h i l b r o o k , Photochem. Photobiol.

5, 177 [1966].

KINETISCHE UNTERSUCHUNG DER CHEMILUMINESZENZ 491

Redox-Potential weitgehend unabhängig vom pH- Wert ist, eine geringere Abhängigkeit der Lichtintensität von der Alkali-Konzentration beobachtet w urde13 und Dreierstöße unwahrscheinlich sind, liegt die Vermutung nahe, daß die NaOH-Konzen- tration bevorzugt über eine Änderung des Oxydationsvermögens des Wasserstoffperoxids in den Reaktionsablauf eingreift. Somit ist — abgesehen von sich schnell einstellenden vorgelagerten Gleichgewichten — ein relativ langsamer Oxydationsschritt2. Ordnung zwischen Wasserstoffperoxid und DNH (beide in Form ihrer Anionen) zu einem instabilen Zwei-Elektronen-Oxydationsprodukt (DNH —2 H) als geschwindigkeitsbestimmend anzunehmen:

DNH + H A (DNH - 2 H ) + 2 Hs0 . (5)

Da sich das chemilumineszierende Endprodukt [Di- carbonsäuredianion, s. Gl. ( 1) ] aus dem Hydrazid mit einem Mol H20 2 noch nicht bilden kann, ist zu folgern, daß sich ein weiterer sehr schneller Reaktionsschritt anschließt, an dem ebenfalls H20 2 beteiligt ist (Formel V ) .

Unter der Bedingung k2 ^>k1 ist die Gesamt- Reaktion unter Verhältnissen pseudo-1. Ordnung von 1. Ordnung in bezug auf H20 2 . Wenn jedoch in einem zweiten wesentlich schnelleren lichterzeugenden Reaktionsschritt ebenfalls H20 2 verbraucht wird, muß sich eine Abweichung von den Bedingungen pseudo-1. Ordnung auf die Geschwindigkeitskonstante für den Intensitätsabfall der Chemilumineszenz k*' erheblich stärker bemerkbar machen als auf die Gschwindigkeitskonstante für den DNH- Verbrauch k* . Das ist in der Tat der Fall (s. Tab. 2) : Während die Geschwindigkeitskonstante k*' bei hohen H20 2-Konzentrationen praktisch identisch mit k* ist, weicht sie mit sinkender H20 2-Konzentration immer mehr von k* ab und ist schließlich doppelt so groß. Auf die Beteiligung des Wasserstoffperoxids am zweiten Reaktionsschritt deutet auch die Abhängigkeit der Lichtausbeute von der H20 2-Konzentra- tion hin: Während die Lichtausbeute der DNH-

35 K.-D. G u n d e r m a n n , Angew. Chem. 80, 497 [1968].36 K.-D. G u n d e r m a n n u . H. F i e g e , unveröffentlicht; H.

F i e g e , Diplomarbeit, TU Clausthal 1967.

Konzentration streng proportional ist, nähert sie sich mit steigender Ho0 2-Konzentration einem Grenzwert (Abb. 5) .

Als instabiles primäres Oxydationsprodukt (DNH — 2 H) ist das folgende Diazachinon (VI) anzunehmen, da gezeigt werden konnte, daß die auf anderem Wege hergestellten und isolierten instabilen Diazachinone chemilumineszenzfähiger Hydra- zide bei der alkalischen Hydrolyse chemilumineszie- ren 35, 36, wobei die Lichtausbeute vom gleichzeitig anwesenden Wasserstoffperoxid bzw. Sauerstoff abhängt. Die Bildung eines entsprechenden Diazachi- nons bei der Chemilumineszenz-Reaktion des Lumi- nols wurde ebenfalls wahrscheinlich gemacht37. Es ist zu vermuten, daß sich aus dem Diazachinon ein Endoperoxid bildet, welches nach R a u h u t 13 durch simultane Spaltung mehrerer Bindungen in ein angeregtes Dicarbonsäuredianion und Stickstoff zerfällt (Formel V II). Die beobachtete Bildung eines Folgeproduktes, welches mit der eigentlichen Chemilumineszenz-Reaktion nichts mehr zu tun hat, scheint der Beziehung d[ F. P. ] / d t ~ [DNH ] [H 20 2] und evtl. [NaOH] zu gehorchen. Allerdings war die Bestimmung dieser Werte wegen der sehr geringen Transmissionsänderung recht ungenau, bei kleinen NaOH- Konzentrationen sogar unmöglich. Es kann jedoch gesagt werden, daß es sich bei kleinen NaOH-Kon- zentrationen um den Zerfall eines bei der Oxydationsreaktion entstandenen Produktes handelt. Welche Reaktionen sich im einzelnen abspielen, kann noch nicht gesagt werden. Auf jeden Fall führen sie zur Zerstörung des bei der Chemilumineszenz-Reaktion gebildeten lichtemittierenden Teilchens (Dicar- bonsäuredianions). Folgereaktionen dieser Art könnten die in der Literatur beschriebene fehlende Übereinstimmung zwischen Chemilumineszenz-Spektrum des reagierenden und Fluoreszenzspektrum des ausreagierten Reaktionsgemisches 16 erklären.

Der Deutschen Forschungsgemeinschaft sind wir für Personal- und Sachmittel zu großem Dank verpflichtet.

37 Y. T. O m o t e , T. M i y a k e u . N. S u g i y a m a , Bull. chem. Soc.Japan 40, 2446 [1967].