Research Collection

Doctoral Thesis

Beziehungen zwischen den physikalisch-chemischenEigenschaften, der chemischen Reaktivität und derlokalanästhetischen Wirkung bei Procain-Homologen

Author(s): Studach, Simon Peter

Publication Date: 1964

Permanent Link: https://doi.org/10.3929/ethz-a-000087603

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ETH Library

Prom. Nr. 3623

Beziehungen zwischen

den physikalisch-chemischen Eigenschaften,der chemischen Reaktivität und der

lokalanästhetischen Wirkungbei Procain-Homologen

Von der

EIDGENÖSSISCHEN TECHNISCHEN

HOCHSCHULE IN ZÜRICH

zur Erlangung

der Würde eines Doktors der Naturwissenschaften

genehmigte

PROMOTION SARBEIT

vorgelegt von

SIMON PETER STUDACH

eidg. dipl. Apotheker

von Tamins und Malans (Kt. Gratfbünden)

Referent: Herr Prof. Dr. J. Büchi

Korreferent: Herr Prof. Dr. X. Perlia

Juris-Verlag Zürich

1964

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Meinen Eltern

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Meinen hochverehrten Lehrern, Herrn Prof. Dr. J. B ü c h i

und Herrn Prof. Dr. X. P e r 1 i a, möchte ich für das meiner

Arbeit stets entgegengebrachte Interesse und die vielen wert¬

vollen Anregungen herzlich danken.

Herrn R. Schwegler, Verwalter des Pharmazeutischen

Institutes der ETH, bin ich für sein persönliches Wohlwollen

ebenfalls zu aufrichtigem Dank verpflichtet.

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- 7 -

INHALTSÜBERSICHT

1. Einleitung 9

2. Allgemeiner Teil 10

2. 1 Arzneimittelsynthetische Abwandlungen des Procain- 10

Moleküls

2.2 Zusammenhänge zwischen Konstitution und Wirkung 11

2.3 Physikalisch-chemische Eigenschaften, chemische 15

Reaktivität und lokalanästhetische Wirkung

3. Experimenteller Teil 20

3. 1 Synthese der Procain-Homologen 20

3.2 Reinheitsprüfungen und Gehaltsbestimmungen des 24

Untersuchungsmaterials

3.3 Bestimmung der IR-Spektren 26

3.4 Quantitative, UV-spektrophotometrische Bestimmung 28

der Versuchsstoffe

3.5 Bestimmung der pKs-Werte und Berechnung des 31

Ionisationsgrades

3.6 Bestimmung des Trübungs-pH und Berechnung der 36

Basenlöslichkeit

3.7 Bestimmung des Diffusionsvermögens 40

3.8 Bestimmung des Verteilungskoeffizienten 42

3.9 Bestimmung der Oberflächenaktivität 45

3. 10 Bestimmung der Adsorbierbarkeit 47

3. 11 Bestimmung der Verseifbarkeit 50

4. Zusammenstellung der physikalisch- che- 54

mischen und pharmakologischen Unter¬

suchungsresultate

5. Zusammenfassung 57

6. Literaturverzeichnis 59

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- 9 -

1. EINLEITUNG

Zum weiteren Studium des Problems einiger Zusammenhänge zwischen

den physikalisch-chemischen Eigenschaften und der lokalanästhetischen

Wirkung untersuchten wir eine Anzahl Homologen der Procain-Reihe,

welche an Stickstoff gebundene endständige und zwischenständige Alkyl-

ketten unterschiedlicher Länge enthalten.

Zu diesem Zweck synthetisierten wir die folgenden zwei Verbindungs¬

reihen:

N-Alkyl- Homologe

'2\~)^"0"CH2"CVH -CH33.

Cl

'CH„

+ CH-CH

O-CH-CH - N'. Cl

H CH2-CH3

+ CH - CH - CH

CH-CH -N^ 2.

Cl

H CH2-CH2-CH3

+ CH -CH-CH,-CH,CH-CH -N^

'

.Cl

H CH2-CH2-CH2-CH3

Alkylen- Homologe

+ CH-CH

O-CH -CH- N^'

. Cl

". CVCH3

+ CH-CH

CH-CH--CH," N.

Cl' 2 '

H^

CH-CH

+ CH-CH

CH.-CH-CH-CH,- N^ .Cl

2222

H^CH2-CH3

Diese Stoffe wurden auf jene physikalisch-chemischen Eigenschaften

geprüft, die für den Antransport zur Nervenzelle und das Eindringen

in die Nervenmembran wichtig sind.

- 10 -

ALLGEMEINER TEIL

2. 1 Arzneimittelsynthetische Abwandlungen des Procain-Moleküls

Nachdem Einhorn (1) 1900 auf die lokalanästhetische Wirkung des

4-Amino-benzoesäure- -diäthylamino-äthylester-hydrochlorids hinge¬

wiesen und Braun ( 2 ) 1905 diese Verbindung unter dem Namen

Novocain in die Medizin eingeführt hatte, wurde auch den Homologen

dieses Esters besondere Aufmerksamkeit geschenkt.

Durch systematische arzneimittelsynthetische Abwandlung des Novocain-

Moleküls wurden eine ausserordentlich grosse Anzahl von Substanzen

mit lokalanästhetischer Wirkung synthetisiert und zahlreiche Pharmaka

gefunden, die von Carney (3) übersichtlich zusammengestellt

wurden.

Das Procain-Molekül bietet arzneimittelsynthetisch betrachtet folgende

Abwandlungsmöglichkeiten:

NH2~W"": - ° " CH2 " CH2 " K1 1 i 1 CH2-CH3

1111 1

1 Aenderung der aromatischen Aminogruppe,

2 Einführung weiterer Substituenten in den Ring,

3 Austausch des Estersauerstoffes gegen -S-, -NH-, -CH -,

4 Verlängerung und Verzweigung der zwischenständigen Alkylenkette,

5 Aenderung der aliphatischen Aminogruppe.

- 11 -

2. 2 Zusammenhänge zwischen Konstitution und Wirkung

2. 2. 1 Allgemeines Bauprinzip der Lokalanästhetica

Nach Löfgren (4) sind bei den lokalanästhetisch wirksamen Ver¬

bindungen mit wenigen Ausnahmen immer folgende drei Strukturele¬

mente zu finden :

Aromatischer

Rest

(lipophil)

Aminogruppe

(hydrophil)Zwischenkette

z. B Procain

NHLr\ C-5-CH2-CH2 N

/CH2 -CH3\.CH2-CH3

Diese Strukturelemente müssen in einer gewissen Weise aufeinander

abgestimmt sein, zumal es Verbindungen gibt, die diesen Vorstellungen

entsprechen, jedoch schwach wirksam oder unwirksam sind.

Ueber die Bedeutung der einzelnen Teilglieder lässt sich folgendes

aussagen:

2. 2. 2 Aromatischer Rest

Als aromatische Reste haben sich im allgemeinen einfache, besonders

aber substituierte Phenylreste als günstig erwiesen. Die lokal-

anästhetische Wirkung wird durch Einführung von Halogen-, Amino-,

Methyl- und Alkoxygruppen in den Benzolring verstärkt, in vielen

Fällen überhaupt erst erzeugt ( 5 - 8 ) .

- 12 -

Der aromatische Rest kann durch heterozyklische oder gesättigte und

ungesättigte aliphatische Reste ersetzt werden, wenn diese gross genug

sind, um den Verbindungen den nötigen lipophilen Charakter zu ver¬

leihen ( 9 - 11 ).

2. 2. 3 Zwischenkette

Die Natur der Zwischenkette bestimmt weitgehend die Zugehörigkeit der

einzelnen Derivate zu den verschiedenen chemischen Körperklassen (12).

In der Estergruppe beim Procain kann der Aethersauerstoff durch an¬

dere z. T. isostere Gruppen wie -S- (Thiocain^-') oder -NH-

(Procainamid) ersetzt werden, wobei ein S-Atom eine stärkere leitungs-

anästhetische Wirkung als ein SauerStoffatom gibt (13, 14 ), die Säure-

amidgruppe jedoch nur äusserst schwach wirksam ist ( 14, 15 ).

Durch Verlängerung und Verzweigung der zwischen Stickstoff und Carbonyl-

gruppe stehenden Alkylenkette tritt in der Regel eine Steigerung der Ober¬

flächen- und leitungsanästhetischen Wirkung und der Toxizität ein

( siehe Tab. 2. 2. - 1 ) .

2. 2. 4 Aminogruppe

Durch Substitution der aliphatischen Aminogruppe erhalten wir primäre,

sekundäre und tertiäre Amine. Bei den Substituenten handelt es sich mei¬

stens um Alkylgruppen, wobei mit zunehmender Länge dieser Reste eine

Steigerung der Wirksamkeit und der Toxizität eintritt. Derivate mit ver¬

zweigten Alkylresten sind in der Regel weniger wirksam als die entspre¬

chenden Homologen mit normaler Alkylkette ( 3 ) .

- 13 -

Anästhetica mit primärer Aminogruppe sind praktisch unwirksam und

wenig stabil, sekundäre Amine sind meistens länger wirksam aber

stärker reizend und weniger stabil als tertiäre. Eine Quaternisierung

der basischen Aminogruppe hat in der Regel eine sich langsam ein¬

stellende, aber langandauernde Wirkung zur Folge ( 16 ).

In Tab. 2.2.-1 ist eine Anzahl von Adams (17) synthetisierter

Procain-Homologen zusammengestellt, die sich durch die Länge und

Verzweigung der an den Sti ckstoff gebundenen endständigen und zwischen¬

ständigen Alkylenketten unterscheiden. Diese wurden von Mc Guigan

(18), Sacks (19), Meeker ( 20 ) und Schmitz (21) auf

ihre Oberflächen- und leitungsanästhetischen Eigenschaften geprüft und

bezüglich der bekannten Wirkung mit Cocain verglichen. Die Befunde

dieser Autoren zeigen deutlich, dass in allen Reihen mit zunehmender

Länge der N-Alkyl- und Alkylenketten eine Steigerung der Wirkung und

der Toxizität eintritt, wobei teils die Derivate mit normaler, teils die

mit verzweigter C-Kette überwiegen.

- 14 -

Tabelle 2.2-1

Abhängigkeit der Wirkungs starke einiger Procain-Homologen von

der Anzahl Methylengruppen der zwischen- und endstandigen C-Ketten.

Hydrochloride Xtokalanasthetxecher Toxizität

f~\ S Index M.D.L.

NH2\ /-c~°-*'•• (Cocain - 1) ms/kg

weisse

Oberfläche Leitung Ratte

-C-CN-(C)2 unwirksam 0,25 ungiftig

-C-C-N-(C-C)2 0,20 0,16 150

-C-C-N-(c-C-C) 0,25 1,7 100

-C-C-N-(C-C-C-C)

-C-C-N-(C-C-C-C-C)

0,62 2,0 50»*

2,38 125

~C-C-C-N-(C)2 unwirksam - 400

-C-C-C-N-(C-C)2 0,50 0,50 125

-C-C-C-N-(C-C-C)2 4,0 0,4 100

-C-C-C-N-(C-C-C-C)

-C-C-C-N-(C-C-C-C-C)

0,75 0,9 75••

2,12 - 75

-C-C-N-(C-C)2 0,44 3,0 100

-C-C-N-(C-C-C)C

*

-C-C-N-(Ç-C-C)

2,0 0,25 100

*

2,0 2,0 100

C*

-C-C-N-(C-C-C-C)C

••

2,38 - 50

-C-C-C-N-(C-C)c

z

-C-C-C-N-(C-Ç-C)2

- 2,7 75

zu stark 0.7 200

reizend.-C-C-C-N-(Ç-C-C)

C

-C-C-C-N-(C-C-C-C)C

1,16 - 75

1,67 - 75

-C-C-N-(C-C)2 0,20 0,16 150

-C-C-C-N-(C-C) 0,50 0,50 125

-C-C-C-C-N-(C-C) 0,71 0,50 75

-C-C-C-C-C-N-(C-C) 1,07 - 100

-C-C-N-(C-C)2 0,67 - 275

-C-C-N-(C-C-C-C)C

-C-C-N-(C-C)C-C-C-C-C

0,74 - 125

1,07 - 100

* •*

reizend. korrosiv

- 15 -

2. 3 Physikalisch-chemische Eigenschaften, chemische Reaktivität

und lokalanästhetische Wirkung

2. 3. 1 Physikalisch -chemische Eigenschaften

Die Wirksamkeit der Lokalanästhetica setzt gewisse physikalisch¬

chemische Eigenschaften voraus, deren Bedeutung für das Verhalten der

Wirkstoffe im Organismus von Büchi (9, 24 ) und Büchi und

Per lia ( 12 ) mehrmals eingehend erörtert und untersucht wurde.

Sie stellten fest, dass sich in homologen Reihen bestimmte Eigen¬

schaften in der für die pharmakologische Wirkung günstigen, andere in

ungünstiger Richtung verändern. Entsprechend tritt für jenes Glied der

homologen Reihe die maximale Wirksamkeit auf, auf welchem die op¬

timale Kombination der verschiedenen gegenteiligen Effekte vorhanden

ist.

Basizität, Wasserlöslichkeit der Basen, Stabilität und Lipoidlöslichkeit,

sowie Oberflächenaktivität, Diffusionsgeschwindigkeit und Adsorbier-

barkeit schienen uns von dominierendem Einfluss zu sein und werden

im experimentellen Teil der vorliegenden Arbeit näher diskutiert.

2. 3. 2 Chemische Reaktivität

Neben den physikalisch-chemischen Eigenschaften kommt der chemischen

Reaktionsfähigkeit der Lokalanästhetica zweifellos eine grosse Bedeu¬

tung zu. Durch eine bestimmte Elektronenverteilung im Wirkstoffmole¬

kül kommt es zur Ausbildung reaktiver Gruppen, welche die lokal-

anästhetische Wirksamkeit stark beeinflussen können. So besitzen die

untersuchten Procain-Homologen und sehr viele andere Lokalanästhetica

+

stets eine positiv geladene aliphatische Aminogruppe -N= und eine

^OH

anionische Carbonylgruppe - C-—,deren Dipolcharakter durch ge-

CH2-CH38+nC'—CH„—CH<-O—b-C

32-^—

CH„CH„—88+8+_

Cf/N8"

/H2^V

:)22(induziert88senordnung

Grös-kleinererLadungpositiveweitereeineC-Atombenachbartendem

aufValenzelektronenderAnziehungdurch-C—O-DipolsdesC-Atom

demauf8LadungpartielledieindemKetteneffekt),oder(induktiver

ZwischenkettedieüberElektronenverschiebungeineandererseits

(Feldeffekt),hinwegLösungsmittelmoleküleüberoderRaumleerenden

überWechselwirkungelektrostatischeeineeinerseitsentstehenMolekül

imDipolenvonAnwesenheitdiedurchundIonenladungensolcheDurch

_CHC-^-CH2-CH2-NXCHH2N^FCH2-IT)

S"^N<£/-C"^"CH2-CH2-N^ch2-cH3_/CH2-CH3-/=\r"I

"ÔIOI

CH2-CH3

-/CH2_CH3-~"\—

-=>/ _=\MI

8T

führt:Effektgegenteiligenzumbindungssystem

Doppel¬konjugiertedasin-Gruppe-CHeinerEinschaltungdieoder

4-Stellungin)-COR,-COOR,-NO(Substituentenanziehenden

elektronen¬einesEinführungdiewährendkann,werdenaktiviert

)-OR-OH,,-NHR,-NH(BenzolringamSubstituenteneignete

-16-

- 17 -

Diese Effekte, zusammen mit dem mesomeren Effekt und den rein ste-

rischen Wirkungen der Substituenten, wurden in der Arbeit von Müller

( 23 ) ausführlich besprochen, der auch die damit in engem Zusammen¬

hang stehenden physikalisch-chemischen Eigenschaften wie Basizität und

Esterstabilität untersucht hat.

2. 3. 3 Lokalanästhetische Wirkung

Die einheitliche Molekülstruktur vieler Lokalanästhetica - lipophiler

Rest, Zwischenkette, hydrophiler Rest und reaktive Gruppen - deuten

auf das Vorhandensein eines Rezeptors im Organismus, der den be¬

kannten Strukturelementen entspricht ( s. Abb. 233-1 ) .

Aromatischeroder

heferocyclischerllestm aromatischemCharakter

(lipophiler Teil)

AminogruppeihyûmphilerTeil)

Mchenkette

iß Procain:

7l-

Uli1iY

-BLBL

H/W<Z "'2

-H-®

V 0 E

il jj ji

Nil

Hypothese einer Wirkstoff-Rezeptor-BindungV = van der Waals'sche Bindungskräfte. D = Dipol-Dipol-Bindungen.

E = Elektrostatische Bindungen.

Abbildung 233-1

Lokalanästheticum-Rezeptor-Bindung

- 18 -

Der Abstand zwischen der Carbonylgruppe und dem aliphatisch gebun¬

denen Stickstoffatom beträgt bei den in Tab. 2. 2. -1 aufgeführten

Alkylenhomologen 4-7 Bindungslängen, bzw. etwa 6 - 10, 6 A.

Nach Nachmansohn und Wilson (51) konkurrieren die Lokal-

anästhetica auf Grund ihrer ähnlichen Struktur mit dem Acetylcholin um

das Acetylcholin-Rezeptor-Protein:

CH3—H-CHfCHrE-CA à+\\à-

CH3 ) ! 0)'! Hß

anioniscfi(Fmenn esleratisch

Receptor

Abbildung 233-2

Cholinesterase-Rezeptor

Wird dieses durch ein Lokalanästheticum besetzt, so kann das Acetyl¬

cholin nicht an den Rezeptor gelangen und wird sofort von der Cholin¬

esterase hydrolysiert. Damit kann es seine depolarisierende Wirkung

auf die Membran nicht mehr zur Geltung bringen und die Fortpflanzung

des Impulses ist unterbrochen.

- 19 -

Nach dieser Hypothese muss der Arzneistoff bei der Leitungsanäs¬

thesie durch die Gewebszellen in die Umgebung der Nervenendigungen

und -bahnen gelangen, um an der Nervenmembran eine Wirkstoff-

Rezeptor-Bindung eingehen zu können. Dass bei diesen Vorgängen den

erwähnten physikalisch-chemischen Eigenschaften der Wirkstoffe eine

grosse Bedeutung zukommt, braucht nicht besonders betont zu werden.

Bezüglich Wirkungsmechanismus und Allgemeinwirkungen der Lokal-

anästhetica verweisen wir auf die ausführlichen Arbeiten von Büchi

und Perlia (12), Zipf ( 25 ) und Watson (26). Letzterer

gibt eine kritische Zusammenstellung der Theorien über die Wirkungs¬

weise der Lokalanästhetica.

- 20 -

EXPERIMENTELLER TEIL

3.1 Synthese der Procain-Homologen

3.1.1 Allgemeine Darstellungsmethoden

4-Amino-benzoesäure-dialkylamino-alkylester werden im allgemeinen

nach folgenden Methoden hergestellt :

311.1 Umsetzung von 4-Nitrobenzoylchlorid mit einem Dialkylamino-

alkohol und anschliessende Reduktion des Nitroesters (1, 17 )

N02\ /k ~ C1 + H

R

0-(CH2)n-N<R

311. 2 Umsetzung eines w-Halogenalkylesters der 4-Nitrobenzoesäure

mit einem Dialkylamin und anschliessende Reduktion des Nitro¬

esters ( 27 )

NO 7y?_o-(CH2)n- Hai + H —N*R

311. 3 Umsetzimg eines w-Halogenalkylesters der 4-Aminobenzoesäure

mit einem Dialkylamin unter Druck ( 1 ) :

NH.TV*-»-<CH2>n- Hai + H -N/

.R

*-R

311. 4 Direkte Veresterung von 4-Aminobenzoesäure mit einem Dialkyl-

aminoalkohol in konzentrierter Schwefelsäure ( 28 ) :

<y- OH + H 0-(CH2)n-N<:Ry

- 21 -

311. 5 Umesterung von 4-Amino-benzoesäure-methylester mit einem

Dialkylaminoalkohol ( 29 )

NH,,-fM^\ /

•CH3 + H/R

0-(CH2)n-N^R

311. 6 Umsetzung von 4-Nitrobenzoesaurem Natrium mit einem

Chloralkyldialkylamin ( 30 ) :

NH.

/\9jf Vc-O - Na + Cl+(CH2)n-N:R

Wir beschränkten uns auf die Methoden 311.1 und 311. 2, welche längstens

als Standardmethoden für die Synthese solcher Verbindungen bekannt

sind.

- 22 -

3. 1. 2 Praktische Ausführung

Ausser Di-n-propylaminoäthanol, Diäthylamino-n-butanol und dem

4-Nitro-benzoesäure-S-halogen-n-butylester waren alle zur Synthese

der Ester benötigten Ausgangsverbindungen im Handel erhältlich.

312. 1 Herstellung der Dialkylaminoalkohole

Di-n-propylaminoäthanol ( 17, 31 ) : 2 Mole Di-n-propylamin wurden auf

100° erwärmt und unter ständigem Rühren tropfenweise mit 1 Mol

2-Chloräthanol oder 2-Bromäthanol versetzt. Nach 8stündigem Erwär¬

men auf 100° wurde das Reaktionsprodukt eisgekühlt, mit 75 ml 40-proz.

Natronlauge versetzt und zweimal mit 250 ml Benzol ausgeschüttelt. Die

Benzolschicht wurde abgetrennt, mit wasserfreiem Natriumsulfat ge¬

trocknet und destilliert. Der Rückstand, der nach einfacher Destination

bis 130° hinterblieb, wurde im Vakuum fraktioniert destilliert.

Sdp. : 80° ;. d 20: 0, 8576 ; Ausbeute 31%.

Diäthylamino-n-butanol ( 32 ) : Zu 1 Mol 4-Chlor-n-butanol wurden

6-7 Mole Diäthylamin gegeben. Nach 8wöchigem Stehen lassen bei

Raumtemperatur wurde das ausgefallene Diäthylammoniumchlorid abfil¬

triert und das überschüssige Diäthylamin abdestilliert. Der Rückstand,

der nach einfacher Destillation bis 110° hinterblieb, wurde im Vakuum frak¬

tioniert destilliert. Sdp. fi: 104-106° ; d

240, 879. Ausbeute 58%.

312. 2 Herstellung der 4-Nitro-benzoesäure-ai -halogenalkylester

4-Nitro-benzoesäure- 8 -brombutylester ( 33 ) : 1 Mol fein gepulvertes4-Nitro-benzoesaures Natrium wurde mit 4 Molen 1,4- Dibrombutan und

5 Tropfen Diäthylamin 4 Stunden lang auf 150° erhitzt. Das überschüs¬

sige Dibrombutan wurde im Vakuum abdestilliert, und der Rückstand er¬

starrte beim Aufnehmen in Petroläther. Smp. : 42-43° ( ohne Um-

kristallisation ). Ausbeute 18%.

- 23 -

4-Nitro-benzoesäure- 8 -chlorbutylester ( 34 ) : 1 Mol 4-Nitro-benzoyl-chlorid wurde mit 1 Mol 4-Chlor-n-butanol auf dem Oelbad auf 120-125°

erhitzt. Nach Beendigung der Salzsäure-Entwicklung Hess man erkalten

und wusch das erstarrte Produkt mit Wasser und Petroläther.

Smp. : 35-37° ( ohne Umkristallisation ) .Ausbeute 90%.

312.3 Herstellung der 4-Amino-benzoesäure-dialkylamino-alkylester

hydrochloride

Methode 311. 1 ( aus 4-Nitro-benzoylchlorid ) ; Zu einer Lösung von

1 Mol 4-Nitro-benzoylchlorid in 1 1 Benzol Hess man tropfenweise 1

Mol eines Dialkylaminoalkohols zufliessen. Diese Lösung wurde unter

ständigem Rühren während 3 Stunden auf dem Wasserbad am Rückfluss

auf etwa 60° erwärmt. Nach Abkühlen auf Zimmertemperatur wurde das

ausgefallene Hydrochlorid des 4-Nitro-benzoesäure-dialkylamino-alkyl-esters abgenutscht und bei etwa 60° getrocknet.

Zur Aufarbeitung löste man die trockene Substanz in Wasser, filtrierte

und schüttelte dreimal mit Aether aus. Die wässrige Lösung des Hydro-chlorids wurde dann mit Natriumcarbonat alkalisch gemacht, die Base

abgenutscht oder wenn flüssig im Scheidetrichter abgetrennt und in Benzol

gelöst. In die mit wasserfreiem Natriumsulfat getrocknete benzolische

Lösung leitete man trockenes HCl - Gas ein bis das Hydrochlorid des

4-Nitro-benzoesäure-dialkylamino-alkylesters vollständig ausgefällt war.

Die so gereinigte und bei 60° getrocknete Nitroverbindung wurde in etwa

90-proz. Aethylalkohol gelöst und nach Zusatz von etwa 2% Palladium¬

kohle ( 10% Pd ) katalytisch hydriert. Nach Beendigung der Wasserstoff¬

aufnahme wurde die alkoholische Lösung am Rotationsverdampfer einge¬

engt. Das Hydrochlorid des 4-Amino-benzoesäure-dialkylamino-alkyl-esters kristallisierte jeweils in der Kälte aus.

Ausbeuten : 30-70% der Theorie.

Methode 311.2 (aus 4-Nitro-benzoesäure- w -halogen-alkylester ) :

1 Mol eines cj-Halogenalkylesters wurde mit 2 Molen Diäthylamin5 Stunden am Rückflusskühler gekocht. Das Reaktionsprodukt wurde

hierauf in Benzol aufgenommen und nach Abtrennung des ausgefallenenDiäthylammoniumhalogenids mit verdünnter Salzsäure extrahiert. Die

salzsaure, wässrige Lösung des 4-Nitro-benzoesäure-diäthylamino-n-alkylesters wurde dann nach Methode 311. 1 aufgearbeitet.Ausbeuten : 20-40% der Theorie.

- 24 -

3. 2 Reinheitsprüfungen und Gehaltsbestimmungen des Untersuchungs-

materials

Die Reinheitsprüfungen und Gehaltsbestimmungen unserer Versuchs¬

stoffe ergaben die in Tab. 3. 2-1 zusammengestellten Resultate.

Die Gehaltsbestimmung erfolgte nach Salvesen (35) durch Titration

der Hydrochloride mit Perchlorsäure in wasserfreiem Milieu nach

Acetylierung der primären Aminogruppe wie folgt:

0, 200g Substanz werden in 20 ml eines Gemisches von Essigsäureanhydridund Eisessig p. a. im Verhältnis 1:5 gelöst. Danach wird bis zum Kochen

erwärmt und abgekühlt. Man fügt 20 ml Dioxan und 10 ml Mercuriacetat

5% bei und titriert mit Perchlorsäure unter Verwendung von Kristall-

violett I als Indikator bis zum Farbumschlag von violett auf blau. Wird

zu schwach erwärmt, so verläuft die Acetylierung unvollständig, der

Umschlag wird dann unscharf und die Resultate unbrauchbar.

Reagenzien: - Perchlorsäure-T 0, IN, Ph. Dan. DC Add. 1954

- Kristallviolett I, Ph. Dan. IX Add. 1954(0,1%)- Mercuriacetat-R, Ph. Dan. IX Add. 1954 ( 5% )

Die von uns hergestellten Versuchssubstanzen erwiesen sich als genügend

rein, um die physikalisch-chemischen Eigenschaften und die chemische

Reaktionsfähigkeit bestimmen zu können.

ldanken

bestens

Stelle

dieser

an

auch

wir

wofür

durchgeführt,

Lehner)

H.

Dr.

(Leiter

Bern

AG

WANDER

der

Forschungsinstitutes

des

Abteilung

analytischen

der

in

wurden

Elementaranalysen

Die

*)

67

100,

5?167-168,

11,78

9,31

8,37

59,88

59

11,

9,28

8,34

59,74

3oo,823

C15H

25°2

N2C1

C2H5

4

100,18

159-

160°

12,36

9,76

8,08

58,62

12,37

9,69

7,99

58,46

286,797

C14H

23°2

N2C1

C2H5

3

48

100,

5°167-168,

67

lo,

8,51

8,88

08

62,

10,67

8,57

8,74

61,89

328,875

C17H29°2N2C1

C4H9

2

100,39

198-20

0°11,78

9,31

8,37

59,88

11,82

9,32

8,31

59,74

300,823

C15H

25°2

N2C1

C3H7

2

100,30

152-

153°

-

10,27

7,76

57,23

-25

10,

7,93

57,19

272,771

C13H

21°2

N2C1

C2H5

2

100,10

182-

183°

14,48

11,44

7,00

53,98

14,30

11,26

6,96

53,81

244,719

C11H17°2N2C1

CH3

2

%

Gehalt

korr.

Smp.

Cl

NH

berechnet

CCl

N

nden

Elementaranalyse

H

gefu

C

-Gew.

Mol.

Bruttoformel

=R

n=

C1"

'

NH2-{3"*

"°~(

CH2)

n~H\

R

Versuchsstoffe

der

Gehaltsbestimmung

und

Schmelzpunkt-

,Elementaranalyse

der

Resultate

*)

-1

2.

3.

Tabelle

- 26 -

3. 3 Bestimmung der IR-Spektren

3. 3. 1 Allgemeines

Erfahrungsgemäss sind funktionellen Gruppen wie -OH, -NH,

=C=0, -C=C- usw. bestimmte Absorptionsbanden im infraroten

Spektralbereich zuzuschreiben, die sich nur relativ wenig in Abhängig¬

keit vom übrigen Molekül verschieben. Fast alle Verbindungen mit einer

Carbonylgruppe, die nicht zugleich otß-ungesättigt sind, zeigen beispiels¬

weise eine starke C=0-Bande zwischen 1700 und 1800 cm .Diese

charakteristischen Sehwingungsbanden aller möglichen Atomgruppierun¬

gen erlauben eine Aufklärung der chemischen Konstitution von Stoffen.

3. 3. 2 Durchführung der Bestimmung und Resultate

Die IR-Spektren unserer VersuchsStoffe wurden mit 2, 5-proz. Lösungen

der Hydrochloride und Basen in Chloroform sowie als Kaliumbromid-

Presslinge bestimmt. Die C=0-Frequenz sämtlicher Verbindungen lag

zwischen 1698 und 1702 cm".

In Abb. 3. 3. -1 wird deshalb nur das IR-

Spektrum des Procains aufgeführt.

Abbildung 3.3.-1

IR - Spektrum von Procain

- 27 -

3. 3. 3 Diskussion

Die IR-Spektren der Procain-Homologen zeigen, dass in der Elektronen¬

verteilung der Carbonylgruppe kein Unterschied vorhanden ist, während

beispielsweise durch Einführung anderer Substituenten als -NH in

4-Stellung die C=0-Frequenz verändert werden kann, wie Galinsky

( 52 ) an einer Reihe verschieden substituierter Procain-Homologen

zeigte. Die Reaktivität der Carbonylgruppe wird also nur über den Ring,

nicht aber über die Alkylen-Zwischenkette durch andere Substituenten

beeinflusst. Die verschiedenen Wirkungsstärken unserer Versuchsstoffe

beruhen somit nicht auf einer unterschiedlichen chemischen Reaktivität

der Carbonylgruppe, sondern müssen vielmehr auf physikalisch-chemische

Eigenschaften der Derivate zurückgeführt werden.

Die IR-Spektren der Procain-Homologen zeigen auch, dass die Möglich¬

keit einer Wasserstoff-Brückenbildung zwischen Stickstoff- und Carbonyl¬

gruppe auszuschliessen ist und mit Assoziationserscheinungen der Wirk¬

stoffmoleküle somit nicht zu rechnen ist.

Die IR-Spektren wurden im Org. ehem. Laboratorium der ETH, unter

der Leitung von Herrn PD Dr. W. Simon, aufgenommen, wofür

wir auch an dieser Stelle bestens danken.

- 28 -

3. 4 Quantitative, UV-spektrophotometrische Bestimmung der

Versuchsstoffe

Für die quantitative Bestimmung der Versuchsstoffe wählten wir die UV-

spektroskopische Methode, welche sich nach Büchi und Per lia

( 12 ) am besten dazu eignet.

Die UV-Absorptionsspektren sämtlicher Derivate wurden mit einem

ZEISS-Spektralphotometer Modell PMQ II unter Verwendung von Quarz-

küvetten von 10 mm Schichtdicke aufgenommen. Der untersuchte Spektral¬

bereich lag zwischen 210 und 310 um. Die Lösungen wurden jeweils so

verdünnt, dass ihre Extinktionen im Messbereich von 0, 2 bis 0, 5 lagen.-5

Aus Messungen verschiedener Konzentrationen zwischen 2 und 20. 10

Mol wurden die Absorptionskurven der einzelnen Stoffe in Wasser und

Phosphatpuffer pH 7, 40 als Lösungsmittel bestimmt.

Die molaren Extinktionskoeffizienten und Konzentrationen der Lokalanäs¬

thetika in den einzelnen Lösungen berechneten wir nach folgenden Formeln:

E

£ =

c.

d

E

c = . Verdünnung. d

£ = molarer Extinktionskoeffizient

E =

gemessene Extinktion

c = Konzentration in Mol/1

d = Schichtdicke in cm

- 29 -

Die charakteristischen Absorptionsmaxima X und die molarenmax

Extinktionskoeffizienten der VersuchsStoffe sind in Tab. 3. 4. -1

zusammenge stellt.

Tabelle 3.4.-1

Absorptionsmaxima und molare Extinktionskoeffizienten

'2\_J%- °-(CH2)n-|\'Wasser

Phosphatpuffer

pH 7,4

n= R =

Xmax

[nmj6

X max

[nmj eX max

[nm]E

2

2

2

2

CH3

C2H5

C3H7

C4H9

290

290

290

290

18250

18200

18150

18200

220

220

220

220

8850

8800

87 50

9100

290

290

290

290

17900

18100

17900

18100

2

3

4

C2H5

C2H5

C2H5

290

288

287

18200

17800

176 00

220

220

219

8800

8750

7960

290

288

288

18100

17750

17550

Die N-Alkyl-Homologen ergaben mit Procain übereinstimmende

Spektren, die Alkylen-Homologen hingegen zeigten geringe Abwei¬

chungen ihrer Extinktionskoeffizienten. Für die quantitative Bestim¬

mung der Versuchsstoffe wurden immer die Absorptionsmaxima bei

X= 290 nm, bzw. 288 nm verwendet. Abb. 3. 4. -1 zeigt die max.

Absorptionskurven des Procains und der 4-Aminobenzoesäure in

wässriger Lösung.

- 30 -

'20

15

10

Procain-Homologe

200 250 300 K[nm]

Abbildung 3.4.-1

UV-Absorptionsspektren von

Procain und 4-Aminobenzoesäure in Wasser

- 31 -

3. 5 Bestimmung der pKs-Werte und Berechnung des Ionisations¬

grades

3. 5.1 Allgemeines

Der pKs-Wert gibt an, bei welchem pH die Zahl der Basenmoleküle B

gleich der Zahl der ionisierten Moleküle BH ist ; je stärker eine

Base, umso höher ist ihr pKs-Wert ( 36 ).

Da unsere Versuchsstoffe zwei basische Stickstoffatome aufweisen,

müssen wir zwischen dem pKs -Wert für das stärker basische alipha¬

tische und dem pKs.-Wert für das schwächer basische N-Atom der

aromatischen Aminogruppe unterscheiden.

Mit Hilfe der pKs -Werte berechneten wir dann den Ionisationsgrad,

d. h. den prozentualen Anteil ionisierter Base (% BH ) und nicht ioni¬

sierter Base (% B) für den physiologisch wichtigen pH 7,40.

3. 5. 2 Bestimmung und Berechnung der pKs-Werte

Wir bestimmten die pKs -Werte unserer Versuchsstoffe durch potentio-

metrische Titration der Hydrochloride unter Verwendung eines Beck-

man Potentiometers Mod. GS.

Die Messungen wurden unter Stickstoff-

Begasung bei 20 (+ 1 ) und einer ionalen Stärke von jx= 0,1 mit einer

-3Konzentration an Substanz von 1 • 10 Mol/1 ausgeführt. Die konstante

ionale Stärke wurde durch Zusatz der berechneten Menge KCl herbei¬

geführt. Unter den angegebenen Konzentrationsverhältnissen werden die

Aktivitätskoeffizienten praktisch durch den im Ueberschuss anwesenden

Elektrolyt bestimmt, so dass sie und somit auch das Aktivitätenglied

konstant bleiben. Setzen wir also in die Definitionsgleichung

- 32 -

[Hl [AlK = (1)

[HA]

statt Aktivitäten Konzentrationen ein, so erhalten wir die sogenannten

Konzentrationskonstanten, die in unserem Fall für die Ionenstärke 0,1

gelten. Für die Berechnung des Gleichgewichtes

HA 5=i H+ + A" ( 2 )

muss die Konzentration der [H O J -Ionen gemessen werden, also

+d

die Glaselektrode auf HO -Ionen geeicht werden. Die Messanordnung

wird durch die Kette Glaselektrode / Lösung mit HA, KCl fi= 0,1 //

o, IM KCl Kalomelelektrode symbolisiert.

Gleichung ( 2 ) gibt die Ionisation einer schwachen Säure an,und nach

dem Massenwirkungsgesetz ist K durch Gleichung ( 1 ) gegeben. Gibt

man zu der Lösung einer schwachen Säure eine kleine Menge einer star¬

ken Base, so wird ein Teil der Säure neutralisiert. Bezeichnet man die

Gesamtkonzentration der schwachen Säure mit C,so ist

s

Cs = [HA] + [A-]

bzw. [HA] C [A"J

Durch Messung des pH der Lösung erhält man H,und OH ergibt

sich aus dem Ionenprodukt des Wassers zu

K

[OH"][H+]

Da nun die Menge zugesetzter Base

[ROH] = [A"] + [OH~]

- 33 -

ist, ergibt sich

[A-] = [KOHj - [0H"J

Durch Umwandlung von Gleichung ( 1 ) in den neg. log erhält man

- log K =- log [H+] - log

tA"]

[ha]

[A']pK = pH - log -—-

[HA]bzw.

Durch Einsetzen der gemessenen bzw. berechneten Werte von [A 1,

[H J und [HAj lässt sich der pK-Wert berechnen.

Die Resultate unserer Bestimmungen und die von Müller ( 23 )

spektrophotometrisch bestimmten pKs -Werte sind in Tabelle 3. 5. -1

zusammengestellt. Der Vollständigkeit halber führten wir dort auch

die pK-Werte der Hydrochloride in Eisessig und die der Basen in

Methylcellosolve / Wasser (MCS) auf, die im Organ. Chem. Labora¬

torium der ETH Zürich unter der Leitung von PD Dr. W.Simon

bestimmt wurden.

3. 5. 3 Berechnung des Ionisationsgrades

Die Berechnung des Ionisationsgrades erfolgte nach folgender Glei¬

chung ( 37 ) :

100

% BH =

i + io pKsi - pH

Die Resultate, angegeben in Anteil ionisierter Base BH und nicht

ionisierter Base B bei pH 7,40, sind in Tab. 3. 5.-1 zusammengestellt.

0,1

0,3

2,1

99,9

99,7

97,9

8,62

8,21

7,43

6,62

14

6,

8,52

8,38

8,38

2,41

2,36

2,21

10,38

9,99

9,07

C2H5

C2H5

C2H5

432

(1,6

)

1,81

2,5,3

(98,4)

98,2

97,9

94,7

6,98

7,02

7,43

7,20

6,13

6,13

6,14

6,07

8,33

8,30

8,38

8,42

2,21

2,20

2,21

2,20

(9,20)

9,14

9,07

8,65

C4H9

C3H7

C2H5

CHg

2222

%B

%BH+

7,4

pH

Ionisationsgrad

PKSl

pKMCS

PKs2

AcOH

pKSl

pK

pKs2

H2°

PKS;

1pK

=R

=n

2-\3^"°~(CH2)n~lN

Ionisationsgrad

und

pKs-Werte

-1

5.3.

Tabelle

- 35 -

3. 5. 4 Diskussion

Die pKs -Werte der N-Alkylhomologen und entsprechend ihre Ioni¬

sationsgrade bei pH 7, 4 steigen vom Dimethyl- zum Diäthyl-Homologen

stark an. Mit zunehmender Länge der Alkylsubstituenten steigt der ne¬

gative induktive Effekt nur noch sehr gering, die Zunahme der Basizität

vom Diäthyl- zum Dibutylderivat ist deshalb sehr schwach, jedoch noch

feststellbar, da ja stets zwei Alkylgruppen vorhanden sind. Die Bestim¬

mung der pKs -Werte ergab in dieser Reihe keinen Unterschied bei

Verlängerung der N-Alkylsubstituenten. Daraus ist zu schliessen, dass

es durch die verschiedenartige N-Alkylierung nicht zu einer Elektronen-

Verschiebung in den Benzolring und die aromatische Aminogruppe

kommt.

Die pKs.-Werte der Alkylenhomologen und entsprechend ihre Ionisations¬

grade bei pH 7, 4 steigen mit zunehmender Länge der Zwischenkette

stark an. Diese Zunahme der Basizität lässt sich durch die Abnahme des

Feldeffektes des Carbonyl-Dipols mit zunehmender Entfernung des ali¬

phatischen Stickstoffes erklären ( 23 ). Die Bestimmungen der pKs -

Werte von Müller ( 23 ) ergaben, dass mit zunehmender Länge der

Zwischenkette dieser Homologen auch die Basizität der aromatischen

Aminogruppe leicht erhöht wird.

Die Untersuche von Vliet und Adams ( 38 ), nach welchen eine

Vergrösserung der endständigen Alkylreste von der Aethyl- zur Amyl-

gruppe zu schwächeren Basen führen soll, entspricht nicht unseren Er¬

gebnissen und ist wohl auf mangelhafte Messmethoden zurückzuführen.

So ergibt beispielsweise auch die Umrechnung der von diesen Autoren

für Procain bestimmten Basizitätskonstante einen pKs -Wert von

11, 09, was sicher nicht der Wirklichkeit entspricht.

- 36 -

3. 6 Bestimmung des Trübungs-pH und Berechnung der Basenlöslichkeit

3. 6. 1 Allgemeines

Unter Trübungs- oder Fällungs-pH versteht man den pH-Wert, bei dem

die erste bleibende Trübung durch ausgeschiedene Base auftritt, wenn

man die Lösung eines LA - Salzes mit Lauge titriert. Das Trübungs-

pH ist abhängig von der Löslichkeit der Stoffe, der Temperatur, der

Konzentration und der Ionenstärke der Lösung.

Aus dem Trübungs-pH und dem pKs-Wert der VersuchsStoffe kann die

Wasserlöslichkeit der Basen ausgerechnet werden.

3. 6. 2 Versuchsanordnung

Zur Ermittlung der Trübungs - pH wurde die gleiche Messanordnung ver¬

wendet wie zur Bestimmung der pK - Werte.

0, IM Lösungen der Lokalanästhetica-Hydrochloride in Wasser, bzw.

0, 001M Lösungen in 0, IN KCl bei den stark lipophilen Estern, wurden

mit 0, IN CO -freier KOH titriert, bis die erste Trübung durch ausge¬

fallene Base auftrat. Darauf wurde mit 0, IN HCl bis zum Verschwinden

der Trübung zurücktitriert und das pH der Lösung bestimmt.

Aus den nach 3. 6. 3 berechneten Basenlöslichkeiten und den pKs -

Werten der VersuchsStoffe wurden dann die in Tab. 3. 6. -1 aufgeführten

Trübungs -pH für eine Gesamtendkonzentration c = 0, IM berechnet.

- 37 -

3. 6. 3 Berechnung der Wasserlöslichkeit der Basen

Die Basenlöslichkeit s berechneten wir aus den ursprünglich erhal¬

tenen Fällungs-pH und den pKs -Werten der Versuchsstoffe.

In Lösung dissoziiert die schwache Säure HB in

HB + H20 ^=ä H 0+ + B ( 1 )

Da die Konzentration der nicht ionisierten Form B in der Lösung von

HB praktisch konstant ist, ist

S0" M

.61<2>

Nach dem Massenwirkungsgesetz gilt für ( 1 )

[H3°+] W, %K =

—2(3)

[HB]

[H3°+] [Blbzw. HB =

ö J

(4)Ks

Die Gesamtlöslichkeit der schwachen Säure besteht aus der Konzen¬

tration der undissoziierten Form und der dissoziierten Form, also

s = [B] [HB] (5)

Durch Substitution von ( 2 ) und ( 4 ) in ( 5 ) erhält man

tH3° ] [Sol

bzw.

so+

K

so+

sc[H3°+]

'K

so1 +

[H30+]

K

- 38 -

Die Löslichkeit der Base ergibt sich hieraus

[B] = s0

1 +

[H30+]

K

[B]

1 + 10PK - pH

Die nach dieser Gleichung errechneten Basenlöslichkeiten der

Procain-Homologen sind in Tab. 3. 6. -1 zusammengestellt.

Tabelle 3.6.-1

Trübungs-pH und Wasserlöslichkeit der Basen

NH<y+ ,B.

O-(CH) -^H ^R

Cl

Trübungs-pH Wasserlöslich¬

berechnet für keit der Basen

n= R =

PKSi0,1M

LösungmMol

2 CH3 8,65 10 100

2 C2H5 9,07 8,64 27

2 C3H7 9,14 6,62 0,3

2 C4H9 9,20 6,43 0,17

2 C2H5 9,07 8,64 27

3 C2H5 9,99 9,16 12,9

4 C2H5 10,38 9,03 4,3

- 39 -

3.6.4 Diskussion

Nach Koelzer und Wehr (39) kann der Trübungs-pH-Wert als

Mass für die Gewebsverträglichkeit eines Stoffes betrachtet werden.

Ein Vergleich der pharmakologischen Prüfungsresultate mit den

Trübungs-pH-Werten unserer Versuchsstoffe bestätigt die von diesen

Autoren aufgestellte Regel, wonach gut verträgliche Lokalanästhetica

hohe, solche mit grosser Reizwirkung niedrigere Trübungs-pH auf¬

weisen.

Im übrigen sind die Homologen mit verschieden langen, endständigen

Alkylketten umso wirksamer, je tiefer ihr Trübungs-pH liegt.

Bei den Derivaten mit unterschiedlicher Länge der Zwischenkette

ist keine Gesetzmässigkeit vorhanden, da wegen der wesentlich

schlechteren Wasserlöslichkeit des 4-Amino-benzoesäure-diäthyl-

amino-butylesters die Base schon bei tieferem pH ausfällt als die

des entsprechenden Propylesters.

Die Wasserlöslichkeit der untersuchten Lokalanästhetica nimmt in

beiden Reihen mit zunehmender Wirkungsstärke und steigendem

Molekulargewicht ab.

- 40 -

3. 7 Bestimmung des Diffusionsvermögens

3. 7. 1 Allgemeines

Als Diffusion bezeichnet man die freiwillige Wanderung von Molekülen

oder Partikeln einer Substanz von einer Schicht höherer Konzentration

c. zu einer Schicht niedrigerer Konzentration c„. Die in Richtung des

Konzentrationsgefälles pro Zeiteinheit abfliessende Stoffmenge ist nach

dem F i c k ' sehen Gesetz ( 45 ) bei konstanter Temperatur propor-

c

tional dem Konzentrationsgradienten _J_ und dem Querschnitt an der

c2Berührungszone der beiden Schichten. Die Bewegung der gelösten Par¬

tikel beruht auf der im einzelnen völlig regellosen Brown'schen Mole¬

kularbewegung und ist von der Temperatur und der innern Reibung des

Mediums sowie vom Radius der diffundierenden Moleküle abhängig. Durch

Bildung von Ionenhydraten oder Molekülassoziaten könnte die Molekül-

grösse verändert werden, was bei der Beurteilung der Diffusionswerte

allenfalls berücksichtigt werden muss.

3. 7. 2 Versuchsanordnung

Wir bestimmten die Diffusionswerte unserer Versuchsstoffe aus einer

-3 -310-10 M Lösung ( bzw. einer 5 • 10" M Lösung für das Hydrochlorid

des 4-Amino-benzoesäure-dibutylamino-äthylesters ) in Phosphatpuffer

vom pH 7, 4 in das reine Lösungsmittel. Zu diesem Zwecke verwendeten

wir die von Büchi und Perlia ( 46 ) beschriebene Diffusions¬

apparatur und arbeiteten wie diese Autoren nach einer von M^rch (47)

ausgearbeiteten einfacheren Modifikation der klassischen Diffusions¬

methode, indem wir jeweils die Gesamtmenge der in das Lösungsmittel

diffundierten Substanz spektrophotometrisch bestimmten. Die Diffusions-

zeit betrug 48 Stunden und die Temperatur 18° ( + 1° ) .

- 41 -

3. 7. 3 Resultate

Tabelle 3.7.-1

Bestimmung der Diffusionsgeschwindigkeit

( pH 7, 4, Temperatur 18° (+ 1°), Diffusionszeit 48 h )

!2\Z/^"0_(CH2)n"K

n= R=

Diffundierte Menge

[mMol]

2

2

2

2

CH3

C2H5

C3H7

C4H9

0,395

0,387

0,371

0, 362

2

3

4

C2H5

C2H5

C2H5

0,387

0, 384

0,359

3. 7. 4 Diskussion

Die Diffusionsgeschwindigkeit der untersuchten Lokalanästhetica nimmt

innerhalb der homologen Reihen erwartungsgemäss mit steigendem Mole¬

kulargewicht ab.

Durch Verlängerung der end- und zwischenständigen Alkylketten werden

die Moleküle vergrössert, was einerseits die Abnahme der Diffusions¬

geschwindigkeit und anderseits eine Erhöhung der Lipoidlöslichkeit

- 42 -

und der Oberflächenaktivität der Derivate zur Folge hat. Das Diffusions -

vermögen kann somit für sich allein betrachtet nicht für die Wirkungs¬

steigerung in den homologen Reihen verantwortlich sein, hingegen

könnten rasch diffundierende Derivate zu einem rascheren Wirkungs¬

eintritt Anlass geben, was wir aber mangels entsprechender pharmako¬

logischer Resultate nicht beurteilen können.

3. 8 Bestimmung des Verteilungskoeffizienten

3. 8.1 Allgemeines

Der Verteilungskoeffizient q ist das Verhältnis der Konzentrationen

eines gelösten Stoffes in zwei miteinander nicht oder nur beschränkt

mischbaren Phasen.

Nachdem Nernst 'sehen Verteilungsgesetz ist im Gleichgewicht das

Verhältnis der Konzentration in einem Lösungsmittel ( c. ) zur Konzen¬

tration in einem andern Lösungsmittel ( c ) konstant :

Col

q= = konstant

c

aq

Solange c und c klein sind, ist q unabhängig von der Gesamtmenge

des zur Verteilung gelangenden Stoffes, bzw. von der Menge der Lösungs¬

mittel, welche für den Versuch benützt werden.

3. 8. 2 Versuchsanordnung

Wir bestimmten den Verteilungskoeffizienten zwischen wässriger Puffer¬

lösung pH 7, 40 und Oleylalkohol als Lipoide Phase.

- 43 -

-310 ml einer 1* 10 M Lösung der Versuchsstoffe wurden jeweils mit

10 ml konz. Phosphatpufferlösung vom pH 7, 40 ( doppelte Menge

Natriumphosphat ) und 1 ml säurefreiem Oleylalkohol ( genau gewogen )

versetzt. Die Gemische wurden 3 Stunden geschüttelt und zur Trennung

der Schichten über Nacht stehen gelassen. Die in der wässrigen Phase

verbliebene Menge Lokalanästheticum wurde spektrophotometrisch be¬

stimmt und darauf die Konzentration der Base im Oleylalkohol sowie

der Verteilungskoeffizient q berechnet. Die Extinktion der wässrigen

Phase durch herausgelöste Spuren des Oleylalkohols wurde vernach¬

lässigt. Als Vergleichslösung wurde Phosphatpuffer vom pH 1, 40 ver¬

wendet. Die Temperatur betrug bei allen Bestimmungen 27 - 1,das

spez. Gewicht des verwendeten Oleylalkohols 0, 8627.

3. 8. 3 Berechnung und Resultate

Die Konzentration der lipoiden Phase berechneten wir wie folgt:

a ( c vor dem Vers. - c nach dem Versuch )_

aq aq

ol b

a = Menge der wässrigen Phase [ml]

b = Menge der lipoiden Phase [ml]

Nach der Gleichung

Colc

aq

ist somit

a ( c vor dem Vers. - c nach dem Versuch )=

aq aq

b ( c nach dem Versuch )aq

- 44 -

Für die einzelnen VersuchsStoffe erhielten wir folgende in Tab. 3. 8. -1

zusammengestellte Werte •

TabeUe 3.8.-1

Verteilungskoeffizienten Oleylalkohol/Pufferlösung

pH 7, 4, Temperatur 27° ( t 1° )

r\.?-o-

NH2-\_7-C-0-(CVn-|-(R)2 Cl

n= R= q

2 CH3 0,4

2 C2H5 0,5

2 C3H7 22,2

2 C4H9 188,8

2 C2H5 0,5

3 C2H5 0,8

4 C2H5 3,0

3. 8. 4 Diskussion

Der Verteilungskoeffizient steigt in beiden Reihen mit zunehmender

Länge der C-Ketten, wobei durch steigende N-Alkylierung die Lipoidlös¬

lichkeit bedeutend stärker erhöht wird als durch die Verlängerung der

Zwischenkette. Bei den untersuchten Procain-Homologen geht der Vertei¬

lungskoeffizient also mit der lokalanästhetischen Wirksamkeit parallel,

so dass ein direkter Zusammenhang zwischen Lipoidlöslichkeit und Wir¬

kungsstärke zu bestehen scheint.

- 45 -

Büchi und Perlia (12) fanden bei der Bestimmung der Ver¬

teilungkoeffizienten der Cinchocain-Homologen keinen direkten Zusammen¬

hang zwischen Lipoidlöslichkeit und Wirkungsstärke. Während die erste-

re mit Verlängerung des Alkoxyrestes zunimmt, zeigt letztere ein Wir¬

kungsmaximum bei der Butoxy-Verbindung, was auf eine optimale Ba¬

lance der Wasser- und Lipoidlöslichkeit auf diesem Glied der homologen

Reihe zurückzuführen ist.

Nach Rohmann (42) und Eckert (43) ist eine solche Wirkungs -

abnähme durch die Bildung von Molekülassoziaten zu erklären, die die

zahlreichen Membranschranken bis zur Wirkungsauslösung nicht mehr

durchdringen können. Eine weitere Erklärung vermöchte aber auch die

Bindung der Wirkstoffmoleküle an unspezifische Rezeptoren zu geben.

3. 9 Bestimmung der Oberflächenaktivität

3. 9.1 Allgemeines

Die Eigenschaft vieler Stoffe, die Oberflächenspannung einer Flüssig¬

keit, insbesondere der von Wasser zu erniedrigen, nennt man Ober¬

flächenaktivität. Als Oberflächenspannung bezeichnet man die für eine

2Oberflächenvergrösserung von 1 cm erforderliche Energie. Sie beträgt

2

beispielsweise für reines Wasser bei 20° 72, 8 erg/cm ( = dyn/cm ).

3. 9. 2 Versuchsanordnung

Wir bestimmten die Oberflächenaktivität unserer Versuchsstoffe in

Pufferlösung vom pH 7, 4 bei 22° C mit einem Interfacial-Tensiometer

nach Lecomte du Noüy Modell K 8600, welches nach der Ringabreiss-

methode arbeitet und an dem die Werte direkt in dyn/cm mit einer Ge¬

nauigkeit von 0, 05 dyn/cm abgelesen werden können.

- 46 -

3. 9. 3 Resultate

In Tab. 3. 9. -1 sind die Oberflächenspannungen von 10-, 50- und

lOOmM Lösungen der Procain-Salze, bzw. einer 7, 33mM, ge¬

sättigten Lösung des 4-Amino-benzoesäure-dibutylamino-äthylester-

hydrochlorids und die Oberflächenaktivität als Differenz zwischen der

Oberflächenspannung der betreffenden Versuchslösung und reiner

Pufferlösung aufgeführt.

Tabelle 3.9.-1

Oberflächenspannung und Oberflächenaktivität der Procain-Homologen

(pH 7,4 ; 22°)

NH'Oi"°-WA"ÏN Cl

n= R=

Konzentration

der Lösung

[mMol]

Oberflächen¬

spannung

[dyn/cm]

Oberflächen¬

aktivität

[dyn/cm]

2 CH3 10

50

100

70,9

62,6

61,8

2,1

10,4

11,2

2 C2H5 10

50

100

70,9

64,9

62,8

2,1

8,1

10,2

2 SH7 10 51,3 21,7

2 C4H9 7,33 46,6 26,4

2 C2H5 10

50

100

70,9

64,9

62,8

2,1

8,1

10,2

3 C2H5 10

50

71,6

64,8

1,4

8,2

4 C2H5 10

50

70,4

60,6

2,6

12,4

Reine Pufferlösung pH 7, 4 73,0

- 47 -

3. 9. 4 Diskussion

Die oberflächenaktiven Eigenschaften sind wichtig für das Herankommen

eines Wirkstoffes an seinen Wirkungsort. Nach Traube und

Blumenthal (44) werden Substanzen, welche die Oberflächen¬

spannung von Wasser erniedrigen, leicht von den Zellen aufgenommen,

oberflächeninaktive Verbindungen nur schwer. Bei den Lokalanästhetica

müsste deshalb eine stärkere Oberflächenaktivität einem grösseren

anästhetischen Index entsprechen.

Die Bestimmung der Oberflächenaktivität unserer Versuchsstoffe ergab

nur teilweise eine Uebereinstimmung dieser Eigenschaften. Bei Ver¬

längerung der lipophilen, endständigen Alkylketten vom C„ zum C -

Homologen ist eine Zunahme beider Grössen erkennbar, während bei

den Estern mit zunehmender Zwischenkettenlänge zwar eine deutliche

Erhöhung der Wirksamkeit eintritt, aber kaum eine Oberflächen-

spannungs-Erniedrigung festgestellt werden kann. Von einem gesetz-

mässigen Zusammenhang zwischen Oberflächenaktivität und Wirkungs¬

stärke der Procain-Homologen kann somit nicht die Rede sein.

3. 10 Bestimmung der Adsorbierbarkeit

3. 10. 1 Allgemeines

Unter Adsorption versteht man die Anreicherung eines gasförmigen

oder gelösten Stoffes an einer Phasengrenzfläche, z. B. der Oberfläche

eines Festkörpers.

Nachdem Traube (48) bei den Narcotica Zusammenhänge zwischen

der Adsorbierbarkeit und der Wirksamkeit festgestellt hatte, haben

- 48 -

viele Autoren den Einfluss der Adsorption auch in homologen Reihen

der Lokalanästhetica untersucht. Die gefundenen Resultate sind jedoch

meistens sehr unübersichtlich.

3.10.2 Versuchsanordnung

Wir bestimmten die Adsorption der Procain-Homologen an Kohle. 80 ml

-3einer 1, 0 • 10 M Lösung der Lokalanästhetica-Salze in Phosphatpuffer

vom pH 7, 4 wurden mit 20, 0 mg Carbo activatus siccus Merck während

90 Minuten auf der Schüttelmaschine in alkaliarmen Gläsern von 100 ml

Inhalt geschüttelt. Anschliessend wurde durch ein gehärtetes Filter von

8 cm Durchmesser abfiltriert und die Konzentration des Filtrates

spektrophotometrisch bestimmt. Die Temperatur betrug 22 + 1 C.

3. 10. 3 Resultate

In Tabelle 3. 10. -1 ist neben der adsorbierten Menge noch die Verteilung

der einzelnen Stoffe zwischen fester und flüssiger Phase angegeben,

also der Quotient aus Gewicht der adsorbierten Menge und Gewicht der

in Lösung verbliebenen Menge.

3. 10. 4 Diskussion

In beiden Reihen der Procain-Homologen ist kein deutlicher Zusammen¬

hang zwischen lokalanästhetischer Wirkung und Adsorptionsfähigkeit zu

erkennen. Eine Uebereinstimmung mit der Traube * sehen Regel,

nach welcher die Adsorption organischer Stoffe regelmässig mit wach¬

sendem Molekulargewicht für Glieder homologer Reihen zunimmt, ist

nicht vorhanden. Wie Rohmann und Scheurle (49) bei eini¬

gen Homologen des 4-Alkoxy-benzoesäure-diäthylamino-äthylesters

- 49 -

festgestellt haben und Régnier (50) an verschiedenen Procain-

Salzen zeigte, trifft sogar das Gregenteil zu, indem die am schwächsten

wirksamen Salze am stärksten adsorbiert werden. Es ist im übrigen

einleuchtend, dass der reine Adsorptionsvorgang an Kohle den Verhält¬

nissen im Organismus wenig gerecht wird.

Tabelle 3.10.-1

Adsorption der Procain-Homologen an Kohle

( 80, 0 ml 10" M Lösung; pH 7, 4; 20, 0 mg Kohle )

NH!TM-o-\ /

+ JB.

(CH ) - ^2n h\

Cl

n= R=Adsorbierte Mengein mMol/ g Kohle

Verteilungs quotient

Kohle/Wasser

2 CH3 0,872 0,278

2 C2H5 0,716 0,218

2 C3H7 0,720 0,219

2 C4H9 0,684 0,206

2 C2H5 0,716 0,218

3 C2H5 0,652 0, 195

4 C2H5 0,664 0, 199

- 50 -

3. 11 Bestimmung der Verseifbarkeit

3. 11. 1 Allgemeines

Um einen Einblick in die chemische Stabilität der Procain-Homologen

zu bekommen, bestimmten wir die Verseifungskonstanten dieser Ver¬

bindungen in wässriger Lösung und errechneten die Halbwertszeit der

Verseifung, d.h. die Zeitspanne, in der die Konzentration des Ausgangs¬

stoffes auf die Hälfte der Anfangskonzentration gesunken ist.

3.11.2 Versuchsanordnung

3 • 10 M Lösung der Ester-Hydrochloride in Phosphatpuffer nach

Goyan und Coutsouris (40) wurden in 5 ml Ampullen aus

Fiolax-Neutralglas abgefüHt, die vorher mit 2N HCl behandelt wurden,

um die Glasoberfläche ganz von überschüssiger Alkalität zu befreien.

Die Konzentration der Ausgangslösung wurde sofort spektrophotometrisch

bestimmt. Eine Messreihe von mindestens 15 Ampullen wurde in einem

HAAKE - Thermostat Typ. NBS bei einer konstanten Temperatur von

50° gehalten, davon in geeigneten Zeitabständen 2-3 Proben entnommen

und deren Konzentration spektrophotometrisch bestimmt.

Zur Ermittlung der Extinktion der total verseiften Probe E «o wurden

gepufferte Lösungen von PAB gleicher Konzentration bei der Wellenlänge

der Absorptionsmaxima des entsprechenden Esters bestimmt.

3. 11. 3 Berechnung und Resultate

Die Verseifungskonstante k berechnet sich nach der Gleichung ( 23 ) :

- 51 -

log cQ- log c

t. 0,4343

die sich durch Einsetzen der Gleichung

E

£ •d

vereinfacht und wie folgt schreiben lässt:

log ( E - E co ) - log ( E - E oo )k =

t • 0,4343

c- = Anfangskonzentration des Ester.

HCl

c = Esterkonzentration der Probe zur Zeit

E = Extinktion der Probe zur Zeit t

E = Extinktion der Lösung zu Beginn der

Verseifung

E » = Extinktion der total verseiften Probe

t = Zeit der Verseifung in Stunden

k = Geschwindigkeitskonstante h

Die Halbwertszeit der Verseifung berechneten wir nach der für Reaktionen

erster Ordnung gültigen Formel ( 41 ) :

In 2 0,693

ti!/2'

0,4343

Die Resultate der Bestimmungen sind in Tab. 3. 11. -1 aufgeführt.

- 52 -

Tabelle 3.11.-1

Verseifungskonstanten und Halbwertszeiten der Verseifung

( pH 7,4; 50° )

Off+ J

C_0_(CH2)n-|^

n= R=k

,Halbwertszeit

[h]

2

2

2

2

CH3

C2H5

C3H7

C4H9

2,06 • 10"2

2, 15 • 10"2

2,17 • 10"2

2,-00 • 10"2

33,6

32,2

31,9

34,6

2

3

4

C2H5

C2H5

C2H5

2, 15 • 10"2

2,30 • 10"3

8,80 . 10"4

32,2

301,3

787,5

3.11.4 Diskussion

Während die Verseifungsgeschwindigkeitskonstanten der homologen

Aethylester keinen signifikanten Unterschied aufweisen, besitzen die

Homologen mit längerer Zwischenkette Konstanten, die beim Diäthyl-

aminopropylester etwa 10 mal, beim Diäthylaminobutylester etwa 20 mal

kleiner sind als die des Procains. Die Verlängerung der CH -Zwischen-Cl

kette führt also zu stabileren Verbindungen, da der Stickstoff-Kohlenstoff-

Dipol die Reaktionsgeschwindigkeit durch sein elektrisches Feld mit zu¬

nehmender Länge der Zwischenkette immer weniger leicht zu beeinflussen

vermag.

- 53 -

Bei der protonierten Verbindung ist der +elektrostatische Feldeffekt

wesentlich grösser als bei der nicht protonierten Base, wo sich das

-elektrostatische Feld des Stickstoffatoms mit dem -(-elektrostatischen

Feld der durch Polarisation schwach positivierten CH -Gruppen überlappt.

Bei der Verseifung angreifende Hydroxylgruppen werden deshalb durch

die grössere positive Ladung stärker angezogen und folglich die proto-

nierte Base leichter verseift als die nicht protonierte Verbindung.

Die Wirkungsstärke der Procain-Homologen steigt in beiden Reihen mit

zunehmender Molekülgrösse an. Die Ester mit gleicher C-Zahl in der

Zwischenkette weisen die gleiche Verseifungsgeschwindigkeit auf, während

die Wirkungsstärke der Homologen mit verschiedener C-Zahl in der

Zwischenkette einen Gang mit der Verseifungsgeschwindigkeit erkennen

lässt.

4,3

9,03

99,9

10,

8,62

6,26

8,52

2,41

38

10,

300,8

C2H5

4

12,9

16

9,99,7

0,3

8,21

_-

38

8,2,36

9,99

286,7

C2H5

3

27

8,64

97,9

12,

7,43

6,14

8,38

21

2,9,07

272,8

C2H5

2

17

0,

6,43

98,4

1,6

6,98

13

6,8,33

2,21

9,20

328,9

C4H9

2

0,3

6,62

98,2

1,8

02

7,6,13

30

8,2,20

14

9,

300,8

C3H7

2

27

8,64

97,9

12,

7,43

14

6,38

8,21

2,9,07

272,8

C2H5

2

100

10

94,7

35,

7,20

6,07

8,42

2,20

8,65

7244,

CH3

2

[mMol]

Base

der

löslichkeit

Wasser¬

IM)

0,(berechnet

pH

Trübungs-

%BH

%B

4)7,

(pH

ad

gr

Ionisations

(MCS)

pKs1

(AcOH)

PKS2

(AcOH)

pKs1

(H20

)

pKs2

(H20)

pKs1

Gew.

-Mol.

R=

n=

^R

H

Cl

-(CH2)

C-O

O

NH,

Procain-Homologen

Eigenschaftender

Physikalisch-chemische

4.-1

TabelleUntersuchungsresultate

pharmakologischen

und

chen

smi

ch-che

sikali

sphy

der

Zusammenstellung

4.

787,53

301,

232,

10"4

8,80-

10"3

•30

2,

10"2

•15

2,

0,664

0,652

0,716

70,4

71,6

70,9

3,0

0,8

0,5

0,359

384

0,

387

0,

C2H5

C2H5

C2H5

432

34,6

31,92

32,

33,6

10"2

2,00--1

0"2

2,1715-1

0"2

2,

10"2

2,06-

0,684

0,720

0,716

0,872

35,03

51,

70,9

70,9

188,8

22,2

0,5

0,4

362

0,

0,371

387

0,

,395

0

C4H9

C3H7

C2H5

CH3

CMCMCMCM

[h]

[h"1

]zeit

k

Halbwerts-

Konstante

Verseifbarkefet

Kohle]

[mMol/g

22°)

47,

pH

(Puffer

Kohle

an

Adsorbierbarkeit

[dyn/cm]22

°);

7,4

pH

;Lösg.

(lOmMol

spannung

Oberflächen¬

4)7,

pH

Puffer

(Ole

ylal

koho

l/koeffizient

-Verteilungs

[mMol]

)h

48

;18°

7,4;

pH

(Puffer

vermögen

-Diffusions

=R

n=

75

125

150

50

100

150

ungi.

Ratte]weisse[mg/kg

L.D.M.Toxizität

0,50

0,50

160,

2,0

1,7

160,

0,25

Leitung

0,71

0,50

0,20

0,62

0,25

0,20

unwi.

Oberfläche

C2H5

C2H5

C2H5

4

3

2

C4H9

C3H7

C2H5

CH3

2

2

2

2

R=n=

)1=Cocain(

IndexLokalanästhetischerR=n=

C.C-0-(CH2)n-N<^

R+

09

ToxizitätundWirksamkeitLokalanästhetische

4.-2Tabelle

-56-

- 57 -

5. ZUSAMMENFASSUNG

In der vorliegenden Arbeit synthetisierten wir zwei Reihen von Procain-

Homologen mit unterschiedlicher Länge der zwischen- und endständigen

an Stickstoff gebundenen Alkylketten und untersuchten einige Zusammen¬

hänge zwischen den physikalisch-chemischen Eigenschaften, der chemi¬

schen Reaktivität und der lokalanästhetischen Wirkung dieser Stoffe.

Zusammenfassend ergibt sich folgendes :

Die Basizität steigt gegen die höheren Homologen. Entsprechend

nimmt der Ionisationsgrad bei pH 7, 4 zu.

Das Trübungs-pH und die daraus berechnete Wasserlöslichkeit

der Basen nehmen erwartungsgemäss ab mit zunehmender Kettenlänge.

Die Stabilität der Ester bei pH 7, 4 steigt mit zunehmender Länge

der Zwischenkette, bleibt aber bei Verlängerung der endständigen

Alkylgruppen konstant.

Der Ver t ei lungs ko eff i zi ent steigt in den homologen Reihen.

Steigende N-Alkylierung erhöht die Lipoidlöslichkeit stärker als die

Verlängerung der Zwischenkette.

Die Oberflächenspannung nimmt ab mit zunehmender Länge der

lipophilen, endständigen Alkylketten, während mit zunehmender Zwischen¬

kettenlänge keine Erniedrigung eintritt.

Die Diffusionsgeschwindigkeit und die Adsorption nehmen

ab mit steigendem Molekulargewicht der Homologen.

- 58 -

Die Bestimmung der IR - Frequenzen der Carbonylgruppe ergibt

übereinstimmende Resultate von 1700 cm,sodass kein Unterschied

in der Elektronenverteilung dieser Gruppen vorhanden sein kann.

Die IR-Frequenzen beweisen auch, dass sich zwischen der Stickstoff-

und der Carbonylgruppe keine Wasserstoffbrücke ausbildet.

Aus den praktisch übereinstimmenden pKs -Werten der Homologen

ist zu schliessen, dass die verschieden langen Alkylreste auch keinen

Einfluss haben auf die Elektronenverteilung der aromatischen Amino-

gruppe.

Für die Zunahme der lokalanästhetischen Wirkung in den untersuchten

homologen Reihen scheinen somit die untersuchten physikalisch¬

chemischen Eigenschaften wie

Bas i z it ät

Basenlöslichkeit

Diffus ions ver mögen

Lipoidlöslichkeit

Oberflächenaktivität

Adsorbierbarkeit

Verseifbarke it

wesentlicher zu sein als die chemische Reaktivität der Wirkstoffe, für

welche wir kaum Unterschiede namhaft machen konnten.

- 59 -

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LEBENSLAUF

Am 15. April 1933 wurde ich als Sohn des Georg Studach und der

Elsbeth, geb. Hitz, in Malans GR geboren. Dort besuchte ich die

Primarschule und trat 1948 in das Realgymnasium der Bündnerischen

Kantonsschule Chur ein, wo ich 1953 mit dem Maturitäts-Zeugnis,

Typus B, abschloss.

Im Herbst 1954 begann ich mein Studium als Apotheker an der Uni¬

versität Freiburg/Schweiz und bestand dort die naturwissenschaft¬

liche Prüfung. Nach der Praktikantenzeit und dem Assistentenjahr

in der Bellevue-Apotheke Zürich und abgelegter pharmazeutischer

Assistentenprüfung, studierte ich am Pharmazeutischen Institut der

Eidgenössischen Technischen Hochschule, wo ich im Frühjahr 1961

mit dem Staatsexamen abschloss.

Seit dem 1. Januar 1962 war ich als Assistent am Pharmazeutischen

Institut der ETH,unter der Leitung von Herrn Prof. Dr. J. Büchi,

mit der vorliegenden Promotionsarbeit beschäftigt.