Z. Anal. Chem. 255, 123--125 (1971) �9 by Springer-Verlag 1971

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Trennung, Nachweis und Bestimmung der kiinstlichen SiiBstoffe Cyclamat, Dulcin und Saccharin mittels Gas-Chromatographie

HANS KONIG

Analytische Laboratorien der Blendax-Werke, Mainz

Eingegangen am 13. Januar 1971

Separation, Identilication and Determination o/the Arti]icial Sweetening Agents Cyclamate, Dulcin and Saccharin by Gas Chromatography. The complete separation of a mixture of these substances can be achieved on columns with silicone rubber SE-52 as stationary phase at a temperature of 150 ~ C. The retention indices after Kovats obtained under these conditions are tabulated together with the limits of detection.

Zusammen]assung. Eine neue Methode zur Trennung, Identifizierung und quanti tat iven Bestimmung der drei kfinstlichen Siitstoffe Cyclamat, Dulein und Saccharin wird bcschrieben. Die vollstitndige Auftrennung eines Gemisches dieser Verbindungen erfolgt gas-ehromatographisch an S/~ulen mit Sihcongummi SE-52 als statio- n/~rer Phase bei 150~ die unter diesen Bedingungen erhaltenen Retentionsindiees nach Kovats und die Naehweisgrenzen fiir die Substanzen werden mitgeteilt.

I. Einleitung Dureh das im Herbs t 1969 erfolgte Verbot des S~$- stoffs Cyelamat in den Vereinigten Staaten ist die Aufmerksamkeit selbst der breiten Offentlichkeit auf die kiinstlichen SfiBstoffe gelcnkt worden. In einer frfiheren Arbeit [8] hat ten wir uns schon einmal mit Nachweis und Bestimmung kfinstlichcr SfiBstoffe besch/iftigt, und zwar auf dfinnschicht-chromato- graphischem Wege. Damals hat ten wir allerdings das Cyclamat nicht berficksichtigt. Inzwischen wurde die Diinnschicht-Chromatographie der kiinstlichen Still stoffe yon mehreren Autoren [2,3,7,10] nach ver- schiedenen Verfahren durchgefiihrt, wobei besonders die Methode yon Korbelak [3] hervorgehoben sei. Dabei bereitet offensichtlich der Nachweis yon Cycla- mat gr6fJere Schwlerigkeiten. Erst in jiingster Zeit sind 2 Arbeiten yon Nagasawa, Yoshidome und Anryu [6] und yon Das, Mathew u. Mitra [1] erschie- nen, welche sich auch mit der Diinnschicht-Chromato- graphie der kiinstlichen Siitstoffe besch~ftigen. Da die quanti tat ive Bestimmung d/innsehicht-chromato- graphisch getrennter Substanzen direkt auf der Plat te nicht sehr genau ist und eine weitere Aufarbei- tung zus/s Arbeitsgis bedingt, haben wit die Trennung und Bestimmnng der 3 am meisten ver- breiteten kiinstlichen Siil3stoffe Saccharin, Dulcin und Cyclamat mit Hilfe der Gas-Chromatographie durchgefiihrt. Damit ist es uns nicht nur gelungen, eine hervorragende Auftrennung der Substanzen im Gemisch zu erzielen und mit Hilfe der unterschied-

lichen t~etentionen einen einwandfreien Naehweis zur Identifizierung zu erbringen, sondern wir konnten auf Grund der sehr guten Reproduzierbarkeit auch eine genaue quanti tat ive Bestimmung der einzelnen Verbindungen erhalten.

II. Experimentelle Durchfiihrung Die eingesetzten Verbindungen sind mit ihren Struk- tucformeln unter Angabe der Bezugsquelle in Tab. 1 aufgeffihrt. Da Cyelamat und Saccharin als Natrium- salze im Handel sind, kSnnen sie natiirhch nicht direkt der Gas-Chromatographie unterworfen werden. Da man Alkylsulfonsguren mit Diazomethan methylieren kann, wie Kupfer, Jainz u. Kelker [5] in Anlehnung an das Verfahren yon Schlenk u. Gellerman [9] gezeigt haben, lag der Gedanke nahe, ebenso die Natriumsalze der k/instlichen SfiBstoffe in die freien S/turen zu iiberfiihren und mit Diazomethan die Methylverbindungen herzustellen, um auf diese Weise gas-chromatographisch trennbare Substanzen zu erhalten.

1. Vorversuche Es wurde zun/ichst versueht, in _4~her Dulcin und die Natrittm- salze yon Saccharin und Cyclama~ rait konz. Salzs~ure zu behandeln. D~s Natrium des Saceharins und Cyclamats f~llt dabei als NaC1 aus. Eine anschlieBende Methylierung mit Diazomethan in ~therischer LSsung ergab nach gas-chromato- graphischer Priifung start 3 nur 2 Peaks, und zwar von Cyclamat und Saccharin. Nachfolgende LSsliehkeitspriifun- gen yon Dulcin in Methanol, ~_thanol, Pyridin und Ather

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Tabelle 1

Eingesetzte Substanzen Chemisehe Bezeiehnung Strukturformel Bezugsquelle

Cyclamat-Natrium Natriumeyclohexylsulfamat

Dulcin Phenetidylharnstoff

Saccharin-Natrium Natrium-o-Sulfobenzoesgureimid

H2 H2

H2C /CH-- NH--SO3Na Vertriebs-GmbH, ~--~ Miinehen Ft2 H2

C2Hs- -O~NH- -CO~NH2

~ -Na + 2 H20 02

Riedel de Haen, Seelze

Blau, Hamburg

zeigten die Unl6slichkeit yon Dulcin in ~ther. Dulcin war also nieht mit methyliert worden, ein Befund, der auch IR- spektroskopiseh bet~tigt werden konnte.

In einem weiteren Versueh wurden alle 3 Substanzen in Methanol mit konz. Salzsiiure behandelt und direkt gas- ehromatogral0hiseh untersucht. Cyelamat und Saccharin lieferten keine Peaks, w~hrend Dulein einen scharfen Peak lieferte. Offensiehtlieh ist das Dulein unter den spgter be- schriebenen Arbeitsbedingungen fliiehtig. Um diesen Sach- verhalt naehzupr/ifen, wurden Dulcin, Cyelamat und Saccha- rin ohne Zusatz yon Salzsgure in Methanol, Athanol, Wasser und Pyridin gelSst bzw. suspendiert, und die fiberstehenden L6sungen wurden in den Gas-Chromatographen eingespritzt. Nut yon Dulcin wurden aus methanolischer und /~thano- lischer L6sung sowie aus L6sung in Pyridin scharfe Peaks mit gleiehen Retentionszeiten erhalten. Dadureh kann als bewiesen gelten, dab Dulein unter diesen Bedingungen flfiehtig ist und nicht methyliert wird.

Bei den nachfolgenden Versuchen zur quan t i t a t i - yen Bes t immung der 3 ki inst l ichen StiBstoffe wurde als LSsungsmit tel Methanol verwendet , um das Dulcin in Lbsung zu bringen. Da bei der Methyl ierung ~ t h e r zugesctzt wird, wurde noch die LSslichkeit des Dulcins im Gemisch Ather /Methanol (1:1) un te r such t ; Dulein war dar in gut 15slieh. Eine S/ttti- gung der L6sung wird bei nachs tehend beschriebener

Methode n icht erreieht.

2. A rbeitsmethode

250- 300 mg Substanzgemiseh werden in ein 25 ml-MeBk61b- chen mit eingeschliffenem Glasst6psel eingewogen und mit 2 ml Methanol versetzt. Man gibt nun 4 Tropfen konz. Salz- s~ure hinzu, schfittelt krgftig dureh und liil3t die Substanz 5 rain stehen. AnschlieBend setzt man gtherisehe Diazo- methanl6sung zu, bis keine Stickstoffentwicklung mehr erfolgt bzw. bis eine sehwache Gelbfgrbung bestehen bleibt. Man fiillt nun mit Methanol bis zur Marke auf. Der sich bildende weiBe kristalline Niedersehlag, der aus Natrium- chlorid besteht, bleibt unberiicksichtigt. Man wartet, bis sich der Niederschlag abgesetzt hat, und spritzt nun 1,5 ~l yon der iiberstehenden L6sung in den Gas-Chromatographen.

Wie bereits oben besehrieben, bleibt unter diesen Bedin- gungen das Dulein unver~ndert. Vom Cyelamat bildet sich erwartungsgemgl~ der Methylester der Cyelohexylamino- sulfonsgure, wie durch die Aufnahme der IR-Spektren der freien S/~ure und der methylierten Verbindung nachgewiesen werden kounte. Auch aus dem Natriumsalz des Saccharins erhglt man die entspreehende Nethylverbindung. Der ein- deutige Naehweis, da6 die Methylgruppe tats~ehlieh am Stiekstoffatom sitzt, konnte dutch die Aufnahme eines NMR-Spektrums der methylierten Verbindung erbracht werden. Neben dem Signal der Ringprotonen bei 7,5 bis 7,75ppm erseheint ein Verschiebungssignal bei 2,8 bis 2,9 ppm, das einer Methylgrupl0e in Nachbarschaft zu einem N-Atom zugeordnet werden kann.

Zur gas-ehromatographisehen Trennung arbeiteten wir mit dem Fraktometer F 7/H:F der Fa. Perkin-Elmer, an das ein Compreeorder PI~ 2210 U der Fa. Philips mit Discinte- grator zur Registrierung und quantitativen Auswertung an- gesehlossen war. Die Trennung erfolgte auf 2 m-S~ulen aus Edelstahl mit 3 mm Innendurchmesser, die als Trgger- material speziell mit Dimethylehlorsilan vorbehandeltes Chromosorb G (DMCS, 60--80 mesh) enthielten und mit 2,50/0 Silieongummi SE-52 belegt waren. Die Temperatur des Einspritzsystems wurde auf 250--270~ gehalten, die Arbeitstemperatur des S/~ulenofens betrug 150~ es konnte isotherm gearbeitet werden. Als Trggergas benutzten wit Helium mit einer Str6mungsgeschwindigkeit yon 30 his 35 ml/min. Zur Anzeige wurde der Flammenionisations- detektor ohne vorherige StrSmungsteilung verwendet. Die mit 10~l-Hamilton-Spritzen aufgetragenen Probemengen lagen bei 1,5 ~I.

IIL Ergebnisse

Nach dieser Methode lassen sich die 3 kt inst l iehen Siigstoffe sehr gut vone inander ~rennen u n d identi- fizieren, wie Abb. 1 zeigt. Mit Hilfe der n-Alkane Dodecan, Pentadecan, t Iexadeean und Oetadecan, die un te r gleichen gas-chromatographischen Bedin- gungen aufgenommen wurden, haben wir ffir Dulcin u n d fur die Methylverb indungen yon Cyelamat u n d Saccharin die Indices nach Kova t s [4] errechnet, die zur e indeut igen Identif izierung dienen. Sic sind zu-

H. KSnig: Trennung, Nachweis and Bestimmung kiinstlicher Siigstoffe 125

Die quan t i t a t i ve Bes t immung erfolgt un t e r glei- chen Bedingungen mi t Eichl6sungen, die den erwar te- ten Konzent ra t ionsverhs in e twa entspre- chen sollten. D a m i t lassen sieh a m besten die Kor rek- t u r f a k t o r e n e rmi t te ln , die yon dem De tek to r sys t em a n d den sonst igen Versuehsbedingungen abh/~ngen, a n d die zur genauen quan t i t a t i ven Bes t immung ber~cks ieh t ig t werden m/issen. Unte r den beschrie- benen Versuehsbedingungen l iegt die Genauigkei~ selbst bei E insa tz yon Mikrogramm-Mengen bei

4- 1,5~

F/ir die Mithilfe bei der Ausfiihrung der experimentellen Arbeiten danke ich Herrn Mario Hermes herzlich.

Abb. 1. Gas-Chromatogramm yon Cyelamat-Methylester (c), Dulcin (b) und Methylsaeeharin (d) in Methanol (a) auf unpolarer Sgule (SE-52) bei 150~

Tabelle 2. Retentionsvolumina, Kovats-Indice8 und 2Vachweis- grenzen der ki~nstlichen Si~]3sto//e bzw. ihrer faethylierten Ver- bindungen

Testsubstanz Vr 150 ~ C Kovats- Nachweis- Index grenze ~xg/~l [A 150~

Dulcin 78 1310 0,2 Cyelamat- methylester 203 1528 0,02 Methylsaccharin 330 1655 0,02

s ammen mi t den kor r ig ie r ten Re t en t i onsvo lumina Vr in Tab. 2 angegeben. Gleichzeit ig is t die Erfassungs- grenze ffir die 3 SiiBstoffe nach unserem Verfahren aufgefi ihr t .

L i te ra tur

1. Das, D. K., Mathew, T. V., Mitra, S. N.: J. Chromatog. 52, 354--356 (1970).

2. Kojima, S., Hisashi, I.: Chem. Abstr. 70, 2486g (1969). 3. Korbelak, T.: J. Assoc. Offic. Anal. Chemists 52, 487

(1969). 4. Kovats, E., Keulemans, A. I. IV[.: Anal. Chem. 116, 31A

bis 41A (1964). 5. Kupfer, W., Jainz, J., Kelker, H.: Tenside 6, 15--2i

(1969). 6. Nagasawa, K., Yoshidome, H., Anryu, K.: J. Chro-

matog. 52, 173--176 (1970). 7. SMo, T., Airo, E., Salminen, 14.: Z. Lebensm.-Unter-

such. Forsch. 125, 20--22 (1964); vgh diese Z. 211, 380 (1965).

8. Schildknecht, E., KSnig, H.: diese Z. 207, 269--270 (1965).

9. Schlenk, H., Gellerman, J. L. : Anal. Chem. 112, 1412 bis 1414 (1960); vgh diese Z. 182, 233 (1961).

10. Woidich, H., Gnauer, H., Galinovsky, E. : Z. Lebensm.- Untersueh. Forsch. 139, 142--146 (1969).

Prof. Dr. Hans KSnig Blendax-Werke GmbH AnMytische Laboratorien BRD-6500 5[ainz, Rheinallee 88, Deutschland