UBER UMLADUNG UND UMLAGERUNG VON FARBSTOFFEN

Von H. SI~LLMANN

(1)hysiologisch-chemische Anstalt der Universit~t Basel)

Eingegangen am 4. Februar 1931

Die aussehlaggebende Bedeutung der elektrischen Ladung der Farb- stoffe fUI' ihre Wanderung und Ablagerung ira lebenden Organismus ist be- sonders von R. K e l l e r (1) wiederholt aufgezeigt worden, ttiernaeh haben wir es bei der Vitalf~trbung zum grogen Teil mit einer Wanderung der Farbstoffe ira elektrisehen Felde zu tun, wenn aueh andere Faktoren, wie Dispersit~tt, Oberfl~tchenspannung, L™ Viskosit~tt usw. des Farb- sto�9 zusammen mit der Permeabilit5t des Plasmas dabei eine wesent- liche Rolle spielen k5nnen. Legt man den ausgedehnten vital�9 Experimenten von J. G i e k l h o r n , R. K e l l e r und deren 3/Iitarbeitern, ebenso auch den Arbeiten von W. S e h u l e m a n n , der seine Versuehe unte�9 ganz anderen Gesichtspunkten anstellte, die mit Hilfe elektro- statiseher ~Iessungen ermittelte Elektropolarit~t einzelner Organe und @ewebsteile des tierisehen und pflanzliehen Objekts zugrunde, so gelangt man zu cirier weitgehenden Ubereinstimmung zwischen dem Verhalten der Farbstoffe ira lebenden Objekt und der Wanderungsrichtung im Kataphoreseapparat.

Bel einigen Farbstof�9 ergibt sieh diese Ubereinstimmung aller- dings nieht in einfaeher Weise; erst wenn man aueh ira kataphoretisehen Modellversueh die Bedingungen- des biologischen 3/Iilieus m6gliihst her- zustellen versucht, besteht auch fur diese Farbsto�9 die au�8 Pa- rallelit~tt. Vor allem ist daran zu denken, dag die Reaktion des L™ mittels, die Anwesenheit von Elektrolyten, wie Neutralsalzen, und die Gegenwart von K011oiden, endlich die Zustandsform des gel5sten Farb- stoffes sowohl dessert elektrisehe Ladungsgr513e als auch seinen Ladungs- sinn entscheidend beeinflussen k6nnen.

510 S f i l l m a n n

In dieser Hinsieht interessierte besonders das Verhalten des ~ethylen- blaus. Wghrend dieser Farbstoff in seiner rein w5sserigen LSsung bei {Tberffihrungsversuehen znr Kathode wandert - - gem~tl3 seiner basisehen Natur - -beobachte te K e l le r (2) eine ~iberwiegende Anodenwanderung des ~ethylenblaus ira biologisehen Testobjekt. Es ist naheliegend, diese Er- scheinung auf besondere L6sungsverhgltnisse ira lebenden Organismus zurtiekzuftifiren. Unverdiinntes, aber aueh verdiinntes Serum als L/Ssungs- mittel vermag tatsgehlieh die Wanderung dieses Farbstoffes ira elektrisehen Felde zu beeinflussen: das urspr~inglieh rein kathodische Methylenblau erscheint bei der Kataphorese im Serum a u e h an der A n o d e , wie ieh dureh eigene Versuehe ebenfalls fœ Diese Erseheinung der ,,doppelsinnigen" Wanderungsrichtung findet sieh allgemeiner in den Versuehen von A. B e t h e fiber, ,Ladung und Umladung von Farbstoffen"(3) wieder. Ftir eine Reihe saurer und basiseher Farbstof�9 stellte B e thœ den Einflul3 von Elektrolyten auf die elektrisehe Ladung der Farbstoffe fest. Zusatz von Alkali Mer von Neutralsalzen zu der w5sserigen L5sung des lV[ethylenblaus und anderer basiseher Farbstoffe bewirkte ein partielles Anodisehwerden derselben. Die Versuehsdaten von S t a r y (4), der das Verhalten von L6sungen in dem von F t t r t h (5) angegebenen Kataphorese- apparat untersuehte, zeigen bel l~tngerer Versuehsdauer (2,5 lV[in.) in alkaliseher LOsung ein st~rkeres Hervortreten der anodisehen Wanderung, in saurer L6sung neben der aueh hier auftretenden deutliehen Anoden- f~rbung eine st~trkere kathodische Wanderungsriehtung des !V[ethylenblaus.

In der kolloidehemisehen Betraehtungsweise stellt sich dieser Ein- flul3 der Elektrolyte auf den Wanderungssinn einzelner Farbstoffe als ein ,,Umladungsvorgang" dar, bei dem die elektriseh geladenen Farbstoff- kolloide Ionen mit de�9 entgegengesetzten Ladung adsorbieren. Diese Vorstellung erkl~trt befriedigend eine Reihe v0n Eigensehaften kolloidaler L5sungen bei @egenwart von Elektrolyten. L o t t e r m o s e r und R ie de l (6) zeigten in quantitativen Uberfiihrungsversuehen den Einflul3 von Salzen mi t versehiedenwertigen Anionen auf das .elektrokinetisehe Potential (™ der Teilehen eines positiven Sols; mit zunehmender Wertigkeit des Anions nimmt die Konzentration des betreffenden Kaliumsalzes ab, die eine Ne- gativierung der Cr-Teilehen herbeizufiihren vermag (mit Ausnahme des ein- wertigen, sehr wirksamen OIt-Ions). Ebenso wie in den ~tltefen analogen Untersuehungen von B u r t o n (7) ara Ou-Sol kommt hier - - wenigstens qualitativ - - die S e h u l z e - H a r d y s e h e Wertigkeitsregel zum Ausdruck.

1) Vgl. die Zusatzbemerkung von Ke l l e r .

~ b e r U m l adung und Umlage rung von Farbs to f fen 511

Eine allgemein g~iltile Bedeutung kann dieser Regel jcdoeh nicht bei- gemessen werden; die unter 3/[itwirkung von Elektrobten in kolloiden und aueh eehten L5sungen stattfindenden VorgSnge (L5sliehkeitsbeein�9 Aussalzung, Umkehr der elektrisehen Ladung) sind h~tufig nieht so einfaeh zu tibersehen, als dag zu ihrer Deutung d ie auf Ionenadsorption beruhende Wertigkeitsregel ohne weiteres angewandt werden kSnnte. Der Sehwellen- wert bei der Aus�9 von As2Sa-Solen z. B. ist naeh den Versuehš von H. F r e u n d l i e h ftir mehrere einwertige organisehe Kationen kleiner als fiir zweiwertige. B e t h e hat in seinen oben erw5hnten Versuehen gezeigt, dag das zweiwertige Sulfat-Ion in etwas geringerer Konzentration die partielle anodisehe Wanderung bai 3gethylenblau hervorruft als das einv~ertige Chlor-Ion, der ebenfalls basisehe Farbsto�9 Toluidinblau sieh dagegen aber umgekehrt verMlt. Gegenfiber der Ionenvalenz iiberwiegen hier of�9 andere Ein�9 die sowohl mit der spezifisehen Natur der Ionen (Hofme i s t e r s ehe Rœ als aueh mit derjenigen des ,,Kolloids" zusamlnenh5ngen.

Die C~egenwart von Elektrolyten ™ aber aueh die L5sliehkeit vieler Fa rbstoffe stark zu beeinflussen. In rien L0sungen versehiedener Neutralsalze zeigt Methylenblau Bine geringere L0sliehkeit als in reinem Wasser. Der tiberwiegende Einflul3 der Anionen tritt hierbei, wie aueh ira Wanderungsversueh, deutlieh zutage. Die unten aufgeftihrten Zahlen zeigen die LSsliehkeit des Nethylenblaus in ~tquinormalen Salzl5sungen mit gleiehem Kation (Na) und wechselnden Anionen.

L6slichkeit von SMz Konzen t ra t ion

Methylenblau in %

NaCNS . . . . . . .

NaBr . . . . . . . .

NaNOa . . . . . . .

Na C1 . . . . . . . .

Na-Aceta t . . . . . .

Na2SO ~ . . . . . . . IklaF . . . . . . . .

,Ix. n

4-n

4-n

4-n

4-n

4-n

4-n

0,0005

0,0015

0,006

0,006

0,012

0,63

0,80

In 10 cern der 4-n-L5sungen der Natriumsalze wurde Methylenblau ira Uberschul3 eingetragen, gesehfittelt und nach mehreren Stunden zen- trifugiert. In der tiberstehenden Fliissigkeit wurde das gel5ste 5{ethylen- blau kolorimetriseh bestimmt.

512 S t i l l m a n n

Die LSslichkeit des untersuehten Farbstof�9 ist in den SalzlSsungen zum Teil sehr versehieden, so dag. aul3er bei NO'a nnd CI'. zwisehen den einzelnen Anionen der Neutralsalze sehr deutliehe Un~erschiede in de�9 LSsliehkeitsbeeinflussm~g auftreten. Nach ihrer die" L/)slichkeit des Meth~lenblaus hemmenden Wirksamkeit geordnet, ergibt sich aus den obigen Daten far die Anionen somi~ die Folge:

CNS } Br ) C1,NOa } CHaCOO > SO4 > F

Diese Aufeinanderfolge gibt die bekannte lyotrope Anionenreihe wieder. Analog wie bel der Aussalzung von Eiweig ans schwaeh saurer L5snng verl~uft diese t~eihe in umgekehrter Richtung wie die ursprfing- liche H o f m e i s t e r s c h e Reihe Bel L5sliehkeitsversuchen mit Amino- s~turen in Neutralsalzl5sungen beobachtete P f e i f I e r (8) e benfalls Bine ..Umkehr" der Ionenreihe bei den sauren Aminos/turen.

Natriumbromid vermag schon in niedrigen Konzentrationen (0,15 ccm 2,5-n-NaBr-LSsung zu 10 cern Biner 0,025 prozentigen 3/[ethylenblaulSsnng) auf Nethylenblau aussalzend zu wirken, w5hrend Natriumsulfat, wie naeh den angef~ihrten L5sungsve�9 zu erwarten ist, in der 0,025 prozentigen Farbstoffl5sung selbst in hohen Konzentrationen keine Ffillung bewirkt. Die anssalzende Wirkung der Neutralsalze ist hier also keine Funktion der Valenz der Anionen; die einwertigen Anionen, ausgenommen Fluor, sind wirksamer in ihrem Aussalzvœ auf Methylenblan und in bezug auf die Hemmung der L5slichkeit desselben als das zweiwertige Sulfation. Dieses VerhNtnis bleibt auch erhalten, wenn man beim L5sungsversuch mit 3/[ethylenblau der Neutralsalzl6sung saure oder alkalische l~eaktion erteilt.

Die charakteristische Ionenreihe, die hier wie in den anderen an- geftihrten Beispielen auftritt, l~tl3t sich nicht unter dem Gesichtspunkt der Wertigkeitsregel erkl~iren. Eine w~tsserige LSsung von 3/Iethylenblau kann zudem in ihren wesentliehen physikalisehen Eigenschaften nicht als œ rein kolloidale LSsung charakterisiert werden. Leitf~thigkeits- messungen von lV[iolati (9) an Farbstoffen ergaben fur vide derselben einen hoheIl Wert der )[quivalentleitf~thigkeit und datait einen hohen Dissoziationsgrad, der vielfach nahezu ebensogrof3 ist wie �9 die bin~ren Alkalichloride. 3/Iethylenblau als salzsaures Salz hat bel v - ce die Xquivalentleitf~thigkeit (�8 von 99,4 reziproke Ohm; ftlr Natriumchlorid ergibt sich bei gleicher Verdtinnung ,~ zu 109. Ira 5Iethylenblauchlorid liegt nach diesen Messungen ein verhNtnismfiBig stark dissoziierter

L'ber Umladung und Umlagerung von Farbstoffen 513

Elektrolyt vor. Naeh Diffusionsmessungen von A. N i s t l e r (10) ist Nethylenblau zumindest in den niederen Konzentrationen molekula�9 dispers, entspreehend dem relativ geringen lV[olekulargewicht dieses Farbstoffes von rund 320. Ftir die Annahme einer Ionen a d s o r p t i o il als primare Ursache der Aussalzung und der *nderung des elektrisehen Ladungssinns ist aber eine kolloidale LSsung vorauszusetzen.

Es ist somit naheliegend, das Verhalten vieler Farbstoffe gegen Saure, Alkali nnd Neutralsalze, wie es prinzipiell in Uberftihrungs-, LSsungs- und Aussalzungsversuehen ara 3/[ethylenblau kurz dargestellt wurde, auf besondere konstitutionelle Eigenschaften des Farbstoff- molekiils zurtiekzuffihren. Erfahrungsgemal3 ist gerade in dieser Stoff- klasse, ahnlieh wie bei vielen biologiseh Wichtigen Stoffen, Bine starke Labilitat der 3/[olektilstruktur wahrzunehmen, womit die sehr haufig b e - obaehtete leiehte Umlagerungsfahigkeit der Farbstoffe in verschiedenen L5sungsmitteln oder bel @egenwart von Fremdstoffen zusammenhangt. Der Einflul3 selbst ganz geringer 3/[engen eines Neutralsalzes auf die Farbennuanee mancher FarbstofflSsungen ist deutlieh in dem sogenannten Salzfehler der Indikatorœ zu sehen. Aueh hierbei ist ira grofien und ganzen kein Untersehied der mehrwertigen Ionen gegen~iber den ein- wertigen vorhanden, so dag kolloidehemisehe Vorgange, wie Verringe- rung der Dispersitat des Indikators, die Farbanderung nicht ver- ursaehen k0nnen (11).

In zahlreichen Untersuehungen hat A. H a n t z s e h (12) insbesondere sowohl bel sauren als aueh bei basisehen Farbstoffen interessante Tau- tomerieerseheinungen aufgedeekt, die durehweg mit einer Anderung des Saure- oder Basencharakters der Farbstoffe verbunden sind. F~ir die @ruppe des basischen Fuchsins z. B. hat H a n t z s c h die Umlagerung der eehten FarbstofIbase in die Pseudobase bei Einwirkung von Alkali naeh- gewiesen. Aueh ira Wanderungsversueh mti6te diese Umwandlung in Er- scheinung treten, insofern dem pseudobasisehen Farbstoff ein mehr am- photeres Verhalten zuerkannt werden darf. Bei der Kataphorese ira Hochspannungsfeld (800 Volt) zeigt das Fuehsin rein kathodischen Wan- dœ In Analogie zum Methylenblau bewirkt nieht nur Alkali- zusatz sondern aueh Zusatz von Neutralsalzen eine gleiehzeitige katho- disehe und anodisehe Uberf(ihrung des Fuehsins. Dieser doppelsinnigen Wanderung dttrfte die intramoleku]are Umlagerung, wie sie H a n t z s e h gezeigt ltat, entspreehen. Wie Methylenblau ist aueh das Fuehsin in seinen L/)sungen nahezu vollstandig ionisiert, das molekulare Leitverm5gen nimmt mit der Verdtinnung nur unwesœ zu. Die in der Farbstoff-

514 Siil lmann

reihe sehr verbreitete Erseheinung der Ionisationsisolnerie, nach der der dissozii• Verbindung Bine andere ehemische Konstitution zukommt als der nieht dissoziierten, entspreehend einer Umlagerung der eehten Farb- sfiuren oder -basen in ihre Pseudoverbindungen, kann mithin ttber wesent- liche Eigensehaften der Farbstoffe Aufsehlul3 geben.

Methylenblau als salzsaures Salz l~tBt sich strukturchemisch dureh die beiden folgenden Formeln darstellen:

N

I [/'\//\/~

/ ; , %

N

!

~/ \ /V\ /% c1

Die freie Nethylenblaubase ist naeh den Leitf~thigkeitsmessungen von H a n t z s e h (13) eine starke Ammoniumbase; Formel I bringt diesen Saehverhalt ara besten zum Ausdruck. Wie in den Ammoniumsalzen bedingt hier der fiinfwertige Stickstoff als loositiver Kern die basisehe Natur des Methylenblaus. Mit d em Ubergang der paraehinoiden Bindung (I) in die orthochinoide (II) erfShrt der Farbstoff eine Ab- sehw~tehung seiner Basizit~tt und erMlt mehr den Charakter eines Am- pholytem Es ist ersiehtlieh, dag mit dieser Umwandlung eine Ladungs- verschiebung verkntipft ist. Ob d i e s e intramolekulare Umlagerung unter dem Einflul3 von Neutralsalzen und Alkali stattfindet, ist hiermit nicht entsehieden. M6g]icherweise verdient eine andere Darstellung als die in den obigen Formeln ausgedrtlekte sogar den Vorzug. Methylenblau vermag sich mit einigen Neutralsalzen, z .B. ZnC12, AuCla, zu Doppel- verbindungen zu vereinigen. Diese M6glichkeit ist aueh ohne weite�9 zu erkennen, da die beiden Stickstoffatome ,,koordinativ unges5ttigt" sind und so leicht Atome und Atomgruppen anlagern k5nnen. Das œ ehemisehe Verhalten des Methylenb]aus sowohl als aueh seine chemisehe Konstitution, kSnnen dadureh nati~rlieh in bestimmter Weise beeinflul3t w e r d e n . - Die Additionsprodukte von Eiweil3 mit Neutralsalzen sind analog den besser definierten Neutralsalzverbindungen der Aminos~uren wohl ebenfalls unter rein chemischen Gesiehtspunkten zu betrachten (14). Allerdings bleibt hervorzuheben, dag die gegenseitige Beeinflussung von L6sungsgenossen in den weitaus meisten F~tllen von komplexer Natur

Uber Umladung und Umlagerang von Farbstoffen 515

ist, so dal~ den hierbei auftretenden Erscheinungen von vornherein nicht nur e ine Ursache zugrunde gelegt werden kann. Die Mal3gabe, dag derselbe gel6ste Sto�9239 sich nach der einen Richtung wie ein Kolloid verhalten kann und gleichzeitig auf der anderen Seite die fiir Kri- stal]oide als typisch erkannten Eigenschaften zeigt, dfir�9 ira groI3en und ganzen auch fiir die Stof�9 der Farbstoffreihe zutreffen. Mit dieser Einschr~inkung m6chten wir in den vorstehenden Er6rterungen (iber den Einflul3 von Elektrolyten auf Meth~-lenblau und andere Farbstoffe, soweit L6sungs-, Aussalzungs- und Umladungsvorg~tnge in Frage kommen, chemische Gesichtspunkte gegen(iber den mehr physikalischen in den Vordergrund ste]len.

L i t e r a t u r

l. K e l l e r , Die Elektrizit~t in der Zelle. 2. Aufl., 1925. 2. K e l l e r, Biochem. Itochspannungsversuche. Berlin 1926. 3. B e t h e, Internat. Physiologen-Kongress Groningen 1915, ,,Ladung und Umladung

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200, 1925. 6. L o t t e r m o s e r und Riedel . Kolloid-Zeitschr. 1930, H. 1. 7. Bur ton , Phil. Mag. 17, 583, 1909. 8. Pfe i f fer , Organische Molekiilvœ S~uttgart 1922. 9. M i o l a t i , Ber. chem. Ges., 28, 1696.

10. A. Nis t l e r , Dispersit~ts-UntersUchungen an Farbstoffen. Kolloidchem. Beihefte 31, 1, 1930.

11. Vgl. Michael is und Rona , Biochem. Zeitschr. 23, 61. 12. A. t t a n t z s c h , Ber. chem. Ges. 33, 278ff. 13. Han tz sch , a. a. 0. 14. Vgl. hierzu S m y t h e und C. L. A. S c h m i d t , Journ. biol. Chem. 88, 241, 1930.