Theoretischer Teil

Einsatz von Durchfluß-Photoreaktoren Photochemische Umsetzungen in Durchfluß-Systemen

Durchfluß-Photoreaktoren werden in der Regel zur Optimierung analytischer Verfahren eingesetzt, wobei die Erhöhung der Empfindlichkeit oder Selektivität im Vordergrund steht. Bei der Nachsäulen-Bestrahlung (post-column photochemical reaction, Abbildung 1) werden die Reaktoren on-line nach der Trennsäule in ein HPLC-System geschaltet. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Integration der Reaktoren in ein FIA-System, wobei hier die Probe ohne vorangegangene chromatographische Trennung in einem Trägerstrom bestrahlt wird (Abbildung 1, ohne Säule).

Abbildung 1 : Schematische Darstellung eines HPLC-Systems mit integriertem Photoreaktor für die photochemische Bestrahlung nach der Trennsäule

Nach der photochemischen Umsetzung, ohne oder nach Auftrennung der Proben, erfolgt die Detektion. Eingesetzt werden in erster Linie die elektrochemische (HPLC-h ν -ECD) [6,7] und fluorimetrische Detektion [8,9], in geringerem Umfang auch die UV-Detektion (HPLC-h ν -UVD) [10,11].

Bei der photochemischen Reaktion kann der Analyt direkt, entweder durch Photolyse oder durch photochemische Umlagerungen bzw. Umwandlungen, in besser detektierbare Verbindungen umgesetzt werden. Indirekte Methoden basieren entweder auf der Absorption des Analyten mit der Folge, daß sich zugesetzte Substanzen umwandeln, oder auf den Einsatz von Photosensibilisatoren, die ihrerseits Strahlung absorbieren [12]. Weiterhin kann eine photochemische Umwandlung in nicht detektierbare Verbindungen die Selektivität einer Methode erhöhen. Ist die Substanz nach der photochemischen Umsetzung nicht mehr zu detektieren, können eventuelle störende Matrixbestandteile erkannt bzw. deren Fehlen bestätigt werden.

Umsetzungen durch photochemische Reaktionen besitzen gegenüber herkömmlichen Derivatisierungsmethoden einige Vorteile. Sie sind im allgemeinen sehr selektiv in bezug auf den Analyten, da sowohl die Fähigkeit zur Absorption als auch die Fähigkeit zur photochemischen Reaktion notwendige Voraussetzungen sind. Eine Verdünnung des Analyten durch Zusatz von Lösungsmitteln und Reagenzien tritt nicht auf. Weitere Pumpen oder Mischkammern sind nicht notwendig. Strahlungsquellen unterliegen in der Regel seltener Stabilitätsproblemen, wie sie mit chemischen Derivatisierungsreagenzien oftmals auftreten. Die Auswahl des Fließmittels ist nicht durch die Reagenzienlöslichkeit limitiert. Schließlich sind photochemische Reaktionen oftmals schnell verlaufende Reaktionen, so daß die Verweilzeit im Reaktor kurz gehalten werden kann.

Das Interesse, die entstehenden Photoprodukte auch durch den on-line Einsatz näher zu charakterisieren, nimmt zu, wobei die Reaktoren dabei konventionell entweder in einem FIA-System oder nach der chromatographischen Trennung eingesetzt werden. Durch die Variation der Detektoren, wobei neben den gängigen Detektoren auch die Elektronenspinresonanzspektroskopie (h ν -ESR) [13] und die Massenspektroskopie (LC-h ν -MS) [14] eingesetzt wurden, konnten dabei Rückschlüsse auf die Eigenschaften der Substanzen gezogen werden.

Bestrahlungen vor der Trennsäule zur photochemischen Stabilitätsuntersuchung sind jedoch bisher nicht beschrieben worden.

Aufbau und Konstruktionskriterien

Die Reaktorkonstruktionen für photochemische Reaktionen im Durchfluß sind je nach Entwicklungsstand und Art der Anwendung sehr vielfältig. Die photochemischen Umsetzungen in Durchfluß-Reaktoren erfolgen in Reaktionskapillaren bzw. -schleifen, die sich entweder neben der Lampe befinden oder direkt um die Lampe gezogen werden (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2 : UV-A-Strahler (Philipps) mit Reaktionskapillare (Länge l = 10 m, Innendurchmesser ID = 0,3 mm; Firma ICT, Frankfurt)

Besondere Aufmerksamkeit gilt der Auswahl der Bestrahlungsschleifen, der Vermeidung von Peakverbreiterungen durch Dispersionsprozesse im photochemischen Reaktor und der Verwendung verschiedener Strahlungsquellen.

Auswahl der Reaktionsschleifen

Bisher sind Bestrahlungsschleifen aus Quarz, Pyrex oder PTFE (Teflon, Polytetra-fluorethylen) eingesetzt worden [12]. Sie werden mittels Kupplungsstücken in das chromatographische System integriert. Reaktionskapillaren aus Pyrex oder Quarz sind aufgrund ihrer Zerbrechlichkeit schlecht zu handhaben. Weiterhin ist der Einsatz von Pyrex für die organische Photochemie begrenzt, da Wellenlängen unter 320 nm gefiltert werden. Die Verwendung von Kapillaren aus PTFE ist von Vorteil sowohl hinsichtlich der Integrierbarkeit in das System als auch in Hinblick auf die Durchlässigkeit von UV-Strahlung [15]. Die direkte Transmission von UV-Strahlung durch Teflon ist nicht sehr effizient, vermutet wird ein diffuser Strahlungstransfer oder ein Strahlungstransfer durch Poren der Reaktionsschleife [15,16]. Durch den sogenannten „light pipe“ Effekt, ein multipler interner Reflexionsmechanismus, könnte der effektive Photonenflux weiterhin gesteigert werden [15].

Teflonschläuche sind flexibel, haltbar und relativ kostengünstig. Sie sind aber in der Regel nicht hochdruckstabil, so daß sie nur nach der Säule eingesetzt werden können. Erst seit kurzer Zeit sind hochdruckstabile Reaktionsschleifen im Handel [Firma ICT, Frankfurt], so daß der Photoreaktor auch vor die Trennsäule in das HPLC-System geschaltet werden kann. Zur Zeit sind jedoch Angaben über das verwendete Material der hochdruckstabilen Reaktionsschleifen vom Hersteller nicht erhältlich.

Dispersionsprozesse in photochemischen Reaktoren

Die Peakverbreiterung in photochemischen Reaktoren sollte minimiert werden, um die Trennleistung der HPLC nicht zu beeinträchtigen. Die injizierte Probenlösung unterliegt physikalischen Prozessen (Diffusion, Konvektion), die im allgemeinen als Dispersion bezeichnet werden. In Abhängigkeit von der Aufenthaltsdauer verändert sich dadurch das Peakprofil (Abbildung 3):

Abbildung 3 : Einfluß der Dispersion auf das Konzentrationsprofil nach [17] a) ohne Dispersion
b) konvektionsbedingt
c) konvektions- und diffusionsbedingt
d) diffusionsbedingt

Nach der Injektion des Bolus ist der konvektive Transport in röhrenförmigen Reaktoren der bestimmende. Das Zonenprofil ist typisch parabolisch. Die Zeit des Eintreffens t _e entspricht in der Praxis der Verweilzeit T _max (Zeit, die dem Peakmaximum entspricht) - dargestellt in Abbildung 3b). Dieser Fall tritt nur auf, wenn t _e sehr klein ist. Nach kurzer Zeit steigt der Anteil der Diffusion an. Damit wird die Differenz t‘ = T _max- t _e signifikant und die Peaks besitzen ein tailing. Wenn die Zeit lang genug ist, wird das Peakprofil praktisch gaussförmig. Es gilt dann:

Gleichung 1 :Δt: Zeit [s], die der Bolus benötigt, um den Detektor zu passieren; T _max: Zeit [s], die dem Peakmaximum entspricht; t _e: Zeit des Eintreffens [s]; nach [19]

Die mittlere Verweilzeit T beträgt:

Gleichung 2 : r: Radius der Röhre [cm]; l: Länge der Strecke [cm], F: Fließgeschwindigkeit^{[mL s ^-1]; T: mittlere Verweilzeit [s]; u: lineare Fließgeschwindigkeit [cm s^-1]; nach [20]}

Bedingt durch das Strömungsprofil ergibt sich in schmalen Röhren eine axiale Dispersion der Probenzone (Konvektion). Diffusion erfolgt sowohl in axialer als auch in radialer Richtung, wobei Diffusion in radialer Richtung der Ausbreitung der Probenzone entgegen steuert. In der Praxis tritt damit unter laminaren Strömungsbedingungen eine Kombination von axialer Konvektion und radialer Diffusion (Abbildung 4) auf. Die axiale Diffusion ist in der Regel vernachlässigbar [18].

Abbildung 4 : Schematische Darstellung der axialen und radialen Diffusion in geschlossenen Röhren nach [18].

Die Größe der Dispersion kann durch den Dispersionskoeffizienten charakterisiert werden, wobei gilt:

Gleichung 3 : Definition des Dispersionskoeffizienten nach [20]; c ⁰: ursprüngliche Konzentration der injizierten Probe; c ^max: Konzentration im Volumenelement der dispergierten Probenzone, das dem Signalmaximum entspricht.

Es sind bisher diverse Modelle zur Bestimmung des allgemeinen Ausdrucks c = f(t),
(c: Konzentration [mol.L-1]; t : Zeit [s]), für das Signalprofil in schmalen Röhren aufgestellt worden. Basierend auf den Arbeiten von Taylor [21], der die Kombination von molekularer Diffusion und dem parabolischen Profil unter laminaren Flußbedingungen durch eine Diffusions-Konvektionsgleichung beschrieben hat, sind weitere theoretische Modelle entwickelt worden. Sie sind empirischer Natur und mit Ungenauigkeiten behaftet, da es problematisch ist, die Dispersion der Injektion, der Verbindungsstücke und der Verlauf der Reaktionsstrecke zu berücksichtigen. Die gesamte Peakverbreiterung in einem FIA-System ist die Summe der Peakverbreiterungen in den einzelnen Teilen des Systems und kann als Peakvarianz σ²beschrieben werden.

Gleichung 4 : Summe der Varianzen in den einzelnen Teilen des Systems, nach [20]

Für röhrenförmige Reaktoren wurde von Deelder et al. [22] eine Gleichung zur Berechnung der Dispersion als Varianz des Volumens aufgestellt:

Gleichung 5 : Δσ _v ² : Varianz des Volumens [mL²]; T: Verweilzeit (residence time) [min]; D: Diffusionskoeffizient des Analyten in der mobilen Phase [cm²min^-1]; F: Fließgeschwindigkeit [mL^.min^-1]; d: Innendurchmesser der Röhre [cm]; κ: Korrekturfaktor

Je höher die Fließgeschwindigkeit F und der Innendurchmesser d der Kapillare, desto größer ist die Varianz des Volumens. Weiterhin ist die Varianz proportional der Aufenthaltszeit T und damit der durchlaufenden Strecke l für eine konstante Fließgeschwindigkeit F. Um vergleichbare Meßergebnisse zu erhalten, sollte die Dispersion reproduzierbar sein (Konzept der kontrollierten Dispersion). Der Korrekturfaktor κ berücksichtigt Abweichungen vom laminaren Flußprofil.

Da die Reaktionsschleifen in Photoreaktoren meist gewickelt oder gehäkelt sind, ist der Fluß nicht perfekt laminar. Die Dispersion kann durch Windungen in der Kapillare herabgesetzt werden, da die entstehenden Zentrifugalkräfte einen radialen Massentransport induzieren, der der Aufweitung der Probenzone entgegenwirkt.

Abbildung 5 : Entstehung des „secondary-flow“

Dieser Effekt wird als "secondary flow" (radialer Massentransport durch Zentrifugalkräfte) bezeichnet und ist bereits theoretisch vorhergesagt und durch experimentelle Versuche bestätigt worden [23,24]. Das radiale Mischen kann durch die Verringerung des Innendurchmessers der Kapillaren wie auch der Windungen vergrößert werden. H. Engelhardt und U.D. Neue [25] zeigten, daß durch die dreidimensionale Verknüpfung einer PTFE-Kapillare die Peakverbreiterung auch bei geringen Fließgeschwindigkeiten minimiert werden kann. Die derzeit eingesetzten Reaktionskapillaren sind daher gewickelt, verknotet oder gehäkelt und ermöglichen durch ihre Kompaktheit zudem eine bessere Handhabbarkeit. Ein mathematisches Modell zur Berechnung des Konzentrationsprofils steht für gehäkelte Kapillaren zur Zeit nicht zur Verfügung.

Verwendung verschiedener Strahlungsquellen

Als Auswahlkriterien für die bisher eingesetzten Strahlungsquellen gelten Lampenintensität, Wellenlängen der emittierten Strahlung, Wärmeentwicklung, eventuelle Ozonproduktion und Kosten.

Oftmals sind Hochdruck- oder Mitteldruck-Dampflampen mit einer Leistung zwischen 100 bis 500 W verwendet worden [12]. Im allgemeinen handelt es sich um Quecksilber-Strahler, Xenon-Strahler oder Strahler, die eine Mischung der beiden Elemente enthalten. Quecksilber-Hochdrucklampen emittieren über das gesamte UV-vis Spektrum mit 11 starken Linien zwischen 270 bis 600 nm. Aufgrund von Selbstabsorption fehlt die 254 nm Linie, während sie bei Xenon Lampen vorhanden ist. Diese besitzen eine geringere kontinuierliche Emission in fast dem gesamten UV-Bereich und fallen bei kurzen Wellenlängen (200 - 250 nm) eher allmählich ab. Eine Mischung der beiden führt zu charakteristischen Linien beider Elemente. Die Emission eines großen Anteils an Infrarot-Strahlung bedingt den Einsatz einer Wasserkühlung. Wird der Druck in der Strahlungsquelle herabgesetzt, dominiert die Linienemission. Quecksilber-Niederdruckstrahler emittieren mehr als 80 % ihrer Strahlung in Form der 254 nm Quecksilberlinie. Niederdruckstrahler sind mit einer Vielzahl von spektralen Charakteristika erhältlich. Beispielsweise emittieren Schwarzlichtlampen ein Breitbandspektrum mit einem Maximum bei 366 nm. Sie zeichnen sich durch geringe Erwärmung aus und sind im Vergleich zu den Hochdrucklampen kostengünstiger.

Untersuchungen der photochemischen Stabilität Charakterisierung und Verfolgung photochemischer Reaktionen

Photochemische Reaktionen werden durch die Absorption von sichtbarem oder ultraviolettem (UV) Licht ausgelöst. Lichtabsorption führt zur Veränderung der Elektronenkonfiguration, d.h. zum Übergang in einen angeregten Molekülzustand. Ein Molekül absorbiert Licht nur, wenn eine Absorptionsbande existiert, die zu einem gewissen Anteil mit der eingestrahlten Lichtenergie überlappt (Grundgesetz von Grotthus und Draper). Im relevanten Chromophor wird ein Valenzelektron zum ersten angeregten Zustand (¹S), der spingleich dem Grundzustand (S₀) ist, angehoben (Gleichung 1.). Die Rückkehr zum Grundzustand kann durch interne Konversion, d.h. durch strahlungslose Deaktivierung erfolgen (Gleichung 2.). Alternativ kann die Rückkehr zum Grundzustand durch Fluoreszenzemission von Licht mit geringerer Energie erfolgen (Gleichung 3.). Der Übergang in den Triplettzustand (T) wird durch Gleichung 4. ausgedrückt. Von diesem kann die Rückkehr zum Grundzustand durch Abgabe von Strahlung (Phosphoreszenz, Gleichung 5.) oder durch strahlungslose Deaktivierung eintreten.

S_o + hν -> ¹S
¹S -> S₀ + Wärme
¹S -> S₀ + hν'
¹S -> T
T -> S₀ + hν‘

Photochemische Reaktionen können von ¹S oder T aus erfolgen. Es handelt sich dabei hauptsächlich um Isomerisierungen, photolytische Spaltungsreaktionen, Substitutions- und Additionsreaktionen, Umlagerungen, Redoxreaktionen sowie radikalische Kettenreaktionen.

Laborapparaturen für photochemische Reaktionen sind vielfältig, wobei grundsätzlich zwischen Apparaturen zur präparativen Synthese von Stoffen und Apparaturen für photochemische Messungen unterschieden werden kann [5].

Ziel der photochemischen Synthese ist vor allem eine hohe Ausbeute. Der Umsatz kann durch einfache Außenbestrahlung erfolgen, wobei die Strahlung von einer neben dem Reaktionsgefäß angebrachten Strahlungsquelle in den Reaktor eintritt. Eingesetzt werden weiterhin Reaktoren mit Tauchbrennern, die in die zu untersuchende Lösung eingetaucht werden und dadurch einen hohen Wirkungsgrad besitzen.

Ziel photochemischer Messungen ist die Bestimmung von Quantenausbeuten und die Verfolgung der Kinetik photochemischer Reaktionen, worauf in den folgenden Kapiteln näher eingegangen werden wird.

Bestimmung von Quantenausbeuten

Die Quantenausbeute ist eine experimentelle Größe, die das Verhältnis der Anzahl umgesetzter Moleküle n_A zur Anzahl absorbierter Lichtquanten definierter Energie n_Q wiedergibt [5].

Gleichung 6 : Φ _A: summarische Quantenausbeute; n _A: Anzahl umgesetzter Moleküle; n _Q: Anzahl absorbierter Lichtquanten

Φ _A stellt die summarische Quantenausbeutedar, d.h. es wird nicht zwischen Primär- und Sekundärvorgängen unterschieden. Aus kinetischen Experimenten erhält man die „momentane“ bzw. „differentielle“ Quantenausbeute φA als Verhältnis der Geschwindigkeiten für den Stoffumsatz und für die Lichtabsorption:

Gleichung 7 : I _abs: Quantenstrom (Flux) [mol Photonen s^-1]; I _a: Quantenstromkonzentration I _abs/V _R[mol Photonen s^-1 L^-1]; V _R: Reaktionsvolumen [L]; c _A: Konzentration [mol L^-1] nach [5]

Integration der differentiellen Quantenausbeute nach der Zeit liefert die integrale Quantenausbeute:

Gleichung 8 : t: Zeit [s]; c ₀: Konzentration [mol L^-1] zur Zeit t = 0 s; c _t: Konzentration [mol L^-1] zur Zeit t nach [5]

Sie stimmt mit der summarischen Quantenausbeute überein, wenn im Verlauf der Photoreaktion keine Änderungen im Mechanismus und den Absorptionsverhältnissen eintreten.

Voraussetzung der Bestimmung von Quantenausbeuten ist die Messung der absorbierten Strahlungsintensität und der Reaktionszeit, sowie die Bestimmung der Konzentrationen der an der Photoreaktion beteiligten Stoffe. In der Regel wird monochromatische Strahlung verwendet, da dies lediglich die Kenntnis der Strahlungsintensität bei der Emissionswellenlänge erfordert. Für polychromatische Strahlungsquellen hingegen muß die Spektralflußverteilung bekannt sein, die Berechnung kann dabei in Wellenlängenabschnitten durchgeführt werden. Die Bestimmung ist daher relativ zeitaufwendig und läßt eventuelle Abhängigkeiten der Quantenausbeute von der Wellenlänge unberücksichtigt.

Bestimmung von Strahlungsintensitäten mittels Aktinometrie

Aufgrund der Variabilität der experimentellen Anordnungen basieren photochemische Studien oftmals auf der Messung von relativen Lichtintensitäten. Die nach einer bestimmten Bestrahlungszeit photochemisch abgebaute Substanzmenge kann damit innerhalb der gegebenen experimentellen Parameter reproduziert werden, ist eventuell aber nicht mit derjenigen vergleichbar, die mit einer anderen Apparatur oder Lampe erhalten wurde. So kann die Lichtintensität an einem bestimmten Punkt mit Hilfe eines Radiometers, das aus einer Photozelle und einer Reihe von für bestimmte Wellenlängen durchlässigen Filtern besteht, gemessen werden. Angegeben werden Bestrahlungsstärken in W·m-2 oder J·s-1·cm-2.

Für absolute Bestimmungen des Ausmaßes einer Photoreaktion muß die Anzahl Moleküle, die pro absorbiertes Photon reagieren, berechnet werden. Die Intensität der absorbierten Strahlung wird gewöhnlich mit chemischen Aktinometern bestimmt. Die Einheit der Strahlungsintensität ist Einstein/s oder Es/s, wobei gilt [5]:

Gleichung 9: N_l: Loschmidt-Zahl 6,02·10²³ mol^-1, h: Plancksches Wirkungsquantum 6,626.10^-34 J·s^-1, v: Frequenz.[s-1], c: Lichtgeschwindigkeit 300000·10¹² nm·s^-1, λ: Wellenlänge [nm], J: Joule

Chemische Empfänger (Aktinometer) sind integrierende Empfänger, in denen die Strahlungsmenge durch den Stoffumsatz einer chemischen Reaktion bestimmt wird [5]. Voraussetzung für aktinometrische Messungen ist eine bekannte Quantenausbeute für den jeweiligen Spektralbereich. Angaben über gebräuchliche Aktinometer sind im Folgenden zusammengefaßt:

Aktinometer

Wellenlänge oder Spektralbereich [nm]

Reaktion

Analytische Methode

Literatur

Kaliumtris(oxalato)-ferrat(III)

250 - 480

Bildung von Eisen (II)

Absorption des Fe(II)-1,10-Phenanthrolin-Komplexes bei 510 nm

[5,26,27,28, 29]

Uranyloxalat

210 - 435

Photoreduktion

Titration mit KMnO₄

[26,29]

Benzophenon-Benzhydrol

300 - 390

Pinakolbildung

Absorptionsdifferenzen

[29,30]

Stilben

254 - 366

Isomerisierung

Absorptionsdifferenzen, Gaschromatographie (GC)

[31]

2-Hexanon

313

Norrish Typ-II-Spaltung

Bestimmung des gebildeten Acetons mittels GC

[29]

Keton-Pentadien

313 und 366

Photosensibilisierte Isomerisierung

GC

[29]

Chinin

330

unbekannt

Absorption bei 400 nm

[32]

o-Cumarinsäure

254

E-Z-Isomerisierung

Absorption, Fluoreszenz bei 492 nm

[33]

Azoxybenzol

250 - 350

Umlagerung zu o-Hydroxyazobenzol

Absorption bei 458 nm

[34]

Azobenzol

230 - 480

E-Z-Isomerisierung

Absorption bei 358 nm

[35]

Phenylglyoxylsäure

254 - 405

Decarboxylierung

Absorption bei 360 - 390 nm, HPLC, Kernresonanzspektroskopie (NMR)

[36]

Tabelle 1 : Auswahl einiger gebräuchlicher Aktinometer unter Angabe des jeweiligen Spektralbereiches, der analytischen Methode und entsprechender Literaturverweise

Aktinometer

Wellenlänge oder Spektralbereich [nm]

Reaktion

Analytische Methode

Literatur

Aberchrome 540

310 - 375

Fulgid-Isomerisierung

Absorption bei 494 oder 343 nm

[37]

Chloressigsäure

254

Bildung von Cl^-

Potentiometrie, Polarographie,

[38]

3,4-Dimethoxynitrobenzol

308

Photohydrolyse

Absorptionsdifferenzen

[39]

Malachitgrün-leukocyanid

225 - 289

Photoionisierung

Absorption bei 620 nm

[40]

Iodid/ Bengalrosa

> 400

sensibilisierte Oxidation

Polarographie, Redoxtitration des Iodids

[41]

Kaliumdiamintetracyanochro-mat(III)

316 - 750

Ligandenaustausch

Absorption bei 450 nm, Absorption des Fe(III) thiocyanatkomplexes

[42]

Sauerstoff

130 - 190

Bildung von Ozon

Absorption des Iod/I^-.Komplexes (aus Ozon und KI-Lösung) bei 353 nm

[43]

Meso-diphenyl-helianthren

436 - 545
475 - 610

Bildung des Endoperoxids

Absorption bei 405, 436, 546 oder 578 nm

[44]

Fortsetzung von Tabelle 1

Das gebräuchlichste Aktinometer ist das Tris(oxalato)-ferrat(III)-Aktinometer-(Ferrioxalat-Aktinometer). Es ist über einen weiten Spektralbereich empfindlich, weist eine hohe Quantenausbeute auf und beruht auf einer einfachen Konzentrationsmessung. Der Photolyt absorbiert stark, die Photolyseprodukte jedoch nur schwach. Bei Bestrahlung im Bereich von 250 bis 480 nm erfolgt die Redoxreaktion:

Die Berechnung der Strahlungsintensität I _{erfolgt nach:}

Gleichung 10 : I: Strahlungsintensität [Es s^-1]; nFe2+: Stoffmenge Fe²⁺ [mol]; φ: Quantenausbeute; T _h _ν: Bestrahlungszeit [s].

Die Quantenausbeuten sind relativ unabhängig von Wellenlänge, Konzentration, Temperatur und Lichtintensität [29]. Die Werte sind in Tabelle 2 zusammengefaßt.

Wellenlänge [nm]

Konzentration an Tris(oxalato)ferrat(III) [mol/L]

Absorbiertes Licht in % des auffallenden Lichts
bei einer Schichtdicke d = 1.5 cm

Quantenausbeute φ

480

0,15

57,8

0,94

436

0,15

99,7

1,01

366

0,15

100

1,21

334

0,006

100

1,23

313

0,006

100

1,24

302

0,006

100

1,24

254

0,006

100

1,25

Tabelle 2 : Quantenausbeute und der Absorptionsgrad (in Prozent) des Ferrioxalat-Aktinometers bei verschiedenen Wellenlängen nach [5]

Kinetik photochemischer Reaktionen
Die Messung des Umsatzes bei photochemischen Reaktionen kann durch Bestimmung der Ausgangsverbindung oder der entstandenen Photoprodukte erfolgen. Eingesetzt werden in der Regel HPLC, UV-Spektroskopie und Gaschromatographie (GC). Die UV-Spektroskopie ist sinnvoll, wenn die Reaktion am Chromophor oder Auxochrom stattfindet. Die Anwendung der GC ist aufgrund der oft nicht ausreichend flüchtigen bzw. nicht temperaturbeständigen Verbindungen limitiert [45].

Die Geschwindigkeit einer einfachen Photoreaktion ist (vgl. Gleichung 7, Kapitel 2.2.2.):

Gleichung 11 : I _a: absorbierte Quantenstromkonzentration [Es s^-1 L^-1], c _A: Konzentration [mol L^-1], t: Zeit [s]; φ _A: Quantenausbeute

Unter den Voraussetzungen, daß die Strahlung senkrecht auf eine planparallele Fläche fällt, die Intensität über die Eintrittsfläche gleich groß ist und die Strahlung monochromatisch ist, gilt das Bouguer-Lambert-Beersche Gesetz:

Gleichung 12 : χ: natürlicher molarer Absorptionskoeffizient (χ = 2,3 ε) [mol^-1 L cm^-1.],
ε: molarer Absorptionskoeffizient [mol^-1 L cm^-1], d: Schichtdicke [cm];

und damit resultiert aus Gleichung 11 und 12 nach [5]:

Gleichung 13 : A _λ: Absorption, A' _λ _{= 2,3 A
_λ}

Bei hohen Absorptionen wird 10^-A ^λ gegen 1 vernachlässigbar, die Reaktion verläuft
0. Ordnung und es gilt [5]:

Gleichung 14

Bei niedrigen Absorptionen und Entwicklung von Gleichung 13 als Reihe, kann für kleine Absorptionen nach dem linearen Glied abgebrochen werden [5]:

Gleichung 15

Um den Fehler gering zu halten, sollte A'_λ klein sein. Die Reaktion verläuft 1. Ordnung und Integration führt zur Gleichung:

Gleichung 16

Bei Gemischen kann die absorbierte Quantenstromkonzentration der Verbindung A anhand des Verhältnisses der Absorption zur Gesamtabsorption berechnet werden [5].

Gleichung 17: : absorbierte Quantenstromkonzentration der Verbindung A [Es s^-1 L^-1]; : Absorption der Verbindung A; : Gesamtabsorption

UV-Filter Methoden der photochemischen Stabilitätsuntersuchungen von UV-Filtern
Der Einsatz von Sonnenschutzmitteln ist von steigender Bedeutung, da Umweltfaktoren, wie die Abnahme der Ozonschicht, und auch das allgemeine Bewußtsein über die schädlichen Effekte von Sonnenlicht auf die menschliche Haut steigen. Grundsätzlich kann unterschieden werden zwischen physikalischen Lichtschutzsubstanzen, deren Wirkprinzip auf der Reflexion von Strahlung beruht, und chemischen Lichtschutzsubstanzen, die Strahlung absorbieren und als UV-Filter bezeichnet werden. Letztere können weiterhin, basierend auf dem Typ der Strahlung gegen den sie schützen, in UV-A- und UV-B-Filter eingeteilt werden [46]. UV-A ist der langwellige UV-Bereich von 320 - 400 nm, Strahlung der Wellenlänge von 280 - 320 nm wird als UV-B bezeichnet, während kurzwelligere UV-Strahlung (< 280 nm) als UV-C bezeichnet wird. UV-Filter im Sinne der Kosmetikverordnung sind Stoffe und Zubereitungen, die kosmetischen Mitteln zu dem Zweck hinzugefügt werden, Ultraviolett-Strahlen zu filtern, um die Haut oder auch kosmetische Erzeugnisse vor schädlichen Einwirkungen dieser Strahlen zu schützen.

Die photochemische Stabilität von UV-Filtern ist sowohl hinsichtlich der Bildung von photochemischen Abbauprodukten mit eventuell unerwünschten Wirkungen als auch in Hinblick auf Wirksamkeitsverluste von Bedeutung. Untersuchungen zur photochemischen Stabilität sind bisher aber kein Kriterium für die Zulassung durch die EU-Kommission. Die Richtlinien des Scientific Committee for Cosmeteology (SCC) der EU für die Zulassung der UV-Filter [47] beziehen sich lediglich auf Untersuchungen zur Phototoxizität und Photosensibilisierung.

Die ICH (International Conference on Harmonisation) [48] empfiehlt in ihren Richtlinien Photostabilitätsuntersuchungen generell als Bestandteil des normalen Stresstests. In den entsprechenden Richtlinien wird zwischen beschleunigten und bestätigenden Tests unterschieden, wobei neben Xenon-Lampen auch Niederdruckstrahler für den UV- und vis-Bereich empfohlen werden.

Nur für einen Teil der UV-Filter sind photochemische Stabilitätsuntersuchungen dokumentiert worden, und es ist erstaunlich wie wenig Information in der Literatur bezüglich der Photochemie dieser Verbindungen vorhanden ist [49]. Dennoch wird der Charakterisierung möglicher photochemischer Abbauprozesse zunehmende Aufmerksamkeit entgegengebracht, wobei die Untersuchungen unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt wurden. Zum einen wird die allgemeine Photochemie der UV-Filter isoliert betrachtet, zum anderen erfolgt eine Simulation der natürlichen Umgebung unter Anpassung an verschiedene Parameter.

Nach Bestrahlung der Lösungen der reinen UV-Filter konnten sowohl Änderungen im UV-Spektrum [50] erkannt werden als auch der Abbau der Ausgangsverbindung bzw. die Bildung von Photoprodukten mittels HPLC [51,52,53], Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) [52] oder Kernresonanzspektroskopie (NMR) [54] verfolgt werden. Zwischenprodukte konnten mittels Blitzlichtphotolyse [55,56] oder ESR [57] näher charakterisiert werden.

Zubereitungen der UV-Filter wurden auf Uhrgläsern [58], Quarzplatten [59], Polymethylmethacrylat-Platten [60], Stratum corneum [61] oder isolierter menschlicher Epidermis [62], bestrahlt, wobei anschließend die Bestimmung der totalen Transmission [60-62] bzw. die Änderungen im Absorptionsspektrum [58,59] oder HPLC-Untersuchungen [60] erfolgten.

Eine detailliertere Betrachtung der Photostabilität bzw. der Photochemie der verwendeten UV-Filter wird in den folgenden Kapiteln durchgeführt.
Zur Photochemie der untersuchten UV-Filter
Strukturelle Ähnlichkeiten der Substanzen sind die Ursache für die gemeinsame Fähigkeit, im Grundzustand Strahlung im UV-Bereich zu absorbieren und in einen angeregten Zustand überzugehen. Es handelt sich um substituierte aromatische Verbindungen, wobei als Grundkörper u.a. 4-Aminobenzoesäure (p-Aminobenzoesäure, PABA), Salicylsäure, Zimtsäure und Benzophenon dienen.
4-Aminobenzoesäure und 4-Bis(polyethoxy)aminobenzoesäure-polyethoxyethylester
Abbildung 6 : 4-Aminobenzoesäure - Formel

Abbildung 7 : 4-Bis(polyethoxy)aminobenzoesäure-polyethoxyethylester - Formel

Die photochemische Reaktivität der 4-Aminobenzoesäure (PABA) ist schon lange bekannt [63]. Hodges et al. zeigten, daß PABA als Sensibilisator agiert und zum Absterben von Escherichia coli Zellen nach Exposition mit UV-Strahlung von 313 nm führt [64]. Weiterhin bewirkt UV-Strahlung eine Veränderung des Absorptionsspektrums der PABA [50]. Die Fähigkeit dieser Verbindung als Photosensibilisator die Dimerisierung von Thymin zu induzieren und Thyminaddukte zu bilden, ist gut dokumentiert [65-68]. Die Reaktion mit DNA-Basen wird dabei für eine mögliche UV-induzierte Mutagenität verantwortlich gemacht [69]. Weitere Untersuchungen zur Photochemie der PABA konzentrierten sich hauptsächlich auf die Aufklärung stabiler Photoprodukte in wäßriger Lösung, wobei keine Übereinstimmung über die Art der Photoprodukte besteht. Die Bildung von E- und Z-4,4‘-Azobenzoldicarbonsäure wurde von Gasparro beschrieben [70]. Darin wurde ihm von Shaw et al. [53] widersprochen, die andere Photoprodukte gefunden haben. In deoxygenierter Lösung zwischen pH 7,5 und 11 identifizierten sie 4-(4‘-Aminophenyl)aminobenzoesäure und 4-(2‘-Amino-5‘-carboxyphenyl)aminobenzoesäure als Photoprodukte. In sauerstoffbegaster Lösung hingegen fanden sie 4-Amino-3-hydroxybenzoesäure, 4-Aminophenol und 4-(4‘-Aminophenyl)aminobenzoesäure. Langford et al.[71] konnten mittels HPLC bis zu neun verschiedene Photoprodukte detektieren, wobei die Bildung von 4,4‘-Azobenzoldicarbonsäure und 4,4‘-Hydrazobenzoldicarbonsäure bestätigt wurde. Es sind Beweise geliefert worden, daß einige reaktive Zwischenstufen während der Photolyse in wäßrigen PABA-Lösungen gebildet werden. Mittels ESR-Untersuchungen wurden H-Radikale, OH-Radikale, sowie C₆H₄COOH-Radikale nachgewiesen [57].
2-Hydroxy-4-methoxy-benzophenon und 2-Hydroxy-4-methoxybenzophenon-5-sulfonsäure
Abbildung 8 : 2-Hydroxy-4-methoxybenzophenon (Oxybenzonum) - Formel

Abbildung 9 : 2-Hydroxy-4-methoxybenzophenon-5-sulfonsäure (Sulisobenzonum) - Formel

Die Bewertung der Photostabilität von Oxybenzonum und Sulisobenzonum ist in der Literatur widersprüchlich. Bisherige Untersuchungen lieferten zunächst keine Hinweise auf Photoprodukte, die nach Bestrahlung mittels HPLC oder GC erfassbar sind [72]. Die Stabilität der spektralen Eigenschaften (spektrale Stabilität) wurde im allgemeinen als exzellent [73] bezeichnet, da sich die Absorptionseigenschaften nach Bestrahlung nicht veränderten [73,74]. Die Benzophenone gelten als photostabil, da sie im angeregten Zustand einem schnellen Wasserstoff-Transfer unterliegen können (ausgehend von der phenolischen OH-Gruppe zum Carbonyl-Sauerstoff). Die Rückreaktion ist exotherm, wobei die produzierte Wärme von Matrixbestandteilen aufgenommen werden kann [75].

Demgegenüber wurden von Marti-Mestres et al. [58] Veränderungen im UV-Spektrum nach Bestrahlung von Zubereitungen von Oxybenzon und Sulisobenzon festgestellt. Zu berücksichtigen war der Einfluß des Lösungsmittels, da Veränderungen der Absorptionseigenschaften in Abhängigkeit von Matrixbestandteilen auftraten [58]. Als möglicher Mechanismus wurde die Homolyse der Aryl-Carbonyl-Bindung aufgeführt [75]. Schallreuter et al. postulierten aus Untersuchungen mittels Fourier-Transform-Raman Spektroskopie die photochemische Oxidation zu einem reaktiven Oxybenzonsemichinon. [76]. Dieser These widersprachen Hintze et al. [77], die aus Ergebnissen mittels Raman-Spektroskopie keine Hinweise auf photochemische Instabilität erhielten.
4-Methoxy-zimtsäure-2-ethyl-hexylester
Abbildung 10 : 4-Methoxy-zimtsäure-2-ethyl-hexylester - Formel

4-Methoxy-zimtsäure-2-ethyl-hexylester wird oft als photochemisch instabiler UV-Filter bezeichnet [60], da die Absorption am Absorptionsmaximum nach Bestrahlung rasch abnimmt [58,74,73,78].

Als α , β-ungesättigte Carbonylverbindung ist 4-Methoxy-zimtsäure-2-ethyl-hexylester zur photochemischen E-Z-Isomerisierung befähigt. Diese Reaktionen von Doppelbindungen sind bisher detailliert untersucht worden [79] und stellen für zahlreiche UV-Filter den grundlegenden Desaktivierungsprozeß dar.

Molière et al [78] postulierten eine einfache E-Z-Isomerisierung ohne die Bildung weiterer Photoprodukte, wobei im einfachsten Fall ein photostationärer Gleichgewichtszustand erreicht ist, wenn

Gleichung 18 : ΦE → Z und ΦZ → E: Isomerisierungsquantenausbeuten; εE und εZ: Absorptionskoeffizienten des E und Z Isomers [mol^-1 cm^-1 L]; xe:molarer Anteil des E-Isomers im photostationären Gleichgewichtszustand

Jedes Isomer kann nach Absorption von Strahlung in die andere Form übergehen, was zu einer Mischung von Isomeren führt. Die UV-Absorption von cis-Olefinen ist häufig hypsochrom verschoben und intensitätsschwächer im Vergleich zu trans-Olefinen [80]. Allgemein bekannt ist die photochemisch induzierte Dimerisierung der gewöhnlichen Zimtsäure zu Truxillsäure (2,4-Diphenyl-cyclobutan-1,3-dicarbonsäure) und Truxinsäure (3,4-Diphenyl-cyclobutan-1,2-dicarbonsäure) [81]. Die entsprechenden Photodimere und Folgeprodukte des 4-Methoxy-zimtsäure-2-ethyl-hexylesters sind ebenfalls in der Literatur beschrieben [82,83]. Weiterhin stellten Morrison et. al. die photochemisch induzierte Bindung von p-Methoxyzimtsäure an DNA fest und erklärten sich dies durch die Bildung von Cyclobutanaddukten.
2-Cyan-3,3-diphenyl-acrylsäure(2-ethyl-hexylester)
Abbildung 11 : 2-Cyan-3,3-diphenyl-acrylsäure(2-ethyl-hexylester)(Octocrilen) - Formel

2-Cyan-3,3-diphenyl-acrylsäure(2-ethyl-hexylester) stellt ebenfalls eine α , β-ungesättigte Carbonylverbindung dar, wobei aber aufgrund der beiden Phenylsubstituenten keine E-Z-Isomere existieren.

Es wird eine ausgezeichnete Photostabilität proklamiert [85], obwohl bisher sind kaum Untersuchungen bezüglich der Photochemie dieser Verbindung durchgeführt wurden . Eine photochemische Degradation des UV-Filters ist lediglich in Polymerfilmen beobachtet worden [75]. Photoprodukte konnten aber bisher nicht identifiziert werden.
3-(4‘-Methyl)benzyliden-bornan-2-on

Abbildung 12 : 3-(4‘-Methyl)benzyliden-bornan-2-on - Formel

Benzylidencampherderivate sind ebenfalls α , β ungesättigte Carbonylverbindungen und damit zur photochemischen E-Z-Isomerisierung befähigt [86].

Während der Bestrahlung von 3-(4‘-Methyl)benzyliden-bornan-2-onist auch hier ein photochemischer Gleichgewichtszustand schnell erreicht, praktisch agiert eine Mischung der E- und Z-Form als UV-Filter [87]. Die Isomerisierung ist überlagert von einer photochemischen Degradation, erkennbar an der Abnahme der Absorption nach Bestrahlung [59,87], wobei die Photoprodukte bisher noch nicht identifiziert worden sind [88].
1-(4-tert.-Butylphenyl)-3-(4-methoxyphenyl)propan-1,3-dion
Abbildung 13: 1-(4-tert.-Butylphenyl)-3-(4-methoxyphenyl)propan-1,3-dion - Formel

1-(4-tert.-Butylphenyl)-3-(4-methoxyphenyl)propan-1,3-dion zeigt als 1,3-Dicarbonylverbindung Keto-Enol-Tautomerie [89]. Damit liegt in der Enol-Form auch hier eine α , β ungesättigte Carbonylverbindung vor. Die Lage des Keto-Enol-Gleichgewichtes hängt vom Lösungsmittel, der Temperatur und der Konzentration ab [81]. Sowohl in polaren als auch in apolaren Lösungsmitteln dominiert die Enolform, wobei der Enolgehalt in apolaren Lösungsmitteln aufgrund der Stabilisierung durch eine intramolekulare Wasserstoffbrückenbindung höher ist [56]. Die Enolformen zeigen gewöhnlich starke Absorptionsbanden im UV-Bereich, hervorgerufen durch π-π*-Übergänge im chelatierten quasi-aromatischen π-Elektronen-System. In Lösung wurde die Existenz von drei tautomeren Formen (zwei cis-Enole, ein ß-Diketon) bestätigt [90].

Bei Bestrahlung von verdünnten Lösungen in Acetonitril erfolgt Konversion der Enolform (λ_max≅ 350 nm) zur Ketoform (λ_max≅ 260 nm) [55,90]. Dieser als Photoketonisation bezeichnete Prozeß erfolgt über Zwischenstufen, vermutlich über das E-Isomer oder Rotamer der Enol-Form [55,91].

In apolaren Lösungsmitteln ist 1-(4-tert.-Butylphenyl)-3-(4-methoxyphenyl)propan-1,3-dion photochemisch instabiler als in polaren, wobei zahlreiche Photoprodukte (p-Methoxybenzoesäure, p-t-Butylbenzoesäure, t-Butylbenzol u.a.) identifiziert werden konnten [52,72].
2-Phenylbenzimidazol-5-sulfonsäure

Abbildung 14 : 2-Phenylbenzimidazol-5-sulfonsäure - Formel

2-Phenylbenzimidazol-5-sulfonsäure gilt als stabiler UV-Filter. Bisher sind weder Veränderungen im Absorptionsvermögen [73,74,92] noch Photoprodukte identifiziert worden.
3,3,5-Trimethyl-cyclohexyl-salicylat
Abbildung 15 : 3,3,5-Trimethyl-cyclohexyl-salicylat (Homosalatum) - Formel

Homosalatum gilt ebenfalls als stabiler UV-Filter, auch bezüglich dieser Substanz sind bisher weder Veränderungen im Absorptionsvermögen [73] noch Photoprodukte identifiziert worden.