DE1442542A1

DE1442542A1 - Verfahren zur Herstellung und Konservierung von freien Radikalen

Info

Publication number: DE1442542A1
Application number: DE19651442542
Authority: DE
Inventors: Louis Rey
Original assignee: Air Liquide SA
Current assignee: Air Liquide SA
Priority date: 1964-05-11
Filing date: 1965-05-08
Publication date: 1969-01-23
Also published as: GB1107155A; US3408276A; BE663707A; NL6505986A; FR1405884A; CH462115A

Description

^^ «Wiesbaden , den 7.5.196!

DipL-Ing. Harry Roever hiu«^« PATENTANWÄLTE ^{TeWon (oem)}

Bm* AG.

Dr. Expl.

L'Air Liquide,

Societe Anonyme,

75, Quai d'Oraay, Paris 7e,

Frankreich

Verfahren zur Herstellung und Konservierung von freien Radikalen

Priorität: Französische Patentanmeldung No.P.V. 974.007 vom 11. Mai 1964

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von freien Radikalen und deren Konservierung in haltbarer Form, Seit langer Zeit ist bekannt, daß bei vfelen chemischen Reaktionen aktive Atomgruppierungen, nämlich die freien Radikale auftreten, die im allgemeinen nur vorübergehend existenzfähig sind. In isoliertem Zustande besitzen sie eine sehr hohe chemische Reaktionsfähigkeit und infolgedessen eine sehr große Unbeständigkeit. Entsprechet! ihrer jeweiligen Struktur können sie jedoch aufgespürt und ihre Konzentration kann mit Hilfe verschiedener Techniken gemessen werden wie durch Absorptionsspektren im sichtbaren

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Bereich, im nahen und entfernten Ultravoilett, Infrarot, Massenspektrometrie, Beugung von Röntgenstrahlen bei tiefer

der Temperatür,Emissionssprektren bei tiefer Temperatur, Messungen/ Dielektrizitätskonstante, der magnetischen Suszeptibilität, der Wärmeleitfähigkeit _f des Brechungsindexes, kalorimetrische Messungen und besonders Messungen der paramagnetischen ELektronenresona.nz nach Maßgabe ihrer asymmetrischen Elektronenstruktur.

Diese freien Radikale haben großes Interesse als Initiatoren von chemischen Reaktionen in der chemischen Industrie für Vortriebsmassen, die Metallurgie und das Studium des Schutzes gegen Strahlungen. Man kennt verschiedene Methoden für die Herstellung von freien Radikalen, die rasche Isolierung von Zwischenprodukten während ihrer Bildung in einer chemischen Reaktion oder Dissoziierung von komplexen Molekülen durch verschiedene physikalische Verfahren, die mit Wärme, Strahlung,Erregung durch Hochfrequenz usw. arbeiten. In letzterem Falle können Systeme, die sich normalerweise im Gleichgewicht befinden "aktiviert" werden und große Mengen freier Radikale enthalten-,. Ihre Untersuchung .,kann ,. dann auf zwei verschiedene Weisen vorgenommen werden, nämlich entweder indem man die gebildeten Radikale in ihrem Anfangszustand untersucht, was ihre νKonservierung. - soweit möglich in haltbarem Zustand während einer.ausreichenden Zeitspanne erfordert, oder indem man sie· direkt_:durch Beobachtung ihrer Reaktionsvorgänge untersucht, d.h. indem man.,ihre Wiederver-

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- 3 -einigungsbedingungen analysiert.

In eraterem Pall geht man im wesentlichen darauf aus, jede Wiedervereinigung der gebildeten Radikale zu verhindern»und zu dieaem Zweck ist es unerläßlich, sie in stabilen Positionen zu "blockieren". Zu diesem Zweck greift man im allgemeinen zu verschiedenen Methoden:

Durch Dispersion der Radikale in einer inaktiven starren Matrize trennt man räumlich die Reakt ions Zentren und macht damit ihre Wiedervereinigung unmöglich. Auf diese Weise werden verschiedene Radikale in Gläsern oder Kristallgittern blockiert.

Durch Adsorption an aktiven Oberflächen legt man die Radikale an bestimmten Orten fest, von wo sie nur sehr schwer extrahiert werden können. Mittels dieser Ausfühnngsform haben verschiedene Verfasser die Fixierung von Radikalen, die in Gasphase erzeugt werden, durch Umlauf eines fließenden Mittels in Querrichtung z.B. eines Polystyrolschaumes von großer Oberfläche verwirklicht.

Durch unmittelbare bzw. im Inneren inerter kondensierter Matrizen erfolgende thermische Blockierung. Auf diese Weise erhält man durch Kondensation eines Gases an sehr kalten Wänden oder durch bei sehr tiefer Temperatur durchgeführte^ Aktivierung die sogenannten "eingefrorenen Radikale". In diesem

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Fall kann natürlich die dauerhafte Stabilisierung von Radikalen nur auf Grund bleibender Aufrechterhaltung der sehr tiefen Temperatur vorgenommen werden. Sobald man nämlich das System wieder erwärmt, erlangen die Radikale wieder ihre Beweglichkeit und können in das Innere des Trägers wandern und sich somit unvermeidbar wieder vereinigen und verbinden. Diese Methode wird stark verwaöet und hat beachtenswerte Untersuchungen an sehr aktiven freien Radikalen wie H, UH₂, OH, ermöglicht, die in einem Argon- oder Wasserstoffgitter festgelegt und bei den sehr tiefen Temperaturen des flüssigen oder festen Wasserstoffs oder Heliums fest sind.

Die zweite Methode zur Untersuchung freier Radikale besteht in der Verfolgung der Modalitäten ihrer Wiedervereinigung. Man kann so_ ihre Beweglichkeit und ihre Affinitäten unter festgelegten Bedingungen auswerten und interessante Schlüsse für ihre Reaktionsfähigkeit und ihre Struktur ziehen. Die Reaktion kann gleichsam augenblicklich sein, wenn z.B. ein aktives Gas auf einen reaktionsfähigen festen Stoff trifft,oder sie kann einen mehr progressiven Charakter annehmen, wenn z.B. ein bei tiefer Temperatur bestrahlter fester Stoff langsam wieder erwärmt wird. Die Reaktionsvorgänge können sich entweder durch thermische Effekte, die von einer einfachen Erwärmung bis zu einer krassen Explosion (H - CHO...) unter Entstehung bestimmter chemischer Arten

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gehen
(häufig von Polymeren)/oder durch Veränderungen der Farbe (NE,, NH.N-,...) oder von Spektraleigenschaften (M, NII₂, OH, C₆H₅-CH₂, CH₃CHOH...) übertragen.

Die Reaktionsvorgäge können auch zu photochemischen Erscheinungen mit Lichtemission führen. So kann man bei der Methode der Thermolumineszenz die aufeinander folgenden Entaktivierungen, die Zeichen von ebensovielen besonderen Wiedervereinigungen sind, sich in einer Reihe von charakteristischen lichtemiaaionen nach Maßgabe der Wiedererwärmung des ursprünglich "eingefrorenen" Systems kenntlich machen sehen.

Die Aufgabe der Konservierung freier Radikale von erheblicher Menge in stabilem Zustand-, die im besonderen als reaktionsfähige Masse für einen bestimmten Gebrauch ähnlich sind, hat jedoch bisher keine befriedigende Lösung gefunden, v/eil ihre Erhaltung im eingefrorenen Zustand bei sehr tiefer Temperatur eine umfangreiche Apparatur für die Erhaltung der kalten Temperatur erfordert und große Schwierigkeiten in der Handhabung bedingt. Die Erfindung verfolgt die Aufgabe, die vorstehenden Mängel zu beheben und die Konservierung von freien Radikalen in sehr großen Mengen über lange Zeiträume ohne besondere Vorkehrungen zur Kälteerhaltung und in einer stabilen Form zu gestatten, die einen unmittelbaren Gebrauch bei der gewünschten Anwendung zuläßt.

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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß man die Herstellung freier Eadikale durch eine an sich bekannte Behandlung einer freie Radikale erzeugenden Substanz, verdünnt in einer bei tiefer Temperatur eingefrorenen Flüssigkeit, bewirkt, das Verdünnungsmittel durch selektive Sublimierung bei tiefer Temperatur entfernt, wobei die Temperaturen im Verlauf der Vorgänge der Herstellung und selektiven Sublimierung des Verdünnungsmittels ausreichend tief gehalten werden, um die spontane Wiedervereinigung der freien Radikale auszuschalten, und man dann die Temperatur der restlichen porösen Masse, welche die freien Radikale enthält, unter Luftabschluß nahe auf Umgebungstemperatur wieder ansteigen läßt.

Die Erfindung umfaßt unter anderem die folgenden einzeln oder in Kombination anwendbaren Ausfiihrungsformen:

a) Mann vollzieht die selektive Sublimierung auf einer ausreichend dicken Schicht gefrorener Verdünnungsflüssigkeit, die das an freien Radikalen angereicherte Material enthält, damit die im Verlauf der selektiven Sublimierung gebildete poröse Umfangszone selektiv die freien Radikale zurückhält, die sich aus der noch kompakten Innenzone sublimieren können^

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b) naoh der Behandlung des Erzeugers von freien Radikalen verschiedener Satur/6ei tiefer Temperatur nimmt man eine Wiedererwärmung innerhalb des gefrorenen Milieus bis zu einer Temperatur vor, bei der ausschließlich diejenige Art freier Radikale stab! bleibt, die man konservieren will;

c) die Wiedererwärmung, die in der Weise vorgenommen wird, daß nur die gewünschte Art freier Radikale konserviert wird, erfolgt vor der selektiven Sublimierung des Verdünnungsmittels ;

d) die vorgesehene Wiedererwärmung erfolgt im Verlaufe der selektiven Sublimierung des Verdünnungsmittels;

e) man vollzieht eine schließliche Stabilisierung

der freien Radikale durch Tränkung der zurückbleibenden freie Radikale enthaltenden porösen Masse mit einer inerten Matrize, die in flüssigem Zustand aufgegossen wird und dann erhärtet.

Das Verfahren nach der Erfindung besteht also darin, daß man die freie Radikale enthaltende Substanz einer Technik ählich derjenigen der Lyophilisierung unterzieht,wie sie praktisch für die Konservierung biologischer oder pharmazeutischer Produkte verwendet wird. Das Vorläufersystem,

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vorzugsweise eine Flüssigkeit, worin man die freien Radikale herstellen will, wird zunächst abgekühlt und eingefroren, so daß es die erforderliche Starrheit erhält. Dann wird es mit Hilfe einer klassischen Methode z.B. durch Bestrahlung aktiviert. Unter der Energieaufbringung dissoziieren die Moleküle,und wenn die radiolytische Ausbeute gut ist, findet man zahlreiche gebildete freie Radikale. Schließlich schreitet man dann zu einer geordneten Wiedererwärmung des erregten Systems, ohne indessen die Temperatur zu überschreiten, bei der · die Gefahr einet» spontanen Entaktivierung durch Sadikalwanderung besteht, und nimmt dann dessen Trocknung vor. Diese vollzieht sich durch Lyophilisierung, d.h. im wesentlichen durch Sublimierung von Molekülen des oder der eingefrorenen Lösungsmittel. Diese Kältetrockung wird vorzugsweise unter hohem Vakuum v-.orgenommen.

Auf diese Weise nimmt man eine möglichst weit getriebene Trocknung bei sehr tiefer Temperatur vor, bis man eine feine Porenstruktur erhält, die keine ITüssigkeitsspur mehr enthält. Das System, das eine starke Konzentration an völlig stabilen freien Radikalen enthalten wird, kann dann progressiv wieder fris auf Umgebungstemperatur erwärmt werden, wo es sich entweder unter Vakuum oder unter der Schutzatmosphäre eines neutralen und trockenen G-ases, wie Stickstoff oder Argon konserviert. Die freien Radikale

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werden hierbei durch zwei Erscheinungen stabilisiert:

a) Die durch Bestrahlung im Innern der eingefrorenen Lösung gebildeten und durch die tiefe Temperatur unbeweglich gehaltenen Radikale befinden sich ununterbrochen isoliert und infolgedessen an ihrem Bildungsort selbst durch das Fortschreiten der Trocknungsfront zum Inneren der starren Masse hin festgelegt. Am Ende des Vorganges können sie sich infolge des Fehlens von Reaktionsmedium zwischen den Radikalen nicht mehr vereinigen und bleiben daher im Radikalzustand.

b) Diejenigen Radikale, die während der Aktivierungsperiode in den Adern des gefrorenen Lösungsmittels gebildet werden und damit der G-efahr ausgesetzt sind, während des Sublimationsvorganges mitgerissen zu werden, werden durch Adsorption an der ungeheueren inneren Oberfläche fixiert, die das trockene iyophilyseiprodukt am Umfang darbietet. Die Trocknung vollzieht sich nämlic h von der freien äußeren Oberfläche des eingefrorenen Systemes aus, während sich eine Produktschicht von wachsender Dicke bildet nach Maßgabe, wie die Trocknungsfront gegen den Mittelteil der Probe fortschreitet. Sie übt eine filtrierende Wirkung auf die von der Probe selbst ausgesandten Dämpfe aus, die sich wie ein selbst absorbierendes System verhält. Diese zusätzliche Zurückhaltung freier Radikale läßt den

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vorgenannten Effekt anwachsen und trägt zur Aufrechterhaltung des aktiven Charakters des Anfangssystemes bei, . .

Im Nachstehenden werden anhand der Zeichnung beispielshalber Erfahrungen bei der Herstellung freier Radikale in beständiger Form v/iedergegeben. ■

Beispiel 1?

Eine Lösung von 10 fo 1-iysine in destilliertem Wasser wird in Glaskolben in einer Dicke von 1 cm verteilt und dann durch Abkühlung mittels flüssigen Stickstoffs eingefroren. Dann wird sie bei 77 K durch einen starken Strom von Gammastrahlen bestrahlt. Eine Dosis von 500.000 bis 2.000.000 rad (1 rad = 100 erg/g) wird im Verlauf von 5 bis 10 Stunden gegeben. Dann wird das System bei einer Temperatur von - 3O⁰C (245⁰K) lyophilysiert, .darauf das trockene Produkt, lange bei +43⁰C desorbiert und schließlich unter sehr reiner Stickstoffatmosphäre, bekannt unter dem Handelsnamen "Azote R" der Anmelderin hermetisch verschlossen. Die Analyse durch paramagnetische Elektronen-resonanz (R.P.E.} gemäß Fig. 1, sweig; die Existenz freier bei TPigebungstemperatur stabiler Radikale, die in einem nicht bestrahlten aber sonst in der selben Weise behandelten System völlig fehlen. Ihre Menge ist jedoch gering. Die Trocknung ist bei einer zu hohen !Temperatur durchgeführt worden.

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Beispiel 2 t

Zwecks Vornahme einer Trocknung bei viel tieferer Temperatur wird derselbe Versuch mit ein»r Lösung von 10 $ 1-Isrsin in flüssigem Ammoniak durchgeführt. Das System wird dann bei etwa -110⁰C (163°K) bestrahlt und darauf sorgfältig bei +30⁰O desorbiert und unter Stickstoff (wie im vorigen Beispiel "Azote R") verschlossen. Die Analyse durch paramagnetische Elektronenresonanz zeigt ein sehr intensives Signal (Mg 2.), das deutlich die Bedeutung eher Durchführung der LyophilJ'sierung bei sehr tiefer Temperatur unter entsprechender Wahl eines geeigneten Lösungsmittel erkennbar macht.

Die folgende Tabelle enthält stur Verdeutlichung die relativen Intensitäten des R.P.E.-Signals bei den vorstehenden Versuchen. Die Messungen sind in X-Band bei Umgebungstemperatur (+20⁰C) an dem trockenen fertigen Erzeugnis nach 8-stündiger Konservierung bei +20° under Stickstoffatmosphäre vorgenommen.

System	Bestrahlung (Gammastrah len)	Temperatur der Lyophi- lysierung in ⁰C	Relative Intensität des R.P.E- Signals
L-Lysin, 10 $> in H₂O L-Lysin, 10 # in H₂O Π.-Lysin, 10 fo in NH₅	0 1.000.000 . rad 1.000.000 rad	- 30 - 30 -120	0 2.000 6.000.000

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Diese Ergebnisse sind leicht zu verstehen, wenn man die Thermoluminiszenzkurven der "beiden vorstehenden Systeme (Fig. 3 und 4) betrachtet, die eine erhebliche spontane Entaktivierung von -172° bis -94°C erkennen· lassen.

Beispiel 3?

Es ist auch möglich, nach diesem Verfahren solche freien Radikale bzw. eine solche Kategorie von Radikalen herzustellen, indem man eine Radikalauswahl mit Hilfe einer geeigneten therp.schen Behandlung vornimmt» 38 In diesem Fall vollzieht man nach der Aktivierung eine kontrollierte Wiedererwärraung bis zu einer festgelegten Temperatur, um diejenigen Radikale zu beseitigen, die zu einer Wiedervereinigung vor Erreichung dieser Temperatur in der Lage sind. Anschließend schreitet man zur Immobilisierung durch Lyophilysierung der verbleibenden Radikale.

Beispielsweise wird eine O,5-^-ige Lösung von Polystyrol in Benzol bei -196⁰C eingefroren und dann bei 77⁰K durch G-ammastahlen (I.000.000 rad) bestrahlt. Anschließend wird sie bis -7O⁰C (203°K) ervrärmt und darauf bei dieser Temperatur lyophil}siert, anschließend bei +30⁰C desorbiert und unter Stickstoff abgeschlossen. Die Analyse zeigt ein intensives R.P.E.-Signal xn (Fig.5) das zweifellos auf solchen freien Radikalen beruht, die bei 203⁰K noch nicht

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_mni '] * —.

entaktiviert worden sind, wie dies die Ihermoluminiszenzkurve (Fig. 6) anzeigt.

Es ist zu bedenken, daß man in diesem besonderen Pail außer den in Polystyrol gebildeten Radikalen im Endprodukt einen erheblichen Anteil an Radikalen wiederfindet, die aus der Radiolyse des CgH₆ entstanden T3Ü&d,ddß an dem Polystyrol im Verlauf der Sublimierung adsorbiert worden sind. Ihre STatur und auch ihre Umgebung sind noch nicht bekannt,aber jedenfalls scheinen sie sich merklich von denjenigen zu unterscheiden, die' man normalerweise im Benzol nach Bestrahlung bei 14-1⁰K (Spektrum von 12 Bestandteilen) oder bei 220⁰K (Spektrum von 36 Linien) findet.

Die vorstehenden Beispiele dienen nur zur Erläuterung und nicht zur Beschränkung der Erfindung. Das Verfahren kann nämlich auf eine ganze Reihe von Lösungen, Suspensionen, Emulsionen oder feste Systeme angefllidt werden, die mit

einer oder mehreren Flüssigkeiten getränkt sind, die sich durch Gefriertrocknung entfernen lassen. Gewisse dieser :

Flüssigkeiten können unter gewöhnlichen Oönperatur- und Druckbedingungen gasförmig sein. In diesem Falle müssen die Lösungen, Suspensionen, Emulsionen oder Tränkungen unter achaaf definierten Bedingungen gehalten werden. Dies gilt für Lösungen in flüssigem Ammoniak, die im allgemeinen bei etwa -70⁰C zubereitet werden, sowie für solche in \ flüssigem Kohlendioxyd, die unter Druck durchgeführt werden. '

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Unter den als lösungsmittel, Dispersions- oder Tränkungsmittel verwendeten Stoffen seien genannt:

anorganische Derivate: Wasser, Ammoniak, Kohlensäuregas, Schwefeldioxyd, Schwefelwasserstoff, Fluorwasserstoff-, Bromwasserstoff-* und Jodwasserstoffsäure, Hexafluordisilan, Tetrachlorkohlenstoff,Wasserstoff, Neon, Argon, Krypton und Xenon...

organische Derivate: DioxaiVÄther, Methylamin, Diäthylamin, Benaol, Chloroform, Oyclohexan, gewisse gesättigte Kohlenwasserstoffe wie 2,2-Dimethylpropan, Äthylen, Acetylen und ihrer Hauptderivate.

Der am Ende der Behandlung erhaltene feste Körper kann in seiner aktiven Phase durch Zugabe einer Flüssigkeit oder eines Gases wieder hergestellt werden, das dazu dient, ein Reaktionsmedium aufzubauen. Er kann auch dadurch stabilisiert werden, daß man" ihn unter Vakuum oder unter einer neutralen "Gas atmosphäre wie Stickstoff oder Argon hält. Ebenso kann man ihn in einex Matrize einschließen, indem man sie mit einer neutralen Flüssigkeit tränkt, die man anschließend entweder durch Abkühlung (Glas) oder durch Polymerisation (Harze) härten kann.

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Claims

Patentansprüche

h.\Verfahren zur Herstellung und Konsevierung freier Radikale in beständiger Form, dadurch gekennzeichnet, daß man ihre Herstellung durch an sich bekannte Behandlung einer E zeugersubstanz für freie Radikale, verdünnt in einer bei tiefer Temperatur gefrorenen Flüssigkeit vornimmt, das Verdünnungsmittel durch selektive Sublimierung bei tiefer Temperatur entfernt,

man

wobed/die Temperaturen im Verlauf der Herstellungsland selektiven Sublimierungsvorgänge des Lösungsmittels ausreichend tief hält, um eine spontane Wiedervereinigung der freien Radikale zu verhindern, und dann die Temperatur der verbleibenden die freien Radikale enthaltenden porösen Masse annähernd auf Umgebungstemperatur unter Luftabschluß ansteigen läßt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die selektive Subliraierung auf einer ausreichend dicken Schicht des gefrorenen, das an freien Radikalen angereicherte Material enthaltenden flüssigen Verdünnungsmittels vornimmt, damit die im Verlauf der selektiven Sublimierung gebildete Umfangszone selektiv die freien Radikale zurückhält, die sich von der noch kompakten Innenzone sublimieren können.

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3. Verfahren'nach Anspruch 1 und unter j3ehandlung einer Erzeugersubstanz für freie Radikale bei tiefer Temperatur, die aus freien Radikalen verschiedener Batur erzeugt worden sind, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Behandlung des Erzeugers von freien Radikalen verschiedener F-.itur bei tiefer Temperatur eine geordnete 7/±d er erwärmung · des gefrorenen Ililieus bis auf eine Temperatur vorgenommen wird, bei der lediglich diejenige Art von freien Radikalen stabil bleibt, die konserviert werden soll.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

die geregelte Wiedererwärmung, welche nur die Konservierung der erwünschten Art von freien Radikalen gestattet, vor der selektiven Sublimierung des Verdünnungsmittels vorgenommen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die

der geregelte Wiedererwärnung im Verlauf/Selektivsublimption

des Verdünnungsmittels erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man eine endgültige Stabilisierung der freien Radikale durch Tränkung der restlichen porösen Masse, die die freien Radikale ergibt, durch eine in flüssigem Zusatnd aufgegossene und dann erhärtete Matrize vornimmt.

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