JPH0150232B2

JPH0150232B2 -

Info

Publication number: JPH0150232B2
Application number: JP57114934A
Authority: JP
Inventors: Toshuki Shono; Keiichi Kimura; Takumi Maeda
Original assignee: Shimazu Seisakusho KK
Current assignee: Shimazu Seisakusho KK
Priority date: 1982-06-30
Filing date: 1982-06-30
Publication date: 1989-10-27
Also published as: EP0097960A3; DE3381562D1; EP0097960B1; JPS595180A; US4554362A; US4523994A; EP0097960A2

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はビスクラウンエーテル誘導体とその用
途、ことにカリウムイオン選択性電極用感応膜に
関する。一般にイオン選択性電極は溶液中におけ
る特定のイオンの濃度を膜電極が示す膜電位で指
示するようにした電極でありPH測定用のガラス電
極がその代表例である。ところで、生体中のカリウムイオン濃度は生体
の代謝反応と密接な関係があり、生体中のこのイ
オン濃度の測定は血液透析をはじめ、高血圧症
状、腎疾患、神経障害等種々の疾病の診断に多く
利用されているが、従来その測定には主として炎
光分析法のようなスペクトル法が用いられてい
る。しかし、このようなスペクトル法は大型の機
器を要すると共に、測定にも時間を要し、診断の
現場で行なうには適当ではないので従来より迅速
にカリウムイオンを測定する簡単な方法および小
型の機器の開発が強く要請されている。このため
抗生物質バリノマイシンをニユートラルキヤリヤ
ーとして芳香族有機溶剤に溶解させた液膜を利用
する方法が実用化されているが、バリノマイシン
は極めて高価な化合物である。また実用的なカリ
ウムイオン選択性電極を作るためにはカリウムイ
オンと共存することが多いナトリウムイオンやア
ンモニウムイオンの妨害を受けることのないイオ
ン選択性が要求される。発明者らはすでにベンゼン環を含む構造のビス
（15−クラウン−５）をニユートラルキヤリヤー
として用いるイオン選択性電極用感応膜について
発表しているが（J.Electroanal、Chem、95
（1979）91〜101）、これらのものはカリウムイオ
ンに対して高い選択性を有するものの電極の応答
時間、耐久性に改善が必要とされていた。本発明
はこれらの問題を解決するためになされたもので
あつて、ベンゼン環をもたないビス（15−クラウ
ン−５）化合物をニユートラルキヤリヤーとして
用い、カリウムイオンを簡単、迅速にかつ高選択
性、高精度で再現性よく長時間にわたつて測定す
ることが出来るカリウムイオン選択性電極用感応
膜を提供することを主目的とする。かくして、本発明によれば、一般式（）：（式中、Ａはカリウムイオンを挾んで二つのクラ
ウン環が空間的にサンドウイツチ状に重なり易い
配置となりうる２価の有機基を示す）で表わされるビスクラウンエーテル誘導体の少な
くとも一種をニユートラルキヤリヤーとして含有
することを特徴とするカリウムイオン選択性電極
用感応膜が提供される。上記一般式（）中のＡとしては、副式
（）： −Ｚ−Ｙ−Ｚ− ……（）（式中、Ｚは基−CH₂O−CO−、−CO−Ｏ−、−
CH₂O−又は−CONH−を示し、Ｙは置換されて
いてもよい２価の脂肪族基を示す）で表わされる基が適当である。さらに上記副式
（）中のＹとしては、基又は（式中、R₁及びR₂はそれぞれ水素原子又はC₁〜
C₂₀のアルキル基を示し、ｐ及びｑはそれぞれ０、
１又は２である；R₃及びR₄は互いにシス配置で
それぞれハロゲン原子、低級アルキル基又はアリ
ール基を示す；但し、基

【式】の二つの結合手段はシス位である）が好ましい。本発明に用いる好ましいビスクラウ
ンエーテル誘導体の具体例としては、下記に示す
一般式（）〜（）で表わされる化合物が挙げ
られる。（式（）〜（）中、R₁及びR₂はそれぞれ水
素原子又はC₁〜C₂₀のアルキル基を示し、ｐ及び
ｑはそれぞれ０、１又は２である）（式中、Ｚは基−CH₂O−CO−、−CO−Ｏ−、−
CH₂O−又は−CONH−を示し、

【式】はシス置換シクロヘキサン環を示す）（式中、Ｚは基−CH₂O−CO−、−CO−Ｏ−、−
CH₂O−又は−CONH−を示す；R₃及びR₄は互
いにシス配置でそれぞれハロゲン原子、低級アル
キル基又はアリル基を示す）なお、上述した式（）〜（）中のR₁及び
R₂のアルキル基はC₁〜C₂₀のフエニル置換アルキ
ル基、例えばベンジル基やフエネチル基であつて
もよい。本発明に用いるかようなビス（15−クラウン−
５）誘導体は、それ自身文献未載の新規な化合物
群である。従つて本発明によれば、一般式（）で表わさ
れるビスクラウンエーテル誘導体も提供される。かような一般式（）で示される化合物はハロ
ゲノアルキル基、アルデヒド基、カルボン酸基、
アルコキシ基等の官能性基を有する15−クラウン
−５と任意に置換基を有するジオールやジカルボ
ン酸とを公知の縮合又は置換条件下で反応させる
ことにより得られる。より具体的には例えば、公
知のヒドロキシメチル−15−クラウン−５、クラ
ウンカルボン酸、クラウンアルデヒド等を、置換
基を適宜有するマロン酸、アジピン酸等のジカル
ボン酸やグリコール類で連結反応に付すことによ
り得られる。かような本発明の化合物は、二つのクラウン環
単位がカリウムイオンを立体的にサンドウイツチ
状にはさみこむ構造を優先的に作り易い形式とな
つていることに特徴がある。本発明による感応膜は固体膜または液膜として
用いられる。固体膜は上記ビスクラウン化合物が
支持体としての水不溶性固体有機重合体中に均一
に分散されて形成されている。重合体はニユート
ラルキヤリヤーであるビスクラウン化合物を膜状
に支持するためのマトリツクスを形成して、ニユ
ートラルキヤリヤーが試料水溶液等に溶出するの
を妨げると共に試料水溶液中のカリウムイオンが
マトリツクス内に適度に拡散し得る性質をもつこ
とが必要で通常ポリ塩化ビニル、シリコンゴム、
ポリメタクリル酸メチルなどが用いられる。ポリ塩化ビニルを支持体とする感応膜は通常ポ
リ塩化ビニルと可塑剤およびビスクラウン化合物
をテトラヒドロフランのような適当な低沸点有機
溶剤に溶解し、たとえばペトリ皿中で溶剤を徐々
に蒸発させることにより膜状に成形される。可塑
剤は得られる感応膜に適度のたわみ性を与えるた
めに用いられ、たとえばジオクチルフタレート、
０−ニトロフエニルオクチルエーテル等が用いら
れる。またシリコンゴムを支持体とする感応膜のよう
にビスクラウン化合物とシリコンゴム単体と、膜
を架橋するためのシラン化合物とを適宜の有機溶
剤に溶解し、膜状に重合成形し、成形物から脱溶
剤することによつても製造しうる。固体膜におけるビスクラウン化合物は0.5〜20
重量％、好ましくは１〜15重量％であることが望
ましい。ビスクラウン化合物の含量が少なすぎる
ときは応答が悪くなり多すぎるときは重合体中に
均一に分散させることが困難でまた不経済であ
る。ポリ塩化ビニルを支持体とする場合のように
可塑剤を併用するときは可塑剤は50〜70重量％が
適当である。また、液膜はビスクラウン化合物が水不溶性極
性有機溶剤に溶解されて形成されており、上記極
性有機溶剤としては高級アルコール、芳香族およ
び脂肪族炭化水素のニトロ置換体やハロゲン置換
体、芳香族エーテルなどが用いられる。好ましい
具体例としては１−デカノール、ニトロベンゼ
ン、クロロベンゼン、ジフエニルエーテル、１，
２−ジクロルエタン等があげられる。液膜におけ
るビスクラウン化合物の含量は前記と同じ理由か
ら0.5〜20重量％、好ましくは１〜10重量％であ
る。液膜は通常セラミツクスやセルロース質の多
孔性支持体中に保有されて用いられる。フツ素樹
脂からなる多孔性フイルムも好ましい支持体の一
つである。本発明による感応膜は以上のように一定鎖長の
連結部をもつビス（15−クラウン−５）化合物を
ニユートラルキヤリヤーとして用いるものであ
り、上記ビス（クラウン）化合物がナトリウムイ
オンやアンモニウムイオン等の妨害イオンの存在
にかかわらずカリウムイオンに対して特異的、且
つ選択的に安定な２：１サンドウイツチ状錯体
（クラウン環：イオンの比が２：１）を形成する
ので、カリウムイオン濃度を高い選択性で測定す
ることが出来、しかも応答時間も短く、再現性に
もすぐれているので実用的価値の高いカリウムイ
オン選択性電極用感応膜となるものである。なお、一般式（）で示される本発明のビス−
15−クラウン−５化合物は抗菌剤としても有用で
ある。次に本発明において用いるビス−15−クラウン
−５化合物の製造方法の代表例を示す。製造例１一般式（）において、R₁及びR₂がそれぞれ
アルキル基でかつｐ＝ｑ＝０であるビス−15−ク
ラウン−５化合物を種々作製した。ヒドロキシメチル−15−クラウン−５（10.5ｍ
mol）と金属カリウム（0.5ｍmol）のエタノール
溶液、ジアルキルマロン酸ジエチルエステル（５
ｍmol）のエタノール溶液を加え、80℃で24時間
撹拌した。反応終了后、過し、溶剤を減圧留去
して残渣を得、これを５％クロロホルム溶液とし
て、GPCにて一般式（）のR₁＝R₂＝アルキル
基、ｐ＝ｑ＝０である目的物を分離精製した。そ
の物性値の一例を表１に示す。表１（R₁＝CH₃、R₂＝C₁₂H₂₅、ｐ＝ｑ＝０の場合） Mass（ｍ／ｅ）＝751 ¹HNMR（δ−ppm、CCl₄中） 0.88（3H、ｔ）、1.24（20H、ｍ）、1.35（3H、
ｓ）、1.75（2H、ｍ）、3.4〜3.9（38H、ｍ）、
4.03（4H、ｄ）． IR（cm^-1） 2920＋2850（ｓ）、1730（ｓ）、1460（ｍ）、
1360（ｍ）、1250（ｍ）、1130＋1100（ｓ）、1080
（sh）、920（ｍ）、840（ｍ）、730（ｍ）．（R₁＝C₂H₅、R₂＝C₂H₅、ｐ＝ｑ＝０の場合） Mass（ｍ／ｅ）＝624 ¹HNMR（δ−ppm、CDCl₃中） 0.81（6H、ｔ）、1.86（4H、ｑ）、3.4〜3.9
（38H、ｍ）、4.03（4H）． IR（cm^-1） 2910＋2860（ｓ）、1730（ｓ）、1450（ｍ）、
1360（ｍ）、1300（ｍ）、1240（ｍ）、1120＋1100
（ｓ）、920（ｍ）、850（ｍ）、680（ｍ）．（

【式】

【式】ｐ＝ｑ＝０の場合） Mass（ｍ／ｅ）＝748 ¹HNMR（δ−ppm、CDCl₃中） 3.23（4H、ｓ）、3.66（38H、ｍ）、4.00（4H、
ｍ）、7.23（10H、ｓ）． IR（cm^-1） 3030（ｗ）、2920＋2860（ｓ）、1730（ｓ）、
1600（ｗ）、1500（ｍ）、1450（ｍ）、1360（ｍ）、
1280＋1260（ｍ）、1140＋1100（ｓ）、980（ｗ）、
920（ｗ）、770（ｍ）、740（ｍ）、700（ｍ）．製造例２適宜鎖長のグリコール（1.4ｍmol）と水素化
ナトリウム（2.8ｍmol）のテトラヒドロフラン
溶液を還流させ、これにブロモメチル−15−クラ
ウン−５（2.9ｍmol）のテトラヒドロフラン溶液
を滴下、24時間還流した。反応後、過し、溶剤
を減圧留去して油状残渣を得た。これを５％クロ
ロホルム溶液とし、GPCにて目的物を分離精製
して、一般式（）で表わされるビス−15−クラ
ウン−５化合物を得た。以上の製造例１及び２並びにこれと同様にして
得た一般式（）〜（）で表わされる種々のビ
スクラウンエーテル誘導体とそのマススペクトル
及び元素分析の結果を第２表に示した。なお、元素分析値において上段は計算値、下段
は実測値を示す。

【表】

【表】以下に実施例をあげて本発明を説明するが、本
発明はこれら実施例に限定されるものではない。実施例１一般式（）においてR₁＝CH₃、R₂＝C₁₂H₂₅
でありｐ＝ｑ＝０であるビス（クラウンエーテ
ル）を10mg、ｏ−ニトロフエニルオクチルエーテ
ル100mg、およびポリ塩化ビニル40mgをテトラヒ
ドロフラン３mlに溶解し、ペトリ皿中でテトラヒ
ドロフランを室温で自然蒸発させて、ポリ塩化ビ
ニルを支持体とする感応膜を調製した。この感応
膜を直径３mmの円形に切り取りOrion Model92
電極下部に取付け、外部参照電極に標準カロメル
電極を用い、第１図に示すごとくAg・AgCl／
0.001MKCl／膜／測定試料溶液／
0.1MNH₄NO₃／KCl（飽和）／Hg₂Cl₂・Hgの電
極構成で測定試料溶液中のカリウムイオンの活量
と電極間電位差を測定し、検量線を作成した。な
おこの測定を含めすべて測定はCorning PHメー
ター130型を用い25゜±１℃で行つた。なお、第１図において１はポリ塩化ビニルを支
持体とする本発明の感応膜を、２は内部液を、３
はAg−AgClからなる内部極を、４は試料溶液
を、５は塩橋を、６は液絡溶液を、７はカロメル
電極をそれぞれ示す。その結果検量線はpKが５〜１の範囲にわたつ
て直線的でありかつネルンスト応答を示した。ま
たPHによる影響もPH３〜11の範囲にわたつて実質
的に認められなかつた。次に妨害イオンM⁺に対する選択係数K_kMは、
混合溶液法すなわち測定試料溶液における妨害イ
オンM⁺の活量を一定のa_M+に保ち、カリウムイ
オンの活量を変化させて電極間電位を測定し、ネ
ルンスト応答を示さなくなるカリウムイオンの活
量a_K+で除して求めた。即ちK_KM+＝a_K+／a_M+であ
る。ナトリウムイオンに対する選択係数K_KNaは２
回の実験値の平均値として２×10^-4であつた。こ
れは感応膜がナトリウムイオンよりもカリウムイ
オンに対して１／２×10^-4倍すなわち5000倍高感度であることを示している。同様にK_KNH4+は７×10^-3でありカリウムイオン
の選択性は極めて高い。また応答時間、および再
現性は第３表に示したように非常にすぐれてい
る。なお、従来のベンゼン環を含むビス−クラウン
エーテル類（例えば、下式）も同様にして試験し
たが、その際の応答時間はt₉₀が３〜５分であつ
た。また、トリトンＸのような界面活性剤を含む試
料（KCl 10^-2モル）を用いて感応膜の劣化を早
めた条件での耐久性試験の結果を第２図に示し
た。図中、□は本発明の上記化合物使用時の結果
であり、△は従来のバリノマイシン使用時の結果
であり、〇は下式：で示されるベンゼン環含有のビスクラウンエーテ
ル使用時の結果である。この結果からも、本発明の感応膜は従来に比較
して優れた耐久性を有しており尿、血清など実試
料中のカリウムイオン濃度の測定に際し数ケ月の
使用に耐えうることが判る。

【表】 t₉₀：カリウムイオン濃度の小さい水溶液につい
て電位が一定したときに、濃度の100倍大きい
水溶液について測定し最終指示電位の90％に達
する迄の時間 Eav：カリウムイオン濃度の100倍異なる水溶液
について交互に電位を測定したとき、濃度の大
きい溶液の示す電位の平均値 E_dev：上記E_avからの個々の測定値の偏差実施例２表２に示す本発明の種々のビスクラウンエーテ
ル化合物をニユートラルキヤリヤーとして実施例
１と同様にして固体膜を調製しK_KNaを測定した。選択係数の値を第４表に示す。

【表】

【表】実施例３実施例１と同じビス（クラウンエーテル）の５
重量％ニトロベンゼン溶液を調製し、これを液膜
として実施例１と同じ電極構成にて検量線および
K_KNaを求めた。検量線はpKが５〜１の範囲にわ
たつてネルンスト応答を示し、K_kNaは３×10^-4で
あつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のビスクラウンエーテル誘導
体をニユートラルキヤリアーとして用いた電極構
成の一例を示す断面を含む概略図である。第２図
は本発明の感応膜の耐久性を比較例と共に示すグ
ラフである。１……感応膜、２……内部液、３……内部極、
４……試料溶液、５……塩橋、６……液絡溶液、
７……カロメル電極。

Claims

【特許請求の範囲】１一般式（）：［式中、Ｚは基−CH₂O−CO−、−CO−Ｏ−、−
CH₂O−又は−CONH−を示し、Ｙは基：又は（式中、R₁及びR₂はそれぞれ水素原子又はフエ
ニル置換されていてもよいC₁〜C₂₀のアルキル基
を示し、ｐ及びｑはそれぞれ０、１又は２であ
る；R₃及びR₄は互いにシス配置でそれぞれハロ
ゲン原子、低級アルキル基又はアリール基を示
す；但し、基【式】の二つの結合手はシス位である）で表わされる基を示す］で表わされるビスクラウンエーテル誘導体。２一般式（）：［式中、Ｚは基−CH₂O−CO−、−CO−Ｏ−、−
CH₂O−又は−CONH−を示し、Ｙは基：又は（式中、R₁及びR₂はそれぞれ水素原子又はフエ
ニル置換されていてもよいC₁〜C₂₀のアルキル基
を示し、ｐ及びｑはそれぞれ０、１又は２であ
る；R₃及びR₄は互いにシス配置でそれぞれハロ
ゲン原子、低級アルキル基又はアリール基を示
す；但し、基【式】の二つの結合手はシス位である）で表わされる基を示す］で表わされるビスクラウンエーテル誘導体の少な
くとも一種をニユートラルキヤリアーとして含有
することを特徴とするカリウムイオン選択性電極
用感応膜。３ビスクラウンエーテル誘導体が、一般式
（）：（式中、R₁及びR₂はそれぞれ水素原子又はフエ
ニル置換されていてもよいC₁〜C₂₀のアルキル基
を示し、ｐ及びｑはそれぞれ０、１又は２であ
る）で表わされる特許請求の範囲第２項記載の感応
膜。４ビスクラウンエーテル誘導体が、一般式
（）：（式中、R₁及びR₂はそれぞれ水素原子又はフエ
ニル置換されていてもよいC₁〜C₂₀のアルキル基
を示し、ｐ及びｑはそれぞれ０、１又は２であ
る）で表わされる特許請求の範囲第２項記載の感応
膜。５ビスクラウンエーテル誘導体が、一般式
（）：（式中、R₁及びR₂はそれぞれ水素原子又はフエ
ニル置換されていてもよいC₁〜C₂₀のアルキル基
を示し、ｐ及びｑはそれぞれ０、１又は２であ
る）で表わされる特許請求の範囲第２項記載の感応
膜。６ビスクラウンエーテル誘導体が、一般式
（）：（式中、Ｚは基−CH₂O−CO−、−CO−Ｏ−、−
CH₂O−又は−CONH−を示し、【式】はシス置換シクロヘキサン環を示す）で表わされる特許請求の範囲第２項記載の感応
膜。７ビスクラウンエーテル誘導体が、一般式
（）：（式中、Ｚは基−CH₂O−CO−、−CO−Ｏ−、−
CH₂O−又は−CONH−を示す；R₃及びR₄は互
いにシス配置でそれぞれハロゲン原子、低級アル
キル基又はアリール基を示す）で表わされる特許請求の範囲第２項記載の感応
膜。８ビスクラウンエーテル誘導体が、下式：で表わされる特許請求の範囲第２項記載の感応
膜。９ビスクラウンエーテル誘導体が、水不溶性固
体有機重合体中に分散されて固体膜に形成されて
なる特許請求の範囲第２〜８項いずれかに記載の
感応膜。１０水不溶性固体有機重合体が、ポリ塩化ビニ
ル、シリコンゴム又はポリメタクリル酸エステル
からなる特許請求の範囲第９項記載の感応膜。１１ビスクラウンエーテル誘導体が、水不溶性
有機液体中に溶解されて液膜に形成されてなる特
許請求の範囲第２〜８項いずれかに記載の感応
膜。１２水不溶性有機液体が、高級アルコール、芳
香族又は脂肪族炭化水素のニトロ置換体又はハロ
ゲン置換体、又は芳香族エーテルである特許請求
の範囲第１１項記載の感応膜。