Optimierung der Reaktionsbedingungen für den Einsatz von Fumarat als Kontrastmittel in der MRT-basierten Tumordiagnostik

Wienands, Laura (2023)
Optimierung der Reaktionsbedingungen für den Einsatz von Fumarat als Kontrastmittel in der MRT-basierten Tumordiagnostik.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023749
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/23749

Kurzbeschreibung (Abstract)

Ziel dieser Arbeit war es verschiedene Aspekte der Versuchsdurchführung zur Hydrierung von wässriger Acetylendicarbonsäure in NMR-Röhrchen zu analysieren und diese dann im Hinblick auf eine hohe Ausbeute bezüglich Fumarat sowie einer Unterdrückung der Folgereaktion zu Succinat zu optimieren. Des Weiteren sollten kinetische Überlegungen zum Reaktionsverlauf angestellt werden, sowie in einem PHIP-Experiment nachgewiesen werden, dass die optimierten Reaktionsbedingungen für diese Art von Experimenten geeignet sind. Zunächst konnten in dieser Arbeit die Probenvorbereitung verbessert und so reproduzierbar und effizient gestaltet werden. Dazu zählte zum einen die Reinigung der NMR-Röhrchen, die sich im Laufe der Experimente als äußerst wichtig erwiesen hat, da Verunreinigungen das Begasen durch nicht reproduzierbare Blasen, sowie Schaumbildung negativ beeinflusst haben. Zum anderen zählt die Probenvorbereitung an sich dazu. Es wurden die verschiedenen Einflüsse der Substanzen aufeinander durch den Lösungsvorgang durch ein neues Protokoll, in dem die Probenaufarbeitung in einer festen Reihenfolge beschrieben wird, minimiert und die Probenaufarbeitung vereinheitlicht. Des Weiteren konnte der Vorgang des Begasens durch die Etablierung von Zentrierhilfen für die Kapillare zur Wasserstoffeinleitung verbessert werden und zeitgleich reproduzierbare, gleich große Blasen während der Messungen erzeugt werden. Mit Hilfe eines erweiterten Pulsprogramms konnten die Messungen weiter vereinheitlicht und reproduzierbarer gemacht werden, da hier der menschliche Faktor bei der Durchführung der Experimente wegfiel. In den gezeigten Experimenten wurde die Reaktion von ADC zum Fumarat und schließlich zum Succinat auf ihre Abhängigkeit verschiedener Parameter untersucht. Bei diesen Parametern handelte es sich um die Temperatur, den Druck, die Na2SO3-, ADC- sowie die Katalysatorkonzentration. Auch die Probenstabilität wurde entsprechend untersucht. Nachfolgend werden die verschiedenen Parameter und die durch die Experimente bestimmten Optima erläutert.

Die Temperatur wurde für die Experimente auf 88 °C festgelegt, da hier die größte Ausbeute an Fumarat in kürzester Zeit erzielt werden konnte. Bei dieser hohen Temperatur ist jedoch die Katalysatorstabilität zu berücksichtigen. Der Druck für die Begasung der Probe wurde in diesem Zuge auf 7 bar festgelegt, um die durch die hohe Temperatur und das Begasen entstehenden Verdampfungsverluste so gering wie möglich zu halten. Auch wenn der Mechanismus, der hinter dem Einfluss des Na2SO3 auf die Reaktion noch nicht zur Gänze aufgeklärt werden konnte, konnte das Optimum für die Na2SO3-Konzentration bei 250 mM gefunden werden. Nach verschiedenen Experimenten der Probenaufarbeitung konnte der pH-Wert und dessen Einfluss auf den Katalysator bestimmt werden. Somit sollte der Katalysator nur im Sauren bis maximal Neutralen gelöst werden, da er sich bei höheren pH-Werten zersetzt und die Effektivität des Katalysators deutlich negativ beeinträchtigt wird. Für die eigentlichen Messungen konnte die beste Ausbeute mit einem pH-Wert von 7,8 erzielt werden. Die optimale Konzentration für den Katalysator konnte auf 7 mM bestimmt werden. Bei dieser Konzentration konnte eine schnelle Fumaratbildung und eine verlangsamte Weiterreaktion zu Succinat beobachtet werden. Die Experimente mit unterschiedlichen ADC-Konzentrationen führten zu einem Konzentrationsoptimum von 250 mM, bei der in kürzester Zeit die höchste Ausbeute an Fumarat erreicht werden konnte. In weiteren Experimenten wurde die Stabilität der Probelösung untersucht, wobei sich herausstellte, dass die Probe im besten Fall frisch angesetzt und anschließend direkt gemessen werden sollte. Dennoch konnte auch gezeigt werden, dass die Probelösung über eine Stunde bei Raumtemperatur stabil blieb und auch das Einfrieren über mehrere Tage und das spätere Auftauen keinen Einfluss auf die Probe gezeigt hat. Eine Lagerung bei höheren Temperaturen führt jedoch in kurzer Zeit zur Zersetzung. Unter den gezeigten optimierten Bedingungen wurden schließlich erfolgreiche PHIP-Messungen durchgeführt, die einen Verstärkungsfaktor von ~3500 aufwiesen. Auch die Kinetik der Reaktion wurde untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass es sich mit großer Wahrscheinlichkeit bei den Folgereaktionen um Reaktionen 1. Ordnung handelt, die jedoch durch verschiedene Nebenreaktionen beeinflusst werden. So konnte der zuvor unbekannte, ausgefallene Feststoff in den NMR-Röhrchen als Bestandteile des Katalysators identifiziert werden. In einem nächsten Schritt, müsste nun der Zerfall des Katalysators bei den Reaktionen analysiert und nachvollzogen werden. Hier könnte es Möglichkeiten geben, die Stabilität des Katalysators mithilfe von z. B. Modifikationen über die gesamte Reaktion hinaus gewährleisten zu können. Falls dies nicht möglich ist, müsste nach einem alternativen Katalysator gesucht werden, der selektiv, temperaturstabil und ebenso wasserlöslich ist. In weiteren Experimenten könnten die gefundenen Wasserstoff-Isotopomere des Succinats untersucht und entsprechend bestimmt werden. Hieraus könnten neue Erkenntnisse zur gebildeten Succinatmenge gewonnen werden. Des Weiteren könnten weitere Experimente mit gepufferten Systemen durchgeführt werden, da hier eine unterdrückte Succinatreaktion vorlag.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2023

Autor(en):

Wienands, Laura

Art des Eintrags:

Erstveröffentlichung

Titel:

Optimierung der Reaktionsbedingungen für den Einsatz von Fumarat als Kontrastmittel in der MRT-basierten Tumordiagnostik

Sprache:

Deutsch

Referenten:

Buntkowsky, Prof. Dr. Gerd ; Gutmann, PD Dr. Torsten

Publikationsjahr:

2023

Ort:

Darmstadt

Kollation:

viii, XVI, 144 Seiten

Datum der mündlichen Prüfung:

11 Juli 2022

DOI:

10.26083/tuprints-00023749

URL / URN:

https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/23749

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

The aim of this work was to analyze different aspects of the experimental procedure for the hydrogenation of aqueous acetylenedicarboxylic acid in NMR tubes and then to optimize these with regard to a high yield with respect to fumarate as well as a suppression of the subsequent reaction to succinate. Furthermore, kinetic considerations on the course of the reaction should be made and it should be proven in a PHIP experiment that the optimized reaction conditions are suitable for this type of experiment. First of all, in this work the sample preparation could be improved and thus made reproducible and efficient. This included, on the one hand, the cleaning of the NMR tubes, which proved to be extremely important in the course of the experiments, since impurities negatively influenced the bubbling by non-reproducible bubbles, as well as foam formation. On the other hand, the sample preparation itself counts as well. The various influences of the substances on each other through the dissolution process were minimized by a new protocol in which the sample preparation is described in a fixed sequence, and the sample preparation was standardized. Furthermore, the bubbling process could be improved by establishing centering guides for the capillary for hydrogen introduction and at the same time reproducible bubbles of the same size could be generated during the measurements. With the help of an extended pulse program, the measurements could be further standardized and made more reproducible, since the human factor in the execution of the experiments was eliminated here. In the experiments shown, the reaction of ADC to fumarate and finally to succinate was investigated for its dependence of various parameters. These parameters were temperature, pressure, Na2SO3, ADC and catalyst concentration. The sample stability was also investigated accordingly. The various parameters and the optima determined by the experiments are explained below. The temperature was set at 88 °C for the experiments, since the highest yield of fumarate could be obtained here in the shortest time. At this high temperature, however, catalyst stability must be taken into account. The pressure for bubbling the sample was set at 7 bar in this course to keep the evaporation losses caused by the high temperature and the bubbling as low as possible. Although the mechanism behind the influence of Na2SO3 on the reaction has not yet been fully elucidated, the optimum for the Na2SO3 concentration was found to be 250 mM. After various experiments of sample preparation, the pH and its influence on the catalyst could be determined. Thus, the catalyst should only be dissolved in acidic to maximally neutral conditions, since it decomposes at higher pH values and the effectiveness of the catalyst is significantly negatively affected. For the actual measurements, the best yield was obtained with a pH of 7.8. The optimum concentration for the catalyst could be determined to be 7 mM. At this concentration, rapid fumarate formation and a slowed onward reaction to succinate could be observed. Experiments with different ADC concentrations led to an optimum concentration of 250 mM, at which the highest yield of fumarate could be obtained in the shortest time. In further experiments, the stability of the sample solution was investigated, and it was found that, in the best case, the sample should be freshly prepared and then measured directly. Nevertheless, it was also shown that the sample solution remained stable for more than one hour at room temperature, and freezing for several days and later thawing also showed no effect on the sample. However, storage at higher temperatures leads to decomposition in a short time. Finally, under the optimized conditions shown, successful PHIP measurements were performed, showing an amplification factor of ~3500. The kinetics of the reaction were also investigated. It was found that the subsequent reactions were most likely 1st order reactions, but influenced by various side reactions. Thus, the previously unknown precipitated solid in the NMR tubes could be identified as components of the catalyst. In a next step, the decay of the catalyst in the reactions would now have to be analyzed and traced. Here, there might be possibilities to ensure the stability of the catalyst beyond the entire reaction, e.g. with the help of modifications. If this is not possible, an alternative catalyst would have to be sought that is selective, stable at high temperatures and equally soluble in water. In further experiments, the hydrogen isotopomers of the succinate found could be investigated and determined accordingly. From this, new insights into the amount of succinate formed could be obtained. Furthermore, further experiments could be carried out with buffered systems, since a suppressed succinate reaction was present here.

Englisch

Status:

Verlagsversion

URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-237490

Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC):

500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie

Fachbereich(e)/-gebiet(e):

07 Fachbereich Chemie
07 Fachbereich Chemie > Eduard Zintl-Institut > Fachgebiet Physikalische Chemie

Hinterlegungsdatum:

26 Apr 2023 12:04

Letzte Änderung: