DE60011286T2

DE60011286T2 - Übergangsmetall-komplexverbindungen mit einer bidentaten ligande mit einem imidazol-ring

Info

Publication number: DE60011286T2
Application number: DE60011286T
Authority: DE
Inventors: Fei Mao; Adam Heller
Original assignee: Therasense Inc
Current assignee: Therasense Inc
Priority date: 1999-11-15
Filing date: 2000-11-14
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2020-11-15
Also published as: US20040040840A1; DE60035123D1; ATE268336T1; US10219730B2; US20070007132A1; AU1602601A; US20110303537A1; WO2001036660A2; US20110303538A1; US8092662B2; WO2001036430A1; US8168052B2; EP1230248B1; DE60035123T2; EP1230249B1; WO2001036660A3; US7090756B2; JP2003514924A; US8795490B2; US20090145757A1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Übergangsmetallkomplexe mit wenigstens einem zweizähnigen Liganden, der wenigstens einen Imidazolring enthält. Zusätzlich betrifft die Erfindung die Verwendung von Übergangsmetallkomplexen als Redoxmediatoren.
Hintergrund der Erfindung
Auf Enzymen basierende elektrochemische Sensoren werden in großem Umfang für den Nachweis von Analyten in klinischen, ökologischen, landwirtschaftlichen und biotechnologischen Anwendungen verwendet. Analyte, die bei klinischen Tests für menschliche Körperflüssigkeiten gemessen werden können, beinhalten z.B. Glukose, Laktat, Cholesterin, Bilirubin und Aminosäuren. Die Spiegel dieser Analyte in biologischen Flüssigkeiten wie etwa Blut sind wichtig für die Diagnose und Überwachung von Krankheiten.
Elektrochemische Tests werden typischer Weise in Zellen mit zwei oder drei Elektroden durchgeführt, wobei wenigstens eine Mess- oder Arbeitselektrode und eine Referenzelektrode enthalten sind. Bei Systemen mit 3 Elektroden ist die dritte Elektrode eine Gegenelektrode. Bei Systemen mit zwei Elektroden dient die Referenzelektrode auch als Gegenelektrode. Die Elektroden sind durch einen Schaltkreis, wie etwa einen Potentiostat, miteinander verbunden. Die Mess- oder Arbeitselektrode ist ein nicht korrodierender Kohlenstoff oder Metallleiter. Bei Durchfluss eines Stroms durch die Arbeitselektrode wird ein Redox-Enzym elektrooxidiert oder elektro reduziert. Das Enzym ist spezifisch für das zu detektierende Analyt oder für ein Produkt des Analyts. Die Umsatzrate des Enzyms wird typischer Weise (bevorzugt, jedoch nicht zwingend linear) mit der Konzentration des Analyts selbst oder seines Produktes in der Testlösung in Beziehung gesetzt.
Die Elektrooxidation oder Elektroreduktion des Enzyms wird oft durch die Anwesenheit eines Redoxmediators in der Lösung oder auf der Elektrode erleichtert. Der Redoxmediator hilft bei der „elektrischen Kommunikation" zwischen der Arbeitselektrode und dem Enzym. Der Redoxmediator kann in der zu analysierenden Flüssigkeit, die sich in elektrolytischem Kontakt mit den Elektroden befindet, gelöst werden, oder er kann in einer Beschichtung auf der Arbeitselektrode in elektrolytischem Kontakt mit der analysierten Lösung appliziert werden. Die Beschichtung ist vorzugsweise nicht in Wasser löslich, obgleich sie in Wasser aufquellen kann. Nutzbare Vorrichtungen können beispielsweise hergestellt werden, indem eine Elektrode mit einem Film beschichtet wird, der einen Redoxmediator und ein Enzym enthält, wobei das Enzym katalytisch spezifisch für das gewünschte Analyt oder dessen Produkt ist. Im Gegensatz zu einem in einer Beschichtung vorliegenden Redoxmediator wirkt ein diffusionsabhängiger Redoxmediator, der in Wasser löslich oder unlöslich sein kann, dadurch, dass er z.B. Elektronen zwischen dem Enzym und der Elektrode überträgt. Auf jeden Fall ist es so, dass der Redoxmediator Elektronen von dem Substrat-reduzierten Enzym zur Elektrode transportiert, wenn das Substrat des Enzyms elektrooxidiert vorliegt, während er Elektronen von der Elektrode zu dem Substrat-oxidierten Enzym transportiert, wenn das Substrat elektroreduziert vorliegt.
Neuere, auf Enzymen basierende elektrochemische Sensoren haben eine Anzahl verschiedener Redoxmediatoren verwendet, so etwa monomere Ferrocene, chinoide Verbindungen einschließlich Chinonen (z.B. Benzochinonen), Nickelcyclamaten und Rutheniumamminen. In den meisten Fällen besitzen diese Redoxmediatoren eine oder mehrere der folgenden Beschränkungen: geringe Löslichkeit der Redoxmediatoren in den Testlösungen, geringe chemische Stabilität, Lichtstabilität, thermische Stabilität oder pH-Stabilität, kein hinreichend schneller Elektronenaustausch mit dem Enzym oder der Elektrode oder beiden. Hinzu kommt, dass die Redoxpotentiale vieler dieser beschriebenen Redoxmediatoren derartig oxidierend sind, dass bei dem Potential, bei dem der reduzierte Mediator an der Elektrode elektrooxidiert wird, auch andere Lösungsbestandteile als das Analyt ebenfalls elektrooxidiert werden. In anderen Fällen sind sie derartig reduzierend, dass Lösungsbestandteile wie z.B. gelöster Sauerstoff ebenfalls rasch elektroreduziert werden. Im Ergebnis ist der Sensor, der einen solchen Mediator verwendet, nicht hinreichend spezifisch.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft neue Übergangsmetallkomplexe. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem die Verwendung der Komplexe als Redoxmediatoren. Die bevorzugten Redoxmediatoren tauschen typischer Weise schnell Elektronen mit Enzymen und Elektroden aus, sind stabil und weisen ein Redoxpotential auf, das für die Elektrooxidation von Analyten, im Beispiel von Glukose, maßgeschneidert ist.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist ein Übergangsmetallkomplex mit der Formel:
worin M Cobalt, Eisen, Ruthenium, Osmium oder Vanadium ist; L ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus:
R₁, R₂ und R'₁ unabhängig voneinander substituierte oder unsubstituierte Alkyl-, Alkenyl- oder Arylgruppen sind;
R₃, R₄, R₅, R₆, R'₃, R'₄, R_a, R_b, R_c und R_d unabhängig voneinander -H, -F, -Cl, -Br, -I, -NO₂, -CN, -CO₂H, -SO₃H, -NHNH₂, -SH, -OH, -NH₂ oder substituiertes oder unsubstituiertes Alkoxycarbonyl, Alkylaminocarbonyl, Dialkylaminocarbonyl, Alko xy, Alkylamino, Dialkylamino, Alkanoylamino, Arylcarboxamido, Hydrazino, Alkylhydrazino, Hydroxylamino, Alkoxylamino, Alkylthio, Alkenyl, Aryl oder Alkyl sind;
c eine ganze Zahl ist, die ausgewählt ist aus –1 bis –5 oder +1 bis +5 und eine positive oder negative Ladung bezeichnet;
X wenigstens ein Gegenion bezeichnet;
d eine ganze Zahl von 1 bis 5 ist, die die Zahl der Gegenionen X bezeichnet; und
L₁, L₂, L₃ und L₄ Liganden sind.
Eine weitere Ausführungsform betrifft die Verwendung eines Übergangsmetallkomplexes mit der Formel
worin M Eisen, Cobalt, Ruthenium, Osmium oder Vanadium ist;
L ein zweizähniger Ligand ist, der wenigstens einen Imidazolring aufweist;
c eine ganze Zahl ist, die ausgewählt ist aus –1 bis –5 oder +1 bis +5 und eine positive oder negative Ladung bezeichnet;
X wenigstens ein Gegenion bezeichnet;
d eine ganze Zahl von 1 bis 5 ist, die die Zahl der Gegenionen X bezeichnet; und
L₁, L₂, L₃ und L₄ Liganden sind, als Redoxmediator.
Wiederum eine weitere Ausführungsform ist ein Polymer, umfassend eine polymere Hauptkette und einen Übergangsmetallkomplex mit der Formel
worin M Eisen, Cobalt, Ruthenium, Osmium oder Vanadium ist;
L ein zweizähniger Ligand ist, der wenigstens einen Imidazolring aufweist;
c eine ganze Zahl ist, die ausgewählt ist aus –1 bis –5 oder +1 bis +5 und eine positive oder negative Ladung bezeichnet;
X wenigstens ein Gegenion bezeichnet;
d eine ganze Zahl von 1 bis 5 ist, die die Zahl der Gegenionen X bezeichnet; und
L₁, L₂, L₃ und L₄ Liganden sind,
wobei wenigstens einer von L, L₁, L₂, L₃ und L₄ an die polymere Hauptkette gekuppelt ist.
Wiederum eine andere Ausführungsform ist ein Sensor, der eine Arbeitselektrode, eine Gegenelektrode und einen Übergangsmetallkomplex gemäß obiger Definition, der als Redoxme diator verwendet wird und in der Nähe der Arbeitselektrode angeordnet ist, aufweist.
Detaillierte Beschreibung
Im Sinne der hier vorliegenden Verwendung bezeichnen die folgenden Definitionen die angegebenen Begriffe:
Der Begriff „Alkyl" beinhaltet lineare oder verzweigte, gesättigte aliphatische Kohlenwasserstoffe. Beispiele für Alkylgruppen beinhalten Methyl, Ethyl, n-Propyl, Isopropyl, n-Butyl, tert-Butyl und dergleichen. Wenn nicht anderweitig angegeben, beinhaltet der Begriff „Alkyl" sowohl Alkyl- als auch Cycloalkylgruppen.
Der Begriff „Alkoxy" bezeichnet eine Alkylgruppe, die mittels eines Sauerstoffatoms mit der übrigen Struktur verbunden ist. Beispiele für Alkoxygruppen beinhalten Methoxy, Ethoxy, n-Propoxy, Isopropoxy, Butoxy, tert-Butoxy und dergleichen. Des weiteren umfasst der Begriff „Alkoxy", wenn nicht anders angegeben, sowohl Alkoxy- als auch Cycloalkoxygruppen.
Der Begriff „Alkenyl" beschreibt einen ungesättigten, linearen oder verzweigten aliphatischen Kohlenwasserstoff mit wenigstens einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung. Beispiele für Alkenylgruppen beinhalten Ethenyl, 1-Propenyl, 2-Propenyl, 1-Butenyl, 2-Methyl-1-propenyl und dergleichen.
Eine „reaktive Gruppe" ist eine funktionelle Gruppe eines Moleküls, die dazu befähigt ist, mit einer anderen Verbindung zu reagieren, um wenigstens einen Teil dieser anderen Verbindung an das Molekül zu kuppeln. Reaktive Gruppen beinhalten Carboxy, aktivierten Ester, Sulfonylhalogenid, Sulfonatester, Isocyanat, Isothiocyanat, Epoxid, Aziridin, Halogenid, Aldehyd, Keton, Amin, Acrylamid, Thiol, Acylazid, Acylhalogenid, Hydrazin, Hydroxylamin, Alkylhalogenid, Imidazol, Pyridin, Phenol, Alkylsulfonat, Halotriazin, Imidoester, Maleimid, Hydrazid, Hydroxy und photoreaktive Azidarylgruppen. Aktivierte Ester, wie sie in der Technik verstanden werden, beinhalten allgemein Ester von Succinimidyl, Benzotriazolyl oder Aryl, substituiert durch Elektronen-abziehende Gruppen wie etwa Sulfo, Nitro, Cyano oder Halogen-Gruppen, oder mit Carbodiimiden aktivierte Carbonsäuren.
Eine „substituierte" funktionelle Gruppe (z.B. eine substituierte Alkyl-, Alkenyl- oder Alkoxygruppe) beinhaltet wenigstens einen Substituenten, der ausgewählt ist aus den folgenden: Halogen, Alkoxy, Mercapto, Aryl, Alkoxycarbonyl, Alkylaminocarbonyl, Dialkylaminocarbonyl, -OH, -NH₂, Alkylamino, Dialkylamino, Trialkylammonium, Alkanoylamino, Arylcarboxamido, Hydrazino, Alkylthio, Alkenyl und reaktive Gruppen.
Eine „biologische Flüssigkeit" ist jedwede Körperflüssigkeit, bzw. jedwedes Derivat einer Körperflüssigkeit, in der das Analyt gemessen werden kann, z.B. Blut, interstitielle Flüssigkeit, Plasma, dermale Flüssigkeit, Schweiß und Tränen.
Ein „elektrochemischer Sensor" ist eine Vorrichtung, die dazu ausgerichtet ist, um die Gegenwart oder Konzentration oder Menge eines Analyts in einer Probe über elektrochemische Oxidation oder Reduktionsreaktion nachzuweisen bzw. zu messen. Diese Reaktionen können typischer Weise in ein elektrisches Signal überführt werden, das mit einer Menge oder Konzentration an Analyt korreliert werden kann.
Ein „Redoxmediator" ist ein Elektronenübertragungs-Agens, um Elektronen zwischen einem Analyt oder einem Analyt-reduzierten oder Analyt-oxidierten Enzym und einer Elektrode zu transportieren, und zwar entweder direkt oder über ein oder mehrere zusätzliche Elektronenübertragungs-Agenzien.
„Elektrolyse" ist die Elektrooxidation oder Elektroreduktion einer Verbindung, entweder direkt an einer Elektrode oder über ein oder mehrere Elektronenübertragungs-Agenzien (z.B. Redoxmediatoren oder Enzyme).
Der Begriff „Referenzelektrode" beinhaltet sowohl a) Referenzelektroden und b) Referenzelektroden, die außerdem als Gegenelektroden fungieren (d.h. Gegen/Referenz-Elektroden), soweit nicht anderweitig angegeben.
Der Begriff „Gegenelektrode" beinhaltet sowohl a) Gegenelektroden und b) Gegenelektroden, die außerdem als Referenzelektroden fungieren (d.h. Gegen/Referenz-Elektroden), soweit nicht anderweitig angegeben.
Im allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung Übergangsmetallkomplexe von Eisen, Cobalt, Ruthenium, Osmium und Vanadium mit wenigstens einem zweizähnigen Liganden, der einen Imidazolring aufweist. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung von Übergangsmetallkomplexen als Redoxmediatoren. In wenigsten einigen Fällen weisen die Übergangsmetallkomplexe ein oder mehrere der folgenden, Merkmale auf: Redoxpotentiale in einem bestimmten Bereich, die Fähigkeit, schnell Elektronen mit Elektroden auszutauschen, die Fähigkeit, Elektronen schnell an ein Enzym zu übertragen oder schnell von diesem entgegen zu nehmen, um die Kinetik der Elektrooxidation oder Elektroreduktion eines Analyts in Gegenwart eines Enzyms oder eines anderen, für das Analyt spezifischen Redox- Katalysators zu beschleunigen. Beispielsweise kann ein Redoxmediator die Elektrooxidation von Glukose in Gegenwart von Glukoseoxidase oder PQQ-Glukose-Dehydrogenase beschleunigen, ein Verfahren, das nützlich für den selektiven Assay auf Glukose in Gegenwart anderer elektrochemisch oxidierbarer Moleküle sein kann. Verbindungen mit der Formel 1 sind Beispiele für Übergangsmetallkomplexe der vorliegenden Erfindung.

M ist ein Übergangsmetall und ist typischer Weise Eisen, Cobalt, Ruthenium, Osmium oder Vanadium. Ruthenium und Osmium sind besonders geeignet für Redoxmediatoren.
L ist ein zweizähniger Ligand, der wenigstens einen Imidazolring aufweist. Ein Beispiel für L ist ein 2,2'-Biimidazol mit der folgenden Struktur 2:

R₁ und R₂ sind H oder Substituenten, die an zwei der 2,2'-Biimidazol-Stickstoffe gebunden sind und sind unabhängig voneinander substituierte oder unsubstituierte Alkyl-, Alkenyl- oder Arylgruppen. Im allgemeinen sind R₁ und R₂ unsubstituierte C1 bis C12 Alkyle. Typischer Weise sind R₁ und R₂ unsubstituierte C1 bis C4 Alkyle. Bei einigen Ausführungsformen sind sowohl R₁ als auch R₂ Methyl.
R₃, R₄, R₅ und R₆ sind Substituenten, die an Kohlenstoffatome des 2,2'-Biimidazols gebunden sind und sind unabhängig voneinander -H, -F, -Cl, -Br, -I, -NO₂, -CN, -CO₂H, -SO₃H, Alkoxycarbonyl, Alkylaminocarbonyl, Dialkylaminocarbonyl, -OH, Alkoxy, -NH₂, Alkylamino, Dialkylamino, Alkanoylamino, Arylcarboxamido, Hydrazino, Alkylhydrazino, Hydroxylamino, Alkoxyamino, Alkylthio, Alkenyl, Aryl oder Alkyl. Alternativ bilden R₃ und R₄ in Kombination oder R₅ und R₆ in Kombination unabhängig voneinander einen gesättigten oder ungesättigten 5- oder 6-gliedrigen Ring. Ein Beispiel hierfür ist ein 2,2'-Bibenzoimidazolderivat. Typischer Weise sind die Alkyl- und Alkoxy-Anteile C1 bis C12. Die Alkyl- oder Aryl-Anteile aller möglichen Substituenten sind optional mit -F, -Cl, -Br, -I, Alkylamino, Dialkylamino, Trialkylammonium (außer bei Aryl-Anteilen), Alkoxy, Alkylthio, Aryl oder mit einer reaktiven Gruppe substituiert. Im allgemeinen sind R₃, R₄, R₅ und R₆ unabhängig voneinander -H oder unsubstituierte Alkylgruppen. Typischer Weise sind R₃, R₄, R₅ und R₆ -H oder unsubstituierte C1 bis C12 Alkyle. Bei einigen Ausführungsformen sind R₃, R₄, R₅ und R₆ sämtlich -H.
Ein anderes Beispiel für L ist ein 2-(2-Pyridyl)imidazol mit der folgenden Struktur 3:

R'₁ ist H oder ein substituiertes oder unsubstituiertes Aryl, Alkenyl oder Alkyl. Im allgemeinen ist R'₁ ein substituiertes oder unsubstituiertes C1–C12 Alkyl. R'₁ ist typischer Weise Methyl oder ein C1–C12 Alkyl, das optional mit einer reaktiven Gruppe substituiert ist.
R'₃, R'₄, R_a, R_b, R_c und R_d sind unabhängig voneinander -H, -F, -Cl, -Br, -I, -NO₂, -CN, -CO₂H, -SO₃H, -NHNH₂, -SH, Alkoxylcarbonyl, Alkylaminocarbonyl, Dialkylaminocarbonyl, -OH, Alkoxy, -NH₂, Alkylamino, Dialkylamino, Alkanoylamino, Arylcarboxamido, Hydrazino, Alkylhydrazino, Hydroxylamino, Alkoxylamino, Alkylthio, Alkenyl, Aryl oder Alkyl. Alternativ können R_c und R_d in Kombination oder R'₃ und R'₄ in Kombination einen gesättigten oder ungesättigten 5- oder 6-gliedrigen Ring ausbilden. Typischer Weise sind die Alkyl und Alkoxy-Anteile C1 bis C12. Die Alkyl- oder Aryl-Anteile eines jeden der Substituenten sind optional mit -F, -Cl, -Br, -I, Alkylamino, Dialkylamino, Trialkylammonium (außer bei Aryl-Anteilen), Alkoxy, Alkylthio, Aryl oder mit einer reaktiven Gruppe substituiert. Im allgemeinen sind R'₃, R'₄, R_a, R_b, R_c und R_d unabhängig voneinander -H oder unsubstituierte Alkylgruppen. Typischer Weise sind R_a und R_c -H und R'₃, R'₄, R_b und R_d sind -H oder Methyl.
c ist eine ganze Zahl, die die Ladung des Komplexes angibt. Im allgemeinen ist c eine ganze Zahl, die aus –1 bis –5 oder +1 bis +5 ausgewählt ist und eine positive oder negative Ladung bezeichnet. Für eine Reihe von Osmium-Komplexen ist c +2 oder +3.
X bezeichnet ein oder mehrere Gegenion(en). Beispiele geeigneter Gegenionen beinhalten Anionen wie etwa Halogenide (z.B. Fluorid, Chlorid, Bromid oder Iodid), Sulfat, Phosphat, Hexafluorphosphat und Tetrafluorborat, und Kationen (bevorzugt einwertige Kationen), wie etwa Lithium, Natrium, Kalium, Tetralkylammonium und Ammonium. Bevorzugt ist X ein Halogenid wie etwa Chlorid. Die Gegenionen, die durch X bezeichnet sind, müssen nicht notwendiger Weise alle gleich sein.
d bezeichnet die Anzahl der Gegenionen und ist typischer Weise 1 bis 5. L₁, L₂, L₃ und L₄ sind Liganden, die mittels einer koordinativen Bindung an das Übergangsmetall gebunden sind. L₁, L₂, L₃ und L₄ können einzähnige Liganden sein, oder, in beliebiger Kombination, zwei-, drei- oder vierzähnige Liganden. Beispielsweise können sich L₁, L₂, L₃ und L₄ derart verbinden, dass sie zwei zweizähnige Liganden bilden, wie z.B. zwei Liganden, die aus der Gruppe der substituierten und unsubstituierten 2,2'-Biimidazole, 2-(2-Pyridyl)imidazole und 2,2'-Bipyridine ausgewählt sind.
Beispiele für andere L₁, L₂, L₃ und L₄ Kombinationen des Übergangsmetallkomplexes beinhalten folgende:
(A) L₁ ist ein einzähniger Ligand und L₂, L₃ und L₄ bilden zusammen einen dreizähnigen Liganden;
(B) L₁ und L₂ bilden zusammen einen zweizähnigen Liganden, und L₃ und L₄ sind dieselben oder verschiedene einzähnige Liganden;
(C) L₁ und L₂ in Kombination und L₃ und L₄ in Kombination bilden zwei unabhängige zweizähnige Liganden, die gleich oder verschieden sein können;
(D) L₁, L₂, L₃ und L₄ bilden zusammen einen vierzähnigen Liganden.
Beispiele für geeignete einzähnige Liganden beinhalten, sind jedoch nicht beschränkt auf -F, -Cl, -Br, -I, -CN, -SCN, -OH, H₂O, NH₃, Alkylamin, Dialkylamin, Trialkylamin, Alkoxy oder heterozyklische Verbindungen. Die Alkyl- oder Aryl-Anteile sämtlicher Liganden können optional mit -F, -Cl, -Br, -I, Alkylamino, Dialkylamino, Trialkylammonium (außer bei Aryl-Anteilen), Alkoxy, Alkylthio, Aryl oder mit einer reaktiven Gruppe substituiert sein. Im allgemeinen beinhalten sämtliche Alkyl-Anteile der einzähnigen Liganden 1 bis 12 Kohlenstoffe. In noch typischerer Weise enthalten die Alkyl-Anteile 1 bis 6 Kohlenstoffe. Bei anderen Ausführungsformen sind die einzähnigen Liganden heterozyklische Verbindungen, die wenigstens ein Stickstoff-, Sauerstoff- oder Schwefelatom enthalten. Beispiele geeigneter heterozyklischer einzähniger Liganden enthalten Imidazol, Pyrazol, Oxazol, Thiazol, Pyridin, Pyrazin und Derivate hiervon. Geeignete heterozyklische einzähnige Liganden beinhalten substituiertes und unsubstituiertes Imidazol und substituiertes und unsubstituiertes Pyridin mit den folgenden allgemeinen Formeln 4 bzw. 5:
Bezogen auf Formel 4 ist R₇ im allgemeinen eine substituierte oder unsubstituierte Alkyl-, Alkenyl- oder Arylgruppe. Typischer Weise ist R₇ ein substituiertes oder unsubstituiertes C1 bis C12 Alkyl oder Alkenyl. Die Substitution von im inneren Koordinationsbereich liegenden Chloridanionen durch Imidazole verursacht keine typischer Weise auftretende große Verschiebung des Redoxpotentials in die oxidierende Richtung und unterscheidet sich somit in dieser Hinsicht von der Substitution durch Pyridine, die typischer Weise in einer starken Verschiebung des Redoxpotentials in die oxidierende Richtung resultiert.
R₈, R₉ und R₁₀ sind unabhängig voneinander -H, -F, -Cl, -Br, -I, NO₂, -CN, -CO₂H, -SO₃H, -NHNH₂, -SH, Aryl, Alkoxycarbonyl, Alkylaminocarbonyl, Dialkylaminocarbonyl, -OH, Alkoxy, -NH₂, Alkylamino, Dialkylamino, Alkanoylamino, Arylcar boxamido, Hydrazino, Alkylhydrazino, Hydroxylamino, Alkoxyamino, Alkylthio, Alkenyl, Aryl oder Alkyl. Alternativ bilden R₉ und R₁₀ zusammen einen fusionierten 5- oder 6-gliedrigen Ring, der gesättigt oder ungesättigt ist. Die Alkyl-Anteile der Substituenten enthalten im allgemeinen 1 bis 12 Kohlenstoffe; typischer Weise enthalten sie 1 bis 6 Kohlenstoffatome. Die Alkyl- oder Aryl-Anteile eines jeden der Substituenten sind optional mit -F, -Cl, -Br, -I, Alkylamino, Dialkylamino, Trialkylammonium (außer bei Aryl-Anteilen), Alkoxy, Alkylthio, Aryl, oder mit einer reaktiven Gruppe substituiert. Bei einigen Ausführungsformen sind R₈, R₉ und R₁₀ -H oder substituiertes oder unsubstituiertes Alkyl. Bevorzugt sind R₈, R₉ und R₁₀ -H.
Bezogen auf Formel 5, sind R₁₁, R₁₂, R₁₃, R₁₄ und R₁₅ unabhängig voneinander -H, -F, -Cl, -Br, -I, NO₂, -CN, -CO₂H, Alkoxycarbonyl, Alkylaminocarbonyl, Dialkylaminocarbonyl, -OH, Alkoxy, -NH₂, Alkylamino, Dialkylamino, Alkanoylamino, Arylcarboxamido, Hydrazino, Alkylhydrazino, Hydroxylamino, Alkoxyamino, Alkylthio, Alkenyl, Aryl oder Alkyl. Die Alkyl- oder Aryl-Anteile eines jeden der Substituenten sind optional mit -F, -Cl, -Br, -I, Alkylamino, Dialkylamino, Trialkylammonium (außer bei Aryl-Anteilen), Alkoxy, Alkylthio, Aryl, oder mit einer reaktiven Gruppe substituiert. Im allgemeinen sind R₁₁, R₁₂, R₁₃, R₁₄ und R₁₅ -H, Methyl, C1–C2 Alkoxy, C1–C2 Alkylamino, C2–C4 Dialkylamino oder ein kürzerkettiges C1–C6 Alkyl, das mit einer reaktiven Gruppe substituiert ist.
Ein Beispiel enthält R₁₁ und R₁₅ als -H, R₁₂ und R₁₄ als gleich und als -H oder Methyl, und R₁₃ als -H, C1 bis C12 Alkoxy, -NH₂, C1 bis C12 Alkylamino, C2 bis C24 Dialkylamino, Hydrazino, C1 bis C12 Alkylhydrazino, Hydroxylamino, C1 bis C12 Alkoxyamino, C1 bis C12 Alkylthio oder C1 bis C12 Alkyl.
Die Alkyl- oder Aryl-Anteile eines jeden der Substituenten sind optional mit -F, -Cl, -Br, -I, Alkylamino, Dialkylamino, Trialkylammonium (außer bei Aryl-Anteilen), Alkoxy, Alkylthio, Aryl oder mit einer reaktiven Gruppe substituiert.
Beispiele für geeignete zweizähniger Liganden beinhalten, sind jedoch nicht beschränkt auf Aminosäuren, Oxalsäure, Acetylaceton, Diaminoalkane, ortho-Diaminoarene, 2,2'-Biimidazol, 2,2'-Bioxazol, 2,2'-Bithiazol, 2-(2-Pyridyl)imidazol und 2,2'-Bipyridin und Derivate hiervon. Besonders geeignete zweizähnige Liganden für Redoxmediatoren beinhalten substituiertes und unsubstituiertes 2,2'-Biimidazol, 2-(2-Pyridyl)imidazol und 2,2'-Bipyridin. Die substituierten 2,2'-Biimidazol- und 2-(2-pyridyl)imidazol-Liganden können dieselben Substitutionsmuster wie oben für die anderen 2,2'-Biimidazol- und 2-(2-Pyridyl)imidazol-Liganden beschriebenen, aufweisen. Ein 2,2'-Bipyridin-Ligand besitzt die folgende allgemeine Formel 6:

R₁₆, R₁₇, R₁₈, R₁₉, R₂₀, R₂₁, R₂₂ und R₂₃ sind unabhängig voneinander -H, -F, -Cl, -Br, -I, -NO₂, -CN, -CO₂H, -SO₃H, -NHNH₂, -SH, Aryl, Alkoxycarbonyl, Alkylaminocarbonyl, Dialkyl aminocarbonyl, -OH, Alkoxy, -NH₂, Alkylamino, Dialkylamino, Alkanoylamino, Arylcarboxamido, Hydrazino, Alkylhydrazino, Hydroxylamino, Alkoxylamino, Alkylthio, Alkenyl oder Alkyl. Typischer Weise sind die Alkyl- und Alkoxy-Anteile C1 bis C12. Die Alkyl- oder Aryl-Anteile eines jeden der Substituenten können optional mit -F, -Cl, -Br, -I, Alkylamino, Dialkylamino, Trialkylammonium (außer bei Aryl-Anteilen), Alkoxy, Alkylthio, Aryl oder mit einer reaktiven Gruppe substituiert sein.
Spezifische Beispiele für geeignete Kombinationen von R₁₆, R₁₇, R₁₈, R₁₉, R₂₀, R₂₁, R₂₂ und R₂₃ beinhalten R₁₆ und R₂₃ als H oder Methyl, R₁₇ und R₂₂ als gleich und als -H oder Methyl, und R₁₉ und R₂₀ als gleich und als -H oder Methyl. Eine alternative Kombination ist diejenige, bei der ein oder mehrere benachbarte Paare der Substituenten R₁₆ und R₁₇ auf der einen Seite und der Substituenten R₂₂ und R₂₃ auf der anderen Seite unabhängig voneinander einen gesättigten oder ungesättigten 5- oder 6-gliedrigen Ring bilden. Eine weitere Kombination beinhaltet R₁₉ und R₂₀, die einen gesättigten oder ungesättigten 5- oder 6-gliedrigen Ring bilden.
Eine andere Kombination beinhaltet R₁₆, R₁₇, R₁₉, R₂₀, R₂₂ und R₂₃ als gleich und als -H, und R₁₈ und R₂₁ unabhängig voneinander als -H, Alkoxy, -NH₂, Alkylamino, Dialkylamino, Alkylthio, Alkenyl oder Alkyl. Die Alkyl- oder Aryl-Anteile eines jeden der Substituenten können optional mit -F, -Cl, -Br, -I, Alkylamino, Dialkylamino, Trialkylammonium (außer bei Aryl-Anteilen), Alkoxy, Alkylthio, Aryl oder mit einer reaktiven Gruppe substituiert sein. Beispielsweise können R₁₈ und R₂₁ gleich oder verschieden sein und sind -H, C1–C6 Alkyl, C1-C6 Amino, C1 bis C12 Alkylamino, C2 bis C12 Dialkylamino, C1 bis C12 Alkylthio oder C1 bis C12 Alkoxy; dabei können die Alkyl-Anteile eines jeden der Substituenten optional mit -F, -Cl, -Br, -I, Aryl, C2 bis C12 Dialkylamino, C3 bis C18 Trialkylammonium, C1 bis C6 Alkoxy, C1 bis C6 Alkylthio oder mit einer reaktiven Gruppe substituiert sein.
Beispiele für geeignete dreizähnige Liganden beinhalten, sind jedoch nicht beschränkt auf Diethylentriamin, 2,2',2"-Terpyridin, 2,6-Bis(N-pyrazolyl)pyridin und Derivate dieser Verbindungen. 2,2',2"-Terpyridin und 2,6-Bis(N-pyrazolyl)pyridin besitzen die folgenden allgemeinen Formeln 7 bzw. 8:
Bezogen auf die Formel 7 sind R₂₄, R₂₅ und R₂₆ unabhängig voneinander -H oder substituiertes oder unsubstituiertes C1 bis C12 Alkyl. Typischer Weise sind R₂₄, R₂₅ und R₂₆ -H oder Methyl, und bei einigen Ausführungsformen sind R₂₄ und R₂₆ gleich und sind -H. Es können andere/weitere Substituenten an diesen oder anderen Positionen der Verbindungen der Formeln 7 und 8 hinzu gefügt sein.
Bezogen auf die Formel 8 sind R₂₇, R₂₈ und R₂₉ unabhängig voneinander -H, -F, -Cl, -Br, -I, -NO₂, -CN, -CO₂H, -SO₃H, -NHNH₂, -SH, Alkoxycarbonyl, Alkylaminocarbonyl, Dialkylaminocarbonyl, -OH, Alkoxy, -NH₂, Alkylamino, Dialkylamino, Alkanoylamino, Arylcarboxamido, Hydrazino, Alkylhydrazino, Hydroxylamino, Alkoxylamino, Alkylthio, Alkenyl, Aryl oder Alkyl. Die Alkyl- oder Aryl-Anteile eines jeden der Substituenten können optional mit -F, -Cl, -Br, -I, Alkylamino, Dialkylamino, Trialkylammonium (außer bei Aryl-Anteilen), Alkoxy, Alkylthio, Aryl oder mit einer reaktiven Gruppe substituiert sein. Typischer Weise sind die Alkyl- und Alkoxygruppen C1 bis C12 und, bei einigen Ausführungsformen, sind R₂₇ und R₂₉ gleich und sind -H.
Beispiele für geeignete vierzähnige Liganden beinhalten Triethylentriamin, Ethylendiaminacetessigsäure, Tetraaza-Makrocyclen und ähnliche Verbindungen ebenso wie Derivate hiervon.
Beispiele für geeignete Übergangsmetallkomplexe werden unter Verwendung der Formeln 9 und 10 dargestellt:
Bezogen auf den Übergangsmetallkomplex der Formel 9 ist das Metall Osmium mit zwei substituierten 2,2'-Biimidazol-Liganden und einem substituierten oder unsubstituiertem 2,2'-Bipyridin-Liganden komplexiert. R₁, R₂, R₃, R₄, R₅, R₆, R₁₆, R₁₇, R₁₈, R₁₉, R₂₀, R₂₁, R₂₂, R₂₃, c, d und X entsprechen der obigen Beschreibung.
Bei einer Ausführungsform sind R1 und R2 Methyl; R₃, R₄, R₅, R₆, R₁₆, R₁₇, R₁₉, R₂₀, R₂₂ und R₂₃ sind -H; und R₁₈ und R₂₁ sind gleich und sind -H, Methyl oder Methoxy. Bevorzugt sind R₁₈ und R₂₁ Methyl oder Methoxy.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind R₁ und R₂ Methyl; R₃, R₄, R₅, R₆, R₁₆, R₁₇, R₁₈, R₁₉, R₂₀, R₂₂ und R₂₃ sind -H; und R₂₁ ist Halogen, C1 bis C12 Alkoxy, C1 bis C12 Alkylamino oder C2 bis C24 Dialkylamino. Die Alkyl- oder Aryl-Anteile eines jeden der Substituenten können optional mit -F, -Cl, -Br, -I, Alkylamino, Dialkylamino, Trialkylammonium (außer bei Aryl-Anteilen), Alkoxy, Alkylthio, Aryl oder mit einer reaktiven Gruppe substituiert sein. Beispielsweise ist R₂₁ ein C1 bis C12 Alkylamino oder C2 bis C24 Dialkylamino, dessen Alkyl-Anteil(e) mit einer reaktiven Gruppe wie etwa einer Carbonsäure, aktiviertem Ester oder Amin, substituiert sind. Typischer Weise besitzt die Alkylaminogruppe 1 bis 6 Kohlenstoffatome und die Dialkylaminogruppe 2 bis 8 Kohlenstoffe.
Bezogen auf Übergangsmetallkomplexe der Formel 10, ist das Metall Osmium mit zwei substituierten 2,2'-Biimidazol-Liganden und einem substituierten oder unsubstituierten 2-(2-Pyridyl)imidazol-Liganden komplexiert. R₁, R₂, R₃, R₄, R₅, R₆, R'₁, R'₃, R'₄, R_a, R_b, R_c, R_d, c, d und X entsprechen der obigen Beschreibung.
Bei einer Ausführungsform sind R₁ und R₂ Methyl; R₃, R₄, R₅, R₆, R'₃, R'₄ und R_d sind unabhängig voneinander -H oder Methyl; R_a und R_c sind gleich und sind -H; und R_b ist C1 bis C12 Alkoxy, C1 bis C12 Alkylamino oder C2 bis C24 Dialkylamino. Die Alkyl- oder Aryl-Anteile eines jeden der Substituenten können optional mit -F, -Cl, -Br, -I, Alkylamino, Dialkylamino, Trialkylammonium (außer bei Aryl-Anteilen), Alkoxy, Alkylthio, Aryl oder mit einer reaktiven Gruppe substituiert sein.
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Ansprüchen 7, 8, 12–17 definiert.
Eine Liste spezifischer Beispiele bevorzugter Übergangsmetallkomplexe und die zugehörigen Redoxpotentiale sind in Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1. Redoxpotentiale ausgewählter Übergangsmetallkomplexe
Die Übergangsmetallkomplexe der Formel 1 beinhalten auch Übergangsmetallkomplexe, die über einen oder mehrere von L, L₁, L₂, L₃ und L₄ an eine polymere Hauptkette gekuppelt sind. Weitere Beispiele für geeignete Übergangsmetallkomplexe sind in der WO 01/36660 bzw. der EP 1 230 248 beschrieben, die mit „Polymeric Transition Metal Complexes and Uses Thereof" betitelt sind und mit übereinstimmendem Datum hierzu eingereicht wurden. Bei einigen Ausführungsformen besitzt die polymere Hauptkette funktionelle Gruppen, die als Liganden des Übergangsmetallkomplexes fungieren. Solche polymeren Hauptketten beinhalten z.B. Poly(4-vinylpyridin) und Poly(N-vinylimidazol), bei denen die Pyridin- bzw. Imidazolgruppen als einzähnige Liganden des Übergangsmetallkomplexes fungieren können. Bei anderen Ausführungsformen kann der Übergangsmetallkomplex das Reaktionsprodukt zwischen einer reaktiven Gruppe an einem Vorläufer-Polymer und einer reaktiven Gruppe an einem Liganden eines Übergangsmetallkomplex-Vorläufers sein (so wie etwa ein Komplex der Formel 1, bei dem einer von L, L₁, L₂, L₃ und L₄ eine reaktive Gruppe gemäß obiger Beschreibung beinhaltet). Geeignete Vorläufer-Polymere beinhalten z.B. Poly(Acrylsäure) (Formel 11), Styrol/Maleinsäureanhydrid-Copolymer (Formel 12), Methylvinylether/Maleinsäureanhydrid-Copolymer (GANTREZ Polymer) (Formel 13), Poly(Vinylbenzylchlorid) (Formel 14), Poly(allylamin) (Formel 15), Polylysin (Formel 16), Carboxypoly(vinylpyridin) (Formel 17) und Poly(Natrium 4-Stryrolsulfonat) (Formel 18).
Alternativ kann der Übergangsmetallkomplex eine/mehrere reaktive Gruppe(n) zur Immobilisierung oder Bindung des Komplexes an andere Substrate oder Träger aufweisen; Beispiele für solche Bindungspartner beinhalten Makromoleküle (z.B. Enzyme) und Oberflächen (z.B. Elektrodenoberflächen).
Zur reaktiven Ankopplung an Polymere, Substrate oder andere Träger beinhaltet der Übergangsmetallkomplex-Vorläufer wenigstens eine reaktive Gruppe, die mit einer reaktiven Gruppe an dem Polymer, Substrat oder Träger reagiert. Typischer Weise werden kovalente Bindungen zwischen den beiden reaktiven Gruppen gebildet, um eine Bindung zu erzeugen. Beispiele für derartige Bindungen sind in der unten stehenden Tabelle 2 angegeben. Im allgemeinen ist eine der reaktiven Gruppen ein Elektrophil und die andere reaktive Gruppe ist ein Nukleophil.
Tabelle 2. Beispiele für Bindungen zwischen reaktiven Gruppen
Die Übergangsmetallkomplexe der vorliegenden Erfindung können in Wasser oder anderen wässrigen Lösungen oder in organischen Lösungsmitteln löslich sein. Im allgemeinen können die Übergangsmetallkomplexe entweder in wässrigen oder organischen Lösungsmitteln löslich gemacht werden, indem sie mit einem geeigneten Gegenion oder Gegenionen X versehen werden. Beispielsweise neigen Übergangsmetallkomplexe mit kleinen Gegenanionen wie etwa F^–, Cl^– und Br^– dazu, wasserlöslich zu sein. Auf der anderen Seite neigen Übergangsmetallkomplexe mit ausladenden Gegenanionen wie I^–, BF₄ ^– und PF₆ ^– dazu, in organischen Lösungsmitteln löslich zu sein. Vorzugsweise ist die Löslichkeit der Übergangsmetallkomplexe der vorliegenden Erfindung für ein gewünschtes Lösungsmittel bei 25°C größer als etwa 0,1 M (Mol/l).
Die oben beschriebenen Übergangsmetallkomplexe sind geeignet als Redoxmediatoren in elektrochemischen Sensoren für die Detektion von Analyten in biologischen Flüssigkeiten. Die Verwendung von Übergangsmetallkomplexen als Redoxmediatoren wird beispielsweise in den US-Patenten Nr. 5,262,035; 5,262,305; 5,320,725; 5,365,786; 5,593,852; 5,665,222; 5,972,199 und 6,143,164 und in den US-Patentanmeldungen der Seriennummern 09/034,372; 09/070,677; 09/295,962 und 09/434,026 beschrieben. Die darin beschriebenen Übergangsmetallkomplexe können typischer Weise anstelle der in den oben aufgelisteten Bezugsstellen beschriebenen Komplexe verwendet werden. Die Übergangsmetallkomplexe, die eine polymere Hauptkette aufweisen und Redoxmediatoren sind, können auch als „Redoxpolymere" bezeichnet werden.
Im allgemeinen wird der Redoxmediator auf einer Arbeitselektrode oder in deren Nähe (z.B. in einer diese umgebenden Lösung) angeordnet. Der Redoxmediator überträgt Elektronen zwischen der Arbeitselektrode und einem Analyt. Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen ist außerdem ein Enzym einbezogen, um die Übertragung zu erleichtern. Beispielsweise überträgt der Redoxmediator bei einer Enzym-katalysierten Umsetzung von Glukose Elektronen zwischen der Arbeitselektrode und Glucose (typischer Weise über ein Enzym). Redoxpolymere sind besonders nützlich zur Ausbildung nicht ablösbarer Beschichtungen auf der Arbeitselektrode. Diese können z.B. ausgebildet werden, indem das Redoxpolymer auf der Arbeitselektrode quervernetzt wird, oder indem das Redoxpolymer und das Enzym auf der Arbeitselektrode quervernetzt werden.
Übergangsmetallkomplexe können genaue, reproduzierbare und schnelle oder kontinuierliche Assays ermöglichen. Übergangsmetallkomplex-Redoxmediatoren nehmen Elektronen mit hoher Geschwindigkeit von Enzymen oder Analyten entgegen oder übertragen Elektronen auf diese, ebenso tauschen sie rasch Elektronen mit einer Elektrode aus. Typischer Weise ist die Geschwindigkeitsrate des Selbstaustausches, also des Prozesses, bei dem ein reduzierter Redoxmediator ein Elektron auf einen oxidierten Redoxmediator überträgt, hoch. Bei einer festgelegten Konzentration an Redoxmediator sorgt dies für einen schnelleren Transport von Elektronen zwischen dem Enzym (oder Analyt) und der Elektrode und verkürzt damit die Reaktionszeit des Sensors. Zusätzlich sind die neuen Übergangsmetallkomplex-Redoxmediatoren typischer Weise bei dem bei der Verwendung, Lagerung und dem Transport vorliegenden Umgebungslicht bzw. bei den dabei auftretenden Temperaturen stabil. Vorzugsweise durchlaufen die Übergangsmetallkomplex-Redoxmediatoren während der Zeitspanne der Verwendung oder unter den Lagerbedingungen keine chemische Veränderung außer Oxidation und Reduktion, obwohl die Redoxmediatoren so ausgestaltet sein können, dass sie beispielsweise durch Reaktion mit Wasser oder mit dem Analyt aktiviert werden.
Der Übergangsmetallkomplex kann in Kombination mit einem Redoxenzym als Redoxmediator verwendet werden, um das Analyt oder eine z.B. durch Hydrolyse des Analyts von dem Analyt abgeleitete Verbindung zu elektrooxidieren oder zu elektroreduzieren. Die Redoxpotentiale der Redoxmediatoren sind im allgemeinen positiver (d.h. oxidierender) als die Redoxpotentiale der Redoxenzyme, wenn das Analyt elektrooxidiert wird, und negativer, wenn das Analyt elektroreduziert wird. Beispielsweise liegen die Redoxpotentiale der bevorzugten Übergangsmetallkomplex-Redoxmediatoren, die für die Elektrooxidation von Glukose mit Glukoseoxidase oder PQQ-Glukose-Dehydrogenase als Enzym verwendet werden, etwa bei –200 mV bis +200 mV gegenüber einer Ag/AgCl-Referenzelektrode, und die am meisten bevorzugten Mediatoren besitzen Redoxpotentiale zwischen etwa –100 mV und etwa +100 mV gegenüber einer Ag/AgCl-Referenzelektrode.
Quervernetzung bei Übergangsmetallkomplex-Polymeren
Der Elektronentransport beinhaltet einen Austausch von Elektronen zwischen Segmenten von Redoxpolymeren (z.B. einem oder mehreren Übergangsmetallkomplexen, die wie oben beschrieben, an eine polymere Hauptkette gekuppelt sind) in einem auf einer Elektrode angeordneten quervernetzten Film. Der Übergangsmetallkomplex kann mittels kovalenter, koordinativer oder ionischer Bindung an die polymere Hauptkette gebunden sein, wobei die kovalente und die koordinative Bindung bevorzugt sind. Der Elektronenaustausch erfolgt z.B. über das Aufeinandertreffen verschiedener Segmente des quervernetzten Redoxpolymers. Elektronen, die über das Redoxpolymer transportiert werden, können beispielsweise aus der Elektrooxidation oder Elektroreduktion eines Enzym-Substrats stammen, wie z.B. aus der Oxidation von Glukose durch Glukoseoxidase.
Das Ausmaß der Quervernetzung des Redoxpolymers kann den Transport der Elektronen und Ionen und damit die Geschwindigkeit der elektrochemischen Reaktionen beeinflussen. Exzessive Quervernetzung des Polymers kann die Mobilität der Segmente des Redoxpolymers vermindern. Eine Verminderung der Segmentmobilität kann die Diffusion von Elektronen oder Ionen durch den Redoxpolymerfilm verlangsamen. Eine Verminderung des Diffusionskoeffizienten der Elektronen kann z.B. eine gleichzeitige Verminderung der Dicke des Films auf der Elektrode er fordern, wo Elektronen oder Elektronenlöcher gesammelt oder abgegeben werden. Das Ausmaß der Quervernetzung in einem Redoxpolymerfilm kann somit den Transport von Elektronen z.B. von einem Enzym auf die Übergangsmetall-Redoxzentren des Redoxpolymers beeinflussen, so z.B. auf Os^2+/3+ Metall-Redoxzentren, sowie zwischen Redoxzentren des Redoxpolymers und von diesen Übergangsmetall-Redoxzentren auf die Elektrode.
Eine unzureichende Quervernetzung eines Redoxpolymers kann in einem exzessiven Aufquellen des Redoxpolymerfilms und in einem Auswaschen der Komponenten des Redoxpolymerfilms resultieren. Exzessives Aufquellen kann außerdem im Übertritt von gequollenem Polymer in die analysierte Lösung, im Aufweichen des Redoxpolymerfilms, in einer Neigung des Films zur Ablösung durch Scherung oder in beliebigen Kombinationen dieser Effekte resultieren.
Die Quervernetzung kann die Auswaschung von Filmkomponenten vermindern und die mechanische Stabilität des Films unter Scherstress verbessern. So kann beispielsweise, wie in Binyamin, G. und Heller, A.; Stabilization of Wired Glucose Oxidase Anodes Rotating at 1000 rpm at 37°C; Journal of the Electrochemical Society, 146(8), 2965–2967, 1999 offenbart, der Ersatz eines bifunktionalen Quervernetzers wie etwa Polyethylenglykoldiglycidylether durch einen trifunktionalen Quervernetzer wie etwa N,N-Diglycidyl-4-glycidyloxyanilin die mit unzureichender Quervernetzung verbundenen Probleme der Auswaschung und Scherung vermindern.
Beispiele für andere bifunktionale, trifunktionale und tetrafunktionale Quervernetzer sind unten aufgeführt:
Amin-reaktive bifunktionale Quervernetzer:
Pyridin- oder Imidazol-reaktive bifunktionale Quervernetzer:
Pyridin- oder Imidazol-reaktive trifunktionale Quervernetzer:
Pyridin- oder Imidazol-reaktive tetrafunktionale Quervernetzer:
Alternativ kann die Anzahl an Quervernetzungsstellen gesteigert werden, indem die Anzahl an Übergangsmetallkomplexen, die an die polymere Hauptkette gebunden werden, verringert wird, um so eine größere Zahl am Polymer befindlicher Gruppen für die Quervernetzung freizuhalten. Ein wichtiger Vorteil wenigstens einiger der Redoxpolymere ist die gesteigerte Mobilität der anhängenden Übergangsmetallkomplexe, die aus der Flexibilität der anhängenden Gruppen resultiert. Im Ergebnis werden zumindest bei einigen Ausführungsformen weniger Übergangsmetallkomplexe pro polymerer Hauptkette benötigt, um einen gewünschten Wert für den Diffusionskoeffizienten der Elektronen und die Stromdichte bei der Elektrooxidation oder Elektroreduktion des Analyts zu erreichen.
Koordination in Übergangsmetallkomplex-Polymeren
Übergangsmetallkomplexe können in Abhängigkeit von der Verfügbarkeit und Art der reaktiven Gruppen am Komplex und an der polymeren Hauptkette direkt oder indirekt an eine polymere Hauptkette gebunden werden. Beispielsweise sind die Pyridingruppen in Poly(4-vinylpyridin) oder die Imidazolgruppen in Poly(N-vinylimidazol) dazu befähigt, als einzähnige Liganden zu fungieren und können somit direkt mit einem Metallzentrum verbunden werden. Alternativ können die Pyridingruppen in Poly(4-vinylpyridin) oder die Imidazolgruppen in Poly(N-vinylimidazol) mit einem substituierten Alkylanteil quaternisiert werden, wobei der Alkylanteil eine geeignete reak tive Gruppe, wie etwa eine Carboxylatfunktion (Carbonsäureanion) aufweist, die aktiviert werden kann, um eine kovalente Bindung mit einer reaktiven Gruppe, wie etwa einem Amin des Übergangsmetallkomplexes auszubilden (siehe Tabelle 2 als Auflistung anderer Beispiele für reaktive Gruppen).
Redoxzentren wie z.B. Os^2+/3+ können mit fünf heterozyklischen Stickstoffen und einem zusätzlichen Liganden wie z.B. einem Chloridanion koordiniert werden. Ein Beispiel für einen solchen koordinativen Komplex beinhaltet zwei Bipyridin-Liganden, die jeweils stabile koordinative Bindungen ausbilden, das Pyridin von Poly(4-vinylpyridin), das eine schwächere koordinative Bindung ausbildet und ein Chloridanion, das die am wenigsten stabile koordinative Bindung ausbildet.
Alternativ können Redoxzentren wie etwa Os^2+/3+ in ihrem inneren Koordinationsbereich mit sechs heterozyklischen Stickstoffatomen koordiniert sein. Bevorzugt sind die sechs koordinativ bindenden Atome in den Liganden gepaart; d.h. jeder Ligand ist z.B. aus mindestens zwei Ringen zusammengesetzt. Die Paarung der koordinativ bindenden Atome kann das Potential einer Elektrode beeinflussen, die in Verbindung mit Redoxpolymeren der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Bei der Analyse von Glukose ist das Potential, auf das die mit dem Redoxpolymer beschichtete Arbeitselektrode eingestellt wird, typischer Weise um etwa +250 mV negativ gegenüber SCE (Standard Kalomel-Elektrode). Vorzugsweise ist die Elektrode gegenüber SCE um etwa +150 mV negativ eingestellt. Die Einstellung der Elektrode auf diese Potentiale reduziert die als Beiprodukt erfolgende Elektrooxidation von Bestandteilen biologischer Lösungen, wie z.B. von Urat, Ascorbat und Acetaminophen. Das Potential kann durch Veränderung der Ligandenstruktur des Komplexes modifiziert werden.
Das Redoxpotential eines Redoxpolymers gemäß der hier vorliegenden Beschreibung steht in Beziehung zu dem Potential, auf das die Elektrode eingestellt ist. Die Auswahl eines Redoxpolymers mit einem gewünschten Redoxpotential erlaubt die Anpassung des Potentials, bei dem die Elektrode am besten eingestellt ist. Die Redoxpotentiale einer Anzahl der hier beschriebenen Redoxpolymere sind um etwa +150 mV gegenüber SCE negativ und können um etwa +50 mV gegenüber SCE negativ sein, um die Einstellung der Elektrodenpotentiale um etwa +250 mV negativ gegenüber SCE und bevorzugt um etwa +150 mV negativ gegenüber SCE zu erlauben.
Die Stärke der koordinativen Bindung kann das Potential der Redoxzentren in den Redoxpolymeren beeinflussen. Typischer Weise ist das Redoxpotential umso positiver, je stärker die koordinative Bindung ist. Eine Verschiebung des Potentials eines Redoxzentrums, die aus einer Veränderung im Koordinationsbereich des Übergangsmetalls resultiert, kann einen labilen Übergangsmetallkomplex ergeben. Wenn beispielsweise das Redoxpotential eines Os^2+/3+-Komplexes durch eine Veränderung im Koordinationsbereich in den niedrigeren Wertebereich verschoben wird, wird der Komplex labil. Ein solcher labiler Übergangsmetallkomplex kann unerwünscht sein, wenn ein Metallkomplex-Polymer für die Verwendung als Redoxmediator gebildet werden soll; dies kann durch die Verwendung schwach koordinativ bindender vielzähniger oder komplexbildender Heterocyclen als Liganden vermieden werden.
Wechselwirkungen mit Elektroden
Übergangsmetallkomplexe, die als Redoxmediatoren in Elektroden verwendet werden, können durch die Anwesenheit von Übergangsmetallen in der analysierten Probe, die z.B. Fe³⁺ oder Zn²⁺ enthält, beeinflusst werden. Die Zugabe eines Übergangsmetall-Kations, zu einem Puffer, der zum Testen einer Elektrode verwendet wird, resultiert in einer Verminderung des erzeugten Stromflusses. Das Ausmaß der Stromabnahme hängt von der Anwesenheit von Anionen im Puffer ab, die die Übergangsmetall-Kationen präzipitieren. Je geringer die verbleibende Konzentration an Übergangsmetall-Kationen in der Probenlösung, umso stabiler ist der Stromfluss. Anionen, die dabei helfen, Übergangsmetall-Kationen zu präzipitieren, beinhalten z.B. Phosphat. Es ist herausgefunden worden, dass eine Abnahme des Stroms bei der Zugabe von Übergangsmetall-Kationen am stärksten in Nicht-Phosphatpuffern ausgeprägt ist. Wenn eine Elektrode aus einem Puffer, der ein Übergangsmetall-Kation enthält, in einen Puffer überführt wird, der weitestgehend frei von Übergangsmetall-Kationen ist, so wird der ursprüngliche Stromfluss wiederhergestellt.
Man nimmt an, dass die Abnahme des Stroms durch zusätzliche, durch die Übergangsmetall-Kationen verursachte Quervernetzung einer Pyridin enthaltenden polymeren Hauptkette begründet ist. Die Übergangsmetall-Kationen können Stickstoffatome verschiedener Ketten und Kettensegmente des Polymers koordinieren. Eine koordinative Quervernetzung von Stickstoffatomen verschiedener Kettensegmente durch Übergangsmetall-Kationen kann den Diffusionskoeffizienten der Elektronen vermindern.
Serum und andere physiologische Flüssigkeiten enthalten Spuren von Übergangsmetallionen, die in die Filme von mit den Redoxpolymeren der vorliegenden Erfindung hergestellten Elektroden diffundieren können, was den Diffusionskoeffizienten der Elektronen und damit den bei hoher Konzentration an Analyt erreichten höchsten Stromwert vermindert. Hinzu kommt, dass Übergangsmetallionen wie Eisen und Kupfer an den Proteinanteil von Enzymen und an reaktive Zentren oder Kanäle von Enzymen binden können und damit deren Umsatzgeschwindigkeit reduzieren. Die resultierende Abnahme der Sensitivität kann durch die Verwendung von Anionen behoben werden, die die störenden Übergangsmetallionen komplexieren, z.B. in einem Puffer, der bei der Herstellung des Übergangsmetallkomplexes verwendet wird. Hierzu kann ein nicht-zyklisches Polyphosphat wie z.B. Pyrophosphat oder Triphosphat verwendet werden. Zum Beispiel können Puffer mit Natrium- oder Kaliumsalzen des nicht-zyklischen Polyphosphats verwendet werden, um diejenigen Anionen im Übergangsmetallkomplex, die keine Übergangsmetallionen präzipitieren, durch Phosphatanionen zu ersetzen. Die Verwendung linearer Phosphate kann die Abnahme der Sensitivität durch Ausbildung starker Komplexe mit den schädlichen Übergangsmetallionen mildern und somit sicherstellen, dass deren Aktivität niedrig sein wird. Andere Komplexbildner können ebenfalls verwendet werden, solange diese nicht bei dem Potential, auf das die Elektrode eingestellt ist, elektrooxidiert oder elektroreduziert werden.
Enzymschädigung und deren Abmilderung
Glukoseoxidase ist ein Flavoprotein-Enzym, das die Oxidation von D-Glukose mit Disauerstoff zu D-Glucono-1,5-lacton und Wasserstoffperoxid katalysiert. Reduzierte Übergangsmetall-Kationen wie z.B. Fe²⁺ und einige Übergangsmetallkomplexe können mit Wasserstoffperoxid reagieren. Diese Reaktionen erzeugen destruktiv wirkende OH-Radikale und die entsprechenden oxidierten Kationen. Diese neu gebildeten Übergangsmetall-Kationen können das Enzym hemmen und mit dem Metallkomplex reagieren. Außerdem kann das oxidierte Übergangsmetall-Kation durch die FADH₂-Zentren eines Enzyms oder durch den Übergangsmetallkomplex reduziert werden.
Die Inhibition des aktiven Zentrums eines Enzyms oder eines Übergangsmetallkomplexes durch ein Übergangsmetall-Kation kann ebenso wie schädigende Reaktionen mit OH-Radikalen gemildert und somit die Empfindlichkeit und Funktionalität der Elektroden gesteigert werden, indem – wie oben diskutiert -nicht-zyklische Polyphosphate beigegeben werden. Da der Komplex aus Polyphosphat/Metallkation typischer Weise ein hohes (oxidierendes) Redoxpotential aufweist, ist die Oxidationsgeschwindigkeit durch Wasserstoffperoxid im allgemeinen langsam. Alternativ kann ein Enzym wie z.B. Katalase verwendet werden, um Wasserstoffperoxid abzubauen.
BEISPIELE
Wenn nicht anders angegeben, waren alle chemischen Reagenzien bei der Aldrich Chemical Co. (Milwaukee, WI) oder anderen Quellen erhältlich. Zusätzliche Beispiele werden in der WO 01/36660 bzw. der EP 1 230 248 offenbart, die am hiermit übereinstimmenden Datum eingereicht wurden und mit „Polymeric Transition Metal Complexes and Uses Thereof" betitelt sind. Zum Zwecke der Veranschaulichung ist die Synthese verschiedener Übergangsmetallkomplex-Liganden im folgenden dargestellt:
Beispiel 1
Synthese von 4-(5-carboxypentyl)amino-2,2'-bipyridyl
Dieses Beispiel zeigt, wie eine reaktive Carboxygruppe in ein 2,2'-Bipyridylderivat eingeführt wird.
Synthese von Verbindung D:
Zu Verbindung C (gebildet aus A und B gemäß Wenkert, D.; Woodward, R.B. J. Org.chem. 48, 283 (1983)) (5 g), gelöst in 30 ml Essigsäure in einem 100 ml Rundbodenkolben, wurden 16 ml Acetylbromid hinzu gegeben. Man ließ das gelbe Gemisch für 1,5 h am Rückfluss sieden und dampfte es dann im Rotations verdampfer bis zur Trockenheit ein. Der resultierende, hellgelbe Feststoff von D war ohne weitere Aufreinigung hinreichend rein für den nächsten Schritt. Ausbeute: 95%.
Synthese von Verbindung E:
Zu einer Suspension der Verbindung D in 60 ml CHCl₃ wurden unter Rühren 12 ml PCl₃ bei Raumtemperatur hinzu gegeben. Man ließ das Gemisch für 2 h unter N₂ am Rückfluss sieden und dann auf Raumtemperatur abkühlen. Das Reaktionsgemisch wurde in 100 ml Eis/Wasser gegossen. Die wässrige Schicht wurde abgetrennt und aufgehoben. Die CHCl₃-Schicht wurde 3mal mit H₂O (3 × 60 ml) extrahiert und dann verworfen. Die kombinierte wässrige Lösung wurde mit NaHCO₃-Pulver auf etwa pH 7–8 neutralisiert. Das resultierende weiße Präzipitat wurde mittels Saugfiltration gesammelt, mit H₂O (30 ml) gewaschen und dann unter Vakuum bei 50°C für 24 h getrocknet. Ausbeute: 85%.
Synthese von Verbindung F:
Die Verbindung F wurde aus der Verbindung E (5 g) und 6-Aminocapronsäuremethylester (6 g) unter Verwendung des durch Palladium katalysierten Aminierungsverfahrens von Arylbromiden, beschrieben von Hartwig et al. (Hartwig, J.F., et al. J. Org. Chem. 64, 5575 (1999)), synthetisiert. Ausbeute: 90%.
Synthese von Verbindung G:
Die Verbindung F (3 g), gelöst in 20 ml MeOH, wurde zu einer Lösung von NaOH (0,6 g) in 30 ml H₂O hinzu gegeben. Die resultierende Lösung wurde bei Raumtemperatur für 24 h gerührt und dann mit verdünnter HCl auf pH 7 neutralisiert. Die Lösung wurde mit NaCl gesättigt und dann mit CHCl₃ extrahiert. Der CHCl₃-Extrakt wurde bis zur Trockenheit eingedampft und dann unter Elution mittels 10% H₂O/CH₃CN über eine Kieselgelsäule gereinigt. Ausbeute: 70%.
Beispiel 2 Synthese von 4-((6-Aminohexyl)amino)-2,2'-bipyridin:
Dieses Beispiel veranschaulicht die allgemeine Synthese eines 2,2'-Bipyridyls mit einer reaktiven Amingruppe.
Synthese von Verbindung H:
Ein Gemisch von Verbindung E (2,5 g) und 1,6-Diaminohexan (15 g) in einem 250 ml Rundbodenkolben wurde unter N₂ in einem Ölbad für 4–5 h auf 140°C erhitzt. Überschüssiges 1,6-Diaminohexan wurde mittels Hochvakuumdestillation bei 90-120°C entfernt. Das Produkt wurde über eine Kieselgelsäule gereinigt und dabei mit 5% NH₄OH in Isopropylalkohol eluiert. Ausbeute: 70%.
Beispiel 3
Synthese von 1,1'-Dimethyl-2,2'-biimidazol
Dieses Beispiel veranschaulicht die Synthese von 2,2'-Biimidazolderivaten.
Der Alkylierungsschritt kann schrittweise durchgeführt werden, so dass zwei verschiedene Alkylgruppen eingeführt werden können. Zum Beispiel:
Synthese von Verbindung K:
Zu einer Lösung von Verbindung J (gebildet aus I gemäß Fieselmann, B.F., et al. Inorg. Chem. 17, 2078 (1978)) (4,6 g, 34,3 mmol) in 100 ml „trockenem" DMF in einem 250 ml Rundbodenkolben, der in einem Eis/Wasser-Bad gekühlt wurde, wurde unter Rühren portionsweise NaH (60% in Mineralöl, 2,7 g, 68,6 mmol) hinzu gegeben. Nachdem die Lösung bei 0°C für eine weitere Stunde unter N₂ gerührt worden war, wurde Methyltoluolsulfonat (10,3 ml, 68,6 mmol) über 30 min und unter Verwendung einer Spritze in kleinen Portionen zugegeben. Das Rühren der Lösung wurde für 1 h in dem Eis/Wasser-Bad und dann für 3 h bei Raumtemperatur fortgesetzt. Das Lösungsmittel wurde dann durch Vakuumdestillation entfernt. Der dunkle Rückstand wurde dann mit Ether verrieben, einer Saugfiltration unterzogen und unter Vakuum getrocknet. Das Produkt wurde mittels Sublimation gereinigt. Ausbeute: 80%.
Synthese von Verbindung L:
Die Verbindung L wurde unter Verwendung des Verfahrens hergestellt, das für die Synthese von Verbindung K beschrieben wurde, mit dem Unterschied, dass jeweils nur ein Äquivalent von Verbindung J, sowie von NaH und Methyltoluolsulfonat verwendet wurden. Das Produkt wurde durch Sublimation gereinigt.
Synthese von Verbindung M:
Zu einer Lösung der Verbindung L (1 g, 6,8 mmol) in 20 ml trockenem DMF in einem 50 ml-Rundbodenkolben, der in einem Eis/Wasser-Bad gekühlt wird, wird unter Rühren portionsweise NaH (60% in Mineralöl, 0,27 g, 6,8 mmol) hinzu gegeben. Nach dem die Lösung bei 0°C für eine weitere Stunde unter N₂ gerührt worden war, wird Ethylbromacetat (0,75 ml, 6,8 mmol) über 15 min mittels einer Spritze in kleinen Portionen zugegeben. Das Rühren der Lösung wird für 1 h im Eis/Wasser-Bad und dann für 3 h bei Raumtemperatur fortgesetzt. Das Lösungsmittel wird durch Vakuumdestillation entfernt. Das Produkt wird unter Verwendung von 10% MeOH/CHCl₃ als Elutionsmittel über eine Kieselgelsäule gereinigt.
Synthese von Verbindung N:
Die Verbindung M (1 g) wird unter Verwendung des für die Synthese der Verbindung G beschriebenen Verfahrens hydrolysiert. Das Produkt wird über eine Kieselgelsäule gereinigt, wobei 10% H₂O/CH₃CN als Elutionsmittel verwendet wird.
Beispiel 4
Synthese von 2-(2-Pyridyl)imidazol heterozweizähnigen Liganden
Dieses Beispiel veranschaulicht eine allgemeine Synthese von heterozweizähnigen Liganden, die einen Imidazolring aufweisen.
Synthese von Verbindung O:
Eine Lösung von 6-Methylpyridin-2-carboxaldehyd (26 g, 0,21 mol) und Glyoxal (40%, 30 ml) in 50 ml EtOH in einem 250 ml großen Dreihals-Rundbodenkolben, der mit einem Thermometer und einem Zugabetrichter versehen war, wurde in einem NaCl/Eis-Bad gerührt. Als die Lösung auf unter 5°C abgekühlt war, wurde über den Zugabetrichter tropfenweise konzentrierte NH₄OH zugegeben. Die Geschwindigkeit der Zugabe wurde kontrolliert, so dass die Temperatur der Lösung auf unter 5°C gehalten wurde. Nach der Zugabe wurde das Rühren der gelben Lösung für 1 h in dem Eisbad und dann über Nacht bei Raumtemperatur fortgesetzt. Die hellgelben Kristalle wurden durch Saugfiltration gesammelt und mit H₂O (20 ml) gewaschen. Die Kristalle wurden in H₂O (200 ml) resuspendiert und kurz aufgekocht, gefolgt von Saugfiltration, um das Produkt zu gewinnen, das dann unter Hochvakuum getrocknet wurde. Ausbeute: 35%.
Synthese von Verbindung P:
Natrium-t-Butoxid (2 g, 20,8 mmol) wurde in einer Portion unter Rühren zu einer Lösung der Verbindung O (3 g, 18,9 mmol) in 50 ml trockenem DMF gegeben. Nachdem das gesamte Natrium-t-Butoxid gelöst war, wurde Iodmethan (1,3 ml) tropfenweise unter Verwendung einer Spritze hinzu gegeben. Das Rühren der Lösung wurde bei Raumtemperatur für 2 h fortgesetzt und die Lösung dann in H₂O (150 ml) gegossen. Das Produkt wurde mit EtOAc extrahiert und der Extrakt mit wasserfreiem Na₂SO₄ getrocknet und dann eingedampft, um die Verbindung P als Rohsubstanz zu erhalten. Das Produkt wurde durch Auftrennung auf einer Kieselgelsäule gereinigt, wobei 10% Me-OH/CHCl₃ als Elutionsmittel verwendet wurde. Ausbeute: 70%.
Beispiel 5
Synthese von Übergangsmetallkomplexen mit mehrfachen identischen Liganden
Übergangsmetallkomplexe, die mehrfache identische zweizähnige oder dreizähnige Liganden enthalten, können in einem Schritt aus einem Metallhalogenidsalz und dem Liganden synthetisiert werden. Dieses Beispiel verdeutlicht die Synthese eines Osmiumkomplexes mit drei identischen, zweizähnigen 2,2'-Biimidazol-Liganden.
Synthese der Verbindung Q:
Ammoniumhexachlorosmat (200 mg, 0,46 mmol) und die Verbindung K (221 mg, 1,37 mmol) wurden in 15 ml Ethylenglykol in einem 100 ml großen Dreihals-Rundbodenkolben, der mit einem Rückflusskühler verbunden war, gemischt. Die Mischung wurde für 15 min mit N₂ entgast und dann unter N₂ für 24 h bei 200-210°C gerührt. Das Lösungsmittel wurde durch Hochvakuumdestillation bei 90–100°C entfernt. Das grün gefärbte Rohprodukt wurde in 15 ml H₂O gelöst und an der Luft durchgerührt, um vollständig in den dunkelblau gefärbten, oxidierten Os(III)-Oxidationszustand überführt zu werden (etwa 24 h). Das Produkt wurde auf einer LH-20 Reversphasensäule unter Verwendung von H₂O als Elutionsmittel gereinigt. Ausbeute: 50%.
Beispiel 6
Synthese von Übergangsmetallkomplexen mit gemischten Liganden
Übergangsmetallkomplexe, die verschiedene Arten von Liganden enthalten, können schrittweise synthetisiert werden. Zuerst wird ein Übergangsmetallkomplex-Zwischenprodukt synthetisiert, das eine gewünschte Liganden-Art und Halogenid-Ligand(en) wie z.B. Chlorid enthält. Dann wird das Zwischenprodukt einer Reaktion des Ligandenaustausches unterzogen, um den/die Halogenid-Ligand(en) durch eine andere, gewünschte Liganden-Art zu ersetzen. Die Präparation des folgenden Osmium-Komplexes verdeutlicht das allgemeine Synthese-Schema.
Synthese von Verbindung U:
Kaliumhexachlorosmat (1g, 2,08 mmol), die Verbindung K (0,67 g, 4,16 mmol) und LiCl (1 g, 23,8 mmol) wurden in 40 ml Ethylenglykol in einem 250 ml großen Dreihals-Rundbodenkolben, der mit einem Rückflusskühler verbunden war, suspendiert. Die Suspension wurde mit N₂ für 15 min entgast und dann unter N₂ bei 170°C in einem Ölbad für 7–8 Stunden gerührt, was in einer dunkelbraunen Lösung resultierte. Das Lösungsmittel wurde mittels Hochvakuumdestillation bei 90–100°C Badtemperatur entfernt. Der gummiartige Feststoff wurde 2mal mit Aceton (2 × 50 ml) und dann 1mal mit H₂O (50 ml) verrieben. Das Produkt wurde bei 50°C unter Hochvakuum für 24 h getrocknet.
Synthese von Verbindung W:
Eine Suspension der Verbindung U (119 mg, 0,192 mmol) und 4-(4-Carboxypiperidino)amino-2,2'-bipyridyl (hergestellt aus der Verbindung E und Ethylisonipecotat unter Verwendung der Syntheseverfahren für die Verbindungen F und G) wurde in 10 ml Ethylenglykol in einem 100 ml großen Dreihals-Rundbodenkolben, der mit einem Rückflusskühler versehen war, hergestellt. Die Suspension wurde für 15 min mit N₂ entgast und dann unter N₂ bei 130°C in einem Ölbad für 24 h gerührt. Die dunkelbraune Lösung wurde auf Raumtemperatur abgekühlt und dann in EtOAc (50 ml) gegossen. Das Präzipitat wurde durch Saugfiltration gesammelt. Der derart erhaltene dunkelbraune Feststoff war Verbindung W mit Osmium in einem Oxidationszustand von 2+. Zur Erleichterung der Reinigung wurde der Osmium 2+ Komplex zu einem Osmium 3+ Komplex oxidiert, indem der dunkelbraune Feststoff in 20 ml H₂O gelöst und die Lösung offen an der Luft für 24 h gerührt wurde. Die resultierende, dunkelgrüne Lösung wurde unter Rühren in eine Lösung von NH₄PF₆ (1 g) in 20 ml H₂O gegossen. Das resultierende, dunkelgrüne Präzipitat von [Os(1,1'-dimethyl-2,2'-biimidazol)₂(4-(4-carboxypiperidino)amino-2,2'-bipyridyl)]³⁺3PF₆ ^– wurde durch Saugfiltration erhalten, mit 5 ml H₂O gewaschen und dann bei 40°C unter Hochvakuum für 48 h getrocknet. Das Gegenanion PF₆ ^– von [Os(1,1'-dimethyl-2,2'-biimidazol)₂(4-(4- carboxypiperidino)amino-2,2'-bipyridyl)]³⁺3PF₆ ^– wurde gegen das besser wasserlösliche Chloridanion ausgetauscht. Eine Suspension aus dem PF₆ ^– -Salz von Verbindung W (150 mg) und aus Cl^– Harz (10 ml) in H₂O (20 ml) wurde für 24 h gerührt, wobei am Ende dieser Zeitspanne der gesamte Osmiumkomplex gelöst war. Die dunkelgrüne Lösung wurde durch Saugfiltration abgetrennt und dann gefriergetrocknet, um die Verbindung W zu erhalten.

Claims

Übergangsmetallkomplex mit der Formel:
worin M Cobalt, Eisen, Ruthenium, Osmium oder Vanadium ist; L ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus:
R₁, R₂ und R'₁ unabhängig voneinander substituierte oder unsubstituierte Alkyl-, Alkenyl- oder Arylgruppen sind; R₃, R₄, R₅, R₆, R'₃, R'₄, R_a, R_b, R_c und R_d unabhängig voneinander -H, -F, -Cl, -Br, -I, -NO₂, -CN, -CO₂H, -SO₃H, -NHNH₂, -SH, -OH, -NH₂ oder substituiertes oder unsubstituiertes Alkoxycarbonyl, Alkylaminocarbonyl, Dialkylaminocarbonyl, Alkoxy, Alkylamino, Dialkylamino, Alkanoylamino, Arylcarboxamido, Hydrazino, Alkylhydrazino, Hydroxylamino, Alkoxylamino, Alkylthio, Alkenyl, Aryl oder Alkyl sind; c eine ganze Zahl ist, die ausgewählt ist aus –1 bis –5 oder +1 bis +5 und eine positive oder negative Ladung bezeichnet; X wenigstens ein Gegenion bezeichnet; d eine ganze Zahl von 1 bis 5 ist, die die Zahl der Gegenionen X bezeichnet; und L₁, L₂, L₃ und L₄ Liganden sind.
Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 1, wobei sowohl R₁, R'₁ und R₂ unsubstituiertes C₁ bis C₁₂ Alkyl sind.
Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 1, wobei R₃, R₄, R₅ und R₆ -H sind.
Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 1, wobei L₁ ein einzahniger Ligand ist.
Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 1, wobei L₁ eine heterocyclische Verbindung umfaßt, die wenigstens ein Stickstoffatom enthält.
Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 1, wobei einer oder mehrere von L, L₁, L₂, L₃ und L₄ eine heterocyclische Verbindung umfassen, die an eine polymere Hauptkette gekuppelt ist.
Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 6, wobei L₁ und L₂ in Kombination einen zweizähnigen Liganden bilden.
Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 1, wobei L₁ und L₂ in Kombination einen zweizähnigen Liganden bilden.
Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 8, wobei der zweizähnige Ligand ein 2,2'-Bipyridin der folgenden Formel umfaßt
worin R₁₆, R₁₇, R₁₈, R₁₉, R₂₀, R₂₁, R₂₂ und R₂₃ unabhängig voneinander -H, -F, Cl, -Br, -I, -NO₂, -CN, -CO₂H, -SO₃H, -NHNH₂, -SH, -OH, -NH₂ oder substituiertes oder unsubstituiertes Alkoxycarbonyl, Alkylaminocarbonyl, Dialkylaminocarbonyl, Alkoxy, Alkylamino, Dialkylamino, Alkanoylamino, Arylcarboxamido, Hydrazino, Alkylhydrazino, Hydroxylamino, Alkoxylamino, Alkylthio, Alkenyl, Aryl oder Alkyl sind.
Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 1, wobei L₁ und L₂ in Kombination einen ersten zweizähnigen Liganden bilden und L₃ und L₄ in Kombination einen zweiten zweizähnigen Liganden bilden.
Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 10, wobei wenigstens einer von den ersten und zweiten zweizähnigen Liganden aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus substituierten und unsubstituierten 2,2'-Bipyridinen, 2,2'-Biimidazolen und 2-(2-Pyridyl)imidazolen.
Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 1, worin M Osmium ist und der Übergangsmetallkomplex die folgende Formel aufweist:
worin R₃, R₄, R₅, R₆, R₁₆, R₁₇, R₁₉, R₂₀, R₂₂ und R₂₃ -H sind; R₁ und R₂ unabhängig voneinander substituierte oder unsubstituierte C₁ bis C₁₂-Alkyle sind; und R₁₈ und R₂₁ unabhängig voneinander -H oder substituiertes oder unsubstituiertes C₁ bis C₁₂ Alkoxy, C1 bis C₁₂ Alkylthio, C₁ bis C₁₂-Alkylamino, C₂ bis C₂₄-Dialkylamino oder C₁ bis C₁₂ Alkyl sind.
Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 12, wobei wenigstens einer von R₁, R₂, R₁₈ und R₂₁ eine reaktive Gruppe aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Carboxy, Aktivester, einschließlich Estern von Succinimidyl, Benzotriazolyl oder mit elektronenanziehenden Gruppen wie Sulfo-, Nitro-, Cyano- oder Halogen-Gruppen substituiertem Aryl oder Carbonsäuren, die mit Carbodiimiden aktiviert sind, Sulfonylhalogenid, Sulfonatester, Isocyanat, Isothiocyanat, Epoxid, Aziridin, Halogenid, Aldehyd, Keton, Amin, Acrylamid, Thiol, Acylazid, Acylhalogenid, Hydrazin, Hydroxylamin, Alkylhalogenid, Imidazol, Pyridin, Phenol, Alkylsulfonat, Halogentriazin, Imidoester, Maleimid, Hydrazid, Hydroxy und photoreaktiven Azidarylgruppen.
Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 12, wobei wenigstens einer von R₁, R₂, R₁₈ und R₂₁ an eine polymere Hauptkette gekuppelt ist.
Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 1, wobei M Osmium ist und der Übergangsmetallkomplex die folgende Formel aufweist:
worin R₃, R₄, R₅, R₆, R'₃, R'₄, R_a, und R_c -H sind; R_d -H oder Methyl ist; R_b -H oder substituiertes oder unsubstituiertes C₁ bis C₁₂-Alkoxy, C₁ bis C₁₂ Alkylthio, C₁ bis C₁₂-Alkylamino, C₂ bis C₂₄-Dialkylamino oder C₁ bis C₁₂ Alkyl ist; und R₁, R'₁ und R₂ unabhängig voneinander substituiertes oder unsubstituiertes C₁ bis C₁₂ Alkyl sind.
Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 15, wobei wenigstens einer von R₁, R₂ und R'₁ eine reaktive Gruppe aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Carboxy, Aktivester, einschließlich Estern von Succinimidyl, Benzotriazolyl oder mit elektronenanziehenden Gruppen wie Sulfo-, Nitro-, Cyano- oder Halogen-Gruppen substituiertem Aryl oder Carbonsäuren, die mit Carbodiimiden aktiviert sind, Sulfonylhalogenid, Sulfonatester, Isocyanat, Isothiocyanat, Epoxid, Aziridin, Halogenid, Aldehyd, Keton, Amin, Acrylamid, Thiol, Acylazid, Acylhalogenid, Hydrazin, Hydroxylamin, Alkylhalogenid, Imidazol, Pyridin, Phenol, Alkylsulfonat, Halogentriazin, Imidoester, Maleimid, Hydrazid, Hydroxy und photoreaktiven Azidarylgruppen.
Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 15, wobei wenigstens einer von R₁, R₂ und R'₁ an eine polymere Hauptkette gekuppelt ist.
Verwendung eines Übergangsmetallkomplexes mit der Formel:
worin M Eisen, Cobalt, Ruthenium, Osmium oder Vanadium ist; L ein zweizähniger Ligand ist, der wenigstens einen Imidazolring aufweist; c eine ganze Zahl ist, die aus –1 bis –5 oder +1 bis +5 ausgewählt ist und eine positive oder negative Ladung bezeichnet; X wenigstens ein Gegenion bezeichnet; d eine ganze Zahl von 1 bis 5 ist, die die Zahl der Gegenionen X bezeichnet; und L₁, L₂, L₃ und L₄ Liganden sind, als Redoxmediator.
Verwendung nach Anspruch 18, wobei L aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus:
worin R₁, R₂ und R'₁ unabhängig voneinander -H oder substituiertes oder unsubstituiertes Alkyl, Alkenyl oder Aryl sind; und R₃, R₄, R₅, R₆ R'₃, R'₄, R_a, R_b, R_c und R_d unabhängig voneinander -H, -F, -Cl, -Br, -I, -NO₂, -CN, -CO₂H, -SO₃H, -NHNH₂, -SH, -OH, -NH₂ oder substituiertes oder unsubstituiertes Alkoxycarbonyl, Alkylaminocarbonyl, Dialkylaminocarbonyl, Alkoxy, Alkylamino, Dialkylamino, Alkanoylamino, Arylcarboxamido, Hydrazino, Alkylhydrazino, Hydroxylamino, Alkoxylamino, Alkylthio, Alkenyl, Aryl oder Alkyl sind.
Verwendung nach Anspruch 18, wobei L₁ eine heterocyclische Verbindung umfaßt, die wenigstens ein Stickstoffatom enthält.
Verwendung nach Anspruch 18, wobei einer oder mehrere von L, L₁, L₂, L₃ und L₄ eine heterocyclische Verbindung umfaßt, die an eine polymere Hauptkette gekuppelt ist.
Verwendung nach Anspruch 18, wobei wenigstens einer von L, L₁, L₂, L₃ und L₄ an eine polymere Hauptkette gekuppelt ist.
Polymer, das umfaßt: eine polymere Hauptkette; und einen Übergangsmetallkomplex mit der folgenden Formel:
worin M Eisen, Cobalt, Ruthenium, Osmium oder Vanadium ist; L ein zweizähniger Ligand ist, der wenigstens einen Imidazolring aufweist; c eine ganze Zahl ist, die aus –1 bis –5 oder +1 bis +5 ausgewählt ist und eine positive oder negative Ladung bezeichnet; X wenigstens ein Gegenion bezeichnet; d eine ganze Zahl von 1 bis 5 ist, die die Zahl der Gegenionen X bezeichnet; und L₁, L₂, L₃ und L₄ Liganden sind, wobei wenigstens einer von L, L₁, L₂, L₃ und L₄ an die polymere Hauptkette gekuppelt ist.
Polymer nach Anspruch 23, wobei die polymere Hauptkette aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Styrol/-Maleinsäureanhydrid-Copolymer, Methylvinylether/Maleinsäureanhydrid-Copolymer, Poly(4-vinylbenzylchlorid)-Copolymer, Poly(allylamin)-Copolymer, Poly(4-vinylpyridin)-Copolymer, Poly(4-vinylpyridin), Poly(N-vinylimidazol) und Poly(4-styrolsulfonat).
Sensor, der aufweist: eine Arbeitselektrode, eine Gegenelektrode; und einen in der Nähe der Arbeitselektrode angeordneten Redoxmediator, wobei der Redoxmediator die Formel aufweist:
worin M Eisen, Cobalt, Ruthenium, Osmium oder Vanadium ist; L ein zweizähniger Ligand ist, der wenigstens einen Imidazolring aufweist; c eine ganze Zahl ist, die aus –1 bis –5 oder +1 bis +5 ausgewählt ist und eine positive oder negative Ladung bezeichnet; X wenigstens ein Gegenion bezeichnet; d eine ganze Zahl von 1 bis 5 ist, die die Zahl der Gegenionen X bezeichnet; und L₁, L₂, L₃ und L₄ Liganden sind.
Sensor nach Anspruch 25, der außerdem ein Enzym aufweist, das in der Nähe der Arbeitselektrode angeordnet ist.
Sensor nach Anspruch 25, wobei wenigstens einer von L, L₁, L₂, L₃ und L₄ an eine polymere Hauptkette gekuppelt ist.
Sensor nach Anspruch 25, wobei der Redoxmediator nicht auslaugbar auf der Arbeitselektrode angeordnet ist.