Orthoamide und Iminiumsalze, XCI. N,N′,N″-Peralkylierte Guanidiniumsalze – Ionische Flüssigkeiten als Hilfsmittel in der Elektronenmikroskopie

1 Einleitung

In der vorangegangenen Mitteilung haben wir über Veresterungsreaktionen mit reaktiven ionischen Flüssigkeiten (RIBIL’s) berichtet [1]. Ionische Flüssigkeiten (IL’s), d. h. Salze, deren Schmelzpunkte unter 100°C liegen [2], waren ursprünglich als neuartige Lösungsmittel für chemische Synthesen und Prozesse konzipiert. Mittlerweile spielen sie aber auch in der angewandten Chemie und chemischen Technologie eine wichtige Rolle [3]. In speziellen Bereichen, z. B. bei der Synthese von Feinchemikalien [4] und in den Materialwissenschaften [5, 6], aber auch außerhalb der „Chemie“ finden ionische Flüssigkeiten Anwendungen als „Prozessflüssigkeiten“ (engineering fluids) [3, 7] wie z. B. als Schmiermittel [7] oder als Bestandteile von Wärmepumpen [8], Solarzellen [9] u. a.

Infolge ihrer Salznatur haben IL’s einen verschwindend geringen Dampfdruck [10, 11]. Es wurde deshalb vorgeschlagen, bei allen Produktions- und Untersuchungsmethoden, die ursprünglich als Ultrahochvakuumtechniken für Feststoffe konzipiert wurden, ionische Flüssigkeiten einzusetzen [12, 13]. Die bei Oberflächenstudien mit ionischen Flüssigkeiten gewonnenen Erkenntnisse waren bereits mehrfach Gegenstand von Übersichtsartikeln [14–16].

Die Rasterelektronenmikroskopie (REM, im englischen Sprachraum SEM für Scanning Electron Microscopy) ist als Hilfsmittel in den Materialwissenschaften, der Biologie und der Medizin nicht mehr wegzudenken.

Mit Elektronenmikroskopen lassen sich wesentlich höhere Auflösungen erzielen (ca. 0.1 nm) als mit Lichtmikroskopen (ca. 200 nm), weil die Wellenlänge schneller Elektronen wesentlich kleiner ist als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts.

Bei den am häufigsten verwendeten Rasterelektronenmikroskopen wird die Abbildung mit Elektronen erzeugt, die zurückgestreut werden, wenn eine Probenfläche – im Allgemeinen im Hochvakuum – durch einen energiereichen Elektronenstrahl „abgetastet“ wird. Der von den Elektronen (Sekundärelektronen und Rückstreuelektronen) erzeugte „Strom“ bestimmt den Intensitätswert (Leitfähigkeit) des Bildpunkts, der dem gerade vom Elektronenstrahl getroffenen Ort zugeordnet wird.

Schwere Elemente reflektieren Elektronen stärker als leichte, d. h. die Helligkeit eines Bildbereichs hängt von der Ordnungszahl der Elemente ab, die sich an dem betreffenden Ort (Punkt) befinden [17]. Dieser sog. Z-Kontrast erlaubt Rückschlüsse auf die Elementverteilung in einer Probe.

Mit der Standard REM-Methode können nur Proben untersucht werden, die selbst elektrisch leitfähig sind oder mit einer leitfähigen Schicht überzogen wurden. Nichtleitende Proben werden zumeist mit Metallen (vorzugsweise Gold oder Platin) bedampft. Diese aufwändige Probenvorbereitung kann die Struktur der Oberfläche verändern und so zu Artefakten führen, auch ist sie zur Untersuchung von Proben biologischen oder medizinischen Ursprungs nur wenig geeignet.

In der Literatur finden sich Hinweise, dass sich nichtleitende Proben mittels REM untersuchen lassen, wenn sie zuvor mit Antistatika behandelt wurden [18].

Vor einigen Jahren konnte gezeigt werden, dass sich ionische Flüssigkeiten (1-Butyl-3-methylimidazolium- hexafluoridophosphat, -tetrafluoridoborat und -bis (trifluormethylsulfonyl)imid sowie Trimethyl-propylammonium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid und 1-Ethyl- 3-methyl-imidazolium-tetrafluoridoborat bzw. -bis (trifluormethylsulfonyl)imid im Elektronenmikroskop betrachten lassen (SEM), ohne dass sie sich aufladen, weil sie elektrisch leitfähig sind. Poröse Oberflächen lassen sich mit gering viskosen ionischen Flüssigkeiten beschichten. Infolge der elektrischen Leitfähigkeit der IL können so nichtleitende Proben elektronenmikroskopisch (SEM) untersucht werden, wie anhand der Bilder von Schalen von Foraminiferen (star sands) gezeigt wurde [19]. Später wurden die Bilder goldbedampfter Watte verglichen mit den Bildern von Watte, die mit 1-Butyl-3-methyl-imidazolium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid beschichtet wurde. Zur Beschichtung wurde die Probe in eine ethanolische Lösung getaucht und nachfolgend getrocknet [20].

Auch Bilder der Blätter von Tangen konnten erhalten werden, die zuvor mit ionischen Flüssigkeiten beschichtet und getrocknet wurden [21].

Mit Hilfe von 1-Ethyl-3-methylimidazolium-tetrafluoridoborat konnten sogar Bilder von Epithelzellen erstellt werden. Der Kontrast solcher Bilder wird gesteigert, wenn den Proben kolloidales Gold, das mit Antikörpern verbunden ist, zugesetzt wird [22].

Erste wichtige Anwendungen hat die Kombination von Elektronenmikroskopie (SEM) mit IL (1-Ethyl-3-methylimidazolium-tetrafluoridoborat) in der Krebsforschung gefunden. Mit der Methode konnten die Zellveränderungen im Zusammenhang mit der Bildung von Metastasen beobachtet werden [23].

Die Methode dürfte deshalb in kurzer Zeit Eingang in die klinische Diagnostik finden, weil auch extrem dünne, zellverbindende, fadenartige Strukturen oder Ausstülpungen sichtbar werden, die bei konventioneller Probenvorbereitung in manchen Fällen zerstört werden können.

Vergleichend wurde die Effizienz von hydrophoben und hydrophilen Imidazoliumsalz-, Ammoniumsalz- und Pyrrolidiniumsalz-basierten IL’s bei der elektronenmikroskopischen Beobachtung menschlicher Zellen untersucht. Als hydrophile IL’s wurden dabei verwendet: 1-Butyl-3-methylimidazolium-tetrafluoridoborat, 1-Ethyl-3-methylimidazolium-tetrafluoridoborat, 1-Methoxymethyl-1- methylpyrrolidinium-tetrafluoridoborat. Als hydrophobe IL’s dienten 1-Butyl-3-methylimidazolium-bis (trifluormethylsulfonyl)imid, Tributyl-methylammonium- bis(trifluormethylsulfonyl)- imid, 1-Butyl-1-methylpyrrolidinium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid und 1-Methoxymethyl-1-methylpyrrolidinium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid. Auch hierbei wurde zur Kontraststeigerung kolloidales, mit biologischem Material verbundenes Gold zugesetzt [24].

2 Ergebnisse und Diskussion

Unsere Arbeitsgruppe wurde im Zusammenhang mit dem von der HTW Aalen koordinierten BMBF-Verbundprojekt „Ein neues Verfahren zur Gewinnung von Lignin, Cellulose und Hemicellulose aus biogenem Material mit Hilfe neuartiger ionischer Flüssigkeiten“ mit der Frage konfrontiert, ob sich das Ausmaß der Ligninextraktion aus Holzproben elektronenmikroskopisch verfolgen und abschätzen lässt. Da wir uns schon seit geraumer Zeit im Zusammenhang mit der Entwicklung neuartiger Elektrolyte für photoelektrochemische Solarzellen (Grätzel-Zellen) mit der Synthese spezieller Guanidiniumsalz-basierter ionischer Flüssigkeiten mit hoher elektrischer Leitfähigkeit beschäftigen [25, 26], haben wir geprüft, ob sich Guanidiniumsalz-basierte IL’s zur Erzeugung leitfähiger Schichten auf Cellulose (chlorfrei gebleichte Papiertaschentücher) eignen. Die Beschichtung der Cellulose gelingt einfach und schnell, indem man sie in eine verdünnte Lösung der ionischen Flüssigkeiten in einem leichtflüchtigen org. Lösungsmittel taucht. Nach dem Abtropfen wird das Lösungsmittel durch Föhnen entfernt. Die so mit den Salzen 1a–c (Tabelle 1) beschichteten Cellulosefasern lieferten bei der Rasterelektronenmikroskopie wenig helle, ziemlich kontrastarme, aber aufgelöste Bilder (Abb. 1–3). Wie bereits erwähnt, hängt der Bildkontrast von den Ordnungszahlen bzw. den molaren Massen der Elemente ab, die sich auf der Probenoberfläche befinden. Während bei unseren REM-Messungen bisher nur IL’s verwendet wurden, die Elemente mit einer Masse <37 g mol^–1 enthielten, konnten wir nun zeigen, dass Cellulosefasern, die mit dem Guanidinium-bromid 1d (Tabelle 1; molare Masse Br: 79 bzw. 81 g mol^–1; beschichtet sind, noch kontrastreichere Bilder liefern (Abb. 4).

Tabelle 1:

N,N′,N″-penta- bzw. hexasubstituierte Guanidiniumsalze.

1	a	b	c	d	e	f
R1	C4H9	C4H9	CH2=CH–CH2	CH3	C4H9	C2H5
R2	C6H13	C8H17	C10H21	(CH3)2CH	C6H13	C2H5
R3	H	C4H9	H	C2H5	CH3	C2H5
X	B(C6H5)4	BF4	Cl	Br	I	I
Aggregatzustand bei Raumtemp.	flüssig	flüssig	flüssig	flüssig	flüssig	fest, Schmp. 275°C

Abb. 1:

Zellulosefasern behandelt mit N-Hexyl-N′,N′-dibutyl-N″,N″-diethylguanidinium-tetraphenylborat (1a), c = 0.50 mol L^–1 in CH₂Cl₂ (Vergrößerung 10 000-fach).

Abb. 2:

Zellulosefasern behandelt mit N,N,N′-Tributyl-N″,N″-diethyl-N′-octylguanidinium-tetrafluoridoborat (1b), c = 0.50 mol L^–1 in CH₂Cl₂ (Vergrößerung 10 000-fach).

Abb. 3:

Zellulosefasern behandelt mit N-Decyl-N′,N′-diallyl-N″,N″-diethylguanidinium-chlorid (1c), c = 0.50 mol L^–1 in CH₂Cl₂ (Vergrößerung 10 000-fach).

Abb. 4:

Zellulosefasern behandelt mit 1d, c = 0.50 mol L^–1 in CH₂Cl₂ (Vergrößerung 10 000-fach).

Mit dem Salz 1d wurde anhand einer Verdünnungsreihe in Methylenchlorid untersucht, welchen Einfluss die Konzentration der ionischen Flüssigkeit in der „Tauchlösung“ auf die Beschichtung und damit auf die Qualität der REM-Aufnahmen hat. Die Konzentrationen der Tauchlösungen betrugen c = 1.5 mol L^–1, 0.75 mol L^–1, 0.50 mol L^–1, 0.38 mol L^–1, 0.25 mol L^–1 und 0.2 mol L^–1. Ab einer Konzentration der IL 1d <0.50 mol L^–1 erhält man zunehmend kontrastreiche Bilder (Abb. 5–9 im Anhang), bei denen jedoch die Struktur der Faseroberfläche nicht erkennbar ist, weil vermutlich die Schichtdicke der aufgebrachten ionischen Flüssigkeit zu hoch ist. Bei einer Konzentration der IL 1d von 0.2 mol L^–1 resultieren kontrastreiche Bilder mit hoher Tiefenschärfe, die feine Substrukturen auf den Fasersträngen erkennen lassen (Abb. 10).

Abb. 10:

Zellulosefasern behandelt mit 1d, c = 0.20 mol L^–1 in CH₂Cl₂ (Vergrößerung 5000-fach).

Allerdings ist die so ermittelte „optimale“ Anwendungskonzentration der IL 1d in der Tauchlösung nicht uneingeschränkt auf andere IL’s übertragbar. Der Konzentrationswert gewährleistet, soweit ersichtlich, bei Guanidiniumsalzen 1 eine Oberflächenleitfähigkeit, die REM-Aufnahmen von beschichteten Proben ermöglicht. Allerdings können die Helligkeit der Bilder und damit auch die Kontraste, die von der Menge der Elektronenemissionen abhängen, bei kleinen Konzentrationen der IL in den Tauchlösungen unbefriedigend sein, wenn in der Beschichtung nur Atome vorhanden sind, deren molare Masse deutlich unter der des Broms liegen. Um den Einfluss der molaren Masse der Atome in den Beschichtungen zu demonstrieren, wurden Cellulosefasern durch Tauchen in 0.5 molare Lösungen der Guanidiniumsalze 1e, f (Tabelle 1) in Methylenchlorid beschichtet und REM-Aufnahmen angefertigt (Abb. 11, 12).

Abb. 11:

Zellulosefasern behandelt mit N,N-Dibutyl-N′,N′-diethyl-N″-hexyl-N″-methylguanidinium-iodid (1e), c = 0.50 mol L^–1 in CH₂Cl₂ (Vergrößerung 10 000-fach).

Abb. 12:

Zellulosefasern behandelt mit N,N,N′,N′,N″,N″-Hexaethylguanidinium-iodid (1f), c = 0.50 mol L^–1 in CH₂Cl₂ (Vergrößerung 10 000-fach).

Vergleicht man die Kontraste in Abbildungen 1–4 und 11, 12, so ist ein deutlicher Anstieg parallel zur Zunahme der Masse der „schwersten“ Atome in den Salzen 1 zu erkennnen. So ist der Bildkontrast mit 1a (Abb. 1) unbefriedigend (schwerstes Atom: Stickstoff, m (N) 14 g/mol). Deutlich besser ist der Bildkontrast mit der IL 1b (Abb. 2; schwerstes Atom: Fluor, m (F) 19 g/mol). Eine sichtbare Kontrast- und Helligkeitsverbesserung tritt bei Beschichtung mit der IL 1c auf (Abb. 3; schwerstes Atom: Chlor, m (Cl) 35 bzw. 37 g mol^–1). Der Kontrast und die Bildhelligkeit steigen bei der Verwendung des Guanidinium-bromids 1d nochmals deutlich. Mit den Guanidinium-iodiden 1e, f (Abb. 11, 12) wurde auf den Cellulosefasern vermutlich nur eine sehr dünne Oberflächenbeschichtung erreicht – erkennbar an der relativ geringen Bildhelligkeit. Bemerkenswert ist aber die gute Tiefenschärfe der Abbildungen, die Ausstülpungen und die Oberflächentextur der Faser deutlicher erkennen lassen. Erstaunlich ist, dass auch eine Beschichtung mit dem festen Guanidiniumsalz 1f zu einer gut elektrisch leitenden Oberfläche führt – erkennbar an der Helligkeit und dem ausgeprägten Kontrast des Bildes (Abb. 12). Möglicherweise entsteht beim Verdampfen des Lösungsmittels aus 1f ein leitfähiger Film, der die Probenvorbereitung und Messung überdauert. Ob die Leitfähigkeit der Probe später infolge Erstarrens oder Kristallisation verlorengeht, wurde nicht untersucht. Noch kontrastreichere REM Bilder sollten sich herstellen lassen, wenn es gelänge, in die IL noch schwerere Atome als Iod, d. h. Elemente mit einer Masse >127 g mol^–1, einzubauen. Durch Verwendung von Guanidiniumsalzen, die komplexe Anionen besitzen, sollte dies am einfachsten zu erreichen sein. Einige N,N′,N″-peralkylierte Guanidiniumsalze mit komplexen metallhaltigen Anionen wie z. B. [PtCl₆]^2– [27, 28], [Fe(CN)₆]^4–, [Fe(CN)₆]^3–, [Ni(CN)₄]^2– [29], [FeCl₄]^– [30] sind teilweise schon längere Zeit bekannt.

Die Massen der darin enthaltenen Metalle liegen mit Ausnahme der des Platins allerdings alle unterhalb der des Iods. Für unsere Zwecke kamen anionische Metallkomplexe in Frage, die preiswerte Elemente wie Antimon (m = 121.8 g mol^–1) – dessen molare Masse noch knapp unterhalb der des Iods liegt –, Blei (m = 207.2 g mol^–1) oder Wismut (m = 209.0 g mol^–1) enthalten, von denen komplexe Metallhalogenid-Anionen bekannt sind. In orientierenden Versuchen haben wir N,N,N′,N′,N″,N″-Hexamethylguanidinium-chlorid 2a mit den Chloriden 3a–c zu den Guanidinium-chloridometallaten 2b–d umgesetzt. Die Umsetzung von Antimonpentachlorid und 2a lässt sich in Methylenchlorid einfach durchführen und liefert 2b [Schmp. 272°C (Zers.)] mit befriedigender Ausbeute (76%). Die Reaktion von 2a mit Bleidichchlorid (3b) gelingt in DMSO, jedoch ist die Ausbeute des Trichloridoplumbats(II) 2c (Schmp. 292°C) mit 10% nur sehr gering. Dagegen wird das Tetraiodidobismutat(III) 2d (Schmp. 195°C) mit guter Ausbeute in Acetonitril erhalten. Die Verbindung 2d kristallisiert bei Raumtemperatur als Acetonitril-Semisolvat aus. Das Acetonitril kann daraus durch Azeotropdestillation mit Cyclohexan entfernt werden, auch beim Erhitzen von 2a auf über 120°C wird das Acetonitril abgespalten. Die festen Verbindungen 2b–d weisen ziemlich hohe Schmelzpunkte auf und sind daher keine ionischen Flüssigkeiten. Die ionische Flüssigkeit 4b, wird bei der Umsetzung des Guanidiniumsalzes 4a mit BiCl₃ in Acetonitril in Form einer bei Raumtemperatur gelben, amorphen Masse mit 61% Ausbeute erhalten (Schema 1).

Schema 1:

Guanidinium-chloridometallate 2b–c, 4b aus Guanidinium-chloriden 2a, 4a und Metallchloriden 3.

Die am häufigsten verwendeten ionischen Flüssigkeiten enthalten 1,3-Dialkylimidazoliumionen. Wir haben deshalb untersucht, ob sich aus Butyl-methyl-imidazolium-chlorid 5a und den Metallchloriden 3a–c die entsprechenden Imidazolium-chloridometallate 5b–c herstellen lassen. Die Anionenmetathese gelingt mit vergleichbarer Ausbeute unter den Bedingungen, die auch die Umwandlungen 2a → 2b–d ermöglichten. Mit Schmelzpunkten von 107–108 bzw. 105°C liegen die Verbindungen 5b,c knapp außerhalb des Definitionsbereichs für ionische Flüssigkeiten, wogegen die Verbindung 5d mit einem Schmelzpunkt von 59°C als eine ionische Flüssigkeit anzusehen ist (Schema 2).

Schema 2:

Imidazolium-chloridometallate 5b–d aus 1-Butyl-3-methylimidazolium-chlorid 5a.

Wässrige “Kaliumwismutiodid”-Lösungen wurden bereits 1872 von Dragendorff benutzt, um basische, stickstoffhaltige organische Verbindungen auszufällen. Die Zusammensetzung der Niederschläge lässt sich im Allgemeinen mit der Summenformel [Zⁿ⁺]₃ [BiI₄^–]₂ (I^–)_n beschreiben [31]. Die Vollständigkeit der Fällung hängt vom Substitutionsgrad am Stickstoff ab; tri- und tetrasubstituierte Ammoniumionen scheiden sich praktisch quantitativ ab, primäre und sekundäre Ammoniumionen werden nicht oder nur unvollständig gefällt [32, 33].

Später wurde gezeigt [34], dass auch Sulfonium-, Phosphonium- und Arsoniumionen mit Tetraiodidobismutat-Ionen schwerlösliche Niederschläge bilden. Die Strukturen verschiedener Iodidobismutate sind schon längere Zeit bekannt [35]; sie hängen von der Größe und der Gestalt sowie der Ladungsdelokalisierung im Kation ab [36, 37]. Eindimensionale Stränge aus kantenverknüpften, geringfügig deformierten BiI₆-Oktaedern finden sich im Anion von [(2-Picolinium)_n] [(BiI₄)_n] [37, 38]. Flächenverknüpfte BI₆-Oktaeder treten in den Anionen [Bi₂I₉]^3– und [Bi₅I₁₈]^3– auf, die als Gegenionen zu unterschiedlichen organischen Kationen fungieren können [39–42].

Da sich mit Guandinium-tetraiodidobismutaten(III) möglicherweise noch schärfere Kontraste und größere Helligkeiten bei REM-Aufnahmen erzielen lassen, wurden die Guanidinium-iodide 6a–d mit Bismuttriiodid, das in situ dargestellt wurde, in die Guanidinium-tetraiodidobismutate(III) 6e–h mit Ausbeuten >95% überführt (Schema 3).

Schema 3:

Darstellung der Guanidinium-tetraiodidobismutate(III) 6e–h.

Die Salze 6e–g haben Schmelzpunkte unter 100°C (6e: 98–99°C, 6f: 80–81°C, 6g: 62–68°C) und sind somit ionische Flüssigkeiten. Im Gegensatz dazu besitzt das Salz 6h einen unerwartet hohen Schmelzpunkt von 264–265°C.

Bei Versuchen, aus dem Guanidinium-iodid 1f das entsprechende Tetraiodidobismutat(III) herzustellen, wurde das Guanidinium-dodekaiodidotribismutat(III) 7 erhalten und zwar unabhängig davon, ob das bei der Anionenmetathese benutzte Tetraiodidobismutat(III) aus Bismutoxid, Kaliumiodid und Schwefelsäure in Wasser oder aus Bismuttriiodid und Kaliumiodid in Wasser/Ethanol hergestellt worden war (Schema 4).

Schema 4:

Darstellung des Iodidobismutats(III) 7.

Die Anionenmetathese am Tris(pyrrolidino)carbenium-chlorid 8 mit in situ erzeugtem Kaliumbismutat in Wasser lieferte das bei 245–246°C schmelzende Guanidinium-nonaiodidodibismutat(III) 9 in 63% Ausbeute (Schema 5).

Schema 5:

Darstellung des Iodidobismutats(III) 9.

Die Strukturen der Verbindungen 7 und 9 wurden durch Kristallstrukturanalysen bestätigt. In den Anionen von 9 (Bi₂I₉^3–) bzw. 7 (Bi₃I₁₂^3–) sind zwei bzw. drei BiI₆-Oktaeder miteinander jeweils über zwei Seitenflächen verknüpft. Das Salz 7 ist ein N,N′,N″-peralkyliertes Analogon zum bereits beschriebenen Guanidinium-nonaiodidodibismutat(III) [43].

Die Guanidinium-bismutate 6, 7, 9 sind hydrolyseempfindlich, was bei der Herstellung von Lösungen der Salze in organischen Lösungsmitteln zu beachten ist. Beim Auflösen der Salze in handelsüblichen wasserhaltigen Lösungsmitteln trüben sich die Lösungen innerhalb weniger Stunden und es scheidet sich ein farbloser Feststoff aus, der aus Bismutoxid oder basischen Bismutsalzen bestehen dürfte. In wasserfreien, üblichen organischen Lösungsmitteln sind die Verbindungen 6, 7, 9 stabil.

Die Salze 7 und 9 lassen sich aus Acetonitril kristallisieren. Lässt man das Lösungsmittel bei Raumtemperatur verdampfen, so erhält man 7 in Form rubinroter Kristalle und 9 als orangegelbe durchsichtige Nadeln (Abb. 13). Beeindruckende Bilder liefern die REM-Aufnahmen der unbeschichteten Kristalle von 7 und 9 (Abb. 14 und 15).

Abb. 13:

Lichtmikroskopische Aufnahme der Kristalle von 7 (links) und 9 (jeweils 50-fach vergrößert).

Abb. 14:

REM-Aufnahme eines Kristalls von 7, der vermutlich durch Austreten eingeschlossener Lösungsmittelspuren im Hochvakuum gespalten wurde (75-fache Vergrößerung).

Abb. 15:

REM-Aufnahme verwachsener Kristallnadeln des Salzes 9 (300-fache Vergrößerung).

Lösungen der Salze 6, 7 und 9 in Lösungsmitteln unterschiedlicher Polarität zeigen eine deutliche Solvatochromie, wobei mit steigender Lösungsmittelpolarität ein Farbwechsel von rot nach gelb erfolgt (Abb. 16). In Tabelle 2 sind die dabei verwendeten Lösungsmittel zusammen mit den E_r(30)-Werten [44–46] zusammengefasst.

Abb. 16:

Solvatochromie des Salzes 6f in organischen Lösungsmitteln (Nr. 1–8, vgl. Tabelle 2).

Ferner sind die Guanidinium-bismutate 6, 7, 9 deutlich thermochrom. Die bei Raumtemperatur orange bis rot gefärbten Verbindungen verfärben sich beim Erwärmen dunkelrot bis nahezu schwarz. Bilder von kristallinem N,N,N′,N′,N″,N″-Hexaethylguanidinium-dodekaiodidotribismutat(III) 7, die bei verschiedenen Temperaturen angefertigt wurden, finden sich in Abb. 17.

Abb. 17:

Kristalle des Salzes 7 bei verschiedenen Temperaturen a) ca. 220 K, b) ca. 295 K, c) ca. 330 K, d) ca. 380 K.

Bringt man Acetonitril-Lösungen gleicher Konzentration der ionischen Flüssigkeit, N,N,N′-Tributyl-N″,N″-diethyl-N′-octadecylguanidinium-tetrafluoridoborat (1b), N,N-Diallyl-N′-decyl-N″, N″-diethylguanidinium-chlorid (1c), N,N,N′-Triethyl-N″,N″-dimethyl-N′-isopropylguanidinium-bromid (1d), N-Butyl-N-ethyl-N′,N′-dihexyl-N″,N″-dimethylguanidinium-tetrachloridobismutat(III) (4b), N-Butyl-N′,N′-diethyl-N-hexyl-N″,N″-dimethylguanidinium-iodid (6d) und N-Butyl-N′,N′-diethyl-N-hexyl-N″,N″-dimethylguanidinium-tetraiodidobismutat(III) (6g) auf ein leitfähiges REM-Kohlepad auf und fertigt eine Rückstreuelektronenaufnahme an, erkennt man, welch starken Einfluss die „schweren Atome“ in den einzelnen Salzen auf die Bildhelligkeit haben (Abb. 18). So ist eine äußerst geringe Zunahme der Bildhelligkeit zwischen Fluorborat 1b und dem Chlorid 1c wahrnehmbar, die beim Übergang zum Bromid 1d und noch stärker beim Iodid 1g sichtbar wird. Frappierend sind die Bildhelligkeiten, die mit den Bismutaten 4b und 6g erzielt werden, wobei der Effekt der Verbindung 6g erwartungsgemäß den Effekt der Verbindung 4b nochmals deutlich übertrifft.

Abb. 18:

Rückstreuelektronenaufnahme gleichkonzentrierter ionischer Flüssigkeiten (jeweils ein Tropfen der Konzentration 1.0 mol L^–1 in MeCN nach Entfernen des Lösungsmittels im Vakuum) mit aufsteigender Ordnungszahl Z der schwersten im Anion enthaltenen Atomsorte (71-fache Vergrößerung).

Cellulosefasern eines Papiertaschentuchs wurden mit dem Bismutat 6g beschichtet. Die REM-Aufnahmen (Abb. 19, 20) bei unterschiedlichen Vergrößerungen (ca. 2000- bzw. 4000-fach) liefern helle, sehr gut aufgelöste Bilder der Fasern. Allerdings schwankt die Helligkeit innerhalb der Bilder. Die sehr hellen Stellen sind Bereiche mit besonders hoher Elektronenrückstreuung. Offenbar ist die Beschichtung der Probenoberfläche unterschiedlich, so dass an den Stellen, an denen sich die IL angereichert hat, besonders hohe Helligkeiten beobachtet werden.

REM-Aufnahmen von Keramiken und Kunststoffen gelten als problematisch, da deren Oberflächen nur schwer mit Gold zu beschichten sind. Wir haben daher versucht, eine Aluminiumoxid-Keramik mit N-Butyl-N′,N′-diethyl- N-hexyl-N″,N″-dimethylguanidinium-iodid (6c) sowie eine Polyamid-6-Probe mit N-Butyl-N′,N′-diethyl-N-hexyl-N″, N″-dimethylguanidinium-tetraiodidobismutat(III) (6g) zu beschichten und dann von den Proben REM-Aufnahmen anzufertigen. In den Abb. 21, 22^[1] sind die Oberflächenstrukturen der Keramik bei unterschiedlichen Vergrößerungen, in den Abb. 23–25 die Oberfläche der Polyamid-6-Probe bei drei unterschiedlichen Vergrößerungen wiedergegeben.

Abb. 19:

REM-Aufnahme von mit 6g (c = 0.01 mol L^–1 in CH₃CN, Variante A) beschichteten Zellulosefasern einer Lage eines Papiertaschentuchs (5000-fache Vergrößerung).

Abb. 20:

REM-Aufnahme von mit 6g (c = 0.01 mol L^–1 in CH₃CN, Variante A) beschichteten Zellulosefasern einer Lage eines Papiertaschentuchs (10 000-fache Vergrößerung).

Abb. 21:

REM-Aufnahme einer mit dem Guanidinium-iodid 6c (c = 0.01 mol L^–1 in CH₃CN, Variante A) beschichteten Al₂O₃-Keramik (Vergrößerung 5000-fach).

Abb. 23:

REM-Aufnahme einer mit dem Guanidinium–tetraiodidobismutat(III) 6g (c = 0.01 mol L^–1 in CH₃CN, Variante B) beschichteten Polyamid-6-Probe (Vergrößerung 2000-fach).

Auf den Abbildungen 22, 23 sind die Einzelpartikel in der Keramikoberfläche gut erkennbar und auch die Oberflächenstruktur der Partikel ist noch deutlich sichtbar.

Die Polyamid-6-Probe wurde durch Zerschlagen eines auf –150°C abgekühlten Normprüfstabs gewonnen. Auf der REM-Aufnahme (2000-fache Vergrößerung, Abb. 23) sind die Oberfläche der Probe und die Bruchkanten deutlich zu sehen. Unterhalb der hellgrauen Bruchkante nimmt der Kontrast ab, so dass bei stärkeren Vergrößerungen (Abb. 24, 25 im Anhang) die Oberflächenstrukturen unterhalb der Bruchkante kaum mehr zu erkennen sind. Möglicherweise können kontrastreichere Bilder, die die Oberflächentopographie bei Vergrößerungen ≥20.000-fach deutlich wiedergeben, erreicht werden, wenn zur Probenbeschichtung konzentriertere Lösungen von 6g verwendet werden.

Die elektronenmikroskopische Untersuchung von Proben biologischer Herkunft, z. B. von Zellkulturen, erfordert eine arbeitsintensive Probenvorbereitung, die mit der Fixierung beginnt, der sich eine Entwässerung mit Alkohol anschließt. Das so erhaltene Material kann nach unterschiedlichen Methoden weiterbehandelt werden und wird in der Regel am Schluss mit Gold bedampft [47].

In einer aktuellen Arbeit [48], die sich – im Hinblick auf die Verwertung von Biomasse – mit der Vergärung von Glucose in Gegenwart von ionischen Flüssigkeiten (EMIM-Acetat und EMIM-Methylphosphonat) beschäftigt, finden sich REM-Aufnahmen von Hefezellen (Saccharomycescerevisiae), die mit den erwähnten ionischen Flüssigkeiten behandelt wurden. Die Zellkulturen wurden für die REM-Aufnahmen nach einer beschriebenen Methode [49] aufbereitet, obwohl in den Proben geringe Mengen der IL’s vorhanden waren.

Wir haben nun in einigen informativen Studien untersucht, ob sich biologisches Material ohne aufwändige Probenvorbereitung mit Guanidiniumsalzen mittels REM untersuchen lässt. Dazu wurden Zellkulturen von Saccharomyces cerevisiae und Escherichia coli durch zweimaliges Behandeln mit Methanol (1. Behandlung: Methanol-Wasser (ψ = 1), zweite Behandlung: trockenes Methanol) entwässert. Proben der entwässerten Kulturen wurden in Lösungen des Guanidinium-chlorids 4b in Methanol suspendiert. Die Suspensionen wurden auf Pads aufgebracht und nach dem Verdunsten des Methanols mittels REM untersucht. Bei den orientierenden Experimenten wurde anstelle eines Guanidinium-tetraiodidobismutats das Guanidinium-tetrachloridobismutat verwendet, da die Chloridobismutate gegen protische Lösungsmittel beständiger sind. In den Abb. 26 und Abb. 27 finden sich die Zellkulturen gut aufgelöst mit großer Helligkeit abgebildet, wodurch gezeigt ist, dass mit Hilfe von Guanidinium-basierten IL’s Proben biologischen Ursprungs ohne aufwändige Probenvorbereitung mittels REM untersucht werden können.

Abb. 26:

REM-Aufnahme von Saccharomyces cerevisiae, behandelt mit IL 4b (c = 0.001 mol L^–1 in Methanol, 50 000-fache Vergrößerung).

Abb. 27:

REM-Aufnahme von E. coli nach Behandlung mit 4b (c = 0.001 mol L^–1 in Methanol, 20 000-fache Vergrößerung).

3 Zusammenfassung und Ausblick

Materialien, die mit Lösungen von Guanidiniumsalz-basierten IL’s durch Tauchen oder Besprühen beschichtet wurden, können mittels REM untersucht werden. Kontrastreiche Bilder werden vor allem mit Guanidinium-iodiden erhalten. Extrem hohe Bildhelligkeiten und Kontraste lassen sich erzielen, wenn zur Beschichtung Guanidinium-tetraiodidobismutate verwendet werden. Bemerkenswerterweise können auch Oberflächen von Keramiken und Kunststoffen beschichtet werden. In weiterführenden Arbeiten kann versucht werden, die Guanidiniumionen durch Einbau funktioneller Gruppen so zu modifizieren, dass sie auf die Oberflächennatur der verschiedenen Materialien abgestimmt sind und eine über die gesamte Fläche gleichmäßige Beschichtung der Oberfläche ermöglichen.

4 Experimenteller Teil

5 Rasterlektronenmikroskopie

Die rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen wurden mit einem Leo-Gemini Supra 1525 FE-Rasterelektronenmikroskop der Fa. Carl Zeiss aufgenommen.

Beschichtungsmethoden für die elektronenmikroskopischen Aufnahmen:

Variante A: Die Proben wurden zur Beschichtung mit der IL ca. 60 s in eine verdünnte Lösung derselben getaucht, überschüssige Lösung wurde mit einem Zellstofftuch aufgenommen. Die Proben wurden dann auf leitfähige REM-Kohlepads geklebt. Das Lösungsmittel wurde danach in einem Exsikkator im Vakuum entfernt.

Variante B: Ein Tropfen verdünnte IL-Lösung wurde auf ein leitfähiges Kohlepad gegeben und die zu untersuchende Probe in diesen Tropfen eingesetzt. Danach wurde ein weiterer Tropfen der verdünnten Lösung mittels Pasteurpipette über die auf der IL „gebettete“ Probe gegeben. Das Lösungsmittel wurde danach in einem Exsikkator im Vakuum entfernt.

Die zur Beschichtung angewandte Variante, sowie Art und Konzentration der verwendeten ionischen Flüssigkeit und das verwendete Lösungsmittel ist der jeweiligen Abbildungslegende zu entnehmen.

6 Probenaufbereitung des biologischen Materials

Die Proben der Zellkulturen werden mit Methanol-Wasser (ψ = 1) ca. 10 Minuten geschüttelt und abzentrifugiert. Das Zentrifugat wird nochmals in gleicher Weise mit reinem Methanol behandelt. Das so entwässerte Zentrifugat wird in einer methanolischen Lösung des Guanidiniumsalzes 4b (c = 0.001 mol L^–1) suspendiert. Die Suspension wird auf ein Pad aufgetragen und nach dem Verdampfen des Methanols mittels REM untersucht.