DE60035123T2

DE60035123T2 - Übergangsmetallkomplexe, die über ein bewegliches zwischenglied an ein polymer gebunden sind

Info

Publication number: DE60035123T2
Application number: DE60035123T
Authority: DE
Inventors: Fei Fremont MAO; Adam Austin HELLER
Original assignee: Therasense Inc
Current assignee: Therasense Inc
Priority date: 1999-11-15
Filing date: 2000-11-14
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2020-11-15
Also published as: US20070007132A1; EP1230249B1; WO2001036430A1; WO2001036660A2; US7090756B2; US7918976B2; US9320467B2; CA2391425C; US20140364710A1; US8512534B2; CA2391425A1; AU1607801A; DE60011286D1; US8168052B2; US6605201B1; US8828204B2; US20160296147A1; DK1230249T3; US10219730B2; US20110303538A1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft polymere Übergangsmetallkomplexe und Verwendungen dafür, einschließlich der Verwendung als Redoxmediatoren. Zusätzlich betrifft die Erfindung Übergangskomplexe, die mit Hilfe von Spacern (Abstandselementen) an ein polymeres Rückgrat gekoppelt sind.
Hintergrund der Erfindung
Elektrochemische Sensoren auf Enzymbasis werden beim Nachweis von Analyten in klinischen, umweltanalytischen, landwirtschaftlichen und biotechnologischen Anwendungen in weitem Umfang verwendet. Analyten, die in klinischen Assays und Fluiden des menschlichen Körpers gemessen werden können, schließen, beispielsweise, ein Glucose, Lactat, Cholesterin, Bilirubin und Aminosäuren. Die Spiegel dieser Analyten in biologischen Fluiden, wie beispielsweise Blut, sind wichtig für die Diagnose und die Überwachung von Erkrankungen.
Elektrochemische Assays werden typischerweise in Zellen mit zwei oder drei Elektroden durchgeführt, die wenigstens eine Mess- oder Arbeitselektrode und eine Bezugselektrode umfassen. Bei Dreielektrodensystemen ist die dritte Elektrode eine Gegenelektrode. Bei Zweielektrodensystemen dient die Bezugselektrode auch als die Gegenelektrode. Die Elektroden sind über einen Kreis wie beispielsweise einen Potentiostaten verbunden. Die Mess- oder Arbeitselektrode ist ein nicht-korrodierender Kohlenstoff- oder Metallleiter. Wenn ein Strom durch die Arbeitselektrode fließt, wird ein Redox enzym elektrooxidiert oder elektroreduziert. Das Enzym ist für den nachzuweisenden Analyten oder für ein Produkt des Analyten spezifisch. Die Umsatzrate des Enzyms steht typischerweise (vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise linear) in Beziehung zur Konzentration des Analyten selbst, oder seines Produkts, in der Testlösung.
Die Elektrooxidation oder Elektroreduktion des Enzyms wird häufig durch die Anwesenheit eines Redoxmediators in der Lösung oder auf der Elektrode erleichtert. Der Redoxmediator unterstützt die elektrische Verbindung zwischen der Arbeitselektrode und dem Enzym. Der Redoxmediator kann in dem zu analysierenden Fluid gelöst sein, das sich in einem elektrolytischen Kontakt mit den Elektroden befindet, oder kann in einem Überzug auf die Arbeitselektrode im elektrolytischen Kontakt mit der analysierten Lösung aufgetragen sein. Der Überzug ist vorzugsweise in Wasser nicht löslich, obwohl er in Wasser quellen kann. Nützliche Vorrichtungen können beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass man eine Elektrode mit einem Film überzieht, der einen Redoxmediator und ein Enzym beinhaltet, wobei das Enzym katalytisch spezifisch für den gewünschten Analyten oder sein Produkt ist. Im Gegensatz zu einem in der Beschichtung enthaltenen Redoxmediator funktioniert ein Diffusions-Redoxmediator, der in Wasser löslich oder unlöslich sein kann, dadurch, dass er im Sinne eines Shuttlings Elektronen beispielsweise zwischen dem Enzym und der Elektrode überträgt. Jedenfalls transportiert, wenn das Substrat des Enzyms elektrooxidiert wird, der Redoxmediator Elektronen von dem substratreduzierten Enzym zur Elektrode; wenn das Substrat elektroreduziert wird, transportiert der Redoxmediator Elektronen von der Elektrode zu dem substratoxidierten Enzym.
Gegenwärtige elektrochemische Sensoren auf Enzymbasis verwendeten eine Anzahl von unterschiedlichen Redoxmediatoren, wie beispielsweise monomere Ferrocene, Chinoid- Verbindungen, einschließlich der Chinine (z.B. Benzochinone), Nickelcyclamate und Rutheniumammine. Zum größten Teil weisen diese Redoxmediatoren eine oder mehrere der folgenden Einschränkungen auf: die Löslichkeit des Redoxmediators in der Testlösung ist niedrig, ihre chemische, Licht-, thermische, oder pH-Stabilität ist schlecht oder sie tauschen Elektronen nicht rasch genug mit dem Enzym oder der Elektrode oder beiden aus. Zusätzlich sind die Redoxpotentiale von vielen dieser beschriebenen Redoxmediatoren so oxidierend, dass bei dem Potential, bei dem der reduzierte Mediator auf der Elektrode elektrooxidiert wird, auch Lösungsbestandteile, die nicht der Analyt sind, elektrooxidiert werden; in anderen Fällen sind sie so reduzierend, dass auch Lösungsbestandteile, wie beispielsweise gelöster Sauerstoff, rasch elektroreduziert werden. Im Ergebnis ist der Sensor, der den Mediator verwendet, nicht ausreichend spezifisch.
Redoxmediatoren können in ein vernetztes Redoxpolymernetzwerk inkorporiert werden. Derartige Redoxpolymere erleichtern den Elektrontransfer zwischen dem Enzym oder Analyten und der Elektrodenoberfläche. Elektronen pflanzen sich von dem Redoxpolymer zur Elektrode über Elektronenaustauschvorgänge zwischen Segmenten des vernetzten Polymerfilms fort. Der Elektronenaustausch kann während Kollisionen zwischen unterschiedlichen Segmenten des Redoxpolymernetzwerks erfolgen und kann sich fortsetzen, bis die Elektronen die Elektronenoberfläche erreichen.
In dem Zeitschriftenartikel "The Effect of the Nature of the Polymer Backbone an the Stability and the analytical Response of Polymer-Modified Electrodes" in: Electroanalysis, 1995, 7, No. 4, Seiten 333-339 wurde ein Osmium-Redoxpolymer synthetisiert und in elektrochemischen Sensoren getestet, insbesondere in Verbindung mit der Analyse von Eisen (Fe^III) in Tablettenformulierungen.
In vier miteinander verwandten Veröffentlichungen in Inorg. Chem. 1983, 22, 2151-2162; J. Electroanal. Chem. 152(1983), 97-109, Inorg. Chem. 1990, 29, 4950-4955; und J. Phys. Chem. 1994, 98, 917-923 werden Polymere beschrieben, die durch elektrochemische Polymerisation von Os-Komplexen gebildet werden, die zwei oder mehr Liganden aufweisen, die ethylenisch ungesättigte Gruppen umfassen. Die gebildeten Polymere werden in der Form eines Films von Os-Komplexen erhalten, die mittels der polymerisierten Gruppen der Liganden miteinander verbunden sind.
WO 98/35225 beschreibt einen Sensor-Teststreifen, der dafür bestimmt ist, die Menge und Konzentration eines Bioanalyten wie beispielsweise Glucose in einer Blutprobe eines Volumens von weniger als etwa 1 μl zu bestimmen. Der Sensor weist eine Arbeitselektrode auf, die mit einem nicht-auslaugbaren Redoxmediator überzogen ist, der als Elektronenübertragungsmittel zwischen dem Analyten und der Elektrode wirkt. Der Redoxmediator ist typischerweise eine Redoxverbindung, die an ein Polymer gebunden ist.
Kurzdarstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft neue polymere Übergangsmetallkomplexe und deren Verwendung als Redoxpolymere und Redoxmediatoren. Die Redoxpolymeren sind im Allgemeinen in der Lage, Elektronen zwischen einem Enzym und einer Elektrode zu übertragen. Die Polymeren können in elektrochemischen Biosensoren nützlich sein.
Eine Ausführungsform sind polymere Übergangsmetallkomplexe gemäß den Ansprüchen 1, 17 bzw. 19 und den entsprechenden Unteransprüchen. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist ein Redoxmediator, der irgendeinen der oben beschriebenen polymeren Übergangsmetallkomplexe enthält.
Eine weitere Ausführungsform ist ein Sensor, der den Redoxmediator, eine Arbeitselektrode und eine Gegenelektrode enthält. Der Redoxmediator ist in der Nähe der Arbeitselektrode angeordnet. Vorzugsweise ist der Redoxmediator auf der Arbeitselektrode angeordnet. Stärker bevorzugt ist der Redoxmediator nicht auslaugbar auf der Arbeitselektrode angeordnet.
Detaillierte Beschreibung
Allgemein betrifft die vorliegende Erfindung polymere Übergangsmetallkomplexe und deren Verwendungen, einschließlich ihrer Verwendung als Redoxmediatoren. Zusätzlich betrifft die Erfindung Übergangsmetallkomplexe, die über einen Spacer an ein polymeres Rückgrat angefügt sind. Die Erfindung betrifft auch die Herstellung von polymeren Übergangsmetallkomplexen. Wenigstens in gewissen Fällen weisen die polymeren Übergangsmetallkomplexe eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften auf: Redoxpotentiale in einem speziellen Bereich und die Fähigkeit, Elektronen rasch mit Elektroden auszutauschen und die Kinetik der Elektrooxidation oder Elektroreduktion eines Analyten in Gegenwart eines Redoxenzyms oder eines anderen analytisch spezifischen Redoxkatalysators zu beschleunigen.
Bei der Verwendung hierin, definieren die folgenden Definitionen den angegebenen Begriff:
Der Begriff "Alkyl" umfasst lineare oder verzweigte gesättigte aliphatische Kohlenwasserstoffe. Beispiele für Alkylgruppen schließen ein Methyl, Ethyl, n-Propyl, Isopropyl, n-Butyl, tert-Butyl und dergl. Wenn nichts anderes angegeben ist, umfasst der Begriff "Alkyl" sowohl Alkyl- als auch Cycloalkylgruppen.
Der Begriff "Alkoxy" beschreibt eine Alkylgruppe, die über ein Sauerstoffatom mit dem Rest der Struktur verknüpft ist. Beispiele für Alkoxygruppen schließen ein Methoxy, Ethoxy, n-Propoxy, Isopropoxy, Butoxy, tert-Butoxy und dergl. Außerdem beinhaltet der Begriff "Alkoxy", wenn nichts anderes angegeben ist, sowohl Alkoxy- als auch Cycloalkoxygruppen.
Der Begriff "Alkenyl" beschreibt einen ungesättigten geradkettigen oder verzweigtkettigen aliphatischen Kohlenwasserstoff mit wenigstens einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung. Beispiele für Alkenylgruppen schließen ein Ethenyl, 1-Propenyl, 2-Propenyl, 1-Butenyl, 2-Methyl-1-propenyl und dergl.
Eine "reaktive Gruppe" ist eine funktionelle Gruppe eines Moleküls, die in der Lage ist, mit einer anderen Verbindung zu reagieren, um wenigstens einen Teil dieser anderen Verbindung mit dem Molekül zu koppeln. Reaktive Gruppen schließen ein Carboxy, aktivierter 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 Azidoarylgruppen. Aktivierte Ester schließen im Sinne des Verständnisses des Fachmanns im Allgemeinen ein Ester von Succinimidyl, Benzotriazolyl oder Aryl, das substituiert ist mit Elektronen-abziehenden Gruppen wie Sulfo-, Nitro-, Cyan- oder Halogen-Gruppen; oder Carbonsäuren, die durch Carbodiimide aktiviert sind.
Eine "substituierte" funktionelle Gruppe (z.B. eine substituierte Alkyl-, Alkenyl- oder Alkoxy-Gruppe) schließt wenigstens einen Substituenten ein, der aus den folgenden ausgewählt ist: Halogen, Alkoxy, Mercapto, Aryl, Alkoxycarbonyl, Alkylaminocarbonyl, Dialkylaminocarbonyl, -OH, -NH₂, Alkylamino, Dialkylamino, Trialkylammonium, Alkanoyl amino, Arylcarboxamido, Hydrazinn, Alkylthio, Alkenyl und reaktive Gruppen.
Ein "biologisches Fluid" ist irgendeine Körperflüssigkeit oder irgendein Körperflüssigkeitsabkömmling, in dem der Analyt gemessen werden kann, beispielsweise Blut, interstitielle Flüssigkeit, Plasma, Hautfluid, Schweiß und Tränen.
Ein "elektrochemischer Sensor" ist eine Vorrichtung, die so gestaltet ist, dass sie die Anwesenheit eines Analyten erkennt oder die Konzentration oder die Menge eines Analyten in einer Probe auf dem Wege elektrochemischer Oxidations- oder Reduktionsreaktionen misst. Diese Reaktionen können typischerweise in ein elektrisches Signal umgewandelt werden, das mit einer Menge oder Konzentration eines Analyten korreliert werden kann.
Ein "Redoxmediator" ist ein Elektronenübertragungsmittel für den Transport von Elektronen zwischen einem Analyten oder einem Analyt-reduzierten oder Analyt-oxidierten Enzym und einer Elektrode, und zwar entweder direkt oder über eines oder mehrere zusätzliche Elektronenübertragungsmittel.
"Elektrolyse" ist die Elektrooxidation oder eine Elektroreduktion einer Verbindung entweder direkt an einer Elektrode oder über eines oder mehrere Elektronenübertragungsmittel (z.B. Redoxmediatoren oder Enzyme).
Der Begriff "Bezugselektrode" beinhaltet sowohl a) Bezugselektroden und b) Bezugselektroden, die auch als Gegenelektroden fungieren (d.h. Gegen/Bezugselektroden), es sei denn, es ist etwas anderes angegeben.
Der Begriff "Gegenelektrode" beinhaltet sowohl a) Gegenelektroden als auch b) Gegenelektroden, die auch als Bezugselektroden fungieren (d.h. Gegen/Bezugselektroden), es sei denn, es ist etwas anderes angegeben.
Der Begriff "flexible Kette" betrifft eine gesättigte C4 bis C24-Kette, in der ggf. eines oder mehrere der Kohlenstoffatome durch Heteroatome (wie beispielsweise Sauerstoff, Schwefel oder Stickstoff) als Teil von beispielsweise einer Ether-, Thioether- oder einer Aminogruppe ersetzt sein können. Die Kette kann substituiert oder unsubstituiert sein.
Polymere Übergangskomplexe
Der polymere Übergangsmetallkomplex beinhaltet ein polymeres Rückgrat, Spacer, die kovalent an das polymere Rückgrat gekoppelt sind und sich von diesem weg erstrecken, und Übergangsmetallkomplexe, die jeweils wenigstens einen Liganden aufweisen, der kovalent mit einem der Spacer gekoppelt ist. Beispiele für geeignete Übergangsmetallkomplexe schließen diejenigen ein, die beschrieben sind in den US-Patenten 5 262 035 , 5 262 305 , 5 320 725 , 5 365 786 , 5 378 628 , 5 393 903 , 5 593 852 , 5 665 222 , 5 972 199 und 6 143 164 sowie in WO 99/45387 , WO 99/56613 , WO 00/20626 , WO 01/33216 und WO 01/36430 , die gleichzeitig hiermit eingereicht wurden.
Typischerweise weist jeder der Übergangsmetallkomplexe die Formel auf:
wobei M ein Übergangsmetall ist und typischerweise Osmium, Ruthenium, Vanadium, Kobalt oder Eisen ist. L¹, L², L³, L⁴, L⁵ und L⁶ sind Liganden, die Heterocyclen aufweisen und unabhängig voneinander einzähnige Liganden sind, oder zwei oder mehr der Liganden können unter Bildung von einem oder mehreren mehrzähnigen Liganden kombiniert sein. Insbesondere ist L¹ ein Ligand, der einen Heterocyclus enthält, der über ein Heteroatom des Heterocyclus koordinativ an M gebunden ist. Wenigstens einer von L¹, L², L³, L⁴, L⁵ und L⁶ ist kovalent mit einem der Spacer gekoppelt.
Irgendeine Kombination von einzähnigen oder mehrzähnigen heterocyclischen Liganden kann verwendet werden. Beispielsweise können L¹, L², L³, L⁴, L⁵ und L⁶ kombiniert werden, so dass sie drei zweizähnige Liganden bilden, wie beispielsweise drei zweizähnige Liganden, die ausgewählt sind aus substituierten und unsubstituierten 2,2'-Biimidazolen, 2-(2-Pyridyl)imidazolen und 2,2'-Bipyridinen. Beispiele für andere Kombination von L¹, L², L³, L⁴, L⁵ und L⁶ schließen ein:

(A) zwei einzähnige Liganden und zwei zweizähnige Liganden;
(B) vier einzähnige Liganden und einen zweizähnigen Liganden;
(C) drei einzähnige Liganden und einen dreizähnigen Liganden;
(D) einen einzähnigen Liganden, einen zweizähnigen Liganden und einen dreizähnigen Liganden;
(E) zwei einzähnige Liganden und einen vierzähnigen Liganden; und
(F) einen zweizähnigen Liganden und einen vierzähnigen Liganden.

Die Alkyl- oder Aryl-Teile von irgendwelchen der Liganden sind ggf. substituiert durch -F, -Cl, -Br, -I, Alkylamino, Dialkylamino, Trialkylammonium (mit Ausnahme der Arylteile), Alkoxy, Alkylthio, Aryl oder eine reaktive Gruppe. Die Alkylteile der einzähnigen Liganden enthalten im Allgemeinen 1 bis 12 Kohlenstoffe. Noch typischer enthalten die Alkylteile 1 bis 6 Kohlenstoffatome. Einzähnige Liganden sind heterocyclische Verbindungen, die wenigstens ein Stickstoff-, Sauerstoff oder Schwefelatom enthalten. Beispiele für geeignete heterocyclische einzähnige Liganden schließen ein Imidazol, Pyrazol, Oxazol, Thiazol, Pyridin, Pyrazin und Derivate davon. Geeignete heterocyclische einzähnige Liganden schließen ein substituiertes und unsubstituiertes Imidazol und substituiertes und unsubstituiertes Pyridin mit den folgenden allgemeinen Formeln 4 bzw. 5:
Im Hinblick auf Formel 4 ist R₇ im Allgemeinen eine substituierte oder unsubstituierte Alkyl-, Alkenyl- oder Arylgruppe. Typischerweise ist R₇ substituiertes oder unsubstituiertes C1 bis C12-Alkyl oder -Alkenyl. Die Substitution von Chloridionen der inneren Koordinationssphäre durch Imidazole führt typischerweise nicht zu einer großen Verschiebung des Redoxpotentials in die oxidierende Richtung, was sich diesbezüglich von einer Substitution durch Pyridine unterscheidet, die typischerweise zu einer großen Verschiebung des Redoxpotentials in oxidierende Richtung führt.
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, Arylcarboxamido, Hydrazinn, Alkylhydrazino, Hydroxylamino, Alkoxylamino, Alkylthio, Alkenyl, Aryl oder Alkyl. Alternativ bilden R₉ und R₁₀ in Kombination einen fusionierten 5- oder 6-gliedrigen Ring, der gesättigt oder ungesättigt ist. Die Alkylteile der Substituenten enthalten im Allgemeinen 1 bis 12 Kohlenstoffatome und enthalten typischerweise 1 bis 6 Kohlenstoffatome. Die Alkyl- oder Arylteile irgendwelcher der Substituenten sind ggf. substituiert durch -F, -Cl, -Br, -I, Alkylamino, Dialkylamino, Trialkylammonium (ausgenommen Arylteile), Alkoxy, Alkylthio, Aryl oder eine reaktive Gruppe. Bei einigen Ausführungsformen sind R₈, R₉ und R₁₀ -H oder substituiertes oder unsubstituiertes Alkyl. Vorzugsweise sind R₈, R₉ und R₁₀ -H.
Im Hinblick auf Formel 5 sind R₁₁, R₁₂, R₁₃, R₁₄ und R₁₅ unabhängig -H, -F, -Cl, -Br, -I, -NO₂, -CN, -CO₂H, Alkoxycarbonyl, Alkylaminocarbonyl, Dialkylaminocarbonyl, -OH, Alkoxy, -NH₂, Alkylamino, Dialkylamino, Alkanoylamino, Arylcarboxamido, Hydrazinn, Alkylhydrazino, Hydroxylamino, Alkoxylamino, Alkyllthio, Alkenyl, Aryl oder Alkyl. Die Alkyl- oder Arylteile von irgendwelchen der Substituenten sind ggf. substituiert durch -F, -Cl, -Br, -I, Alkylamino, Dialkylamino, Trialkylammonium (ausgenommen Arylteile), Alkoxy, Alkylthio, Aryl oder eine reaktive Gruppe. Im Allgemeinen sind R₁₁, R₁₂, R₁₃, R₁₄ und R₁₅, -H, Methyl, C1-C2-Alkoxy, C1-C2 Alkylamino, C2-C4 Dialkylamino oder ein C1-C6-Niederalkyl, das mit einer reaktiven Gruppe substituiert ist.
Ein Beispiel schließt ein R₁₁ und R₁₅ als -H, R₁₂ und R₁₄ als die gleichen und -H oder Methyl, und R₁₃ als -H, C1 bis C12 Alkoxy, -NH₂, C1 bis C12 Alkylamino, C2 bis C24 Dialkylamino, Hydrazinn, C1 bis C12 Alkylhydrazino, Hydroxylamino, C1 bis C12 Alkoxylamino, C1 bis C12 Alkylthio oder C1 bis C12 Alkyl. Die Alkyl- oder Arylteile von irgendwelchen der Substituenten sind ggf. substituiert durch -F, -Cl, -Br, -I, Alkylamino, Dialkylamino, Trialkylammonium (ausgenommen Arylteile), Alkoxy, Alkylthio, Aryl oder eine reaktive Gruppe.
Beispiele für geeignete zweizähnige Liganden schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, ein 2,2'-Biimidazol, 2,2'-Bioxazol, 2,2'-Bithiazol, 2-(2-Pyridyl)imidazol und 2,2'-Bipyridin und Derivate davon. Besonders geeignete zweizähnige Liganden für Redoxmediatoren schließen ein substituiertes und unsubstituiertes 2,2'-Biimidazol, 2-(2-Pyridyl)imidazol und 2,2'-Bipyridin.
Beispiele für 2,2'-Biimidazol-Liganden werden durch die Formel 4 illustriert.
R₁ und R₂ sind Substituenten, die an zwei der 2,2'-Biimidazol-Stickstoffe angefügt sind und unabhängig voneinander substituierte oder unsubstituierte Alkyl-, Alkenyl- oder Arylgruppen sind. Im Allgemeinen sind R₁ und R₂ unsubstituierte C1 bis C12 Alkyle. Typischerweise 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 angefügt sind und die unabhängig voneinander sind -H, -F, -Cl, -Br, -I, -NO₂, -CN, -CO₂H, -SO₃H, Alkoxycarbonyl, Alkylaminocarbonyl, Dialkylaminocarbonyl, -OH, Alkoxy, -NH₂, Alkylamino, Dialkylamino, Alkanoylamino, Arylcarboxamido, Hydrazinn, Alkylhydrazino, Hydroxylamino, Alkoxylamino, Alkylthio, Alkenyl, Aryl oder Alkyl.
Alternativ bilden R₃ und R₄ in Kombination oder R₅ und R₆ in Kombination einen gesättigten oder ungesättigten 5- oder 6-gliedrigen Ring. Ein Beispiel dafür ist ein 2,2'-Bibenzimidazolderivat. Typischerweise sind die Alkyl- und Alkoxyteile C1 bis C12. Die Alkyl- oder Arylteile von irgendwelchen der Substituenten sind ggf. substituiert durch -F, -Cl, -Br, -I, Alkylamino, Dialkylamino, Trialkylammonium (ausgenommen Arylteile), Alkoxy, Alkylthio, Aryl oder eine reaktive Gruppe. Im Allgemeinen sind R₃, R₄, R₅ und R₆ unabhängig voneinander -H oder unsubstituierte Alkylgruppen. Typischerweise sind R₃, R₄, R₅ und R₆ -H oder unsubstituierte C1 bis C12 Alkyle. Bei einigen Ausführungsformen sind R₃, R₄, R₅ und R₆ alle -H.
Beispiele für 2-(2-Pyridyl)imidazole weisen die folgende allgemeine Formel 5 auf:
R'₁ ist ein substituiertes oder unsubstituiertes Aryl, Alkenyl oder Alkyl. Im Allgemeinen ist R'₁ ein substituiertes oder unsubstituiertes C1-C12 Alkyl. R'₁ ist typischerweise Methyl oder ein C1-C12 Alkyl, das ggf. mit einer reaktiven Gruppe substituiert ist.
R'₃, R'₄, R_a, R_b, R_c und R_d sind unabhängig -H, -F, -Cl, -Br, -I, -NO₂, -CN, -CO₂H, -SO₃H, -NHNH₂, -SH, Alkoxylcarbonyl, Alkylaminocarbonyl, Dialkylaminocarbonyl, -OH, Alkoxy, -NH₂, Alkylamino, Dialkylamino, Alkanoylamino, Arylcarboxamido, Hydrazinn, 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 bilden. Typischerweise sind die Alkyl- und Alkoxyteile C1 bis C12. Die Alkyl- oder Arylteile von irgendwelchen der Substituenten sind ggf. substituiert durch -F, -Cl, -Br, -I, Alkylamino, Dialkylamino, Trialkylammonium (außer Arylteile), Alkoxy, Alkylthio, Aryl oder eine reaktive Gruppe. Im Allgemeinen sind R'₃, R'₄, R_a, R_b, R_c und R_d unabhängig -H oder unsubstituierte Alkylgruppen. Typischerweise sind R_a und R_c -H und R'₃, R'₄, R_b und R_d sind -H oder Methyl.
Beispiele von 2,2'-Bipyridinliganden weisen die folgende allgemeine Formel 6 auf:
R₁₆, R₁₇, R₁₈, R₁₉, R₂₀, R₂₁, R₂₂ und R₂₃ sind unabhängig -H, -F, -Cl, -Br, -I, -NO₂, -CN, -CO₂H, -SO₃H, -NHNH₂, -SH, Aryl, Alkoxycarbonyl, Alkylaminocarbonyl, Dialkylaminocarbonyl, -OH, Alkoxy, -NH₂, Alkylamino, Dialkylamino, Alkanoylamino, Arylcarboxamido, Hydrazino, Alkylhydrazino, Hydroxylamino, Alk oxylamino, Alkylthio, Alkenyl oder Alkyl. Typischerweise sind die Alkyl- und Alkoxyteile C1 bis C12. Die Alkyl- oder Arylteile von irgendwelchen der Substituenten sind ggf. substituiert durch -F, -Cl, -Br, -I, Alkylamino, Dialkylamino, Trialkylammonium (außer Arylteile), Alkoxy, Alkylthio, Aryl oder eine reaktive Gruppe.
Spezifische Beispiele für geeignete Kombinationen von R₁₆, R₁₇, R₁₈, R₁₉, R₂₀, R₂₁, R₂₂ und R₂₃ schließen ein R₁₆ und R₂₃ als H oder Methyl; R₁₇ und R₂₂ als die gleichen und -H oder Methyl; und R₁₉ und R₂₀ als die gleichen und -H oder Methyl. Eine alternative Kombination ist eine, bei der eines oder mehrere benachbarte Paare von Substituenten R₁₆ und R₁₇ einerseits und R₂₂ und R₂₃ andererseits unabhängig voneinander einen gesättigten oder ungesättigten 5- oder 6-gliedrigen Ring bilden. Eine andere Kombination schließt ein R₁₉ und R₂₀, die einen gesättigten oder ungesättigten 5- oder 6-gliedrigen Ring bilden.
Eine andere Kombination schließt ein R₁₆, R₁₇, R₁₉, R₂₀, R₂₂ und R₂₃ als gleich und -H und R₁₈ und R₂₁ als unabhängig voneinander -H, Alkoxy, -NH₂, Alkylamino, Dialkylamino, Alkylthio, Alkenyl oder Alkyl. Die Alkyl- oder Arylteile von irgendwelchen der Substituenten sind ggf. substituiert durch -F, -Cl, -Br, -I, Alkylamino, Dialkylamino, Trialkylammonium (außer Arylteile), Alkoxy, Alkylthio, Aryl oder eine reaktive Gruppe. Als ein Beispiel können R₁₈ und R₂₁ gleich oder unterschiedlich sein und C1-C6 Alkyl, C1-C6 Amino, C1 bis C12 Alkylamino, C2 bis C12 Dialkylamino, C1 bis C12 Alkylthio oder C1 bis C12 Alkoxy sein, wobei die Alkylteile von irgendwelchen der Substituenten ggf. substituiert sind durch ein -F, -Cl, -Br, -I, Aryl, C2 bis C12 Dialkylamino, C3 bis C18 Trialkylammonium, C1 bis C6 Alkoxy, C1 bis C6 Alkylthio oder eine reaktive Gruppe.
Beispiele für geeignete dreizähnige Liganden schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, ein 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 weisen die folgenden allgemeinen Formeln 7 bzw. 8 auf:
Im Hinblick auf Formel 7, sind R₂₄, R₂₅ und R₂₆ unabhängig -H oder substituiertes oder unsubstituiertes C1 bis C12 Alkyl. Typischerweise sind R₂₄, R₂₅ und R₂₆ -H oder Methyl und in einigen Ausführungsformen sind R₂₄ und R₂₆ gleich und sind -H. Andere Substituenten an diesen oder anderen Positionen der Verbindungen der Formeln 7 und 8 können hinzugefügt werden.
Im Hinblick auf 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, Hydrazinn, Alkylhydrazino, Hydroxylamino, Alkoxylamino, Alkylthio, Alkenyl, Aryl oder Alkyl. Die Alkyl- oder Arylteile von irgendwelchen der Substituenten sind ggf. substituiert durch -F, -Cl, -Br, I, Alkylamino, Dialkylamino, Trialkylammonium (ausgenommen Arylteile), Alkoxy, Alkylthio, Aryl oder eine reaktive Gruppe. Typischerweise 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 schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, ein Triethylentriamin, Ethyldiamindiessigsäure, Tetraazamacrocyclen und ähnliche Verbindungen sowie Derivate davon.
Bei einigen Ausführungsformen sind die Übergangsmetallkomplexe positiv geladen (z.B. mit einer Ladung im Bereich von +1 bis +5). Die Komplexe können alternativ negativ geladen sein (z.B. mit einer Ladung im Bereich von –1 bis –5), beispielsweise dann, wenn die Liganden oder das Rückgrat mit einer ausreichenden Zahl von negativ geladenen funktionellen Gruppen derivatisiert sind wie Carboxylat-, Phosphat- oder Sulfonat-Funktionen. Um die Ladung auszubalancieren, können eines oder mehrere Gegenionen verwendet werden. Beispiele für geeignete Gegenionen schließen Anionen ein, wie beispielsweise Halogenid (z.B. Fluorid, Chlorid, Bromid oder Iodid), Sulfat, Phosphat, Hexafluorphosphat und Tetrafluorborat sowie Kationen (vorzugsweise einwertige Kationen) wie Lithium, Natrium, Kalium, Tetraalkylammonium und Ammonium.
Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet ein Übergangsmetallkomplex-Vorläufer einen Substituenten, der eine reaktive Gruppe aufweist, die sich von einem der Liganden weg erstreckt. Diese reaktive Gruppe kann mit einer reaktiven Gruppe reagieren, die an einen Vorläuferpolymer angeordnet ist, um den Übergangsmetallkomplexvorläufer an das Polymer zu koppeln und den polymeren Übergangsmetallkomplex zu bilden.
Im Allgemeinen kann irgendein polymeres Rückgrat verwendet werden. Typischerweise wird als Vorläufer zur Bildung des polymeren Übergangmetallkomplexes ein Vorläuferpolymer mit anhängenden Gruppen verwendet, die sich von dem polymeren Rückgrat weg erstrecken. Wenigstens einige der anhängenden Gruppen wird dazu verwendet, wenigstens einen Teil der Spacer zu bilden. Vorzugsweise weisen wenigstens eine der anhängenden Gruppen des Vorläuferpolymers vor der Anfügung des Übergangsmetallkomplexes eine reaktive Gruppe auf, die an die anhängenden Gruppen angefügt ist. Die reaktive Gruppe kann Teil des ursprünglichen Polymers sein oder kann an das Polymer angefügt sein, beispielsweise durch Reaktion oder Quaternisierung eines stickstoffhaltigen heterocyclischen Rings. Beispiele für geeignete polymere Rückgratformen schließen ein teilweise oder vollständig quaternisiertes Poly(4-vinylpyridin) und Poly(N-vinylimidazol), bei denen quaternisierte Pyridin- bzw. Imidazolgruppen dazu verwendet werden können, durch Reaktion mit (beispielsweise Komplexierung mit) einem Übergangsmetallkomplex Spacer zu bilden. Andere geeignete Vorläufer-Polymere schließen beispielsweise ein Poly(acrylsäure) (Formel 9), Styrol/Maleinsäureanhydridcopolymer (Formel 10), Methylvinylether/Maleinsäureanhydrid-Copolymer (GANTREZ-Polymer) (Formel 11), Poly(vinylbenzylchlorid) (Formel 12), Poly(allylamin) (Formel 13), Polylysin (Formel 14), Poly(4-vinylpyridin), quaternisiert mit Carboxypentylgruppen (Formel 15), und Poly(4-styrolsulfonat Natrium) (Formel 16).
Der Spacer koppelt den Übergangsmetallkomplex an das polymere Rückgrat. In einigen Ausführungsformen beinhaltet der Spacer wenigstens eine nicht-cyclische funktionelle Gruppe, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus -(CR^rR^s)-, -O-, -S-, -C(O)-, -S(O)₂NR^k-, -OC(O)NR^m-, -OC(S)NRⁿ, -C(O)NR^t-, -NR^u-, -CR^v=N-O-, CR^w=NNR^x-, und -(SiR^yR^z)-, worin R^r und R^s unabhängig voneinander Wasserstoff, Chlor, Fluor oder substituiertes oder unsubstituiertes Alkyl, Alkoxy, Alkenyl oder Alkynyl sind und R^k, R^m, Rⁿ, R^t, R^u, R^v, R^w, R^x, R^y und R^z unabhängig voneinander Wasserstoff oder substituiertes oder unsubstituiertes Alkyl sind. Vorzugsweise beinhaltet der Spacer wenigstens vier und stärker bevorzugt wenigstens acht dieser nicht-cyclischen funktionellen Gruppen. Vorzugsweise ist/sind die nicht-cyclische(n) funktionelle(n) Gruppe(n) aus der Gruppe ausgewählt, die besteht aus -(CR^rR^s)-, -O-, -S-, -S(O)₂NR^k, -OC(O)NR^m-, -OC(S)NRⁿ-, -C(O)NR^t-, und -NR^u-, worin R^k, R^m, Rⁿ, R^r, R^s, R^t und R^u unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe, die besteht aus Wasserstoff und substituiertem oder unsubstituiertem Alkyl. Bei einer Ausführungsform beinhaltet der bevorzugte Spacer ein 4 bis 30 Atome langes lineares Segment, wobei das lineare Segment irgendeine Kombination der folgenden Bindungen aufweist, um die Kette des Segments aus 4 bis 30 Atomen zu bilden: C-C, C-N, C-O, C-Si, C-S, S-N und Si-O.

Ein Spacer ist typischerweise ein Reaktionsprodukt eines Vorläuferpolymers mit einer anhängenden Gruppe mit einer daran angefügten reaktiven Gruppe und eines Übergangsmetallkomplexes mit einer reaktiven Gruppe, die sich von einem der Liganden erstreckt. Typischerweise ist eine der reaktiven Gruppen ein Elektrophil, und die andere reaktive Gruppe ist ein Nucleophil. Ausgewählte Beispiele für die reaktiven Gruppen und die bei ihren Wechselwirkungen gebildeten Verknüpfungen sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1: Beispiele für Verknüpfungen von reaktiven Gruppen

Erste reaktive Gruppe	Zweite reaktive Gruppe	Resultierende Verknüpfung
Aktivierter Ester*	Amin	Amid
Acrylamid	Thiol	Thioether
Acylazid	Amin	Amid
Acylhalogenid	Amin	Amid
Carbonsäure	Amin	Amid
Aldehyd oder Keton	Hydrazin	Hydrazon
Aldehyd oder Keton	Hydroxyamin	Oxim
Alkylhalogenid	Amin	Alkylamin
Alkylhalogenid	Carbonsäure	Ester
Alkylhalogenid	Imidazol	Imidazol
Alkylhalogenid	Pyridin	Pyridinium
Alkylhalogenid	Alkohol/Phenol	Ether
Alkylhalogenid	Thiol	Thioether
Alkylsulfonat	Thiol	Thioether
Alkylsulfonat	Pyridin	Pyridinium
Alkylsulfonat	Imidazol	Imidazolium
Alkylsulfonat	Alkohol/Phenol	Ether
Anhydrid	Alkohol/Phenol	Ester
Anhydrid	Amin	Amid
Aziridin	Thiol	Thioether
Aziridin	Amin	Alkylamin
Aziridin	Pyridin	Pyridinium
Epoxid	Thiol	Thioether
Epoxid	Amin	Alkylamin
Epoxid	Pyridin	Pyridinium
Halotriazin	Amin	Aminotriazin
Halotriazin	Alkohol	Triazinylether
Imidoester	Amin	Amidin
Isocyanat	Amin	Harnstoff
Isocyanat	Alkohol	Urethan
Isothiocyanat	Amin	Thioharnstoff
Maleimid	Thiol	Thioether
Sulfonylhalogenid	Amin	Sulfonamid
* Aktivierte Ester, wie dieser Begriff vom Fachmann verstanden wird, schließen im Allgemeinen Ester ein von Succinimidyl, Benzotriazolyl oder Aryl, das substituiert ist mit elektronenabziehenden Gruppen wie Sulfo, Nitro, Cyano oder Halogen; oder Carbonsäuren, die durch Carbodiimide aktiviert sind.

Bei einigen Ausführungsformen enthält der Spacer eine flexible lineare Kette von wenigstens vier Atomen. Vorzugsweise beinhaltet die flexible lineare Kette wenigstens sechs oder acht Atome, jedoch weniger als 30 Atome. Stärker bevorzugt liegt die Zahl von Atomen, die die flexible lineare Kette bilden, im Bereich von 8 bis 18. In einigen Fällen sind in einem Spacer zwei oder mehr flexible Ketten enthalten. Die flexible Kette gestattet es dem Spacer typischerweise, sich relativ zum Polymerrückgrat zu bewegen, wodurch es dem Übergangsmetallkomplex am Ende des Spacers möglich wird, sich zu bewegen. Das ist besonders nützlich für polymere Übergangsmetallkomplexe, die als Redoxmediatoren verwendet werden, da die Bewegung des Übergangsmetallkomplexes, der über den Spacer an das Polymerrückgrat gekoppelt ist, die Übertragung von Elektronen zwischen Übergangsmetallkomplexen und der Elektrode erleichtert. Das kann die Elektronentransferrate verbessern und die gewünschte elektrochemische Reaktion an der Elektrode beispielsweise dadurch erleichtert, dass die Leitung von Elektronen durch das vernetzte und hydratisierte Polymer an der Elektrode verbessert wird.
Zusätzlich zu den Ketten kann der Spacer eine oder mehrere andere ungesättigte Gruppen enthalten. Beispielsweise kann der Spacer eine ungesättigte funktionelle Gruppe der Art enthalten, wie sie in Tabelle 1 unter "resultierende Verknüpfung" aufgelistet ist. Als weiteres Beispiel kann der Spacer eine heterocyclische oder eine Arylgruppe enthalten. Beispielsweise würde die Spacer-Gruppe von Poly(4-vinylpyridin) oder Poly(N-vinylimidazol) eine funktionelle Pyridin- oder Imidazolgruppe enthalten. In diesen speziellen Fällen ist die heterocyclische oder Arylgruppe zwischen der flexiblen Kette und dem Polymerrückgrat angeordnet, obwohl das für die Erfindung nicht nötig ist.
Formel 17 zeigt schematisch Beispiele der polymeren Übergangsmetallkomplexe der vorliegenden Erfindung.
Im Allgemeinen weist der polymere Übergangsmetallkomplex ein Polymerrückgrat mit einem oder mehreren Typen von anhängenden Gruppen (dargestellt in Formel 17 als L-T, X bzw. Z) auf. Die individuellen anhängenden Gruppen L-T, X und Z einer jeden Polymereinheit können in irgendeiner Konfiguration angeordnet sein. Die Zahl von Polymereinheiten wird durch p angegeben, das für eine ganze Zahl mit einem Wert von Eins oder mehr steht. Das Produkt aus p und (n' + n'' + n''') beträgt im Allgemeinen wenigstens 5, vorzugsweise wenigstesn 10 und kann 50 oder mehr betragen.
T ist ein Übergangsmetallkomplex wie er oben beschrieben wurde. L ist eine Spacer-Gruppe, wie sie oben beschrieben wurde, und koppelt den Übergangsmetallkomplex T an das Polymerrückgrat. Die Zahl der Einheiten aus Spacergruppeübergangsmetallkomplex (L-T), die an das Polymerrückgrat in jeder Polymereinheit angefügt sind, wird durch n' wiedergegeben, das eine ganze Zahl mit einem Wert von Eins oder mehr ist.
X steht für eine anhängende Gruppe, die keinen reaktiven Substituenten enthält. Die Zahl dieser anhängenden Gruppen, die an das Polymerrückgrat in jeder Polymereinheit an gefügt sind, wird wiedergegeben durch n'', das eine ganze Zahl mit einem Wert von Null oder mehr ist.
Z steht für eine anhängende Gruppe, die mit einem reaktiven Substituenten substituiert ist, der, ohne darauf beschränkt zu sein, einschließt Pyridyl, Imidazolyl, Carboxy, aktivierte 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 Azidoarylgruppen. Die anhängenden Gruppe, Z, kann zum Vernetzen des Polymerrückgrats beispielsweise während der Polymerimmobilisierung an einer Oberfläche verwendet werden. Die Anzahl dieser anhängenden Gruppen, die an das Polymerrückgrat in jeder Polymereinheit angefügt sind, wird durch n''' wiedergegeben, das eine ganze Zahl mit einem Wert von Null oder mehr ist.
Der polymere Übergangsmetallkomplex weist typischerweise ein gewichtsmittleres Molekulargewicht von wenigstens 5000 auf, obwohl in gewissen Fällen polymere Übergangsmetallkomplexe mit einem niedrigeren Molekulargewicht verwendet werden können. Das gewichtsmittlere Molekulargewicht des polymeren Übergangsmetallkomplexes kann wenigstens 10.000, 50.000, 100.000 oder mehr betragen und kann von der Anwendung abhängen. Dieses gewichtsmittlere Molekulargewicht bezeichnet im Allgemeinen das gewichtsmittlere Molekulargewicht vor dem Vernetzen unter Bildung eines Films.
Ein Beispiel für ein Vorläuferpolymer, das zur Bildung eines polymeren Übergangsmetallkomplexes verwendet werden kann, wird in Formel 18 gezeigt. Dieses Vorläuferpolymer ist Poly(4-vinylpyridin), das mit einer Alkyleinheit quaternisiert ist, die mit einer reaktiven Gruppe substituiert ist.
worin Ω die reaktive Gruppe ist, m typischerweise 1 bis 18 ist, n und n' die durchschnittlichen Zahlen von Pyridinium- bzw. Pyridinuntereinheiten in jeder sich wiederholenden Polymereinheit sind, und n'' die Zahl der sich wiederholenden Polymereinheiten ist.
Beispiele für polymere Übergangsmetallkomplexe, die unter Verwendung dieses Vorläuferpolymers gebildet werden, werden durch die Formeln 19, 20 und 21 illustriert:

worin Ω die reaktive Gruppe ist; m 1 bis 18 ist; L der Spacer ist, wie er oben beschrieben wurde, der gebildet wurde durch die Reaktion des Übergangsmetallkomplexes mit dem Ω; X für Gegenionen steht; und d die Anzahl von Gegenionen bezeichnet; c eine ganze Zahl ist, die die Ladung des Komplex darstellt; und R₁, R₂, R₃, R₄, R₅, R₆, R₈, R₉, R₁₀, R₁₆, R₁₇, R₁₈, R₁₉, R₂₀, R₂₁, R₂₂, R₂₃, R'₃, R'₄, R_a, R_b, R_c und R_d wie oben beschrieben sind.
Spezifische Beispiele für geeignete polymere Übergangsmetallkomplexe sind in den Formeln 22, 23 und 24 gezeigt.

worin G eine der „resultierenden Verknüpfungen" von Tabelle 1 darstellt, wie beispielsweise ein Amid der Formel: -CONR₃₀- Oder -NR₃₀CO-, worin R₃₀ ein Wasserstoff, Methyl, Ethyl oder ein anderes Alkyl mit 1 bis 6 Kohlenstoffen ist. E ist O,S oder NR₃₁, worin NR₃₁ Wasserstoff, Methyl, Ethyl oder ein anderes Alkyl mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen ist. m' und m'' sind die gleichen und liegen typischerweise im Bereich von 1 bis 18, und m'' liegt unabhängig davon im Bereich von 1 bis 18.
Polymere Übergangsmetallkomplexe der vorliegenden Erfindung können in Wasser oder anderen wässrigen Lösungen löslich sein. Es ist jedoch vorgesehen, dass bestimmte Übergangsmetallkomplexe gebildet werden, die einen gewissen Grad an Löslichkeit in nicht-wässrigen Lösungen aufweisen. Vorzugsweise ist die Löslichkeit der Übergangsmetallkomplexe der vorliegenden Erfindung größer als etwa 0,1 M (mol/l) bei 25°C.
Die polymeren Übergangsmetallkomplexe, die oben diskutiert wurden, können als Redoxmediatoren in elektrochemischen Sensoren für den Nachweis von Analyten in Biofluiden nützlich sein. Die Verwendung von Übergangsmetallkomplexen als Redoxmediatoren ist beispielsweise beschrieben 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 sowie in WO 99/45387 , WO 99/56613 , WO 00/20626 , und WO 01/33216 . Die polymeren Übergangskomplexe, die hierin beschrieben werden, können typischerweise anstelle derjenigen verwendet werden, die in den oben aufgeführten Referenzen aufgezählt werden.
Im Allgemeinen wird der Redoxmediator auf oder in der Nähe (beispielsweise in einer umgebenden Lösung) einer Arbeitselektrode angeordnet. Der Redoxmediator überträgt Elektronen zwischen der Arbeitselektrode und einem Analyten. Bei einigen Ausführungsformen ist zur Erleichterung der Übertragung auch ein Enzym mit eingeschlossen. Beispielswei se kann der Redoxmediator Elektronen zwischen der Arbeitselektrode und Glucose in einer Enzym-katalysierten Reaktion von Glucose übertragen. Polymere Redoxmediatoren sind besonders nützlich zur Bildung von nicht-auslaugbaren Überzügen auf der Arbeitselektrode durch beispielsweise Vernetzen des Redoxmediators auf der Elektrode.
Übergangsmetallkomplexe können genaue, reduzierbare und schnelle oder kontinuierliche Assays möglich machen. Übergangsmetallkomplex-Redoxmediatoren nehmen Elektroden auf von, oder übertragen Elektronen auf, Enzyme(n) in einer hohen Rate und tauschen Elektronen rasch mit einer Elektrode aus. Typischerweise ist die Geschwindigkeit ihres Selbstaustausches, des Prozesses, bei dem ein reduzierter Redoxmediator ein Elektron auf einen oxidierten Redoxmediator überträgt, rasch. Bei einer definierten Redoxmediatorkonzentration gestattet das einen schnelleren Elektronentransport zwischen dem Enzym und der Elektrode, und verkürzt auf diese Weise die Ansprechzeit des Sensors. Zusätzlich können die Übergangsmetallkomplex-Redoxmediatoren unter Umgebungs-Licht- und Temperaturbedingungen stabil sein, die man bei ihrer Verwendung, Lagerung und bei ihrem Transport antrifft. Vorzugsweise unterliegen die Übergangsmetallkomplex-Redoxmediatoren keiner wesentlichen chemischen Veränderungen außer Oxidation und Reduktion während des Zeitraums ihrer Verwendung oder unter den Bedingungen ihrer Lagerung, obwohl sie auch so ausgelegt werden können, dass sie durch Reaktion beispielsweise mit Wasser oder dem Analyten aktiviert werden.
Der Übergangsmetallkomplex kann verwendet werden als Redoxmediator in Kombination mit einem Enzym, um den Analyten zu elektrooxidieren oder elektroreduzieren. Die Redoxpotentiale der Redoxmediatoren sind im Allgemeinen stärker positiv (d.h. stärker oxidierend) als die Redoxpotentiale der Enzyme, wenn der Analyt elektrooxidiert wird, und stärker negativ, wenn der Analyt elektroreduziert wird. Beispielsweise liegen die Redoxpotentiale der am stärksten bevorzugten Übergangsmetallkomplex-Redoxmediatoren, die für die Elektrooxidation von Glucose mit Glucoseoxidase oder PQQ-Glucosedehydrogenase als Enzym verwendet werden, zwischen –200 mV und +200 mV gegenüber einer Ag/AgCl-Bezugselektrode.
Vernetzen bei polymeren Übergangsmetallkomplexen
Der Elektronentransport beinhaltet den Austausch von Elektronen zwischen Segmenten des oder der Redoxpolymers(en) (z.B. einem oder mehreren Übergangsmetallkomplexen, die, wie oben beschrieben, an ein Polymerrückgrat gekoppelt sind, in einem vernetzten Film, der auf einer Elektrode angeordnet ist. Der Übergangsmetallkomplex kann an das Polymerrückgrat über kovalente, koordinative oder ionische Bindungen gebunden sein, wobei kovalente und koordinative Bindung bevorzugt ist. Der Elektronenaustausch erfolgt beispielsweise durch die Kollision der unterschiedlichen Segmente des vernetzten Redoxpolymerfilms. Elektronen, die durch das Übergangsmetallkomplexpolymer transportiert werden, können beispielsweise aus der Elektrooxidation eines Substrats eines Enzyms, wie beispielsweise der Oxidation von Glucose durch Glucoseoxidase entstammen.
Der Vernetzungsgrad des Redoxpolymers kann den Transport von Elektronen oder Ionen und auf diese Weise die Geschwindigkeiten der elektrochemischen Reaktionen beeinflussen. Eine übermäßige Vernetzung 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 bei der Diffusivität von Elektronen kann beispielsweise eine entsprechende Verminderung der Dicke des Films auf der Elektrode erfordern, wo Elektronen oder Elektronenfehlstellen gesammelt oder übertragen werden.
Wenn der Analyt oder sein Produkt elektrooxidiert wird, stammen die Elektronen, die gesammelt werden, typischerweise aus dem Substrat des Enzyms. Der Vernetzungsgrad in einem Redoxpolymerfilm kann auf diese Weise den Transport von Elektronen aus beispielsweise einem Enzym zu den Übergangsmetall-Redoxzentren des Redoxpolymers wie beispielsweise den Os² ^+/3 ⁺-Metall-Redoxzentren beeinträchtigen; sowie zwischen Redoxzentren des Redoxpolymers; und von diesen Übergangsmetall-Redoxzentren zur Elektrode.
Eine unzureichende Vernetzung eines Redoxpolymers kann zu einem übermäßigen Quellen des Redoxpolymerfilms führen sowie zum Auslaugen der Bestandteile des Redoxpolymerfilms. Ein übermäßiges Quellen kann auch zur Wanderung des gequollenen Polymers in die analysierte Lösung führen, zur Erweichung des Redoxpolymerfilms, zu einer Empfindlichkeit des Films gegenüber einer Entfernung durch Scherung oder irgendeiner Kombination der drei Effekte.
Die Vernetzung kann das Auslaugen von Filmbestandteilen vermindern und kann die mechanische Stabilität des Films unter Scherstress verbessern. Wie beispielsweise beschrieben ist in dem Artikel Binyamin, G. und Heller, A; Stabilization of Wired Glucose Oxidase Anodes Rotating at 1000 rpm at 37°C; Journal of the Electrochemicals Society, 146(8), 2965-2967, 1999, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird, kann der Ersatz eines difunktionellen Vernetzers wie eines Polyethylenglycoldiglycidylethers durch einen trifunktionellen Vernetzer wie N,N-Diglycidyl-4-glycidyloxyanilin, beispielsweise die Auslaug- und Scherprobleme vermindern, die mit einer unzureichenden Vernetzung assoziiert sind.
Beispiele für andere bifunktionelle, trifunktionelle und tetrafunktionelle Vernetzer sind nachfolgend aufgelistet: Aminreaktive bifunktionelle Vernetzer
Pyridin- oder Imidazol-reaktive bifunktionelle Vernetzer
Pyridin- oder Imidazol-reaktive trifunktionelle Vernetzer
Pyridin- oder Imidazol-reaktive tetrafunktionelle Vernetzer
Alternativ, kann die Zahl der Vernetzungsstellen dadurch erhöht werden, dass man die Zahl der Übergangsmetallkomplexe erhöht, die an das Polymerrückgrat angefügt sind, um auf diese Weise mehr anhängende Gruppen des Polymers zum Vernetzen zur Verfügung zu stellen. Ein wichtiger Vorteil von wenigstens einigen der polymeren Übergangsmetallkomplexe liegt in der erhöhten Mobilität der anhängenden Übergangsmetallkomplexfunktionen, die sich aus der Flexibilität der Spacer-Gruppe L ergibt. Im Ergebnis werden wenigstens in einigen Ausführungsformen weniger Metallkomplexmoleküle pro Polymerrückgrat benötigt, um einen bestimmten Grad an Diffusivität von Elektronen und Stromdichte der Analyt-Elektrooxidation oder -Elektroreduktion zu erreichen.
Koordination in polymeren Übergangsmetallkomplexen
Übergangsmetallkomplexe können direkt oder indirekt an ein Polymerrückgrat angefügt werden, und zwar in Abhängigkeit von der Verfügbarkeit und Natur der reaktiven Gruppen am Komplex und am Polymerrückgrat. Beispielsweise sind die Pyridingruppen in Poly(4-vinylpyridin) oder die Imidazolgruppen in Poly(N-Vinylimidazol) in der Lage, als einzähnige Liganden zu wirken und können auf diese Weise direkt an ein Metallzentrum angefügt werden. Alternativ können die Pyridingruppen in Poly(4-vinylpyridin) oder die Imidazolgruppen in Poly(N-vinylimidazol) quaternisiert werden mit einer substituierten Alkyleinheit, die eine geeignete reaktive Gruppe aufweist, wie beispielsweise eine Carboxylatfunktion, die aktiviert werden kann, eine kovalente Bindung mit einer reaktiven Gruppe, beispielsweise einem Amin, des Übergangsmetallkomplexes auszubilden. (Vergleiche Tabelle 1 bezüglich einer Liste anderer Beispiele für reaktive Gruppen.)
Redoxzentren, wie beispielsweise Os^2+/3+ können in ihrer inneren Koordinationssphäre mit sechs heterocyclischen Stickstoffatomen koordiniert werden. Die sechs koordinieren den Atome sind in den Liganden vorzugsweise gepaart, in dem beispielsweise jeder Ligand aus wenigstens zwei Ringen zusammengesetzt ist. Die Paarbildung der koordinierenden Atome kann das Potential einer Elektrode beeinflussen, die in Verbindung mit Übergangsmetallkomplexpolymeren der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Für die Analyse von Glucose ist das Potential, auf das die Arbeitselektrode, die mit dem Redoxpolymer überzogen ist, typischerweise eingestellt wird, negativ zu etwa +250 mV vs. SCE (gegenüber Standard-Kalomel-Elektrode). Vorzugsweise ist die Elektrode negativ zu etwa +150 mV vs. SCE eingestellt. Das Einstellen der Elektrode auf diese Potentiale vermindert die störende Elektrooxidation von Bestandteilen von biologischen Lösungen wie beispielsweise Urat, Ascorbat und Acetaminophen. Das Potential kann durch Veränderung der Ligandenstruktur des Komplexes modifiziert werden.
Das Redoxpotential eines Redoxpolymers, wie es hierin beschrieben wird, steht in Beziehung zu dem Potential, auf das die Elektrode eingestellt wird. Die Auswahl eines Redoxpolymers mit einem gewünschten Redoxpotential gestattet die Feineinstellung des Potentials, auf das die Elektrode am besten eingestellt wird. Die Redoxpotentiale einer Zahl der Redoxpolymeren, die hierin beschrieben werden, sind negativ zu etwa +150 mV vs. SCE und können negativ zu etwa +50 mV vs. SCE sein, um das Einstellen der Elektrodenpotentiale negativ von etwa +250 mV vs. SCE und vorzugsweise negativ etwa +150 mV vs. SCE zu gestatten.
Die Stärke der koordinativen Bindung kann das Potential des Redoxzentrums in Übergangsmetallkomplexpolymeren beeinflussen. Typischerweise ist das Redoxpotential umso stärker positiv, je stärker die koordinative Bindung ist. Eine Verschiebung beim Potential eines Redoxzentrums, die sich aus einer Veränderung in der Koordinationssphäre des Übergangsmetalls ergibt, kann einen labilen Übergangskomplex erzeu gen. Beispielsweise wird dann, wenn das Redoxpotential eines Os² ^+/3 ⁺-Komplexes nach unten verschoben wird, indem man die Koordinationssphäre verändert, der Komplex labil. Ein derartiger labiler Übergangsmetallkomplex kann unerwünscht sein, wenn man ein Metallkomplexpolymer zur Verwendung als Elektronentransfermediator zurichtet, und kann vermieden werden durch die Verwendung von schwach koordinierenden mehrzähnigen Heterocyclen als Liganden. Wenn ein mehrzähniger Ligand an das Metallion koordiniert ist, ist die freiwerdende Energiemenge sehr viel größer als für einen einzähnigen Liganden, und somit ist der Komplex stabiler, selbst wenn die einzelnen koordinativen Bindungen schwach sind.
Elektrodeninterferenz
Übergangsmetallkomplexe, die als Redoxmediatoren in Elektroden verwendet werden, können durch die Anwesenheit von Übergangsmetallen in der analysierten Probe beeinträchtigt werden, zu denen beispielsweise Fe³⁺ oder Zn²⁺ gehören. Der Zusatz eines Übergangsmetallkations zu einem Puffer, der verwendet wird, um eine Elektrode zu testen, führt zu einer Abnahme des erzeugten Stroms. Der Grad der Abnahme des Stromes hängt von der Anwesenheit von Anionen im Puffer ab, die die Übergangsmetallkationen ausfällen. Je geringer die Restkonzentration an Übergangsmetall in der Probenlösung ist, umso stabiler ist der Strom. Anionen, die die Ausfällung von Übergangsmetallionen unterstützen schließen beispielsweise Phosphat ein. Es wurde gefunden, dass eine Abnahme des Stroms bei der Zugabe von Übergangsmetallkationen in Nicht-Phosphat-Puffer am stärksten ausgeprägt ist. Wenn eine Elektrode aus einem Puffer, der ein Übergangsmetallkation enthält, in einen Puffer überführt wird, der frei von dem Übergangsmetallkation ist, wird der ursprüngliche Strom wieder hergestellt.
Es wird angenommen, dass die Abnahme des Stroms Folge einer zusätzlichen Vernetzung eines pyridinhaltigen Polymerrückgrats ist, die durch die Übergangsmetallkationen hervorgerufen wird. Die Übergangsmetallkationen können Stickstoffatome unterschiedlicher Ketten und Kettensegmente der Polymeren koordinieren. Eine koordinative Vernetzung von Stickstoffatomen von unterschiedlichen Kettensegmenten durch Übergangsmetallkationen kann die Diffusivität von Elektronen vermindern.
Serum und andere physiologische Fluide enthalten Spuren von Übergangsmetallionen, die in die Filme von Elektroden diffundieren können, die mit Redoxpolymeren der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, können die Diffusivität von Elektronen vermindern und auf diese Weise den höchsten Strom, der bei hoher Analytenkonzentration erreicht wird. Zusätzlich können Übergangsmetallionen wie Eisen und Kupfer an Proteine von Enzymen binden und an die Reaktionszentren oder Kanäle von Enzymen, wobei sie deren Umsatzrate vermindern. Die resultierende Abnahme der Empfindlichkeit kann ausgeglichen werden durch die Verwendung von Anionen, die Komplexe mit störenden Übergangsmetallionen bilden, beispielsweise in einem Puffer, der während der Herstellung des Metallkomplexes verwendet wird. Ein nicht-cyclisches Polyphosphat wie beispielsweise Pyrophosphat oder Triphosphat kann verwendet werden. Beispielsweise können nicht-cyclische Natrium- oder Kalium-Polyphosphatpuffer verwendet werden, um diejenigen Anionen im Übergangsmetallkomplex, die Übergangsmetallionen nicht ausfällen, gegen Phosphationen auszutauschen. Die Verwendung von linearen Phosphaten kann die Empfindlichkeitsabnahme dadurch vermindern, dass starke Komplexe mit den schädlichen Übergangsmetallionen ausgebildet werden, was sicherstellt, dass deren Aktivität niedriger ist. Andere Komplexierungsmittel können ebenfalls verwendet werden, solange diese bei dem Potential, auf das die Elekt rode eingestellt ist, nicht elektrooxidiert oder eletroreduziert werden.
Enzymschädigung und deren Behebung
Glucoseoxidase ist ein Flavoproteinenzym, das die Oxidation von D-Glucose durch Sauerstoff zu D-Glucono-1,5-lacton und Wasserstoffperoxid katalysiert. Reduzierte Übergangsmetallionen, wie beispielsweise Fe²⁺ und einige Übergangsmetallkomplexe können mit Wasserstoffperoxid reagieren. Diese Reaktionen bilden zerstörerische OH-Radikale und die entsprechenden oxidierten Kationen. Die Anwesenheit dieser neu gebildeten Übergangsmetallkationen kann das Enzym inhibieren und eine Reaktion mit dem Metallkomplex eingehen. Ferner kann das oxidierte Übergangsmetallkation durch die FADH₂-Zentren eines Enzyms oder durch den Übergangsmetallkomplex reduziert werden.
Inhibierung der aktiven Stelle eines Enzyms oder eines Übergangsmetallkomplexes durch ein Übergangsmetallkation sowie schädigende Reaktionen mit OH-Radikalen können aufgehoben werden, wodurch die Empfindlichkeit und Funktionalität der Elektroden erhöht wird, indem man, wie oben diskutiert, nicht-cyclische Polyphosphate einarbeitet. Da der Polyphosphat/Metallkation-Komplex typischerweise ein hohes (oxidierendes) Redoxpotential aufweist, ist die Geschwindigkeit seiner Oxidation durch Wasserstoffperoxid normalerweise gering. Alternativ kann ein Enzym wie beispielsweise Catalase dazu verwendet werden, Wasserstoffperoxid abzubauen.
BEISPIELE
Wenn nichts anderes angegeben wird, sind alle chemischen Reagenzien erhältlich von Aldrich Chemical Co. (Milwaukee, WI) oder aus anderen Quellen.
Die Synthese von polymeren Übergangsmetallkomplexen kann die Synthese eines Übergangsmetallkomplexes mit einer reaktiven Gruppe einschließen sowie das anschließende Anfügen des Komplexes an ein Polymerrückgrat. In einigen Fällen wird das Polymerrückgrat modifiziert, bevor man den Übergangskomplex anfügt. Die Synthese von einigen Übergangsmetallkomplexen mit einer reaktiven Gruppe ist beschrieben in der PCT-Anmeldung, die als WO 01/36430 veröffentlicht wurde und die am gleichen Tag wie die vorliegende Anmeldung eingereicht wurde. Beispiele für geeignete Übergangsmetallkomplexe für die vorliegende Erfindung sind in Tabelle 2 gezeigt.
Tabelle 2. Redoxpotentiale von ausgewählten Übergangsmetallkomplexen
Beispiel 1 (Bezugsbeispiel)
Synthese von [Os(4,4'-Dimethoxy-2,2'-bipyridyl)₂-(1-(3-aminopropyl)imidazol)]Cl₃:
Eine Suspension von Verbindung A (hergestellt gemäß US-Patent Nr. 5 393 903 , das durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird) (1,52 g) in 11 wasserfreiem Ethanol in einem 3-Hals-Rundkolben mit einem Rückflusskühler wurde mit N₂ 15 min entgast und dann 1h am Rückfluss gekocht. Verbindung B (259 μl) wurde mit einer Spritze innerhalb von 10 min zu gegeben, und die resultierende Lösung wurde 24 h am Rückfluss gekocht. Die dunkelbraune Lösung wurde auf Raumtemperatur abgekühlt, und dann auf etwa 80 ml durch Eindampfen am Rotationsverdampfer konzentriert. Es wurde Ethylether (etwa 400 ml) zugesetzt und die resultierende Mischung wurde 5 min entgast. Nach Stehen bei Raumtemperatur über Nacht wurde der erhaltene dunkelbraune Niederschlag der Verbindung C durch Absaugen abfiltriert. Ausbeute: etwa 1 g.
Quaternisierung von Poly(4-vinylpyridin) mit 6-Bromhexansäure:
Zur Verbindung D(2g), gelöst in DMF, wurde 6-Bromhexansäure (0,56 g) zugesetzt. Die resultierende Lösung wurde bei 90°C 24 h gerührt. Die Lösung wurde in 200 ml EtOAc unter raschem Rühren gegossen. Der Niederschlag wurde durch Absaugen abfiltriert, mit EtOAc (2 × 20 ml) gewaschen und dann unter Hochvakuum bei 50 bis 60°C für 2 Tage getrocknet. NMR (D₆-DMSO) zeigte, dass etwa 15% der Pyridylgruppen in dem Polymer quaternisiert waren. Ausbeute: 2,1 g.
Synthese eines polymeren Oxmiumkomplexes G:
Zu einer Lösung der Verbindung E (71 mg) in 4 ml trockenem DMF wurde O-(N-Succinimidyl)-N,N,N',N'-Tetramethyluroniumtetrafluorborat (TSTU) (24 mg) zugegeben. Nachdem die Lösung 30 min gerührt wurde, wurde N,N,N-Diisopropylethylamin (14 μl) zugegeben und die resultierende Lösung wurde 4 h gerührt. Die Verbindung C wurde auf einmal zugegeben, gefolgt von einer Zugabe von weiteren 14 μl N,N,N-Diisopropylethylamin. Man rührte die Lösung bei Raumtemperatur weitere 24 h weiter. Die dunkelbraune Lösung wurde in 100 ml Ether gegossen. Der Niederschlag wurde durch Absaugen abfiltriert, mit Ether (20 ml) gewaschen und unter Vakuum bei 50°C 24 h getrocknet. Das hohe Produkt wurde mit 30 ml Chloridharz (AG 1x4, Bio-Rad Laboratories, Inc., Hercules, CA) in 50 ml H₂O gemischt, und die resultierende Mischung wurde an der offenen Luft 24 Stunden gerührt. Während das Rühren fortgesetzt wurde, wurde der unlösliche polymere Os(II)-Komplex allmählich durch Luft zu dem wasserlöslichen polymeren Os(III)-Komplex mit Chlorid als Gegenionen oxidiert. Die Mischung wurde durch Absaugen filtriert, und das Filtrat wurde durch wiederholte Ultrafiltration mit H₂O (Ultrafiltrationsmembran von Millipore, Corp., Redford, MA:PM10, NMWL/10.000) dialysiert. Das dialysierte Polymerkonzentrat wurde mit H₂O auf 10 ml verdünnt und dann gefriergetrocknet und lieferte Verbindung G. Ausbeute: 80 mg.
Beispiel 2
Synthese von Verbindung I:
Verbindung H (10% Styrol, Aldrich) (2,37 g) wurde in DMF (20 mL) durch Rühren der Mischung bei 90°C für 3-4 h gelöst. 6-Bromhexansäure (0,66 g) wurde portionsweise über 10 min zugegeben, und die resultierende Lösung wurde bei 90°C für 24 h gerührt. Die Lösung wurde in 300 ml EtOAc gegossen, und der Niederschlag wurde durch Absaugen abfiltriert. Das gummiartige Produkt wurde in einem Minimum Methanol wieder aufgelöst und mit Ether (200 ml) ausgefällt. Das Produkt wurde unter Hochvakuum bei 50°C 2 Tage getrocknet.
Synthese von 2-(6-Methyl-2-pyridyl)imidazol:
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-Dreihals-Rundkolben mit einem Thermometer und einem Zugabetrichter wurde in einem NaCl-Eisbad gerührt. Wenn die Lösung auf unter 5°C abgekühlt war, wurde NH₄OH tropfenweise durch den Zugabetrichter zugegeben. Die Zugabegeschwindigkeit wurde so gesteuert, dass die Temperatur der Lösung unter 5°C gehalten wurde. Nach der Zugabe setzte man das Rühren der gelben Lösung in dem Eisbad 1 h fort und anschließend bei Raumtemperatur über Nacht. Die hellgelben Kristalle wurden durch Absaugen abfiltriert und mit H₂O (200 ml) gewaschen. Die Kristalle wurde in H₂O (200 ml) resuspendiert und kurz aufgekocht, gefolgt von einem Abfiltrieren durch Absaugen, um das Produkt zu sammeln, das unter Hochvakuum getrocknet wurde. Ausbeute: 35%.
Synthese von 2-(6-Methyl-2-pyridyl)-1-(6-phthalimido)-hexyl)imidazol:
Zu einer Lösung von 2-(6-Methyl-2-pyridyl)imidazol (2,16 g) und Natrium-t-butoxid (1,57 g) in 50 ml trockenem DMF wurde N-(6-Bromhexyl)phthalimid (4,72 g) zugegeben. Die resultierende Lösung wurde bei Raumtemperatur 3 h gerührt und dann 3,5 h bei 60°C. Die Lösung wurde in H₂O (80 ml) gegossen und dann dreimal mit EtOAc (3 × 100 ml) extrahiert. Der kombinier te EtOAc-Extrakt wurde mit wasserfreiem Na₂SO₄ getrocknet und dann zum Trocknen eingedampft. Das Produkt wurde über eine Kieselgelsäule gereinigt, wobei EtOAc als Elutionsmittel verwendet wurde. Ausbeute: etwa 4,2 g.
Synthese von 1-(6-Aminohexyl)-2-(6-methyl-2-pyridyl)-imidazol:
Zu einer Lösung von 2-(6-Methyl-2-pyridyl)-1-(6-phthalimido)hexyl)imidazol (4,2 g) in 50 ml EtOH wurden 1,5 ml Hydrazinhydrat zugegeben. Die resultierende Lösung wurde bei 80°C über Nacht gerührt. Die Lösung wurde auf Raumtemperatur abgekühlt und durch Absaugen abfiltriert, um den Niederschlag zu entfernen. Das Filtrat wurde eingedampft und lieferte das Rohprodukt, das mit einer Kieselgelsäule unter Verwendung von 5%ig konzentrierten Na₃H₂O/CH₃CN als Elutionsmittel gereinigt wurde. Ausbeute etwa 2,5 g.
Synthese von 1,1'-Dimethyl-2,2'-biimidazol:
Zu einer gerührten Lösung von 2,2'-Biimidazol (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 Rundkolben, der in einem Eis/Wasser-Bad gekühlt wurde, wurde portionsweise NaH (60% in Mineralöl, 2,7 g, 68,6 mmol) zugegeben. Nachdem die Lösung bei 0°C 1 h unter N₂ gerührt worden war, wurde in kleinen Portionen unter Verwendung einer Spritze innerhalb von 30 min Methyltoluolsulfonat (10,3 ml, 68,6 mmol) zugegeben. Das Rühren der Lösung in dem Eis/Wasser-Bad wurde 1 h fortgesetzt, und dann bei Raumtemperatur für 3 h. Das Lösemittel wurde durch Vakuumdestillation entfernt. Der dunkle Rückstand wurde mit Ether verrieben und dann durch Absaugen filtriert und unter Vakuum getrocknet. Das Produkt wurde durch Sublimation gereinigt. Ausbeute: 80%.
Synthese von [Os(1,1'-Dimethyl-2,2'-biimidazol)₂Cl₂]Cl:
Kaliumhexachloroosmat (1g, 2,08 mmol), 1,1'-Dimethyl-2,2'-biimidazol (0,67 g, 4,16 mmol) und LiCl (1 g, 23,8 mmol) wurden in 40 ml Ethylenglycol in einem 250 ml Dreihals-Rundkolben suspendiert, der mit einem Rückflusskühler ausge rüstet war. Die Suspension wurde mit N₂ für 15 min entgast und dann unter N₂ bei 170°C in einem Ölbad für 7-8 h gerührt, was zu einer dunkelbraunen Lösung führte. Das Lösungsmittel wurde durch Hochvakuumdestillation bei 90-100°C Badtemperatur entfernt. Der gummiartige Feststoff wurde zweimal mit Aceton verrieben (2 × 50 ml) und dann einmal mit H₂O (50 ml). Das Produkt wurde bei 50°C unter Hochvakuum 24 h getrocknet.
Synthese der Verbindung K:
Eine Mischung von [Os(1,1'-Dimethyl-2,2'-biimidazol)₂Cl₂]Cl (0,525 g) und 1-(6-Aminohexyl)-2-(6-methyl-2-pyridyl)imidazol (0,248 g) in 40 ml Ethylenglycol wurde mit N₂ 10 min entgast und dann unter N₂ bei 140°C 24 h gerührt. Ethylenglycol wurde durch Hochvakuumdestillation bei 90°C entfernt. Der Rückstand wurde in 150 ml H₂O aufgelöst, und die resultierende Lösung wurde an der offenen Luft 24 h gerührt, um eine vollständige Oxidation von Os(II) zu Os(III) zu ermöglichen. Die Lösung wurde in eine rasch gerührte Lösung von NH₄PF₆ (4,2 g) in 100 ml H₂O gegossen. Der Niederschlag wurde durch Absaugen abfiltriert und mit H₂O (2 × 10 ml) gewaschen. Das Rohprodukt wurde in 15 ml CH₃CN wieder aufgelöst, und dann zu einer gerührten Lösung von NH₄PF₆ (2,2 g) in 200 ml H₂O zugegeben. Der erhaltene Niederschlag wurde unter Absaugen abfiltriert, mit H₂O (10 ml) gewaschen und dann unter Hochvakuum bei 45°C getrocknet. Ausbeute: etwa 0,6 g.
Synthese von Verbindung L:
Der polymere Osmiumkomplex wurde synthetisiert aus Polymer I und Komplex K unter Verwendung des Verfahrens, das oben für die Verbindung G beschrieben wurde.
Beispiel 3
Synthese von 4-Brom-2,2'-bipyridyl-N-oxid:
Zu 4-Nitro-2,2'-bipyridyl-N-oxid (Wenkert, D.; Woodward, R.B. J. Org. chem. 48, 283 (1983)) (5 g) gelöst in 30 ml Essigsäure in einem 100 ml Rundkolben wurden 16 ml Acetylbromid zugegeben. Die gelbe Mischung wurde am Rückfluss 1,5 h gekocht und dann am Rotationsverdampfer zur Trockne eingedampft. Der erhaltene hellgelbe Feststoff war ausreichend rein für die nächste Stufe ohne weitere Reinigung. Ausbeute: 95%.
Synthese von 4-Brom-2,2'-bipyridyl:
Zu einer gerührten Lösung von 4-Brom-2,2'-bipyridyl-N-oxid in 60 ml CHCl₃ wurden 12 ml PCl₃ bei Raumtemperatur zugegeben. Die Mischung wurde 2 h unter N₂ am Rückfluss gekocht und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Reaktionsmischung wurde in 100 ml Eis/Wasser gegossen. Die wässrige Schicht wurde abgetrennt und aufbewahrt. Die CHCl₃-Schicht wurde dreimal mit H₂O (3 × 60 ml) extrahiert und dann verworfen. Die kombinierte wässrige Lösung wurde mit NaHCO₃-Pulver auf etwa pH 7-8 neutralisiert. Der resultierende weiße Niederschlag wurde durch Absaugen abfiltriert, mit H₂O (30 ml) gewaschen und dann unter Vakuum bei 50°C 24 h getrocknet. Ausbeute: 85%.
Synthese von 4-((6-Aminohexyl)amino)-2,2'-bipyridin:
Eine Mischung von 4-Brom-2,2'-bipyridyl (2,5 g) und 1,6-Diaminohexan (15 g) in einem 250 ml Rundkolben wurde unter N₂ 4-5 h in einem Ölbad auf 140°C erhitzt. Überschüssiges 1,6-Diaminohexan wurde durch Hochvakuumdestillation bei 90-120°C entfernt. Das Produkt wurde über eine Kieselgelsäure gereinigt, wobei mit 5% NH₄OH in Isopropylalkohol eluiert wurde. Ausbeute: 70%.
Synthese der Verbindung N:
Die Verbindung N wurde hergestellt aus 4-((6-Aminohexyl)amino)-2,2'-bipyridin und [Os(1,1'-dimethyl-2,2'-biimidazol)₂Cl₂]Cl, unter Anwendung des Verfahrens, das für Verbindung K beschrieben wurde.
Synthese der Verbindung O:
Zu einer Lösung der Verbindung M (37 mg, International Specialty Products, Wayne, NJ, USA) in 2 ml CH₃CN und 0,5 ml THF wurde Verbindung N (51 mg) zugesetzt, gefolgt von der Zugabe von zwei Tropfen N,N,N-Diisopropylethylamin. Die resultierende Lösung wurde bei Raumtemperatur 24 h gerührt. Es wurde H₂O (5 ml) zugesetzt, und die Lösung wurde weitere 24 h gerührt. Die Lösung wurde mit mehr H₂O (5 ml) verdünnt und, wie oben für die Reinigung von Verbindung G beschrieben, durch wiederholte Ultrafiltration dialysiert. Die dialysierte Lösung wurde gefriergetrocknet und lieferte Verbindung O.
Die vorliegende Erfindung sollte nicht als auf die oben beschriebenen speziellen Beispiele beschränkt angesehen werden, sondern es sollte sich stattdessen verstehen, dass sie alle Aspekte der Erfindung abdeckt, soweit diese in den nachfolgenden Ansprüchen klar zum Ausdruck kommen. Verschiedene Modifikationen, äquivalente Verfahren sowie zahlreiche Strukturen, auf die die vorliegende Erfindung anwendbar sein kann, ergeben sich für einen Fachmann, an den sich die Erfindung richtet, sofort auf einfache Weise, und zwar bei einer Durchsicht der vorliegenden Beschreibung.

Claims

Polymerer Übergangsmetallkomplex, der umfasst: ein polymeres Rückgrat, eine Vielzahl von Spacern, wobei jeder Spacer kovalent an das polymere Rückgrat gekoppelt ist und sich davon wegerstreckt, wobei jeder Spacer wenigstens eine nichtcyclische funktionelle Gruppe aufweist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus -(CR^rR^s)-, -O-, -S-, -C(O)O-, -S(O)₂NR^k, -OC(O)NR^m-, -OC(S)NRⁿ, -C(O)NR^t-, -NR^u-, -CR^v=N-O-, -CR^w=NNR^x- und -(SiR^yR^z)-, wobei R^r und R^s unabhängig voneinander Wasserstoff, Chlor, Fluor oder substituiertes oder unsubstituiertes Alkyl, Alkoxy, Alkenyl oder Alkinyl sind und R^k, R^m, Rⁿ, R^t, R^u, R^v, R^w, R^x, R^y und R^z unabhängig voneinander Wasserstoff oder substituiertes oder unsubstituiertes Alkyl sind; und eine Vielzahl von Übergangsmetallkomplexen, wobei jeder Übergangsmetallkomplex die Formel aufweist:
wobei M Osmium ist; L¹ ein Ligand ist, der einen Heterocyclus umfasst und koordinativ über ein Heteroatom des Heterocyclus an M gebunden ist; L², L³, L⁴, L⁵ und L⁶ jeweils ein Ligand sind, der einen stickstoffhaltigen Heterocyclus umfasst, wobei jeder von L¹, L², L³, L⁴, L⁵ und L⁶ unabhängig voneinander ein einzähniger Ligand ist oder mit wenigstens einem anderen Liganden unter Bildung eines vielzähnigen Liganden kombiniert ist; und wobei wenigstens einer von L¹, L², L³, L⁴, L⁵ und L⁶ kovalent an einen der Spacer gekoppelt ist.
Polymerer Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 1, wobei der Heterocyclus von L¹ einen stickstoffhaltigen Heterocyclus umfasst und koordinativ über ein Stickstoffatom des Heterocyclus an M gebunden ist.
Polymerer Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 2, wobei der stickstoffhaltige Heterocyclus ein substituiertes oder unsubstituiertes Pyridin, Imidazol, 2,2'-Bipyridine, 2-(2-Pyridyl)imidazol oder 2,2'-Biimidazole ist.
Polymerer Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 1, wobei wenigstens zwei von L¹, L², L³, L⁴, L⁵ und L⁶ unter Bildung wenigstens eines vielzähnigen Liganden kombiniert sind.
Polymerer Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 1, wobei wenigstens vier von L¹, L², L³, L⁴, L⁵ und L⁶ unter Bildung von wenigstens zwei vielzähnigen Liganden kombiniert sind.
Polymerer Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 1, wobei wenigstens vier von L¹, L², L³, L⁴, L⁵ und L⁶ unter Bildung von wenigstens zwei vielzähnigen Liganden kombiniert sind, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus substitutierten und unsubstituierten 2,2'-Bipyridinen, 2-(2-Pyridyl)imidazolen und 2,2'-Biimidazolen.
Polymerer Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 6, wobei the Übergangsmetallkomplex wenigstens ein substituiertes oder unsubstituiertes 2,2'-Biimidazol oder 2-(2-Pyridyl)imidazol umfasst.
Polymerer Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 1, wobei der Spacer eine flexible Kette von wenigstens vier Atomen umfasst.
Polymerer Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 1, wobei der polymere Übergangsmetallkomplex ein gewichtsmittleres Molekulargewicht von wenigstens 5000 Dalton aufweist.
Polymerer Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 1, wobei jeder Spacer wenigstens vier nichtcyclische funktionelle Gruppen umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus -(CR^rR^s)-, -O-, -S-, -S(O)₂NR^k-, -OC(O)NR^m-, -OC(S)NRⁿ, -C(O)NR^t- und -NR^u-, wobei R^k, R^m, Rⁿ, R^r, R^s, R^t und R^u unabhängig voneinander aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus Wasserstoff und substituiertem oder unsubstituiertem Alkyl.
Polymerer Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 1, wobei jeder Spacer außerdem einen Heterocyclus umfasst.
Polymerer Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 11, wobei wenigstens eine nichtcyclische funktionelle Gruppe des Spacers zwischen dem Heterocyclus des Spacers und dem Übergangsmetallkomplex angeordnet ist.
Polymerer Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 1, wobei der polymere Übergangsmetallkomplex ein Redoxpotential aufweist, das relativ zu einer SCE (Standard-Kalomel-Elektrode) Referenzelektrode +150 mV negativ beträgt.
Polymerer Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 1, wobei the Übergangsmetallkomplex die Formel aufweist:
wobei M Osmium ist; R₁ und R₂ unabhängig voneinander substituiertes oder unsubstituiertes Alkyl sind; R₃, R₄, R₅ und R₆ unabhängig voneinander -H, -F, -Cl, -Br oder substituiertes oder unsubstituiertes C1 bis C12 Alkyl sind; c eine ganze Zahl ist, die ausgewählt ist aus –1 bis –5 oder +1 bis +5 und eine positive oder negative Ladung anzeigt; X wenigstens ein Gegenion darstellt; und d eine ganze Zahl von 1 bis 5 ist, die die Zahl der Gegenionen X angibt.
Polymerer Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 1, wobei der Übergangsmetallkomplex die Formel aufweist:
wobei M Osmium ist, R'₁ substituiertes oder unsubstituiertes Alkyl ist; R'₃ und R'₄ unabhängig voneinander -H, -F, -Cl, -Br oder substituiertes oder unsubstituiertes C1 bis C12 Alkyl sind; R_a, R_b, R_c und R_d unabhängig voneinander -H, -F, -Cl, -Br, -CN, -CO₂H, -SO₃H, -NO₂, -NH₂, -NHNH₂, -SH oder substituiertes oder unsubstituiertes C1 bis C12 Alkylamino, C2 bis C24 Dialkylamino, C1 bis C12 Alkoxy oder C1 bis C12 Alkyl sind; c eine ganze Zahl ist, die ausgewählt ist aus –1 bis –5 oder +1 bis +5 und eine positive oder negative Ladung anzeigt, X wenigstens ein Gegenion darstellt; und d eine ganze Zahl von 1 bis 5 ist, die die Zahl der Gegenionen X angibt.
Polymerer Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 1, wobei der Übergangsmetallkomplex die Formel aufweist:
wobei M Osmium ist; R₁₈ und R₂₁ unabhängig voneinander -H, -F, -Cl, -Br, -CN, -CO₂H, -OH, -SO₃H, -NO₂, -NH₂, -NHNH₂, -SH oder substituiertes oder unsubstituiertes C1 bis C12 Alkylamino, C2 bis C24 Dialkylamino, C1 bis C12 Alkoxy oder C1 bis C12 Alkyl sind; R₁₆, R₁₇, R₁₉, R₂₀, R₂₂ und R₂₃ unabhängig voneinander -H oder substitutiertes oder unsubstituiertes C1 bis C12 Alkyl sind; c eine ganze Zahl ist, die ausgewählt ist aus –1 bis –5 oder +1 bis +5 und eine positive oder negative Ladung anzeigt; X wenigstens ein Gegenion darstellt; und d eine ganze Zahl von 1 bis 5 ist, die die Zahl der Gegenionen X angibt.
Polymerer Übergangsmetallkomplex, der ein Reaktionsprodukt umfasst von a) einem Polymer mit einem polymeren Rückgrat und einer Vielzahl von anhängenden Gruppen, die sich von dem polymeren Rückgrat wegerstrecken, wobei wenigstens ein Teil der anhängenden Gruppen eine reaktive Gruppe aufweist; und b) einer Vielzahl von Übergangsmetallkomplexen, wobei jeder Übergangsmetallkomplex die Formel aufweist:
wobei M Osmium ist, L¹ ein Ligand ist, der einen Heterocyclus aufweist und koordinativ über ein Heteroatom des Heterocyclus an M gebunden ist; L², L³, L⁴, L⁵ und L⁶ jeweils ein Ligand sind, der einen stickstoffhaltigen Heterocyclus aufweist, wobei jeder von L¹, L², L³, L⁴, L⁵ und L⁶ unabhängig voneinander ein einzähniger Ligand ist oder unter Bildung eines vielzähnigen Liganden kombiniert ist; und wobei wenigstens einer von L¹, L², L³, L⁴, L⁵ und L⁶ eine reaktive Gruppe aufweist, die in der Lage ist, mit einer oder mehreren der reaktiven Gruppen des Polymers zu reagieren.
Polymerer Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 17, wobei ein Teil der anhängenden Gruppen nicht an den Übergangsmetallkomplex gekoppelt sind.
Polymerer Übergangsmetallkomplex, der umfasst: ein polymeres Rückgrat; eine Vielzahl von Spacern, wobei jeder Spacer kovalent an das polymere Rückgrat gekoppelt ist und sich von diesem wegerstreckt, wobei jeder Spacer eine flexible Kette von wenigstens vier Atomen aufweist; eine Vielzahl von Übergangsmetallkomplexen, wobei jeder Übergangsmetallkomplex die Formel aufweist:
wobei M Osmium ist; L¹ ein Ligand ist, der einen Heterocyclus aufweist und koordinativ über ein Heteroatom des Heterocyclus an M gebunden ist; L², L³, L⁴, L⁵ und L⁶ jeweils ein Ligand sind, der einen stickstoffhaltigen Heterocyclus umfasst, wobei jeder von L¹, L², L³, L⁴, L⁵ und L⁶ unabhängig voneinander ein einzähniger Ligand ist oder mit wenigstens einem anderen Liganden unter Bildung von einem oder mehreren vielzähnigen Liganden kombiniert ist; und wobei wenigstens einer von L¹, L², L³, L⁴, L⁵ und L⁶ kovalent an einen der Spacer gekoppelt ist.
Polymerer Übergangsmetallkomplex nach Anspruch 19, wobei die flexible Kette eine flexible Kette von wenigstens acht Atomen ist.
Redoxmediator, der einen polymeren übergangsmetallkomplex nach einem der Ansprüche 1 bis 20 umfasst.
Sensor, der aufweist: eine Arbeitselektrode; eine Gegenelektrode; und einen Redoxmediator nach Anspruch 21, der nahe an der Arbeitselektrode angeordnet ist.