Polyethylenglycol

Strukturformel ⓘ
n ≈ 5 bis 900
Allgemeines
Name	Polyethylenglycol
Andere Namen	Polyäthylenglykol PEG Macrogol PEO E 1521 PEG-800 (INCI) (PEG mit 800 EO-Einheiten)
CAS-Nummer	25322-68-3
Monomer	Ethylenglycol (formal) Ethylenoxid (praktisch)
Summenformel der Wiederholeinheit	C2H4O
Molare Masse der Wiederholeinheit	44,03 g·mol−1
ATC-Code	A06AD15
Eigenschaften
Aggregatzustand	flüssig (Molmasse bis etwa 600 g·mol−1) fest (Molmasse ab etwa 600 g·mol−1)
Löslichkeit	wasserlöslich
Sicherheitshinweise
Bitte die Befreiung von der Kennzeichnungspflicht für Arzneimittel, Medizinprodukte, Kosmetika, Lebensmittel und Futtermittel beachten GHS-Gefahrstoffkennzeichnung keine GHS-Piktogramme H- und P-Sätze H: keine H-Sätze P: keine P-Sätze
Toxikologische Daten	600  mg·kg−1 (LD50, Ratte, oral) > 20 000  mg·kg−1 (LD50, Kaninchen, transdermal)
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Polyethylenglycol, kurz PEG, auch (veraltet) Polyäthylenglykol und in der Pharmazie auch Macrogol, ist ein – je nach Kettenlänge – flüssiges oder festes, wasserlösliches und nichttoxisches Polymer mit der allgemeinen Summenformel C_2nH_4n+2O_n+1. Wegen dieser Eigenschaften wird es in der Medizin, als Wirkstoffträger in der Pharmazie, in industriellen Anwendungen, in der zellbiologischen Forschung und in Kosmetikprodukten eingesetzt. PEG hat – je nach Kettenlänge und daraus resultierender molarer Masse – unterschiedliche Eigenschaften. Die Wiederholeinheit des linear aufgebauten Polymers ist (–CH₂–CH₂–O–), mit einer molaren Masse von etwa 44 g·mol⁻¹. Chemisch handelt es sich um einen Polyether. ⓘ

Polyethylenglykol ⓘ

Bezeichnungen
IUPAC-Namen Poly(oxyethylen) {Struktur-basiert}, Poly(ethylenoxid) {Quellen-basiert}
Andere Namen Kollisolv, Carbowax, GoLYTELY, GlycoLax, Fortrans, TriLyte, Colyte, Halflytely, macrogol, MiraLAX, MoviPrep
Bezeichner
CAS-Nummer	25322-68-3
Abkürzungen	PEG
ChEMBL	ChEMBL1201478
ChemSpider	keine
UNII	3WJQ0SDW1A
Eigenschaften
Chemische Formel	C2nH4n+2On+1
Molare Masse	44,05n + 18,02 g/mol
Dichte	1.125
Pharmakologie
ATC-Code	A06AD15 (WHO)
Gefahren
Flammpunkt	182-287 °C; 360-549 °F; 455-560 K
Wenn nicht anders angegeben, gelten die Daten für Materialien im Standardzustand (bei 25 °C [77 °F], 100 kPa).  verifizieren (was ist  ?) Infobox Referenzen

Polyethylenglykol (PEG; /ˌpɒliˈɛθəlˌiːn ˈɡlaɪˌkɒl, -ˈɛθɪl-, -ˌkɔːl/) ist eine aus Erdöl gewonnene Polyetherverbindung mit zahlreichen Anwendungen, von der industriellen Fertigung bis zur Medizin. PEG ist auch als Polyethylenoxid (PEO) oder Polyoxyethylen (POE) bekannt, je nach Molekulargewicht. Die Struktur von PEG wird üblicherweise als H-(O-CH₂-CH₂)n-OH dargestellt. ⓘ

Verwendungen

Medizinische Anwendungen

• PEG in pharmazeutischer Qualität wird als Hilfsstoff in vielen pharmazeutischen Produkten in oralen, topischen und parenteralen Darreichungsformen verwendet.
• PEG ist die Grundlage für eine Reihe von Abführmitteln (wie MiraLax). Darmspülungen mit Polyethylenglykol und zugesetzten Elektrolyten werden zur Vorbereitung des Darms vor Operationen oder Darmspiegelungen verwendet.
• PEG wird in Medikamenten zur Behandlung von Disimpaktionen und zur Erhaltungstherapie bei Kindern mit Verstopfung eingesetzt.
• Polyethylenglykol geeigneter Länge, das an verschiedene Proteinmedikamente oder Medikamententräger gebunden ist, verlangsamt deren Ausscheidung aus dem Blut.
• Forscher, die sich mit Verletzungen der peripheren Nerven und des Rückenmarks befassen, untersuchen die Möglichkeit, dass PEG zur Fixierung von Axonen verwendet werden könnte.
• Ein Beispiel für den Einsatz von PEG-Hydrogelen (siehe Abschnitt Biologische Anwendungen) in der Therapie wurde von Ma et al. vorgeschlagen. Sie schlagen vor, das Hydrogel zur Behandlung von Parodontitis (Zahnfleischerkrankung) einzusetzen, indem Stammzellen in das Gel eingekapselt werden, die die Heilung des Zahnfleischs fördern. Das Gel und die eingekapselten Stammzellen sollten an den Ort der Erkrankung injiziert und vernetzt werden, um die für die Funktion der Stammzellen erforderliche Mikroumgebung zu schaffen.
• Die PEGylierung von Adenoviren für die Gentherapie kann dazu beitragen, unerwünschte Reaktionen aufgrund einer bereits bestehenden Immunität gegen Adenoviren zu vermeiden.
• Ein PEGyliertes Lipid wird sowohl in den Moderna- als auch in den Pfizer-BioNTech-Impfstoffen gegen SARS-CoV-2 als Hilfsstoff verwendet. Beide RNA-Impfstoffe bestehen aus Boten-RNA (mRNA), die in einer Blase aus öligen Molekülen, den Lipiden, eingeschlossen ist. Für beide Impfstoffe wird eine proprietäre Lipidtechnologie verwendet. Bei beiden Impfstoffen sind die Blasen mit einem stabilisierenden Molekül aus Polyethylenglykol beschichtet. Seit Dezember 2020 besteht die Sorge, dass PEG allergische Reaktionen auslösen könnte, und tatsächlich haben allergische Reaktionen sowohl die britischen als auch die kanadischen Aufsichtsbehörden dazu veranlasst, eine Empfehlung herauszugeben, in der festgestellt wird, dass "zwei Personen in Großbritannien wegen eines anaphylaktischen Schocks behandelt wurden und sich erholt haben". Mit Stand vom 18. Dezember erklärte die US-amerikanische Gesundheitsbehörde CDC, dass in ihrem Zuständigkeitsbereich bei mehr als 250 000 Impfungen sechs Fälle von "schweren allergischen Reaktionen" aufgetreten seien, und von diesen sechs Personen habe nur eine eine "Vorgeschichte mit Impfreaktionen". ⓘ

Chemische Anwendungen

Die Überreste der Karkasse Mary Rose aus dem 16. Jahrhundert, die in den 1980er Jahren einer konservierenden Behandlung mit PEG unterzogen wurden ⓘ

Terrakotta-Krieger, der noch Spuren der ursprünglichen Farbe aufweist ⓘ

• Da PEG ein hydrophiles Molekül ist, wurde es zur Passivierung von Objektträgern aus Mikroskopglas verwendet, um ein unspezifisches Anhaften von Proteinen bei Einzelmolekül-Fluoreszenzstudien zu verhindern.
• Polyethylenglykol hat eine geringe Toxizität und wird in einer Vielzahl von Produkten verwendet. Das Polymer wird als schmierende Beschichtung für verschiedene Oberflächen in wässrigen und nicht-wässrigen Umgebungen verwendet.
• Da PEG ein flexibles, wasserlösliches Polymer ist, kann damit ein sehr hoher osmotischer Druck erzeugt werden (in der Größenordnung von mehreren zehn Atmosphären). Außerdem ist es unwahrscheinlich, dass es spezifische Wechselwirkungen mit biologischen Chemikalien eingeht. Diese Eigenschaften machen PEG zu einem der nützlichsten Moleküle für die Anwendung des osmotischen Drucks bei Experimenten in der Biochemie und bei Biomembranen, insbesondere bei der Anwendung der Technik des osmotischen Stresses.
• Polyethylenglykol wird auch häufig als polare stationäre Phase für die Gaschromatographie sowie als Wärmeübertragungsflüssigkeit in elektronischen Prüfgeräten verwendet.
• PEG wird häufig zur Konservierung von wassergesättigtem Holz und anderen organischen Artefakten verwendet, die aus archäologischen Unterwasserfunden geborgen wurden, wie im Fall des Kriegsschiffs Vasa in Stockholm und in ähnlichen Fällen. Es ersetzt das Wasser in Holzobjekten, macht das Holz formstabil und verhindert das Verziehen oder Schrumpfen des Holzes beim Trocknen. Außerdem wird PEG bei der Arbeit mit grünem Holz als Stabilisator und zur Verhinderung des Schwindens verwendet.
• PEG wurde verwendet, um die bemalten Farben auf Terrakotta-Kriegern zu konservieren, die in einer UNESCO-Welterbestätte in China ausgegraben wurden. Diese bemalten Artefakte wurden während der Ära von Qin Shi Huang (erster Kaiser von China) geschaffen. Innerhalb von 15 Sekunden, nachdem die Terrakottastücke bei Ausgrabungen ausgegraben wurden, beginnt sich der Lack unter der Farbe zu wölben, nachdem er der trockenen Luft in Xi'an ausgesetzt war. Die Farbe würde dann innerhalb von etwa vier Minuten abblättern. Das deutsche Bayerische Landesamt für Denkmalpflege hat ein PEG-Konservierungsmittel entwickelt, das bei sofortiger Anwendung auf ausgegrabene Artefakte dazu beiträgt, die auf die Tonsoldaten gemalten Farben zu erhalten.
• PEG wird häufig (als interne Kalibrierungsverbindung) in massenspektrometrischen Experimenten verwendet, da sein charakteristisches Fragmentierungsmuster eine genaue und reproduzierbare Abstimmung ermöglicht.
• PEG-Derivate, wie z. B. Ethoxylate mit geringer Bandbreite, werden als Tenside verwendet.
• PEG wurde als hydrophiler Block von amphiphilen Blockcopolymeren verwendet, die zur Herstellung einiger Polymersomen eingesetzt werden.
• PEG ist ein Bestandteil des Treibmittels der UGM-133M Trident II-Raketen, die von der US-Marine eingesetzt werden. ⓘ

Biologische Verwendungen

• PEG kann modifiziert und zu einem Hydrogel vernetzt werden, um die Umgebung der extrazellulären Matrix (ECM) für die Verkapselung von Zellen und für Studien zu imitieren.
  • Eine Beispielstudie wurde mit PEG-Diacrylat-Hydrogelen durchgeführt, um eine vaskuläre Umgebung nachzubilden, in der Endothelzellen und Makrophagen eingekapselt sind. Dieses Modell förderte die Modellierung von Gefäßerkrankungen und isolierte die Auswirkungen des Makrophagen-Phänotyps auf die Blutgefäße.
• PEG wird in der Regel als Crowding-Agent in In-vitro-Tests verwendet, um stark überfüllte zelluläre Bedingungen zu imitieren.
• PEG wird häufig als Fällungsmittel für die Isolierung von Plasmid-DNA und die Proteinkristallisierung verwendet. Die Röntgenbeugung von Proteinkristallen kann die atomare Struktur der Proteine aufzeigen.
• PEG wird verwendet, um zwei verschiedene Zelltypen zu verschmelzen, meist B-Zellen und Myelome, um Hybridome zu erzeugen. Diese Technik wurde von César Milstein und Georges J. F. Köhler entwickelt, die sie für die Herstellung von Antikörpern einsetzten und 1984 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin erhielten.
• Von PEG-Polyolen abgeleitete Polymersegmente verleihen Polyurethanen Flexibilität für Anwendungen wie Elastomerfasern (Spandex) und Schaumstoffkissen.
• In der Mikrobiologie wird die PEG-Fällung verwendet, um Viren zu konzentrieren. PEG wird auch verwendet, um eine vollständige Fusion (Vermischung der inneren und äußeren Fächer) in in vitro rekonstituierten Liposomen zu bewirken.
• Gentherapievektoren (z. B. Viren) können mit PEG beschichtet werden, um sie vor der Inaktivierung durch das Immunsystem zu schützen und sie aus Organen zu entfernen, in denen sie sich ansammeln und eine toxische Wirkung haben könnten. Es hat sich gezeigt, dass die Größe des PEG-Polymers eine wichtige Rolle spielt, wobei größere Polymere den besten Immunschutz bieten.
• PEG ist ein Bestandteil von stabilen Nukleinsäure-Lipidpartikeln (SNALPs), die zur Verpackung von siRNA für die Verwendung in vivo verwendet werden.
• In der Blutbank wird PEG als Potenzierungsmittel eingesetzt, um den Nachweis von Antigenen und Antikörpern zu verbessern.
• Bei der Arbeit mit Phenol im Labor kann PEG 300 auf Hautverbrennungen mit Phenol verwendet werden, um Phenolreste zu deaktivieren.
• In der Biophysik sind Polyethylenglykole die Moleküle der Wahl für die Untersuchung des Durchmessers funktionierender Ionenkanäle, da sie in wässrigen Lösungen eine kugelförmige Form haben und die Leitfähigkeit von Ionenkanälen blockieren können. ⓘ

Kommerzielle Anwendungen

• PEG ist die Grundlage vieler Hautcremes (als Cetomacrogol) und Gleitmittel (häufig in Kombination mit Glycerin).
• PEG wird in einer Reihe von Zahnpasten als Dispersionsmittel verwendet. In dieser Anwendung bindet es Wasser und trägt dazu bei, dass sich das Xanthangummi gleichmäßig in der Zahnpasta verteilt.
• PEG wird auch für die Verwendung in Körperpanzern und in Tätowierungen zur Überwachung von Diabetes untersucht.
• In niedermolekularen Formulierungen (z. B. PEG 400) wird es in Designjet-Druckern von Hewlett-Packard als Tintenlöser und Schmiermittel für die Druckköpfe verwendet.
• PEG wird auch als Antischaummittel in Lebensmitteln und Getränken verwendet - seine INS-Nummer lautet 1521 oder E1521 in der EU. ⓘ

Industrielle Verwendungen

• Ein Nitratester-weichgemachtes Polyethylenglykol (NEPE-75) wird im Treibstoff für ballistische U-Boot-Raketen vom Typ Trident II verwendet.
• PEG-Dimethylether sind der Hauptbestandteil von Selexol, einem Lösungsmittel, das in Kohlekraftwerken mit integrierter Vergasung (IGCC) zur Entfernung von Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff aus dem Synthesegasstrom verwendet wird.
• PEG wurde als Gate-Isolator in einem elektrischen Doppelschichttransistor verwendet, um Supraleitfähigkeit in einem Isolator zu erzeugen.
• PEG wird auch als Polymerwirt für feste Polymerelektrolyte verwendet. Obwohl sie noch nicht kommerziell hergestellt werden, forschen viele Gruppen weltweit an festen Polymerelektrolyten, die PEG enthalten, mit dem Ziel, ihre Eigenschaften zu verbessern und ihre Verwendung in Batterien, elektrochromen Displaysystemen und anderen Produkten in der Zukunft zu ermöglichen.
• PEG wird in industrielle Prozesse eingespritzt, um die Schaumbildung in Trennanlagen zu verringern.
• PEG wird als Bindemittel bei der Herstellung technischer Keramiken verwendet.
• PEG wurde als Zusatz zu fotografischen Silberhalogenid-Emulsionen verwendet. ⓘ

Verwendung in der Unterhaltung

• PEG wird verwendet, um die Größe und Haltbarkeit von sehr großen Seifenblasen zu verlängern.
• PEG ist der Hauptbestandteil vieler Körperschmiermittel. (Nicht zu verwechseln mit Propylenglykol.)
• PEG ist der Hauptbestandteil der Farbe (bekannt als "Füllung") in Paintballs. ⓘ

Gesundheitliche Auswirkungen

PEG wird von der FDA als biologisch inert und sicher eingestuft. ⓘ

Es gibt jedoch immer mehr Belege dafür, dass bei etwa 72 % der Bevölkerung, die nie mit PEG-haltigen Arzneimitteln behandelt wurden, anhand von Plasmaproben aus den Jahren 1990 bis 1999 eine nachweisbare Menge von Anti-PEG-Antikörpern vorhanden ist. Aufgrund der Allgegenwart von PEG in einer Vielzahl von Produkten und des großen Anteils der Bevölkerung mit Antikörpern gegen PEG sind Überempfindlichkeitsreaktionen auf PEG ein zunehmendes Problem. Eine Allergie gegen PEG wird in der Regel entdeckt, nachdem bei einer Person eine Allergie gegen eine wachsende Zahl scheinbar nicht verwandter Produkte diagnostiziert wurde, darunter verarbeitete Lebensmittel, Kosmetika, Arzneimittel und andere Stoffe, die PEG enthalten oder mit PEG hergestellt wurden. ⓘ

Verfügbare Formen und Nomenklatur

PEG, PEO und POE beziehen sich auf ein Oligomer oder Polymer von Ethylenoxid. Die drei Bezeichnungen sind chemisch gesehen synonym, aber historisch gesehen wird PEG im biomedizinischen Bereich bevorzugt, während PEO im Bereich der Polymerchemie weiter verbreitet ist. Da für verschiedene Anwendungen unterschiedliche Polymerkettenlängen erforderlich sind, bezieht sich die Bezeichnung PEG in der Regel auf Oligomere und Polymere mit einer Molekülmasse unter 20.000 g/mol, PEO auf Polymere mit einer Molekülmasse über 20.000 g/mol und POE auf Polymere mit beliebiger Molekülmasse. PEG werden durch Polymerisation von Ethylenoxid hergestellt und sind in einem breiten Molekulargewichtsbereich von 300 g/mol bis 10.000.000 g/mol im Handel erhältlich. ⓘ

PEG und PEO sind je nach ihrem Molekulargewicht flüssig oder niedrig schmelzende Feststoffe. Während PEG und PEO mit unterschiedlichen Molekulargewichten in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden und aufgrund von Kettenlängeneffekten unterschiedliche physikalische Eigenschaften (z. B. Viskosität) aufweisen, sind ihre chemischen Eigenschaften nahezu identisch. Je nach dem für den Polymerisationsprozess verwendeten Initiator sind auch verschiedene Formen von PEG erhältlich - der gebräuchlichste Initiator ist ein monofunktioneller Methylether PEG oder Methoxypoly(ethylenglykol), abgekürzt mPEG. PEGs mit geringerem Molekulargewicht sind auch als reinere Oligomere erhältlich, die als monodispers, einheitlich oder diskret bezeichnet werden. Kürzlich wurde nachgewiesen, dass PEG in sehr hoher Reinheit kristallin ist, was die Bestimmung der Kristallstruktur durch Röntgenkristallographie ermöglicht. Da die Reinigung und Abtrennung reiner Oligomere schwierig ist, beträgt der Preis für diese Qualität oft das 10-1000-fache des Preises für polydisperses PEG. ⓘ

PEG sind auch mit unterschiedlichen Geometrien erhältlich.

• Verzweigte PEGs haben drei bis zehn PEG-Ketten, die von einer zentralen Kerngruppe ausgehen.
• Stern-PEGs haben 10 bis 100 PEG-Ketten, die von einer zentralen Kerngruppe ausgehen.
• Kamm-PEGs haben mehrere PEG-Ketten, die normalerweise auf ein Polymergerüst aufgepfropft sind. ⓘ

Die Zahlen, die häufig in den Namen von PEGs enthalten sind, geben ihr durchschnittliches Molekulargewicht an (z. B. hätte ein PEG mit n = 9 ein durchschnittliches Molekulargewicht von etwa 400 Dalton und würde als PEG 400 bezeichnet). Die meisten PEG enthalten Moleküle mit einer Verteilung der Molekulargewichte (d. h. sie sind polydispers). Die Größenverteilung lässt sich statistisch durch das gewichtsmittlere Molekulargewicht (Mw) und das zahlenmittlere Molekulargewicht (Mn) charakterisieren, deren Verhältnis als Polydispersitätsindex (ĐM) bezeichnet wird. Mw und Mn können durch Massenspektrometrie gemessen werden. ⓘ

Unter PEGylierung versteht man die kovalente Kopplung einer PEG-Struktur an ein anderes größeres Molekül, z. B. ein therapeutisches Protein, das dann als PEGyliertes Protein bezeichnet wird. PEGyliertes Interferon alfa-2a oder alfa-2b wird häufig zur Behandlung von Hepatitis-C-Infektionen injiziert. ⓘ

PEG ist löslich in Wasser, Methanol, Ethanol, Acetonitril, Benzol und Dichlormethan und unlöslich in Diethylether und Hexan. Es wird an hydrophobe Moleküle gekoppelt, um nichtionische Tenside zu erzeugen. ⓘ

PEG enthalten potenziell giftige Verunreinigungen, wie Ethylenoxid und 1,4-Dioxan. Ethylenglykol und seine Ether sind nephrotoxisch, wenn sie auf geschädigte Haut aufgetragen werden. ⓘ

Polyethylenoxid (PEO, M_w 4 kDa) nanometrische Kristallite (4 nm) ⓘ

PEG und verwandte Polymere (PEG-Phospholipid-Konstrukte) werden bei der Verwendung in biomedizinischen Anwendungen häufig beschallt. Wie von Murali et al. berichtet, ist PEG jedoch sehr empfindlich gegenüber sonolytischem Abbau und PEG-Abbauprodukte können für Säugetierzellen toxisch sein. Es ist daher unbedingt erforderlich, den potenziellen PEG-Abbau zu bewerten, um sicherzustellen, dass das Endmaterial keine undokumentierten Verunreinigungen enthält, die die Versuchsergebnisse verfälschen könnten. ⓘ

PEG und Methoxypolyethylenglykole werden von Dow Chemical unter dem Handelsnamen Carbowax für die industrielle Verwendung und Carbowax Sentry für die Verwendung in Lebensmitteln und Arzneimitteln hergestellt. Sie variieren in ihrer Konsistenz von flüssig bis fest, je nach Molekulargewicht, das durch eine Zahl hinter dem Namen angegeben wird. Sie werden kommerziell in zahlreichen Anwendungen eingesetzt, u. a. in Lebensmitteln, in der Kosmetik, in der Pharmazie, in der Biomedizin, als Dispersionsmittel, als Lösungsmittel, in Salben, in Zäpfchengrundlagen, als Tablettenhilfsmittel und als Abführmittel. Einige spezifische Gruppen sind Lauromacrogole, Nonoxynole, Octoxynole und Poloxamere. ⓘ

Macrogol, MiraLax, GoLytely, Colace, das als Abführmittel verwendet wird, ist eine Form von Polyethylenglykol. Dem Namen kann eine Zahl folgen, die das durchschnittliche Molekulargewicht angibt (z. B. Macrogol 3350, Macrogol 4000 oder Macrogol 6000). ⓘ

Herstellung

Polyethylenglykol 400, pharmazeutische Qualität ⓘ

Polyethylenglykol 4000, pharmazeutische Qualität ⓘ

Über die Herstellung von Polyethylenglykol wurde erstmals im Jahr 1859 berichtet. Sowohl A. V. Lourenço als auch Charles Adolphe Wurtz isolierten unabhängig voneinander Produkte, die Polyethylenglykole waren. Polyethylenglykol wird durch die Wechselwirkung von Ethylenoxid mit Wasser, Ethylenglykol oder Ethylenglykol-Oligomeren hergestellt. Die Reaktion wird durch saure oder basische Katalysatoren katalysiert. Ethylenglykol und seine Oligomere sind als Ausgangsmaterial anstelle von Wasser vorzuziehen, da sie die Herstellung von Polymeren mit geringer Polydispersität (enge Molekulargewichtsverteilung) ermöglichen. Die Länge der Polymerkette hängt vom Verhältnis der Reaktionspartner ab. ⓘ

HOCH₂CH₂OH + n(CH₂CH₂O) → HO(CH₂CH₂O)_n+1H ⓘ

Je nach Art des Katalysators kann der Polymerisationsmechanismus kationisch oder anionisch sein. Der anionische Mechanismus ist vorzuziehen, da er es ermöglicht, PEG mit einer geringen Polydispersität zu erhalten. Die Polymerisation von Ethylenoxid ist ein exothermer Prozess. Eine Überhitzung oder Verunreinigung von Ethylenoxid mit Katalysatoren wie Alkalien oder Metalloxiden kann zu einer unkontrollierten Polymerisation führen, die nach einigen Stunden in einer Explosion enden kann. ⓘ

Polyethylenoxid oder hochmolekulares Polyethylenglykol wird durch Suspensionspolymerisation synthetisiert. Die wachsende Polymerkette muss während des Polykondensationsprozesses in Lösung gehalten werden. Katalysiert wird die Reaktion durch Magnesium-, Aluminium- oder Calciumorganische Verbindungen. Um die Koagulation der Polymerketten aus der Lösung zu verhindern, werden chelatbildende Additive wie Dimethylglyoxim verwendet. ⓘ

Alkalische Katalysatoren wie Natriumhydroxid (NaOH), Kaliumhydroxid (KOH) oder Natriumcarbonat (Na₂CO₃) werden zur Herstellung von niedermolekularem Polyethylenglykol verwendet. ⓘ

Polyethylenglycol wird mittels anionischer Polymerisation von Ethylenoxid hergestellt. Für Molmassen bis ca. 40.000 g/mol werden Basen wie Natriumethanolat oder Kalium-tertbutanolat als Initiator verwendet. PEG mit einer Molmasse von bis zu 3.000.000 g/mol lassen sich mit Katalysatoren wie Erdalkalioxiden oder-carbonaten herstellen. Alternativ ist auch kationische Polymerisation möglich, welche technisch jedoch keine Rolle spielt.

$\mathrm {H_{2}O+n\ C_{2}H_{4}O\longrightarrow HO-[CH_{2}-CH_{2}-O]_{n}-H}$
alternativ:

$\mathrm {HO-CH_{2}-CH_{2}-OH+n\ C_{2}H_{4}O\longrightarrow HO-[CH_{2}-CH_{2}-O]_{n+1}-H}$

Die Reaktion kann ebenfalls säurekatalysiert ablaufen, dann wird mit Zugabe von leicht basischem Wasser abgebrochen. ⓘ

Struktur

Röntgenographische Untersuchungen haben ergeben, dass die PEG-Ketten in zwei verschiedenen Modifikationen vorliegen können. Kürzeren Ketten, deren Polymerisationsgrad n = 10 nicht übersteigt, wird eine Zickzack-Struktur zugeschrieben, während sich bei längeren Ketten die sogenannte Mäanderstruktur ausbildet. ⓘ

Nomenklatur

Für PEG mit einer mittleren Molekülmasse von 200 bis 35.000 g/mol hat sich die Bezeichnung Polyethylenglycole eingebürgert. Produkte mit höherer Molekülmasse (ab etwa 35.000 g/mol) werden als Polyethylenoxid bezeichnet, da bei diesen Produkten der Einfluss der endständigen Hydroxygruppen vernachlässigt werden kann. Als Abkürzung wird auch der Ausdruck PEG oder Macrogol zusammen mit einem Zahlenwert, der die mittlere relative Molekülmasse angibt, verwendet. ⓘ

Eigenschaften

Konsistenz

Polyethylenglycole mit einer mittleren Molekülmasse zwischen 200 g/mol und 400 g/mol sind bei Raumtemperatur nichtflüchtige Flüssigkeiten. PEG 600 weist einen Schmelzbereich von 17 bis 22 °C und somit eine pastenartige Konsistenz auf. Bei Molekülmassen über 3000 g/mol sind die PEG feste Substanzen und werden als Schuppen oder Pulver in den Handel gebracht. Härte und Schmelzbereich steigen mit zunehmender Molekülmasse an. Durch Mischung eines festen (PEG 1500) mit einem flüssigen PEG kann ein wasserlösliches Produkt von salbenartiger Konsistenz hergestellt werden. ⓘ

Wasserlöslichkeit

Die wichtigste Eigenschaft aller Polyethylenglycole ist ihre Löslichkeit in Wasser. Flüssige PEG sind in jedem Verhältnis mit Wasser mischbar. Selbst von einem PEG 8000 können noch 50-prozentige Lösungen hergestellt werden. Auf diese Eigenschaft stützt sich die Verwendung von Macrogol (PEG 3350) als Abführmittel. ⓘ

Hygroskopizität

Die flüssigen PEG sind hygroskopisch. Die Fähigkeit, Wasser aufzunehmen, nimmt mit steigender Molekülmasse ab. ⓘ

Flüchtigkeit und thermische Stabilität

PEG sind nicht flüchtig, eine Tatsache, die bei ihrer Anwendung als Weichmacher oder Feuchthaltemittel von Bedeutung ist. Bei Temperaturen über 150 °C tritt eine thermische Zersetzung ein, die wegen der flüchtigen Zersetzungsprodukte mit einem Gewichtsverlust verbunden ist. Anwendungen bei höheren Temperaturen machen die Verwendung von Antioxidantien notwendig. ⓘ

Physiologische Eigenschaften

Die Polyethylenglycole weisen außergewöhnlich niedrige Toxizitätswerte auf (akute und chronische orale Toxizität, Embryotoxizität, Hautverträglichkeit). Sie werden daher seit Jahrzehnten in Kosmetika, Nahrungsmitteln und pharmazeutischen Zubereitungen verwendet und werden auch in allen relevanten Arzneibüchern aufgeführt. Von der WHO wurde eine erlaubte Tagesdosis für PEG in Nahrungsmitteln von 10 mg/kg Körpergewicht festgelegt. ⓘ

Ökologische Eigenschaften

Die biologische Abbaubarkeit der Polyethylenglycole nimmt mit steigender mittlerer Molekülmasse ab. Bis PEG 1500 werden sie jedoch als biologisch abbaubar angesehen. Der Abbau anderer Substanzen wird von den PEG nicht beeinflusst. Selbst 1-prozentige Lösungen sind gegenüber Fischen und Mikroorganismen nicht toxisch. In Deutschland sind die PEG in Wassergefährdungsklasse (WGK) 1 eingestuft. Alle Polyethylenglycole können problemlos thermisch beseitigt (verbrannt) werden. ⓘ

Pharmazeutische Industrie

Auf allen Gebieten der galenischen Zubereitungen werden PEG als Wirkstoffträger verwendet. Mittels PEGylierung kann die Plasmahalbwertszeit von einigen Wirkstoffen erheblich erhöht werden. ⓘ

Flüssige Zubereitungen

Polyethylenglycole werden wegen ihrer Lösecharakteristik zur Herstellung flüssiger Zubereitungen – wie Tropfen und Injektionspräparate – sowie zur Füllung von Gelatinekapseln verwendet, da sie diese nicht anlösen oder verspröden. ⓘ

Salbengrundlage

Durch Mischen eines festen und eines flüssigen PEG (z. B. 50 Prozent PEG 1500 und 50 Prozent PEG 300) kann eine wasserlösliche Salbengrundlage erzeugt werden, die sich wegen ihrer guten Löslichkeit für viele aktive Substanzen eignet. ⓘ

Suppositorien

Suppositorienmassen auf Basis von PEG, als Suppositorienwirkstoff auch Macrogol genannt, können genau auf die Körpertemperatur abgestimmt werden. Das Freisetzen der Wirksubstanzen erfolgt nicht durch Schmelzen, sondern durch das Auflösen in der Darmflüssigkeit im Rektum. ⓘ

Tabletten und Dragees

Polyethylenglycole werden als Wirkstoffträger, Lösevermittler und Hilfsmittel beim Tablettieren und Dragieren eingesetzt. ⓘ

Kosmetik

Polyethylenglycole können in folgenden kosmetischen Präparationen verwendet werden: Cremes und Lotionen, Parfüms, Deodorants, Insekten-Abwehrmittel, Lippenstifte, Zahnpasten, Haarpflegemittel, Zahnreinigungstabletten, Badezusätze, Lubrastrips. Polyethylenglycol wird in der Liste der Inhaltsstoffe als PEG gefolgt von einer Zahl und ggf. dem Buchstaben M aufgeführt, beispielsweise PEG-14 (Polyethylenglycol mit durchschnittlich 14 EO-Einheiten) oder PEG-14M (Polyethylenglycol mit durchschnittlich 14 000 EO-Einheiten). In Kosmetika wirkt PEG penetrationsfördernd, das heißt die Haut wird durchlässiger für Wirkstoffe, aber ebenso für mögliche Giftstoffe (sofern vorhanden). Entsprechend weist z. B. auch Öko-Test in ihrem Artikel über Flüssigseifen auf verwendete PEG-Derivate hin. Vom PEG selbst geht – bei einem LD₅₀-Wert von >20 g·kg⁻¹ – jedoch keine Gefahr aus. ⓘ

Präparation und Restaurierung

Mit Hilfe von PEG können organische Objekte (Frischpräparate, lange in Wasser getränkte Hölzer – Nassholzkonservierung) zu Trockenpräparaten umgewandelt werden. Dabei werden die ursprünglich feucht gehaltenen Objekte (in Wasser, Alkohol oder Formalin) entweder lange Zeit oder im Vakuum in einer PEG-Lösung getränkt. Dank der Verwendung unterschiedlicher PEG-Molekülgrößen wird der größte Teil der ursprünglichen Flüssigkeit durch das PEG ersetzt. In der modernen Tierpräparation wird wegen der dennoch stattfindenden Schrumpfung durch die Trocknung ein Mischverfahren verwendet, wobei klassische Methoden der Präparation mit einfließen. ⓘ

In der Paläontologischen Präparation werden vor allem subfossile Fossilien (beispielsweise Funde der Eiszeit) mit PEG behandelt. Diese Fossilien sind sehr anfällig gegen Klimaschwankungen und zerfallen z. B. durch die bei der Trocknung entstehenden Spannungen. Hier wird nur mit einem festen PEG-Typ gearbeitet, der das in den Fossilien enthaltene Wasser über den Weg der Diffusion ersetzt. Das PEG erstarrt anstelle des sonst verdampfenden Wassers und verhindert die zerstörenden Spannungen. Die Langzeiterfahrung mit der PEG-Konservierung zeigt, dass diese Methode bei diesem schwierig zu konservierenden Material die besten Ergebnisse verspricht. ⓘ

Technische Anwendungen

• Als Gleit- und Formtrennmittel, Vulkanisationsaktivator oder Wärmeträger bei der Produktion von Gummiartikeln;
• als Plastifizierungs- und Bindemittel für keramische Pressmassen;
• als Pastengrundlage von Wärmeleitpaste
• als Bindemittel für Pressgranulate bei der Herstellung von Hartmetall
• zur Herstellung von Siebdruckmedien und anderen Glas- und Keramikfarben;
• um Enzyme für Waschmittel handhabbar zu machen, und zwar durch Versprühen mit festen PEG;
• zur Konservierung archäologischer Holz- oder Lederfunde;
• zur Konservierung subfossilen Knochenmaterials (z. B. Eiszeit-Funden);
• als weit verbreitetes Trocknungsmittel in der Holzindustrie zur schnellen und schonenden Trocknung von Edelhölzern;
• als Weichmacher und Feuchthaltemittel z. B. für Klebstoffe;
• als reaktive Komponente bei der Herstellung von Polyestern und Polyurethanen;
• als polare stationäre Phase bei der Gaschromatographie. ⓘ

Außer der oben genannten Verwendung zu rein galenischen Zwecken wird PEG auch zur Veränderung der pharmakokinetischen Eigenschaften von Proteinen als Arzneimittel benutzt. Die mit PEG verknüpften (pegylierten) Proteine (beispielsweise Wachstumsfaktoren für weiße Blutkörperchen) verbleiben wegen der verzögerten Ausscheidung über die Niere länger im Organismus, die Halbwertszeit verlängert sich also. ⓘ

Medizin

PEG wird in mehreren Bereichen der Gastroenterologie angewendet. ⓘ

Anwendung bei der Darmreinigung

Die Substanz wird unter anderem zur Reinigung des Darmes vor einer Koloskopie eingesetzt. Dabei werden PEG-basierte Elektrolytlösungen genutzt. Sie zählen zur pharmakotherapeutischen Gruppe der osmotisch wirksamen Abführmittel (Laxans). Eine orale Einnahme verursacht einen moderaten Durchfall und führt damit zu einer schnellen Entleerung des Darms. Dies geschieht, da hochmolare PEG einen starken osmotischen Effekt haben. Sie binden Wasser über Wasserstoffbrückenbindungen in Form von Hydrathüllen, was wiederum zu einer Ansammlung von Wasser im Darmlumen führt. Das dadurch erhöhte Stuhlvolumen löst über neuromuskuläre Wege eine gesteigerte Motilität des Kolons aus. Dies führt zu einem verbesserten propulsiven Transport des aufgeweichten Stuhls im Kolon. ⓘ

Ursprünglich wurden PEG-basierte Elektrolytlösungen ohne Ascorbinsäure (Vitamin C) genutzt. Diese Präparate erforderten eine Trinkmenge von 4 l. Durch den heute üblichen Zusatz von hoch dosierter Ascorbinsäure von knapp 5 g pro Liter, dies entspricht ca. dem 50-fachen Tagesbedarf an Ascorbinsäure, ist eine geringere Trinkmenge von 2 l möglich. Außerdem können die in 2 l PEG-EL enthaltenen Elektrolyte und eine ausreichende Flüssigkeitsaufnahme mögliche klinisch relevante Veränderungen des Elektrolyt- und Wasserhaushalts verhindern und dadurch das Risiko einer Dehydratation reduzieren. ⓘ

Anwendung bei Verstopfung

Zur Behandlung von Verstopfung wird Macrogol 3350 oder auch 4000 als Medizinprodukt angewendet. Es ist als Pulver oder Brausetablette für Erwachsene und Jugendliche ab 12 Jahren erhältlich. Von dem Wirkstoff werden ca. 4 bis 13 g pro Tag – in Wasser gelöst – empfohlen beziehungsweise verabreicht. Je nach Stärke der Beschwerden kann die Dosis variiert werden. Ein Gewöhnungseffekt tritt nicht ein, da das Macrogol lediglich physikalisch wirkt, also nicht am Stoffwechsel beteiligt wird. Das gebundene Wasser wird durch den gesamten Verdauungstrakt bis in den Darm transportiert und kann so dort den verhärteten Stuhl aufweichen. Zusätzlich erfolgt durch die Volumenvergrößerung des Stuhls ein erhöhter Druck auf die Darmwand, was wiederum die natürliche Darmperistaltik anregt. Hierbei kann das Macrogol aufgrund seiner hohen molaren Masse von 3350 beziehungsweise 4000 Dalton im Darm nicht verändert oder über die Darmschleimhaut in den Körper aufgenommen werden, sondern wird substanziell unverändert wieder vom Organismus ausgeschieden. ⓘ

Insgesamt ist Macrogol ein vergleichsweise sanftes Abführmittel. Da ein Gewöhnungseffekt nicht eintritt (s. o.), kann es v. A. bei chronischer Verstopfung auch über einen langen Zeitraum eingesetzt werden. Ein Nachteil ist allerdings die Latenz zwischen der Gabe von Macrogol und der eintretenden Wirkung, die im Median etwa 24 Stunden beträgt. Macrogol kann auch bei Kindern ab 2 Jahren angewendet werden, hierfür gibt es spezielle Formulierungen, z. B. als Sirup oder Pulver zur Herstellung einer Lösung. ⓘ

Anwendung bei Darmuntersuchungen mittels MRT

Bei der Untersuchung des Dünndarms mittels Magnetresonanztomographie (MRT, Kernspintomographie) wird zur besseren Darstellung des Dünndarmes PEG-Lösung oral verabfolgt: Die Lösung erweitert (distendiert) die Darmschlingen. Diese werden dadurch besser beurteilbar. ⓘ

Weitere Anwendungen

Ein weiteres Anwendungsfeld für PEG erschließt sich derzeit möglicherweise bei der Behandlung von Nervenverletzungen. Grundlage ist eine Entdeckung von Todd Krause und George Bittner, die an der Universität Texas in Austin zunächst bei Regenwürmern durchtrennte Nervenfasern mit PEG wieder zusammengefügt hatten. ⓘ

In einer Studie an der Purdue University in West Lafayette wurden 19 Hunde mit schweren Wirbelsäulenverletzungen zusätzlich zu der Standardbehandlung (unter anderem Injektionen mit Steroiden, Physiotherapie und die operative Entfernung von Knochensplittern aus der Wirbelsäulengegend) noch mit Injektionen von PEG behandelt. Die Substanz wurde innerhalb von 72 Stunden nach der Verletzung verabreicht. Im Vergleich zu Tieren, die nur die Standardbehandlung erhielten, erholten sich die Tiere wesentlich schneller und umfangreicher: nach Abschluss der Behandlung waren 75 Prozent der Tiere wieder voll bewegungsfähig. Rechtzeitig injiziert scheint das Polymer die Nervenzellen vor irreparablem Schaden zu schützen und die Tiere damit vor einer Querschnittlähmung zu bewahren. Derzeit ist noch nicht genau geklärt, wie PEG diese Schutzwirkung vermittelt. Dennoch erschließen sich hier möglicherweise auch für die Behandlung von Menschen neue Perspektiven. ⓘ

Die Substanz ist außerdem interessant, da sie in einer Konzentration von 15 bis 20 Prozent antibakterielle Wirkung zeigt. Einzelne Arbeiten berichten über eine Schutzwirkung auf die Darmschleimhaut vor bakterieller Invasion. ⓘ

In der Augenheilkunde werden PEG als Bestandteil künstlicher Tränenflüssigkeiten zur Behandlung des „trockenen Auges“ verwendet. ⓘ

Polyethylenglycole sind auch Bestandteil von Formulierungen mit anti-apoptotischen Eigenschaften zur Konservierung von Zellen, Gewebe oder Organen. ⓘ

PEG (vor allem PEG 400) wird in der Medizin zur Behandlung von Intoxikationen mit Alkylphosphaten eingesetzt. Hautstellen werden zuerst mit viel Wasser und Seife abgewaschen und anschließend mit PEG 400 abgetupft. Dadurch wird der Giftstoff gelöst und der Haut wird Wasser und damit auch der Giftstoff entzogen. In Verbindung mit Calciumgluconat eignet sich PEG auch zur Behandlung von Verätzungen und Vergiftungen durch Flusssäure oder Stickstofftrifluorid. Bei Stickstofftrifluorid wird zunächst auf die betroffene Hautpartie PEG aufgebracht und dieses nach mehreren Minuten Einwirkzeit mit Wasser abgespült. ⓘ

Handelsnamen

• Endofalk
• Laxbene
• Macrogol-Hexal
• Movicol
• Roleca Macrogol ⓘ

Zellbiologie

In der Zellbiologie ist PEG ein wichtiges Reagenz für die Durchführung einer Zellfusion (Zellverschmelzung) von Lymphozyten mit bestimmten Tumorzellen (z. B. sp2/0-Zelllinie) zur Herstellung monoklonaler Antikörper sowie der Protoplastenfusion. Ähnlich wird PEG auch bei der liposomvermittelten Transfektion verwendet, indem es einem DNA-beladenen Liposom beim Verschmelzen mit der zu transfizierenden Zelle hilft. ⓘ

Biochemische Verwendung

Ähnlich wie unvernetztes Polyacrylamid (liquid polyacrylamide) kann Polyethylenglycol als Molekularsieb in der Elektrophorese für die Trennung von geladenen Makromolekülen nach ihrer Größe verwendet werden. Daneben wird es zur PEG-Fällung bei der Proteinreinigung verwendet. ⓘ