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jugend forscht 2000TH
CSROF DNEJ GU
Georg-Kerschensteiner-GymnasiumMüllheim
vonPhilipp Müller
Isolierung, Analyse und Synthese von Coffein
nd2 Edition 2008 by Stefan Müller and Otto Schäfer
jugend forschtforschtthcsrof dju nge
30 Jahre
1978-2008an der Georg-Kerschensteiner Schule
Technisches Gymnasium Müllheim
Isolierung, Analyse und Synthese von Coffein jugend forscht 2000
1
Inhaltsverzeichnis EINLEITUNG........................................................................................................1 ISOLIERUNG, ANALYSE UND SYNTHESE VON COFFEIN I. Isolierung von Coffein aus Tee......................................................................3 1. Analytik des natürlichen Coffeins Chromatographie..........................................................................................3 Elementaranalyse.........................................................................................4 II. Synthese von Coffein......................................................................................5 1. Synthese von 1,3-Dimethyl-4-amino-2,6-dioxy-pyrimidin 2. Umsetzung zu 1,3-Dimethyl-4-imino-5-isonitroso-2,6-dioxy–pyrimidin 3. Umsetzung zu 1,3-Dimethyl-4,5-diamino-2,6-díoxy-pyrimidin 4. Umsetzung zu 1,3-Dimethyl-4-amino-5-aminoformyl-2,6-dioxy-pyrimidin 5. Umsetzung zu Coffein III. Analyse des synthetischen Coffeins .............................................................9 ZUSAMMENFASSUNG......................................................................................12 LITERATURVERZEICHNIS...............................................................................12 DANKSAGUNGEN .............................................................................................12
Isolierung, Analyse und Synthese von Coffein jugend forscht 2000
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Einleitung Coffein (1) gehört zu den Substanzen, von denen jeder schon einmal gehört hat. Als Bestandteil
des Kaffees sowie des Tees ist es für die pharmazeutische Wirkung verantwortlich. Coffein wirkt
erregend auf das zentrale Nervensystem. In geringen Mengen regt es Herztätigkeit, Stoffwechsel
und Atmung an. Blutdruck, Körpertemperatur und Blutumlaufgeschwindigkeit steigen.
Abbildung 1: Struktur von Coffein (1)
Im Gehirn werden die Blutgefäße erweitert, während sie in den Organen verengt werden.
Dadurch werden bessere Arbeitsleistung, Verscheuchung der Müdigkeit und Hebung der
Stimmung erreicht. Übermäßige Aufnahme von Coffein kann eine leichte Abhängigkeit
erzeugen, die sich bei Entzug zum Beispiel in Kopfschmerzen äußert. Der Chemiker Runge
isolierte 1820 erstmals auf Drängen von Johann Wolfgang von Goethe Coffein aus Kaffee. Auf
Pflanzen wirkt Coffein antimykotisch, d.h. es schützt vor Verschimmeln. In geringen Mengen
hemmt es die Bildung von Mykotoxinen (von Schimmel- oder auch Hefepilzen ausgeschiedene
Stoffwechselprodukte, welche für die Ungenießbarkeit der befallenen Lebensmitteln
verantwortlich sind). Es kommt in Kaffeebohnen (zu 1%-1.5%), Tee (zu 5% früher auch Teein
genannt) und in Kakaokernen (zu ca.0.2%) vor. Coffein gehört zu den zu den Purinen zählenden
Pflanzenalkaloiden. Zu diesen Purinen gehören auch Theophyllin (2), (stark harntreibender
Inhaltsstoff in Teeblättern), Theobromin (3), (Hauptalkaloid der Kakaobohne) sowie Zeatin (4)
und Kinetin (5) (Cytokinine, hochaktive Zellteilungsfaktoren) [1].
Abbildung 2: Strukturen von Theophyllin (2) und Theobromin (3)
N
NN
N
O
O Coffein
1
N
NN
N
O
O
H
2
N
NN
N
O
O
H
3Theopyllin Theobromin
Isolierung, Analyse und Synthese von Coffein jugend forscht 2000
3
Abbildung 3: Strukturen von Zeatin (4), Keatin (5)
Die Purine ihrerseits bestehen aus einem Pyrimidinring (8) mit ankondensiertem Imidazol (7).
Abbildung 4: Strukturen von Purin (6), Imidazol (7) und Pyrimidin (8)
Die Intention dieser Arbeit war es, natürliches Coffein aus Tee zu isolieren und Coffein selbst aus
leicht zugänglichen Bausteinen vollsynthetisch aufzubauen, um sie dann modernen
Analysemethoden zu unterwerfen, um zu beweisen, daß es sich tatsächlich um ein und dieselbe
Substanz handelt. Diese Arbeit sollte dazu dienen, dem Chemielehrer in der gymnasialen
Oberstufe ein Werkzeug an die Hand zu geben, um mit einfachen Mitteln das Wesen der
modernen Chemie mit all ihren Möglichkeiten dem Schüler näher zu bringen. Es ist vorgesehen,
alle Ergebnisse dieser Arbeit frei über das Internet zu Verfügung zu stellen.
7N
N
8N
NH
N
N
6
NN
H
Purin Imidazol Pyrimidin
NH
NN
N
NHOH
4 5
O
NH
NN
N
NH
Zeatin Keatin
Isolierung, Analyse und Synthese von Coffein jugend forscht 2000
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ISOLIERUNG, ANALYSE UND SYNTHESE VON COFFEIN
I . Isolierung von Coffein aus Tee Abbildung 5: kristallines Coffein (1) Abbildung 6: Soxhletapparatur
Die Isolierung des Coffeins aus Schwarzem Tee (Milford Broken Orange) erfolgte im
wesentlichen nach der Vorschrift „Coffein aus Tee“ [2]. Dazu wurden 100 g pulverisierter
Tee mit Brennspiritus am Soxhletextraktor extrahiert. Der Extrakt wurde mit einer
Aufschlämmung von 50 g Magnesiumoxid in 300 cm³ versetzt und dann in einer grossen
Porzellanschale auf dem Dampfbad eingeengt. Der getrocknete pulvrige, dunkel gefärbte
Rückstand wurde einmal mit 500 ml und dann noch zwei mal mit je 250 ml demineralisiertem
Wasser extrahiert. Der nur noch schwach gefärbte wässrige Extrakt wurde anschließend mit
50 ml 5%iger Schwefelsäure versetzt und auf 300 ml eingeengt. Nach Filtration wurde dieser
Extrakt fünfmal mit je 30 ml Chloroform extrahiert. Der vereinigte Chloroformextrakt wurde mit
5%iger Sodalösung geschüttelt. Der Chloroformextrakt wurde über wasserfreiem
Magnesiumsulfat getrocknet. Nach der Abdestillation des Chloroforms blieben 1,8 g Coffein
zurrück. Zur Reinigung wurde es aus demineralisiertem Wasser umkristallisiert.
Isolierung, Analyse und Synthese von Coffein jugend forscht 2000
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1. Analyse des natürlichen Coffeins
Die Reinheitsprüfung des natürlichen Coffeins erfolgte dünnschichtchromatographisch. Weiter
wurde es mittels 300 MHz-1H-NMR, EI-Massenspektrometrie (m/z=194) und IR-Spektroskopie
untersucht und mit Datenbankspektren verglichen. Eine Elementaranalyse mit einer an meiner
Schule entwickelten und leicht nachbaubaren Elementaranalysenapparatur erbrachte eine gute
Übereinstimmung mit den theoretischen Werten (C: gef. 49.64% (ber. 49.48%); H: gef. 5.11%
(ber. 5.19%); N: gef. 16.26% (ber. 16.48%); O: gef. 28.96% (ber. 28.85%)).
Eine Schmelzpunktbestimmung ergab einen Schmelzpunkt von 234°C (Literaturwert: 238°C [3]).
Abbildung 7: Abbildung der Elementaranalysenapparatur (l) und Schmelzpunktsapparatur (r)
Alle Analysendaten sprechen dafür, daß es sich bei der isolierten Substanz um Coffein handelt.
Isolierung, Analyse und Synthese von Coffein jugend forscht 2000
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II . Synthese von Coffein
Der vollsynthetische Aufbau von Coffein erfolgte in Anlehnung an eine von Traube Ende des 19.
Jahrhunderts entwickelten Synthese [4].
Die erste Stufe ging von N, N-Dimethylharnstoff (9) und Cyanessigsäure (10) aus, die mit
Phosphorylchlorid in Pyridin unter Eiskühlung in 31%iger Ausbeute zu (11) cyclokondensiert
wurden. Diese Reaktion ist trotz des Einsatzes von Phosporylchlorid leicht durchführbar.
Abbildung 8: erste Synthesestufe
In der zweiten Synthesestufe wurde (11) in heißem Wasser mit Natriumnitrit gelöst und durch
Zugabe von Essigsäure in 95%iger Ausbeute zu dem tiefroten (12) umgesetzt.
Abbildung 9: zweite Synthesestufe
NH
NHO +
OH O
N
N
N
O
O NH
POCl3
9 10 11
MW= 88.11 gmol-1MW = 155.16 gmol-1
C3H8N2O C3H3O2NMW= 85.06 gmol-1
C6H9N3O2
Pyridin / 0°C
31%
N
N
O
O NH
1) NaNO2 / H2O / Δ N
N
O
O NH
N OH
11 12
MW= 155.16 gmol-1 MW= 184.16 gmol-1C6H9N3O2 C6H8N4O3
2) CH3COOH
95%
Isolierung, Analyse und Synthese von Coffein jugend forscht 2000
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Abbildung 10: kristallines (12)
(12) wurde in der dritten Synthesestufe mit einer 35%igen Ammoniumsulfidlösung in 97%iger
Ausbeute zu (13) reduziert.
Abbildung 11: dritte Synthesestufe
In der vierten Synthesestufe wurde (13) in Ameisensäure mit einer Ausbeute von 62 % zu (14)
umgesetzt.
N
N
O
O NH
N OHNH4SH / H2O
12
N
N
O
O NH2
NH2
13
MW= 184.16 gmol-1 MW= 155.14 gmol-1
C6H8N4O3 C5H7N4O2
97%
Isolierung, Analyse und Synthese von Coffein jugend forscht 2000
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Abbildung 12: Probe von (13)
Abbildung 13: vierte Synthesestufe
Im fünften und letzten Syntheseschritt wurde (14) mit Methyliodid in 67%iger Ausbeute zu
Coffein (1) umgesetzt. Dieser Syntheseschritt ist aufgrund des cancerogenen Methyliodids mit
äußerster Sorgfalt durchzuführen.
N
N
O
O NH2
NH2
13 14
N
N
O
O NH2
NH
O
H
MW= 170.17 gmol-1 MW= 198.18 gmol-1C6H10N4O2 C7H10N4O3
HCOOH
25°C
62%
Isolierung, Analyse und Synthese von Coffein jugend forscht 2000
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Abbildung 14: fünfter Syntheseschritt
Will man auf den Einsatz von Methyliodid verzichten, so besteht die Möglichkeit, durch
Trocknung (250-260°C) und Umkristallisation aus Wasser von (14) zu Theophyllin (2) zu
gelangen [4]. Theophyllin war auch in dem synthetisierten Coffein gaschromatographisch und
massenspektrometrisch zu 0,2% nachweisbar.
Abbildung 15: alternative Synthese von Theophyllin (2)
N
N
O
O NH2
NH
O
H MeI
N
NN
N
O
O Coffein
1
MW= 198.18 gmol-1C7H10N4O3
MW= 194.19 gmol-1C8H10N4O2
1467%
abs. EtOH
-H2O
N
N
O
O NH2
NH O
H250-260°C
N
NN
N
O
O
H
2
MW= 198.18 gmol-1C7H10N4O3
MW= 180.17 gmol-1C7H8N4O2
Isolierung, Analyse und Synthese von Coffein jugend forscht 2000
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Abbildung 16: Zusammenstellung aller synthetisierten Zwischenstufen
III Analyse des synthetischen Coffeins
Alle isolierten Verbindungen wurden mit 1H–NMR–Spektroskopie, EI- und CI-
Massenspektrometrie sowie IR-Spektroskopie charakterisiert. Zusätzlich wurde das synthetisierte
Coffein mittels 300 MHz-1H-NMR und IR-Spektroskopie untersucht. Der Vergleich der
Analysendaten des synthetischen Coffeins mit den Daten von natürlichem Coffein und
Datenbankeinträgen ergab eine sehr gute Übereinstimmung.
Isolierung, Analyse und Synthese von Coffein jugend forscht 2000
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Abbildung 17: Dünnschichtgchromatogramme aller Verbindungen
Coffein
5% CH OH in CHCl an Kieselgel3 3
Front
synt
hetis
ch
natü
rlic
h
11 12 13 14 1
Isolierung, Analyse und Synthese von Coffein jugend forscht 2000
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Abbildung 18: 1H-NMR-Spektrum von natürlichem Coffein (1) aus Tee (300 MHz, CDCL3/TMS)
Abbildung 19: 1H-NMR-Spektrum von synthetischem Coffein (1) (300 MHz, CDCL3/TMS)
Isolierung, Analyse und Synthese von Coffein jugend forscht 2000
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ZUSAMMENFASSUNG Mit der beschriebenen fünfstufigen Synthesesequenz gelingt es mit relativ einfachen Mitteln und
zumeist guter Ausbeute einem chemieinteressierten Schüler in der gymnasialen Oberstufe das
Wesen und wichtige Sachverhalte sowohl der klassischen als auch der modernen Chemie näher
zu bringen. Die Verbindung einer einfachen und dennoch effizienten Naturstoffsynthese mit
modernen Analysenmethoden ist ein gelungener und didaktisch wertvoller Ansatz, das Interesse
von Jugendlichen für die Naturwissenschaften allgemein zu wecken.
Kritiker könnten anmerken, daß nicht jede Schule über die Möglichkeit verfügt, NMR- und
Massenspektren anfertigen zu lassen. Für den Vergleich des Syntheseergebnisses mit einer aus
der Natur isolierten Substanz ist die Vorgehensweise mit Hilfe von NMR- und
Massenspektroskopie jedoch nicht unbedingt erforderlich.
LITERATURVERZEICHNIS [1] Römpps Chemie Lexikon
Frankh´sche Verlagshandlung-Stuttgart 1979
[2] Gattermann – Wieland, Die Praxis des Organischen Chemikers. Berlin 1961
[3] DÀNS LAX, Taschenbuch für Chemiker und Physiker
Springer Verlag-Berlin, Göttingen, Heidelberg 1964
[4] Wilhelm Traube, Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 1900, 33, 3035
DANKSAGUNGEN
Ich danke meiner betreuender Lehrkraft Herrn Otto Schäfer für die Anregung zu diesem Projekt
und für seine tatkräftige und freundliche Unterstützung, ohne die dieses Projekt nicht möglich
gewesen wäre. Ebenso danke ich Stefan Müller, der mich bei meiner Arbeit unterstützt und
beraten hat. Dank gebührt auch Herrn Helmut Bartke für seine fototechnischen Arbeiten und
Herrn Dr. Bayer und Frau Wolfsperger von der Abteilung „Chemische Analytik“ der Firma
Gödecke AG, Freiburg i. Br..
Frau Wiedemann danke ich für die hilfreiche Überarbeitung des Textes.