isolierung, analyse und synthese von coffein · abbildung 1: struktur von coffein (1) im gehirn...

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


2

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


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


4

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.


5

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.


6

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%


7

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%


8

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%


9

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


10

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.


11

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


12

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)


13

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.

isolierung, analyse und synthese von coffein · abbildung 1: struktur von coffein (1) im gehirn...

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