Praktikum Organische Chemie/ Extraktion

Trimyristin aus der Muskatnuss

Einführung – Lernziele

Die Früchte des ursprünglich auf den Molukken beheimateten "wohlriechenden" Muskatnussbaums (Myristica fragrans) dienen mindestens seit dem 6. Jahrhundert als Quelle für Heilmittel und Gewürze, der Samenkern - nach Entfernung der Schale - als Muskatnuss, der getrocknete Samenmantel als "Muskatblüte" (Macis). Im Praktikum Organische Chemie ist der gemahlene Muskatnusskern ein Studienobjekt, an dem wir die Techniken der Feststoff-Extraktion, der Flüssig/Flüssig-Verteilung und der Chromatographie üben und schließlich mit den so gewonnenen Substanzen einige einfache Reaktionen durchführen können.

Der Kern der Muskatnuss enthält neben Gerüstsubstanzen (Polysaccharide, ca. 45-60%) ein weiches Fett, welches ausgepresst als "Muskatnussbutter" bezeichnet wird. Das Fett ist eine Mischung aus "verseifbaren Fetten" (Triglyzeriden, 25-40%) und "unverseifbaren Bestandteilen", dem "ätherischen Öl" (8-15%). Unter den verseifbaren Fetten tritt das Triglyzerid der Tetradecansäure (Myristinsäure) in ungewöhnlich hohem Anteil auf. Es lässt sich daher leicht durch Umkristallisieren abtrennen.

Formel von Trimyristin

Trimyristin wurde erstmals aus der Muskatnussbutter gewonnen und daher nach seiner Quelle benannt. Das Fett wurde in heißem Alkohol gelöst; beim Abkühlen kristallisierte das Triglyzerid aus. Aus gemahlenen Muskatnüssen wurde Trimyristin mit Lösungsmitteln extrahiert, wobei Diethylether, Benzol und Chloroform verwendet wurden. Eine Extraktion mit Diethylether im 1,5 kg-Maßstab wurde ausführlich in Organic Syntheses beschrieben. Als chemisches Experiment mit kleineren Mengen wurde diese Isolierung in ein Buch zum organisch-chemischen Praktikum aufgenommen. Im Jahr 1971 schlugen amerikanische Autoren vor, die Ether-Extraktion von Muskatnus und die Verseifung des so gewonnenen Trimyristins als Versuch in den Praktika der organischen Chemie für Anfänger durchzuführen. Anstelle des leicht entzündlichen Diethylethers wurde Chloroform als Lösungsmittel empfohlen. Nachdem dieses wegen seines Gesundheitsrisikos in Verruf geraten war, wurde schließlich beim hier beschriebenen Versuch das Chloroform durch Dichlormethan ersetzt.

Versuch 1: Extraktion von Muskatnusspulver mit einem lipophilen Lösungsmittel

Materialien

• 20 g gemahlene  Muskatnuss
•  Dichlormethan (Methylenchlorid)
• 95%-iges  Ethanol
•  Calciumchlorid

Besondere Sicherheitsmaßnahmen

Schutzbrille beim Evakuieren des Exsikkators und des Rotationsverdampfers, Abdecken des Exsikkators mit Handtuch.

Versuchsbeschreibung

In einem 250 ml-Kolben werden 20 g gemahlene Muskatnuss eingewogen. Man fügt 150 ml Dichlormethan sowie einen Siedestein zu, befestigt am Stativ und setzt den Rückflusskühler auf. Das Gemisch wird im Wasserbad 90 min unter leichtem Rückfluss gekocht. Der Flüssigkeitsspiegel im Kolben soll nicht unter dem des Bades liegen. Dann lässt man auf Raumtemperatur abkühlen und filtriert durch ein Faltenfilter in einen Erlenmeyer-Kolben. Man spült das im Extraktionskolben zurückbleibende Unlösliche mit möglichst wenig Dichlormethan vollständig in das Faltenfilter und wäscht den dort befindlichen Rückstand dreimal mit je 20 ml Dichlormethan. Man trocknet den Rückstand einschließlich Filter im Vakuumexsikkator und wägt den Extraktionsrückstand aus. Der Dichlormethan-Extrakt wird zur Entfernung von Wasserspuren mit Calciumchlorid (ca. 1 Kaffeelöffel) versetzt und einige Sekunden kreisend bewegt. Man bedeckt den Erlenmeyer-Kolben mit einem Uhrglas oder verschließt ihn locker mit einem sauberen Korkstopfen, den man evt. mit Aluminiumfolie umwickelt, und lässt über Nacht stehen ("Trocknen" des Extraktes). Dann filtriert man vom CaCl₂ in einen zuvor gewogenen 500 ml-Rundkolben ab. Das Lösungsmittel wird im Rotationsverdampfer abdestilliert. Wägen Sie den Rückstand aus! Welche Konsistenz und welchen Geruch hat er? Alles im Laborprotokoll notieren!

Isolierung des Trimyristins durch Umkristallisieren

Der Rückstand wird in 95%igem Ethanol auf dem siedenden Wasserbad (Heizplatte, heizbarer Magnetrührer oder Tauchsieder) gelöst (Siedesteine, Rückflusskühler). Für 10 g Extrakt verwendet man 150 ml Ethanol. Man filtriert die heiße Lösung ab und lässt über Nacht auf Raumtemperatur abkühlem, wobei das Trimyristin auskristallisiert. Man saugt den ausgefallenen weißen Feststoff mit der Nutsche ab, presst ihn mit dem Glasstempel ab und wäscht mit möglichst wenig eisgekühltem Ethanol. Bewahren Sie die ethanolische Mutterlauge (Filtrat) auf für den Versuch Nr. #. Man trocknet das Trimyristin im Vakuumexsikkator über Nacht und bestimmt die Ausbeute, darauf den Schmelzpunkt (im Laborprotokoll notieren). Wenn das Trimyristin noch nach Muskat-Aroma riecht, wird es erneut aus Ethanol (150 ml pro 5 g, d.h. 30 ml pro Gramm) umkristallisiert. Ändert sich der Schmelzpunkt? Ausbeute? Reines Trimyristin ist völlig geruchlos und hat den Schmp. 54-55 °C.

Verwendung/Entsorgung

Aufbewahren des reinen Trimyristins in einem ordentlich beschrifteten Präparateglas für einen weiteren Versuch. Auf dem Etikett (dies gilt für alle weiteren Präparate!) wird der vollständige Name der Substanz, ihr Gewicht, ihr beobachteter Schmelzpunkt, der Name des Experimentators und das Datum der Fertigstellung angegeben.

Protokoll

Angabe des extrahierten Anteils der Muskatnuss in Prozent. Schmelzpunkt des Trimyristins. Später: Erstellung eines Fließschemas der Trennoperationen.

Coffein aus Tee

Strukturformel von Coffein

Materialien

• "Schwarzer" oder "grüner" Tee, 5 bis 10 Gramm, billige Qualität genügt.
•  Ethanol
•  Magnesiumoxid
•  Schwefelsäure
•  Kaliumhydroxid
•  Dichlormethan

Gefahrenbezeichnungen

Gefahrstoffinformationen sind eigenverantwortlich zu recherchieren und zu dokumentieren.

Versuchsbeschreibung

a) Soxhlet-Extraktion

10 g pulverisierter Tee wird mit etwas Alkohol befeuchtet und in die Papierhülse des Soxhlet-Extraktors gegeben. Der Siedekolben wird mit 96-prozentigem Ethanol beschickt. Man bringt das Lösungsmittel zum Sieden und lässt die Extraktion 8 Stunden lang laufen.

b) Vorarbeiten

Durch vorsichtige(!) Zugabe von konzentrierter Schwefelsäure zu der berechneten Menge eisgekühltem Wasser (Schutzbrille!) bereitet man eine 10-prozentige verdünnte Schwefelsäure. Mindestens 30 ml werden für den Versuch benötigt.

Man bereitet verdünnte Kalilauge: Kaliumhydroxid-Plätzchen (0,5 g) werden in 50 ml Wasser gelöst (Schutzbrille!). Mindestens 5 ml der 1-prozentigen Lösung werden benötigt. Beide Lösungen sollen vor der Verarbeitung Raumtemperatur angenommen haben.

c) Aufarbeitung

In einer Porzellanschale bereitet man eine Suspension von 10 g Magnesiumoxid in 100 ml Wasser. Der alkoholische Tee-Extrakt wird zugefügt. Der Siedekolben wird mit etwas heißem Wasser ausgespült; diese Flüssigkeit gibt man ebenfalls zu dem Gemisch. Dieses lässt man langsam auf einem Dampfbad oder Wasserbad eindampfen, wobei man häufig umrührt. Wenn sich der Alkohol verflüchtigt hat, versetzt man den beinahe trockenen, pulvrigen Rückstand mit soviel heißem Wasser, dass man diesen auf ein gefaltetes Filter in einem Trichter bringen kann. Die Porzellanschale wird sorgfältig gereinigt; hierfür ist ein Glasstab nützlich, dem ein kleines Stück Gummischlauch übergezogen wurde. Der Brei im Filter wird mit mehreren Portionen heißem Wasser gewaschen. Das Filtrat wird in einem 1 Liter-Kolben aufgefangen, bis man ca. 250 ml Flüssigkeit erhalten hat. Man fügt dem Filtrat 10 ml der 10-prozentigen verdünnten Schwefelsäure zu, worauf sich die Farbe der Flüssigkeit aufhellt. Bei manchen Teesorten kann eine Ausfällung erscheinen, welche beim anschließenden Ausschütteln zu einer Emulsion führen kann. In diesem Fall fügt man weitere Säure zu (bis zu 20 ml). Nachdem die Säure zugegeben wurde, erhitzt man die Lösung vorsichtig; sie kann zu Beginn schäumen! Wenn das Schäumen abgeklungen ist, lässt man die Lösung 30 Minuten kochen. Durch diese Behandlung sollen etwa vorhandene Saponine (natürliche Detergentien, Schaumbildner!) hydrolysiert werden. Man lässt nun abkühlen und filtriert dann die Flüssigkeit durch ein gefaltetes und befeuchtetes Filter in einen Scheidetrichter. Der Kolben und das Filter werden mit kleinen Mengen ca. 0,5-prozentiger Schwefelsäure gewaschen.

d) Verteilung zwischen Dichlormethan und wässriger Phase

Das klare, saure Filtrat wird mit sechs Portionen Dichlormethan (je 25 ml) ausgeschüttelt. Normalerweise trennt sich die Dichlormethan-Phase von der wässrigen Phase rasch und deutlich. Falls nicht, bewegt man den Scheidetrichter vorsichtig kreisend, oder nimmt zum Ausschütteln etwas mehr Dichlormethan. Man gibt die Dichlormethan-Auszüge in einen zweiten, trockenen Scheidetrichter und schüttelt sie vorsichtig mit 5 ml der 1-prozentigen KOH-Lösung aus. Diese „Waschen“ hat den Zweck, Säurereste und farbige Verbindungen zu entfernen. Nachdem sich die Dichlormethan-Lösung vollständig abgesetzt hat, lässt man sie durch ein kleines, trockenes Filter in einen Erlenmeyer-Kolben tropfen. Die kleine Menge alkalischer Flüssigkeit, die im Scheidetrichter verblieben ist, wird mit zwei weiteren Portionen Dichlormethan (je 10 ml) gewaschen. Man lässt die vereinigten Waschflüssigkeiten ebenfalls durch das obige Filter passieren und gibt sie zu der ersten Dichlormethan-Lösung.

e) Entfernung des Lösungsmittels

Zum Schluss destilliert man das Dichlormethan bei Normaldruck (Sdp. 40 °C) in einem Wasserbad ab. Gelöstes Restwasser wird dabei als Azeotrop mitdestillieren. Will man einen Rotationsverdampfer verwenden, sollte man den Extrakt vorher durch Zugabe einer Spatelspitze Magnesiumsulfat trocknen.

Der Rückstand, rohes Coffein, wird in möglichst wenig Dichlormethan gelöst ("aufgenommen") und in ein vorher gewogenes kleines Becherglas oder Schälchen gegeben. Man lässt das Dichlormethan wieder verdampfen (Abzug!) und trocknet das zurückgebliebene Coffein im Exsikkator über Schwefelsäure, Phosphorpentoxid oder Sikkapent. Falls ein Trockenofen vorhanden ist, lässt man bei 100 °C trocknen. Die Substanz wird ausgewogen und die prozentuale Ausbeute errechnet. Das so erhaltene Coffein ist fast farblos, und ist schon ziemlich rein.

Bestimmen Sie den Schmelzpunkt der Substanz! Da Coffein sublimiert, muss die Bestimmung im abgeschmolzenen Röhrchen erfolgen.

Versuchsauswertung

Zeichnen Sie ein Fließdiagramm der Operationen zur Gewinnung von Coffein aus Teeblättern! Berechnen Sie die prozentuale Ausbeute, geben Sie den von Ihnen beobachteten Schmelzpunkt und den Schmelzpunkt aus der Literatur an!

Verwendung und Entsorgung

Das Coffein kann durch Sublimation weiter gereinigt werden. Vergleichssubstanz zur Analyse von Analgetika (Schmerztabletten) (Versuch ##). Dichlormethan-Destillat sammeln und später nach Vorschrift ## zur Wiederwerwendung aufarbeiten.

Literatur zum Versuch

F. B. Power, V. K. Chesnut, An improved Method for the Quantitative Determination of Caffeine in Vegetable Material, J. Amer. Chem. Soc. 41, 1298-1306 (1919). Damals wurde für die Extraktion Chloroform verwendet.

Hintergrund

Nachdem aus Kaffeebohnen das Coffein isoliert worden war (Runge, 1820, Caventou, Pelletier, Robiquet, 1821), untersuchte Oudry "Schwarztee" aus dem Teestrauch (Camellia sinensis). Diesem war damals von Linné der Name Thea sinensis zugeteilt worden, und der Entdecker der Substanz nannte sie daher "Thein". Einige Jahre später zeigte Jobst, dass Thein identisch war mit Coffein.

Coffein ist wohl eine der am besten untersuchten organischen Verbindungen.

Die Isolierung von Coffein im organisch-chemischen Praktikum ist besonders lehrreich, denn dabei können wichtige Techniken der Stofftrennung gelernt und geübt werden. Im Laufe der Zeit sind daher viele Verfahren und Vorschriften für Versuche in Praktika ausgearbeitet worden (s.u.).

Man kann einfach durch Erhitzen von Teepulver Coffein erhalten; es sublimiert und schlägt sich in Kristallen am Kühlfinger des Sublimators nieder.

Die meisten Techniken zur Isolierung von Coffein aus Teeblättern basieren jedoch auf Verfahren der Extraktion. Dabei gewinnt man aber kein reines Coffein, sondern weitere Trenn- und Reinigungsschritte schließen sich an, unter anderem die Verteilung zwischen Chloroform, Dichlormethan oder 1,2-Dichlorethan und Wasser.

Coffein ist als Purin-Alkaloid eine schwache Base. Da Tee außerdem reichliche Mengen an Tanninen enthält, liegt es darin nicht ganz „frei“ vor, sondern ist, zumindest teilweise, an diese gebunden. Tannine sind Polyphenole, und daher schwache Säuren. Ihre "Salze" mit Coffein werden jedoch beim Erhitzen mit Wasser leicht hydrolytisch zerlegt. Um Coffein aus Tee zu isolieren, wurden daher die Polyphenole (und andere Säuren) durch Zugabe von Basen, z.B. Magnesiumoxid, neutralisiert. Dann lässt sich das Coffein mit Lösungsmitteln extrahieren, z.B. mit Ethanol oder Dichlormethan. Als Lösungsmittel zur Extraktion und Verteilung wurde häufig Chloroform verwendet.

Nachdem sich herausgestellt hatte, dass Chloroform toxischer ist als Dichlormethan, wurde letzteres bevorzugt, zumindest in chemischen Praktika.

Im Laufe der Zeit sind viele Verfahren und Vorschriften für Versuche in Praktika ausgearbeitet worden, zum Beispiel:

• G. K. Helmkamp, H. W. Johnson, Selected Experiments in Organic Chemistry, 2nd ed. Freeman, San Francisco 1968, pp 157-158.

• J. R. Mehrig und D. C. Neckers, Laboratory Experiments in Organic Chemistry, Reinhold Corp., New York, 1968, p. 4.

• R. Ikan, Natural Products. A Laboratory Guide, Academic Press, London-New York, 1969.

• R. Adams, J. R. Johnson and C. F. Wilkox, Laboratory Experiments in Organic Chemistry, 6th ed., The Macmillan Co, New York, 1970, p. 108.

• J. Baldwin, Experimental Organic Chemistry, 2. Aufl., Mc Graw Hill, New York, 1970.

• D. L. Pavia, G. M. Lampman, G. S. Kriz, Introduction to Organic Laboratory Techniques. A Contemporary Approach, 3rd ed. P. 62-70, Saunders, Philadelphia u.a.O., 1988, ISBN 0-03-014813-8.