Inhaltsverzeichnis
1 Theoretischer Hintergrund
1.1 Estragol in Fencheltee
1.2 Syntheseplanung von Hydroxyestragol
2 Experimenteller Teil
2.1 Synthese von p-Methoxy-Benzaldehyd
2.2 Synthese von Hydroxyestragol
3 Testlauf des synthetisierten Standards im GC
3.1 Herstellung der Standardlösungen
3.2 Konzentrationsbestimmung an synthetisiertem Standard
4 Zusammenfassung und Diskussion
5 Literaturverzeichnis
1 Theoretischer Hintergrund
1.1 Estragol in Fencheltee
Estragol (auch Methylchavicol genannt, siehe Abbildung) ist ein aromatischer Bestandteil aus den ätherischen Ölen von Fenchel, Estragon, Basilikum, Anis, Piment, Muskatnuss und Zitronengras. Da die Substanz vielfach in Teeaufgüssen festgestellt wurde und unter dem Verdacht steht krebsauslösend zu sein, hat das Bundesinstitut für Risikobewertung auf die Dringlichkeit hingewiesen, dass in derartigen Teeerzeugnissen Estragol nicht nachweisbar sein darf. Vor allem weil diese Getränke häufig an Säuglinge und Kleinkinder verabreicht werden, erscheint dem Institut die Absenkung des Estragol-Gehaltes dringend erforderlich1.
Eine Methode um Estragol im Menschlichen Stoffwechsel (Blut) nachzuweisen ist die Stabil Isotopen Verdünnungsanalyse. Hierzu werden synthetisch hergestellte, Deuterium-Markierte Verbindungen benutzt. Diese werden hauptsächlich als interne Standards eingesetzt, um dann massenspektrometrisch erfasst zu werden. Die chemischen Eigenschaften der deuteriummarkierten Standards sind mit den natürlich vorkommenden Verbindungen identisch, jedoch nicht die molekulare Masse. Somit ist es möglich, beide Verbindungen im Massenspektrum zu unterscheiden, und über das Verhältnis der Signalintensitäten quantitativ zu bestimmen, da die Standardkonzentration bekannt ist.
Da nicht genau bekannt ist ob die Kanzerogenität des Estragols vom Aromastoff selber oder von den Abbauprodukten herrührt, wurde im Verlauf der Mitarbeit ein Abbauprodukt des Estragols in Form des deuterierten Standards hergestellt, das im Folgenden als Hydroxyestragol-d3 bezeichnet wird.
1.2 Syntheseplanung von Hydroxyestragol-d3
Ausgehend von p-Hydroxybenzaldehyd soll das Deuterium markierte Hydroxyestragol hergestellt werden. In einem ersten Schritt erfolgt die Deuterium Markierung, indem die OH-Gruppe durch eine O-CD3 Gruppe ersetzt wird:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
In einem zweiten Schritt wird mittels einer Grignard Reaktion die Vinylgruppe eingeführt:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Durch die CD3-Markierung wird die Masse um 3 Einheiten erhöht. Diese Verschiebung wird auch im Massenspektrum zu beobachten sein, wodurch der Standard sich deutlich vom Analyten unterscheiden lässt. Bei der Synthese ist darauf zu achten, dass nur saubere Chemikalien verwendet werden, um Verluste bei der Ausbeute zu minimieren, auch angesichts des hohen Preises von deuteriertem Methyliodid.
Mögliche Alternativen zum beschriebenen Syntheseweg wären
a) Methylierung mittels Phasen-Transfer Katalyse2 ;
b) Alkenylierung mittels Chloromethyl Sulfonen3 ;
Experimenteller Teil
1.2 Synthese von p-Methoxy-Benzaldehyd (2)
Zur Synthese von (2) werden 500 mg (1) (4,09 mmol)in einem Rundkolben in 30 ml Aceton gelöst und mit 600 mg K2CO3 versetzt. Anschließend werden 1,2 Äquivalente MeI-d3 zugegeben. Das Ganze lässt man vier Stunden bei Raumtemperatur rühren. Das Reaktionsgemisch wird zweimal mit Diethylether extrahiert; die Etherphase wird dann zweimal mit gesättigter Na2CO3-Lösung und zweimal mit gesättigter NaCl-Lösung gewaschen. Das Lösungsmittel wird im Vakuum entfernt. Es entsteht ein gelbliches, leicht nach Anis riechendes Öl.
Die Reaktion wurde auch mit anderen Basen wie Natriumhydrid, Pyridin oder Natriummethylat durchgeführt, jedoch ohne Erfolg. Lösungsmittel wie Toluol oder Diethylether führten auch zu keiner Reaktion. Lediglich unter Verwendung von Natriumhydroxid in Aceton konnte man eine erfolgreiche Reaktion feststellen, es entstanden dabei aber auch jede Menge Nebenprodukte. Der Reaktionsumsatz war vollständig.
1.3 Synthese von Hydroxyestragol (3)
Zur Synthese von Hydroxyestragol (3) wird der im ersten Schritt gewonnene
p-Methoxy-Benzaldehyd (2) in 40 ml trockenem Diethylether aufgenommen. Durch den mit Gummiseptum versehenen Rundkolben werden dann unter Schutzgasatmosphäre und Eiskühlung 2,3 ml (1,2 Äquivalente) des Grignard Reagenz (Vinylmagnesiumchlorid, 1,7M in THF) mittels einer Spritze nach und nach zugetropft. Das Reaktionsgemisch wird dann auf Raumtemperatur gebracht und anschließend eine Stunde unter Rückfluss gekocht. Die Reaktionslösung wird abgekühlt, vorsichtig Eiswasser zugegeben, die Etherphase wird zweimal mit gesättigter Na2CO3-Lösung und zweimal mit gesättigter NaCl-Lösung gewaschen. Das Produkt wurde über Kieselgel gereinigt, als Laufmittel diente eine 4:1 Mischung aus Pentan/Diethylether. Um die Polarität des Laufmittels zu erhöhen, wurde das Mischungsverhältnis in vier Stufen auf 1:1 gebracht. Das Produkt fällt in Form hellgelber, beißend riechender Nadeln an.
Gesamtausbeute: 350 mg; 2,096 mmol; 78%.
1H-NMR [250MHz, DMSO-d6, 25°C]: δ=7,2 (d, 2H); 6,9 (d, 2H); 6,0 (m, 1H);
5,3 (d, 1H); 5,2 (d,2H); 1,9 (s, 1H).
2 Testlauf des synthetisierten Standards im GC
2.1 Herstellung der Standardlösungen
Um die exakte Menge des deuterierten Standards zu bestimmen, werden verschiedene Estragol und Hydroxyestragol-d3 Lösungen angesetzt, um diese dann mittels Gaschromatographie zu analysieren. Die Konzentration der Estragollösungen ist hierbei bekannt, während die Konzentration an Hydroxyestragol-d3 als unbekannt zu betrachten ist. Die Lösungen werden wie folgt angesetzt:
a) 350 mg (3) (Gesamtausbeute) in 20 ml Diethylether;
b) 460 mg reines Estragol in 20 ml Diethylether;
c) 170 mg Hydroxyestragol in 10 ml Diethylether.
Die Lösungen werden anschließend alle auf das hundertfache verdünnt und wie folgt in Vials kombiniert:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
2.2 Konzentrationsbestimmung an synthetisiertem Standard
Die Konzentration an Hydroxyestragol-d3 wird mittels folgender Formel ermittelt:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (1)
Mit: CA = Analytkonzentration [mg∙ml-1]
CISt. = Konzentration an internem Standard [mg∙ml-1]
FA = Fläche des Analyt-Peaks
FISt: = Fläche des Peaks des internen Standards
R = Response Faktor
Bei den durchgeführten GC-Läufen wurde ein Response-Faktor von 1 angenommen, da kein unmarkiertes Hydroxyestragol zur Bestimmung des Response-Faktors vorhanden war. Durch Umformung von Formel (1) erhält man folgenden Ausdruck:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (2)
Somit kann die Konzentration und auch die Reinheit des synthetisierten Standards festgestellt werden. Bei den Messungen wird eine konstante Konzentration von 0,23
[mg∙ml-1] an reinem Estragol eingesetzt und sowohl die unbekannte Konzentration an Hydroxyestragol-d3 als auch die bekannte Konzentration an reinem Hydroxyestragol zur Überprüfung bestimmt. Durch einsetzen von Formel (2) und Einberechnung der Verdünnungen 1+1, 1+3, 3+1, kommt man zu den folgenden Ergebnissen:
Vial Nr: 1) Hydroxyestragol-d3 0,170 [mg∙ml-1]
2) Hydroxyestragol-d3 0,169 [mg∙ml-1]
3) Hydroxyestragol-d3 0,179 [mg∙ml-1]
Wenn man jetzt auch die Verdünnungsfaktoren berücksichtigt (Faktor 100 und Faktor 20), erhält man eine Ausbeute an reinem Hydroxyestragol-d3 von 338 [mg], was einer Gesamtausbeute von ungefähr 50% entspricht.
3 Zusammenfassung und Diskussion
Das vorgesetzte Ziel dieser Mitarbeit ist erreicht worden, da über den beschriebenen Syntheseweg Hydroxyestragol-d3 – zur Verwendung als interner Standard – leicht zugänglich gemacht wurde. Die Überprüfung der Zwischenstufen mittels Gaschromatographie zeigte eine gute Selektivität der eingesetzten Stoffe.
Die Synthese von Hydroxyestragol-d3 kann dennoch im Sinne einer höheren Ausbeute optimiert werden. Eine der Hauptursachen für die mittelmäßige Ausbeute könnte auf die Anwesenheit von Wasser in der Grignard Reaktion zurückgeführt werden. Zusätzlich muss auch erwähnt werden, dass die Säulenchromatographie zur Aufreinigung des Endprodukts auch nicht wirklich optimal lief. Vermutlich war die Polarität des Laufmittels nicht richtig eingestellt.
Für die Möglichkeit diese Mitarbeit durchführen zu dürfen, und für die freundliche und kompetente Unterstützung während der gesamten „Knechtschaft“ gilt an dieser Stelle mein besonderer Dank meiner Betreuerin Annette Zeller. Des Weiteren möchte ich mich auch bei ihrem Arbeitsgruppenleiter PD Dr. Michael Rychlik für die schnelle Organisation eines Praktikumsplatzes herzlich bedanken.
4 Literaturverzeichnis
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1 http://de.wikipedia.org/wiki/Estragol
2 A. McKillop, J.-C. Fiaud, R.P. Hug; Tetrahedron 1974, 30, 1379-1382.
Häufig gestellte Fragen
Was ist das Ziel der Synthese von Hydroxyestragol-d3?
Das Ziel ist die Herstellung von Hydroxyestragol-d3, einem deuterierten Standard, der in der Stabil-Isotopen-Verdünnungsanalyse zur Quantifizierung von Estragol und seinen Metaboliten im menschlichen Stoffwechsel eingesetzt werden kann.
Warum ist Estragol in Fencheltee von Bedeutung?
Estragol ist ein aromatischer Bestandteil, der in Fencheltee vorkommt. Da es im Verdacht steht, krebsauslösend zu sein, fordert das Bundesinstitut für Risikobewertung, dass Estragol in solchen Produkten nicht nachweisbar sein sollte, besonders da diese Tees oft Säuglingen und Kleinkindern verabreicht werden.
Welche Synthesewege werden zur Herstellung von Hydroxyestragol-d3 beschrieben?
Ausgehend von p-Hydroxybenzaldehyd wird das Deuterium-markierte Hydroxyestragol durch zwei Schritte hergestellt: zuerst die Deuterium-Markierung der OH-Gruppe durch Ersetzen mit einer O-CD3-Gruppe und anschließend die Einführung der Vinylgruppe mittels einer Grignard-Reaktion.
Welche anderen Synthesewege werden erwähnt?
Mögliche Alternativen zum beschriebenen Syntheseweg wären Methylierung mittels Phasen-Transfer-Katalyse oder Alkenylierung mittels Chloromethylsulfonen.
Wie wird die Konzentration des synthetisierten Standards bestimmt?
Die Konzentration von Hydroxyestragol-d3 wird mittels Gaschromatographie (GC) bestimmt, indem verschiedene Lösungen von Estragol und Hydroxyestragol-d3 analysiert werden. Die Konzentration des Estragols ist bekannt, während die Konzentration des Hydroxyestragol-d3 bestimmt wird. Die Konzentration wird dann mit einer Formel errechnet, die die Peakflächen und einen Response Faktor berücksichtigt.
Welches Ergebnis hatte die Konzentrationsbestimmung?
Nach den GC-Messungen wurde eine Ausbeute an reinem Hydroxyestragol-d3 von 338 mg berechnet, was einer Gesamtausbeute von etwa 50% entspricht.
Welche Probleme traten bei der Synthese auf und wie könnten diese behoben werden?
Ein Hauptproblem war die mittelmäßige Ausbeute, die möglicherweise auf Wasser in der Grignard-Reaktion zurückzuführen ist. Zusätzlich war die Säulenchromatographie zur Aufreinigung des Endprodukts nicht optimal. Die Polarität des Laufmittels war möglicherweise nicht richtig eingestellt.
Welche Schlussfolgerungen werden gezogen?
Das Ziel, Hydroxyestragol-d3 als internen Standard zu synthetisieren, wurde erreicht. Die Selektivität der eingesetzten Stoffe war gut, aber die Synthese kann im Hinblick auf eine höhere Ausbeute optimiert werden.
- Arbeit zitieren
- Cand. Chem. Matteo Branzi (Autor:in), 2005, Herstellung deuterium-markierter Standards, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/109973