1 Organisch-chemisches Fortgeschrittenenpraktikum Universität Leipzig Institut für Organische Chemie WS 2014/2015 Isolierung von Lavendelöl aus Lavendelblüten durch Wasserdampfdestillation Betreuung durch Prof. Dr. Sicker Praktikanten: Christoph Nolte Miriam Fuß Michael Sturm Lucas Bemfert
2 Einleitung Die Wasserdampfdestillation ist eine selektive, schonende Methode zur Isolation von leicht flüchtigen und hydrophoben Substanzen. Bei dieser Art der azeotropen Destillation können Bestandteile eines Gemisches abgetrennt werden, die bei 100 C einen Dampfdruck von über 10 mbar besitzen. Sie eignet sich damit unter anderem für die Isolierung ätherischer Öle aus natürlichen Materialien, wie auch der hier beschriebene Versuch zur Isolierung von Lavendelöl aus frisch eingefrorenen Lavendelblüten zeigt. Anhand der untenstehenden Abbildung 1, die den Aufbau der Wasserdampfdestillationsapparatur zeigt, wird das Prinzip der Trennmethode ersichtlich. Abb. 1: Geräteanordnung für eine Wasserdampfdestillation Aufbau von links: Elektrischer Wasserdampfbereiter. Tauchung, beheizt, als Sicherheitsgefäß. Destillationskolben mit Dampfeinleitungsrohr, Naturstoffprobe, halb mit kochendem Wasser gefüllt und zusatzbeheizt. Liebigkühler. Vorlage, gekühlt. Grundgedanken zum Prinzip der Wasserdampfdestillation finden sich in [1], jedoch ist die dortige Apparatur nicht empfehlenswert. Abb. 1 zeigt einen besseren Aufbau.
3 Wasser und die abzutrennende, hydrophobe Substanz werden als azeotropes Gemisch in einem gleichbleibenden Verhältnis in die Vorlage überdestilliert, in der je nach Stoffeigenschaften eine trübe Emulsion, oder wie in unserem Fall ein Gemisch aus zwei klar getrennten Phasen entsteht. [1] Das so gewonnene Lavendelöl hat vielseitige Einsatzmöglichkeiten, wie zum Beispiel in der Parfum- und Seifenindustrie, sowie als medizinisches Produkt. Das ätherische Öl der Lavendelblüte besitzt eine beruhigende und entzündungshemmende Wirkung und kann innerlich und äußerlich angewendet werden. [2] Es besteht hauptsächlich aus den Komponenten (R)-(-)-Linalool (Licareol) und (R)-(-)-Linalylacetat, deren Strukturformeln in Abbildung 2 dargestellt sind. Insgesamt konnten mittels GC/MS bereits über 20 weitere Inhaltsstoffe wie z.b. Limonen und Camphen identifiziert werden. [3] 1 2 Abb. 2: Strukturformeln von (R)-(-)-Linalool und (R)-(-)-Linalylacetat Der tertiäre Alkohol Linalool wird aufgrund seines frischen, blumigen Geruches auch heute noch in der Parfum-Industrie verwendet und kommt neben dem genannten Lavendelöl auch in Koriander-, Zitronen- und Krauseminzöl vor. [4], [5] In Tierversuchen konnte ihm eine reversible Wirkung als Inhibitor der Acetylcholinesterase nachgewiesen werden, was in Zusammenhang mit seinem Einsatz als Insektizid gebracht wird. [6] Die zu Linalylacetat veresterte Variante des Linalools wird ebenfalls als Duftstoff eingesetzt und kommt in Zitronen-, Orangenblüten- und Jasminöl vor, wird heute allerdings zumeist synthetisch hergestellt. [4], [7]
4 Abb. 3: Frischer Lavendel im Apothekergarten der Universität Leipzig (Foto: Henrike Kühne) Durchführung Es wurde eine Wasserdampfdestillation von 350 g frisch eingefrorenen, am Tag des Versuchs aufgetauten und zerkleinerten Lavendelblüten in 2 l Wasser durchgeführt. Man erhielt etwa 1 l eines Zweiphasen-Gemisches, das größtenteils aus Wasser bestand, auf dessen Oberfläche sich eine kleine, aber deutlich sichtbare Menge eines gelblichen Öls abgesetzt hatte. Das Gemisch wurde durch Schütteln homogenisiert, halbiert und jeweils mit 150 ml Methyl-tert.-butylether (MTBE) extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen wurden über MgSO 4 getrocknet und anschließend das Lösungsmittel unter vermindertem Druck entfernt. Als Produkt wurden 5,517 g des Lavendelöls als leicht gelbgefärbtes Öl erhalten. Analytische Daten Brechungsindex =1,4662 Verglichen mit den Brechungsindices der beiden Komponenten Linalool und Linalylacetat lässt sich eine gute Übereinstimmung erkennen.
5 Linalool: =1,4627 [8] Linalylacetat: =1,4500 [4] Dies deutet darauf hin, dass beide Substanzen die Hauptinhaltsstoffe des isolierten Lavendelöls darstellen. 1 H-NMR In der nachfolgenden Abbildung wird das 1 H-NMR-Übersichtsspektrum des Produktes gezeigt, von dem 17 mg in 0,7 ml deuteriertem Chloroform gelöst wurden. Anhand dieses Spektrums konnten Zuordnungen für die Wasserstoffatome im Linalool und im Linalylacetat getroffen werden. Dieses Spektrum ist in vergrößerter Form und mit Beschriftung der Signale ebenfalls noch einmal unter Anhang 1 zu finden. Desweiteren werden in Anhang 2 und 3 die vergrößerten Darstellungen der ppm-bereiche von 5 ppm bis 6 ppm und von 0,8 ppm bis 2,1 ppm vergrößert dargestellt, um die Aufspaltungsmuster der zugeordneten Signale zu zeigen. Blau hervorgehobene Bezeichnungen entsprechen dabei den Protonen des Linalools, während die roten Beschriftungen für Wasserstoffatome des Linalylacetats stehen. Abb. 4: 1 H-NMR-Übersichtsspektrum des isolierten Lavendelöls
6 Als Hilfestellung wurden die 1 H-Spektren für reines Linalool und Linalylacetat aus der SDBS-Datenbank herangezogen. [9] Auswertung für Linalool: Abb. 5: Bezeichnung der Protonen im Linalool-Molekül 1 H-NMR (300 MHz, CDCl 3 ): = 5,89 (d, 1H, 2 J H,H = 9,0 Hz, I), 5,24 (d, 1H, 3 J H,H = 1,35 Hz, J), 5,12 (t, 1H, 3 J H,H = 1,50 Hz, D), 5,04 (d, 1H, 3 J H,H = 1,35 Hz, K), 2,05 (m, 1H, H), 2,03 (m, 2H, C), 1,70 (m, 3H, B), 1,60 (s, 3H, A), 1,59 (s, 1H, E), 1,54 (d, 1H, 2 J H,H =1,47 Hz, F), 1,28 (s, 3H, G) ppm Auswertung für Linalylacetat: Abb. 6: Bezeichnung der Protonen im Linalylacetat-Molekül 1 H-NMR (300 MHz, CDCl 3 ): = 5,94(d, 1H, 2 J H,H = 12 Hz, I), 5,19 (d, 1H, 3 J H,H = 1,50 Hz, J), 5,10 (t, 1H, 3 J H,H = 1,50 Hz, D), 5,08 (d, 1H, 3 J H,H = 1,50 Hz, K), 2,00 (s, 3H, H), 1,62-1,98 (4H, C, E, F), 1,68 (m, 3H, B), 1,60 (s, 3H, A), 1,54 (s, 3H, G) ppm
7 Es lässt sich deutlich erkennen, dass die jeweiligen Protonen D, I, J und K an olefinische C-Atome gebunden sind, da sich die entsprechenden Signale im Spektrum in einem ppm-bereich von 5-6 ppm befinden. Bei 2,05 bzw. 2,03 ppm folgen das Proton der Hydroxylgruppe und die Protonen der Acetylgruppe. In einem Bereich kleiner gleich 2,00 ppm liegen die Signale, denen die aliphatischen Protonen entsprechen. Einige Signale des Spektrums konnten nicht den beiden Hauptbestandteilen des Lavendelöls zugeordnet werden. Es ist davon auszugehen, dass es sich hierbei um Protonen handelt, die in Nebenkomponenten des ätherischen Öls gebunden sind. Durch Integration zweier charakteristischer 1 H-NMR-Signale konnte das Verhältnis von Linalool zu Linalylacetat bestimmt werden. Dafür wurden die CH 3 -Gruppe mit der Bezeichnung G des Linalools bei 1,28 ppm und die CH 3 -Gruppe des Acetylrests mit der Bezeichnung H bei 2,00 ppm des Linalylacetats ausgewählt und es ergab sich ein Verhältnis von Linalool zu Linalylacetat von 1,00 zu 0,14, was bei einer Integralsumme von 100 dem Verhältnis von 88 zu 12 entspricht. Dadurch wird ersichtlich, dass der Anteil an Linalool im gewonnenen Lavendelöl mehr als sieben Mal so groß ist wie der Anteil an Linalylacetat. Literaturangaben [1] S. Hünig, P. Kreitmeier, G. Märkl, J. Sauer, Arbeitsmethoden in der organischen Chemie, Lehmanns Media, 2006. [2] http://www.docjones.de/wirkstoffe/lavendel/lavendeloel, aufgerufen am 03.12.2014. [3] T. Umezu, K. Nagano, H. Ito, K. Kosakai, M. Sakaniwa, M. Morita, Pharmacology Biochemistry and Behavior, 85, 4, 2006, 713-721. [4] T.E. Furia, N. Bellanca, Fenaroli s Handbook of Flavor Ingredients, CRC Press, 1975. [5] http://www.spektrum.de/lexikon/biochemie/linalool/3617, aufgerufen am 03.12.2014. [6] http://www.chem.unep.ch/irptc/sids/oecdsids/78706.pdf, aufgerufen am 03.12.2014. [7] http://www.spektrum.de/lexikon/biologie/linalylacetat/39435&_druck=1, aufgerufen am 03.12.2014. [8] D.R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics 86th Edition 2005-2006, CRC Press, 2005. [9] http://sdbs.db.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi, aufgerufen am 07.12.2014.
8 Anhang 1 Abb. 7: Vergrößertes 1 H-NMR-Übersichtsspektrum des isolierten Lavendelöls
9 Anhang 2 Abb. 8: 1 H-NMR-Spektrum des Lavendelöls im Bereich von 5 ppm bis 6 ppm Anhang 3 Abb. 9: 1 H-NMR-Spektrum des Lavendelöls im Bereich von 0,8 ppm bis 2,1 ppm
10 Anhang 4 Abb. 9: 1 H-NMR-Spektrum des Lavendelöls mit Integration der charakteristischen Signale