doc - ChidS

Angela Herrmann
Ockershäuser Allee 5
35037 Marburg
[email protected]
Experimentalvortrag
Organische Chemie
Sommersemester 2008
Aspirin
„Medizin deines Lebens“
Hinweis:
Dieses Protokoll stammt von der Seite www.chids.de (Chemie in der Schule).
Dort können unterschiedliche Materialien für den Schulunterricht heruntergeladen werden,
unter anderem hunderte von Experimentalvorträgen so wie der vorliegende:
http://www.chids.de/veranstaltungen/uebungen_experimentalvortrag.html
Inhaltsverzeichnis:
1. Einführung
1.1.
Geschichtliches
..............................................................Seite 03
1.2.
Wirkungsweise von Aspirin ....................................................Seite 06
2. Darstellung
2.1.
Darstellung von Aspirin
....................................................Seite 08
2.2.
Weitere Bestandteile einer Aspirintablette
2.3.
Haltbarkeit einer Aspirintablette ..........................................Seite 12
......................Seite 10
3. Aspirinsorten
3.1.
Aspirin Protect ........................................................................Seite 15
3.2.
Aspirin Plus C ........................................................................Seite 17
3.3.
Aspirin Migräne
3.4.
Aspirin Effekt/Direkt ..............................................................Seite 21
3.5.
Aspirin Forte ........................................................................Seite 22
3.6.
Aspirin Complex
..............................................................Seite 21
..............................................................Seite 26
4. Schulrelevanz und didaktische Analyse ..........................................Seite 27
5. Anhang
5.1.
Literaturangaben
..............................................................Seite 29
5.2.
Quellenangaben (Bilder)
5.3.
R- und S-Sätze der verwendeten Chemikalien ......................Seite 29
.....................................................Seite 29
2
1. Einführung
1.1. Geschichtliches:
Acetylsalicylsäure wurde erstmals im Jahr 1897 von dem Chemiker
Felix Hoffmann dargestellt. Damit war es gelungen den Wirkstoff
verträglicher und besser haltbar zu machen. Der eigentliche Wirkstoff,
die Salicylsäure, wurde schon von den Ägyptern, Griechen und
Germanen als schmerzlinderndes Mittel verwendet. Man gewann sie
aus der Rinde von Weiden oder auch aus der Spirstaude. Daher erhielt
letztendlich Aspirin seinen Namen: Das A kommt von Acetyl, spir
von der Spirsäure (ein anderer Name der Salicylsäure (von lat. Salix
= Weide), der sich daraus ableitete, dass man diesen Stoff u.a. aus der
Abb.1: Felix Hoffmann
Spirstaude gewann) und in war zu der damaligen Zeit eine übliche
Endung für Chemikalien.
Abb.3: Spirstaude
Abb.2: Silberweide
Die Firma Bayer meldete 1899 das Patent für Aspirin an. Es war das erste Medikament, das
an Patienten getestet wurde, bevor es auf den Markt kam. Im Laufe der Jahre entwickelte es
sich sehr schnell zu einem populären Schmerzmittel und eroberte den Weltmarkt.
Man kann sich nun natürlich fragen, warum man versuchte die Salicylsäure zu verändern, da
sie ja gute Wirksamkeit zeigte. Einer der Gründe soll anhand der folgenden Demonstration
erläutert werden:
3
Demo 1: pH-Wert-Vergleich
Chemikalien:

Salicylsäure

Aspirintablette

Paracetamoltablette

Dest. Wasser
Geräte:
3 Reagenzgläser, Reagenzglasständer, pH-Papier, Stopfen
Durchführung:
Man gibt in die drei Reagenzgläser eine Paracetamoltablette (im Mörser zerrieben), eine
Aspirintablette (ebenfalls in Pulverform) bzw. die entsprechende Menge (also 0,5 g)
Salicylsäure. Dann füllt man die Reagenzgläser ungefähr zur Hälfte mit destilliertem Wasser
auf, schüttelt und prüft anschließend den pH-Wert.
Beobachtung:
Paracetamol zeigt einen nahezu neutralen pH-Wert, wohingegen Aspirin und Salicylsäure
deutlich sauer reagieren. Salicylsäure weist einen niedrigeren pH-Wert auf als Aspirin.
Entsorgung:
Die Lösungen werden neutral in den organischen Abfall gegeben.
Auswertung:
Die Strukturformeln von Salicylsäure, Aspirin und Paracetamol sehen wie folgt aus:
HO
O
O
OH
NH
OH
O
CH3
CH3
O
O
Salicylsäure
Aspirin
HO
Paracetamol
4
Salicylsäure und Aspirin reagieren sauer, da sie im Gegensatz zu Paracetamol eine
Säuregruppe als funktionelle Gruppe besitzen. Salicylsäure ist eine stärkere Säure auf Grund
der Wasserstoffbrückenbindungen, die bei Deprotonierung der Säuregruppe zwischen dieser
und der Hydroxogruppe in ortho-Stellung ausgebildet werden. Durch die Veresterung dieser
Alkoholgruppe wird dies bei Aspirin verhindert, wodurch das Bestreben der Deprotonierung
sinkt, woraus wiederum der höhere pH-Wert resultiert.
O
OH
O
O
-
H
OH
+
-H
O
O
OH
O
O
O
- H+
CH3
O
-
O
CH3
O
Durch diese geringere Säurestärke ist Aspirin viel besser verträglich als Salicylsäure. Bei der
Einnahme von Salicylsäure kann es zu starken Reizungen des Mundraumes und des Magens
kommen. Diese unerwünschten Nebenwirkungen werden mit Aspirin größtenteils umgangen,
wobei es aber im Magen immer noch zu Reizungen kommen kann.
Noch etwas zu Paracetamol:
Paracetamol ist das neben Aspirin wohl bekannteste schmerz- und fiebersenkende Mittel auf
dem Medikamentenmarkt. Der Name leitet sich auch bei Paracetamol aus seinem chemischen
Namen ab: para-Acetylaminophenol.
Im Gegensatz zu Aspirin hat Paracetamol keinen entzündungshemmenden Effekt. Dies führt
man darauf zurück, dass Paracetamol nicht wie Aspirin Cox-1 hemmt (siehe Wirkungsweise
von Aspirin). Damit bleiben aber auch viele unerwünschte Nebenwirkungen, wie die Reizung
des Magens, aus und Paracetamol ist damit allgemein verträglicher. In höheren Dosen ist es
allerdings leberschädigend, meistens sind diese Schädigungen aber reversibel. Paracetamol
5
sollte deswegen nicht mit Alkohol eingenommen werden (also vor allem nicht gegen
Katerkopfschmerzen).
1.2. Wirkungsweise von Aspirin:
Die Wirkungsweise des Aspirins wurde 1971 vom Pharmakologen Sir
John Vane (1927-2004) entdeckt. Für seine Arbeiten auf diesem Gebiet
erhielt er im Jahre 1982 den Nobelpreis für Medizin und wurde von der
englischen Königin Elisabeth II. in den Adelsstand erhoben.
Um die Wirkungsweise des Aspirins zu verstehen, muss man sich
zunächst damit beschäftigen, wie Schmerz zustande kommt: Schmerzen
entstehen im Körper durch die Freisetzung von Arachidonsäure, dies
Abb.4: Sir John Vane
geschieht durch die Zerstörung von Zellen. Arachidonsäure ist eine
ungesättigte C20-Säure:
HO
O
CH3
Abb.5: Arachidonsäure
Die Arachidonsäure wird durch die Cyclooxogenasen Cox-1 und Cox-2 und mit Sauerstoff
zunächst zu PGG2, einem peroxidhaltigen Prostaglandin, umgesetzt:
O
OH
O
CH3
O
O
OH
Abb.6: PGG2
6
Dieses wird dann zu PGH2 reduziert:
O
OH
O
CH3
O
OH
Abb.7: PGH2
PGH2 reagiert dann unter anderem zu PGE2, das den Schmerzreiz verstärkt.
O
OH
O
CH3
HO
OH
Abb.8: Prostaglandin E2
Aspirin hemmt schließlich die beiden Enzyme Cox-1 und Cox-2, so dass die Umsetzung von
Arachidonsäure zu PGG2 ausbleibt, wodurch letztendlich der Schmerzreiz unterbunden wird.
Die Hemmung der Cyclooxygenasen wird darauf zurückgeführt, dass sich Acetylsalicylsäure
an Cox-1 bzw. -2 anlagert und dann die Aminosäure Serin, die in der Struktur der Enzyme
vorkommt, acetyliert. Dies, davon geht man zumindest aus, führt zu einer sterischen
Hinderung der Cyclooxygenasen, die sich dann nicht mehr an die Arachidonsäure anlagern
können.
7
2. Darstellung
Heutzutage werden etwa 50.000 Tonnen pro Jahr an Acetylsalicylsäure hergestellt.
Abb.9: Industrielle Darstellung von Aspirin
2.1. Darstellung von Acetylsalicylsäure
Acetylsalicylsäure wird aus Salicylsäure durch Veresterung mit Essigsäureanhydrid
hergestellt. Während man früher die Salicylsäure aus Weiden, der Spirstaude und anderen
Pflanzen gewonnen hat, stellt man sie heute nach dem Kolbe-Schmitt-Verfahren dar, das
Verfahren wurde vom Marburger Chemiker Hermann Kolbe 1860 entwickelt und 1885 von
seinem Schüler Rudolph Schmitt verbessert.
OH
OH
KHCO3; H2O
+
CO 2
O
-
+
O K
Druck
Bei der Reaktion handelt es sich um eine elektrophile aromatische Substitution.
Die Darstellung von Acetylsalicylsäure aus Salicylsäure und Essigsäureanhydrid im
Labormaßstab habe ich im folgenden Versuch durchgeführt:
Versuch 1: Darstellung von Acetylsalicylsäure
Chemikalien:

Salicylsäure

Essigsäureanhydrid

konzentrierte Schwefelsäure

Dest. Wasser
8
Geräte:
Beheizbarer Magnetrührer mit Rührfisch, 100 mL Erlenmeyerkolben, Waage, Spatel, Eisbad,
50 mL Standzylinder, 10 mL Messpipette, Peleusball, Glasstab, Trichter, Filterpapier,
Tropfpipette
Durchführung:
Man wiegt 3 g Salicylsäure ab, gibt diese in den Erlenmeyerkolben und fügt 7,5 mL
Essigsäureanhydrid hinzu, dann versetzt man noch mit 2-3 Tropfen Schwefelsäure. Dann
mischt man unter leichtem Erhitzen etwa 10 Minuten das Reaktionsgemisch auf dem
Magnetrührer. Anschließend kühlt man das Reaktionsgemisch im Eisbad ab und gibt 25 mL
destilliertes Wasser hinzu, rührt vorsichtig mit dem Glasstab um. Das ausgefallene Produkt
kann dann abfiltriert und mit destilliertem Wasser gewaschen werden.
Beobachtung:
Es fällt ein weißer kristalliner Stoff aus, das Reaktionsgemisch riecht nach Essigsäure.
Entsorgung:
Das Produkt wird in die Feststofftonne entsorgt, das Filtrat kommt neutral in den organischen
Abfall.
Auswertung:
Die Hydroxy-Gruppe der Salicylsäure reagiert mit dem Essigsäureanhydrid in einer
Veresterungsreaktion zu Acetylsalicylsäure. Die Zugabe der Schwefelsäure dient dabei
lediglich als Katalyse. Als weiteres Produkt entsteht Essigsäure, welche man auch riechen
konnte.
O
O
OH
O
O
<H+>
OH
+
H3C
O
CH3
OH
O
CH3
O
O
+
H3C
OH
Der Mechanismus der Veresterung verläuft wie folgt:
9
O
OH
OH
R
=
O
H3C
H
O
O
O
CH3
+
+
O
O
C
H3C
O
-H
H3C
H
O
H3C
O
R
H
O
+
-H
CH3
O
H
CH3
O
R
O
CH3
O
O
+
+
R
+
H
CH3
HO
O
H
O
O
H3C
OH
H3C
O
O
-
+
O
CH3
+ H+
O
R
R
O
O
CH3
+
H3C
OH
O
R
Zunächst wird Essigsäureanhydrid protoniert, das dabei entstandene Carbonyl-Kation wird
dann von der Alkohol-Gruppe der Salicylsäure nucleophil angegriffen. Im letzten Schritt wird
dann Essigsäure abgespalten und es entstehen die beiden Produkte Acetylsalicylsäure und
Essigsäure.
2.2. Weitere Bestandteile einer Aspirintablette
Eine Aspirintablette enthält neben 500 mg des Wirkstoffs Acetylsalicylsäure noch Maisstärke
und Cellulosepulver. Die Stärke lässt sich nach folgender Versuchsbeschreibung nachweisen:
10
Versuch 2: Stärkenachweis
Chemikalien:

Aspirintablette

Stärke

Iod/Kaliumiodid-Lösung

Dest. Wasser
Geräte:
2 Reagenzgläser, Reagenzglasklammer, Bunsenbrenner, Tropfpipette, Spatel
Durchführung:
Man gibt in die Reagenzgläser je eine Spatelspitze Stärke bzw. Aspirin (gepulvert). Dann
versetzt man mit etwas Wasser. Zur besseren Löslichkeit erhitzt man kurz über dem
Bunsenbrenner bis die Lösungen klar sind. Abschließend versetzt man mit Iod/KaliumiodidLösung.
Beobachtung:
Beide
Lösungen
färben
sich
nach
Zugabe
der
braunen
Iod/Kaliumiodid-Lösung blauviolett.
Entsorgung:
Die Lösungen werden neutral in den organischen Abfall gegeben.
Auswertung:
Setzt man die Lösung von Iod und Kaliumiodid an, so entstehen Polyiodidionen In-:
z.B.:
I2 (aq) + I-(aq) 
I3-(aq)

I3-(aq) + I2(aq) 
I5-(aq)

...
Die Polyiodidionen lagern sich dann in die Stärkehelix ein und bilden mit den HydroxyGruppen der Stärke Charge-Transfer-Komplexe. Dabei gehen Elektronen vom Donator-nahen
Orbital (Donator ist hier das Polyiodid) in ein Akzeptor-nahes Orbital über (als Akzeptoren
dienen hier die Alkoholgruppen der Stärke).
11
I
Abb.10: Stärkehelix
I
I I
I
Abb.11: Stärkehelix mit
eingelagertem Polyiodidion
Stärke ist ein Polysaccharid, das aus Glucoseeinheiten aufgebaut ist. Dabei unterscheidet man
zwischen zwei Komponenten: der Amylose (Bestandteil der Stärke von 10-30 %) und dem
Amylopektin (zu 70-90 % in Stärke enthalten). Amylose baut sich aus 60 bis 300
Glucoseeinheiten auf, die α-1,4-glykosidisch verknüpft sind und unverzweigte, helikale
Ketten bilden (siehe Abb. 10). Amylopektin dagegen besteht aus Glucosemonomeren die α1,4-glykosidisch und α-1,6-glykosidisch verknüpft sind und somit verzweigte Ketten bilden.
2.3. Haltbarkeit einer Aspirintablette
Bei genauer Betrachtung der Verpackung und der Packungsbeilage findet man ein
Verfallsdatum für die Aspirintablette, und die Anweisung, die Tabletten nicht über 30°C zu
lagern. Warum man diese Anweisungen befolgen soll, kann mit dem folgenden Versuch
demonstriert werden:
Versuch 3: Haltbarkeit von Aspirin
Chemikalien:

Aspirintabletten

Salicylsäure

Eisen(III)chlorid-Lösung (w = 0,1 %)

Dest. Wasser
12
Geräte:
Trockenschrank, Reagenzgläser, Reagenzglasständer, Tropfpipette, Mörser
Durchführung:
Eine Aspirintablett wird mindestens einen Tag (Unterbrechungen möglich) bei etwa 90°C im
Trockenschrank aufbewahrt, alternativ (für Schulzwecke sogar besser) kann man eine
abgelaufene Aspirintablette verwenden. Diese Tablette wird im Mörser zerrieben und das
Pulver gibt man in ein Reagenzglas. Eine neue Aspirintablette wird ebenfalls gepulvert und in
ein Reagenzglas gegeben. Als Vergleichsprobe dient Salicylsäure, auch hier gibt man eine
Spatelspitze in ein Reagenzglas.
In alle drei Reagenzgläser füllt man nun etwas Wasser und schlemmt gut auf. Dann tropft
man Eisen(III)chlorid-Lösung hinzu.
Beobachtung:
Bei Zugabe von Eisen(III)chlorid-Lösung färbt sich die Salicylsäurelösung stark
rotviolett. Auch bei der erhitzten bzw. alten Aspirintablette ist eine
Rotviolettfärbung zu beobachten, die allerdings nicht ganz so stark ist, wie bei
der Salicylsäurelösung. Bei der neuen Aspirintablette ist höchstens eine ganz
schwache Färbung zu beobachten.
Entsorgung:
Die Lösungen werden neutral in den organischen Abfall gegeben.
Auswertung:
Die Veresterung von Salicylsäure zur Acetylsalicylsäure ist ein reversibler Vorgang. Durch
Erhöhen der Temperatur und bei Anwesenheit von geringen Mengen Wasser hydrolysiert die
Acetylsalicylsäure zu Salicylsäure und Essigsäure:
O
OH
O
O
CH3
O
OH
O
+
H2O

OH
+ H3C
OH
13
Die Salicylsäure lässt sich dann schließlich mit Eisen(III)chlorid nachweisen, hier bildet sich
ein violetter Chelatkomplex:
O
-
HO
O
O
O
OH
-
Fe
3+
O
-
O
HO
Der Nachweis ist nicht spezifisch für Salicylsäure, entscheidend ist lediglich, dass das
Molekül folgende Gruppe beinhaltet:
OH
R1
R2
O
OH
Insbesondere kann man auf Grund dieses Versuchs nun die allgemein bekannte Faustregel,
Aspirintabletten nicht mehr zu verwenden, wenn sie nach Essig riechen, nachvollziehen. Der
Geruch nach Essigsäure dient dabei sozusagen als Zersetzungsindikator, da bei der
Zersetzung sowohl Essigsäure als auch Salicylsäure entsteht. Die eigentliche Schädigung bei
der Einnahme wird allerdings nicht durch die wahrnehmbare Essigsäure, sondern durch die
Salicylsäure hervorgerufen (siehe Einleitung: pH-Vergleich).
14
3. Verwendung
Neben der normalen Aspirintablette sind noch sieben weitere Aspirinprodukte auf dem Markt.
Im Folgenden möchte ich die verschiedenen Präparate auf ihre Unterschiede und zusätzlichen
Inhaltsstoffe untersuchen.
3.1. Aspirin Protect
Aspirin Protect ist eine magensaftresistente Tablette, sie enthält im Gegensatz zur normalen
Aspirintablette weniger Wirkstoff: 100 mg statt 500 mg. Diese Darreichungsform wurde
speziell für die Langzeiteinnahme von Aspirin entwickelt. Aspirin bewirkt nämlich neben der
Schmerzunterbindung auch noch eine Blutverdünnung. Aus Arachidonsäure werden nicht nur,
wie in 1.2 beschrieben, Prostaglandine gebildet, sondern auch Thromboxan, welches für die
Blutgerinnung zuständig ist. Die Bildung von Thromboxan wird ebenfalls durch die
Einnahme von Aspirin unterbunden, da auch an diesem Prozess Cox-1 und Cox-2 beteiligt
sind, die durch Aspirin gehemmt werden.
O
OH
O
CH3
O
OH
Abb.12: Thromboxan A2
Diese weitere Wirkung macht man sich für Herzinfarkt und Schlaganfall gefährdete Patienten
zu nutze. Durch die Einnahme von Aspirin Protect wird das Blut verdünnt und somit die
Gefahr der Blutgerinnselbildung gesenkt. Da es gerade bei längerer Einnahme von Aspirin zur
Reizung des Magens kommen kann (sogar zu Magengeschwüren), ist die Aspirin Protect
Tablette mit einer speziellen Schutzschicht überzogen, die sich im Darm löst, aber nicht im
Magen, so dass der Wirkstoff erst im Darm freigesetzt wird. Dieser Effekt kann mit der
nachstehenden Demonstration gezeigt werden:
15
Demo 2: Aspirin Protect
Chemikalien:

Borat-Puffer [12,4 g H3BO3 + 100 mL NaOH (c = 1 mol/L) + 35 mL HCl (c = 0,1
mol/L)]

Verd. Salzsäure (c = 0,3 mol/L)

Aspirin Protect Tabletten
Geräte:
Beheizbarer Magnetrührer mit Rührfisch, Temperaturregler, Stativmaterial, Kristallisierschale
(ø ≈ 15 cm), zwei 100 mL Bechergläser, schwarze Unterlage
Durchführung:
Man füllt in die beiden Bechergläser je 75 mL der verdünnten Salzsäure bzw. des BoratPuffers. Nun stellt man diese in die mit Wasser gefüllte Kristallisierschale und erhitzt auf dem
Magnetrührer mit Hilfe des Temperaturreglers auf etwa 37°C. Man gibt dann in jedes
Becherglas eine Aspirin Protect Tablette und lässt das Ganze mehrere Minuten stehen. Auf
einer schwarzen Unterlage lässt sich dann der Effekt beobachten.
Beobachtung:
Die Aspirin Protect Tablette im Borat-Puffer fängt schon nach wenigen Minuten an sich
aufzulösen, während die in der verdünnten Salzsäure sich auch noch nach einer Stunde nicht
gelöst hat.
Entsorgung:
Die Lösungen werden neutral in den organischen Abfall entsorgt.
Auswertung:
Die verdünnte Salzsäure hat einen pH-Wert von etwa 1,5 und stellt somit den Magen dar. Der
Borat-Puffer soll mit einem pH-Wert von 8,5 dem menschlichen Darm entsprechen. Im
Versuch kann man deutlich erkennen, dass sich die Aspirin Protect Tablette nur im Darm
auflöst. Die Schutzschicht (Lacküberzug) der Tablette besteht aus Poly[(acrylsäure,
methacrylsäure) (ethyl,methyl/acrylat, methacrylat)] (1:1), Natriumdodecylsulfat, Polysorbat
16
80, Talkum und Triethylcitrat. Die Löslichkeit in basischem Milieu soll hier anhand von
Polymethacrylmethylmethacrylat verdeutlicht werden:
nCH3
CH2
HO
O
CH3
CH3
O
CH2
+
n HO
CH2
-
O
O
CH3
CH3
O
O
CH2
+ n H2O
O
CH3
n
n
Die Löslichkeit beruht also auf der Bildung des Salzes des Polymers. Im sauren Milieu ist
dies in der Art aber nicht möglich und somit bleibt dort die Schutzschicht intakt.
Der Vorteil, der sich durch diese Schutzschicht ergibt, ist, dass die lokale Reizung der
Magenschleimhaut durch Aspirin ausbleibt. Nimmt man eine normale Aspirintablette zu sich,
so löst sich der Wirkstoff schon im Magen auf und wird dann über die Magenschleimhaut in
die Blutbahn transportiert. Lokal kommt es dann in der Magenwand zur Hemmung der
Prostaglandinsynthese. Prostaglandine sind aber neben der Schmerzreizverstärkung auch für
die Bildung der Magenschleimhaut zuständig. Die lokale Wirkung von Aspirin besteht
demnach darin, dass sich die Magenschleimhaut nicht erneuert, was dann schließlich zu
Reizungen führt. In extremen Fällen, wenn zum Beispiel eine Tablette an der
Magenschleimhaut kleben bleibt, kann dies auch zu einem Loch in der Magenschleimhaut
führen, was wiederum zur Zerstörung der Magenwand führt, da diese nun nicht mehr vor der
Magensäure geschützt ist. Es können sich so sogar Magengeschwüre bilden. Da sich Aspirin
Protect nun aber erst im Darm auflöst, bleibt diese Wirkung in dem Maße aus, und somit
eignet es sich auch zur Langzeiteinahme.
3.2. Aspirin Plus C
Bei Aspirin Plus C handelt es sich um eine Brausetablette, die neben dem Wirkstoff
Acetylsalicylsäure noch Vitamin C (Ascorbinsäure) als weiteren wirksamen Bestandteil
enthält. Die Brausetablette enthält zudem noch Pufferstoffe Natriumdihydrogencitrat,
Natriumhydrogencarbonat, Citronensäure und Natriumcarbonat. Diese Pufferstoffe bewirken
17
eine bessere Löslichkeit der Acetylsalicylsäure, was wiederum zu einer schnelleren Aufnahme
in die Blutbahnen führt. Der Zusatz von Natriumhydrogencarbonat führt zum Sprudeln, das
bei der Auflösung der Tablette beobachtbar ist. Gibt man Natriumhydrogencarbonat in
Wasser, so löst sich dieses und es entsteht Kohlendioxid:
NaHCO3 (s) +H2O → Na+(aq) + H2CO3 (aq) + OH-(aq)
H2CO3 (aq) → CO2 (g) + H2O
Vitamin C stärkt das Immunsystem, weshalb Aspirin Plus C häufig gegen schmerzhafte
Beschwerden,
die
im
Zusammenhang
mit
einer
Erkältungserkrankung
auftreten,
eingenommen wird. Vitamin C lässt sich wie folgt nachweisen:
Versuch 4: Aspirin Plus C
Chemikalien:

Aspirin Plus C Tablette

Aspirintablette

Vitamin C

Verd. Salzsäure

Verd. Natronlauge

Tillmanns Reagenz

Dest. Wasser
Geräte:
Reagenzgläser, Reagenzglasständer, Spatel, Tropfpipetten
Durchführung:
In vier Reagenzgläser füllt man gleiche Mengen an Tillmanns Reagenz. In das erste
Reagenzglas tropft man zunächst einige Tropfen verdünnte Salzsäure und anschließend
ungefähr die gleiche Menge verdünnte Natronlauge.
Zu dem zweiten Reagenzglas gibt man eine Spatelspitze Vitamin C, zum dritten eine
Spatelspitze gepulvertes Aspirin Plus C und in das letzte zum Vergleich gepulvertes Aspirin.
18
Beobachtung:
Bei Zugabe verdünnter Salzsäure färbt sich das tiefblaue Tillmanns Reagenz
rosa. Nach der Zugabe von Natronlauge stellt sich die ursprüngliche blaue
Färbung wieder ein.
Durch Vitamin C entsteht zunächst urz eine Rosafärbung bevor sich die Lösung
komplett entfärbt. Bei Aspirin Plus C beobachtet man das Gleiche. Die Zugabe
von Aspirin führt dahingegen lediglich zur Rosafärbung, es findet keine
Entfärbung statt.
Entsorgung:
Die Lösungen werden neutral in den organischen Abfall gegeben.
Auswertung:
Tillmanns Reagenz ist das Natriumsalz von 2,6-Dichlorphenolindophenol:
Cl
N
Cl
-
+
+
O Na
O
Na
N
O
Cl
O
Cl
Abb.13: Tillmanns Reagenz
Löst man Tillmanns Reagenz in Wasser so entsteht eine tiefblaue Lösung.
Durch die Zugabe von Säure wird das Molekül protoniert, die Lösung hat nun eine blassrosa
Färbung:
Cl
Cl
N
N
...
H2O
OH
Cl
HO
OH
Cl
Abb.14: Protonierte Form des Tillmanns Reagenz
Durch Zugabe von Ascorbinsäure wird Tillmanns Reagenz reduziert, während Ascorbinsäure
selbst oxidiert wird:
19
Cl
NH
HO
OH
Cl
Abb.15: Reduzierte Form des Tillmanns Reagenz (farblos)
Die reduzierte Form des Tillmanns Reagenz ist im Gegensatz zu den beiden obigen Formen
farblos, da hier kein delokalisiertes π-Elektronensystem mehr vorliegt.
Die Oxidationsreaktion der Ascorbinsäure sieht wie folgt aus:
HO
HO
O
O
HO
HO
-
O
+
- 2 e ; -2 H
O
HO
OH
O
O
Auf den ersten Blick ist nicht klar erkenntlich warum es sich bei Ascorbinsäure überhaupt um
eine Säure handelt. Vitamin C ist eine vinyloge Säure, die Säurefunktion wird deutlich, wenn
man sich die deprotonierte Form und ihre mesomere Stabilisierung anschaut:
HO
O
HO
HO
HO
O
+
O
-H
HO
HO
OH
O
O
OH
O
HO
O
O
OH
Noch etwas zu Vitamin C:
Vitamin C ist eines der wichtigsten Vitamine, es wird neben der Stärkung des Immunsystems
unter anderem für die Stressbewältigung, die Glättung der Blutgefäßwände und
Fettverwertung im Körper gebraucht. Die empfohlene Tagesdosis liegt bei 100 mg für
Erwachsene, für Raucher liegt sie etwas höher mit 150 mg. Vitamin C ist vor allem in Obst
und Gemüse enthalten, bei einer unausgewogenen Ernährung, die zu Vitamin C Mangel führt,
kann es zu starken Mangelerkrankungen, wie Skorbut, kommen. Skorbut betraf früher häufig
Seefahrer, da sie nicht ausreichend frische Lebensmittel mitnehmen konnten. Skorbut
verursacht eine Schwächung der Blutgefäße, Blutungen, Zahnausfall und kann schließlich
zum Tod führen.
20
Der Mensch ist nicht in der Lage, im Gegensatz zu vielen anderen Tieren, Vitamin C selbst zu
synthetisieren, und muss es somit über die Nahrung aufnehmen. Auch eine Speicherung von
Vitamin C ist dem Menschen nicht möglich. Zur Biosynthese fehlt dem Menschen die LGulonolacton-Oxidase, der Grund dafür ist möglicherweise ein Gendeffekt, der bei einer
Mutation vor etwa 60 Millionen Jahren stattgefunden hat. Neben dem Menschen sind auch
einige Menschenaffen, Meerschweinchen und Vögel nicht in der Lage, Vitamin C zu
synthetisieren.
3.3. Aspirin Migräne
Migräne gehört zu den häufigsten Schmerzerkrankungen überhaupt. In Deutschland leiden
fast 10 Millionen Menschen unter Migräne. Aspirin Migräne wurde speziell für
Migränepatienten entwickelt. Da es hier vor allem auf eine schnelle Wirksamkeit ankommt,
handelt es sich bei Aspirin Migräne um eine Brausetablette, die genau wie Aspirin Plus C
Natriumhydrogencarbonat, Citronensäure, Natriumdihydrogencitrat und Natriumcarbonat
enthält. Somit nimmt man auch hier den Wirkstoff in gelöster Form zu sich, was zu einer
schnelleren Wirkung führt.
3.4. Aspirin Effekt/Direkt
Bei Aspirin Direkt handelt es sich um eine Kautablette, bei Aspirin Effekt
um ein Granulat. Beide können ohne Wasser eingenommen werden und
enthalten deshalb zur Verbesserung des Geschmacks zusätzlich noch Aromastoffe und die
Süßstoffe D-Mannitol und Aspartam. Diese Präparate enthalten wie Aspirin Plus C
Ascorbinsäure. In Aspirin Effekt befindet sich als Puffersystem Natriumhydrogencarbonat,
Natriumdihydrogencitrat und Citronensäure, in Aspirin Direkt Magnesiumcarbonat,
Citronensäure
und
Natriumcarbonat.
Aspirin
Direkt
enthält
zusätzlich
noch
die
Verdickungsmittel Carmellose-Natrium und Calciumstearat und den Farbstoff Gelborange S.
21
3.5. Aspirin Forte
Aspirin Forte enthält Coffein, welches die Wirkung von Acetylsalicylsäure verstärkt und
beschleunigt. Damit ist Aspirin auch gegen stärkere (Kopf-)Schmerzen geeignet. Gleichzeitig
regt Coffein den Kreislauf an und kann so kopfschmerzbegleitende Müdigkeitserscheinungen
bekämpfen. Im folgenden Versuch habe ich mit der Murexid-Probe Coffein in Aspirin Forte
nachgewiesen:
Versuch 5: Aspirin Forte
Chemikalien:

Aspirin Forte Tablette

Coffein

Salzsäure (konz.)

Ammoniak (konz.)

Wasserstoffperoxid (w = 0,3)
Geräte:
2 Porzellanschalen, Kristallisierschale, Tropfpipetten, beheizbarer Magnetrührer
Durchführung:
Man gibt in die beiden Porzellanschalen je eine Spatelspitze Coffein bzw. gepulvertes Aspirin
Forte. Die beiden Schalen werden vorsichtig in die Kristallisierschale gestellt, in der sich
siedendes Wasser befindet. Dann tropft man je 1-2 Tropfen Wasserstoffperoxid und 1-2
Tropfen Salzsäure hinzu und lässt dann eindampfen. Nun werden noch 1-2 Tropfen
Ammoniak dazu gegeben und auch wieder eingedampft.
Beobachtung:
Nach Zugabe des Ammoniaks bildet sich eine purpurviolette Färbung.
Entsorgung:
Die Schalen werden mit einem Stück Toilettenpapier sauber gemacht, welches man in die
Feststofftonne entsorgt.
22
Auswertung:
Coffein wird zunächst durch Oxidation der Methylgruppen zu Xanthin umgesetzt:
O
H3C
O
CH3
N
N
+
O
N
N
6 H2O 2
N
N
H
H
+
O
+ 3 H2
H
Coffein
+ 6 H2O
N
N
CH3
3 CO 2
Xanthin
Die Methylgruppen werden dabei schrittweise oxidiert, zunächst zum Alkohol, dann zum
Aldehyd, zur Säure und schließlich wird Kohlenstoffdioxid abgespaltet:
R1
R1
R2
R2
N
+ H2 O 2
N
- H2 O
R1
- H2
N
H2C
CH3
HC
OH
R1
+ H2 O 2
R2
O
R1
N
R2
N
+
- H2 O
C
HO
R2
CO 2
H
O
Xanthin wird dann unter Säurekatalyse hydrolysiert:
O
HN
O
O
H
N
N
H
NH
H2O
O
O
H2O; H
H
NH
H
HN
N
H
O
NH2
O
O
N
H
NH
H
NH
+
H
HN
<H+>
N
O
H
HN
-NH4+
O
O
N
H
O
23
Der erste Schritt dieser Reaktion verläuft mechanistisch wie folgt:
O
O
H
N
HN
O
N
H
+ H+
O
H
N
HN
O
N
N
H
H
O
N
H
O
H
N
H
N
H
+
+
H2O
N
H
O
O
H
N
O
HN
+
N
O
HN
H
N
H
N
- H+
HN
+ H+
H
N
HN
H
O
OH
H
O
N
H
N
H
+
O
N
H
O
N
H
H
NH
- H+
HN
O
O
N
H
NH2
Im zweiten Schritt findet eine Imin-Enamin-Tautomerie statt:
O
O
NH
NH
HN
HN
O
O
N
H
NH2
O
O
N
H
NH
Im letzten Schritt wird das Imin dann hydrolysiert. Das verläuft mechanistisch analog zur
ersten Hydrolyse.
Nun findet erneut eine Oxidation, diesmal an der endständigen Ketogruppe und des daraus
entstanden Amins, statt. Nach anschließender Hydrolyse des Imins entsteht Aloxan:
24
O
H
O
NH
H
H2O2
HN
O
O
N
H
HN
- H2O; -CO2
O
H
O
N
H
NH2
H2O2
O
- 2 H2O
Uramil
O
O
NH
+ H2O; H+
HN
O
N
H
O
HN
- NH4+
O
O
N
H
O
Aloxan
Uramil besitzt eine Ketogruppe, die zur Enol-Form tautomerisieren kann. Diese Enol-Form
des Uramils und Aloxan reagieren nun unter Abspaltung von Wasser (Kondensationsreaktion)
zur Purpursäure:
O
O
O
H2N
HN
O
N
NH
HN
+
O
N
H
O
HO
N
H
O
O
- H2O
NH
O
N
H
N
H
O HO
O
Durch Zugabe von Ammoniak entsteht das Ammoniumsalz der Purpursäure: Murexid.
O
O
O
N
HN
O
N
H
OH O
N
H
N
+ NH3
NH
O
O
HN
O
+
NH4
NH
N
H
-
O O
N
H
O
25
3.6. Aspirin Complex
Aspirin Complex enthält neben Acetylsalicylsäure noch einen weiteren Wirkstoff:
Pseudoephedrin.
OH
CH3
HN
CH3
Abb.16: Pseudoephedrin
Pseudoephedrin wirkt gefäßverengend. Die Kombination der beiden Wirkstoffe reduziert
somit erkältungsbegleitenden Beschwerden. Während Acetylsalicylsäure die Schmerzen
lindert, verursacht Pseudoephedrin ein Abschwellen der Nasenschleimhaut. Der Schnupfen
wird somit bekämpft und die Nase ist wieder frei.
26
4. Schulrelevanz und didaktische Analyse
Das Thema Aspirin eignet sich sehr gut als alltagsbezogene Unterrichtseinheit. Man kann hier
viele Aspekte der organischen Chemie wiederfinden. Im Lehrplan findet man es sogar
ausdrücklich als Vorschlag für ein Wahlthema für angewandte Chemie. Allerdings muss man
das Thema Aspirin nicht unbedingt als separates Thema in den Unterricht einbringen, sondern
kann an seinem Beispiel an vielen Stellen den Anwendungsbezug zum Alltag herstellen.
Natürlich würde sich das Thema auch hervorragend für eine Projektwoche oder einen
Lernzirkel eignen.
Die Veresterung soll im Rahmen des hessischen G8 Lehrplans in der Jahrgangsstufe 11
durchgenommen werden, da es sich bei der Darstellung der Acetylsalicylsäure um eine
Veresterung handelt, könnte man diese in dem Zusammenhang durchführen und hätte eine
andere Anwendung von den üblich durchgenommenen Fruchtestern. In einem Leistungskurs
kann man dabei die tatsächliche Synthese mit Essigsäureanhydrid besprechen, für einen
Grundkurs halte ich es für sinnvoller, dass man den Prozess didaktisch soweit reduziert, dass
hier eine Veresterung von Essigsäure mit dem Alkohol der Salicylsäure stattfindet.
Der Vitamin C Nachweis bietet sich natürlich neben der Untersuchung von Aspirin auch in
anderen Gebieten an. So kann man zum Beispiel Fruchtsäfte oder andere Lebensmittel auf
Enthalten von Vitamin C untersuchen. Dabei ermöglicht Tillmanns Reagenz nicht nur eine
qualitative sondern auch eine quantitative Untersuchung auf Vitamin C. Letzteres gibt die
Möglichkeit, die Schüler Lebensmittel von zu Hause mitbringen zu lassen und diese dann auf
Vitamin C zu untersuchen und womöglich mit den Angaben auf der Packung zu vergleichen.
Dies bietet einen guten Alltagsbezug und Motivation für die Schüler.
Kombiniert man den Nachweis von Vitamin C mit dem Nachweis von Coffein, so kann man
den Schülern zum Beispiel die Aufgabe stellen drei verschieden Pulver (Aspirin, Aspirin Plus
C und Aspirin Forte) zu untersuchen und anhand der Versuche zu ermitteln welches Pulver,
welchem Aspirinpräparat entspricht. Damit lernen die Schüler neben den inhaltlichen Themen
auch die Arbeitsmethoden der Chemie kennen – Nachweise.
27
Die von mir durchgeführten Versuche eignen sich alle als Schülerversuche, auch wenn man
bei einigen noch einmal deutlich auf die Gefahren hinweisen sollte, da teils mit konzentrierten
Säuren und Laugen gearbeitet wird.
Aspirin eignet sich nicht nur wegen seiner einfachen Darstellung und allgemeinen
Bekanntheit als Thema für den Unterricht, sondern auch wegen des bekannten
Wirkungsmechanismus im Körper (dies ist für die meisten anderen Medikamente nicht der
Fall). Hier spielen dann andere Themen der Chemie eine Rolle, wie Enzyme, enzymatische
Katalyse und Fettsäuren. Gleichzeitig wird durch die Wirkungsweise im Körper die
Verbindung zum Fach Biologie hergestellt.
Einen weiteren Themenkomplex den meine Versuche teilweise abdecken, sind Farbstoffe und
Farbigkeit von chemischen Verbindungen. So spielen Charge-Transfer-Komplexe bei dem
Stärkenachweis eine entscheidende Rolle und anhand von Tillmanns Reagenz kann man gut
die Entstehung von Farbe durch delokalisierte Elektronensysteme erklären, da hier durch die
Oxidation des Reagenz die Farbigkeit verloren geht. Was genau deshalb passiert, weil die
Delokalisation des Elektronensystems durch die Oxidation aufgehoben wird.
28
5. Anhang
5.1. Literaturangaben:
1. Vollhardt, Schore; Organische Chemie, 4.Auflage, Wiley-VCH, Weinheim 2005
2. Hart, Craine, Hart, Hadad; Organische Chemie, 3. Auflage, Wiley-VCH, Weinheim
2007
3. www.aspirin.de (20.07.2008)
4. http://www.pharmweb.net/pwmirror/pwy/paracetamol/pharmwebpic.html
5. http://www1.ratiopharm.com
6. http://www.uni-duesseldorf.de/kojdapharmalehrbuch/apothekenmagazin/Fortbildungsartikel/2003-01-02.pdf
7. Hessischer Lehrplan G8
5.2. Quellenangaben (Bilder):
Abb.1: www.bayer.de
Abb.2: http://www.wsv-bruehl.de/projekt3.html
Abb.3: http://de.wikipedia.org/wiki/Echtes_M%C3%A4des%C3%BC%C3%9F
Abb.4: http://nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1982/vane-autobio.html
Abb.9: http://www.wirtschaftsspiegel.com/archiv/archiv02/november/texte/wisa.htm
Abb.10: http://www.chids.de/dachs/expvortr/738SalzeHaushalt_Kuhn.pdf
5.3. R- und S-Sätze der verwendeten Chemikalien (in alphabetischer Reihenfolge)
Acetylsalicylsäure:
R22: Gesundheitsschädlich beim Verschlucken.
Xn (Gesundheitsschädlich)
Ammoniak:
R 34: Verursacht Verätzungen.
R 50: Sehr giftig für Wasserorganismen.
S 26: Bei der Berührung mit den Augen sofort gründlich mit Wasser ausspülen und Arzt konsutieren.
S 36/37/39: Bei der Arbeit geeignete Schutzkleidung, Schutzhandschuhe und Schutzbrille/
Gesichtsschutz tragen.
S 45: Bei Unfall oder Unwohlsein sofort Arzt zuziehen (wenn möglich Etikett vorzeigen)
S 61: Freisetzung in die Umwelt vermeiden. Besondere Anweisungen einholen/ Sicherheitsdatenblatt zu
Rate ziehen.
C (Ätzend), N (Umweltgefährdend)
29
Borsäure:
keine
Coffein:
R 22: Gesundheitsschädlich beim Verschlucken.
S 2: Darf nicht in die Hände von Kindern gelangen.
Xn (Gesundheitsschädlich)
Eisen(III)chlorid:
R 22: Gesundheitsschädlich beim Verschlucken.
R 38: Reizt die Haut.
R 41: Gefahr ernster Augenschäden.
S 26: Bei Berührung mit den Augen sofort gründlich mit Wasser abspülen und Arzt konsultieren.
S 39: Schutzbrille/Gesichtsschutz tragen.
Xn (Gesundheitsschädlich)
Essigsäureanhydrid:
R 10: Entzündlich.
R 20/22: Gesundheitsschädlich beim Einatmen und Verschlucken.
R 34: Verursacht Verätzungen.
S1/2: Unter Verschluss und für Kinder unzugänglich aufbewahren.
S 26: Bei Berührung mit den Augen sofort gründlich mit Wasser abspülen und Arzt konsultieren.
S 36/37/39: Bei der Arbeit geeignete Schutzkleidung, Schutzhandschuhe und Schutzbrille/
Gesichtsschutz tragen.
S 45: Bei Unfall oder Unwohlsein sofort Arzt zuziehen (wenn möglich Etikett vorzeigen.
C (Ätzend)
Iod:
R 20/21: Gesundheitsschädlich beim Einatmen und bei der Berührung mit der Haut.
R 50: Sehr giftig für Wasserorganismen.
S 23: Dampf nicht einatmen.
S 25: Berührung mit den Augen vermeiden.
S 61: Freisetzung in die Umwelt vermeiden. Besondere Anweisungen einholen / Sicherheitsdatenblatt
zu Rate ziehen.
Xn (Gesundheitsschädlich), N (Umweltgefährdend)
Kaliumiodid:
keine
Natronlauge (verd.):
R 35: Verursacht schwere Verätzungen.
S 26: Bei Berührung mit den Augen sofort gründlich mit Wasser abspülen und Arzt konsultieren.
S 36/37/39: Bei der Arbeit geeignete Schutzkleidung, Schutzhandschuhe und Schutzbrille/
Gesichtsschutz tragen.
S 45: Bei Unfall oder Unwohlsein sofort Arzt zuziehen (wenn möglich Etikett vorzeigen.
C (Ätzend)
Paracetamol:
R 22: Gesundheitsschädlich beim Verschlucken.
R36/38: Reizt die Augen und die Haut.
R 52/53: Schädlich für Wasserorganismen, kann in Gewässern längerfristig schädliche Wirkungen
haben.
S 26: Bei Berührung mit den Augen sofort gründlich mit Wasser abspülen und Arzt konsultieren.
S 37/39: Bei der Arbeit geeignete Schutzhandschuhe und Schutzbrille/ Gesichtsschutz tragen.
S 61: Freisetzung in die Umwelt vermeiden. Besondere Anweisungen einholen / Sicherheitsdatenblatt
zu Rate ziehen.
Xn (Gesundheitsschädlich)
30
Salicylsäure:
R 22: Gesundheitsschädlich beim Verschlucken.
R 41: Gefahr ernster Augenschäden.
S 22: Staub nicht einatmen.
S 24: Berührung mit der Haut vermeiden.
S 26: Bei Berührung mit den Augen sofort gründlich mit Wasser abspülen und Arzt konsultieren.
S 39: Schutzbrille/Gesichtsschutz tragen.
Xn (Gesundheitsschädlich)
Salzsäure (verd.):
keine
Salzsäure (konz.):
R 34: Verursacht Verätzungen.
R 37: Reizt die Atmungsorgane.
S 26: Bei Berührung mit den Augen sofort gründlich mit Wasser abspülen und Arzt konsultieren.
S 45: Bei Unfall oder Unwohlsein sofort Arzt zuziehen (wenn möglich Etikett vorzeigen.
C (Ätzend)
Schwefelsäure:
R 35: Verursacht schwere Verätzungen.
S 26: Bei Berührung mit den Augen sofort gründlich mit Wasser abspülen und Arzt konsultieren.
S 30: Niemals Wasser hinzugießen.
S 45: Bei Unfall oder Unwohlsein sofort Arzt zuziehen (wenn möglich Etikett vorzeigen)
C (ätzend)
Stärke:
Keine
Tillmanns Reagnenz:
R 36/37/38: Reizt die Augen, Atmungsorgane und die Haut.
S 26: Bei Berührung mit den Augen sofort gründlich mit Wasser abspülen und Arzt konsultieren.
S 37: Geeignete Schutzhandschuhe tragen.
Xi (reizend)
Vitamin C:
keine
Wasser (destilliert):
keine
Wasserstoffperoxid:
R 22: Gesundheitsschädlich beim Verschlucken.
R 41: Gefahr ernster Augenschäden.
S 17: Von brennbaren Stoffen fernhalten.
S 26: Bei Berührung mit den Augen sofort gründlich mit Wasser abspülen und Arzt konsultieren.
S 39: Schutzbrille/Gesichtsschutz tragen.
Xn (gesundheitsschädlich)
31