D-Ribose: Ein kleiner Trost für alle, die mit der Zucker-Kristallisation Probleme haben

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

eigentlich war für diesen Blogbeitrag der Schwefel angekündigt. Aber hier ein kleiner Einschub, der nochmal das Thema Zucker aufgreift, angeregt durch eine gerade gefundene Veröffentlichung zur Kristallstruktur der D-Ribose.

Im letzten Beitrag wurden die 4 möglichen Ringstrukturen der Arabinose besprochen. (Alpha- und Beta-Pyranose- sowie Alpha- und Beta-Furanose-Form). Die gleichen Strukturen kann auch die D-Ribose bilden, sie unterscheidet sich ja nur in der räumlichen Anordnung der OH-Gruppen von der Arabinose. Die D-Ribose, es wurde erwähnt, ist Bestandteil unserer RNA (Ribonukleinsäure), spielt also eine ganz ausserordentliche Rolle in der belebten Natur. Hier noch einmal die Formeln der verschiedenen Formen:

D-Ribose

D-Ribose

Alpha-Ribofuranose Beta-Ribofuranose

Alpha-D-Ribofuranose             Beta-D-Ribofuranose

Ribopyranose

Alpha-D-Ribopyranose                                                                Beta-D-Ribopyranose

Es war lange Zeit eine offene Frage, in welcher dieser Formen D-Ribose kristallisiert. In Lösung liegt sie als Gemisch vor.
Erst im Jahre 2010 ist es einer Gruppe von Forschern in der Schweiz und in Deutschland gelungen, diese Frage durch Röntgenbeugungsanalysen und kernresonanzspektroskopischen Untersuchungen zu klären.

Für die Röntgenbeugungsanalyse benötigt man die D-Ribose in kristalliner Form. Und hier lag das Problem.  Weil sie so schlecht kristallisiert, hat es letztlich bis 2010 gedauert, diese Frage zu klären.
Das Ergebnis der Forschungsarbeiten: D-Ribose kristallisiert in einer Mischform aus Alpha- und Beta-D-Ribopyranose.

Mehr Informationen findet man unter http://www.organische-chemie.ch/chemie/2010/jul/ribose.shtm

Es ist hoffentlich doch für alle, die sich mit der Mikrokristallisation von Zuckern beschäftigen ein Trost, daß wir mit dem Problem der schlechten Kristallisation mancher Zucker nicht alleine stehen. Aber vielleicht ist die D-Ribose auch eine besondere Herausforderung zu versuchen, sie zu kristallisieren und eindrucksvolle Mikrofotos davon zu schießen. Man kann D-Ribose problemlos im Internet kaufen, da sie als Nahrungsergänzungsmittel gilt. Über Erfolg oder Misserfolg wird in absehbarer Zeit ein Blogbeitrag folgen, aber zunächst ist wie angekündigt der Schwefel an der Reihe.

Bis dahin, liebe Freunde der Mikrokristalle

wünsche ich eine gute Zeit.
H-D-S

 

Mikrokristalle aus L-(+)-Arabinose

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

unser Haushaltszucker, die Saccharose, bildet aus dest. Wasser kristallisiert, sehr schöne Kristalle. Aber man benötigt Zeit, aus den im vorigen Blogbeitrag genannten Gründen. Schneller geht es mit der Arabinose.

Die Arabinose ist auch ein Zucker, besitzt aber nur 5 Kohlenstoff-Atome und ist also eine Pentose. Eine sehr ähnliche Verbindung, nur in der räumlichen Anordnung der OH-Gruppen etwas anders, ist die D-Ribose. Sie ist Bestandteil unserer RNA (Ribonukleinsäure), die eine tragende Rolle in unserem Zellgeschehen spielt. Hier die beiden Formeln in der Fischer-Projektion:

L-(+)-Arabinose D-Ribose

L-(+)-Arabinose D-Ribose

Auch die Arabinose liegt in einer ringförmigen Struktur vor. Sie kann, bei der Glucose wurde es nicht erwähnt, genau wie diese, sogar zwei ringförmige Strukturen, nämlich einen Fünfring und einen Sechsring bilden. Hier wird es am Beispiel der D-Arabinose gezeigt:

Alpha-D-Arabinopyranose Beta-D-Arabinopyranose

Alpha-D-Arabinopyranose Beta-D-Arabinopyranose

Bei dem Ringschluß entsteht wie früher bei der Glucose besprochen ein neues Asymmetriezentrum (ganz rechtes C-Atom), so daß wir wiederum eine Alpha- und eine Beta-Form erhalten. Neben dem Pyranosering mit 6 C-Atomen, kann auch ein Fünfring, der Furanosering genannt wird, entstehen:

Alpha-D-Arabinofuranose Beta-D-Arabinofuranose

Alpha-D-Arabinofuranose Beta-D-Arabinofuranose

Auch hier entsteht ein neues Asymmetriezentrum, daher auch wieder die zwei Formen.

So kompliziert die Arabinose auch erscheinen mag, sie kristallisiert sehr leicht aus destilliertem Wasser.

Man gibt einige wenige Körnchen auf einen sauberen Objektträger und löst sie mit einem Tropfen dest. Wasser. Schon nach kurzer Zeit, spätestens über Nacht ist die Probe vollständig kristallisiert. Hier einige Aufnahmen der L-(+)-Arabinose:

L-(+)-Arabinose

L-(+)-Arabinose

L-(+)-Arabinose

L-(+)-Arabinose

L-(+)-Arabinose

L-(+)-Arabinose

Woher bekommt man diesen fotogenen Zucker? Manchmal hilft ein Apotheker, wenn man ihm erklärt, was man damit anfangen will. Arabinose ist aber nicht ganz billig. 5 g kosten ca. 10 EURO.

Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle. Im nächsten Blogbeitrag geht es um ein chemisches Element, das sich ausgezeichnet für die Mikrokristallisation eignet, dem Schwefel.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit.

H-D-S

Mikrokristalle aus Haushaltszucker (Saccharose)

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

im letzten Blogbeitrag stand die D-Glucose (Traubenzucker) im Mittelpunkt der Betrachtung.

Hier ein Foto, das nach 4 Tagen Kristallwachstum aufgenommen wurde:

D-Glucose

D-Glucose
Aufnahme nach 4 Tagen Kristallwachstum

Heute wenden wir uns dem bekanntesten aller Zucker, dem Haushaltszucker zu. Er wird auch Rohrzucker und Rübenzucker genannt. Chemiker nennen ihn Saccharose und ganz genau heißt er O-Alpha-D-Glucopyranosyl-(1->2)-Beta-D-fructofuranose. Hier seine Formel:

Saccharose

Saccharose
O-Alpha-Glucopyranosyl-(1->2)-Beta-D-fructofuranose)

Saccharose besteht aus einem Molekül D-Glucose (Traubenzucker), das ist der linker Ring und einem Molekül D-Fructose (Fruchtzucker), rechter Ring. Auch hier noch einmal der kleine Hinweis: Die Natur zaubert aus einigen wenigen Stoffen, durch geringfügige räumliche Variation, hier der OH-Gruppen, die unterschiedlichsten Stoffe.

Das Zuckermolekül ist nicht sehr stabil. Schon ganz geringe Säuremengen führen zur sogenannten Invertierung. Das heißt, Zerfall in die Ausgangsstoffe D-Glucose und D-Fructose. Man nennt diese Zuckermischung Invertzucker. Honig z.B. besteht im Wesentlichen aus Invertzucker. Wässrige Lösungen von Saccharose invertieren beim Erhitzen. Wenn wir mit Saccharose Kristalle züchten, die wässrige Lösung also nicht erhitzen!

Auch beim Kristallisieren von Saccharose muß man sich Zeit lassen. Meist setzt die Kristallisation erst nach 4 Tagen ein und benötigt 1 – 3 Wochen bis zur vollständigen Kristallisation. Man gibt auf einen sauberen Objektträger einige wenige Zuckerkörner. Wenig ist hier besser als zuviel. Dann einen Tropfen dest. Wasser zugeben. Die Kristalle lösen sich vollständig auf. Ohne Deckglas an einem staubfreien Ort stehenlassen. Staub ist hier besonders gefährlich, weil die Probe lange steht und am klebrigen Zucker gerne Staub hängen bleibt.

Nach einigen Tagen setzt die Kristallisation punktförmig ein. Bis zur vollständigen Kristallisation dauert es eine Weile. Man kann aber zwischendurch fotografieren, aber auch hier auf Staub aufpassen.

Hier 2 Fotos, die nach 4 Tagen aufgenommen wurden:

Saccharose

Saccharose
Aufnahme nach 4 Tagen

 

Saccharose

Saccharose
Aufnahme nach 4 Tagen

Zucker lassen sich nicht aus  Schmelzen kristallisieren, da sie sich bereits unterhalb ihrer Schmelzpunkte zersetzen. Die verschiedenen Zucker sind praktisch nur in Wasser löslich. (Traubenzucker löst sich etwas in Spiritus in der Wärme).

Die hier bislang behandelten Zucker waren sogenannte Hexosen, weil sie 6 Kohlenstoffatome besitzen. Es gibt auch Zucker, die bestehen aus 5 Kohlenstoffatomen, man nennt sie Pentosen. Der bekannteste ist die Beta-D-Ribose, sie ist Bestandteil unserer DNA und RNA. Ein ganz ähnlicher Zucker ist die Arabinose. Sie bildet sehr schöne Kristalle.

Hier schon mal ein kleiner Vorgeschmack:

Arabinose

L-(+)-Arabinose

Die Arabinose wird der Gegenstand meines nächsten Blogbeitrags sein.

Bis dahin, liebe Freunde der Mikrokristalle,

wünsche ich viel Spaß und Geduld beim Experimentieren mit Zucker und eine schöne Zeit.

H-D-S

Mikrokristalle aus D-Glucose (Traubenzucker)

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

es wurde schon erwähnt, Traubenzucker verhält sich beim Kristallisieren etwas sperrig. Man benötigt Geduld! Dann erhält man aber auch schöne Ergebnisse. Der Grund für die langsame Kristallisation wurde im letzten Blogbeitrag schon erwähnt: Traubenzucker liegt in wässriger Lösung in einer ringförmigen Struktur vor. Bei diesem Ringschluß entstehen 2 neue Strukturisomere die hier Anomere genannt werden. Es sind dies die Alpha-D-Glucopyranose und die Beta-D-Glucopyranose. In Traubenzucker-Kristallen die aus wässriger Lösung bei Raumtemperatur gezüchtet werden, liegt nur die Alpha-Form vor. Das heißt aber, daß Beta-D-Glucopyranose in die Alpha-Form umgewandelt werden muß. Dieser Umwandlungsprozess vollzieht sich sehr langsam. Auf dem Objektträger dauert es manchmal mehrere Tage, bis eine sichtbare Kristallisation einsetzt.

Nun zum ganz praktischen Teil:

Traubenzucker erhält man in jedem Supermarkt, aber Vorsicht: Er enthält meist Zusatzstoffe wie z.B. Vitamine. Auf der Verpackung sind diese Stoffe aufgeführt. Es ist zweckmäßig, sie so gut es geht, zu entfernen. Da Traubenzucker in Spiritus nur wenig löslich ist, kann man ihn mit Spiritus waschen. Dazu übergießt man in einem Becherglas 1/2 Teelöffel Traubenzucker mit ca. 10 ml Spiritus und rührt ein paar Sekunden. Dann gießt man den Spiritus vorsichtig ab, (man nennt das dekantieren). Diesen Vorgang wiederholt man 3-4 mal. Der vorher meist etwas gelbliche Traubenzucker ist jetzt ganz weiß. Man gibt  ca. 20 ml dest. Wasser zu. Der Traubenzucker löst sich vollständig. Von dieser Lösung gibt man einen Tropfen auf einen sauberen Objektträger und läßt ihn an einem staubfreien Ort stehen. Wenn man Glück hat, beginnt die Kristallisation nach einigen Tagen. Wenn nach 3-4 Tagen noch keinerlei sichtbare Kristallisation eingesetzt hat, nimmt man 1-2 Traubenzuckerkörnchen und gibt sie vorsichtig auf den Objektträger. Manchmal, nach einigen Stunden, setzt dann die Kristallisation im Bereich des Impfkristalls ein. Man kann auch, z.B. mit der Spitze eines Objektträgers, an der Probe etwas kratzen, auch das hilft, die Kristallisation in Gang zu setzen.

Hier ein Beispiel einer Aufnahme, die ca. 24 Stunden nach dem Animpfen mit einem Traubenzucker-Körnchen aufgenommen wurde:

D-Glucose

D-Glucose (Traubenzucker) ca. 24 Stunden nach Animpfen

Wie schon erwähnt, löst sich Traubenzucker nur wenig in kaltem Spiritus. In heißem Spiritus löst er sich etwas besser. Man kann etwas von dem durch Dekantieren gereinigten Traubenzucker mit Spiritus zum Kochen bringen (Niemals bei offener Flamme !!!), und einen Tropfen der heißen Lösung auf einen Objektträger geben. Manchmal erfolgt die Kristallisation über Nacht, da hier nur Alpha-D-Glucopyranose entsteht. Manchmal hat man aber auch die gleichen Probleme wie mit der wässrigen Lösung. Wenn sich bei diesem Verfahren nur Einzelkristalle bilden, (weil die Lösung sehr dünn ist), eignen sich diese sehr gut zum Animpfen.

Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle.

Wie sich die angeimpften Traubenzucker-Kristalle weiterentwickeln und was man mit Haushaltszucker anstellen kann, wird das Thema meines nächsten Blogbeitrags sein.

Bis dahin wünsche ich eine gute Zeit.

H-D-S

Zucker: Der etwas sperriger Stoff für Mikrokristalle

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

wir sind es gewohnt, mit Zucker unseren Haushaltszucker zu bezeichnen. Tatsächlich ist  Zucker aber der Oberbegriff einer großen Zahl verschiedener Zuckerarten, von denen uns u.a. Traubenzucker und Fruchtzucker gut bekannt sind.

Die Zucker sind außerordentlich wichtige Stoffe in der Natur. Sie dienen als Energiequelle, (Traubenzucker), Bausteine für Energiespeicher (Stärke) und sind Ausgangsmaterial für das in der Natur am häufigsten synthetisierte Stützmaterial, der Cellulose. Auch unsere DNA und RNA enthält ein bestimmtes Zuckermolekül, die D-Ribose.

Unser Haushaltszucker, die Saccharose ist kondensiert aus einem Molekül D-Glucose (Traubenzucker) und einem Molekül D-Fructose (Fruchtzucker).

Hier in der Fischer-Projektion die beiden Zucker:

d-Glucose D-Fructose

D-Glucose und D-Fructose in der Fischer-Projektion

Die Kohlenstoff-Atome sowie die direkt am Kohlenstoff sitzenden Wasserstoff-Atome wurden weggelassen, die Sternchen kennzeichnen die asymmetrischen Kohlenstoff-Atome. Die Zucker sind also optisch aktiv, sie drehen die Ebene des polarisierten Lichts und sind aus dieser Sicht ideale Kandidaten für unsere Mikrokristallisation.

Am Beispiel der D-Glucose (Traubenzucker) soll in einer kleinen Exkursion gezeigt werden, wie die Natur durch nur geringfügige Änderungen eines Moleküls, ganz unterschiedliche Stoffe erzeugt. Zunächst sieht man, daß die D-Glucose 4 Asymmetriezentren besitzt, hier durch Sternchen gekennzeichnet. Somit existieren 2 exp4 = 16 stereoisomere Formen dieser Verbindung. Einige davon besitzen praktische Bedeutung. Aber damit nicht genug. Die D-Glucose, in Wasser gelöst, liegt nicht, wie in der obigen Formel dargestellt, geradlinig vor, sondern in einer ringförmigen Struktur, die D-Glucopyranose genannt wird. Am C1-Atom hat sich durch den Ringschluß ein neues Asymmetriezenrum gebildet, so daß zwei Formen der D-Glucopyranose existieren. Liegt in der räumlichen Struktur die OH-Gruppe am C1-Atom unterhalb des Rings, spricht man von Alpha-D-Glucopyranose:

Alpha-D-Glucopyranose

Ringschluß von D-Glucose zu Alpha-D-Glucopyranose

Befindet sich die OH-Gruppe am C1-Atom oberhalb des Rings, liegt eine Beta-D-Glucopyranose vor:

Beta-D-Glucopyranose

Ringschluß von D-Glucose zu Beta-D-Glucopyranose

Der einzige Unterschied ist also in der räumlichen Struktur, die Stellung der Hydroxylgruppe am C1 Atom. Man mag jetzt fragen, ob das wirklich so aufregend ist? Ja, es ist! Die Glucopyranosen sind in der Lage, zu langen Ketten zu kondensieren. Dabei bildet die Alpha-D-Glycopyranose Stärke-Moleküle, ein Hauptbestandteil unserer Nahrung. Die Beta-D-Glucopyranose hingegen kondensiert zu Cellulose-Molekülen, dem Hauptbestandteil der Pflanzenzellwände. Etwas modifiziert bildet sie auch den Baustoff der Panzer von Schildkröten. Es ist doch wirklich erstaunlich, was eine geringfügige räumliche Modifikation bewirken kann.

Soweit die kleine Exkursion. Auf unsere Mikrokristalle hat das Verhalten der D-Glucose aber auch seine Auswirkungen. Man wird schnell feststellen, daß Traubenzucker aus wässriger Lösung nur langsam kristallisiert. Woran liegt das?

Traubenzucker liegt normalerweise in kristalliner Form als Alpha-D-Glucopyranose vor. In Wasser aufgelöst, stellt sich in einem mehrere Stunden dauernden Prozess ein Gleichgewicht zwischen Alpha- und Beta-Form ein. Es wird also ein Teil der im Kristall vorliegenden Alpha-Form in die Beta-Form umgewandelt.

Umgekehrt, beginnt der Traubenzucker wieder aus der Lösung zu kristallisieren, entstehen bei Raumtemperatur wieder reine Alpha-D-Glucopyranose-Kristalle. Die zuvor entstandene Beta-D-Glucopyranose wird also wieder in Alpha-D-Glucopyranose umgewandelt.

Das alles erfordert Zeit, und daher kristallisiert Traubenzucker nur langsam. (Für den besonders interessierten Mikroskopiker: Da durch den beschriebenen Umwandlungsprozess eine Drehwertverschiebung in der Lösung eintritt, kann diese unter dem Polarisationsmikroskop beobachtet werden).

Hier zur Entspannung zwei Fotos von Traubenzucker:

Traubenzucker

Traubenzucker
D-Glucose

 

 

Traubenzucker

Traubenzucker
D-Glucose

Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle.

Was man beim Kristallisieren von Traubenzucker beachten muß, wird das Thema des nächsten Blogbeitrags sein.

Bis dahin eine gute Zeit.

H-D-S

Coffein-Mikrokristalle aus Kaffee isolieren

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

wie kann man Coffein-Mikroristalle aus Kaffee gewinnen?

Ein geeignetes Verfahren ist die Mikrosublimation. Die meisten organischen chemischen Stoffe, mit denen wir es zu tun haben, besitzen einen Schmelzpunkt. Bei einer ganz bestimmten Temperatur gehen sie vom festen Zustand in den flüssigen über und umgekehrt. Wasser als Beispiel ist unter null Grad fest, oberhalb dieser Temperatur wird es flüssig und verdampft schließlich bei hundert Grad Celsius unter Normaldruck.

Es gibt aber chemische Verbindungen, die ein anderes Verhalten zeigen. Beim Erhitzen gehen sie vom festen Zustand  direkt in den gasförmigen über, sie überspringen also den flüssigen Aggregatzustand. Kühlt man sie wieder ab, werden sie direkt wieder fest, statt zunächst flüssig.

Ein derartiges Verhalten zeigt das Coffein, der belebende Stoff im Kaffee und im Tee. Man nennt dieses Verhalten Sublimation.

Coffein

Coffein

Coffein beginnt bei 178 Grad C zu sublimieren. Diese Eigenschaft des Coffeins kan man nutzen, Coffein aus Kaffeepulver zu isolieren. Die prinzipielle Idee zu der Versuchsanordnung wurde dem wunderbaren Buch „Das große Kosmos-Buch der Mikroskopie“ von Bruno P. Kremer entnommen:

Eine Messerspitze Kaffeepulver wird auf ein kleines Stück Aluminiumfolie 2 x 2 cm gegeben und auf einer Herdplatte platziert. Darüber kommt ein Objektträger, der durch 2 Distanzstücke (z.B. kleine Fliesenstücke) vom Kaffeepulver getrennt ist. Es sollte ein Freiraum von ca. 5 mm vorhanden sein. Auf den Objektträger gibt man vorsichtig einige Tröpfchen Wasser zur Kühlung.

Versuchsaufbau

Versuchsaufbau zur Mikrokristallisation von Coffein aus Kaffee

Dann wird die Heizplatte auf kleiner Stufe erhitzt. Das Coffein beginnt bei 178 Grad Celsius zu sublimieren und schlägt sich auf der unteren Seite des Objektträgers nieder. Sobald der Objektträger  leicht trüb wird, die ganze Versuchsanordnung vorsichtig von der Heizplatte herunterschieben oder den Objektträger mit einer Pinzette herunternehmen. (Vorsicht, man kann sich leicht die Finger verbrennen). Unter dem Mikroskop im polarisierten Licht sieht man die schönen Mikrokristallnadeln des Coffeins.

Coffein

Coffein, gewonnen durch Mikrosublimation aus Kaffee

Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle. Im nächsten Beitrag geht es um die Frage, wie man ein altes Mikroskop für Mikroaufnahmen im polarisierten Licht fit machen kann. Als Beispiel dient ein chinesisches Labormikroskop das einen schon etwas musealen Charakter hat.

Bis dahin wünsche ich eine schöne Zeit.

H-D-S

Kristalle aus der Schmelze und aus Lösungen am Beispiel Acetylsalicylsäure

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

Kristallisieren aus der Schmelze oder aus einer Lösung, das ist hier die Frage. Das kann man natürlich pauschal nicht beantworten. Es hängt von der Substanz ab. Mal geht das Eine, mal das Andere, mal geht Beides.

Acetylsalicylsäure, besser bekannt unter dem Handelsname Aspirin der Firma Bayer, liefert sowohl aus der Schmelze als auch aus Lösungen schöne Kristalle. Diese Substanz soll für einen Vergleich dienen:

ASS

Acetylsalicylsäure ASS

 

Kristallisieren aus einer Schmelze durch Erhitzen einer Substanz auf dem Objektträger bis zum Schmelzen funktioniert nur, wenn die Substanz einen Schmelzpunkt besitzt, bei dem sie sich nicht zersetzt und der auch nicht zu hoch liegt. Manche chemischen Substanzen zersetzen sich leider am Schmelzpunkt oder sie besitzen überhaupt keinen Schmelzpunkt und sublimieren. (Sublimation wird das Thema des nächsten Blogs sein).

Kristallisieren aus der Schmelze hat den Vorteil, daß es ohne großen Aufwand funktioniert. Man gibt ein paar Kristalle auf einen sauberen Objektträger und legt ihn auf eine Heizplatte. (Herdplatte).  Auf kleinster Stufe wird aufgeheizt, bis die Substanz zu schmelzen beginnt, dann sofort von der Heizplatte nehmen. (Mit einer Gabel von der Heizplatte schieben). Meist setzt dann beim Abkühlen die Kristallisation sofort ein. Es gibt aber auch Substanzen, die kristallisieren nur langsam, einige benötigen Tage, aber das sind Ausnahmen.

Acetylsalicylsäure ist ein Grenzfall für die Kristallisation aus der Schmelze, da diese Substanz bei 136 Grad C schmilzt aber sich schon bei 140 Grad C zu zersetzen beginnt. Man muss also erstens vorsichtig aufheizen und zweitens die Schmelze sofort abkühlen lassen.

Zunächst benötigt man aber die reine Acetylsalicylsäure. Als chemische Substanz, die ja bekanntlich ein Medikament ist, wird sie der Apotheker nicht verkaufen. Kein Problem, man kann sie sehr leicht aus einer Tablette isolieren.

Benötigt werden zwei 50 ml Bechergläser,  Schnapsgläser oder ähnliche Glas- oder Keramikgefäße tun es zur Not auch, ein kleiner Filtertichter, ein Kaffeefilterpapier, ein Glasstab (oder Teelöffel) und ca. 7 ml Spiritus. ( entspricht ca. 1/4 Schnapsglas).

Aus dem Kaffeefilterpapier ein rundes Filter schneiden. Das runde Filter 2 mal falten, so daß eine Tüte entsteht. Die Filtertüte in den Trichter setzen und mit Spiritus anfeuchten, so daß sie am Trichter anliegt.

Eine Tablette Aspirin 500 mg oder ASS Ratiopharm 500 mg in ein 50 ml Becherglas geben und ca. 7 ml Spiritus zusetzen. Im Wasserbad bis fast zum Sieden erhitzen, unbedingt mit einem Glasstab oder Teelöffel ständig rühren, da die Lösung zum Stoßen (Herausspritzen) neigt. Schutzbrille tragen. Die Tablette beginnt zu zerfallen. Sobald die Tablette vollständig zerfallen (nicht aufgelöst) ist, in das zweite Becherglas filtrieren. Die Flüssigkeit dabei am Glasstab oder Teelöffel auf das Filter laufen lassen. Aufpassen, das Filter darf nur zu etwa 2/3 gefüllt werden. Man erhält so ein klares Filtrat.

Von diesem Filtrat kann man einen Tropfen auf einen Objektträger geben und an einen staubfreien Ort stellen. Der Spiritus verdampft langsam und die Acetylsalicylsäure kristallisiert aus. Sie ergibt unter dem Mikroskop schon ansehnliche Bilder.

Acetylsalicylsäure

ASS, kristallisiert aus Spiritus

Die Flüssigkeit im Becherglas an einem staubfreien Ort offen stehen lassen. Je nach Temperatur ist der Spiritus nach ca. 12 – 24 Stunden weitgehend verdampft und die Acetylsalicylsäure ist auskristallisiert. Bevor das Lösungsmittel vollständig verdampft ist, die Kristalle auf einem Kaffeefilter sammeln und trocknen lassen. Dann in ein kleines Fläschchen geben. Auf diese Weise hat man die reine Acetylsalicylsäure gewonnen.

Jetzt kann man einige wenige Kristalle, wie oben beschrieben, aufschmelzen.

Acetylsalicylsäure

ASS kristallisiert aus einer Schmelze

 

Man erkennt deutlich den Unterschied. Meist sind die Mikrokristalle, die aus einer Lösung heraus kristallisieren, strukturierter und auch als Kristalle besser zu erkennen. Aus Schmelzen entstehen manchmal aber farblich besonders interessante Bilder. Es lohnt sich immer, etwas zu experimentieren.

Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle. Der nächste Beitrag hat die Sublimation am Beispiel des Coffeins zum Thema, eine spannende Sache.

Bis dahin wünsche ich eine schöne Zeit.

H-D-S

 

Vitamin C ein Star unter den Mikrokristallen

Hallo Freunde der Mikrokristalle,

Vitamin C, auch als Ascorbinsäure bekannt, ist wahrhaftig ein Star unter den Mikrokristallen. Mit kaum einer anderen Substanz lassen sich ohne großen Aufwand so prächtige und variantenreiche Bilder unter dem Mikroskop im polarisierten Licht erzeugen.

Auch die Ascorbinsäure gehört in die Gruppe der optisch aktiven Verbindungen, weist sie doch 2 Asymmetriezentren auf:

Vitamin C

Vitamin C, die gestrichelten Linien beschreiben die räumliche Anordnung der Liganden

Bedingt durch die 2 Asymmetriezentren, existieren 4 stereoisomere Formen des Moleküls. Nur eine, die L-(+)-Ascorbinsäure besitzt eine physiologische Wirkung, sie ist die in der Natur vorkommende Variante. Um einem weit verbreiteten Missverständnis vorzubeugen: Synthetisch hergestelltes Vitamin C ist völlig identisch mit natürlichem! Ascorbinsäure ist ein lebensnotwendiges Vitamin, sein Mangel führt zu schweren Erkrankungen. Seefahrer zur Zeit der Segelschiffe litten bei langen Seereisen häufig unter dem Mangel an Vitamin C und erkrankten an der Scorbut. Von dieser Krankheit abgeleitet ist auch der Name Ascorbinsäure, Anti-Scorbut. Säure, weil das Vitamin C stark sauer schmeckt.

Man kann Vitamin C in Apotheken und Supermärkten preiswert kaufen. Aber aufgepaßt: Es muß reines Vitamin C sein.  Manche Produkte enthalten Zusatzstoffe. Im Zweifelsfalle Ascorbinsäure lieber in der Apotheke kaufen!

Ascorbinsäure ist gut löslich in Wasser und Spiritus. Man löst ca. 0,4 g in 5 ml Wasser oder Spiritus, bei Spiritus muss man etwas im Wasserbad erwärmen, oder man verwendet eine Mischung aus 2 ml Wassen und 2 ml Spiritus. Diese Mischung führt auch zu schönen Kristallen. Man gibt einen Tropfen der Lösung auf einen sauberen Objektträger und läßt ihn an einem staubfreien Ort eintrocknen.

Mit Ascorbinsäure kann man keine Kristalle aus der Schmelze erzeugen, da die Verbindung nur unter Zersetzung schmilzt.

Unter dem Mikroskop mit Polarisationsfiltern findet man wunderschöne, farbige Kristalle. Es lohnt sich, mit dem Polarisator etwas zu spielen, weil dabei manchmal sehr überraschende Farbeffekte auftreten.

Die folgenden Aufnahmen wurden aus einer ethanolischen Lösung (Spiritus) gemacht:

Vitamin C

Vitamin C, kristallisiert aus Spiritus

Vitamin C

Vitamin C kristallisiert aus Spiritus

Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle.

Der nächste Beitrag zeigt einen Vergleich von Kristallen aus Lösungen und aus Schmelzen am Beispiel des Aspirins (Acetylsalicylsäure).

Bis dahin eine schöne Zeit.

H-D-S

 

Ibuprofen aus einer Tablette isolieren

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle,

Ibuprofen ist der Wirkstoff zahlreicher Schmerzmittel. Auch Ibuprofen besitzt ein asymmetrisches Kohlenstoffatom und ist somit optisch aktiv. Nur die rechtsdrehende Verbindung ist physiologisch wirksam. Daran erkennt man, wie bedeutend die räumliche Struktur einer chemischen Verbindung in der Natur ist.

Ibuprofen

Das asymmetrische Kohlenstoffatom ist mit dem * gekennzeichnet

In Tabletten liegt Ibuprofen als Racemat vor und kann leicht isoliert werden. Der Wirkstoff ist gut löslich in kaltem Spiritus, die übrigen Tablettenbestandteile aber nicht. Darauf beruht die folgenden Prozedur zur Isolierung des Wirkstoffes:

Man zerstößt eine Tablette in einem Mörser zu einem feinen Pulver. Alternativ kann man die Tablette auch zwischen Papier legen und mit einem Hammer vorsichtig fein zerklopfen. In einem 50 ml Becherglas wird das Pulver mit 5ml Spiritus gut verrührt. Die unlöslichen Bestandteile müssen abfiltriert werden. Als Filterpapier kann man ein gewöhnliches Kaffeefilter verwenden, aus dem man kreisrunde Filter schneidet, Durchmesser ca. 5 cm (passen dann zu einem Filtertrichter mit Durchmesser ca. 4 cm oberer Rand). Das Filter wird 2 mal gefaltet. Die so entstandene Filtertüte in den Trichter setzen und mit Spiritus anfeuchten, damit die Tüte gut am Trichter anliegt. Jetzt in ein zweites Becherglas filtrieren. Man läßt die Flüssigkeit am Rande eines Glasstabs oder eines Kaffeelöffels in den Trichter laufen, dabei aufpassen, daß das Filter nicht bis zum Rand gefüllt wird. Sollte das Filtrat nicht ganz klar sein, nochmals durch das gleiche Filter filtrieren. Man benötigt etwas Geduld.

Von dem jetzt weitgehend klaren Filtrat einen Tropfen auf einen Objektträger geben und an einem staubfreien Ort eintrocknen lassen. Die Kristallisation setzt meist, aber leider nicht immer, schnell ein. Manchmal erhält man nur einen öligen Belag wenn der Spiritus verdunstet ist. Oft sind die Kristalle völlig unspektakulär, wie das folgende Bild zeigt:

Ibuprofen aus alkoholischer Lösung

Ibuprofen aus Spiritus kristallisiert

In solchen Fällen, oder wenn keine schönen Mikrokristalle entstanden sind, 1 ml dest. Wasser in das Becherglas mit der Ibuprofen-Lösung geben, beim Rühren verschwindet die anfängliche Trübung. Diese Lösung an einem staubfreien Ort stehenlassen. Der Spiritus beginnt langsam zu verdunsten und da Ibuprofen in Wasser unlöslich ist, bilden sich langsam sehr schöne Kristalle. Wenn die Flüssigkeit weitgehend verdunstet ist, die Kristalle auf ein Stück Filterpapier ausbreiten und trocknen. Dann in ein Glas oder eine kleine Plastiktüte füllen. Diese Ibuprofen-Kristalle kann man für weitere Versuche sehr gut verwenden.

Man kann z.B. einige Kristalle auf einen Objektträger geben und einen Tropfen Isopropanol zufügen. (Isopropanol ist in vielen Fällen besser geeignet als Spiritus, man bekommt ihn in der Apotheke). Die Kristalle lösen sich und während das Lösungsmittel verdunstet entstehen neue Mikrokristalle. Dauer ca. eine Stunde. Das folgenden Bild ist so entstanden:

Ibuprofen

Ibuprofen, kristallisiert aus Isopropanol

Nicht immer erhält man sofort schöne Mikrokristalle. Oft muß man mit dem Lösungsmittel oder mit Lösungsmittel/Wasser-Mischungen experimentieren um ansprechende Mikrokristalle zu erhalten. Darin liegt aber auch ein besonderer Reiz.

Soviel für heute, liebe Freunde der Mikrokristalle. Gegenstand des nächsten Beitrags ist ein Star unter den Mikrokristallen, das Vitamin C.

Bis dahin eine gute Zeit.

H-D-S

Optische Aktivität am Beispiel der Weinsäure

Hallo liebe Freunde der Mikrokristalle.

Für die bunten Farben, die wir beim Betrachten der Mikrokristalle im polarisierten Licht sehen, spielt die optische Aktivität bestimmter chemischer Stoffe eine gewisse aber nicht entscheidende Rolle. Viele optisch aktive Verbindungen, wie die Weinsäure, ergeben sehr schöne, farbige Kristalle unter dem Mikroskop im polarisierten Licht.

Wenn man Licht durch ein Polarisationsfilter fallen läßt, erhält man linear polarisiertes Licht, also Licht, das nur in einer Ebene schwingt. Fällt dieses polarisierte Licht durch bestimmte chemische Verbindungen, z.B. durch eine Lösung von Weinsäure, so vermag diese, die Schwingungsebene zu drehen. Manche chemische Verbindungen drehen die Ebene nach links, andere drehen sie nach rechts. Stoffe, die diese Eigenschaft besitzen, nennt man optisch aktiv.

Gemeinsames Merkmal optisch aktiver chemischer Verbindungen ist die Chiralität, zu deutsch, Händigkeit. Betrachtet man rechte und linke Hand, so gleichen sie einander, sind aber nicht identisch. Sie verhalten sich wie Bild und Spiegelbild und können durch Drehung nicht zur Deckung gebracht werden. Manche chemische Verbindungen zeigen bei räumlicher Betrachtung ein ähnliches Verhalten.

Befinden sich an einem Kohlenstoffatom eines Moleküls vier verschiedene Liganden (= Atome oder Atomgruppen) und man betrachtet es als Raummodell, bei dem die Liganden an den Ecken eines Tetraeders sitzen, in dessen Mitte das Kohlenstoffatom angeordnet ist, so gibt es von einem derartigen Modell ebenfalls zwei Formen, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten. Man nennt sie optische Antipoden. Das Kohlenstoffatom an dem die vier unterschiedlichen Atome oder Atomgruppen sitzen, heißt asymmetrisches Kohlenstoffatom Alle chemischen Verbindungen die mindestens ein asymmetrisches Kohlenstoffatom besitzen, sind optisch aktiv. Von ihnen existiert immer ein linksdrehendes und ein rechtsdrehendes Molekül.

Chemische Verbindungen können auch mehrere asymmetrische Kohlenstoffatome besitzen. Hierzu gehört die Weinsäure. Im folgenden Bild sind die asymmetrischen Kohlenstoffatome mit Sternchen gekennzeichnet:

Weinsäure. Die mit Sternchen gekennzeichneten C-Atome sind asymmetrisch, da sie 4 verschiedene Liganden besitzen.

Weinsäure. Die mit Sternchen gekennzeichneten C-Atome sind asymmetrisch, da sie 4 verschiedene Liganden besitzen.

Jedes der beiden mit dem Stern gekennzeichneten Kohlenstoffatome besitzt 4 unterschiedliche Liganden (= Atome oder Atomgruppen).

Die Nomenklatur zweier Optischer Antipoden erfolgt auf Grund ihrer optischen Aktivität: Dem gleichen Grundnamen werden die Zeichen (+) für für die rechts- und (-) für die linksdrehende Verbindung vorangesetzt, so daß Namen wie (+)-Weinsäure und (-)-Weinsäure entstehen. Früher wurden wurden  die Präfixe D- (von lat. dexter = rechts) und L- (von lat. laevum = links) verwendet. Heute werden diese Präfixe aber zur Kennzeichnung der absoluten Konfiguration der Verbindungen, vorwiegend in der Biochemie benutzt. Ein neueres System ist die R-S-Nomenklatur. Mit absoluter Konfiguration ist die exakte räumliche Anordnung der Liganden gemeint. Darauf kann hier nicht näher eingegangen werden. Nur soviel: Die rechtsdrehende Weinsäure wird  nach der D,L-Nomenklatur zu D(+)-Weinsäure, entsprechend die linksdrehende zu L(-)-Weinsäure. Besitzt eine chemische Verbindung den Typus der D-Weinsäure, erhält auch sie das Präfix D. Beispiel:  D(-)-Milchsäure. Diese Milchsäure ist also linksdrehend und entspricht dem Typus (räumliche Anordnung) der D-Weinsäure.

Da Weinsäure 2 chirale (= asymmetrische) Zentren besitzt, existiert neben den beiden vorgenannten Weinsäuren noch eine weitere Variante, bei der das eine chirale Zentrum rechtsdrehend, das andere linksdrehende ist. Die Drehungen heben sich gegenseitig auf, so daß diese Weinsäure, die Mesoweinsäure genannt wird, nicht optisch aktiv ist.

Bei gleichen Teilen an linksdrehender und rechtsdrehender Weinsäure hebt sich die optische Aktivität ebenfalls auf. Solche Mischungen werden Racemat genannt. Bei der Weinsäure nennt man die Mischung Traubensäure.

Weinsäure die man in der Apotheke kauft ist meist das Racemat, also Traubensäure.

Die optische Aktivität chemischer Verbindungen spielt in biochemischen Vorgängen eine außerordentliche Rolle. Ein bekanntes Mittel gegen Kopfschmerzen ist der Wirkstoff Ibuprofen. Dieser Wirkstoff liegt in vielen Tabletten als Racemat vor. Nur der rechtsdrehende Teil des Medikaments ist wirksam  gegen Kopfschmerzen, der linksdrehende hingegen nicht.

Mit Ibuprofen kann man interessante Mikrokristalle züchten.

Das liebe Freunde der Mikrokristalle wird das Thema meines nächsten Beitrags sein.

Bis dahin eine gute Zeit.

H-D-S