N,N-Diethyl-m-toluamid (Extraktion aus Mückenabwehrspray)

[Vanadium]

N,N-Diethyltoluamid aus Mückenabwehrspray


N,N-Diethyltoluamid (DEET) oder auch N,N-Diethyl-3-methylbenzamid ist ein weit verbreitetes Insekten-Abwehrmittel, das z.B. im Produkt Anti-Brumm^® enthalten ist. Früher glaubte man, dass DEET bestimmte Duftstoffrezeptoren der Insekten blockieren und dadurch die Wahrnehmung von menschlich abgesonderten Substanzen wie Milchsäure und vor allem 1-Octen-3-ol verhindern würde. Mittlerweile stellte sich zudem heraus, dass DEET, unabhängig davon, eine abstoßende Wirkung besitzt. Der Wirkungsmechanismus ist in seiner Gesamtheit noch nicht komplett aufgeklärt. DEET ist in den entsprechenden Produkten in ethanolischer (ca. 60% EtOH/ 40% Wasser) Lösung enthalten.

Geräte:

Destillationsbrücke, Rundkolben, Heizplatte, Scheidetrichter, Filterzubehör.


Chemikalien:

Mückenabwehrspray mit DEET
Ethylacetat

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N,N-Diethyltoluamid


Hinweis:

Obwohl DEET breite Verwendung als Insektenabwehrmittel findet, das von vielen vermutlich auch auf die Haut aufgetragen wird, ist von direktem Kontakt abzuraten. Es können gelegentlich allergische Reaktionen und Augen-/Schleimhautreizung auftreten. Ethylacetat ist leichtentzündlich.


Durchführung:

Der Inhalt des entsprechenden Sprays (hier: 60 mL Flüssigkeit mit 39% DEET) wird in einen Rundkolben überführt und der Hauptteil des Ethanols per Destillation oder am Rotationsverdampfer abgezogen. Nach einiger Zeit sollten sich im Rückstand nach initialer Trübung bereits zwei Phasen gebildet haben. Die abgekühlte Mischung (Sumpf, nicht Destillat) wird in einen Scheidetrichter überführt und mit 2x 25 mL Ethylacetat extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen werden über wasserfreiem Natriumsulfat getrocknet. Schließlich wird dieses abfiltriert, wobei als Filtrat eine klare, leicht gelbliche Lösung erhalten wird. Das Ethylacetat wird abgedampft und der viskos-flüssige gelbe Rückstand- das DEET- im Vakuum getrocknet.

Ausbeute: 23,5 mL (97% d.Th.)


Entsorgung:

DEET und Ethylacetat werden beide dem organischen, halogenfreien Abfall zugeführt.


Erklärung:

DEET ist, wie an seiner Struktur zu erkennen ist, ein eher lipophiles Molekül. Im Insektenspray wird es durch das Vorhandensein von Ethanol in Lösung gehalten. Ein direktes Verdünnen des Sprays mit Wasser führt allerdings zu keiner Abtrennung des DEET. Daher wurde der Ethanol destillativ entfernt. Aus wässriger Emulsion kann es schließlich leicht mit Ethylacetat extrahiert werden.



Bilder:


Produkt aus dem DEET extrahiert wurde.


Abtrennung des Ethylacetats.


N,N-Diethyltoluamid.

[Stepfan]

Schöner Artikel, was hat das Anti-Insekten Spray gekostet?

[Vanadium]

Danke! Ich hab das Insektenspray in Holland gekauft (siehe Sprache auf der Verpackung ) und dort hat es 7-8 Euro gekostet. In Deutschland ist der Preis aber anscheinend ähnlich. Anti-Brumm kostet pro 75 mL (30% DEET) 8 Euro und pro 150 mL 14 Euro, also kein großer Unterschied.

[lemmi]

Lustig! In der Versuchsbeschreibung sollte noch besser klargestellt werden, daß man den Kolbenrückstand und nicht das Destillat weiterverarbeiten muss. Das wird zwar später aus der Erklärung deutlich, aber in der Versuchsbeschreibung ist es anfangs unklar.
Die Formel von DEET, auf die du dich in der Erklärung beziehst ("wie man sehen kann ein stark lipophiles Molekül"), sollte noch ergänzend eingefügt werden.

Ich finde Insektenrepellentien interessant. Zu Studienzeiten habe ich mein eigenes Mückenabwehrmittel aus selbst hergestelltem Diethylphtalat gemixt (25 % in Ethanol). Die Mückendichte am Rhein war damals (in den 80ern) - vor dem breiten Einsatz von BTI - im Sommer unerträglich hoch, und es hat gut funktioniert. Ein alter Drogist hatte mir erzählt, daß sie nach dem Krieg literweise Dimethylphtalat zur Herstellung von Repellentien verbraucht hätten. Die in Deutschland stationierten Amerikaner seien die Hauptabnehmer gewesen. Da mir das Kochen mit Methanol in der Bude unangenehm war, bin ich auf den Ethylester "umgestiegen" - mit Erfolg . Sonderbarerweise scheint es kein kommerzielles Produkt zu geben, das Phtalsäureester enthält, obwohl diese sonst ja breit eingesetzt werden. Heute enthalten viele Sprays Icaridin - keine Ahnung, wie das aufgebaut ist.

Weißt du mehr darüber, wie diese Substanzen auf Insekten abstoßend wirken? Gibt es chemische Gemeinsamkeinen? Funktioniert das bei allen Insekten oder nur bei Blutsaugenden?

[R'-MgX]

Schick!
Einer der Substanzen die das letzte Forentreffen um einiges erträglicher gemacht haben

[Vanadium]

@Lemmi: Der Hinweis wurde eingefügt und die Strukturformel werde ich auch noch hinzufügen!

Also soweit ich mich jetzt informiert hatte, ging man zunächst davon aus, dass Milchsäure und 1-Octen-3-ol durch DEET von den Insekten nicht mehr wahrgenommen werden kann. (1)
Dann wurde aber bewiesen, dass DEET unabhängig von der Anwesenheit von Milchsäure eine abstoßende Wirkung hat und von eigenen Duft- und sogar Geschmacksrezeptoren wahrgenommen wird.
2008 gab es dann noch Untersuchungen, die ergeben haben, dass DEET die Reaktion der Geruchsrezeptoren der Insekten auf 1-Octen-3-ol umkehrt, d.h. die Geruchsrezeptorproteine die aktiviert werden sollten dann inhibiert und umgekehrt. Das spricht dann wieder für die Theorie 1. Die Experimente wurden mit Fruchtfliegen gemacht, also stellt sich dann auch die Frage ob es zu 100% auf Mücken übertragbar ist. Aber insgesamt scheint der Wirkmechanismus noch nicht komplett geklärt zu sein.

Ich denke DEET wirkt hauptsächlich auf blutsaugende Insekten wie Mücken, Zecken oder eben solche, die den Mensch in irgendeiner Weise "besiedeln", z.B. Läuse.
Laut der Pharmazeutischen Zeitung wirkt es aber auch auf Fliegen.

http://www.pharmazeutische-zeitung.de/index.php?id=1640

Da ist auch eine schöne Übersicht über verschiedene Repellentien mit dabei. Dimethylphthalat soll nicht so stark wirken wie die anderen Mittel, vllt. ist es deswegen nirgends mehr zu finden?
Oder haben die Phthalsäureester endokrine Nebenwirkungen? Ist ja zumindest von einigen bekannt oder?

Icaridin sieht dem DEET vom Grundaufbau schon etwas ähnlich, also ein sechsgliedriger Ring der über eine Carbonylfunktion mit einer lipophilen Seitenkette verbunden ist. Kann aber natürlich auch nur ein Zufall sein!

[NI2]

Hier mal die Struktur, kannste einfach einfügen wenn du magst.

Icaridin sieht dem DEET vom Grundaufbau schon etwas ähnlich, also ein sechsgliedriger Ring der über eine Carbonylfunktion mit einer lipophilen Seitenkette verbunden ist. Kann aber natürlich auch nur ein Zufall sein!

Mit der Aussage wäre ich hier vorsichtig! Denn ich sehe die Analogie hier eher invers, oder denke, dass dieser eine zumindest gleichwertige Beachtung geschenkt werden sollte.

Hier mal der Vergleich von racemischem Icaridin (bzw. dessen Diastereomeren) und dem DEET inkl. einem Overlay, einmal mit überlappendem "Diethylamid" (oben) und einmal mit überlappenden Ringen (unten).



Es ist pharmakochemisch nicht unüblich eine Diethylaminogruppe durch eine "geschlossene Diethylaminogruppe" zu ersetzen um eine Rigidisierung des Restes zu erzwingen - natürlich sind dabei auch andere cyclische Verbindungen wie (substituierte) Pyrrolidine, Azetidine, Azepane,... denkbar, z.B. bei Lysergsäure-2,4-dimethylazetidid (Wirkerverstärkung) oder N,N-Tetramethylentryptamin (Wirkverlust). Cyclohexyl/Piperidinyl-Ringe mit Aromaten "gleichzusetzen" ist eben so'ne Sache für sich. Prinzipiell unterscheiden sich diese in ihren Polaritäten, sterischen Ansprüchen und Flexibilitäten, weshalb man auch eine unterschiedliche Rezeptoraffinität erwarten könnte. Andererseits gibt es aber Beispiele bei denen ein Aromat gegen einen Alicyclus/Hetereocyclus ersetzt werden kann:
Capsaicinoide, insbesondere das Capsaicin, sind weitläufig bekannt und der entsprechende Rezeptor (TRPV1) verdankt der Vanillyl-Substuktur seinen Namen (Transient Receptor Potential Vanilloid 1). Die Vanillylgruppe (fett markiert) scheint also recht wichtig für potente Agonisten zu sein: Resiniferatoxin, RTx ≅ 16 Mrd. Scouville heat units (SCU); Capsaicin, CPS ≅ 16 Mio SCU) zu sein.



Werden beim Capsaicin die 3,4-Positionen des Aromaten durch eine Methylendioxygruppe überbrückt geht die Schärfe dieses Derivates (nicht dargestellt) stark zurück. Interessanterweise - und um wieder dem eigentlichen Thema näher zu kommen - ist Piperin bezüglich der Amidgruppe des Capsaicins und der (partiell) geschützten Dihydroxyaryl-Einheit "invers" gebaut (jedoch weist der Piperinsäure-Rest eine strukturelle Ähnlichkeit zur 8-Methyl-non-6-ensäure auf):



Allerdings sind die Zusammenhänge hier komplizierter als es auf den ersten Blick scheint, denn die folgenden Verbindungen zeigen ebenfalls eine Affinität zum TRPV1 Rezeptor:



Pelargonylmorpholid wurde meines Wissens nach als "Pungent" (Scharfstoff) für militärische Zwecke in Betracht gezogen (lag dennoch immer weit hinter den Capsaicinoiden) und dient heute (in z.B. Russland und der Ukraine) als Zusatzstoff für CS-Reizgas. Das "CapMorph" ((E)-8-methyl-1-morpholinonon-6-en-1-on) hatte ich im Rahmen meines Capsaicin-Projektes vor längerer Zeit mal synthetisiert und es zeigt als Reinstoff ebenfalls eine gewisse Schärfe, obwohl es strukturell weder ein Capsaicinoid noch Piperinoid ist. Aufgrund dieses Befundes fände ich es äußerst interessant folgende Substanz bzw. deren teilhydriertes Analogon (nicht dargestellt) zu untersuchen, diese ist - im Gegensatz zum CapMorph - seit 2015 literaturbekannt^[2] (Untersucht wurden Aktivität als DPPH-Radikalfänger und α-Glucosidase-Hemmer) und schreit förmlich danach hergestellt und auf TRPV1-Agonismus untersucht zu werden.



Zusammenfassend sei hier zu bemerken, dass also kleine Änderungen an sensiblen Stellen im Molekül die Wirkung stark beeinflussen können, jedoch auch strukturell massiv veränderte Moleküle trotzdem eine Wirkung am gleichen Rezeptor aufweisen können. Anstatt eines "Rezeptors" sind natürlich auch andere Bindungsstellen - je nach Wirkmechanismus - betroffen.

Interessanter Weise ist es auch mit rudimentären Strukturen ebenfalls möglich eine Rezeptoraktivierung (K_i-Werte bei vergleichbaren Substituenten in gleicher Größenordnung^[1]) zu erreichen:



Die oben genannten Beispiele agieren jeweils alle an den selben Rezeptoren. Da mir beim DEET und Icaridin nicht bekannt ist wie und wo sie wirken (DEET Wirkmechanismus nicht abschließend geklärt), ist es nicht unbedingt sinnvoll ihre Struktur direkt zu vergleichen, da man einfach nicht vorhersehen kann ob hier überhaupt eine Strukturverwandschaft "sinnvoll"/notwendig ist, sofern sie an vollkommen unterschiedlichen Zentren agieren.


^[1] Kittisak Sripha - NOVEL HETEROCYCLIC RING SYSTEMS DERIVED FROM CARACURINE V AS LIGANDS FOR THE ALLOSTERIC SITE OF MUSCARINIC M₂ RECEPTORS
^[2] Chem. Pharm. Bull., 2015, 63, 326–333

Danke an Xyrofl für die Unterstützung in den letzten beiden Stunden zum schreiben dieses Posts :3

[Vanadium]

Danke an dich und Xyrofl für die Strukturformel und die Erklärung! Die inverse Überlagerung sieht deutlich besser aus da hast du recht

Bei den Capsaicinoiden wäre es echt mal interessant einige Analoga herzustellen, das scheint ja u.a. gar nicht so schwer zu sein, wenn man sich mal das Perlagonylmorpholid ansieht. By the way, hast du mittlerweile schon das Vanillylamin knechten können? Wir haben ja mal darüber auf FB geschrieben.

Seit ich aber einmal (vor 7 Jahren) beim Einkochen von Chili-Pulver in Ethanol vergessen habe die Herdplatte auszuschalten und danach alle aus dem Haus die Flucht ergreifen musste, hab ich Respekt vor Capsaicin und ähnlichem Und das war nur so ganz schwaches Pulver aus dem Supermarkt...

Wirkt Toxiferin nicht an den nikotinischen ACh-Rezeptoren, also an Ionenkanälen? M1-M5 dagegen sind doch G-Protein gekoppelt.

[NI2]

Wirkt Toxiferin nicht an den nikotinischen ACh-Rezeptoren, also an Ionenkanälen? M1-M5 dagegen sind doch G-Protein gekoppelt.

Da müsste ich nochmal genauer nachlesen um genaueres zu sagen.

Bei den Capsaicinoiden wäre es echt mal interessant einige Analoga herzustellen, das scheint ja u.a. gar nicht so schwer zu sein, wenn man sich mal das Perlagonylmorpholid ansieht. By the way, hast du mittlerweile schon das Vanillylamin knechten können?

Nein, leider hapert es immernoch am Vanillylamin, das ist aber wie schon besprochen eine Frage des Equips.

Leider ist das mit dem Rumkochen, um Scharfstoffe zu gewinnen, so'ne Sache: TRPV1-Agonisten müssen nicht zwangsläufig scharf sein. Das Beispiel zeigt recht schön das Phenylacetylrinvanil (PhAR)^[1]. Es ist mit einer EC₅₀ von 90 pM nur etwa acht mal "schwächer" als RTx (also 125 mal "stärker" als Capsaicin) bezüglich der Rezeptoraffinität - und damit das rezeptoraffinste Capsaicinoid überhaupt - aber ist nicht scharf (Laut einem Paper was ich gefunden habe geht von ihm schon eine starke Reizwirkung aus, jedoch wird es zu den "non-pungent" Agonisten gezählt). Wann und warum die Agonisten scharf werden oder nicht scheint noch nicht verstanden, natürlich hat man einiges an Untersuchungen und SAR-Studien (structure-activity relationship) durchgeführt, jedoch zumeist mit Augenmerkt auf die Rezeptoraffinität als auf die Schärfe. Die Forschung ist ja genau bestrebt non-pungent Agonisten zu finden, damit man sie einsetzen kann ohne, dass man den Patienten "grillt". Bei den simpleren Capsaicinoiden hat man dahingehend auch einiges in Richtung "Schärfe" gemacht, aber dabei bezieht man sich dann überwiegend auf triviale Modifikationen wie das Verändern von Kettenlänge/Doppelbindung/Seitenketten (im C-Teil) oder Modifikationen am Aromatensystem (A-Teil). Dabei ist Capsaicin so ziemlich das Optimum. Jedoch gibt es auch Untersuchungen die am Amid (B-Teil) rumschrauben (inserves Amid, Ester, Ether, Thioharnstoffe etc.) und damit wesentlich rezeptoraffinere Moleküle entwickelt haben. Leider gibt es dabei keine Auskunft über die "Schärfe" weil diese nicht im Vordergrund der Forschung stand. Ich Plane daher ggf. ein paar der vielversprechenden Derivate zu köcheln, auf das Risiko hin, dass sie dann auch "langweilig" sind. Das (Phenylacetyl-)Rinvanil wäre synthetisch übrigens mehr oder weniger einfach zugänglich, jedoch lohnt sich der Aufwand nicht - trotz Superagonismus. Verlängert man die Kette des C-Teils im Capsaicin so nimmt die Schärfe ab und ist etwa ab C₁₂ nicht mehr signifikant, daher ist es um so interessanter, dass PhAR dann ein Superagonist ist.



^[1] J Pharmacol Exp Ther. 2005, 312(2), 561-70.

[Xyrofl]

Wirkt Toxiferin nicht an den nikotinischen ACh-Rezeptoren, also an Ionenkanälen? M1-M5 dagegen sind doch G-Protein gekoppelt.

Sehr aufmerksam. Das schließt sich aber gegenseitig nicht aus. Toxiferin wirkt an einigen ACh-Rezeptoren, nicht nur an den nikotinischen Rezeptoren der motorischen Endplatten. Das hat schon oft für Verwirrung gesorgt, weil man auf einmal denkt, man versteht das Toxiferin nicht mehr, wenn die Studien von allosterischer M2 Modulation reden, als wäre das die Wirkung von Toxiferin schlechthin.
Fakt ist, dass die tödliche Wirkung von Toxiferin primär auf einem direkten Antagonismus an nikotinischen Rezeptoren an den neuromuskulären Endplatten beruht und das sind wie du richtig erwähnt hast natürlich Ionenkanäle.

Wann und warum die Agonisten scharf werden oder nicht scheint noch nicht verstanden

Ich meine, wir hatten uns darauf verständigt, dass das halbewegs plausibel mit der Lipophilie zusammenhängt. Der Unterschied zwischen Pelargonsäure und einer langkettigen Fettsäure hinsichtlich der Wasserlöslichkeit erscheint erstmal vernachläsigbar, weil beide grob betrachtet "unlöslich" sind.
Aber es ist absolut denkbar, dass der Unterschied zwischen einer langkettigen Fettsäure und einer kurzkettigen Fettsäure mehr als einen Faktor 125 hinsichtlich der Verteilungskoeffizienten ausmacht, wodurch bei den langkettigen Capsaiciderivaten die Affinität leicht ihre Bedeutung verlieren kann.
Eine niedrige EC₅₀ bewirkt nichts, wenn sich noch um Größenordnungen kleinere Konzentrationen am Rezeptor einstellen.

Das sind aber natürlich nur ganz vorläufige Einschätzungen und noch lange nicht die Erklärung schlechthin.

[NI2]

Ich meine, wir hatten uns darauf verständigt, dass das halbewegs plausibel mit der Lipophilie zusammenhängt.

Ah, ich erinnere mich an das Gespräch. Danke.

[lemmi]

Danke für die schöne Diskussion zur Strukturchemie und den Struktur-Wirkungs-Beziehungen!

[NI2]

//edit by NI₂: Kleinigkeiten geändert und verschoben.

Auch dir Glückwunsch zum ersten Artikel!

[NI2]

Da ich heute in einem Buch über Icaridin gestolpert bin ist mir dieser Thread wieder eingefallen, der mir über Monate nicht aus dem Kopf ging.

Icaridin sieht dem DEET vom Grundaufbau schon etwas ähnlich, also ein sechsgliedriger Ring der über eine Carbonylfunktion mit einer lipophilen Seitenkette verbunden ist. Kann aber natürlich auch nur ein Zufall sein!

Mit der Aussage wäre ich hier vorsichtig! Denn ich sehe die Analogie hier eher invers, oder denke, dass dieser eine zumindest gleichwertige Beachtung geschenkt werden sollte.

Hier mal der Vergleich von racemischem Icaridin (bzw. dessen Diastereomeren) und dem DEET inkl. einem Overlay, einmal mit überlappendem "Diethylamid" (oben) und einmal mit überlappenden Ringen (unten).

Ich lag mit meiner Vermutung genau richtig. Habe heute nachgeschaut und gesehen, dass eine (!) Woche vor meinem damaligen Post die Struktur des Icaridin-AgamOBP1-Komplexes (Odorant binding protein 1 aus Anopheles gambiae; PDBID: 5EL2) publiziert wurde. Icaridin sitzt in der DEET-binding site (PDBID: 3N7H) und ist wie oben vermutet orientiert, es findet also keine Überlappung der Ringe statt sondern die diskutierten Strukturmerkmale (und die OH-Gruppe) sind entscheidend (gleichzeitig gibt es noch eine weitere Bindungsstelle, in der nur Icaridin aber nicht DEET bindet, sIC-binding site) und es wird über ein Molekül Wasser gebunden. Das Ergebnis deckt sich auch mit der Beobachtung, dass das (R)-sec-butyl-(S)-2-(2-hydroxyethyl)piperidin-1-carboxylat Diastereomer die höchste Wirksamkeit aufweist. Für mehr Infos (das Hetereodimer hat eigentlich vier binding sites wobei in der anderen das Icaridin "auf dem Kopf" steht und die sIC-binding sites, die für den DEET-Vergleich aber nicht weiter interessant sind,...) bitte das Paper lesen.



Position beider Liganden in der DEET-binding site des AgamOBP1 (CKP-Färbung, DEET: grün; Icaridin: Magenta; Q'n'D!)


(Bild nicht zitierfähig)

Hier noch eine Animation der Moleküloberflächen im Vergleich (2,8 MB; Q'n'D!):



Literatur: Drakou, C.E., Tsitsanou, K.E., Potamitis, C. et al. Cell. Mol. Life Sci. (2017) 74: 319. doi 10.1007/s00018-016-2335-6

[Vanadium]

Ah sehr gut, damit wäre deine These bewiesen und meine unüberlegte widerlegt. Bist du schon fleissig am Docken, um neue Repellentien zu entwickeln?