Färberkrapp (Rubia tinctorum) ist eine der längsten verwendeten Kulturpflanzen und wurde schon im alten Ägypten zum Färben von Stoffen verwendet. Das Alizarin (und weitere Anthrachinon-Derivate) liegen dabei glykosidisch gebunden, in den Wurzeln gespeichert, vor. Alizarin liegt dabei an das Disaccharid Primverose gebunden, als so genannte Ruberythrinsäure, vor. Zur Gewinnung des Alizarins werden die ca. 3 Jahre alten wurzeln gehäckselt und mit Wasser aufgegossen und eingeweicht. Durch pflanzeneigene Enzyme wird das Disaccharid gespalten. Dieser Reaktion läuft sehr langsam ab und erfordert teilweise eine mehrjährige Lagerung der aufgeschlämmten Wurzel. Dia Ausbeute an Alizarin beträgt dabei 5-10% der Trockenmasse.
Die Gewinnung von Alizarin aus Krapp hat heute an Bedeutung verloren. 1874 erfolgte die erste synthetische Gewinnung von Alizarin aus Phthalsäureanhydrid und Brenzcatechin mit Schwefelsäure als Katalysator. Die industrielle Synthese von Alizarin aus Anthracen ist heute Verfahren der Wahl.
Das sulfonierte Alizarin, Alizarin S, ist auch heutzutage ein wichtiger Farbstoff und findet in der Chemie Verwendung als Indikator und zum Nachweis von Aluminium und anderen Metallen, da es mit einigen Metallkationen unlösliche Farblacke bildet. Diese Lacke werden auch in der Malerei als Pigmente benutzt. Auch in der Histologie wird es als Farbstoff benutzt. Anwendungen in der Medizin gibt es keine mehr, da Alizarin und viele der anderen Anthrachinon-Derivate mutagenes und karzinogenes Potential besitzen.
Trotz der breiten Verwendung findet man wenige Quellen im Internet zur Darstellung von Alizarin, weshalb ich mich an einer Experimentiervorschrift für Schulen (https://d-nb.info/104679647X/34) orientiert habe.
Geräte/Materialien:
Bechergläser, Erlenmeyerkolben, Filter, Küchenpapier, Reagenzgläser, Pipetten, Magnetheizrührer; Rührfisch, Stativ und Klemmen, Bunsenbrenner, Zentrifugen, Zentrifugenröhrchen
Chemikalien:
Ethanol[c] 96%
[c]Kaliumhydroxid
Salzsäure 33%
Schwefelsäure 96%
Dichlormethan
Essigsäure 80%
Aluminiumkaliumsulfat-Dodecahydrat
Färberkrapp (Rubia tinctorum) plv.
Alizarin
Hinweis:
Alizarin und die im Krapp enthaltenen Verbindungen sind mutagen und karzinogen. Bei der Sublimation sollte zumindest vor dem offenen Fenster gearbeitet werden.
Durchführung:
Methode 1:
5 g gemahlene Krappwurzel werden in einem Becherglas mit 25 ml konzentrierter Schwefelsäure übergossen und mit einem Glasstab vermischt. Das Wurzelpulver nimmt eine schwarze Farbe an und erwärmt sich leicht. Nach ca. 15 Minuten bei Raumtemperatur wird die breiige Masse vorsichtig in 100 ml dest. Wasser eingegossen. Das schwarze Pulver wird filtriert, mit dest. Wasser so lange nachgewaschen bis das Filtrat neutral reagiert (mit pH-Papier testen). Im Anschluss wird das Pulver im Trockenschrank getrocknet und in einer Reibschale zu einem feinen Pulver gemahlen.
Es wurden 1,9 g schwarzer Rückstand erhalten.
In einem Tablettenröhrchen werden ca. 2 Spatel des erhaltenen schwarzen Pulvers vorgelegt und es wird in einem Stativ eingespannt. Ein mit kaltem Wasser gefülltes Reagenzglas wird im Stativ so eingespannt, dass es ca. einen halben Zentimeter über dem schwarzen Pulver im Tablettenröhrchen ragt. Es wird vorsichtig mit dem Bunsenbrenner erhitzt, wobei orange Dämpfe aufsteigen, die am kalten Reagenzglas sublimieren. Außerdem tritt ein unangenehmer teerartiger Geruch auf.
Am Ende wird das orange Sublimat mit etwas Ethanol in ein kleines Becherglas gewaschen. Man erhält eine gelb/orange Lösung.
Methode 2:
30 g Krapp werden mit 100 ml 50% Ethanol aufgeschlämmt. Währenddessen werden 5 g Kaliumhydroxid in 20 ml 50% Ethanol gelöst und der Aufschlämmung beigegeben. Dabei schlägt die Farbe in ein intensives Rot um. Diese Mischung wurde 4 Stunden beim Raumtemperatur belassen und dann 1 Stunde vorsichtig unter starkem Rühren erhitzt, wobei man aufpassen muss, da es zu starker Schaumentwicklung kommt.
Danach wurde durch Küchenpapier filtriert, wobei mehrfach durch denselben Filter gegossen wurde. Am Ende wurde noch mit ca. 30 ml 50% Ethanol nachgewaschen. Der Filtrationsvorgang dauert mehrere Stunden. Eine Vakuumfiltration verlief frustrierend, da die feine Aufschlämmung jeden feineren Filter verstopft.
Das Filtrat wird danach unter Rühren auf ca. 40 ml eingeengt, wobei es wieder zu starker Schaumentwicklung kam. Nach Erkälten der Lösung wird mit konzentrierter Salzsäure angesäuert, wobei die Farbe nach matschig/braun umschlägt und es Niederschlag ausfällt. Das Gemisch wird auf 4 Zentrifugenröhrchen verteilt und für 5 Minuten bei ca. 5000 U/min zentrifugiert und der Überstand abgegossen, ohne den Niederschlag aufzuwirbeln. Der Matschbraune Niederschlag wird mit dest. Wasser aufgegossen, geschüttelt und erneut zentrifugiert. Dieser Vorgang wird dreimal wiederholt und am Ende erhält man einen matschbraunen Niederschlag, das rohe Alizarin.
Die 4 Zentrifugenröhrchen werden mit Ethanol ausgewaschen, wobei sich der Niederschlag vollständig löst, und in einem Erlenmeyerkolben vereinigt. Man erhält ca. 50 ml einer dunkelrot/orangen Flüssigkeit. In 10 ml dest. Wasser werden 2 g Kaliumaluminiumsulfat gelöst und der rohen Alizarin Lösung beigegeben. Im Anschluss wird die Lösung mit ca. 10 ml konz. Ammoniak versetzt, wobei ein dicker roter Niederschlag (Lack) ausfällt. Die Lösung wird wieder auf die 4 Zentrifugenröhrchen verteilt und erneut zentrifugiert. Der Rote Niederschlag wird einmal mit Ethanol und dreimal mit dest. Wasser nachgewaschen und zentrifugiert.
Der zentrifugierte und gewaschene Alizarin-Lack wird jetzt mit konzentrierter Salzsäure versetzt und aufgelöst. Es bildet sich ein feiner gelblicher Niederschlag, der erneut zentrifugiert wird und dreimal mit dest. Wasser gewaschen und erneut zentrifugiert wird.
Am Ende wird das Alizarin aus den 4 Zentrifugenröhrchen in Ethanol gelöst. Dabei entsteht eine leicht trübe Lösung weshalb erneut filtriert wird. Man erhält eine dunkelorange Lösung von hauptsächlich Alizarin in Ethanol.
Soxhlet-Extraktion:
30g gepulverte Krappwurzel werden in einer Soxhlet-Apparatur vorgelegt und mit 150 ml Ethanol für 10 Stunden extrahiert. Die Lösung im Stehkolben ist anfangs gelb, wird dann dunkelrot und schließlich scheidet sich ab ca. 3 Stunden ein dunkelrotes Öl ab. Die Extraktion ist nach 10 Stunden noch nicht vollständig beendet und der Ethanol im Soxhlet ist immer noch gelblich.
Danach wird in auf 50 ml eingeengt und der Inhalt in ein Becherglas überführt. Im Wasserbad wird der restliche Ethanol verdunstet und es bleibt eine zähe dunkelrote Masse zurück, die zum größten Teil aus Ruberythrinsäure besteht, neben anderen Glycosiden und wenig freien Anthrachinon-Derivaten.
Es wird mit 10 ml Wasser aufgegossen und erwärmt, wobei der Großteil in Lösung geht. Im Anschluss werden 10 ml einer 30 % Kalilauge hinzugegeben und für 15 Minuten unter magnetischen Rühren erwärmt. Die Lösung färbt sich dunkelviolett und der ölige Niederschlag löst sich komplett auf. Danach lässt man die Lösung erkalten und fügt dann tropfenweise konzentrierte Salzsäure hinzu, wobei das Alizarin als oranger voluminöser Niederschlag ausfällt. Im Anschluss wird filtriert, gewaschen und umkristallisiert. FOLGT
Entsorgung:
Alle Lösungen können neutralisiert dem Abwasser beigegeben werden.
Erklärung:
Sowohl durch in Methode 1 benutzte Schwefelsäure, als auch in Methode 2 benutztes Kaliumhydroxid werden die glycosidisch gebundenen Anthrachinon-Derivate gespalten und das Alizarin freigesetzt. Alizarin sublimiert bei ca. 300°C.
Durch den Zusatz von Kaliumaluminiumsulfat bildet Alizarin einen Komplex, der sich als Farblack mit Ammoniak ausfällen lässt. Durch Ansäuern gehen die Al3+ Ionen wieder in Lösung und das in Wasser sehr schwer lösliche Alizarin kann weiter gereinigt werden.
Ruberythrinsäure ist glycosidisch an das Disacharid Primverose gebunden. Primverose besteht aus Glucose und Xylose die während dieser Aufarbeitung ebenfalls freigesetzt werden.
1Strukturformel der Ruberythrinsäure
Analyse:
Die erhaltenen Lösungen wurden mittels DC analysiert. Als Laufmittel wurde Dichlormethan-Ethanol-Essigsäure 80% (18-2-0,1) verwendet. Analysiert wurde bei 365nm und durch bedampfen mit Ammoniak, wobei sich die Farbe des Alizarins von orange/gelb zu violett änderte.
Von links nach rechts wurden folgende Substanzen aufgetragen:
1 ) Ethanolischer Krapp Extrakt
2 ) Rohalizarin vor dem Fällen als Lack
3 ) Sublimiertes Alizarin aus Methode 1
4 ) Ethanolischer Extrakt des schwarzen Rückstandes aus Methode 1
5 ) nochmal Sublimiertes Alizarin aus Methode 1
6 ) Alizarin nach der Aufreinigung als Lack
7 ) Co-Spot aus 5 und 7
8 ) Sublimiertes Alizarin aus Methode 2 (zum Vergleich zu 3 und 5)
Das Alizarin bildet die dunkelrote/violette Bande und bildet den Hauptteil des Extraktes/Sublimats. Bei den anderen Banden handelt es sich vermutlich um andere Anthrachinon Derivate, die im Krapp vorkommen.
In Strecke 1 (ethanolischer Extrakt von Krapp) liegt nur ganz wenig freies Alizarin vor und fast die gesamte Substanz verbleibt auf der Startlinie und enthält hauptsächlich die natürlich vorkommenden Glycoside.
Da sich die Zusammensetzung des Alizarins vor (Strecke 2) und nach der Lackbildung (Strecke 6) laut DC nur wenig unterscheiden ist die Aufreinigung über diese Methode anscheinend kaum nützlich und es wäre genauso gut gewesen das matschige Rohalizarin einer Sublimation zu unterwerfen.
Das sublimierte Alizarin aus Methode 1 enthält einiges an Verunreinigungen (orange fluoreszierende Bande am weitesten vorne). Interessanterweise scheint ein ethanolischer Extrakt aus dem schwarzen Rückstand aus Methode 1 (strecke 4) weniger Verunreinigungen zu enthalten als das sublimierte Alizarin aus Methode 1 (Strecke 3 oder 5)
Das sublimierte Alizarin aus Methode 2 (Strecke 7) ist außerdem reiner als das sublimierte Alizarin aus Methode 1 (Strecke 3 oder 5).
Auch das durch Bildung des Lackes gereinigte Alizarin (Strecke 6) enthält noch Verunreinigungen die auf der Startlinie bleiben und ist insgesamt nicht bedeutend besser zusammengesetzt als das rohe Alizarin aus der ersten Zentrifugation (Strecke 2). Außerdem enthält das Rohalizarin (Strecke 2) eine scharfe, blau fluoreszierende Bande unter dem Alizarin, die im aufgereinigten (Strecke 6) schwächer ausgeprägt ist.
Das Alizarin mit der wenigsten Verunreinigung ist das in Strecke 8, das Sublimat aus dem aufgereinigten Alizarin, es verbleibt auch keine Substanz an der Starlinie.
Die schmierende, hellblau fluoreszierende Bande bei den sublimierten Proben entsteht wahrscheinlich durch Nebenreaktionen während des Erhitzens beim Sublimieren. Außerdem erkennt man bei den sublimierten Proben über der Alizarin Bande und unter der orange fluoreszierenden Bande (Strecke 3 oder 5), jeweils eine weitere Bande, die in allen anderen Proben fehlt. Dabei muss es sich um ein Nebenprodukt handeln, das während des Sublimierens entsteht, da sie im ethanolischen Extrakt des schwarzen Rückstandes aus Methode 1 ebenfalls nicht auftritt. Interessanterweise ist die mittlere Bande beim Sublimieren des gereinigten Alizarins aus Methode 2 nicht entstanden.
DC-Platte nach dem Entwickeln
Ethanolischer Krapp Extrakt - Rohalizarin vor dem Fällen als Lack - Sublimiertes Alizarin aus Methode 1 - Ethanolischer Extrakt des schwarzen Rückstandes aus Methode 1 - Sublimiertes Alizarin aus Methode 1
DC-Platte nach dem Bedampfen mit Ammoniak
Ethanolischer Krapp Extrakt - Rohalizarin vor dem Fällen als Lack - Sublimiertes Alizarin aus Methode 1 - Ethanolischer Extrakt des schwarzen Rückstandes aus Methode 1 - Sublimiertes Alizarin aus Methode 1 - Alizarin nach der Aufreinigung als Lack - Co-Spot aus 5 und 7 - Sublimiertes Alizarin aus Methode 2
Bei 365nm
Ethanolischer Krapp Extrakt - Rohalizarin vor dem Fällen als Lack - Sublimiertes Alizarin aus Methode 1 - Ethanolischer Extrakt des schwarzen Rückstandes aus Methode 1 - Sublimiertes Alizarin aus Methode 1 - Alizarin nach der Aufreinigung als Lack - Co-Spot aus 5 und 7 - Sublimiertes Alizarin aus Methode 2
Analyse des Soxhlet Extraktes:
Als Laufmittel für die nachfolgenden DC habe ich Wundbenzin:Ethanol:Ethylacetat:Essigsäure 80% im Verhältnis 15:10:5:0,1 verwendet.
Es wurden drei Strecken aufgetragen, und mittels UV365nm ausgewertet. In Strecke 1 wurde der Soxhlet-Extrakt direkt aufgetragen. Die Ruberythrinsäure fluoresziert orange-rot. Unter der Alizarin Bande erscheint eine gelb fluoreszierende Bande. Freies Alizarin findet man im Soxhlet-Extrakt kaum.
1) Soxhlet-Extrakt - 2) Alizarin durch Soxhlet - 3) Alizarin aus Methode 2
Aus Interesse habe ich eine DC des Soxhlet-Extraktes mit Ethanol als Laufmittelmittel angefertigt, dabei bildeten sich 2 Banden, eine orange und eine grau-violette (rechte DC in Abb. 1). Freies Alizarin lag kaum vor. Im Anschluss wurde durch sehr großzügiges Auftragen von Soxhlet-Extrakt eine quantitative DC mit Ethanol als Laufmittel durchgeführt (linke DC in Abb. 1), die dicke orange Bande abgekratzt und in einem Reagenzglas mit Ethanol in Lösung gebracht. Zur weiteren Untersuchung wurde Im Wasserbad etwas eingeengt und eine gelbe Lösung erhalten. Die Hälfte der Lösung mit einem Tropfen Schwefelsäure versetzt und kurz in Wasserbad erwärmt bis der Ethanol entwichen ist. Sollte es sich wie vermutet um Ruberythrinsäure handeln, würde durch die Spaltung des Glycosids jetzt Alizarin freigesetzt werden.
In einer DC wurden die gelbe Lösung (Strecke 4 in Abb. 2), ein etherischer Extrakt der mit Schwefelsäure gespaltenen Lösung (Strecke 1 in Abb. 2), Soxhlet-Extrakt (Strecke 2 in Abb. 2) und Alizarin aus Methode 2 (Strecke 3 in Abb. 2) nebeneinander aufgetragen und jetzt wieder mit dem Laufmittel von oben getrennt. In Strecke 1 zeigte sich eine schwache, aber deutliche rote Bande auf derselben Höhe wie das Alizarin. Dadurch konnte bestätigt werden, dass es sich bei orange-rot fluoreszierenden Bande um Ruberythrinsäure handeln muss.
Abb. 1: links: präparative DC - dicke orange Bande ist Ruberythrinsäure
Abb. 2: 1) Etherischer Extrakt aus gespaltener Ruberythrinsäure; Pfeil zeigt auf die schwache Alizarin Bande - 2) Soxhlet-Extrakt - 3) Alizarin aus Methode 2 - 4) Ruberythrinsäure (Pfeil)
Beim Spalten der Ruberythrinsäure entsteht neben Alizarin noch Glucose und Xylose, die unter basischen Bedingungen auch isomerisieren und zahlreiche Nebenprodukte bilden können.
Als Laufmittel diente Aceton:Wasser im Verhältnis 9:1 und ausgewertet wurde mit Thymol-Schwefelsäure Reagenz und anschließendem Erwärmen auf 110°C auf der Wärmeplatte für 10 Minuten.
Der Nachweis mittels DC war aus dem ethanolischen Soxhlet-Extrakt, und aus dem wässrigen Überstand nach Ausfällen des Alizarins mittels Salzsäure. Der ethanolische Soxhlet-Extrakt besteht hauptsächlich aus Ruberythrinsäure. Zum Nachweis der glycosidischen Spaltung wurde etwas Extrakt mit einem Tropfen konzentrierter Salzsäure versetzt und für 5 Minuten ins Wasserbad gestellt, wobei die Ruberythrinsäure zu Alizarin und Primverose, bzw. Glucose und Xylose gespalten wird (Strecke 8 in Abb. 3).
Das Filtrat das nach dem Filtrieren des Alizarins erhalten wurde, wurde eingeengt auf 15 ml, wobei sich beim Abkühlen noch etwas schwarzes Öl und Kaliumchlorid abschied. Es wurde durch Baumwolle filtriert, dreimal mit ca. 15 ml Diethylether ausgeschüttelt um organische Verunreinigungen zu entfernen. Die dadurch erhaltene wässrige Lösung wurde für die Analysen verwendet (Strecke 5 in Abb. 3).
Außerdem wurde ethanolischer Soxhlet-Extrakt direkt aufgetragen (Strecke 6 in Abb. 3; in der linken DC überladen).
Saccharose (Strecke 1 in Abb. 3) und durch Salzsäure gespaltene Saccharose (Strecke 7 in Abb. 4) wurden ebenfalls aufgetragen, sowie Glucose (Strecke 2 in Abb. 3).
Aus Interesse wurde etwas Honig (Strecke 3 in Abb. 3) und Holundersaft (Strecke 4 in Abb. 3) aufgetragen.
In der linken DC erkennt man eindeutig den Glucose Spot im Filtrat aus der Alizarin Synthese (Strecke 2 - Strecke 5). Auch bei der Spaltung des ethanolischen Soxhlet-Extraktes mit Salzsäure (Strecke
erkennt man deutlich den Glucose Spot, der im unbehandelten Extrakt fehlt. In der rechten DC sieht man, dass der ethanolische Soxhlet-Extrakt kaum Glucose enthält, nach der Spaltung mit Salzsäure erkennt man eindeutig den Glucose Spot. Außerdem hat sich auch die Saccharose durch Salzsäure zu Glucose und zu Fructose (der abgetrennte Spot in Strecke 7, der sich auch in den Honig und Holundersaft Strecken findet.
Außerdem handelt es sich bei dem weit oben gelegenen Spot in Strecke 8 höchstwahrscheinlich um Fructose, die durch Isomerisierung aus der Glucose entstanden ist.
Abb. 3: 1) Saccharose - 2) Glucose - 3) Honig - 4) Holundersaft - 5) wässriges Zuckerextrakt aus Filtrat - 6) ethanolischer Soxhlet-Extrakt - 7) Saccharose nach Spaltung mit Salzsäure -
ethanolischer Soxhlet-Extrakt nach Spaltung mit Salzsäure Diskussion:
Das reinste Alizarin erhält man durch Sublimation des nach der Lackbildung ausgefällten Alizarins. Da sich die Zusammensetzung des Alizarins vor und nach der Lackbildung laut DC nur wenig unterscheidet ist die Aufreinigung über diese Methode anscheinen kaum nützlich und es wäre genauso gut gewesen das matschige Rohalizarin einer Sublimation zu unterwerfen.
Eine endgültige reine Isolation ist letztlich wahrscheinlich nur mittels Säulenchromatographie möglich.
Bilder:
Methode 1:
Krapp plv.
Aufschlämmen des Krapps in konz. Schwefelsäure
Nach Umrühren und 15 Min. bei Raumtemperatur
Getrockneter schwarzer Rückstand
Sublimation von Alizarin
Methode 2:
Krapp aufgeschlämmt in KOH/Ethanol/Wasser
Während des einengen des Filtrats.
Angesäuertes matsch/braunes Rohalizarin vor der ersten Zentrifugation.
Während des Zentrifugierens.
Zentrifugiertes Rohalizarin
Zentrifugierter und gewaschener Alizarin-Lack
Alizarin Lösung in Ethanol
Aluminium Nachweis, mit der Lösung aus Methode 2 und mit der ethanolischen Lösung des Sublimats aus Methode 1.
Während der Soxhlet-Extraktion.
Am Ende der Extraktion öliger Rückstand der Glycoside, die teilweise ausfallen.
Nach der Zugabe der Kalilauge dunkelviolette Färbung.
Ausgefallenes Alizarin nach dem Ansäuern.
Aus der DC isolierte Ruberythrinsäure Lösung links und rechts mit Ether überschichtete Lösung nach Spaltung mit Schwefelsäure.
Quellen:
1 https://www.google.com/search?q=ruberyh ... v2a1XKLm-M, 2. 5. 2021
Man kann es natürlich auch online kaufen. Generell kommt mir vor, dass "natürliche" Farbstoffe zum Färben diverser Stoffe in den letzten Jahren wieder etwas im Aufwind waren und von Laien gerne gegenüber den bösen "chemischen" Farbstoffen vorgezogen werden. Nun sind die Inhaltsstoffe des Krapp, vor allem das Lucidin, aber auch das Alizarin, auf Dauer alles andere als gesund.
), Soxleth-Extrakt HCl, Zucker Extrakt