Unter der Bezeichnung Benzoe werden seit Jahrtausenden Harze verwendet, die im süd- und südostasiatischen Raum durch das Einschneiden der Rinde verschiedener Bäume der Gattung Styrax (Familie Styraceae) gewonnen werden. Unter den mehr als hundert Arten der Gattung sind zwei von überragender Bedeutung: Styrax tonkinensis - mehr westlich von Indien bis Malaysia vokommend - dessen Harz die sogenannte Siam-Benzoe darstellt, und Styrax benzoin, der weiter östlich von Vietnam bis China beheimatet ist, und der die Sumatra-Benzoe liefert. Chemisch betrachtet sind Harze feste Gemische von Estern. Daneben kommen auch freie Säuren vor, was die Benzoe chemiehistorisch interessant macht, weil aus Ihr zum ersten Mal die Benzoesäure isoliert wurde. Die folgenden Experimente stützen sich auf historische Anleitungen, vor allem aus der pharmazeutischen Literatur.
Material/Geräte:
regelbare Heizplatte, Eisenschale (Sandbadschale), großer Bogen festes Papier, Verbandmull, Wasserbad, Bechergläser 10, 100, 250 und 500 ml, Messzylinder 100 und 10 ml, Filternutsche, Saugflasche, Uhrgläser, Waage, Ausrüstung zur Dünnschichtchromatographie
Chemikalien:
Benzoeharz Siam
Benzoeharz Sumatra
Natriumcarbonat
Salzsäure 25 %
Aktivkohle
Ethanol 70 %
Kaliumpermanganatlösung 6 %
sowie Lösungsmittel und Vanillin-Schwefelsäure-Sprühreagenz für die DC
Benzoesäure
Zimtsäure
Sicherheitshinweise:
Wenn man den Benzoegeruch nicht mag, empfiehlt es sich, die Sublimation der Benzoesäure unter einem Abzug vorzunehmen.
Versuchsdurchführung:
1. Unterscheidung der Benzoeharze
Zum Einsatz kamen hier Siam-Benzoe und Sumatra-Benzoe. Beide Harze liegen in Stücken von 0,3 bis 3 cm Größe vor, die spröde sind und sich leicht in der Reibschale pulvern lassen. Die Siam-Benzoe ist von einheitlich hell-gelbbrauner Farbe und porzellanartig trübe. Die Sumatra-Benzoe ist dunkler gefärbt, inhomogener und zeigt stellenweise glasartigen Glanz.
Daneben habe ich ein Harz untersucht, das ich im Shop der Kathedrale von Chartres erworben hatte und als “Incens Benjoin“ (Benzoe-Räucherharz) bezeichnet war. Dieses besteht aus kristallinisch wirkenden, grauweißen, glasartig glänzenden Brocken.
Zunächst habe ich kleine Proben der Harze in einer Metallschale auf eine glühende Räucherkohle gelegt und den Geruch beurteilt. Alle schmelzen zunächst. Die Siam-Benzoe verbreitet einen milden, süßlich-aromatischen Geruch. Die Sumatra-Benzoe riecht unangenehm wie verschmortes Plastik. Das Räucherharz aus Chartres gibt einen kräftig riechenden Rauch, dessen Aroma an Weihrauch erinnert.
Auch die Löslichkeit in Ethanol ist verschieden. Je 50 mg der gepulverten Harze wurden mit 1 ml 96%igem Ethanol geschüttelt. Die Siam -Benzoe löst sich praktisch vollständig auf. Auch von der Sumatra-Benzoe bleiben nur einige winzige Krümelchen ungelöst. Das “Incens Benjoin“ dagegen enthält eine erhebliche Menge Ethanol-unlöslicher Anteile, die sich pulverig absetzen.
Sei der Mitte des 19. Jahrhunderts führten die deutschen Arzneibücher speziell die Siam-Benzoe als offizinelle Sorte (die Ph. Eur. 10 führt beide Sorten), die zur Darstellung von Benzoesäure genutzt wurde. Zur Prüfung auf eine Verfälschung mit der Zimtsäure-haltigen Sumatra-Benzoe wurde die Reaktion mit Kaliumpermanganat vorgeschrieben, die ich an meinen Proben durchgeführt habe. Je ca. 100 mg der gepulverten Harze wurden in einem kleinen Becherglas in 2 ml warmem (nicht heißem! [Anmerkung 1]) Wasser verrührt und danach 0,5 ml Kaliumpermanganatlösung zugegeben. Bei der Sumatra-Benzoe trat sofort ein deutlicher Bittermandelgeruch auf, die beiden anderen Harze gaben diese Reaktion nicht.
Schließlich lassen sich die Benzoesorten durch ihr DC-Muster eindeutig unterscheiden. Im Gegensatz zur aktuellen Vorschrift der Ph.Eur. habe ich ein früher allgemein übliches Laufmittel, bestehend aus 92 % Toluol und 8 % Ethylacetat, eingesetzt. Nach der Entwicklung, die für eine 10 cm-Folie ca. 18 Minuten dauert, wurde die Fluoreszenzlöschung beurteilt und die Folie dann mit Vanillin-Schwefelsäure-Reagenz (0,2 g Vanillin, 1 ml Schwefelsäure, 19 ml Ethanol 96 %) besprüht und im Trockenschrank 5 Minten auf 100 °C erwärmt. Als Referenz wird eine Lösung von 10 µl Eugenol und 2 mg Brenzcatechin in 1 ml Methanol verwendet.
In den Benzoeharzen erkennt man im mittleren Rf-Bereich – zwischen den Referenzsubstanzen - eine Doppelzone aus den Benzoesäure- bzw. Zimtsäureestern des Coniferylakohols. Bei Siam-Benzoe ist typischerweise die obere Zone (Coniferylbenzoat) stärker ausgeprägt, bei Sumatra-Benzoe die untere. Sumatra-Benzoe weist außerdem einen Spot im oberen RF-Bereich (deutlich oberhalb der Eugenol-Referenz) auf, der aus Benzylbenzoat und Benzylcinnamat besteht, und in der Siam- Benzoe immer fehlt. Weitere Spots im mittleren RF-Bereich unterhalb der Coniferylester (Cinnamylcinnamat, Propylcinnamat) kommen in beiden Proben vor. Unterhalb der Brenzcatechin-Referenz) laufen u.a. die freien Säuren (Benzoesäure und Zimtsäure), die eine Fluoreszenzlöschung ergeben, sich aber nicht mit VS-Reagenz anfärben. Sie sind auch unter Mitführung von Referenzsubstanzen nicht zu identifizieren, da sie von zahlreichen anderen Inhaltsstoffen überlappt werden. Darüber hinaus liegen die Rf-Werte der beiden Säuren so nahe beieinander, dass sie sich dünnschichtchromatographisch nicht gut trennen lassen. Das Räucherharz aus Chartres passt in keines der Muster, zeigt sonderbarerweise gar keine Fluoreszenlöschung und seine Bestandteile geben mit VS-Reagenz einheitlich blau gefärbte Spots. Hier handelt es sich offenbar nicht um ein Benzoeharz!
2. Benzoesäure aus Siam-Benzoe durch Sublimation
Hier bin ich der Vorschrift des DAB 6 gefolgt:
In einer alten Kaffeemühle wurden 25 g Siam-Benzoe mit 25 g gewaschenem Seesand fein gemahlen und dann in eine eiserne Sandbadschale von 10 cm Durchmesser gegeben, worin sie eine ca. 15 mm hohe Schicht bildeten. Der Rand der Schale wurde mit einer einfachen Lage weitmaschigem Verbandmull überspannt [Anmerkung 2]. Auf die Schale wurde ein Papierkegel gestülpt, der aus einem Kreis (Radius 18 cm) aus starkem Zeichenpapier gefertigt worden war [Anmerkung 3]. Das Ganze wurde auf die Heizplatte gestellt, die Spitze des Papierkegels mit einer Klammer fixiert und die Temperatur der Heizplatte auf 160 °C eingestellt [Anmerkung 4].
Nach dreieinhalb Stunden waren an der Außenseite des Papierhutes einzelne feine weiße Kristalle zu erkennen, auch an der Spitze und der Halteklammer hatte sich Sublimat angesetzt. Der Hut wurde abgenommen. An seiner Innenseite fand sich eine dicke Sicht aus sehr feinen, leichten, weißen Kristallnadeln, die mit einer Federfahne abgestreift wurden. Der Schaleninhalt bildete eine teerartige, dunkelbraune, Blasen werfende Masse. Er wurde umgerührt – dabei stieg hustenreizender Rauch auf – der Papierkegel erneut aufgesetzt und für weitere zwei Stunden belassen. Danach fand sich aber nur ein sehr geringes Sublimat im Inneren des Papierhutes.
Ausbeute: 1,05 g sehr leichte und lockere, feinste Kristalle, die aromatisch, vanilleähnlich, riechen. Kurz nach der Darstellung sind sie rein weiß, nehmen aber binnen weniger Tage einen deutlichen Gelbstich an.
Die Schale ließ sich erstaunlich leicht reinigen, indem sich der erkaltete, spröde Harzrückstand herausbrechen ließ und der Rest mit Scheuerpulver entfernt werden konnte. Nach diesem Versuch duftete das Labor noch tagelang nach Benzoe.
3. Zimtsäure aus Sumatra-Benzoe
In einem 250 ml-Becherglas wurden 4 g Natriumcarbonat in 80 ml Wasser gelöst und 30 g fein gepulverte Sumatra-Benzoe eingerührt. Das Ganze wurde unter gelegentlichem Umrühren in einem Wasserbad für 3 Stunden auf 50-60°C gehalten [Anmerkung 1]. Danach wurde abgesaugt und der Filterrückstand mit 30 ml warmem Wasser nachgewaschen.
Die braune, klare Lösung wurde dann portionsweise mit 12 ml Salzsäure 25 % versetzt. Unter Aufschäumen fiel ein voluminöser, weißer Niederschlag aus und die Flüssigkeit wurde sukzessive auf 250 ml verdünnt, um ein gutes Durchmischen zu ermöglichen. Nachdem eine saure Reaktion der Flüssigkeit erreicht war, wurde abgesaugt und der Niederschlag mit kaltem Wasser gut ausgewaschen. Das noch feuchte Produkt wurde in ein 500 ml-Becherglas überführt und darin in siedendem Wasser gelöst, wozu ca. 300 ml notwendig waren. In die hellbraune Lösung wurde eine großzügige Spatelspitze (ca. 200 mg) Aktivkohle gegeben, nochmals kurz gekocht und dann heiß abgenutscht. Obwohl die Nutsche vorgewärmt war, kristallisierte das Präparat bald auf dem Filter aus, so dass nochmals erhitzt und über ein frisches Filter abgesaugt werden musste. In dem noch blass braunen Filtrat schieden sich rasch feine weiße Kristalle ab. Dabei wurde beobachtet, dass sich die anfänglich hellbraune Flüssigkeit beim Stehenlassen über Nacht aufhellte, indem sich die Verunreinigungen offenbar an das ausgefallene Produkt adsorbierten. Es wurde abgesaugt, mit kaltem Wasser etwas ausgewaschen und getrocknet.
Ausbeute: 2,2 g blass beigefarbenes, lockeres, sich fettig anfühlendes, feinkristallines Pulver.
Schmelzpunkt: 133,1 °C (Literaturwert 134°C). Eine kleine Probe wurde aus 35%igem Ethanol umkristallisiert und ein schneeweißes Produkt erhalten, das nach dem Trocknen bei 133,5°C schmolz.
Anmerkungen:
1. Beim Behandeln der Harzpulver mit Wasser sind Temperaturen von über 60 °C zu vermeiden, da die Harze sonst erweichen und zu Klumpen verkleben, die sich schlecht extrahieren lassen. Natürlich ist mir das passiert. Das Problem ließ sich beheben, indem der Harzklumpen aus der Flüssigkeit genommen und nach dem Erkalten in der Reibschale pulverisiert wurde.
2. Ich bin so vorgegangen, dass ich zunächst ein großes Stück Mull mit einem Gummiring über die Schale gespannt habe, dann oberhalb des Ringes einen festen Bindfaden stramm anzog und verknotete, den überstehenden Mull ringsherum abschnitt und zuletzt den Gummiring entfernte.
3. Den Rand des Papiers am besten mit einem Pflasterstreifen fixieren, da Alleskleber in der Wärme erweicht und sich lösen könnte.
4. Nach den Literaturangaben ist eine Temperatur von 150 -170 °C zu erzielen, 180 °C sollten nicht überschritten werden. Ich habe eine annähernde Temperaturkontrolle versucht, indem ich etwas Silikonöl in einem kleinen Becherglas neben die Schale auf die Heizplatte gestellt habe. Das Öl hatte eine Temperatur von 150-160 °C.
Entsorgung:
Die Reste der extrahierten Harze kommen in den Hausmüll. Auch die Produkte können dort entsorgt werden.
Erklärungen:
Siam-Benzoe enthält nach der Literatur bis zu 20 % freie Benzoesäure, die erstmalig aus diesem Naturprodukt dargestellt und nach ihm benannt wurde. Benzoesäure ist aus wässrigem Milieu bereits mit Wasserdampf flüchtig, schmilzt bei 122 °C und sublimiert schon bei Temperaturen wenig darüber. Sie kann aus dem Harz durch Sublimation, oder durch wässrige Extraktion mit einem Alkali und anschließendes Fällen mit Säure, erhalten werden. Die Sublimation liefert eine sehr begrenzte Ausbeute, da die Durchmischung der Harzschicht während des Erhitzens nicht gegeben ist. Vermutlich hätte der Einsatz einer kleineren Menge Benzoe die Ausbeute nicht wesentlich vermindert. Früher wurde daher das “ausgebrannte“ Harz nochmals wässrig-alkalisch extrahiert, um die Ausbeute zu erhöhen. Bei meinem Versuch fiel zusätzlich ins Gewicht, dass die Eisenschale wesentlich kleiner als die Heizplatte war, wodurch der Papierhut der von der Platte aufsteigenden heißen Luft ausgesetzt war.
Benzoesäure wurde früher als Konservierungsmittel, vor allem für Fette, sowie innerlich als Arzneimittel zur Schleimlösung bei Atemwegserkrankungen angewandt. Für den letzteren Zweck wurde die sublimierte Benzoesäure bevorzugt, da sie besser wirkt, was nach der damaligen Interpretation auf die beigemengten Nebenprodukte der Sublimation zurückzuführen ist. Carl Friedrich Mohr (1806 – 1879) schreibt 1863 in seinem "Commentar zur Preussischen Pharmacopoe":
“Es ist dies die alte Form der Anwendung der Benzoesäure, welche darin mit einer nicht bekannten Menge eines flüchtigen Körpers verbunden ist, dem wesentlich die arzneilichen Wirkungen zukommen. Reine Benzoesäure ist in großen Mengen eingenommen worden und hat keine andere Wirkung gehabt, als dass der Harn Hippursäure enthielt. Die aus Harz sublimiert Säure hat aber einen sehr kräftigen Geruch und entsprechende Einwirkung auf den Körper.“ (aus [1])
Bereits vor 170 Jahren war auch schon die Unterscheidung der Zimtsäure von der Benzoesäure gelungen, mit der sie anfänglich gleichgestellt worden war. Die Anwesenheit von freier Zimtsäure (bis ca. 10 %) kennzeichnet die Sumatra-Benzoe. Oben wurde sie durch alkalische Extraktion des Harzes dargestellt. Die Zimtsäure löst sich zu Natriumcinnamat und im Filtrat wird durch Zugabe von Salzsäure wieder die freie Säure ausgefällt, die in kaltem Wasser nahezu unlöslich ist.
2 C6H5-C2H2COOH + Na2CO3 ---> 2 C6H5-C2H2COONa + H2O + CO2
C6H5-C2H2COONa + HCl ---> NaCl + C6H5-C2H2COOH
Die erste Umkristallisation erfolgt am besten aus Wasser, wodurch sich die in kleinerer Menge ebenfalls vorhandene Benzoesäure sehr effektiv abtrennen lässt, da sie sich in Wasser etwa zehnmal besser löst als Zimtsäure. Die Löslichkeitsangaben in der Literatur schwanken. Für Benzoesäure wird eine Löslichkeit von 1 Teil in 320-380 Teilen kaltem und 15-25 Teilen kochendem Wasser angegeben, für Zimtsäure eine solche von 1 Teil in 2000 - 3500 Teilen kaltem Wasser. Zur Löslichkeit von Zimtsäure in der Siedehitze habe ich keine Angaben gefunden, nach meinem Versuch schätze ich sie auf 1 in 140 Teilen.
Zimtsäure enthält eine Doppelbindung und existiert in zwei Isomeren. Die natürlich vorkommende und technisch (zur Produktion von Aromastoffen) verwende Form ist die trans-Zimtsäure, die synthetisch auf verschiedenen Wegen aus Benzaldehyd dargestellt werden kann (siehe die Anleitungen im Forum hier und hier). Durch Oxidationsmittel wird sie schon in der Kälte angegriffen, wobei wiederum Benzaldehyd entsteht. Auf dieser Reaktion beruhen die traditionellen pharmazeutischen Prüfungen der Siam-Benzoe, da sich der gebildete Benzaldehyd durch seinen typischen Bittermaldelgeruch leicht erkennen lässt. Siam-Benzoe enthält keine freie Zimtsäure.
C6H5-C2H2COOH + 4 O ---> C6H5-CHO + 2 CO2 + H2O
Zimtsäure kann man nicht gut durch Sublimation gewinnen, weil sie bereits bei relativ niedriger Temperatur decarboxyliert, wobei Phenylethen - besser bekannt unter dem Namen Styrol - entsteht.
C6H5-C2H2COOH ---> C6H5-C2H3 + CO2
Diese Reaktion ist auch der Grund für den unangenehmen Geruch des verbrennenden Sumatrabenzoeharzes, der an verschmorte Joghurtbecher (sofern sie aus Polystyrol sind, natürlich) erinnert. Tatsächlich geht die Bezeichnung Styrol auf das Harz des Baumes Liquidambar orientalis zurück, das unter dem Namen Styrax gehandelt wird und besonders Zimtsäure-reich ist. Bei dessen trockener Destillation erhielt der Chemiker Eduard Simon im Jahre 1835 zum ersten Mal “Styrol“.
Die Decarboxylierung der Benzoesäure geht weniger leicht von statten. Um sie zu erreichen erhitzt man ein Benzoat mit einem Überschuss an Alkali, was Eilhard Mitscherlich 1833 zum erstmalig beschrieb:
C6H5-COONa + NaOH ---> C6H6 + Na2 CO3
(nur dass Mitscherlich anstelle des Natriumhydroxids Calciumhydroxid verwendete). Das auf diesem Weg aus dem Benzoeharz erhaltene Produkt C6H6 erhielt von Liebig den Namen “Benzol“ zugewiesen (siehe unsere Syntheseanleitung hier im Forum!). Die wenigsten Chemiker dürften sich bewusst sein, dass die Stammsubstanz der aromatischen Kohlenwasserstoffe nach einer Pflanze benannte wurde!
Woraus das Incens Benjoin aus Chartres besteht ist bislang ungeklärt – jedenfalls handelt es sich nicht um eines der gängigen Benzoeharze. Auch die Trennung von Benzoesäure und Zimtsäure mittels DC - ich habe verschiedene Laufmittelgemische ausprobiert – ist mir bislang nicht gelungen.
Literatur:
1. Mohr, Friedrich: Commentar zur Preussischen Pharmacopoe nebst einer Übersetzung des Textes; dritte umgearbeitete Auflage nach der siebenten Ausgabe der Pharmacopoea borussica; Braunschweig, Druck und Verlag von Friedrich Vieweg und Sohn, 1863
2. Zimmermann, Walter: Pharmazeutische Übungspräparate des Apothekerpraktikanten; zweite, umgestaltete und um einen galenischen Teil vermehrte Auflage; Verlag Süddeutsche Apotheker-Zeitung Stuttgart, 1944
3. Wagner, Hildebert und Bladt, Sabine: Plant Durg Analysis – A Thin Layer Chromatography Atlas; second edition Springer Verlag Berlin Heidelberg 1996; ISBN 978-3-642-00573-2
4. Frerichs G, Arends G, Zörnig H: Hagers Handbuch der Pharmazeutischen Praxis, 1. Band; zweiter berichtigter Neudruck, Springer Verlag Berlin-Göttingen-Heidelberg 1949
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das Papierhütchen gefällt mir besonders gut! 
Die Gaze soll das zurückfallen von schon sublimierten Kristallen in die heiße Schale verhindern (manche Vorschriften empfehlen ein mehrfach mit Nadeln durchstochenes Filtrierpapier). Ihre Effektivität ist vermutlich begrenzt. Jedenfalls habe ich, nachdem ich den Papierhut abnahm, keine darauf liegenden Benzoesäurekristalle gesehen. Ja, eine größere Schale (die auch die Heizplatte völlig abdeckt) wäre vermutlich effektiver.
