Research Collection

Doctoral Thesis

Zur Analyse ätherischer OeleUntersuchung der flüchtigen Teile des Mandarinenschalen-Oels

Author(s): Kugler, Ernst

Publication Date: 1963

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Prom. Nr. 3369

Zur Analyse ätherischer Oele:

Untersuchung der flüchtigen Teile des

Mandarinenschalen-Oels

Von der

Eidgenössischen Technischen

Hochschule in Zürich

zur Erlangungder Würde eines Doktors der technischen Wissenschaften

genehmigte

Promotionsarbeit

vorgelegt vod

Ernst Kugler

dipl. Ing.-Chem. E. T. H.

von Zürich

Referent: Herr Prof. Dr. A. Eschenmoser

Korreferent: Herr Prof. Dr. E. Heilbronner

Reiter+Vogt Zürich

1963

Meinen lieben Eltern

in Dankbarkeit gewidmet

An dieser Stelle möchte ich

Herrn Dr. E. Kovâts

unter dessen Leitung ich die vorliegende Promo -

tionsarbeit ausführte, für die vielen Ratschläge und

Anregungen, sowie für seine Hilfe, die er mir zu -

teil werden Hess, herzlich danken.

Der Firma Firmenich & Cie. Genf, danke ich für

die finanzielle Unterstützung dieser Arbeit.

INHALTSVERZEICHNIS

Seite

1. Theoretischer Teil

1.0. Einleitung 1

1.1. Beschreibung des Analysenganges 3

1.1.1. Trennen

1.1.2. Charakterisieren

1.1.3. Identifizieren

1.2. Trennmethoden S

1.2.1. Gruppenverdrängungs-Chromatographie 6

1.2.2. Präparative Gas-Chromatographie 1"

1.2.2.0. Allgemeines 1°

1.2.2.1. Spezialprobleme 14

1.2.2.1.1. Trennung von zwei Substanzen deutlich 16

verschiedener Retentionsindices

1.2.2.1.3. Trennung von zwei Substanzen 16ähnlicher Retentionsindices

Trennung eines ternären Gemisches 18

Reinheitsprüfung 19

Zusammenfassung 19

Analyse des Mandarinenschalen-Oels 21

Allgemeines 21

Trennverfahren und Resultate 21

Gruppierung der identifizierten Verbindungen 30

Paraffin-Abkömmlinge 30

Terpene und Terpenoide 31

Diverse Verbindungen 34

Geruch und charakteristische Verbindungen des 34Oels

Spezielle experimentelle Methoden 35

Gruppenverdrängungs-Chromatographie 35

AUgemeines 35

Beispiel eines Gr-ippenverdrängungs-Chromato- 37grammes

Vorbereitung des Adsorbens 37

Durchführung des Chromatogramms 37

1..2.,2. 1.3.

1..2. 2. 2.

1.,2. 2. 3.

2.

2..0.

2..1.

2..2.

2. 2. 1.

2. 2. 2.

2. 2. 3.

2. 3.

3.

3. 1.

3. 1. 0.

3. 1.,1.

3. 1. 1. 1.

3. 1. 1. 2.

3.2. Präparativ gas-chromatographisehe Auft- 40trennung

3.2.1. Apparatur 40

3.2.2. Isolierung der."apolar"-reinen Komponente M a . 1. B 41

3.2.3. Isolierung der Substanzen M o . 1. B a undMa.l.Bßm 42

3.2.4. Nachreinigung der Substanz M a. l.Bp* » 43

4. Experimenteller Teil 44

4.1. Vortrennung des Oels 44

4.1.1. Abtrennung der leichtflüchtigen Teile (Destillation) 44

4.1.2. Abtrennung der sauren und basischen Anteile 44

(Ausschütteln)

4.1.3. Auftrennung des Neutralteils

(Gruppenverdrängungs-Chromatographie) 45

• Isolierung der einzelnen Komponenten 45

"Säure"-Methylester (M.S. ) 46

"Phenol"-Methyläther (M.P.) 48

"Basen" (M.B.) 49

Gruppe M a des Neutralteils (Kohlenwasserstoffe) 50

Gruppe M o, 1 (Monoterpen-Kohlenwasserstoffe) 51

Gruppe Ma. 2 (Sesquiterpen-Kohlenwasserstoffe) 57

Gruppe Mß . des Neutralteils (sauerstoffhaltige 62

Verbindungen ohne Alkohole)

Gruppe M Y des Neutralteils (Alkohole) 68

Zusammenstellung der physikalischen Konstanten 75der isolierten Komponenten

Messbedingungen 75

Bemerkungen zur Tabelle 4.3.2. 75

Tabelle 77

Anhang (Herstellung von Referenz-Substanzen) 81

Zusammenfassung 84

Literatur 85

4 .2,

4,.2..1.

4 .2..2.

4.,2,,3.

4.,2,.4.

4. 2. 4.1.

4..2.,4.2.

4..2.,5.

4. 2. 6.

4. 3.

4. 3. 0.

4. 3. 1.

4. 3. 2.

4. 3. 3.

- 1 -

THEORETISCHER TEIL

1.0. E lnleitung

Wir haben uns die Aufgabe gestellt, für ätherische Oele durch Einbeziehung der

neueren physikalischen Methoden und deren geeignete Kombination einen systemati¬

schen Analysengang zu entwickeln *). Die ausgearbeitete Methodik wurde dann m der

Folge für die Analyse des Mandarinenschalen-Oels eingesetzt, die unter Ziffer 2 be¬

schrieben ist.

Ein Analysengang, ganz allgemein betrachtet, besteht aus drei grundlegenden Ope¬

rationen, die man als Trennen, Charakterisieren und Identifizieren bezeichnen kann.

Ein vollkommen entwickelter Analysengang fasst die drei Operationen zusammen: Das

Trennverfahren liefert zur Identifikation ausreichende Charakteristika. Diese m der

anorganischen Analyse übliche Arbeitsweise setzt eine präzise Vorstellung der mögli¬

chen Zusammensetzung des Analysengutes voraus, die bei Gemischen organischer Sub¬

stanzen selten gegeben ist.

In der folgenden Gegenüberstellung sind links die klassischen Methoden der organi¬

schen Analyse aufgeführt. Rechts stehen die physikalischen Methoden, die heute in

einem Analysengang die vorwiegend chemischen Methoden der klassischen Analyse er¬

ganzen oder zum Teil ersetzen können.

Trennen

Destillation

Fraktionierte Kristallisation

Ausschütteln mit Reagentien

Aussalzen

Eingriff mit Reagentien:

Durch sukzessives Behandeln mit ge¬

eigneten Reagentien werden aus dem

Gemisch Gruppen abgetrennt, die je¬ne Verbindungen enthalten, welche

ein Derivat bilden.

Papier-, Dunnschicht-, Saulen-Chro-

matographie:

Festkorper-Flüssigkeit-

Festkorper-Gas- Chromato-

Flüssigkeit-Flüssigkeit- graphie

Flussigkeit-Gas-

Gegenstromverteilung als verfeiner¬tes Ausschütteln

Elektrophorese

Sedimentation in der Ultrazentrifuge

*) Ueber die "klassischen" Methoden der Analyse ätherischer Oele, vgl. z.B. die Mo¬

nographien 1.) und 2.)

- 2 -

Charakterisieren

Elementaranalyse, optisches Dreh¬

vermögen, Brechungsindex und

Lichtdispersion, Schmelzpunkt, Sie¬

depunkt, Kristallklasse, Dichte,

Farbe, Geruch

der Substanz

und/oder eines aus der Substanz ge¬wonnenen Produktes (z.B. durch

Derivatbildung, Oxydation, Hydrie¬

rung, Dehydrierung etc. )

Infrarot- SpektrumUltraviolett-

Massen-

Kernresonanz-

Raman-

Mikrowellen-

Dipolmoment

Chromatographisches, bzw. elektro-

phoretisches Verhalten der Substanz

Identifizieren

Direkt:

Mischschmelzpunkt der Substanz

und/oder ihres kristallisierenden

Derivates mit einer authentischen

Substanzprobe.

Indirekt:

Die spektroskopischen Daten geben

Hinweise auf strukturelle Einzelhei¬

ten. Aus diesen wird eine mögliche

Struktur abgeleitet. Vergleich der

Spektren mit Spektren authentischer

Proben.

Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, bedient sich die sogenannte klassische Analy¬

se chemischer Trennmethoden; deren Nachteile darin bestehen, dass die zur Derivat¬

bildung nötige Behandlung mit Chemikalien unerwünschte Umlagerungen hervorrufen

kann, und dass Komponenten, die schlecht Derivate bilden, wie z.B. die Monoterpen-

-oxide, schwer erfasst werden. Dadurch kann über die wahre Zusammensetzung des Ge¬

misches ein falsches Bild entstehen.

Substanzen

Reine

Fraktionen

Destillations-

Emulphor-0

bzw.

Apiezon-L*

an

Auftrennung

gas-chromatographische

präparativ

sukzessive

durch

zen

Substan¬

reinen

der

Isolierung

anschliessend

Untersuchung,

gas-chromatographische

Analytisch

IIT

ii

Torr

0,2

bei

dann

Torr,

12

bei

Destillation

~T~y

Gruppe

~~l—0

Gruppe

I

aGruppe

[^Me

than

olChlorpropan-(l)

[~|Pentan

mit

Gruppenverdrangung

~T~

teil

Neutral¬

I

'Aether"

I

Ester

Diazomethan

mit

Umsetzen

Saur

Na^CO,

TLosungen

2n

mit

Ausschütteln

I

Anteile

flüchtige

schwer

Torr

12

bei

dann

druck,

Normal¬

bei

Destillation

Phase

Oelige

Wasser

Phase

Wassnge

LSSch

eidetrichter

im

Trennen

K2CO3

mit

SattigenÄAnteile

flüchtige

leicht

r

Torr

0,2-0,5

bei

Destillation

Oel

Aetherisches

- 3 -

1.1 Beschreibung des Analysenganges

1.11 Trennen

Im untenstehenden Blockschema (Fig.l) ist unser Trennverfahren für ätherische

Oele -dargestellt Wir versuchten, chemische Eingriffe, die zu Umlagerungen hatten

Anlass geben können, soweit als möglich zu vermeiden. Die einzige "chemische"

Trennstufe ist die Abtrennung der sauren und basischen Bestandteile des Oeles. Zwei

andere Trennmethoden, die Destillation und die pràparative Gas-Chromatographie,

sind mit einer unvermeidlichen Wärmebehandlung verbunden, die thermisch bedingte

Umlagerungen oder Zersetzungen zur Folge haben kann Es hat sich nun gezeigt, dass

bei der gas-chromatographischen Trennung viele Komponenten thermostabiler sind als

erwartet. Der Grund hierfür ist dann zu suchen, dass die Komponenten im Tragergas

in grosser Verdünnung vorliegen und so gegen Polymerisation geschützt sind

Aus dem meist schwach sauer reagierenden Oel werden zuerst durch Destillation

die leichtflüchtigsten Anteile entfernt. Das Oel wird bei vermindertem Druck (0, 2-0, 5

Torr) schnell zum Sieden gebracht und möglichst schnell wieder abgekühlt, nachdem

etwa 10 Minuten lang ein Vorlauf abdestilliert worden ist. Das Destillat, das sich in

zwei mit flussiger Luft gekühlten Vorlagen befindet, trennt sich meist in zwei Schich¬

ten Die wassrige Schicht wird mit einer gewogenen Menge Kaliumcarbonat gesattigt

und abgetrennt Die ölige Schicht wird zuerst bei Normaldruck, dann bei 12 Torr de¬

stilliert, bis das Destillat bei etwa 50° übergeht Dann wird die Destillation abgebro¬

chen und der Ruckstand zur Hauptmenge zurückgegeben

Nach der wohlbekannten Abtrennung der sauren und basischen Anteile durch Aus¬

schütteln mit wassriger Sodalosung, Natronlauge und Salzsaure bleibt die Hauptmenge

des Oeles, der Neutralteil zurück, der meistens die für den Geruch und Geschmack wich¬

tigen Komponenten enthalt Die durch Ausschütteln abgetrennten Anteile des Oeles wer¬

den aus den wassrigen Phasen regeneriert Je die Hälfte des Soda-Auszuges und des

Natronlauge-Auszuges ("Sauren", bzw. "Phenole") werden mit Diazomethan umgesetzt

und destilliert.

Die Destillation des Neutralteils führt oft nicht zur erwünschten Anreicherung der

Nebenkomponenten, da diese wegen der Bildung von Azeotropen häufig auf mehrere De-

stillationsfraktionen verteilt werden. Azeotrope treten meistens zwischen Komponenten

auf, die in ihrer Polarität verschieden sind; besonders häufig sind Azeotrope zwischen

Alkoholen einerseits und ungesättigten Kohlenwasserstoffen, Aromaten, Aldehyden, Ke-

tonen, Estern etc. andrerseits. Aus diesem Grunde wird der Neutralteil durch eine

speziell ausgeführte Verdrangungs-Chromatographie an Silica-Gel in drei Gruppen un¬

terteilt. Die erste, mit Pentan eluierte Gruppe f a 1 enthalt meist nur Kohlenwasser-

- 4 -

Stoffe. Die zweite, mit Chlorpropan-(l) verdrängte Gruppe \ß\ enthalt zur Hauptsa¬che die Ketone,Aldehyde, Ester, Oxide etc., also die Verbindungen mit einem Dipol¬

moment von 1 - 3 D Zuletzt wird die Gruppe y mit Methanol aus der Saule ver¬

drangt; in T findet man die restlichen Komponenten des Oeles, zur Hauptsache die Al¬

kohole. Nach der Entfernung der Losungsmittel werden die Gruppen a, p und y durch

eine einfache Destillation in Fraktionen aufgeteilt. Dabei hat es sich gezeigt, dass die

Destillation der erhaltenen Gruppen in einer einfachen Vigreux-Kolonne (etwa drei

theoretische Boden) eine bessere Trennung ergab, als die direkte Destillation des Neu-

tralteils m einer hochwirksamen Kolonne (etwa 80 theoretische Boden)

Das Oel liegt nun in 8 Gruppen vor: Wasser, leichtflüchtige Anteile, Methylester

der Sauren, Methylàther der Phenole, Basen und die Gruppen a , ß und V des Neu-

tralteils. Jede dieser Gruppen ausser Wasser ist in Destillationsfraktionen aufgeteilt

worden. Diese Destillationsfraktionen werden am analytischen Gas-Chromatographen

untersucht und am praparativen Gas-Chromatographen in reine Komponenten zerlegt.

Die Isolierung der reinen Substanzen erfolgt durch sukzessives Auftrennen an zwei

stationären Phasen deutlich verschiedener Polarität:

Apiezon-L*) = A, ("apolare" Phase) und Emulphor-0*) = P ("polare" Phase), indem

die an der stationären Phase A erhaltenen gas-chromatographischen Fraktionen an der

stationären Phase P weiter zerlegt werden Die Arbeitsmethodik der Auftrennung ist

unter Ziffer 3 in allen Einzelheiten beschrieben.

1 1.2. Charakterisieren

Zuerst müssen die isolierten Komponenten auf ihre Reinheit untersucht werden. In

unserem Falle erfolgte dies durch Gas-Chromatographieren an einer hochwirksamen

Trennsaule (theoretische Bodenzahl über 30000). Fur die zu fordernde Reinheit der

Substanzen kann dabei kein allgemein gültiges Kriterium angegeben werden Der er¬

reichbare Reinheitsgrad hangt von der Substanzmenge und der Art der Verunreinigung

ab; wir hielten uns meist an die folgenden Richtlinien:

Für Komponenten,die von den andern Komponenten relativ leicht zu trennen sind

und die in einer Menge von 500 mg oder mehr isoliert werden können, wird verlangt,

dass sie weniger als 0,2% Verunreinigungen enthalten. Bei Komponenten von 120 - 150

mg werden Verunreinigungen bis zu 2% toleriert, besonders dann, wenn die Menge der

Substanz durch eine weitere Reinigung unter 100 mg sinken würde. Bei schlecht zu rei¬

nigenden Komponenten, besonders bei Isomeren, wurde die Reinigung manchmal bereits

bei etwa 4% Verunreinigung abgebrochen

*) vgl. Fussnoten Seite 11

- 5 -

Anschliessend an die Reinheitsbestimmung müssen die Retentionsindices 3.)der

reinen Substanz ermittelt werden, da dadurch unnötige Arbeit erspart werden kann.

Eine einfache Ueberlegung zeigt nämlich, dass für den speziellen Fall, wo Substanzen

aus demselben Gemisch und ausschliesslich mit Hilfe der präparativen Gas-Chroma¬

tographie isoliert worden sind, der folgende Satz bindend ist:

Trennt man ein Gemisch mit Hilfe der präparativen Gas-Chromatographie an X

verschiedenen Stationaren Phasen sukzessive auf, so sind zwei isolierte "Substanzen"

die an den gleichen X stationären Phasen die gleichen Retentionsindices aufweisen, iden¬

tisch (Substanzen bedeuten Fraktionen, die beim Chromatographieren an allen verwen¬

deten stationären Phasen homogen erscheinen).

Bei der praparativ-gas-chromatographischen Auftrennung des Gemisches an der

ersten stationären Phase treten die Komponenten einer Fraktion in den beiden benach¬

barten Fraktionen als Verunreinigungen auf und und werden bei der anschliessenden

weiteren Auftrennung an der zweiten stationären Phase als "verschiedene" Komponen¬

ten aus mehreren Fraktionen erhalten. Aufgrund des formulierten Satzes können iso¬

lierte Substanzen, deren Retentions-Indices übereinstimmen, vereinigt werden.

An der reinen Substanz werden nun, falls eine Menge von mindestens 120 mg iso¬

liert werden konnte, die nachfolgend aufgeführten physikalischen Charakteristika be¬

stimmt:

Reihenfolge der

Bestimmung1

Charakteristikum

Retentionsindex ]:TP

Dimension Substanzbedarf

2 mg

2 Optisches r -i20

Drehvermogen'' -'D DO120 mg

3 Dichte d20 [g.cm"3J100 mg

4 Brechungsindex n20 - 10 mg

5 Molekular¬

refraktionM2D° [cm-3J -

(Schmelzpunkt) Smp. [°c] 2 mg

Elementaranalyse 4 mg

IR-Spektrum *) 20 mg

6 UV-Spektrum *) 2 mg

KR-Spektrum *) 50 mg

Massenspektrum ;*) 2 mg

*) vgl 4.3.0

- 6 -

1.1.3. Identifizieren

Aufgrund der physikalischen Daten wird versucht.für die isolierte Komponente

eine oder mehrere Formeln vorzuschlagen. Die Richtigkeit der Vermutung wird an¬

hand physikalischer Daten, die an authentischen Proben bestimmt wurden, sicherge¬

stellt. Falls nötig, wird auf chemische Beweise zurückgegriffen.

1.2 Trennmethoden

Unter 1.1. wurde anhand des Blockschemas (Fig 1) der prinzipielle Trenngang er¬

läutert. Von den verwendeten Trennmethoden bedürfen die Destillation und die Abtren¬

nung der sauren und basischen Teile keiner näheren Erklärung. Im folgenden wird nun

die Auftrennung des Neutralteils durch eine spezielle Verdrangungs-Chromatographie

und die Arbeitsmethodik der pràparativen Gas-Chromatographie eingehend behandelt

12 1. Gruppenverdrängungs-Chromatographie

Die Adsorptionswirkung des Silica-Gels kann vereinfacht auf folgende Vorstellung

zurückgeführt werden: Infolge der tetraedrischen Struktur des Silica-Gels findet man

an seiner Oberflache vorwiegend Sauerstoff-Atome. Verglichen mit der unmittelbar

darunter liegenden Ebene, in der sich Silicium-Atome befinden, ist die Sauerstoff-

Deckschicht negativ geladen. Diese "dipolare" Grenzschicht kann auf geeignete Mole¬

keln Dipol-Anziehungskräfte 4), 5), 6) ausüben Die einsamen Elektronenpaare des

Sauerstoffs geben der Deckschicht ausserdem einen nukleophilen Charakter, sodass sie

befähigt ist, Wasserstoff-Brücken einzugehen. Somit sind neben den an allen Grenzfla¬

chen wirksamen Dispersionskràften 6.) noch zwei weitere Anziehungskräfte fur die Ad¬

sorptionswirkung des Silica-Gels verantwortlich. Eine Beschreibung der Teilkrafte fin¬

det sich in der folgenden Zusammenstellung. Zum Vergleich sind links die Kräfte zwi¬

schen Lösungsmittel und gelöster Substanz aufgeführt *), um sie denen zwischen Ober¬

flache des Silica-Gels und adsorbierter Substanz gegenüberzustellen:

*) vgl. Modell des gelosten Zustandes: 7.), 8.)

einemundLosungsmitteleinemzwischenSubstanzeinerGleichgewichtdasFur

vermögenpolarisierenzugegenseitigeinandersomitundaufweisenDipol

permanenteneinenSubstanzenbeidedaworden,gezahltzweifachist/i„AnteilDer

St,p'

'

P PSt,'+"p(+"st.«)+?D(2++',st,D)Cdl!=

zusammen-folgt

wieVerdünnungidealerbeiChlorbenzol)inAether(oderAetherinChlorbenzolsdes

PotentialchemischeStandarddasz.B.sichsetztSosindvernachlässigenzuTerme

dieserwelcheentscheiden,zuFallzuFallvonistSubstanz/Adsorbentadsorbierte

oderSubstanz/LosungsmittelgelostePaares:einesBeispielkonkretedasFürstanz

Sub¬adsorbiertediefurauchals,Losungdiefursowohl'K''st

+K

P(

'l+(("p++"st,D>Cd+"' +"st,H>CH++"St,P»+"P

"St,p>+(+

Aufteilung:diesergemässPotentialchemischedasfürgiltFallallgemeinendenFür

''St.K-''St.H1BSt,P;St,St,ü-

verringern)(meistflussenbeein¬Kräfteaufgeführtenoben

diewelcheEffekte,Sterische

Substanzbierter

adsor¬undOberflachezwischen

Komplexbildung

Wasserstoff-Brucke

Sinne:

weiterenimBindungChemische

flàche

Silica-Gel-Ober-deranerstoffs

Sau¬desElektronenpaarefreien

diedurchSubstanzsorbierten

ad¬derPole)höherer(undpole

Di¬permanentenderAnziehung

ist.wordenfen

hervorgeru¬Ladungsverschiebung

eineInduktioninfolgewelcherinSubstanz,adsorbiertenderZonen

polansierbarendenundsorbens

Ad-desOberflachederschicht

Dipol-derzwischenAnziehung

Kräfte:dingte

be¬EigenschaftenpolareDurch

Substanz

adsorbierterundOberflache

zwischenDispersionskràfte

*K

verringern)(meistflussen

beein¬Kräfteaufgeführtenoben

diewelcheEffekte,Sterische

Substanzlöster

ge¬undLosungsmittelzwischen

Komplexbildung)ß

Wasserstoff-Brücke)

Adsorbenten ist der Unterschied der chemischen Potentiale massgebend:

C In K = f°b - ,"LM

wobei die oberen Indices das Medium bezeichnen (Ob = Oberflache; LM = Losungsmit¬

tel).

Bei der Gruppen-Verdrangungschromatographie wurden folgende drei Losungsmit¬

tel als Verdranger verwendet:

1.) ein Gemisch leichtflüchtiger Paraffinkohlenwasserstoffe ("Pentan")als "apolares" Losungsmittel,

2.) Chlorpropan-(l) als ein Losungsmittel mittlerer Polarität, dasnicht befähigt ist, Wasserstoff-Brücken einzugehen,

3. ) Methanol als ein Lösungsmittel mittlerer Polarität, das sowohl

als Donor als auch als Acceptor Wasserstoff-Brücken eingehenkann.

Fur Adsorptionsgleichgewichte zwischen dem Silica-Gel und den oben aufgeführten

Losungsmitteln können als nullte Näherung folgende drastisch vereinfachende Annahmen

getroffen werden:

a) Die Potentialanteile -"ßb und ^M; f°,b und

f,^ und *"fj seien paarweise gleich^M;

b)

c)

Die Beitrage p Y° undLM

seien vernachlâssigbar.

Die sterische Hinderung der verschiedenen Effekte sei an der

Oberflache des Silica-Gels und m den Losungsmitteln gleich, d h

, Ob ,LMSt,D,P,H «* rSt,D,P,H

Die folgende Zusammenstellung zeigt die aufgrund dieser Annahmen errechneten

Unterschiede >' " - /'^M für drei Gruppen organischer Substanzen:

a : Verbindungen ohne oder mit einem geringen Dipolmoment:

gesattigte, ungesättigte, aromatische Kohlenwasserstoffe

ß : Verbindungen mittlerer Polarität, die keine Protonen besitzen,welche Wasserstoff-Brücken bilden konnten:

Ketone, Ester, Aldehyde, Aether etc.

y : Verbindungen mittlerer Polarität mit zur Bildung von Wasser¬

stoff-Brücken geeigneten Protonen: Alkohole

Verbindungs-

Gruppe

"Pentan" Chlorpropan-(1) Methanol

a O O O

ß „Obp

o- „LM

'H

y „Ob „Obfp + 'h

«ObH

-„LM^H

- 9 -

Ein Unterschied von Null der chemischen Potentiale bedeutet, dass die Substanz

zu etwa gleichen Teilen in den beiden Phasen verteilt ist. An der Oberfläche des Ad-

sorbens tritt ein Effekt auf, der das Gleichgewicht verschiebt, nämlich dass an Stel¬

le der desorbierten Substanz der in relativ grossem Ueberschuss vorhandene Ver -

dranger adsorbiert wird. Dies hat zur Folge, dass Substanzen, die im System (Silica-

Gel-Oberflache) - (Verdranger) einen Unterschied von Null im chemischen Potential

aufweisen, praktisch mit der Lösungsmittelfront aus der Saule verdrangt werden.

Aus dieser Zusammenstellung können wir nun die Vorgange fur ein Chromato -

gramm ablesen, bei dem die drei Losungsmittel in der obigen Reihenfolge hinterein¬

ander und mit scharfen Fronten als Verdranger verwendet werden. Das Pentan ver -

drangt aus der Saule nur die Kohlenwasserstoffe, da die polaren Verbindungen durch

Wechselwirkungskrafte, die einen Beitrag I1 QD liefern, an der Oberflache zurückge¬

halten werden Noch starker sind die Alkohole adsorbiert, bei denen die Wasserstoff-

Brucken-Bindungen einen weiteren Beitrag zu p liefern Das nächste Verdrangungs -

mittel, Chlorpropan-(l), treibt die polaren Verbindungen ausser jenen, die durch Was¬

serstoff-Brücken festgehalten werden, aus der Saule, also z.B. Ketone, Aldehyde,

Ester, Aether; diese bilden die Gruppe ß . Das letzte Losungsmittel, Methanol, ver -

drangt die noch in der Saule verbliebenen Substanzen, vorwiegend Alkohole, die als

Gruppe y bezeichnet werden

Gruppe o : gesattigte, ungesättigte und aromatische Kohlenwasserstoffe

Gruppe ß : Ketone, Aldehyde, Ester, Aether etc. Meistens enthalt die Grup¬

pe ß noch die Hauptkomponenten der Gruppe a als Nebenkompo¬nenten. Enthalt die Gruppe Y viel-sterisch stark gehinderte Alko¬

hole, so werden diese durch das Propylchlorid zum Teil mit -

eluiert. Die Oxide (Aether) erscheinen meistens verteilt auf die

beiden Gruppen ß und 1 , besonders wenn das Oel viele Alkoho¬

le enthalt. Die am Anfang der Saule adsorbierten Alkohole hal¬

ten nämlich die Aether zurück, vermutlich infolge von Wasser¬

stoff-Brücken-Bindungen.

In einem Fall wurde m der Gruppe ß ein sterisch stark ge¬hindertes Phenol und daneben eine schwache Base gefunden.

Möglicherweise wanderten die beiden Substanzen als lose Mole-

kelverbindung durch die Saule.

Verbindungen, die mehrere Haftzonen aufweisen (z.B. Me -

thyleugenol u.a. ) erscheinen in der Gruppe i .

Gruppe y : Alkohole. Vergleiche dazu, was bei der Gruppe ß gesagt wurde.

Umlagerungen in der Saule wurden keine beobachtet. Der Vorteil dieser Gruppen-

trennung zeigt sich bei der weiteren Aufteilung der Gruppen in Destillationsfraktionen.

Die Substanzen der einzelnen Gruppen weisen ähnliche Polaritäten auf, sodass die Bil¬

dung von Azeotropen stark zurückgedrängt wird.

- 10 -

1.2.2. Praparative Gas-Chromatographie

1.2.2.0. Allgemeines

Ein gegebenes Gemisch kann mit Hilfe der praparativen Gas-Chromatographie

auf zwei verschiedene Arten aufgetrennt werden: Entweder trennt man mit Hilfe

einer stationären Phase, an welcher alle Komponenten getrennt erscheinen, oder

durch sukzessives Chromatographieren an zwei oder mehreren stationären Phasen

deutlich verschiedener Trennwirkung. Die erste Methode wird nur bei relativ einfa¬

chen Gemischen dann mit Erfolg angewendet, wenn die Zusammensetzung des Gemi¬

sches bekannt ist (besonders was die Anzahl der Komponenten betrifft), oder aber,

wenn das Gemisch aus einer kleinen Zahl von Komponenten zusammengesetzt ist, so¬

dass eine stationäre Phase, welche die Auftrennung aller Komponenten gewährleistet,

leicht gefunden werden kann.

Falls der Hauptzweck der praparativen Trennung die Analyse des Gemisches ist,

wird die Methode der sukzessiven Auftrennung bevorzugt, umsomehr als bereits beim

Einsatz von nur zwei stationären Phasen in fast allen Fallen eine vollständige Tren -

nung erzielt wird; vorausgesetzt, dass die beiden stationären Phasen geeignet, d.h.

deutlich verschieden gewählt werden. Die Hauptmerkmale dieser Methode sollen am

folgenden einfachen Beispiel erläutert werden:

Flg. 2

190°C

A : Apiezon-LP: Emulphor-O

988

Heptanal I* „:877s lf90 : 1108

1039

1104981

P J,

A P

Myrcen I* : 987; IP : 1103 -Pmen I*„

: 985;lfB0 : 1040

- 11 -

Figur 2 zeigt die Chromatogramme eines ternaren Gemisches, bestehend aus

Myrcen, » -Pinen und Heptanal an zwei stationären Phasen An Apiezon-L erschei¬

nen zwei Pike (IA = 876 und 982), wobei der zweite Pik (IA = 982) von zwei Sub¬

stanzen, nämlich von a -Pinen und Myrcen erzeugt wird. Im Chromatogramm an

Emulphor-0 sieht man etwa das gleiche Bild; der Pik mit dem höheren Retentionsin-P

dex (Ijgo= 1103) wird jedoch von einem anderen Komponentenpaar als an Apiezon-

L hervorgerufen, nämlich von Heptanal und Myrcen Somit gelingt eine Auftrennung

dieses Gemisches an keiner dieser beiden stationären Phasen Trennt man dagegen

das Gemisch zuerst an der einen der beiden stationären Phasen auf, so lassen sich

die auf diese Weise erhaltenen Fraktionen an der zweiten stationären Phase in die rei

nen Substanzen zerlegen Die Reihenfolge, d h. ob Apiezon-L oder Emulphor-0 fur die

erste Trennstufe verwendet wird, ist im Prinzip gleichgültig. Selbstverständlich wä¬

re eine stationäre Phase, an welcher diese drei Komponenten in einer Stufe aufge -

trennt werden können, leicht zuganglich Fur die Auftrennung eines Zehnkomponenten-

Gemisches ähnlicher Natur wäre jedoch eine solche Stationare Phase meist nur schwie¬

rig zu finden

Fur die praparative Auftrennung von Monoterpen-Gemischen verwendeten wir

durchwegs die beiden bereits erwähnten stationären Phasen:

A: Apiezon-L*) (Gemisch gesättigter Paraffin-Kohlenwasserstoffe, "apolare" Sta¬

tionare Phase) und

P: Emulphor-0**) (Polyäthylenglycol, Polymerisationsgrad ca. 40, einseitig ver-

athert mit Octadecanol-(l), "polare" stationäre Phase).

Bei einer theoretischen Plattenzahl der verwendeten Trennkolonnen von etwa 1 000

war es mit einigen seltenen Ausnahmen immer möglich, die Destillations-Fraktionen

in die reinen Komponenten zu zerlegen.

Bei der gas-chromatographischen Auftrennung eines Gemisches ist es für die

praktische Arbeit zweckmassig, die erhaltenen Fraktionen mit Symbolen zu bezeich¬

nen, die einer systematischen Nomenklatur entnommen wurden. Diese Symbole zei¬

gen dann auf einfache Weise den Weg der Isolierung der betreffenden Komponente an

Wir bezeichnen die an Apiezon-L erhaltenen Fraktionen mit den Buchstaben: A, B, C.. ;

die an Emulphor-0 mit a,ß.y .. Das Symbol Ma Bo bedeutet z B,,dass diese Kom¬

ponente aus der Gruppe o des Mandarinenschalen-OeTs (M) isoliert wurde, welche zu¬

erst an Apiezon-L aufgetrennt wurde. Anschliessend chromatographierte man die an

Apiezon-L isolierte Fraktion Mo. B an Emulphor-0, die zweite Fraktion'an dieser

Stationaren Phase war die Substanz Ma. Bo . Mit Hilfe dieser Symbole können wir den

*) Hochvakuumiett, Shell Oil Company

**) BASF, A.G., Ludwigshafen, Deutschland

- 12 -

Analysengang in einfache Stammbaume zusammenfassen. Greifen wir wieder auf das

Beispiel des ternären Gemisches Myrcen,

- 13 -

Die Fraktion Z der eisten Portion (meist etwa 10 - 30% der eingeführten Menge) wird

der zweiten Charge zugegeben Diese Praxis ist auch dann einzuhalten, wenn das Aus-

gangsmaterial in genügender Menge vorhanden ist Der Grund hierfür erklart sich

leicht am Beispiel der Fraktionen A und B Würde die Zwischenfraktion verworfen, so

ginge die Nebenkomponente, deren Maximum sich genau unter dem Minimum zwischen

A und B befindet, zum grossten Teil verloren Nach der letzten Charge wird noch de¬

ren Zwischenfraktion allein chromatographies, bei diesem letzten Durchschub wer¬

den die Fraktionen in den Elutionsminima ohne Zwischenfraktionen genommen Es ist

möglich, dass eine Fraktion bereits an der ersten stationären Phase sichtbar aus

mehr als einer Komponente besteht (z B Fraktion B), da bei der ersten Trennung

nur solche Fraktionen isoliert werden sollen, die von ihren Begleitern durch deutliche

Elutionsminima abgegrenzt sind (Vergleiche dazu auch den Abschnitt Spezialproble-

me 12 2 1)

- 14 -

Nach der so durchgeführten Vortrennung werden die einzelnen Fraktionen ander

gleichen stationären Phase nachgereinigt, indem man nach der in der Figur angege¬

benen Weise verfahrt, d h die abgetrennten Nebenfraktionen den entsprechenden

Fraktionen zuführt Dabei beginnt man am besten mit der grossten Fraktion, da dann

jene bei der Reinigung der Nebenkomponenten anfallenden Fraktionen, welche vor -

wiegend die Hauptkomponente enthalten, bei ausreichender Substanzmenge verworfen

werden können Eine Reinigungsstufe reicht meistens zur Erzielung einer sauberen

Trennung aus

Die nun vorliegenden Fraktionen heissen die "apolar-reinen" Komponenten Die¬

se werden nun an der zweiten stationären Phase weiter zerlegt Eine "apolar-reine"

Komponente kann mehrere Substanzen enthalten, in den meisten Fallen jedoch kaum

mehr als etwa vier Die in diesem Falle sich stellenden Probleme können auf einige

Trennungstypen zurückgeführt werden, die im folgenden kurz diskutiert werden

12 2 1 Spezialprobleme

12 2 11 Trennung von zwei Substanzen

deutlich verschiedener Reten-

tionsindices

a) Zwei Komponenten zu ungefähr gleichen

Teilen (vgl Fig 5)

Die Fraktionsentnahme erfolgt, wie in der

Figur angedeutet, es werden also drei

Fraktionen ( a . Z und ß ) genommen Die

Fraktion Z, die ungefähr die gleiche Zu -

sammensetzung aufweist wie das Ausgangs-

matenal, wird zu diesem zurückgeführt

Die erhaltenen Fraktionen a und ß sind rein.

Fig 5

15

Fig 6 b) Eine Hauptkomponente

(vgl Fig 6)

Fraktionswechsel wie in der Figur

angedeutet Die Nebenkomponente

ware auch dann verunreinigt, wenn

der Wechsel etwas spater erfolgte.

In der ersten Reinigungsstufe wird

die Nebenkomponente möglichst so

angereichert, dass der ganze Kur -

venteil unter dem sie enthalten ist,

in den beiden Fraktionen Z und ß

gesammelt wird. In einer zweiten

Stufe wird die Nebenkomponente

dann rein erhalten. Der Doppelpfeil

bedeutet, dass die Fraktion verwor¬

fen wird.

- 16 -

1.2. Trennung von zwei Substanzen ahnlicher Retentionsindices

Fig 7a) Zwei Komponenten zu ungefähr

gleichen Teilen (vgl Fig 7)

Die meisten dieser Probleme können

in zwei Stufen bewältigt werden Die

Arbeitsweise wird weitgehend erleich¬

tert, wenn viel Ausgangsmatenal zur

Verfugung steht. In diesem Falle kön¬

nen die mit Doppelpfeil bezeichneten

Fraktionen verworfen werden, sodass

die erste Trennstufe nicht nochmals in

Angriff genommen werden muss Bei

sehr schwierigen Trennungen muss

eine dritte und vierte Trennstufe an¬

geschlossen werden. Das bedeutet,

dass die praktische Durchfuhrung der

Isolierung zweier sehr schlecht ge -

trennter Komponenten eine Frage der

Menge des Ausgangsmaterials ist, da

jede Trennstufe unvermeidliche Ver¬

luste bedingt.

17 -

Fig 8

Fig 9

b) Eine Hauptkomponente (vgl Fig 8)

Im ersten Schritt wird die Hauptkomponente rein

erhalten und die Nebenkomponente angereichert

Die angereicherte Nebenkomponente wird dann

wie unter a) von der Hauptkomponente getrennt

Es wird jedoch oft nicht gelingen, die Nebenkom¬

ponente in genügender Quantität zu fassen, und

man gelangt nur durch die Verwendung einer an¬

dern stationären Phase, welche die beiden Kom¬

ponenten besser trennt, zum Ziel

Alle bisher aufgeführten Trennungen zweier

Komponenten können auf das nebenstehende Sche¬

ma (Fig. 9) zurückgeführt werden Das Prinzip,

das dem Schema zugrunde liegt, ist, kurz zusam-

mengefasst, folgendes:

Das Gemisch wird unter Entnahme

einer Zwischenfraktion vorgetrennt,

unter Ruckführung der Zwischenfrak¬

tion in die Vortrennung In jeder der

dann folgenden Reinigungsstufen wer¬

den drei Fraktionen entnommen:

1 eine reinste Fraktion, die in der

nächsten Stufe weiter gereinigt wird,

2 eine Zwischenfraktion, die in der

gleichen Stufe nochmals chromatogra-

phiert wird, und

3 eine am stärksten verunreinigte

Fraktion, die in die vorhergegangene

Reinigungsstufe zurückgeführt wird

Das Verfahren hat also eine gewisse

Aehnlichkeit mit der Methodik der

fraktionierten Kristallisation

- 18 -

Ein Spezialfall, der im Laufe unserer Arbeiten öfters vorkam, soll hier noch geson¬

dert besprochen werden.

Fig. 10

XßwA X/fcoBZ

1.2.2.1 3. Trennung eines ternaren Gemisches

Das nebenstehende Chromatogramm (Fig 10) eines

ternaren Gemisches stellt eine "apolar-reine"

Komponente X dar. Wie aus dem Chromatogramm

an Emulphor-0 ersichtlich ist, lasst sich X an die¬

ser stationären Phase mit Leichtigkeit m zwei

Komponenten trennen. Wird dann X ß a wieder an

Apiezon-L chromatographiert, so sieht man, dass

diese Fraktion nun in zwei Komponenten zerfallt,

da X a an dieser stationären Phase vorher zwi¬

schen den Substanzen X ß o> A und X ß w BZ er¬

schien und die Ausbildung eines Minimums zwi -

sehen den beiden Substanzen verhinderte. Der

praktischste Trennweg ist im untenstehenden Sche¬

ma dargestellt.

©

A ) ( BZ )

XßaA XiîoiBZ

Die Namen der Komponenten zeigen den Weg der

Auftrennung an: Xa , XßwA und XßwBZ

- 19 -

1.2.2 2 Reinheitsprufung

Die erhaltenen Substanzen sind, sofern es sich um Monoterpene handelt, in über¬

wiegender Zahl der Falle rein Sie müssen jedoch auf ihre Reinheit geprüft werden

Dies geschieht am besten mit Hilfe von Kapillarsaulen an den beiden Stationaren Pha¬

sen Apiezon-L und Emulphor-0. Ausnahmsweise wird man jedoch die Verunreinigung

erst bei der Aufnahme der Spektren feststellen

12 2 3 Zusammenfassung

Zusammenfassend können wir feststellen, dass mit Hilfe der praparativen Gas-

Chromatographie recht komplizierte Gemische aufgetrennt werden können, wenn zwei

stationäre Phasen deutlich verschiedener Polarität in zwei (evt drei) aufeinander fol¬

genden Schritten benutzt werden Das Verfahren ist zu vergleichen mit einer zweidi¬

mensionalen Papier-Chromatographie und kann mit Hilfe eines ähnlichen Schemas ge¬

plant und illustriert werden Die untenstehende Figur (Fig ll)zeigt die Retentionsindice

Fig. 11

15 \I... - O p cJ,n,°1

- - o...-

,„. ol

I1«0 -

1140

1120

1100

O Mjm*

loao -

1M0 -

,« o-*—

(60 MO 1000 1010L ,«. . „» ^jA

Substanz I1

a -Pinen 985

Myrcen 985

1,8-Cineol 1079

Limonen 1082

p-Cymol 1071

lr

1040

1105

1199

1180

1221

einiger Monoterpene an den zwei stationären Phasen. Erscheinen nun zwei Punkte auf

einer Senkrechten übereinander, so bedeutet das, dass die entsprechenden Substanzen

an Apiezon-L nicht zu trennen sind, dagegen lassen sie sich an Emulphor-0 trennen

( a-Pmen/Myrcen; p-Cymol/Limonen/l, 8-Cineol) Fallen zwei Punkte zusammen,

so kann ein Gemisch der betreffenden Substanzen an keiner der beiden stationären

- 20 -

Phasen getrennt werden; so hatte man z.B. mit dem Paar Limonen/1, 8-Cineol

Schwierigkeiten.

Wie schon erwähnt, ist es aus Gründen der Uebersichtlichkeit empfehlenswert

eine "apolare" Stationare Phase fur die erste Trennung zu benutzen. Für die Sub¬

stanzen innerhalb der drei Gruppen a , ß und V gibt es namlich fur stationäre Phasen

des apolaren Typs eine grobe Korrelation 7.), 8.) zwischen Siedepunkt und Retentions-

index, sodass die Destillation sozusagen einer groben "apolaren" Vortrennung gleich¬

kommt. Verwendet man nun eine "apolare" stationäre Phase für die erste Auftren -

nung nach der Destillation, so erscheinen die Substanzen mit kleinerem Retentions-

index in den tieferen Destillations-Fraktionen angereichert, die mit grosserem in

den höheren, was die Auswahl der aufzutrennenden Destillations-Fraktionen erleich¬

tert und die Zuordnung der Substanzen mit grosserer Wahrscheinlichkeit ermöglicht.

Somit gestaltet sich der Trenngang einer Gruppe wie folgt:

1. Destillation der Gruppe

2. Isolierung der Fraktionen A, B, C X an einer stationä¬

ren Phase apolaren Typs (Apiezon-L) aus den Destillations-Frak¬tionen

3. Auftrennung der Fraktionen A, B, C .... X an einer stationä¬

ren Phase polaren Typs (Emulphor-0)

4 Falls notig weitere Auftrennung der "polar-reinen" Fraktionen an

Apiezon-L oder einer dritten stationären Phase

- 21 -

2 ANALYSE DES MANDARINENSCHALEN - PELS

2 0 Allgemeines

Die im ersten Teil dargelegte Analysenmethodik wurde fur die Untersuchung des

Mandarinenschalen-Oels*) eingesetzt Wir untersuchten nur die fluchtigen Anteile des

durch Auspressen der Schale der Mandarine (Citrus reticulata BLANCO, bzw Citrus

nobilis var deliciosa SWINGLE "Mandarin") gewonnenen ätherischen Oels; diese

fluchtigen Anteile sind im Oel zu etwa 95 Gewichtsprozenten enthalten

Um die Jahrhundertwende wiesen GILDEMEISTER und STEPHAN 10 ) das (+)-Li-

monen, WALBAUM 11) den Methylester der N-Methylanthramlsaure nach Aus dem

mit dem Mandarinenschalen-Oel eng verwandten Tangerin-Oel konnte NELSON 12 )

Octanal, Decanal und Linalool als Derivate isolieren RIGANESIS und CALVARANO

13 ) postulierten das Vorkommen von Octanal, Nonanal, Decanal, Dodecanal, Citral

und Citronellal im Mandarinenschalen-Oel aufgrund von Rf-Werten im Papier-Chromato-

gramm Durch Identifikation einzelnei Pike im Gas-Chromatogramm aufgrund der

Retentions-Zeiten an einer stationären Phase fanden LIBERTI und CARTONI 14 ) im

Gas-Chromatogramm der Kohlenwasserstoff-Fraktion:a -Pinen (2,5%), Camphen

(1,2%), ß -Pinen (1,0%), Limonen {11%), p-Cymol+v -Terpinen (18%) und Terpinolen

('). CALVARANO 15 ) untersuchte eine Kohlenwasserstoff-Fraktion [Ä] und eineweitere Fraktion [bJ , welche die Ester und Alkohole angereichert enthielt. Die Re¬

tentions-Zeiten einzelner Komponenten im analytischen Gas-Chromatogramm dieser

Fraktionen koinzidierten mit denen von-

[À] : a -Pinen, Camphen, ß -Pinen, Limonen, p-Cymol, Terpinolen; [bJ : Linalool,Linalyl-acetat, Terpinyl-acetat, Terpineol, Nerol

2 1 Trennverfahren und Resultate

Das von uns untersuchte Oel**) stammte aus Sizilien vom Baume Citrus reticula¬

ta und wies die folgenden Konstanten auf:

n^° = 1,4753 d2Q = 0,851 g/cm3 ["] ^° = +69,80°

Unser Bestreben ging dahin, die fluchtigen Komponenten mit Hilfe der praparati-

ven Gas-Chromatographie einzeln zu isolieren, um sie dann aufgrund ihrer physikali¬

schen Eigenschaften zu identifizieren Die nicht fluchtigen Komponenten (in der quan¬

titativen Analyse als Destillations-Ruckstande zusammengefasst) wurden nicht unter¬

sucht

*) Ueber Gewinnung und allgemeine Eigenschaften, vgl. 1 ) Band III, Seiten 333 ff;bzw 2 ) Band V, Seiten 593 ff

-!

- 22 -

Um fur die gas-chromatographische Auftrennung geeignete Fraktionen zu erhal¬

ten, wurde das Oel einer Vortrennung unterzogen, die in Figur 12 m Form eines

Blockschemas dargestellt ist. Vorerst destillierte man zur Erfassung leichtfluchtiger

Bestandteile bei vermindertem Druck einen kleinen Vorlauf ab; wir fanden darin aus¬

ser Wasser keine Komponenten, die nicht auch im schwerer fluchtigen Teil enthal¬

ten gewesen waren Das Wasser wurde abgetrennt und die leichtfluchtigen Teile dem

Oel wieder zugeführt Durch Ausschütteln mit verdünnter Sodalosung, Natronlauge

und Salzsaure trennte man dann die sauren und basischen Anteile des Oels ab; die aus

dem Salzsaure-Auszug isolierten "Basen"wurden direkt, die aus dem Soda-, bzw

Natronlaugen-Auszug regenerierten "Sauren", bzw "Phenole" nach Umsetzen mit

Diazomethan destilliert Die "Phenol-Aether"-Fraktion erwies sich als praktisch nicht

fluchtig und wurde zum Rückstand gerechnet.

Der Neutralteil, die überwiegende Hauptmenge des Oels (99, 7%) enthalt zur Haupt¬

sache Limonen und andere Monoterpen-Kohlenwasserstoffe [vgl 1 ), 2 ), 10 ), 11.),12. ), 13. ), 14. )J Es hat sich nun bald gezeigt, dass bei der direkten Auftrennung desNeutralteils mit Hilfe der praparativen Gas-Chromatographie die m geringer Menge

im Oel vorkommenden sauerstoffhaltigen Komponenten nicht erfasst werden können

Deshalb trennten wir den Neutralteil durch ein speziell ausgeführtes Verdrangungs -

Chromatogramm in die drei Gruppen M a (Kohlenwasserstoffe), M ß (sauerstoffhal¬

tige Verbindungen ohne Alkohole) und M V (Alkohole), die dann durch fraktionierte

Destillation weiter unterteilt wurden Die nun vorhegenden Destillate der Gruppen

"Säure-Ester", "Basen", Monoterpen-Kohlenwasserstoffe (Ma' 1), Sesquiterpen-

Kohlenwasserstoffe (Ma. 2), M ß und M Y wurden nach analytisch gas-chromatographi-

scher Untersuchung im praparativen Gas-Chromatographen in die reinen Komponenten

zerlegt

Die Resultate unserer Analyse sind in der Tabelle 1 zusammengestellt. Für die

quantitative Analyse (Tabellenwerte = Gewichtsprozente) wurden die Pikflachen der

analytischen Gas-Chromatogramme (Warmeleitfahigkeitsdetektor) der Destillate pla-

nimetrisch ausgemessen und die prozentuellen Anteile der Pike errechnet Diese

Flachenprozente gehen den Gewichtsprozenten mit einem Fehler von etwa 3% parallel,

bei Substanzen ahnlichen Molekulargewichts ist die Uebereinstimmung eher besser

Unter dem einer identifizierten Substanz zugeordneten Pik können jedoch verdeckt

weitere nicht identifizierte Komponenten erscheinen; diese Fehlerquelle kann bei

Spurenkomponenten Abweichungen von der Grossenordnung der betreffenden Prozent¬

zahl verursachen Es ist deshalb in jedem Falle möglich, dass eine Komponente in

kleinerer Menge als angegeben im Oel vorkommt. Die Prozentzahlen in der Tabelle

sind zur Erleichterung der Kontrolle der numerischen Rechnung (£p = 100, 000%)

Fortsetzung auf Seite 29

Fig. 12 Mandarinenschalen-

Oel

1998 g

Destillation bei 0, 2 - 0, 5 Torr

Leicht -

flu cht i ge

Ant eile

Sättigen mit K2CO3Trennen im Scheidetrichter

ZLWä srigei^nase

1,284 g

0, 065 %

XOeligePhase

(8,052 g)

Destillation bei

Normaldruck,dann bei 12 Torr

Keine leicht¬

flüchtigenTeile, Rück¬führung zum

Oel

Schwer¬

flüchtigeAnt eile

Na2C°3 NaOH

Ausschütteln mit 2n Lösungen

HCl

Säuren'

3,714 g

0,189 %

'Phenole'

0,156 g

0, 008 %

"Basen"

1,282 g

0, 065 %

Umsetzen mit Diazomethan

"Säure-"

Ester

3,817 g

"Phenol-

Aethe r

0, 152 g

Neutralteil

1960,0 g

99,673 %

Gruppenverdrängungs- Chromatographie

Gruppe oC

1758,69 g93,529 %

zs

Gruppe ß39,87 g

2,120 %

^Gruppe y75,66 g

4, 024 %

Zerlegung in D e s t illat i on s - F r akt i on e n

R:

2, 354 g

0, 117 %

1,463 g0,072 %

Keine

flüchtigenAnteile

0,624 g

0,031 %

0,658 g

0,034 %

XSesquiterpene

n.1'754 l

D: 0,094 '

1,540 ;R: 0,082 i

42,26 gD: 2,248

33,40 gR:

1,776 %

G a s - chromât ographi s ch e Untersuchung und Auftrennung

Was s e r

Keine isolier

baren leicht¬

flüchtigenAnteile

Schema M.S,

Seite 45

Nicht auf¬

getrennt

Schema M. B

Seite 49

Schema Moc.1

Seite 52

Schema M«.2

Seite 58

Schema Mß.Seite 63

Schema M».

Seite 69

- 23

Prozentuelle Analyse des Mandarinenschalen-Oels

Identifizierte

Substanzen

%

Anteil

(+) - Form

%

Nicht identifi¬

zierte

Substanzen

%

DestiUations-

Rückstande

%

Kohlenwasserstoffe

Monoterpene und

Abkömmlinge

(+)- a -Thujen (III) 0,456 100

(.). o - Pmen (VII) 2,J67 32

Myrcen (XII) 1,189 -

(-)-Camphen (XI) 0,366 38

(+)-ß-Pinen (VIII) 1^278 83

p-Cymol 8,156 -

(+)-Limonen (I) 67,724 96

V -Terpinen (XIII) 9^139 -

Terpinolen (XIV) 0,573 -

Sesquiterpene

(+)-Ylangen 0,008 66

(-)-Caryophyllen 0,022 2

(+)-Longifolen 0,012 91

(+)- Y-Selinen 0,008 74

(-)-a -Seimen 0,017 0

Mindestens 11 nicht

identifizierte Sub¬

stanzen

0,219

Destillations-

Rückstand 2,055

- 24 -

Identifizierte

Substanzen

%

Anteil

(+)-Form

%

Nicht identifi¬

zierte

Substanzen

%

Destinations

Rückstande

%

Alkohole

0,01.6

0,089

0,018

-

Fettalkohole

Heptanol-(l)

Octanol-(l)

Decanol-(l)

Monoterpene und

Abkömmlinge

(-)-Sabinen-hydrat( Form A) (IVA)

(+)-Linalool (IX)

(-)-Sabmen-hydrat(Form B) (IVB)

(+)-Citronellol (X)

Nerol

at a , p-Trimethyl-

benzylalkohol

Geraniol

(-)-Terpinen-4-ol(XV)

(+). a -Terpineol (II)

(±?) -trans-Carveol

(')-cis-Carveol

0,056

0,245

0,11.0

0,025

0,0.52

0,011

0,012

0,110

1,110

0,041

0,022

35

84

33

84

21

74

50?

9

Diverse

Benzylalkohol 0,009.

Mindestens 43 nicht

identifizierte Sub¬

stanzen

0,229

Destillations-

Ruckstand

11,776

- 25 -

Identifizierte

Substanzen

%

Anteil

(+)-Form

%

Nicht identifi -

zierte

Substanzen

%

Destillations-

Rückstände

%

Sauerstoffhaltige

Verbindungen

(ohne Alkokole)

0, 0J35Wasser

Säuren, als Methyl-

ester isoliert

Oenanthsäure

Caprylsäure

Pelargonsäure

(?)-Citronellsäure

Caprinsäure

Undecansäure

Laurinsäure

0,004

0,044

0,013

0,006

0,029

0, 003_

0,006

?

Mindestens 7 nicht

identifizierte Sub¬

stanzen 0,012

Destillations-

Rückstand 0,072

Phenole

Thymol 0,084 -

Destillations-

Rückstand 0,008

Basen

N-Methyl-anthranil-

säure-methylester

0,850 -

Mindestens 3 nicht

identifizierte Sub¬

stanzen 0,003

Destillations-

Rückstand 0,034

- 26 -

Identifizierte

Substanzen

%

Anteil

(+)-Form

%

Nicht identifl -

zierte

Substanzen

%

Destillations-

Rückstande

%

FortsetzungSauerstoffhaltige

Verbindungen

0,002.

0, 00J3

__

Acetate

1-Decylacetat

Geranylacetat

Monoterpenoxide

1,8-Cineol 0,002

Aldehyde

Octanal

Decanal

Undecanal

Dodecanal

(+)-Perilla-aldehyd (VI)

0,0^5

0,038

0,003

0, 00.6

0, 0j>0 93

ein nicht identifizierter

Sesquiterpen-aldehyd0, 137

Ketone

(+)-Carvon (V) 0,0.26 61

Mindestens 26 nicht

identifizierte Substan¬

zen

0, 146

Destillations-

Rückstand0,659

Zusammenfassung

94,65048 identifizierte Sub¬

stanzen

Mindestens 93 nicht

identifizierte Substan¬

zen

0,746

Destillations-

Rückstande4,604

ABSOLUTE KONFIGURATIONEN

(4R)-(+)-Limonen *) (4R)-(+)-o-Terpineol *)36 % 74 %

(4S)-(+)-Carvon *) (4R)-(+)-PerilIa-aldehyd

61 % 92 %

V VI

(lS:5S)-(+)-a-Thujen

100 % (?)

III

(lS:4?:5R)-(-)-Sablnen-hydrat(Form A )

65 %

IV A

(lS:4?:5R)-(-)-Sabüien-hydrat(Form B)

67 %

IV B

(lS:5S)-(-)-a-Pinen *'

68 %

VII

(lR:5R)-(+)-ß-Pinen

83 %

VIII

(3S)-(+)-Llnalool

84%

DC

(3R)-(+)-CItronellol

84»

(lS:4R)-(-)-Camphen *)

62 %

XI

- 27 -

Bemerkungen zur Zusammenstellung "Absolute Konfigurationen"

Die Projektionsformeln zeigen die absoluten Konfigurationen jener isolierten op¬

tisch aktiven Monoterpene, deren "« -Werte bestimmt werden konnten. (Die absolute

Konfiguration von Terpinen-4-ol scheint nicht bekannt zu sein). Die Prozentzahlen be¬

deuten den Anteil des betreffenden Antipoden in der isolierten Substanz Die Bezeich¬

nungen der Verbindungen beziehen sich auf die Konvention von R.S Cahn, CK Ingold

& V. Prelog 16 ) Fur die Numerierung der Monoterpengerüste hielten wir uns an die

IUPAC 1957 Rules 17. ). Die absoluten Konfigurationen der mit *) bezeichneten Ver¬

bindungen wurden den Zusammenstellungen von A.J Birch 18 ), bzw D Angom 19.)

entnommen; die Konfigurationen der übrigen Verbindungen ergeben sich aus den unten

angeführten Beziehungen:

VI : F.W Semmler & B Zaar 20.) reduzierten (-)-Penlla-Aldehyd (HD = -146°)mit Zinkstaub in Eisessig zu (-)-Penlla-alkohol (LalD = -68° 30'), vgl auch 21.). Aus(+)-Limonen (["]n = + 103°) erhielt H Schmidt 21 ) durch Oxydation mit Selendioxydin Aethanol den (+)-Penlla-alkohol (LaJD =+89,7°); somit gehören Limonen, Penl-la-alkohol und Perilla-aldehyd mit gleichem Drehsinn konfigurativ den gleichen Reihen

an (vgl auch 22 )

III, IV A, IV B : T Norm 23.) überführte das (+)-Sabinol ( [

- 28 -

Jen, (+)-Sabinen, (+)-Sabinol, (-)-Sabinaketon, (+)-Sabinen-hydrat [Form À] und

(+)-Sabinen-hydrat [Form BJ an C 1 die gleiche absolute Konfiguration aufweisen. Dierelative Stellung der Hydroxylgruppen in den Sabinen-hydraten scheint noch nicht mit

Sicherheit bewiesen zu sein.

VIII : Bei der Hydrierung des (-)- a -Pinens und des (-)- ß - Pinens mit Platinschwarz

entsteht (-)-cis-Pinan 32.), 33.); das bedeutet, dass die beiden linksdrehenden Pine-

ne an C 1 die gleiche absolute Konfiguration aufweisen. Zum gleichen Resultat gelang¬

ten G. Ohloff & E. Klein 34. ), indem sie zeigten, dass das aus (-)- ß -Pinen durch

alkalische Permanganat-Oxydation gewonnene (+)-Nopinon mittels Methylmagnesium-

bromid in das (-)-trans-Pinanol-2 übergeführt werden kann, welch letzteres auch aus

(-)- a -Pinen zugänglich ist.

IX : Die absolute Konfiguration wurde von R.H. Cornforth et al. 35.) abgeleitet, vgl.

auch 34.).

X_: Y.R. Naves et al. 36. ) überführte das (+)-Citronellal ( [a] v =+15°) durch Re¬

duktion mit Aluminium-butylat in der Kälte in das (+)-Citronellol ( ["] = +5°); die

absolute Konfiguration des Citronellals ist bekannt, vgl. 18.), 19.).

- 29 -

Fortsetzung von Seite 22

durchwegs auf drei Dezimalstellen genau angegeben; die Zahlenwerte, die in den an¬

gegebenen Fehlergrenzen als signifikant gelten können, sind unterstrichen

Das einzige identifizierte Phenol, Thymol, wurde in der Gruppe M ß des Neutral-

teils aufgefunden; es liess sich mit 2n Natronlauge nicht abtrennen. Ebenso wurde die

Hauptmenge (über 90%) der einzigen identifizierten flüchtigen Base, N-Methyl-anthra-

nilsaure-methylester, aus dem Neutralteil isoliert.

Bei den optisch aktiven Substanzen finden sich Angaben über den prozentuellen

Gehalt der rechtsdrehenden Form in der isolierten Substanz. Diese Zahlenwerte wur¬

den mit Hilfe der folgenden Beziehung errechnet:

+ 1

max

[aJ bedeutet das gemessene spezifische Drehvermogen, ra"|D | L > D | max.

der absolute Wert des Drehvermogens der optisch reinen ( + ) - oder ( - ) - Form

(Literaturwert).

( + ) - Form 50LJ D

Wd

- 30 -

2 2. Gruppierung der identifizierten Verbindungen

Die 48 im Oel identifizierten flüchtigen Verbindungen (94, 65% des Oels; 99, 2 %

der flüchtigen Anteile) lassen sich in drei Gruppen einteilen:

Anzahl Verbindungen Prozent des Oels

1.) Paraffin-Abkömmlinge 14 (14) 0,33

2 ) Terpene und Terpenoide 31 (30) 93, 39

3.) Diverse 3 (3) 0,93

48 (47) 94,65

In Klammern wurden jene Zahlen gesetzt, die sich errechnen, wenn die Ester De -

cyl- und Geranyl-acetat nicht als selbständige Verbindungen sondern als Decanol-(l),

Geramol und Essigsaure aufgeführt werden

2.2 1. Paraffin-Abkömmlinge

Die Paraffin-Abkömmlinge sind im Oel auf drei Oxydations stufen mengenmassig

etwa gleich verteilt enthalten:

Fettsauren (C rj, C „, Cg, Cin. C^, C,„; zusammen 0, 10%)

n-Aldehyde (C ß,C

., Cu, C.,; zusammen 0,08%)

n-Alkohole (C , C , C , zusammen 0,14 %)

In den analytischen Gas-Chromatogrammen wurden Pike gefunden, deren Reten-

tionsindices mit denen der fehlenden und auch mit denen der niedrigeren und höheren

Gliedern der identifizierten Homologen korrespondierten, doch konnten die zugehöri -

gen Substanzen nicht in zur Identifizierung ausreichender Menge isoliert werden Die

Mengenanteile der identifizierten Verbindungen sind in Figur 14 m Funktion der C-An¬

zahl graphisch dargestellt.

Von den der Figur 14 zu Grunde liegenden Prozentzahlen nehmen die der Sauren

betreffend der Genauigkeit eine Desondere Stellung ein Die durch Ausziehen mit So¬

dalosung gewonnenen sauren Anteile enthielten nämlich neben den Fettsauren keine

anderen Komponenten in nennenswerter Menge, hingegen mussten die n-Aldehyde und

die n-Alkohole neben mengenmassig überwiegenden Terpenen als Spurenkomponenten

nachgewiesen werden Dies erklart auch die Vollständigkeit der Analyse der Sauren:

von Cf bis C., konnten alle Homologen in ausreichender Menge isoliert werden

Die Figur 14 veranschaulicht zwei charakteristische Merkmale der mengenmas¬

sigen Verteilung der Paraffin-Abkömmlinge: einerseits, dass die Kettenlange Co und

Cjg am stärksten vertreten ist; andrerseits, dass die Homologen gerader C-Anzahl

über diejenigen ungerader C-Anzahl überwiegen. Die etwas unvollständige Analyse der

Fig. 14

1 „ S- 6" <

Tl t-H

a >ï O .H J3u

- 31 -

Aldehyde und der Alkohole zeigt, dass die Verteilung dieser homologen Reihen jener

der Sauren parallel geht.

2 2 2. Terpene und Terpenoide

Die weit überwiegende Menge dieser Substanzklasse bilden die Monoterpene.

Terpene und Terpenoide

93,40% (30)

Monoterpene

93,33% (25)

Sesquiterpene

0, 07% (5)

Kohlenwasserstoffe

91,35% (9)

Sauerstoffhaltige

Verbindungen

1,98% (16)

Die identifizierten Sesquiterpene sind ausnahmslos C.-H -Kohlenwasserstoffe, die

Hauptkomponente ist (-)-Caryophyllen Diese Substanz scheint in Bezug auf die Ver¬

breitung unter den Citrus-Sesquiterpenen eine analoge Stellung einzunehmen wie das

(+)-Limonen unter den Citrus-Monoterpenen

Die im Oel aufgefundenen Monoterpene gehören vier formellen Oxydations-Stufen

an. Wir wollen die Oxydations-Stufe der C nH _ -Kohlenwasserstoffe als die n-(nor-

male)-Oxydations-Stufe bezeichnen. Die Bruttoformeln der verschiedenen Oxydations-

Stufen ergeben sich dann wie folgt:

Kohlenwasserstoffe

Alkohole, Aether, Ketone etc

Diole, Oxydo-Alkohole etc.

Die Alkohole einer gegebenen Oxydations-Stufe können formell als Hydratationsproduk¬

te der Kohlenwasserstoffe gleicher Oxydations-Stufe aufgefasst werden.

(-1) n (+1) (+2)

C10H18 C10H16 C10H14 C10H12

C10H20° C10H18° C10H16° C10H!4O

C,„H O10 22 2 C10H20°2 C

H O10 18 2 C10H16°2

- 32 -

Die Verteilung der identifizierten Monoterpene und Monoterpenoide auf die ver¬

schiedenen Oxydations-Stufen zeigt die folgende Tabelle:

(-1) n (+1) (+2) Total

Kohlenwasserstoffe - 83,19

(8)8,16

(1)

- 91,35

0)

Sauerstoffhaltige Ver¬

bindungen: Alkohole,

Oxide, Ketone, Aldehyde,Phenole

0,03

(1)1,70

(8)

0,06

(2)0, 19

(4)

1,98

(15)

Total 0,03

(1)84,89

(16)

8,22

(3)0,19

(4)

93,33

(24)

90% der Monoterpene gehören der n-Oxydations-Stufe an Die zweitwichtigste Oxyda¬

tions-Stufe der Monoterpen-Kohlenwasserstoffe ist die erste, dagegen die der sauer¬

stoffhaltigen Verbindungen die zweite, bei denen interessanterweise die erste Oxyda¬

tions-Stufe praktisch fehlt Die erste Oxydations-Stufe der Kohlenwasserstoffe ist

durch eine einzige aufgefundene Substanz, p-Cymol, vertreten Diese Verbindung

kann aus verschiedenen Monoterpen-Kohlenwasserstoffen der n-Oxydations-Stufe durch

Dehydrierung entstehen, der Gehalt an p-Cymol wachst auch beim Lagern der Citrus-

Oele an 37.)

Als die drei charakteristischen Gruppen können also: 1 die n- Oxydations - Stufe

der Kohlenwasserstoffe, 2 die n-Oxydations-Stufe der sauerstoffhaltigen Verbindun-

gen, schliesslich 3. die zweite Oxydations-Stufe der sauerstoffhaltigen Verbindungen

angesehen werden

formelle Hydratation formelle Oxydation mit O,

Die Verbindungen der Gruppe 2 sind fast ausnahmslos Alkohole, die sich aus Kohlen¬

wasserstoffen der Gruppe 1 formell durch Hydratation ableiten lassen.

- 33 -

""'H

HO HO CH„

und

IV A IV B

XII

OH

und/oder

XIII XIV

Dass diese Verwandtschaft nicht nur formeller Natur ist, geht aus dem Vergleich der

absoluten Konfigurationen der Verbindungen I mit II und III mit IV A, bzw. IV B hervor.

Die formelle Oxydation der Hauptkomponente der Gruppe 1, (+)-Limonen (I)

V VI

mit Sauerstoff führt zu den beiden optisch aktiven Verbindungen der Gruppe 3: (+)-Car-

von (V) und (+)-Perilla-aldehyd (VI), deren absolute Konfiguration am entsprechenden

C-Atom mit jener des (+)-Limonens übereinstimmt. Die formelle Oxydation könnte

auch dem reellen Synthesenweg in der sonnenbelichteten Schale- mit Luftsauerstoff ent¬

sprechen.

°21 - * 3

Gegen die Bildung der Verbindungen der Gruppe 3 durch stufenweise Oxydation der Grup¬

pe 1 (d.h. Kohlenwasserstoff ——». Alkohol —»• Keton/Aldehyd) spricht, dass racemi-

sche Carveole gefunden wurden, und dass Perillaalkohol nicht nachgewiesen werden konn¬

te.

Um die konfigurativen Vergleiche abzuschliessen, sei auf eine Anomalie hingewie¬

sen, nämlich, dass (-)- a -Pinen (VII) in diesem Oel von (+)- ß-Pinen (VIII) begleitet

wird.

- 34 -

è "° èVII VIII

2. 2. 3. Diverse Verbindungen

Unter dieser Kategorie figurieren zwei Verbindungen, der N-Methylanthranilsäu-

re-methylester und der Benzylalkohol; beide könnten Abbauprodukte von Monoterpe-

nen sein,

2.3. Geruch und charakteristische Verbindungen des Oels

Der typische Geruch der Mandarinen wird durch ein Gemisch der angeführten:

a) Paraffin-Abkömmlinge, b) sauerstoffhaltigen Terpene (und Terpenoide) und c) Di¬

verse nahezu naturgetreu wiedergegeben. Keine dieser Verbindungen ist der alleini¬

ge Träger des Geruchs, doch werden bereits durch Mischen von N-Methyl-anthranil-

säure-methylester mit Thymol im geeigneten Verhältnis Nuancen erzielt, die an den

Geruch der Mandarine erinnern.

Unbekannte Verbindungen kommen im Oel nicht in nennenswerter Menge vor. Ver¬

hältnismässig selten wurden die beiden Sabinen-hydrate 30.), 38.) und der a , ",

p-Trimethyl-benzylalkohol 39.) aus natürlichen Quellen isoliert. Diese Tatsache könnte

zum Teil auf die Unbeständigkeit dieser Alkohole gegen Säuren bei erhöhter Tempera¬

tur zurückzuführen sein. Im Gegensatz zu anderen Citrus-Oelen scheint für das Man-

darinenschalen-Oel die Präsenz von 'a -Thujen typisch zu sein.

- 35 -

3. SPEZIELLE EXPERIMENTELLE METHODEN

Die Abtrennung der sauren und basischen Anteile und die verschiedenen Destilla¬

tionen erfolgten in der allgemein Üblichen Weise und werden deshalb nicht naher be¬

sprochen. Da bei der Gruppenverdrangungs-Chromatographie eine von der gewohnli¬

chen Arbeitsmethodik abweichende Praxis zur Anwendung gelangte, soll im Folgenden

(3.1.) der experimentelle Verlauf eines typischen Gruppenverdrangungs-Chromato-

gramms ausführlich beschrieben werden.

Weiterhin wird unter 3 2 die Trennmethodik der praparativen Gas-Chromatogra¬

phie, wie sie unter 12 2 dargelegt wurde, an einem praktischen Beispiel erläutert.

3.1. Gruppenverdrängungs - Chromatographie

3 10 Allgemeines

Bei der Verdrangungs-Chromatographie, wie sie zur Vortrennung des Neutral¬

teils ätherischer Oele angewendet wird*), zerlegt man das auf der Trennsaule adsor¬

bierte Gemisch mit Hilfe zweier Losungsmittel (den sog. Verdràngern) stark verschie¬

dener Elutionswirkung (z. B. Pentan, Hexan, Petrolàther etc. /Methanol, Aethanol,

Aethylacetat etc ) in zwei Gruppen; das erste Losungsmittel enthalt die Kohlenwasser¬

stoffe, das zweite alle übrigen Verbindungen Wir versuchten nun, den Neutralteil

durch die Verwendung eines zusätzlichen Verdrangers weiter zu unterteilen Dies ge¬

lang durch den Einsatz von Chlorpropan-(l) als zweitem Verdranger, das nicht star¬

ker als alle, sondern nur starker als gewisse im Gemisch enthaltene Verbindungs-

gruppen adsorbiert wird Es zeigte sich, dass dieses Losungsmittel die Alkohole eines

Gemisches kaum eluiert; diese werden erst mit Methanol aus der Säule verdrangt.

Zur Ermittlung der experimentellen Bedingungen chromatographierte man in Vor¬

versuchen em Gemisch, bestehend aus drei typischen Oel-Bestandteilen: Limonen, De¬

canal und Citronellol; als Verdranger wurden Pentan, Chlorpropan-(l) und Methanol

verwendet Der Elutionsverlauf wurde durch Messung der Brechungsindices der Frak¬

tionen verfolgt. Bei den ersten Versuchen wurde das als Adsorbens verwendete Sihca-

Gel in Pentan aufgeschlammt in die Saule eingebracht, das zu trennende Gemisch in

wenig Pentan gelost aufgezogen und dann absteigend eluiert. Bei dieser Arbeitsweise

zeigte es sich, dass der Uebergang zwischen Pentan und Chlorpropan-(l) in Form

einer breiten, mehrere Fraktionen umfassenden Zone erfolgte (langsamer stetiger An¬

stieg der Brechungsindices), wahrend zwischen Chlorpropan-(l) und Methanol eine

scharfe Front auftrat Aus diesem Befund schlössen wir, dass sich dann eine scharfe

*) vgl z.B 1.), 2.), 40 ), 15 )

- 36 -

Front ausbildet, wenn der Eluent mit der höheren Dichte sich in der Saule unter dem

spezifisch leichteren befindet Chromatogramme, die in der Folge in aufsteigender

Richtung durchgeführt wurden, bestätigten diese Vermutung: Der scharfe Uebergang

trat nun zwischen Pentan und Chlorpropan-(l) auf, wahrend zwischen Chlorpropan-(l)

und Methanol eine breite Uebergangszone festgestellt wurde Daraufhin konstruierten

wir eine drehbare Saule, welche gestattete, die Stromungsrichtungen wahrend eines

Chromatogrammes so zu wählen, dass sich die spezifisch schwerere Flüssigkeit im¬

mer unter der leichteren befand Es ergab sich also folgender Verlauf:

1. Aufsteigendes Aufziehen des Oels (d,Q *» 0, 8 g/cm ) auf die trockene Saule

2. Absteigendes Verdrangen der Gruppe a mit Pentan (d„g = 0,626 g/cm^)

3. Aufsteigendes Verdrangen der Gruppe ß mit Chlorpropan-(l) (d„n = 0,890 g/cm^)

4 Absteigendes Verdrangen der Gruppe y mit Methanol (d20 = 0, 793 g/cm'')

Die drei Testsubstanzen wurden bei dieser Arbeitsweise sauber getrennt, Limonen er¬

schien in der Gruppe a , Decanal in der Gruppe ß und Citronellol in der Gruppe y ;

die Verdrängung erfolgte mit der Losungsmittelfront, man erhielt konzentrierte Losun¬

gen. Bei der Aufteilung des Mandarinenschalen-Oel-Neutralteils mit Hilfe dieser Grup-

penverdrangungs-Chromatographie erzielten wir befriedigende Trennungen zwischen

den Gruppen, doch erschienen einige Vertreter der Gruppe " (Limonen [Hauptkompo-nente 1, p-Cymolund Terpinolen) in geringer Menge auch in der Gruppe ß , und einige,

der Gruppe ß zugehörige Substanzen in Spuren auch in der Gruppe Y (Carvon, Perilla-

aldehyd, 1,8-Cineol)

Sauregewaschener Celite, den wir als Tragermaterial fur unsere gas-chromato-

graphischen Trennsaulen verwenden, zeigt bei den Apiezon-L-Kolonnen eine gewisse

katalytische Aktivität, die sich durch Dehydratisierung empfindlicher Alkohole äussert;

bei dem mit Emulphor-0 (einem Polyather) belegten Kolonnenmaterial wurden keine

solchen Zersetzungen beobachtet, was durch die Blockierung der "sauren" Zentren

des Celites durch die Polyather-Molekule erklart werden kann Um nun der Zerset¬

zung labiler Verbindungen ah dem bei der Gruppenverdrangung als Adsorbens ver¬

wendeten Silica-Gel vorzubeugen, imprägnierten wir dieses mit Emulphor-0. Das so

vorbehandelte Adsorbens erwies sich in der Folge bei fast unveränderter Adsorp¬

tions-Charakteristik katalytisch als inaktiv, es wurden keinerlei Zersetzungs- oder

Umlagerungs-Reaktionen beobachtet.

Fig. 15

Legende

1 Chromatographie-Säule

2 Vorrats-Gefäss

3,4,5,6 Glashahnen

7 Fraktionen-Bürette

8 Kugelschliffe

§

- 37 -

3 11 Beispiel eines Gruppenverdrangungs-Chromatogramms

3 111 Vorbereitung des Adsorbens

AlsAdsorbens wurde Silica-Gel*) verwendet, das durch Einblasen von Luft ent -

staubt worden war 4000 g des so behandelten Adsorbens wurden in einem Becherglas

mit 8 Litern Methanol aufgeschlammt, unter kraftigem Rühren wurde eine Lösung von

48 g Emulphor-0 in 200 ml Methanol zugemischt Nach einer Stunde wurde das Silica-

Gel auf einer Nutsche vom Methanol getrennt und portionenweise mit insgesamt 4 Li¬

tern Methanol gewaschen Das Adsorbens wurde dann im Vacuum-Trockenschrank bei

125° wahrend 12 Stunden (12 Torr) getrocknet; das Filtrat und die Waschflüssigkeit

wurden destilliert: 19, 2 g Destillations-Ruckstand, daraus ergibt sich eine durch¬

schnittliche Belegung des Silica-Gels mit Emulphor-0 von 0, 7%

3 1 1.2 Durchfuhrung des Chromatogramms (Vergleiche Fig 15)

Zur Befestigung des Chromatographier-Rohres wurde eine Stativ-Konstruktion

verwendet**), die es erlaubte, das Rohr um eine Querachse zu drehen; das Vorrats-

gefass (^2jund die Bürette [Ï] am Ausfluss des Rohres waren durch Kugelschliffe der¬

art mit dem Chromatographier-Rohr verbunden, dass sie beim Drehen des Rohres

immer in aufrechter Stellung stehen blieben Diese Einrichtung gestattete es, wahlwei¬

se auf-oder absteigend zu chromatographleren

Das unten verjungte, mit Kühlmantel versehene Chromatographler-Rohr [l] wurde

unter Klopfen mit 365 g des desaktivierten Adsorbens gefüllt und dieses mit einem

Pfropfen Glaswatte fixiert Nachdem das Rohr wahrend 12 Stunden bei 0, 01 Torr

evacuiert worden war (Hahn [3] geschlossen, Vacuum-Anschluss bei [4]), füllte man

in das Vorratsgefass 602 g des gelbfarbigen Neutralteils ein, entfernte nach Schlies-

sen des Hahns [4] den Vacuum-Anschluss und drehte das Rohr um 180° (verdickter

Teil unten) Der Hahn [3] wurde nun vorsichtig geöffnet, worauf das Oel langsam von

unten ins Rohr einströmte (Steiggeschwindigkeit im dicken Rohrteil ca. 1 cm/min )

Zur Vermeidung einer Ueberhitzung durch freiwerdende Adsorptions-Energie wurde

durch den Mantel des Rohres ein Strom kalter Luft geleitet. Im untersten Teil des

Rohres entstand wahrend der Füllung eine ca 4-5 cm hohe intensiv gelbgefarbte Zone;

darüber war die Saule farblos Nachdem das Rohr vollständig mit Oel gefüllt war (Dau¬

er des Fullvorganges ca zwei Stunden), wurde der Hahn [3] geschlossen Im Vorrats¬

gefass waren noch etwa 100 ml Oel verblieben Die Saule wurde nun um 180° gedreht,

*) Firma Bender & Hobein, Zürich; Silica-Gel fur Chromatographie, Korngrosse:0,15mm

**) Ich danke Herrn Dr E Palluy (Firma Firmenich & Cie., Genf) für die Konstruk¬

tion des Stativs

- 38 -

das Vorratsgefass bei £6] unter einen Stickstoff-Druck von ca. 0, 2 atü gesetzt (Hahn [6]

offen, Hahn [5] geschlossen) und durch Oeffnen des Hahns [i] das Chromatogramm in

Gang gebracht. Zur Entnahme und Messung der Fraktionen (10 - 50 ml) diente die am

Ausfluss des Rohres angebrachte Bürette [7] Von jeder Fraktion wurde der Brechungs¬

index gemessen Die Ausflussgeschwindigkeit wurde mittels des Stickstoff-Druckes

im Vorratsgefass auf ca. 5 ml/mm. einreguliert. Nachdem das Oelmveau im Vorrats-

gefass bis zum Hahn abgesunken war, wurde der Hahn [4] geschlossen, die Stickstoff¬

zufuhr unterbrochen und ms Vorratsgefass 650 ml Pentan eingefüllt; dann wurde wei¬

ter chromatographiert. In der gleichen Weise wurde nach dem Pentan 650 ml Chlor-

propan-(I) und nach diesem 1700 ml Methanol nachgefüllt, wobei mit Chlorpropan-(l)

aufsteigend und mit Methanol absteigend chromatographiert wurde Die verwendeten

Verdrängermengen wurden so gewählt, dass am Ende einer Elutionspenode der Bre¬

chungsindex des Eluenten jenen des reinen Losungsmittels annähernd erreichte In Fi¬

gur 16 ist der Verlauf der Elution graphisch dargestellt

Fig. 16

1 4800

1 4600

1 4000

1 3800

§ !Chlorpropan (1) Methanol

il Chlorpropan (1)

Fraktionen In ml

Infolge dieser Arbeitsweise erschienen die Kohlenwasserstoffe (Gruppe a ), die den

Hauptanteil dieses Oels ausmachen, zu Beginn des Chromatogramms in unverdünnter

Form am Kolonnenausgang (Fraktion 1-9). Die losungsmittelhaltigen Fraktionen wur¬

den innerhalb der Gruppen («' ß f) vereinigt und unter Verwendung eines Vigreux-

Aufsatzes auf dem Wasserbade bei Normaldruck vom Losungsmittel getrennt Die vom

Losungsmittel befreite Gruppe o' wurde der Gruppe a zugegeben

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- 40 -

3 2. Pràparativ gas-chromatische Auftrennung

3.2 1. Apparatur

Der fur die Trennungen verwendete Gas-Chromatograph*) arbeitet mit Stickstoff

als Trägergas und ist mit einem /S-Strahlen-Iomsations-Differential-Detektor (Strah¬

lungsquelle*

Sr, 40 mC) ausgerüstet, dessen Signal verstärkt und mit einem Leeds

& Northrup Linienschreiber aufgezeichnet wird. Der Kolonnen-Thermostat besteht

aus einem Aluminium-Block (Arbeitsbereich 20-300°, Temperaturkonstanz t 0,2°),

der die spiralförmigen Trennsaulen enthalt. Die Dosierung des zu trennenden Ge¬

misches erfolgt manuell vermittels einer Injektions-Spritze durch eine Serum-Gummi-

kappe in den Verdampfer am Saulenanfang; der Verdampfer hat die Temperatur des

Kolonnenthermostaten und wird nicht separat beheizt. Zur Fraktionsentnahme am De¬

tektor-Ausgang dienen rotierende Kuhlvorlagen aus Glas 42 ) (Temperatur ca. -20°),

die sich fur die Kondensation von Aerosolen, welche beim Gas-Chromatographieren

von Monoterpenen beim Austritt der heissen Dampfe aus der Apparatur hàufig auftre¬

ten, gut bewahrt haben

*) vgl. 41.), modifizierte Apparatur

- 41 -

3.2.2. Isolierung der "apolar"-reinen Komponente M".1.B

Arbeitstemperatur : 170, 2°

Trennsäule : Pyrex-Glas, Länge = 220 cm, i. p = 1,5 cm

Füllung : Apiezon-L auf Celite (Korngrösse 300 - 400 C ,imprägniert mit 2% Soda); Gewichtsverhältnis 40 : 60

Aufgetrennt wurde die Destillations-Fraktion 4 der Gruppe Ma . 1. Zur Isolierung

der Komponente Mi.l.A« war daraus vorgängig die Komponente A an Apiezon-L

grob abgetrennt worden. Die Figur 17 zeigt das Schreiberdiagramm der Auftrennung;

die Punkte deuten die Fraktionswechsel an.

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0, 7 ml des Gemisches wurden in eine 1 ml fassende, mit einer 10 cm langen Hohlnadel

(p ca. 1 mm) versehene Injektions-Spritze eingesaugt und bei einem Trägergas-Strom

von 20 ml/min. langsam und stetig in die Apparatur eingespritzt. Nach etwa zwei Mi¬

nuten wurde der Stickstoff-Strom auf 175 ml/min. erhöht und der Fraktions-Sammler

in Betrieb gesetzt (zur Vermeidung von Geruchsbelästigungen durch leichtflüchtige

Spurenkomponenten) ; die vorgelegte Kühlfalle V_ diente zum Auffangen der zu verwer¬

fenden Fraktionen. Nach ca. 20 Minuten erschien der erste Pik. Die Fraktionen A,

B_ und C_ wurden wie in der Figur angedeutet entnommen. Zwischen A und B, bzw. B

und C wurde die Zwischenfraktion (0, 2 ml) aufgefangen, die mit der nächsten Charge

Ausgangsmaterial (0, 5 ml) nach der oben beschriebenen Weise wiederum in die Ap¬

paratur eingespritzt und in gleicher Weise in Fraktionen zerlegt wurde. In insgesamt

24 Chargen trennte man 10, 5 g des Gemisches; die Zwischenfraktion Z des letzten

Durchschubes wurde verworfen. Man erhielt : 973 mg der Fraktion A, die zu dem aus

den tieferen Destillations-Fraktionen erhaltenen A-haltigen Gemisch gegeben wurde;

6831 mg der Fraktion B, die am analytischen Gas-Chromatographen 43. ) untersucht

- 42 -

wurde; 185 mg der Fraktion C, die der Destillations-Fraktion 5 zugeführt wurde. Ge¬

samtausbeute: 78%

Das analytische Gas-Chromatogramm der Fraktion B zeigte an Apiezon-L nur

einen Pik, der mit ca 2% der Komponente A verunreinigt war; auf die Abtrennung

dieser Verunreinigung an Apiezon-L wurde verzichtet. An Emulphor-0 zerfiel B in

zwei ungefähr gleich grosse, ziemlich gut getrennte Pike : a -Pinen ( I j<

und Myrcen (lfg0 = 1105)190

1040)

3.2.3 Isolierung der Substanzen Ma.l Ba und Ma . 1. Bß »>

Arbeitstemperatur

Trennsàule

Füllung

160,5°

Pyrex-Glas, Lange = 220 cm, i. fi = 1,5 cm

Emulphor-0 auf Celite (Korngrösse 300 - 400/» ),Gewichtsverhaltms 40 : 60

In der oben beschriebenen Weise wurden 0, 6 ml der Fraktion B eingespritzt. Fi¬

gur 18 zeigt das Eluogramm der Fraktion M«. l.B an Emulphor-0. Das Gemisch wur¬

de, wie in der Figur angedeutet, in vier Fraktionen geteilt, von denen V verworfen

und Zl (0,15 ml) jeweils mit 0, 45 ml der Fraktion B_ wieder eingespritzt wurde. Das

Einfuhren der nächsten Charge erfolgte nach dem Wechsel zwischen ß und Z. Auf die¬

se Weise wurde die Gesamtmenge von B in insgesamt 16 Durchschüben aufgetrennt.

Die letzte Zwischenfraktion wurde verworfen (122 mg) Im Gesamten isolierte man 104

mg V, das verworfen wurde; 2787 mg a und 2491 mg ß (Gesamtausbeute: 80,5%) Die

Fraktion a zeigte bei der Reinheitsprufung an beiden Stationaren Phasen nur gering¬

fügige Verunreinigungen (weniger als 1%); sie wurde nicht weiter gereinigt. Die Frak¬

tion ß enthielt noch ca 5% der Komponente Ba, die m einer Nachreinigung an Emul¬

phor-0 abgetrennt wurde.

Fig. 18

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- 43 -

3.2.4. Nachreinigung der Substanz Ma l.B ß°>

Arbeitsbedingungen wie unter 3.2.3.; erste Charge 0, 5 ml der Fraktion ß . Die

Fraktions-Wechsel sind aus der Figur 19 ersichtlich. Die neue Probenaufgabe (0,15

ml Z + 0, 35 ml ß ) erfolgte nach dem Wechsel zwischen P' und Z; insgesamt 8

Chargen. Die letzte Zwischenfraktion wurde verworfen. Man erhielt 1372 mg der

Fraktion ß', die übrigen Fraktionen wurden nicht weiter aufgearbeitet, da von Bo

eine ausreichende Menge zur Verfügung stand und in V und Z keine anderen Kompo¬

nenten als Bf und Bfw enthalten waren (Kontrolle am analytischen Gas-Chromato¬

graphen). Gesamtausbeute: 65%. P' erwies sich bei der Reinheitsprüfung als einheit¬

lich (ca. 0, 5%M«.l.Ba).

Fig. 19

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1 1 1 M 'V V

- 44 -

4. EXPERIMENTELLER TEIL

4 1 Vortrennung des Oels

4 1.1. Abtrennung der leichtfluchtigen Teile (Destillation)

5 kg Mandarinenschalen-Oel wurden auf dem Wasserbade bei 0, 3 Torr zum Sieden

erhitzt. Nach 15 Minuten wurde die Destillation abgebrochen; in den zwei als Vorlagen

dienenden Kuhlspiralen (-80°) fand man 23, 34 g Destillat, das sich in zwei Schichten

trennte. Nach Zugabe von 1 g Kaliumcarbonat wurde der wassrige Teil abgetrennt :

4, 21 g - 1,00 g= 3, 21 g wassrige Phase, 20,13 g ölige Phase. Letztere wurde in

einem Vigreuxkolben destilliert; bei Normaldruck (Badtemperatur bis 100°) erhielt

man kein Destillat. Bei 12 Torr destillierten einige ml über (Siedebereich 35 - 50°);

das analytische Gas-Chromatogramm zeigte, dass keine leichtfluchtigen Komponenten

m isolierbaren Mengen dann enthalten waren (erste fassbare Komponente: I,„n

=933 :

a -Thujen), ebenso wurden gas-chromatographisch in der wassrigen Phase ausser Was¬

ser keine isolierbaren Substanzen festgestellt. In der Folge wurden die leichtflüchti¬

gen Teile (ohne Wasser) wieder dem Oel zugeführt.

4.1.2. Abtrennung der sauren und basischen Anteile (Ausschütteln)

Die hier beschriebenen Operationen wurden rasch unter Zusatz von Eis durchge¬

führt.

"Sauren" : 1996, 7 g des aus der vorangehenden Operation gewonnenen Oels wurden

dreimal mit je 100 ml 2n Sodalosung ausgeschüttelt. Den wassrigen Teil säuerte man

mit 5n Salzsaure auf pH= 1 an und extrahierte dreimal mit 200 ml Methylenchlorid/

Chloroform (1:1)= 3, 71 g saure Anteile

"Phenole" : In gleicher Weise wurde das Oel dann mit drei Portionen (je 100 ml) 2n

Natronlauge ausgeschüttelt; da Emulsionen auftraten wurden ca 2 Liter Aether zuge¬

setzt. Die Extraktion der angesäuerten wassrigen Phase mit Methylenchlorid/Chloro¬

form lieferte 0,16 g eines dunkelbraunen Oels.

"Basen" : Zur Abtrennung der basischen Anteile wurde die ätherische Oellosung

anschliessend mit je 100 ml 2n Salzsaure dreimal ausgeschüttelt und dann mit destil¬

liertem Wasser und gesättigter Kochsalzlosung neutral gewaschen. Aus der salzsau¬

ren Phase, die mit 5n Natronlauge auf pj, f 10 eingestellt worden war, erhielt man

durch Extraktion mit Methylenchlorid/Chloroform 1, 28 g basische Anteile.

Die Isolierung des Neutralteils nahm ca 8 Stunden in Anspruch Die Abtrennung der

Losungsmittel erfolgte auf dem Wasserbade unter Verwendung von Vigreux-Kolonnen

- 45 -

4.13 Auftrennung des Neutralteils (Gruppenverdrangungs-Chromatographie)

Nach dem Abdestillieren des Aethers auf dem Wasserbade (Normaldruck) unter

Verwendung von zwei Vigreux-