Naturstoffe der chemischen Industrie

571 Pages·2006·91.119 MB·German

by  Bernd Schäfer

Bernd Schäfer
Naturstoffe der
chemischen Industrie
Naturstoffe der chemischen Industrie
Für
Katrin, Anselm,
Heike, Clara und Miriam
Bernd Schäfer
Naturstoffe der
chemischen Industrie
Bernd Schäfer
Dierbach, Deutschland
ISBN 978-3-8274-1614-8 (Hardcover) ISBN 978-3-662-61017-6 (eBook)
ISBN 978-3-662-61016-9 (Softcover)
https://doi.org/10.1007/978-3-662-61017-6
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Vorwort
Natu¨rlich mu¨ssen Sie dieses Buch nicht lesen. Es handelt sich nicht um ein
Lehrbuch im herko¨mmlichen Sinn, noch weniger um ein Nachschlagewerk,
das man unbedingt zum Studium braucht. Viele Studierende vor Ihnen haben
ihreUniversita¨tslaufbahnohnediesesBucherfolgreichabgeschlossenundviele
andere werden ihr Studium bewa¨ltigen, ohne sich mit den „Naturstoffen der
chemischen Industrie“ zu bescha¨ftigen.
Dennochhoffeich,dassSiediesesBuchlesenwerden.EsbietetIhneneinen
einzigartigenEinblickineinenBereichderindustriellenorganischenChemie,
dersichmitkomplexenMoleku¨lenbescha¨ftigt.Naturstoffestellenhierbeinur
einena¨ußerenRahmendar.Vielesla¨sstsichuneingeschra¨nktundmu¨helosetwa
auchaufPflanzenschutz-undPharmawirkstoffeu¨bertragen,diesichnichtvon
Naturstoffen ableiten.
„Naturstoffe der chemischen Industrie“ basiert auf einer Wintersemester-
VorlesunganderUniversita¨tHeidelberg,dieseitfu¨nfJahrenaufnachhaltiges
Interessedortsto¨ßt.DieswarderAnlassfu¨rmich,dieThematikeinembreiteren
Publikumzuga¨nglichzumachen.DasBuchsolleineOrientierungshilfefu¨rden
Berufsanfa¨ngersein.MancheAnekdotedarinwirdnichtnurnettzulesensein,
sondernberu¨hrteineFragestellung,mitdereinjungerChemikerinderIndustrie
in der Praxis rasch konfrontiert wird.
EsgehtumdieHerstellung„gro¨ßererMengen“komplexerMoleku¨le(asym-
metrischer und heterocyclischer Verbindungen, polycyclischer Strukturen,
Makrocyclen und kleiner Ringe). Viele Kapitel beleuchten auch den histori-
schen und gesellschaftlichen Hintergrund, der zur Nutzung des Naturstoffs
fu¨hrte, seine biologische Wirkung und seine Entdeckungsgeschichte. Ein
besondererSchwerpunktliegtnatu¨rlichbeiderSyntheseentwicklung.DerBio-
synthesesteheninderRegelku¨nstlicheSynthesewegegegenu¨berundoftgeht
esheutedarum,dieVor-undNachteile,diedieseunterschiedlichenWegemit
sich bringen, gegeneinander abzuwa¨gen. Es geht also auch um A¨sthetik und
Eleganz in der Chemie.
DiemeistenReaktionsschematasindfarbiggestaltet,wasIhnendasLesen
erleichtern soll. Mu¨helos ko¨nnen Sie im Endprodukt die Synthesebausteine
erkennen.AusderFarbederBindungenlassensichjedochnichtimmerRu¨ck-
schlu¨sseaufdenReaktionsmechanismusziehen.DieseristinmanchenFa¨llen
außerordentlichkomplex,sodassichhierzugrundsa¨tzlichaufdiePrima¨rlitera-
tur verweisen mo¨chte.
Das Buch entha¨lt im Vergleich zu vielen anderen Lehrbu¨chern zahlreiche
meist vierfarbige Bilder. Hierauf habe ich bei der Konzeption des Buches
VI Vorwort
großenWertgelegt.ZumeinenillustrierensiedieHerkunftundAnwendungder
Naturstoffe,zumanderensollensieaberaucheindidaktischesHilfsmittelzur
Auflockerung der zum Teil anspruchsvollen Thematik sein.
EsistmireinwichtigesAnliegen,michbeieinerReihevonKollegenfu¨rdie
MithilfebeiderEntstehungdiesesBucheszubedanken.OhneihrEngagement
undihrefundierteSachkenntniswa¨rediesesWerknichtdasgeworden,wases
ist.MeinherzlicherDankfu¨rvielewertvolleAnregungenundVerbesserungs-
vorschla¨ge gilt Herrn Dr. H. Reichelt (BASF), Herrn Dr. C. Marschner und
Herrn Dr. A.-J. Schmidt (DyStar), Herrn Dr. C. Fehr (Firmenich), Herrn Dr.
H.Jaedicke,HerrnDr.B.CooperundHerrnProf.Dr.B.Hauer(BASF),Herrn
Dr. B. Janssen (Abbott), Herrn Dr. H.-H. Lenz (BASF), Herrn Dr. R. Wyrwa
(Jenapharm),HerrnDr.B.Buchmann(Schering),HerrnDr.K.Meyer(fru¨her
Hoffmann-LaRoche),HerrnDr.A.Krebs(BASF),HerrnDr.U.Schirmer(fru¨-
her BASF) und Herrn Dr. O. Vostrowsky (Universita¨t Erlangen).
Bei Herrn F. Wigger und Frau M. Mechler von Elsevier/Spektrum Akade-
mischerVerlagbedankeichmichherzlichfu¨rdieangenehmeundfreundschaft-
liche Zusammenarbeit. Herr Wigger hat von Anfang an die Konzeption des
Buches unterstu¨tzt und den Entwicklungsprozess durch manche Ho¨hen und
Tiefenkonstruktivbegleitet.FrauMechlerdankeichfu¨rdiesorgfa¨ltigeDurch-
sicht des Manuskripts und die stundenlangen Telefonate, bei denen wir so
manche sprachliche Unebenheit beseitigten.
Mein besonderer Dank gilt auch all denjenigen, die mir hervorragendes
Bildmaterialzumu¨berwiegendenTeilkostenloszurVerfu¨gunggestellthaben.
Ich habe mich u¨ber diese „weltweite“ Hilfsbereitschaft sehr gefreut und in
Anerkennung dessen die beteiligten Personen und Firmen im Abbildungsver-
zeichnis namentlich erwa¨hnt.
Nicht zuletzt mo¨chte ich mich bei meiner Frau Wilgard ganz herzlich be-
danken, die mich wa¨hrend der mehrja¨hrigen Entstehungsphase dieses Buches
auf vielfa¨ltige Weise unterstu¨tzte.
Dierbach, im September 2006 Bernd Scha¨fer
Inhaltsverzeichnis
Vorwort .... .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... V
Inhaltsverzeichnis . .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... VII
1 Einleitung .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... 1
1.1 Wichtige Anwendungsfelder derNaturstoffchemie .. .... ..... 1
1.1.1 Bevo¨lkerungswachstum ... .... .... .... .... ..... 1
1.1.2 Erna¨hrung.... ..... .... .... .... .... .... ..... 2
1.1.3 Gesundheitsfu¨rsorge.. .... .... .... .... .... ..... 2
1.1.4 Riechstoffe ... ..... .... .... .... .... .... ..... 3
1.1.5 Farbstoffe .... ..... .... .... .... .... .... ..... 4
1.1.6 Inspiration fu¨r Innovationen .... .... .... .... ..... 5
1.2 Naturstoffchemie inderchemischen Industrie . .... .... ..... 6
1.2.1 Einekleine Auswahleleganter Synthesen... .... ..... 8
Zusammenfassung in Stichpunkten . .... .... .... .... ..... 9
Literatur .. .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... 10
2 Farbstoffe .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... 11
Zusammenfassung in Stichpunkten . .... .... .... .... ..... 15
Literatur .. .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... 15
2.1 Indigo.... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... 16
2.1.1 Einleitung.... ..... .... .... .... .... .... ..... 16
2.1.2 Strukturaufkla¨rung... .... .... .... .... .... ..... 19
2.1.3 Biosynthese... ..... .... .... .... .... .... ..... 21
2.1.4 TechnischeSynthese . .... .... .... .... .... ..... 24
2.1.5 Technischer Fa¨rbeprozess .. .... .... .... .... ..... 27
2.1.6 Ausblick. .... ..... .... .... .... .... .... ..... 28
Zusammenfassung in Stichpunkten . .... .... .... .... ..... 28
Literatur .. .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... 28
2.2 Purpur.... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... 30
2.2.1 Einleitung.... ..... .... .... .... .... .... ..... 30
2.2.2 Biosynthese... ..... .... .... .... .... .... ..... 32
2.2.3 Strukturaufkla¨rung... .... .... .... .... .... ..... 32
2.2.4 TechnischeAnwendung ... .... .... .... .... ..... 34
2.2.5 Neuere Entwicklungen .... .... .... .... .... ..... 34
VIII Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung in Stichpunkten . .... .... .... .... ..... 35
Literatur .. .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... 35
2.3 Alizarin... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... 36
2.3.1 Einleitung.... ..... .... .... .... .... .... ..... 36
2.3.2 Strukturaufkla¨rung... .... .... .... .... .... ..... 38
2.3.3 TechnischeSynthese . .... .... .... .... .... ..... 40
2.3.4 Technischer Fa¨rbeprozess .. .... .... .... .... ..... 40
2.3.5 Auswirkungenauf dieEntwicklung derjungen
industriellen Chemie . .... .... .... .... .... ..... 41
2.3.6 ModerneEntwicklungen... .... .... .... .... ..... 41
Zusammenfassung in Stichpunkten . .... .... .... .... ..... 43
Literatur .. .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... 43
3 Riech-und Aromastoffe.. ..... .... .... .... .... .... ..... 45
Zusammenfassung in Stichpunkten . .... .... .... .... ..... 51
Literatur .. .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... 52
3.1 Damascon . .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... 53
3.1.1 Rosenduftaus Rosen . .... .... .... .... .... ..... 53
3.1.2 Biogenese der Damascone . .... .... .... .... ..... 55
3.1.3 Syntheseder Damascone .. .... .... .... .... ..... 58
3.1.4 Technischer Prozess.. .... .... .... .... .... ..... 60
Zusammenfassung in Stichpunkten . .... .... .... .... ..... 62
Literatur .. .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... 62
3.2 Jonon .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... 64
3.2.1 Veilchen- undIriso¨l .. .... .... .... .... .... ..... 64
3.2.2 Biosynthese... ..... .... .... .... .... .... ..... 65
3.2.3 TechnischeSynthesen. .... .... .... .... .... ..... 66
3.2.4 Enantiomerenreine Produkte .... .... .... .... ..... 73
3.2.5 Bedeutung fu¨r dieRiechstoffindustrie . .... .... ..... 77
Zusammenfassung in Stichpunkten . .... .... .... .... ..... 77
Literatur .. .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... 77
3.3 Jasmonoide .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... 79
3.3.1 Vorkommenin derNatur .. .... .... .... .... ..... 80
3.3.2 Verwendung inParfu¨ms ... .... .... .... .... ..... 80
3.3.3 NomenklaturundStruktur/Wirkungsbeziehung ... ..... 81
3.3.4 BiologischeEigenschaften . .... .... .... .... ..... 81
3.3.5 Biosynthese... ..... .... .... .... .... .... ..... 82
3.3.6 Chemische Synthesen. .... .... .... .... .... ..... 84
3.3.7 Stereoselektive Synthesen.. .... .... .... .... ..... 87
3.3.8 TechnischeSynthesen. .... .... .... .... .... ..... 90
3.3.9 Magnolion ... ..... .... .... .... .... .... ..... 94
Zusammenfassung in Stichpunkten . .... .... .... .... ..... 95
Literatur .. .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... 95
Inhaltsverzeichnis IX
3.4 Menthol... .... .... ..... .... .... .... .... .... .... 96
3.4.1 Biosynthese... ..... .... .... .... .... .... .... 96
3.4.2 TechnischeSynthese . .... .... .... .... .... .... 97
3.4.3 Katalysatorentwicklung ... .... .... .... .... .... 100
3.4.4 Mechanismus . ..... .... .... .... .... .... .... 101
3.4.5 Verwendung vonMenthol.. .... .... .... .... .... 103
Zusammenfassung in Stichpunkten . .... .... .... .... .... 103
Literatur .. .... .... ..... .... .... .... .... .... .... 104
3.5 Vanillin ... .... .... ..... .... .... .... .... .... .... 105
3.5.1 Vorkommen .. ..... .... .... .... .... .... .... 105
3.5.2 Geruch.. .... ..... .... .... .... .... .... .... 107
3.5.3 Chemische Synthesen. .... .... .... .... .... .... 107
3.5.4 ModerneEntwicklungen... .... .... .... .... .... 112
3.5.5 Verwendung .. ..... .... .... .... .... .... .... 116
Zusammenfassung in Stichpunkten . .... .... .... .... .... 116
Literatur .. .... .... ..... .... .... .... .... .... .... 116
3.6 Muscon... .... .... ..... .... .... .... .... .... .... 118
3.6.1 Natu¨rliche Quellen... .... .... .... .... .... .... 118
3.6.2 Strukturaufkla¨rung... .... .... .... .... .... .... 119
3.6.3 Biosynthese... ..... .... .... .... .... .... .... 120
3.6.4 Surrogate .... ..... .... .... .... .... .... .... 120
3.6.5 Historische Synthesen vonMakrozyklen.... .... .... 123
3.6.6 Synthesendes Exaltons ... .... .... .... .... .... 124
3.6.7 Synthesendes racemischen Muscons .. .... .... .... 127
3.6.8 Synthesendes Zibetons ... .... .... .... .... .... 128
3.6.9 Synthesendes Exaltolids .. .... .... .... .... .... 129
3.6.10 Enantioselektive Synthesendes Muscons ... .... .... 132
3.6.11 Der animalische Wohlgeruch.... .... .... .... .... 135
Zusammenfassung in Stichpunkten . .... .... .... .... .... 136
Literatur .. .... .... ..... .... .... .... .... .... .... 136
4 Aminosa¨uren.. .... .... ..... .... .... .... .... .... .... 139
4.1 BiologischeStickstofffixierung.... .... .... .... .... .... 141
4.2 Ku¨nstliche Stickstofffixierung .... .... .... .... .... .... 142
4.3 Biosynthese .... .... ..... .... .... .... .... .... .... 144
4.4 TechnischeSynthese.. ..... .... .... .... .... .... .... 148
4.4.1 Proteinhydrolysate ... .... .... .... .... .... .... 149
4.4.2 Chemische Synthese . .... .... .... .... .... .... 151
4.4.3 Enzymatische Methoden... .... .... .... .... .... 152
4.4.4 Enantiomerentrennung durch Kristallisation . .... .... 155
4.4.5 Fermentationsmethoden ... .... .... .... .... .... 155
4.5 (D)-Aminosa¨uren .... ..... .... .... .... .... .... .... 157
4.6 Aspartam.. .... .... ..... .... .... .... .... .... .... 159