Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 20.07.18


Alkaloide

Vortrag von Sandra Wetzel, Cornelia Greiner und Selahattin Dülger im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Organische Chemie", SS 2007 bzw. SS 2017


Gliederung:

1 Was sind Alkaloide?

2 Einteilung der Alkaloide

2.1 Tropan-Alkaloide

2.2 Chinolin-Alkaloide

2.3 Isochinolin-Alkaloide

2.4 Alkaloide mit Pyrrolidin- oder Indolstruktur

2.5 Alkaloide mit Pyridin- und Piperidinstruktur

3 Nikotin - Rauchen macht abhängig!

3.1 Charakteristika von Nikotin

3.2 Wirkungsweise von Nikotin

3.3 Synthese von Nikotin

3.4 Verwendung von Nikotin

4 Alkaloide in der Nahrung

5 Massenspektrum des Kokains


Einführung 1: Trinken Sie Kaffee oder Tee, Rauchen Sie oder haben Sie eine Schwäche für Schokolade? Wenn ja, dann nehmen Sie auch Verbindungen zu sich, die zur Stoffklasse der Alkaloide zählen.

Einführung 2: Im Pausenhof wird ein Päckchen mit weißem Pulver gefunden. Es könnte sich um Kokain handeln, eine illegale Droge aus der Stoffklasse der Alkaloide. Um diese Annahme zu überprüfen, wird der Stoff mit Hilfe einer Massenspektrometrie identifiziert.


1 Alkaloide

Das Wort Alkaloid leitet sich aus dem Arabischen al qualja: „Pflanzenasche“ und dem Griechischen –oides: „ähnlich“ ab. Erstmals wurde dieser Begriff 1819 durch den Apotheker Carl Wilhelm Friedrich Meissner für „alkaliähnliche“ Pflanzenstoffe verwendet. Allerdings erst 1882 etablierte sich der Begriff Alkaloid. 1890 wurden unter Alkaloide unbekannte, pflanzliche Verbindungen zusammen gefasst, die auf irgendeiner Weise physiologisch aktiv waren und basische Eigenschaften besaßen.

Bis in die Gegenwart hat sich das Verständnis über diese Stoffklasse vielfach verändert. So sind heute von Tieren, Pilzen und Mikroorganismen stammende Alkaloide bekannt. Auch ist mittlerweile die Struktur von zahlreichen Alkaloiden aufgeklärt worden. Alkaloide enthalten stets Stickstoff, was in neueren Definitionen mit einfließt. Im Weiteren zeigte sich, dass nicht alle Alkaloide alkalisch sind (beispielsweise Colchicin).

In Folge der uneinheitlichen Eigenschaften der Alkaloide existiert bis heute keine feste Definition. Einzig diese sehr allgemeine Definition, scheint für alle Alkaloide zuzutreffen:

Alkaloide sind stickstoffhaltige organische Verbindungen natürlichen Ursprungs mit mehr oder weniger ausgeprägtem basischem Charakter. [1]

2 Einteilung

Die Einteilung der Alkaloide kann nach unterschiedlichsten Kriterien erfolgen. Mögliche Kriterien können Biogenese, Herkunft, Verwendung oder physiologischer Wirkung sein. Hier wurde eine Einteilung nach der Grundstruktur vorgenommen, wobei ausschließlich heterocyclische Alkaloide berücksichtigt wurden.

2.1 Tropan-Alkaloide


Abb. 1: Tropan

Von historischer Bedeutung ist aus dieser Gruppe das Atropin. Atropin bezeichnet nicht ein einzelnes Alkaloid sondern das S,R-Racemat des Alkaloids Hyoscyamins (Abb. 2, 3). Das S-Hyoscyamin kommt unter anderen in der Schwarzen Tollkirsche (Atropa belladonna) (Abb. 4) vor. Bei der Isolierung dieser Verbindung aus der Pflanze kommt es zur Racemisierung.

Abb. 2: R-Hyoscyamin Abb. 3: S-Hyoscyamin
Abb. 4: Schwarze Tollkirsche (Atropa belladonna)

Eine verdünnte Atropinlösung ins Auge geträufelt verursacht eine Pupillenerweiterung. Es tritt der Rehaugeneffekt auf. Heute findet dies Anwendung in der Augenheilkunde. Früher wurde die Atropinlösung aus kosmetischen Zwecken von Frauen aus dem Orient und Europa verwendet, da zur damaligen Zeit Rehaugen als besonders schön ("bella donna") galten.

Weitere Vertreter dieser Gruppe sind Scopolamin und Cocain.

2.2 Chinolin-Alkaloide

Abb. 5: Chinolin

Chinin und Cinchonidin (Abb. 5, 6) sind zwei Vertreter dieser Gruppe, die aus der Chinarinde (Cinchona-Arten) gewonnen werden. Beide Verbindungen finden Anwendung in der Malariabehandlung. Sie hemmen das Wachstum des Malariaerregers im Blut.

Abb. 6: Chiningrundgerüst

2.3 Isochinolin-Alkaloide

Abb. 7: Isochinolin

Vertreter dieser Gruppe finden sich unter anderem im Milchsaft des Schlafmohns (Papaver somniferum). Der Milchsaft wird als Opium bezeichnet. Gewonnen wird Opium durch Anritzen der unreifen Kapselfrüchte. An der Luft erstarrt der zunächst weiße Milchsaft, welcher sich später braun verfärbt. In diesem Zustand wird das Opium geerntet (Abb. 8, 9).

Abb. 8: Schlafmohnblüte Abb. 9: Schlafmohnkapseln [13]

Im Opium sind 37 Alkaloide enthalten. Morphin (Abb. 10) ist ein Isochinolin-Alkaloid, welches bis zu 20% im Opium enthalten sein kann. Weitere Isochinolin-Alkaloide im Opium sind Codein, Thebain und Narcotin.

Abb. 10: Morphin

Morphin wird in der Medizin als starkes Schmerzmittel verwendet. Ebenfalls wird es als Droge missbraucht.

Weitere Vertreter dieser Gruppe sind Heroin, Papaverin, Laudanosin, Hydrastin und Berberin.

2.4 Alkaloide mit Pyrrolidin- oder Indolstruktur

Abb. 11: Pyrrolidin Abb. 12: Indol

Ein bekannter Vertreter dieser Gruppe ist Strychnin (Abb. 13).

Abb. 13: Strychnin

Abb. 14: Natürliche Quelle von Strychnin: Gewöhnliche Brechnuss Strychnos nux-vomica [11]

Strychnin ist ein sehr starkes, bitter schmeckendes Gift, welches bei der Einnahme von 100 mg tödlich sein kann. Es bewirkt starke, tetanusartige Krämpfe. Der Tod tritt durch Starrkrampf der Atemmuskulatur ein. Dieses Gift wurde und wird als Rattengift verwendet. Entwendet wird es leider auch für die Beseitigung unliebsamer Mitmenschen, was zu einem traurigen Bekanntheitsgrad dieser Verbindung führt.

Weitere Vertreter dieser Gruppe sind Hygrin, Cuscohygrin, Physotigmin, Brucin, Yohimbin, Reserpin und Ergotamin.

2.5 Alkaloide mit Pyridin- und Piperidinstruktur

Abb. 15: Pyridin Abb. 16: Piperidin

Das Nikotin als bekanntester Vertreter wird im folgenden Abschnitt näher erläutert.

Weitere Vertreter dieser Gruppe sind Anabasin, Coniin, Piperin und Lobelin.


3 Nikotin - Rauchen macht abhängig!

Im Rauch einer Zigarette befinden sich über 3000 verschiedene Verbindungen. Einige dieser Verbindungen, wie Kohlenstoffmonoxid und Blausäure, weisen eine hohe Toxizität auf. Allein dies ist ein Grund mit dem Rauchen aufzuhören.

Doch leider fällt vielen Rauchern das Aufhören unheimlich schwer. Der Grund hierfür ist in der Suchtwirkung des Nikotins zu finden.

3.1 Charakteristika von Nikotin

  • Bezeichnung nach IUPAC-Nomenklatur als 3-(1-Methyl-pyrrolidin-2-yl)-pyridin
  • setzt sich aus zwei verschiedenen heterocyclischen Ringen zusammen: das N-Methylpyrrolidin und das 3-Pyridyl
  • weist einen chiralen Kohlenstoff auf, sodass zwei Enantiomere existieren (Abb. 17, 18)
Abb. 17: R-Nikotin Abb. 18: S-Nikotin
  • ist bei Raumtemperatur eine farblose, ölige Flüssigkeit
  • verfärbt sich an der Luft braun
  • weist einen tabakähnlichen Geruch auf
  • siedet bei 246-247°C und schmilzt bei -80°C
  • ist wasser- und alkohollöslich
  • ist eine schwache Base
  • ist für höhere Tiere sehr giftig (tödliche Dosis für Mensch rund 50 mg)
  • kommt in größeren Mengen in den Blättern der Tabakpflanzen (Nicotiana tabacum und N. rustica) vor
  • dient den Pflanzen als Schutz gegen Herbivoren

3.2 Wirkungsweise von Nikotin

Die Wirkungsweise des Nikotins beruht auf der Ähnlichkeit zum Neurotransmitter Acetylcholin (ACh). Der Neurotransmitter dient  zur Informationsübertragung bei chemischen Synapsen (Abb. 19).

Abb. 19: Schematische Darstellung der Informationsübermittlung an der Synapse

Die Neurotransmitter werden zunächst in Vesikeln am Synapsenendknöpfchen des Axons einer Nervenzelle gespeichert. Die Freisetzung von Neurotransmittern in den synaptischen Spalt erfolgt bei einem Anstieg der intrazellulären Calcium-Konzentration. Dies tritt ein, wenn durch ein auftreffendes Aktionspotential die spannungsempfindlichen Calciumkanäle kurzzeitig geöffnet werden. Das Calcium "strömt" in Richtung des Konzentrationsgefälles in das Zellinnere. Dort bewirkt es die Konformationsänderungen der calciumbindenden Proteine von den Vesikeln. In Folge dessen geben die Vesikel ihren Inhalt durch Exocytose in den synaptischen Spalt ab.

An der postsynaptischen Membran binden die Neurotransmitter an Rezeptoren. Dadurch kommt es zur Öffnung von Ionenkanälen und damit zu einer Änderung des Membranpotentials der postsynaptischen Membran.

Durch die Wirkung von Acetylcholinesterase wird Acetylcholin in Essigsäure und Cholin hydrolysiert. Damit verliert der Neurotransmitter seine Wirkung und löst sich von den Rezeptoren an der postsynaptischen Membran. Dadurch verschließen sich die Ionenkanälchen, so dass eine Repolarisation der Membran erfolgen kann.

Nikotin kann durch seiner Ähnlichkeit zur Acetylcholin ebenfalls an spezifische Acetycholin-Rezeptoren (nikotinerge Acetycholin-Rezeptoren) binden. Somit hat es eine analoge Wirkung. Problematisch dabei ist, dass kein Enzym vorhanden ist, welches die Wirkung von Nikotin durch dessen Spaltung hemmt. Die Ionenkänale verschließen sich erst, wenn sich Nikotin zufällig vom Rezeptor löst.

Nikotin wirkt hierdurch in geringen Konzentrationen stimulierend und beruhigend. In höheren Konzentrationen führt es zu Halluzinationen und Verwirrung und kann schlussendlich zum Tod durch Atemlähmung führen.

3.3 Synthese von Nikotin

Die Biosynthese des Alkaloids erfolgt in den Wurzeln im Sekundärstoffwechsel der Pflanzen.

Abb. 20: Aktivierung der Nikotinsäure
Abb. 21: Biosynthese von Nikotin

Die Nikotinsäure wird zunächst enzymatisch aktiviert (Abb. 20). Die aktive 3,6-Dihydronikotinsäure reagiert anschließend mit N-Methyl-pyrrolinium und unter Einwirkung von Enzymen zu Nikotin (Abb. 21). Bis heute sind die beteiligten Enzyme unbekannt.

Bisher wurden zahlreiche Synthesen des Alkaloids beschrieben. Ihre Bedeutung beschränkt sich allerdings rein auf den Strukturbeweis, da Nikotin leicht in großen Mengen aus den Tabakblättern isoliert werden kann.

3.4 Verwendung von Nikotin

Bekanntermaßen wird Nikotin als Droge missbraucht. Durch rauchen oder kauen von Tabakerzeugnissen wird das Alkaloid aufgenommen. Daneben wird Nikotin zur Suchtentwöhnung verwendet. Die Darreichungsform sind hier Kaugummis oder Nikotinpflaster.

Des Weiteren könnte zukünftig Nikotin in der Medizin an Bedeutung zunehmen. Es gibt Hinweise, dass Nikotin einen positiven Einfluss auf den Erkrankungsverlauf von Parkinson und Alzheimer hat. Im Weitern soll Nikotin den Ausbruch von Colitis ulcerosa (Entzündung des Dickdarms) verzögern.

Nikotin kann auch als Insektizid im Haushalt verwendet werden:

Versuch Besprühen von Blattläusen (Aphiden) mit Tabaksud
Zeitbedarf Etwa 1 Stunde
Ziel Wirkung des Insektizids an Blattläusen (Aphiden)
Material
  • 2 Schälchen
  • Filterpapier
  • Sprühflasche
  • Wasserkocher
  • Sieb
Chemikalien
  • Tabak
  • Leitungswasser
Durchführung Eine Hand voll Tabak wird mit kochendem Leitungswasser übergossen. Der Sud wird mehrere Stunden zum Ziehen stehen gelassen.
Die pflanzlichen Bestandteile werden mittels Sieb aus dem Sud entfernt.
In beide Schalen wird Filterpapier gelegt und dann die Blattläuse übertragen.
Die Blattläuse einer Schale werden mit Tabaksud besprüht, während die Blattläuse der anderen Schale mit Leitungswasser besprüht werden.
Beobachtung Innerhalb einer Stunde sind die Blattläuse in der mit Tabaksud besprühten Schale tot, wohingegen im Kontrollansatz (besprüht mit Leitungswasser) fast alle Blattläuse noch leben.
Deutung Tabaksud wirkt als Insektizid gegen Blattläuse (Aphiden).
 

Abb. 22: Tote Blattläuse nach einstündiger Einwirkzeit des Tabaksuds Abb. 23: Lebende Blattläuse nach besprühen mit Leitungswasser (Kontrollansatz)

Inwieweit der Tabaksud gegen andere Schädlinge, wie Schildläuse (Coccoidea) oder Wollläuse (Pseudococcoidea), hilft, wurde allerdings nicht getestet. Womöglich fällt hier durch die Wachse auf der Oberfläche der Tiere die Wirkung geringer aus. Abhilfe könnten hier ein paar Tropfen Seife im Tabaksud schaffen (Achtung: Nicht zuviel Seife; schadet sonst der Pflanze.). [14]

Auch muss bei der Anwendung des Tabaksuds bedacht werden, dass Nikotin ein Kontaktgift ist. Man sollte deshalb Handschuhe beim Besprühen tragen. Des Weiteren sollten das Insektizid und die besprühten Pflanzen sich außerhalb der Reichweite von Kindern befinden.


4 Alkaloide in der Nahrung

Capsaicin macht das Essen scharf! Dieses Alkaloid findet man in Paprika und insbesondere im Chili bzw. Cayennepfeffer (gemahlene Chilis).

Abb. 24: Capsaicin

weiterführende Links:

Chinin wird in Bitter-Lemon und Tonic-Water als Bitterstoff zugesetzt.

Abb. 25: Chinin

weiterführende Links:

Cocain war bis 1902 Bestandteil von Coca-Cola. Des Weiteren befindet sich Cocain auch in Red Bull Cola. Dieses Getränk wurde 2009 kurzzeitig in einigen Bundesländern verboten.

Abb. 26: Cocain

weiterführende Links:

Coffein findet sich im Kaffee, Grünen und Schwarzen Tee. Häufig wird Coffein Energydrinks zugesetzt.

Abb. 27: Coffein

weiterführende Links:

Piperin macht den schwarzen Pfeffer (Piper niger) scharf.

Abb. 28: Piperin

weiterführender Link:

Theobromin kommt in fast jeder Schokoladensorte vor außer in weißer Schokolade.

Abb. 29: Theobromin

weiterführende Links


5 Massenspektrum des Kokains


Abb. 30: Massenspektrum des Kokains. Der Molpeak befindet sich bei 303 u. [16]

Die Abszisse beschreibt das Verhältnis der Masse zur Ladung. Die Ordinate stellt die relative Häufigkeit dieses Verhältnisses dar. Das intensivste Signal nennt sich Basispeak und wird gleich 100% gesetzt. Die Masse eines Kokainmoleküls beträgt 303 u (unified atomic mass unit = 1/12 der Masse eines Kohlenstoff-Atoms). Diese setzt sich zusammen aus der Summe der Massen von 17 Kohlenstoff-Atomen, 21 Wasserstoffatomen, einem Stickstoffatom und vier Sauerstoffatomen. Das entsprechende Signal wird Molpeak genannt. Nach der ersten Spaltung bleibt eine molare Masse von 272 u übrig. Die Differenz beträgt dadurch 31 u. Zu dieser Zahl kommt man durch die Addition der molaren Massen eines Sauerstoffatoms, eines Kohlenstoffatoms und drei Wasserstoffatomen. Diese ergeben zusammen ein Methoxy-Radikal, das auf den Methylester des Kokainmoleküls hinweist. Die restlichen Signale lassen sich analog erklären. [15]


Zusammenfassung: Alkaloide sind stickstoffhaltige, organische Verbindungen unterschiedlichen Ursprungs. Sie unterscheiden sich erheblich in ihrer Struktur, so dass eine Einteilung oder gar eine Definition schwer fällt. Ein Teil von diesen Verbindungen beeinflussen spürbar die menschliche Physiologie. So werden einige Verbindungen als Drogen oder Gift missbraucht. Andere Verbindungen aus dieser Stoffgruppe finden dagegen Anwendung in der Medizin oder auch in unserem Alltag als leicht aufputschende Mittelchen.


Abschluss 2: Beim gefundenen Päckchen mit weißem Pulver handelt es sich tatsächlich um Kokain, einem stark süchtig machenden Alkaloid, der bis 1902 sogar im Erfrischungsgetränk Coca-Cola enthalten war. Da der Stoff mit Hilfe der Massenspektrometrie eindeutig identifiziert ist, ist spätestens jetzt die Polizei einzuschalten.


Literatur

[1] Hesse, Manfred: Alkaloide - Fluch oder Segen der Natur. Wiley-VCH, Zürich 2000.

[2] Müller, Christa E.: Nicotin - Vom Genußmittel zum Arzneistoff? Deutsche Apotheker Zeitung, Nr. 36, 1995, S. 17-31.

[3] Hiller, Karl & Melzig, Matthias F.: Die große Enzyklopädie der Arzneipflanzen und Drogen. area Verlag, Erfstadt, 2006.

[4] Rätsch, Christian: Enzyklopädie der psychoaktiven Pflanzen. AT-Verlag, Aarau, 2. Auflage, 1998.

[5] Wollrab, Adalbert: Organische Chemie - Eine Einführung für Lehramts- und Nebenfachstudenten. Springer-Verlag. Heidelberg, 2. Auflage, 2002.

[6] K. Mothes; H. R. Schütte; M. Luckner: Biochemistry of Alkaloids. VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin, 1. Auflage, 1985.

[7] Campbell; Reece: Biologie. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, 6. Auflage, 2003.

[8] Hans Knodel: Linder Biologie. Schroeder Verlag, Hannover, 21. Auflage, 1998, S. 185.

[9] http://de.wikipedia.org/wiki/Alkaloide [19.07.2018]

[10] http://www.pflanzen-portal.com/giftpflanzen.php [19.07.2018]

(35 weitere Quellen)

[11] http://www.naturaloil.de/en/images/jatrophaamstrauch180.jpg [19.07.2018]

(Urheber: http://www.naturaloil.de)

[12] http://www.heilpraktik.de/heilpflanzen/chinarinde.htm [19.07.2018]

[13] http://www.ua-bw.de/uploadimg/cvuaka/mohnkapseln.gif [19.07.2018]

(34 weitere Quellen)

[14] Sandra Wetzel, Universität Bayreuth, SS 2007

[15] Selahattin Dülger, Universität Bayreuth, SS 2017

[16] Eberhard Breitmaier: Alkaloide; Vieweg+Teubner GWV Fachverlag GmbH, Wiesbaden, 3. Auflage, 2008.


Didaktik der Chemie

Universität Bayreuth