Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 25.07.19


Nicotin

Vortrag von Julia Kohlmann, Florian Reihs und Christopher Porkert im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Organische Chemie", SS2009, 2013 und 2019


Gliederung:

1 Ursache und Wirkung des Rauchens
     1.1 Auswirkungen des Rauchens
     1.2 Inhaltstoffe einer Zigarette

2 Allgemeiner Aufbau des Nicotins

3 Wirkungsweise im menschlichen Körper
      3.1 Der Weg des Nicotins
      3.2 Suchtgefahr
      3.3 Nicotin in der Alzheimer- und Demenz-Therapie

4 Biosynthese in Tabakpflanze
      4.1 Kondensation
      4.2 Decarboxylierung
      4.3 Cyclisierung und Methylierung
      4.4 Zerfall und Bildung des N-Me-∆1-Pyrrolidiniumions
      4.5 Reduktion von Nikotinsäure
      4.6 Mannich-Reaktion und erneute Decarboxylierung
      4.7 Oxidation

5 Experimente
      5.1 Nachweis von Nicotin im Tabakrauch mittels Taschentuch
      5.2 Nachweis von Nicotin im Tabakrauch mittels NaCl-Kristallen

6 Entwöhnung


Einführung 1: Schäden durch das Konsumieren von Zigaretten sind allgemein hin bekannt und obwohl die Zahl der Raucher in Deutschland rückläufig ist, gibt es noch Etliche davon. Doch warum raucht man und wie wirkt sich der inhalierte Qualm auf unseren Körper aus?

Einführung 2: Nicotin wird in jüngeren Studien als Wundermittel gegen Alzheimer und Demenz gepriesen. Diese Krankheiten spielen schon heute eine enorme gesellschaftliche Rolle, sind doch 1,7 Millionen Menschen davon betroffen - Tendenz steigend. Das Wissen der Öffentlichkeit über Nicotin ist jedoch auf die Kenntnis als Inhaltsstoff im Tabakrauch beschränkt.


1 Ursache und Wirkung des Rauchens

1.1 Auswirkungen des Rauchens

Durch das jahrelange Rauchen entstehen gesundheitliche Beeinträchtigungen, wie Raucherlunge (Abb.1) und Raucherbeine oder auch Schädigungen an Zähnen und Zahnfleisch .


Abb. 1: Vergleich einer vitalen Lunge (links) und einer Raucherlunge (rechts) [1]

1.2 Inhaltsstoffe einer Zigarette

In einer Zigarette sind über 12.000 Inhaltsstoffe enthalten. Einige von ihnen verursachen im Körper erhebliche Schäden (Tab.1).

                Tab.1: Einige Inhaltsstoffe in Zigaretten [2][3][4]

Substanz Menge (in einer Zigarette) LD50 Sonstiges
Formaldehyd 0,02 - 0,1 mg 42 mg/kg (Maus) karzinogen, toxisch
Blausäure 1,3 mg  0,055 mg/kg (Mensch) karzinogen, toxisch
Nicotin  0,5 - 0,8 mg  50 mg/kg (Ratte) karzinogen, toxisch
Methanol 0,08 – 0,18 mg  5628 mg/kg (Ratte) karzinogen, toxisch
Kohlenmonoxid 8 -23 mg k.A. karzinogen, toxisch

Die Substanz, welche das Verlangen nach weiteren Zigaretten steigert, heißt Nicotin.


2 Allgemeiner Aufbau des Nicotins


Abb. 2: Aufbau eines Nicotin-Moleküls

Nicotin besteht aus zwei verbundenen Cyclen (Abb. 2): dem aromatischen Pyridinring (Sechsring) und dem Pyrrolidinring (Fünfring) mit einer Methylgruppe am Stickstoffatom. Es gibt ein Chiralitätszentrum (*) und somit zwei Enantiomere (R- und S-Nicotin).


3 Wirkungsweise im menschlichen Körper

3.1 Der Weg des Nicotins


Abb. 3: Schematische Darstellung eines Neurons (Nervenzelle) mit nicotinerger Acetylcholin-Rezeptoren

Nicotin wird hauptsächlich über die Mundschleimhaut und die Lunge aufgenommen und gelangt so in das Blut. Die Struktur des Nicotins bzw. dessen Größe erlaubt das Durchdringen der Blut-Hirnschranke und wirkt auf das ZNS und das periphere Nervensystem (Abb. 3).

(1) Nicotin bindet an die nicotinergen Acetylcholin-Rezeptoren.

(2) Durch Signaltransduktion wird Dopamin gebildet („Glückshormon“), welches als                 Neurotransmitter (Botenstoff zwischen Neuronen) bestimmte Hirnareale stimuliert.

(3) Wirkung: Wachheit, Glücksgefühl, Blutdruckanstieg, Atmungsstimulation; physiologische Wirkungen erklären Abhängigkeit von Zigaretten

3.2 Suchtgefahr

Bei öfterem Inhalieren von Nicotin bilden sich immer mehr nicotinerge Acetylcholin-Rezeptoren. Dadurch braucht der Körper eine immer höhere Dosis (bzw. öfter eine Dosis), um das gleiche Glücksmoment zu gewährleisten.

3.3 Nicotin in der Alzheimer- und Demenz-Therapie

Demenz und Alzheimer sind auf den Verlust von dopamin-produzierende Neuronen zurückzuführen. Das wenige noch verfügbare Dopamin wird darüber hinaus noch zum Teil von Monoaminoxidasen abgebaut, welche zwar auch im gesunden Menschen aktiv sind, dort aber keinen bedeutenden Einfluss auf das Dopaminsystem haben.

Nicotin setzt genau an dieser Stelle an, indem es die Oxidase-Aktivität hemmt und zusätzlich durch Bindung an die entsprechenden Rezeptoren die Dopaminausschüttung fördert.

Problem: Aufgrund der toxischen Wirkungen des Nicotins in anderen Bereichen des Körpers ist eine Therapie bisher nicht möglich. Im Körper selbst wird Nicotin als Giftstoff behandelt (Detoxifikation in der Leber). Nicotin dient aber als interessante Leitstruktur zur Entwicklung von Medikamenten.


4 Biosynthese des Nicotins


Abb. 4: Tabakpflanze Nicotiana tabacum [5]

Wirtschaftlich genutzt werden vorrangig die Tabakpflanzen Nicotiana tabacum (Abb. 4) und Nicotiana rustica. Nicotin ist das Hauptalkaloid der Nachtschattengewächse und wird in großen Mengen in den Blättern von Tabakpflanzen produziert. Die primäre Aufgabe dieses Alkaloids ist der Fraßschutz vor Herbivoren (Pflanzenfresser). Der Gebrauch von Nicotin durch den Menschen als Suchtmittel ist schon seit der Entdeckung Amerikas bekannt. Damals nutzen die Ureinwohner diesen Stoff und rauchten ihn in Pfeifen.

Die Synthese des Stoffes wird im Folgenden beschrieben:

4.1 Kondensation

L-Ornithin und Pyridoxal verbinden sich unter Abspaltung von Wasser (Kondensation) zu einem Zwischenprodukt dem Putrescin.

4.2 Decarboxylierung

Die Carbonsäure-Gruppe  des ehemaligen Ornithins wir abgespalten (Decarboxylierung).

4.3 Cyclisierung und Methylierung

Der Aminrest bildet unter Ringschluss und Umlagerung einen heterocyclischen Fünf-Ring. Der Stickstoff des Ringes wird zusätzlich methyliert.

4.4 Zerfall und Bildung des N-Me-∆1-Pyrrolidiniumions

Durch den Zerfall entsteht nicht nur N-Me-∆1-Pyrrolidinium, sondern auch das Pyridamin (unten).

4.5 Reduktion von Nikotinsäure

Ein weiteres Edukt in der Biosynthese des Nicotins ist die Nicotinsäure. Diese wird mit Hilfe des pflanzeneigenen Reduktionsmittels NADPH  reduziert.

4.5 Mannich-Reaktion und erneute Decarboxylierung

Synthese des N-Me-∆1-Pyrrolidinium-Iones und der reduzierten Nicotinsäure. In einem weiteren Schritt wird Kohlenstoffdioxid abgespalten.

4.6 Oxidation

 

Durch NADP+ wird am Sechs-Ring ein Proton abgespalten und es entsteht wieder ein aromatischer Pyridin- Ring.


5 Experimente

5.1 Nachweis von Nicotin im Tabakrauch mittels Taschentuch

 

Zigarettenrauch

Zeitbedarf: 5 Minuten
Ziel: Unterschiede in den Rückständen, die nach Paffen der Zigarette im Taschentuch landen, bzw. nach einem Lungenzug
Material:
  • Zigarette
  • Feuerzeug
  • Taschentuch
  • Aschenbecher
Durchführung: Rauch einer Zigarette wird in den Mund eingesogen und dann ins Taschentuch gepustet. Beim nächsten Zug wird der Rauch erst in die Lunge gesogen und dann ins Taschentuch gepustet.
Beobachtung: Es entstehen zwei bräunliche Flecken mit unterschiedlicher Intensität.
Deutung: Beim Lungenzug bleibt Substanz in der Lunge zurück, deshalb ist der Fleck weniger Intensiv. Bei der bräunlichen Substanz handelt es sich um Nicotin.
Entsorgung: Restmüll
Quelle: Allgemeingut
Hintergrund: Nicotin ist bei Raumtemperatur eine farblose Substanz, färbt sich jedoch unter Licht- und Lufteinwirkung gelblich bis bräunlich.

5.2 Nachweis von Nicotin im Tabakrauch mittels NaCl-Kristallen

 

Zigarettenrauch

Zeitbedarf: 7 Minuten
Ziel: Nachweis von Inhaltsstoffen Teer und Nicotin im Tabakrauch einer Zigarette
Material:
  • Zigarette
  • Feuerzeug
  • Glasrohr
  • NaCl-Kristalle
  • Glaswolle (damit NaCl-Kristalle im Glasrohr verbleiben)
  • Einwegspritze
  • Schlauchstücke
  • Becherglas
  • Wasser
  • Glasstab
  • Aschenbecher
Durchführung: Rauch einer Zigarette wird durch ein Glasrohr, welches mit NaCl-Kristallen gefüllt ist, mittels Einwegspritze gezogen. Vorgang wird solang wiederholt bis Zigarette vollständig "geraucht" wurde.
Anschließend werden die NaCl-Kristalle aus dem Glasrohr in einem wassergefüllten Becherglas gelöst.
Beobachtung: Beim Rauchvorgang verfärben sich die NaCl-Kristalle gelblich bis bräunlich.
Nach dem Lösen Selbiger liegt eine gelbe Lösung vor und am Boden des Becherglas´ setzen sich kleine schwarze Partikel ab.
Deutung: Beim Rauchvorgang verbrennen die Bestandteile der Zigarette und adsorbieren an der Oberfläche der NaCl-Kristalle. Nicotin, welches unter Luft- und Lichteinwirkung eine gelblich/ bräunliche Farbe annimmt ist für die Färbung der Salzkristalle und damit auch für die Färbung der Lösung verantwortlich. Am Boden des Becherglas´ lagert sich der unlösbare Teer ab.
Entsorgung: Restmüll
Quelle: Allgemeingut
Hintergrund: Teer wird den Zigaretten als brandfördernde Substanz zugesetzt. Dieser setzt sich in den Lungen ab und verklebt die Alveolen. Symptome wie der Raucherhusten oder die Raucherlunge lassen sich darauf zurückführen.

6 Entwöhnung

Es gibt Möglichkeiten, sich langsam aus der Sucht vom Nicotin zu befreien. Zum Beispiel mit Nikotinpflastern und Kaugummis, sowie durch Inhaliergeräte. Dennoch muss ein angehender Nichtraucher einen starken Willen beweisen und auf Toleranz im sozialen Umfeld bauen, um nicht rückfällig zu werden.


Zusammenfassung. Nicotin ist ein pflanzlicher Sekundärstoff der sein eigentlichen Nutzen in der Abwehr von Herbivoren besitzt. Doch im menschlichen Körper reagiert dieser Stoff unter anderem im ZNS, wo er ein Glücksgefühl auslösen kann. Doch dabei besteht eine sehr hohe Suchtgefahr. Die weiteren Schadstoffe in einer Zigarette führen zu starken gesundheitlichen Einschränkungen. RAUCHEN KANN TÖDLICH SEIN!


Abschluss 1: Raucher leiden unter einer nicotin-induzierten Glücklichkeit. Was erstmal harmlos klingt erweist sich als äußerst fatal, da diese abhängig vom Rauchen sind. Nicotin führt im Gehirn zur Ausschüttung des "Glückshormon" Dopamin. Und weil dieses Wohlbefinden fördert und stressreduzierend wirkt ist es für Raucher schwer der Zigarette zu entsagen. ABER: Es gibt Mittel und Wege davon loszukommen, denn es haben schon Millionen von Menschen geschafft, dem "Glimmstängel" zu entkommen.

Abschluss 2: Nicotin als Alkaloid erfüllt in Pflanzen wichtige Aufgaben zum Schutz vor Herbivoren. Im Körper des Menschen entfaltet es jedoch meist toxische Wirkungen, weshalb dringend vom Rauchen abgelassen werden sollte. Nichtsdestotrotz ist Nicotin aufgrund seiner dopaminfreisetzenden Wirkung Leitstruktur für die Entwicklung von Medikamenten für Demenz- und Alzheimer-Patienten.


Literatur

  1. https://equapio.com/gesundheit/raucherkrankheiten-der-atmungsorgane-die-fatalen-auswirkungen/ (Stand: 19.07.2019)
  2. https://www.dkfz.de/de/rauchertelefon/download/FzR_Giftgemisch.pdf (Stand: 19.07.2019)
  3. https://www.seilnacht.com/Lexikon/Gifte.htm (Stand: 19.07.2019)
  4. https://de.wikipedia.org/wiki/Tabakrauch (Stand: 19.07.2019)
  5. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/39/Plant_nicotiana_tabacum.jpg 
    (Stand: 19.07.2019)
    (Bild ohne Copyright zur freien Verfügung für die Öffentlichkeit)
  6. Merck-Katalog, S.930,1201 und 1342, Ausgabe 2012.
  7. Schäfer, B.: Chemie in unserer Zeit, 2008,Heft 5, 42,Seite 330-344
  8. Vollhardt et al.: Organische Chemie, Wiley-VCH, Vierte Auflage, Weinheim, 2005
  9. C. E. Müller: Deutsche Apotheker Zeitung, 135. Jahrg, Nr. 36, 1995, S. 17-32

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 25.07.19