KISS Adrienn1, ZAUER Károly 2
1egyetemi hallgató, adrienn9624@gmail.com
1Szerves Kémia és Technológia Tanszék, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
2egyetemi tanár, szktt-admin@mail.bme.hu
2Szerves Kémia és Technológia Tanszék, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Kivonat: A gyömbérben található két fahéjsav-származék, a zingeron [4-(4-hidroxi-3-metoxifenil)-2-butanon] és a ferulasav [(E)-3-(4-hidroxi-3-metoxifenil)-prop-2-énsav] számos kedvező élettani hatással bír. Kísérleteim célja az volt, hogy e két vegyületet új módszerekkel próbáljam szintetizálni. A megtervezett reakciók egy része arra irányult, hogy a dehidrozingeron hidrogénezésével előállítsam a zingeront. A dehidrozingeron viszonylag egyszerűen és jó termeléssel szintetizálható (80%) acetonból és vanillinból. A hidrogénezés történhet vegyszeresen, például cink és ecetsav, vagy magnézium és alkohol reakciójával, valamint elektrokémiai úton és katalitikusan is. A transzfer hidrogénezés ciklohexént hidrogén donorként alkalmazva biztonságosan és kielégítő konverzióval kivitelezhető. A felsorolt reakciókban keletkező termékeknek felvettem az infravörös spektrumát, valamint vékonyréteg kromatográfiával és olvadáspont méréssel vizsgáltam őket.
Kulcsszavak: gyömbér, zingeron, ferulasav, transzfer hidrogénezése
Abstract: The aim of this work was to synthesize zingerone [4-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-2-butanone] and ferulic acid [(E)-3-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-prop-2-enoic acid], two components of ginger with many beneficial effects. A few of the reactions were based on the hydrogenation of dehydrozingerone [4-(4-Hydroxy-3-methoxyphenyl)-3-buten-2-one] to zingerone. Dehydrozingerone can be synthesized by a relatively simple method from acetone and vanillin with good yield (80%). Hydrogenation can be carried out chemically, for example by the reaction of zinc and acetic acid, or magnesium and ethyl alcohol, or in the presence of cyclohexene, used as hydrogen donor. Another way to complete the reduction is the electrochemical pathway.
The electrolysis of dehydrozingerone without diaphragm in aqueous media was attempted to produce ferulic acid in the presence of sodium carbonate and potassium iodide using platinum electrodes. The products of the reactions described above were characterized by infrared spectral data, thin layer chromatography and melting points.
Keywords: ginger, zingerone, ferulic acid, transfer hydrogenation
1. BEVEZETÉS
A gyömbér (Zingiber officinale) Dél-Kelet Ázsiából származó egyszikű, évelő növény, amelyet világszerte használnak fűszerként, antioxidánsként és gyógyszerként számtalan betegségre. Már évezredekkel ezelőtt megfigyelték és leírták kedvező élettani hatásait.
A gyömbér a középkorban jelentős szerepet játszott a népek közötti fűszerkereskedelemben és népszerűsége a mai napig töretlen. Az Amerikai Egyesült Államokban a húsz leginkább keresett növény közé tartozik, Ausztráliában pedig a második legkelendőbb gyógyhatású növény (becsült éves fogyasztása 550 tonna). [1] [2]
A gyömbérben található számtalan vegyület közül kiemelkedő figyelmet érdemel a zingeron (4-hidroxi-3-metoxifenil-2-butanon), amelyről az utóbbi évek kutatásai során bebizonyosodott, hogy sok kedvező tulajdonsággal rendelkezik. Gyulladáscsökkentő, görcsoldó és hasmenéses betegségek esetén is kiválóan alkalmazható, továbbá szorongásoldó, segít megakadályozni a vérrögök képződését, antimikrobiális tulajdonságokkal rendelkezik és
114
az Alzheimer kór kialakulásának megelőzésében is szerepet játszhat. [3] A zingeron minimalizálja a lipidek oxidációját, amit alátámaszt az a tény, hogy a vas-aszkorbát által kiváltott lipid peroxidációt gátolja a patkányok agyában [4]. További kísérleti eredmények alapján bizonyították, hogy megvédi a DNS-t az ón-klorid és a hidrogén-peroxid által kiváltott oxidatív károsodástól. [3]
1. ábra. Virágzó gyömbér növény
A ferulasav ((E)-3-(4-hidroxi-3-metoxi-fenil)-prop-2-énsav) egy másik olyan vegyület a gyömbérben, amely ígéretes tulajdonságokkal bír. Mint számos fenol-származék, a ferulasav is antioxidáns. Állatkísérletek és in vitro kísérletek eredményei alapján feltételezik, hogy közvetlen antitumorális hatása van tüdő- és májrák esetén. [5] [6] Ezen felül hatástalanítja a szabad gyököket, melyek károsíthatják a sejthártyát és a DNS-t, valamint segít védekezni az ibolyántúli sugárzással szemben. Az élelmiszeriparban az oxidáció okozta elszíneződések ellen használják, például a banán barnulásának megakadályozására. Gyakori alkotórésze öregedést lassító, koleszterin- és vérzsír csökkentő étrend-kiegészítő tablettáknak, továbbá menopauza okozta hőhullám elleni készítmények is tartalmazzák. [7]
2. CÉLKITŰZÉS
Zingeron előállítása dehidrozingeronból in situ fejlesztett hidrogéngázzal, valamint transzfer hidrogénezéssel. Ferulasav szintézise dehidrozingeronból elektrokémiai úton.
3. AZ ELVÉGZETT KÍSÉRLETEK LEÍRÁSA
A kísérletekben kiindulási anyagként dehidrozingeront használtunk, amelynek szintézise az alábbi módon történt. (1. ábra)
4 g (26,3 mmol) vanillint oldottunk 20 cm3 (15,7 g, 270 mmol) acetonban, majd hozzáadtunk 1,2 g (30 mmol) mikroszemcsés nátrium-hidroxidot és 12 cm3 desztillált vizet.
Az elegyet szobahőmérsékleten 1 hétig állni hagytuk dugóval lezárt lombikban. Ezután 2 cm3 (2,1 g, 35 mmol) ecetsavval megsavanyítottuk, 50 cm3 vízzel hígítottuk. A kivált szilárd anyagot kevés vízzel mostuk, szárítottuk. Termelés: 4,0 g (80%), Op. 129°C.
115
1. ábra. Vanillin és aceton reakciója
Először a szintetizált dehidrozingeront fém és sav reakciójával fejlesztett hidrogén gázzal hidrogéneztük (2. ábra). Bemértünk egy 30 cm3-es Erlenmeyer-lombikba 1 g (15,3 mmol) cink port, és hozzáadtunk egy-két apró réz-szulfát kristályt, 0,2 g (1,04 mmol) dehidrozingeront, majd 5 cm3 (5,25 g, 87,4 mmol) 100%-os ecetsavat töltöttünk az elegyhez és kevertetéssel megindítottuk a reakciót. A lombikban apró buborékok képződtek, a gázfejlődés órákkal később is hallható volt. A reakció lejátszódását követően a kristályos cink-acetátot kiszűrtük, a lombik tartalmát bepároltunk, a keletkező termék olvadáspontját megmértük és infravörös spektrumát felvettük. Az eredmények igazolták, hogy a bemért dehidrozingeron (op. 129°C) hidrogénezése sikeres volt, átalakult zingeronná (op. 41°C).
2. ábra. Dehidrozingeron hidrogénezése cink és ecetsav jelenlétében
Hasonló módon, in situ állítottunk elő hidrogént magnézium és etanol reakciójával, így átalakítva a dehidrozingeront zingeronná. (3. ábra) Egy 30 cm3-es csiszolatos gömblombikba bemértünk 1 g (41,2 mmol) magnéziumot és hozzáadtunk néhány apró jód kristályt, majd gyengén melegítettük a lombikot, így aktiválva a magnéziumot a jód gőzével. A lombik tartalmához hozzáadtunk még 10 cm3 (7,89 g, 171,3 mmol) vízmentes etil-alkoholt és 0,33 g (1,7 mmol) dehidrozingeront. Vízfürdőben visszafolyáson forraltuk. A barnás színű elegy fél óra elteltével citromsárga színű lett. További 2 és ½ óra forralás után bepároltuk. A maradékot etil-acetáttal (3x5 cm3) extraháltuk. Ennek bepárlási maradékának IR-spektruma megegyezett a zingeron spektrumával.
3. ábra. Dehidrozingeron hidrogénezése magnézium és etanol jelenlétében
A dehidrozingeron ferulasavvá alakítását elektrokémiai úton kíséreltük meg (4. ábra).
Bemértünk 0,5 g (2,6 mmol) dehidrozingeront, 5 cm3 5%-os nátrium-karbonát oldatot és 1,3 g (7,8 mmol) kálium-jodidot egy U-alakú üvegcsőbe, amelybe két platina elektród merült. Pici vasmagot tettünk a csőbe, hogy biztosítsuk a reagensek keveredését. A csövet 70-80°C-os meleg vízbe helyeztük, és 3 órán át elektrolizáltunk 6 V feszültséggel. Bepároltuk. Másnap kevés sárga, szilárd anyagot sikerült ebből elkülönítenünk, ami jodoform (op.120 °C) volt.
116
Savanyítást követően sem sikerült ferulasavat izolálni. Elképzelhető, hogy ennek térszerkezeti okai lehettek.
4. ábra. Dehidrozingeron ferulasavvá alakítása elektrokémiai úton
A dehidrozingeron oldalláncán található szén-szén kettős kötés transzfer hidrogénezéssel is telíthető. A katalitikus transzfer hidrogénezés a szerves vegyületek szintézisének egyik legdinamikusabban fejlődő ága. A palackos hidrogén gáz használatával összehasonlítva ez a módszer számtalan előnnyel rendelkezik: kevésbé veszélyes, egyszerűbb eszközök szükségesek hozzá, kivitelezhető atmoszférikus nyomáson és alacsony hőmérsékleten, illetve az alkalmazott katalizátor regenerálható, újra felhasználható. [8]
Egy csiszolatos gömblombikba bemértünk 0,5 g (2,6 mmol) dehidrozingeront, 5 cm3 (3,95 g, 85,8 mmol) etanolt, 5 cm3 (4,06 g, 49,4 mmol) ciklohexént, illetve 0,1 g aktív szenes palládiumot (5%). A megtervezett reakcióban a ciklohexén hidrogénforrásként szolgált. (5.
ábra)
A bemért anyagokat vízfürdőben nyolc órán át visszafolyáson forraltuk. Ezt követően zsugorított üvegszűrőn szűrtük az aktív szenes palládiumot, majd vákuumban bepároltuk a szűrletet.
5. ábra. Dehidrozingeron transzfer hidrogénezése ciklohexénnel
Az olajos maradékot vékonyréteg kromatográfiával vizsgáltuk TLC Silica gel 60F254
(Merck) típusú lapon. A legjobb futtató elegy kloroform és diklórmetán 1:1 arányú elegye volt (1. táblázat).
1. táblázat. Retenciós faktorok 1:1 arányú kloroform, diklórmetán elegyben Rf
dehidrozingeron
Rf 1:1 dehidrozingeron:
zingeron
Rf
zingeron
Első futtatás 0,59 0,59; 0,83 0,83
Második futtatás 0,74 0,74; 0,91 0,91
Harmadik futtatás 0,77 0,77; 0,92 0,92
117
6. ábra: Bal oldalon a dehidrozingeron, középen a vizsgált termék, jobb oldalon a zingeron látható (jódgőzben előhívva)
A ciklohexénnel végzett transzfer hidrogénezés termékének vizsgálatakor két folt jelent meg a kromatográfiás lapon, vagyis a dehidrozingeron egy része átalakult zingeronná. A reakciókörülmények optimalizálásával várhatóan jobb átalakítási hatásfok érhető el.
4. AZ EREDMÉNYEK ÉRTÉKELÉSE
(1) Vanillin és aceton kondenzációs reakciójával előállított dehidrozingeront háromféle módon zingeronná alakítottunk.
(2) Ezek cink és ecetsav, valamint magnézium és alkohol reakciójával ’in situ’ előállított hidrogén segítségével történtek.
(3) A harmadik módszer transzfer hidrogénezés volt. Ekkor ciklohexént hidrogén donorként alkalmaztunk, aktív szenes palládium katalizátor jelenlétében.
(4) Megkíséreltük elektrokémiai úton a dehidrozingeront ferulasavvá alakítani. E savat nem sikerült izolálnunk, valószínűleg térszerkezeti okok miatt. E reakciót nem írták le eddig.
(5) Terveink között szerepel a transzfer hidrogénezés optimalizált vizsgálata.
5. FELHASZNÁLT IRODALOM
[1] J.-C. CHEN, L.-J. HUANG, S.-L. WU, S.-C. KUO, T.-Y. HO, C.-Y. HSIANG: Ginger and its bioactive component inhibit enterotoxigenic Escherichia coli heat-labile enterotoxin-induced diarrhea in mice, Journal of Agricultural and Food Chemistry, vol. 55, no. 21, pp. 8390-8397, 2007
[2] SALVIN, S., BOURKE, M., BYRNE, T., EDS: The New Crop Industries Handbook; Rural Industries Research and Development Corporation, Canberra, Australia, pp 236–243. 2004
[3] B. AHMAD, M. U. REHMAN, I. AMIN, A. ARIF, S. RASOOL, S. A. BHAT, I. AFZAL, I.
HUSSAIN, S. BILAL, M. UR R. MIR: A review on pharmacological properties of Zingerone (4-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-2-butanone, The Sci. World Journal, Article ID 816364, 6 pages, 2015 [4] D. V. RAJAKUMAR, M. N. A. RAO: Dehydrozingerone and its analogues as inhibitors of
nonenzymatic lipid peroxidation, Pharmazie, vol. 49, no. 7, pp. 516-519, 1994
[5] L. SAULNIER, J. F. THIBAULT: Ferulic acid and diferulic acids as components of sugar-beet pectins and maize bran heteroxylans, Journal of the Science of Food and Agriculture. 79 (3): 396–402., 1999
[6] P. GELINAS, C. MCKINNON: Effect of wheat variety, farming site, and bread-baking on total phenolics, International Journal of Food Science and Technology. 41 (3): 329–332, 2006
[7] C. ORESAJO, T. STEPHENS, P.D. HINO: Protective effects of a topical antioxidant mixture containing vitamin C, ferulic acid, and phloretin against ultraviolet-induced photodamage in human skin. J Cosmet Dermatol. Dec;7(4):290-7., 2008
[8] D. WANG, D. ASTRUC: The Golden Age of Transfer Hydrogenation, Chem. Rev., 115 (13), pp.
6621-6686, 2015
118