Wissenschaft & Forschung

Prof.Dr.

Das Akuammilin-Alkaloid Strictamin hemmt die Monoaminoxidase und wird in der traditionellen asiatischen Medizin verwendet. Es wurde bereits vor 50 Jahren isoliert, aber erst zu Beginn dieses Jahres beschrieben zwei Gruppen nahezu simultan die Totalsynthese dieses Naturstoffs.
<h2>Akuammilin-Alkaloide</h2>Zur Familie der Akuammilin-Alkaloide gehören mehr als 30 bioaktive Naturstoffe.1) Verbindungen dieser Klasse wirken krebs- und entzündungshemmend sowie antibakteriell und dienen als Mittel gegen Malaria. Einige Akuammilin-Alkaloide sind bereits seit den 1870er Jahren bekannt, aber erst in den letzten Jahren wurden die Totalsynthesen einiger Akuammiline beschrieben.2)Eine Unterklasse dieser Alkaloide, die Methanochinolizidin-Akuammiline (Abbildung 1), war synthesetechnisch bisher nicht zugänglich. Exemplarisch für diese Unterklasse steht (+)-Strictamin, (1). Die Verbindung wurde bereits im Jahr 1965 isoliert3) und die absolute Konfiguration zwölf Jahre später durch Kristallstrukturanalyse bestimmt.4) (1) ist Bestandteil der Blüten von Alstonia scholaris, einem immergrünen Baum (Foto S. 749), der hauptsächlich in Südostasien und Indien vorkommt. (1) wird seit langem aufgrund seiner entzündungshemmenden und antibiotischen Wirkung in der indischen Volksmedizin eingesetzt.1) Die Kombination aus biologischer Wirkung und komplexer Struktur macht Strictamin zu einem attraktiven Zielmolekül für die Totalsynthese. Bis Ende des letzten Jahres blieben alle Bemühungen erfolglos, Strictamin zu synthetisieren.5)<figure><img src="https://media.graphcms.com/GMCBPd4rTUaNv3VIRKpN"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Methanochinolizidin-Alkaloide.</figcaption></figure>
Der dicht funktionalisierte Cyclohexanring, der Bestandteil zweier verbundener [3.3.1]-Azabicyclen ist, macht die Synthese von Verbindungen der Methanochinolizidin-Unterklasse zu einer besonderen Herausforderung. (1) ist ein Indoleinderivat und hat vier Stereozentren am Cyclohexanring; (–)-2(S)-Cathafolin (2), ein Indolin, sogar fünf, die auch noch benachbart sind. Die zentralen zweifach überbrückten Cyclohexanringe machen diese Verbindungen rigide.Erst 50 Jahre nach der Isolierung von (1) beschrieben die Arbeitsgruppen Zhu6) und Garg7) fast gleichzeitig die ersten Totalsynthesen dafür. Die Gruppe von Garg synthetisierte zudem ein weiteres Methanochinolizidin-Akuammilin, das erst vor zwei Jahren isolierte (–)-Cathafolin (2).8)<h2>Totalsynthese nach Zhu</h2>Als Startmaterial der Synthese von (1) nach Zhu und Mitarbeitern dient 1,3-Cyclohexanon (4), das nach mehreren Reaktionsschritten (5) im Multigrammmaßstab ergibt (Abbildung 2).9) Verbindung (5) enthält bereits ein quaternäres C-Atom und wandelt sich nach Dihydroxylierung und Glykolspaltung in den korrespondierenden Aldehyd um. Anschließende chemoselektive reduktive Aminierung mit Dimethylamin liefert das tertiäre Amin (6).<figure><img src="https://media.graphcms.com/Qgf97l7pSWyzAujTLsAs"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Totalsynthese von (1) nach Zhu und Mitarbeitern.</figcaption></figure>
Durch Bromierung von (6) mit N-Bromsuccinimid (NBS) entsteht (7), die folgende intramolekulare N-Alkylierung führt zum quaternären Ammoniumsalz (8), einem [3.3.1]-Azabicyclus. Zhu und Mitarbeiter vermuten, dass bei der Bromierung die beiden diastereomeren α-Bromketone (7a) und (7b) entstehen. Da nur (7b) über eine intramolekulare SN2-Reaktion zum Ammoniumsalz (8) reagiert, muss Stereoisomer (7a) über eine Enolat-Zwischenstufe zu (7b) epimerisieren. Eine Demethylierung mit Natriumiodid liefert unter optimierten Bedingungen Verbindung (9) in 40 % Ausbeute bezogen auf (6). Die Einkristallstrukturanalyse bestätigte die Struktur des Bicyclus.Eine N-demethylierende Acylierung erzeugt das N-Allyloxycarbonyl-geschützte Derivat, das Zhu und Mitarbeiter durch eine Titan(III)-vermittelte reduktive Cyclisierung in das Indolenin (10) überführen. Der nächste Reaktionsschritt ist eine palladiumkatalysierte Methoxycarbonylierung des Vinyltriflats, wobei gleichzeitig die Allyloxycarbonyl-Schutzgruppe abgespalten wird. Das entstandene sekundäre Amin reagiert anschließend mit (Z)-1-Brom-2-iodbut-2-en zu (11).Der letzte Schritt der Totalsynthese von (1) ist eine Cyclisierung durch Bindungsknüpfung zwischen C15 und C20. Nach einigen experimentellen Fehlschlägen führte erst eine nickelvermittelte intramolekulare Michael-Addition zum Erfolg und lieferte Zielverbindung (1) in 5 bis 10 % Ausbeute. Die physikalischen und spektroskopischen Daten des synthetisierten Produkts entsprechen denen des Naturstoffs.<h2>Totalsynthese nach Garg</h2>Garg und Mitarbeiter beschrieben eine enantioselektive Totalsynthese, die einen generellen Zugang zum Methanochinolizidin-Grundgerüst liefert. Diese Route führt über ein gemeinsames Schlüsselintermediat (12) zu (1) und (2).Ausgehend vom Dibenzoat (13) liefert eine Trost-Desymmetrisierung mit anschließender Oxidation die α,β-ungesättigte Carbonylverbindung (14). Das Stickstoffatom ist dabei durch 2-Nitrobenzolsulfon (Ns) geschützt (Abbildung 3). Damit wird bereits zu Beginn der Synthese die absolute Konfiguration des Naturstoffs aufgebaut.<figure><img src="https://media.graphcms.com/5Nd25HJ7SAK8sM2vpRqn"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Darstellung der Schlüsselverbindung (12).</figcaption></figure>
Schlüsselschritt dieser Synthese ist die goldvermittelte intramolekulare Cyclisierung des Silylenolethers (15) mit dem Propargylamin (14). Diese Reaktion ergibt eine 10:1-Mischung der isomeren bicyclischen Addukte (16a) (96 % ee) und (16b); allerdings lassen sich die Isomere nicht voneinander trennen. Nach Epoxidierung und Wittig-Olefinierung wird jedoch das gewünschte Enal (17) in 49 % Ausbeute bezogen auf (15) isoliert.Im nächsten Schritt oxidiert (17) mit N-Iodsuccinimid (NIS) zum Enoat (18). Erneutes Umsetzen mit NIS in Gegenwart eines Vinylethers und anschließende radikalische Cyclisierung ermöglichen, C7 zu alkylieren, sodass (19) mit exzellenter Diasteroselektivität entsteht. Das Schlüsselintermediat, Ketolacton (12), entsteht aus (19) nach Hydrolyse, Reduktion, Lactonisierung und anschließender Oxidation des entstandenen Alkohols in 45 % Ausbeute über vier Stufen.Die Reaktion von (12) mit Phenylhydrazin und TFA liefert in einer unterbrochenen Fischer-Cyclisierung das Indol-Addukt (20), das in einer Eintopfreaktion durch Triethylsilan als Hydridnukleophil reduziert wird (Abbildung 4). Dabei entsteht das Indolin (21) in hoher Ausbeute, in dieser Reaktion werden die Stereozentren C2 und C7 aufgebaut. Durch diesen Reaktionsschritt lässt sich das pentacyclische Grundgerüst aufbauen.<figure><img src="https://media.graphcms.com/5qiaviovT1Kfs4wFvHCO"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Darstellung des Methanochinolizidingerüstvorläufers (24).</figcaption></figure>
Die Reduktion von (21) mit LiBH4, gefolgt von der selektiven Silylierung des weniger gehinderten Alkohols, führt zu (22). Anschließend liefert zweistufiges Oxidieren des freien Alkohols zur Säure und Veresterung mit Trimethylsilyldiazomethan die Verbindung (23), die in zwei Stufen in die chlorierte Form (24) überführt wird. Ausgehend vom Ketolacton (12) erhalten Garg und Mitarbeiter diesen zur Synthese der Methanochinolizidin-Alkaloide zentralen Baustein in 16 % Ausbeute nach acht Stufen.Das Chlorid (24) geht quantitativ in den gewünschten Naturstoff (+)-Strictamin (1) über, wenn das Indolin mit Pyridiniumchlorochromat (PCC) oxidiert und die Nosylgruppe (Ns) mit einem festphasengebundenen Thiol abgespalten wird; es folgt eine intramolekulare SN2-Reaktion des freien Amins (Abbildung 5). Eine Sequenz aus N-Methylierung, Entschützung und Cyclisierung ausgehend von (24) liefert den Naturstoff (–)-2-(S)-Cathafolin (2) in 36 % Ausbeute.<figure><img src="https://media.graphcms.com/TkT4AlG7RmmpZVb9BW3I"><figcaption><label>Abb. 5: </label>Darstellung von (1) und (2) aus dem Chlorid (24).</figcaption></figure>
Garg und Mitarbeiter synthetisierten zusätzlich das Akuammilin-Alkaloid Aspidophyllin (3) ausgehend von Ketolacton (12) in drei Stufen (Abbildung 6). Zunächst erzeugt eine Reaktion mit Phenylhydrazin das Fischer-Indol-Addukt (20). Die Umsetzung mit Kaliumcarbonat ergibt das Furoindolin (25). Als letzter Schritt zum Naturstoff (–)-(3) wird die Ns-Schutzgruppe analog der Synthese von (1) durch ein festphasengebundenes Thiol abgespalten und abschließend am Stickstoff formyliert.<figure><img src="https://media.graphcms.com/ajreO5EFRgeBzZxhkp6c"><figcaption><label>Abb. 6: </label>Darstellung von (3) aus (12).</figcaption></figure>
<h2>Fazit und Ausblick</h2>Die Arbeitsgruppe um Zhu synthetisierte den Naturstoff (1) in neun Stufen mit einer Gesamtausbeute von 0,5 % aus der literaturbekannten Verbindung (5) in racemischer Form. Allerdings liefert der letzte Syntheseschritt schlechte Ausbeuten, hier sollten die Bedingungen optimiert werden.Die Totalsynthese von Garg und Mitarbeitern liefert neben dem gewünschten Produkt weitere enantioselektive Alkaloide mit Methanochinolizidin-Grundgerüst. Die Verbindungen (1) und (2) sind aus demselben Edukt (24) zugänglich. Um (1) darzustellen, benötigen Garg und Mitarbeiter 26 Syntheseschritte und erhalten den Naturstoff mit einer Gesamtausbeute von 1,9 % aus (12). Aus dem Zwischenprodukt (12) lassen sich weitere Akuammilin-Alkaloide herstellen.<figure><img src="https://media.graphcms.com/WHXZXJtRkiWKQsnhp8rT"><figcaption><label>Abb. 7: </label>Blätter von Alstonia scholaris. <named-content>Quelle: Wikipedia/kadavoor</named-content></figcaption></figure>
Synthese im Blickpunkt will zur Beschäftigung mit neuen synthetischen Verfahren oder eleganten und wichtigen organischen Synthesen anregen. Die Beiträge zur Serie verfasst dieses Jahr Georg Manolikakes.<h2>Vitakasten</h2>Georg Manolikakes ist seit Ende des Jahres 2010 Nachwuchsgruppenleiter am Institut für Organische Chemie und Chemische Biologie der Universität Frankfurt. Seine Forschungsinteressen gelten Multikompenentenreaktionen und stereoselektiver Synthese. Bei diesem Beitrag unterstützte ihn seine Doktorandin Jennifer Grimmer.<div><img src="https://media.graphcms.com/flBVzWNTQg6yjrKXL8fQ">

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<ul><h2>Literatur</h2><li>
1 a) A. Ramirez, S. Garcia-Rubio, Curr. Med. Chem. 2003, 10, 1891 –1915; b) R. Eckermann, T. Gaich, Synthesis 2013, 45, 2813–2823; c) J. M. Smith, J. Moreno, B. W. Boal, N. K. Garg, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 400 –412.</li><li>
2 a) L. Zu, B. W. Boal, N. K. Garg, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 8877–8879; b) M. Teng, W. Zi, D. Ma, Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 1814–1817; c) B. D. Horning, D. W. C. MacMillan, J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 6442–6445; d) G. L. Adams, P. J. Carroll, A. B. Smith, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 4037–4040.</li><li>
3 H. K. Schnoes, K. Biemann, J. Mokry, I. Kompis, A. Chatterjee, G. Ganguli, J. Org. Chem. 1966, 31, 1641–1642.</li><li>
4 Y. Ahmad, K. Fatima, A.-u. Rahman, J. L. Occolowitz, B. A. Solheim, J. Clardy, R. L. Garnick, P. W. Le Quesne, J. Am. Chem. Soc. 1977, 99, 1943–1946.</li><li>
5 a) Y. Komatsu, K. Yoshida, H. Ueda, H. Tokuyama, Tetrahedron Lett. 2013, 54, 377–380; b) W. Ren, N. Tappin, Q. Wang, J. Zhu, Synlett 2013, 24, 1941–1944; c) L. Dolby, Z. Esfandiari, J. Org. Chem. 1972, 37, 43–46; d) M.-L. Bennasar, E. Zulaica, M. López, J. Bosch, Tetrahedron Lett. 1988, 29, 2361.</li><li>
6 W. Ren, Q. Wang, J. Zhu, Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 3500–3503</li><li>
7 J. Moreno, E. Picazo, L. A. Morrill, J. M. Smith, N. K. Garg, J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 1162–1165</li><li>
8 S.-H. Lim, Y.-Y. Low, S. K. Sinniah, K.-T. Yong, K.-S. Sim, T.-S. Kam, Phytochem. 2014, 98, 204–215.</li><li>
9 W. Ren, Q. Wang, J. Zhu, Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 1818–1821.</li></ul>

Artikel

Totalsynthese von Strictamin

Das Akuammilin-Alkaloid Strictamin hemmt die Monoaminoxidase und wird in der traditionellen asiatischen Medizin verwendet. Es wurde bereits vor 50 Jahren isoliert, aber erst zu Beginn dieses Jahres beschrieben zwei Gruppen nahezu simultan die Totalsynthese dieses Naturstoffs. Akuammilin-Alkaloide...

Erdöl ist eine komplexe Mischung mit vielen Komponenten. Informationen über seine Zusammensetzung liefert die Kopplung von Thermoanalyse und Massenspektrometrie. Damit die Massenspektren interpretierbar bleiben, sind weiche Ionisierungsmethoden erforderlich, welche die Moleküle nicht zu stark fragmentieren.
Thermoanalytische Methoden sind eine weit verbreitete Gruppe von Analyseverfahren, die temperaturabhängige Materialeigenschaften erfassen. Ein definiertes Temperaturprogramm liefert Informationen über den Massenverlust fester oder flüssiger Proben während des Aufheizens (Thermogravimetrie) und über energetische Änderungen bei Vorgängen wie Phasenübergängen (z. B. differenzielle Scanning-Kalorimetrie).Um herauszufinden, welche Verbindungen während des Aufheizvorgangs in die Gasphase übergehen, muss die thermische Analyse (TA) mit einer weiteren analytischen Methode gekoppelt werden. Das kann die Infrarotspektroskopie oder die Massenspektrometrie1,2) sein.<h2>Thermische Analyse und Massenspektrometrie koppeln</h2>Bei der TA-MS-Kopplung müssen die in der TA freigesetzten Gase möglichst unverändert den Einlass des Massenspektrometers passieren. Kalte Stellen im Interface zwischen TA und MS sind zu vermeiden, damit schwerer flüchtige Verbindungen dort nicht kondensieren.Eine weitere Schwierigkeit ist der Druckabfall von acht bis neun Größenordnungen beim Übergang der Gase vom Atmosphärendruck der TA in das Vakuum des Massenspektrometers. Hier hat sich eine beheizte Transferkapillare bewährt. Dies ist die am häufigsten verwendete Methode2) und wird auch in dem hier beschriebenen System verwendet (Abbildung 1).<figure><img src="https://media.graphcms.com/BlBVfCxuTnOCvritHKZL"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Experimenteller Aufbau der TA-MS-Kopplung mit Photoionisierung.</figcaption></figure>
Die in TA-MS-Geräten im Normalfall verwendete Elektronenionisierung (EI) fragmentiert Moleküle stark, was besonders bei komplexen Vielkomponentengemischen ein Nachteil ist. Eine Ursache für die starke Fragmentierung ist, dass für eine möglichst effiziente Ionisierung Elektronen mit einer Energie von 70 eV verwendet werden. Um ein organisches Molekül zu ionisieren, reichen 7 bis 12 eV. Die Moleküle nehmen die Überschussenergie auf, dadurch brechen Bindungen in den Ionen, und es bilden sich Fragmentionen.Aliphatische Kohlenwasserstoffe fragmentieren besonders leicht, und das macht die massenspektrometrische Analyse von Kohlenwasserstoffgemischen wie Erdöl und dessen Produkten schwierig. Fragmentionen überlagern sich im Spektrum mit unfragmentierten Molekülionen zu sehr schwer interpretierbaren Spektren. Außerdem zerfallen strukturell verwandte Kohlenwasserstoffe wie Paraffine alle zu den gleichen Fragmentionen, oft ist nur ein schwaches Signal des unfragmentierten Molekülions zu sehen, oder es ist gar nicht vorhanden. Daher sind einzelne Verbindungen oft nicht detektierbar.<h2>Mit Photoionisation ins MS</h2>Weiche Ionisierungsmethoden minimieren die Fragmentierung oder unterdrücken sie ganz. Zu den weichen Ionisierungsmethoden zählen solche mit Photonen. Im hier beschriebenen System werden zwei Varianten der Photoionisierung (PI) verwendet: die resonanzverstärkte Multiphotonenionisierung (Rempi)3) und die Einphotonenionisierung (SPI).4,5)Rempi ionisiert organische Moleküle durch intensive UV-Laserpulse. Dies erfordert mindestens zwei Photonen (Abbildung 2). Die Absorption des ersten Photons überführt das Molekül in einen elektronisch angeregten Zwischenzustand. Ist dieser langlebig genug, liefert die Absorption eines zweiten Photons der gleichen Wellenlänge die Energie für die Ionisierung. Dies erfordert eine ausreichend hohe Photonendichte, diese liefern intensive Nanosekunden-Laserpulse. Dieses Ionisierungsschema macht Rempi zu einer sehr selektiven Ionisierungsmethode, denn nur Moleküle, die bei der eingestrahlten Wellenlänge den angeregten Zwischenzustand erreichen, gelangen anschließend in das Ionisierungskontinuum. Bei der hier verwendeten Wellenlänge von 266 nm werden nur aromatische Moleküle ionisiert.Rempi ist nicht nur selektiv, sondern auch äußerst empfindlich: Die Methode erreicht Nachweisgrenzen im niedrigen ppb-Bereich, bei entsprechend angepasster Wellenlänge sogar im ppt-Bereich.6,7)Die SPI-Methode ist umfassender als Rempi. Bei SPI ionisiert ein Photon ein Molekül (Abbildung 2). Dafür muss das Photon eine höhere Energie haben als bei Rempi, es werden hier Vakuum-UV-Photonen einer Wellenlänge von 118 nm verwendet. Diese entstehen aus gepulster Laserstrahlung mit 355 nm Wellenlänge durch Frequenzverdreifachung in einer Xenonzelle.<figure><img src="https://media.graphcms.com/qqPoxAmNSQC9GW7WCvRD"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Ionisierungsschemata für SPI und Rempi.</figcaption></figure>
Sowohl Photonen mit 266 nm als auch die mit 355 nm Wellenlänge stellt ein Neodym-YAG-Festkörperlaser bereit. So lassen sich beide Ionisierungsmethoden im gleichen experimentellen Aufbau betreiben.SPI ionisiert grundsätzlich alle Moleküle, deren Ionisierungsenergie kleiner als die Photonenenergie von 10,5 eV ist. Neben aromatischen Molekülen sind somit viele aliphatische Kohlenwasserstoffe, Carbonyle sowie Stickstoff und Schwefel enthaltende Verbindungen zugänglich.Der Laser wird mit einer Frequenz von 10 Hz betrieben. Ein schnelles Flugzeitmassenspektrometer als Massenanalysator kann damit theoretisch alle 100 ms ein Spektrum aufnehmen. Üblicherweise werden zehn Spektren gemittelt, sodass die Analyse der von der TA freigesetzten Gase eine Zeitauflösung von 1 s hat.<h2>Tausende Einzelkomponenten</h2>Erdöl ist ein komplexes Gemisch aus Kohlenwasserstoffen, das viele tausend Einzelkomponenten enthält. Die Hauptbestandteile sind Alkane, Cycloalkane und aromatische Kohlenwasserstoffe. Daneben kommen in geringerem Maße Verbindungen mit Heteroatomen vor, wobei schwefelhaltige Spezies den größten Anteil stellen.Erdöl ist momentan einer der wichtigsten Energieträger. In den kommenden Jahrzehnten wird die Nutzung von nicht konventionellen Erdölen mit einem größeren Anteil an schweren, hochmolekularen und höher siedenden Fraktionen zunehmen. Damit steigen die Anforderungen an Förderung, Lagerung und Verarbeitung in der Raffinerie.Die Mineralölindustrie braucht aus wirtschaftlichen Gründen eine möglichst genaue Aufschlüsselung der Rohölbestandteile. Aber auch, um die Auswirkungen der Erdölverarbeitung auf die Gesundheit von Menschen und die Belastungen für die Umwelt einzuschätzen, sind bessere analytische Informationen erforderlich. Denn nichtkonventionelle Erdöle enthalten höhere Anteile toxischer polyaromatischer Verbindungen, von denen einige als krebserregend und erbgutverändernd gelten.<h2>Flüchtige Substanzen und Zersetzungsprodukte</h2>Die TA-MS-Kopplung mit Photoionisierung (TA-PIMS) trennt die Bestandteile einer Erdölprobe. Die flüchtigeren Bestandteile trennt das Verfahren nach Siedepunkten.8) Hochmolekulare Bestandteile erfasst die TA-PIMS bei hohen Temperaturen über ihre Zersetzungsprodukte. Somit simuliert die TA-PIMS bei der Messung den klassischen Prozess der Rohölraffination: Während des Aufheizens sieht man zuerst die temperaturabhängige Veränderung der Destillatzusammensetzung und dann die Produkte des thermischen Crackens (Pyrolyse) der schwerflüchtigen Fraktionen. Dabei läuft das TA-PIMS-Gerät prinzipiell auch unter reduziertem Druck (Vakuumdestillation).Abbildung 3 zeigt zweidimensionale Konturplots, sie geben einen Überblick über die gesamte massenspektrometrische Charakterisierung der bei der thermischen Analyse einer Erdölprobe freigesetzten gasförmigen Verbindungen. Dabei sind die MS-Signale mit der Einheit Masse zu Ladung, m/z gegen die schrittweise erhöhte Temperatur (Steigerungsrate 10 K·min–1) dargestellt.Das obere Bild in Abbildung 3 zeigt die Ionisierung mit Rempi, hier ist das aromatische Muster zu sehen. Im unteren Bild erfolgte die Ionisierung mit SPI und somit sind zusätzlich die aliphatischen Kohlenwasserstoffe zu erkennen. Mit beiden Ionisierungsarten erreicht man eine typische Zweiteilung der Signalverläufe: Bis 350 °C verdampfen vorwiegend Kohlenwasserstoffe des Öls, und die homologen Reihen aliphatischer und aromatischer Kohlenwasserstoffe erscheinen aufgrund ihrer mit der Molekülgröße steigenden Siedetemperatur nacheinander im Spektrum. Zwischen 350 und 500 °C treten wieder kleinere Spezies auf. Dabei handelt es sich um pyrolytische Zersetzungsprodukte von schwerflüchtigen, nicht verdampfbaren Strukturen.<figure><img src="https://media.graphcms.com/ebeCbQ8VSxiXhjICABS0"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Zweidimensionale Konturplots der MS-Detektion der Thermischen Analyse der freigesetzten gasförmigen Verbindungen einer Erdölprobe. Oben: Rempi-MS, unten: SPI-MS.</figcaption></figure>
Prinzipiell lässt sich nun bei jeder Temperatur das zugehörige Massenspektrum erzeugen. Mit Rempi (Abbildung 4, rechts) zeigt das Massenspektrum im Verdampfungsbereich die homologe Reihe der Phenanthrene. Bei niedrigeren Temperaturen ist die entsprechende Reihe der Naphthaline gut sichtbar. Mit SPI erscheinen homologe Reihen der Alkane und Naphthene. Da bei dieser Temperatur die Naphthaline bereits verdampft sind, lassen sich auch Nonane eindeutig zuordnen, die ansonsten von den isobaren Naphthalinen nicht zu unterscheiden wären.<figure><img src="https://media.graphcms.com/SbAcf4wkTleGBDT2Jdiy"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Rempi-MS- (links) und SPI-MS-Spektren (rechts) bei zwei Temperaturen. Bei 274 °C dominiert die Verdampfung von Erdölkomponenten, bei 460 °C werden vorwiegend pyrolytische Zersetzungsprodukte schwerflüchtiger Bestandteile detektiert.</figcaption></figure>
In den Spektren bei 460 °C sind die pyrolytischen Vorgänge nachvollziehbar. Im Rempi-Massenspektrum erscheinen zwar immer noch schwerflüchtige Aromaten, jedoch zeigen sich wieder Naphthaline, die im Spektrum aus dem Verdampfungsgebiet nicht zu sehen sind. Die Naphthaline stammen aus hochmolekularen aromatischen Strukturen des Öls.Im SPI-Massenspektrum bei 460 °C ist eine homologe Reihe von Alkenen erkennbar, beginnend mit Propen. Die Alkene sind typische Pyrolyseprodukte gesättigter Kohlenwasserstoffe.<h2>Teersand, Biodiesel, Kunststoff</h2>TGA-PIMS-Messungen zeigen auch den Freisetzungsprozess von destillierbaren oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen aus Öl- und Teersänden oder Kerogen-Muttergestein, etwa für Ausbeutebestimmungen. Dabei verbessert eine schnelle GC-Kopplung zwischen thermischer Analyse und Massenspektrometrie die Trennung isobarer Verbindungen. Mit einem Modulator erreicht die Messung Retentionszyklen zwischen 30 Sekunden und einer Minute, eine ausreichende Zeitauflösung für die thermisch freigesetzten Komponenten.9) Die Daten aus der thermischen Analyse selbst wie Massenverlust und Enthalpieänderungen stehen für Interpretationen der Messung ebenfalls zur Verfügung.Die TA-MS-Kopplung mit Photoionisierung eignet sich auch für andere Applikationen. Neben Rohöl lassen sich dessen raffinierte Produkte wie Heizöl und Diesel mit und ohne Bioanteil untersuchen.Weitere Anwendungen für die TA-MS finden sich in der Lebensmittelananalytik,10) und sie eignet sich auch zur Untersuchung von Kunststoffen11) und festen Brennstoffen wie Kohle und Holz.12)Photoionisationsmassenspektrometer für Forschung und Industrie sind über Photonion, Schwerin, kommerziell verfügbar, eine Ausgründung des Helmholtz-Zentrums München und der Universität Rostock. Die TA-PIMS-Technik ist in Kooperation mit den Geräteherstellern Netzsch und Photonion mit Unterstützung der Bayerischen Forschungsstiftung weiterentwickelt worden und ist auf dem Weg zur Marktreife.<h2>Quergelesen</h2>Um herauszufinden, welche Komponenten eines Gemischs während der Thermischen Analyse (TA) verdampfen oder sich zersetzen, wird sie mit Massenspektrometrie gekoppelt.Damit aliphatische Kohlenwasserstoffe im Erdöl nicht zu stark fragmentieren, werden sie im Massenspektrometer mit Photonen ionisiert statt mit Elektronen wie der bei TA-MS üblich.Die TA, gekoppelt mit Photoionisationsmassenspektrometrie (TA-PIMS), simuliert den Vorgang der Rohölraffination.TA-PIMS charakterisiert auch nichtkonventionelle Erdöle wie Teersand sowie Biodiesel, Kunststoffe oder Lebensmittel.<h2>Vitakasten</h2>Thorsten Streibel studierte Chemie an der Universität Karlsruhe (TH). Nach seiner Promotion in chemischer Technik im Jahr 2002 wechselte er an das Helmholtz-Zentrum München und die Universität Augsburg. Seit dem Jahr 2008 arbeitet Streibel an der Universität Rostock und kooperiert weiterhin mit dem Helmholtz-Zentrum München. Seine Haupttätigkeitsgebiete sind die Charakterisierung von Pyrolyse- und Verbrennungsemissionen auf organische Spurenstoffe sowie die Analyse von Brennstoffen.<div><img src="https://media.graphcms.com/3d9HGSqMRPe0dd4UEtzF">

</div>Anne Ulbrich studierte von 2010 bis 2015 Chemie an der Universität Rostock. Sowohl für die Bachelor- als auch für die Masterarbeit beschäftigte sie sich mit der Online-Photoionisations-Flugzeitmassenspektrometrie. Seit Oktober 2015 untersucht sie im Arbeitskreis von Ralf Zimmermann für ihre Doktorarbeit Kraftstoffablagerungen mit Thermogravimetrie, gekoppelt an ein Photoionisations-Flugzeitmassenspektrometer.<div><img src="https://media.graphcms.com/g3ziRGGlSpac9ZM9FBc1">

</div>Christoph Grimmer hat von 2010 bis 2015 in Rostock Chemie studiert und sich auf Katalyse und organische Synthese spezialisiert. Seit dem Jahr 2016 promoviert er über die Charakterisierung von komplexen Stoffgemischen mit Thermogravimetrie-Photoionisationsmassenspektrometrie.<div><img src="https://media.graphcms.com/Eg5uNJeTFq3rFqguNrPd">

</div>Mohammad Reza Saraji-Bozorgzad studierte nach dem Abschluss seines Ingenieurstudiums an der Fachhochschule München Physik und Physikalische Technologie an der TU Clausthal-Zellerfeld. Seine Promotion fertigte er am Helmholtz-Zentrum München an. Saraji-Bozorgzad ist in der Abteilung Forschung und Entwicklung von Photonion für Grundlagenforschung und Entwicklung neuer Produkte für TA-MS verantwortlich.Ralf Zimmermann hat den Lehrstuhl für analytische Chemie am Institut für Chemie der Universität Rostock inne und leitet die Arbeitsgruppe „Comprehensive Molecular Analytics“ am Helmholtz-Zentrum München, die zusammen das „Gemeinsame Massenspektrometrie-Zentrum“ bilden. Nach der Promotion im Jahr 1995 habilitierte er sich 2001 an der TU-München und wurde auf die Professur für analytische Chemie an die Universität Augsburg berufen. Im Jahr 2008 nahm er den Ruf nach Rostock an. Er ist Mitgründer der Ausgründung Photonion in Schwerin und leitet seit dem Jahr 2012 das „Virtuelle Helmholtz Institut HICE-Aerosol and Health“. In seiner Forschung befasst er sich mit Massenspektrometrie und multidimensionalen Trennverfahren und untersucht komplexe molekulare Systeme sowie anthropogene Luftverschmutzung durch Aerosole und Feinstäube.<div><img src="https://media.graphcms.com/OwpAE3xSHCHjoMpyhy57">

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8 R. Geissler, M. Saraji-Bozorgzad, T. Grögr et al., Anal. Chem. 2009, 81, 6038.</li><li>
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10 M. Fischer, S. Wohlfahrt, J. Varga, et al., J. Therm. Anl. Calorim., 2014, 116, 1461.</li><li>
11 M. Saraji-Bozorgzad, R. Geissler, T. Streibel et al., Anal. Chem. 2008, 80, 3393.</li><li>
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