Herstellung und Reinigung von Acetylsalicylsäure (Aspirin®)

- Inhaltsverzeichnis -

1. Edukte (Salicylsäure, Essigsäureanhydrid) und Produkte (ASS mit Geschichte, Verwendung und Wirkungsweise)

·         Durchführung

·         Beobachtung

·         Deutung

2. Reaktionsgleichung & Reaktionsbedingungen

3. Reaktionsmechanismus

4. Umkristallisation

5. Reinheitsgradbestimmung mit Schmelztemperatur

1.    Edukte

  Produkt

Geschichte der Acetylsalicylsäure (ASS)

Die Geschichte der Acetylsalicylsäure (auch Aspirin) reicht mehr als 3500 Jahre bis in das Zeitalter der alten Ägypter zurück. Diese verwendeten einen Aufguss aus trockenen Myrteblättern, der zu den Heilrezepten von 150 v. Chr. zählt, z. B. gegen Rückenschmerzen. Ca. 850 n. Chr. wurden nach Anweisung von Hippokrates von Kos Rinde und Blätter des Weidenstrauches zur Schmerzlinderung genutzt.

Die Rinde und Blätter der Silberweide (salix alba) wurden außerdem schon von den Griechen und Römern (gegen Epilepsie) und bei den Germanen und Kelten eingesetzt.

Salicylsäure ist aber nicht nur in Weidenbaumrinde, sondern auch in Bibergeil (auch Castoreum) enthalten. Dieses wurde bis ins 19. Jhdt. gegen viele Beschwerden wie z.B. Krämpfe eingesetzt.

Während des Mittelalters wurde das Naturheilmittel Salicylsäure eine Zeit lang nicht mehr verwendet, da die Blätter und Rinde der Weiden nicht mehr bezogen werden durften. Anstattdessen musste die Säure aus der in Peru wachsenden Chinarinde bezogen, also importiert werden.

All diese Heilmittel ähnelten dem Aspirin von heute schon sehr durch die Ähnlichkeit mit der synthetischen ASS.

1806 wurde das Naturheilmittel aufgrund der von Napoleon herbeigeführten        Kontinentalsperre wieder verwendet.

1828 war das Entstehungsjahr von Salicin, welches von J.A.BUCHNER entdeckt wurde.

1838 wurde aus Salicin die Salicylsäure, weiterentwickelt von R.PIRIA.

1853 war das Entstehungsjahr von Acetylsalicylsäure, hergestellt von C.F.GERHARDT. Aufgrund dessen, dass die Säure nicht haltbar war, konnte sie als Medikament nicht gebraucht werden.

1859 wurde die Struktur der Salicylsäure - synthetisierbar aus Phenol, Kohlendioxid und Natron - von H.KOLBE ermittelt.

1874 war der Beginn der industriellen Herstellung von Salicylsäure und dessen Verwendung als käufliches Medikament. Die Kosten für diese großtechnische Herstellung verringerten sich auf 10 % der ursprünglichen Herstellungsweise, dennoch war das Problem der damit auftretenden Nebenwirkungen und des bitteren Geschmackes längst nicht gelöst.

Am 10. August 1897 wurde ASS erstmals von FELIX HOFFMANN chemisch rein und haltbar hergestellt, obwohl sie wahrscheinlich schon früher von ARTHUR EICHENGRÜN hergestellt worden war.

1899 wurde ASS von BAYER als erstes Medikament nach klinischen Tests durch ein Warenzeichen geschützt. HOFFMANN war zu dieser Zeit Leiter der Marketing-Abteilung, EICHENGRÜN der Leiter der pharmazeutischen Abteilung. Der Name Aspirin setzt sich aus dem A der Acetylsäure, der Silbe spir der Spirsäure und der geläufigen Endung für Medikamente, in, zusammen.

Am 27. Februar 1900 wurde Aspirin in den USA unter Patentschutz gestellt und ist seitdem als Heilmittel auf dem Weltmarkt sehr bekannt.

1918 wurden die Markenrechte von der Firma Sterling Drug – begünstigt durch den Versailler Vertrag - aufgekauft.

In den 1950ern wurden die Exklusivrechte am Namen Aspirin aufgehoben.

1994 wurde Sterling Drug von BAYER für 1 Milliarde Dollar aufgekauft, Bayer verkauft demnach Bayer Aspirin wieder in den USA.

Hoffmann's Laborblatt vom 10.August 1897, der Geburtsschein für ein Medikament, das die Welt erobert hat.

Quelle:  http://www.aspirin.com/pioneers_de.html

Verwendung und Wirkungsweise der Acetylsalicylsäure

Die Aspirin bzw. die Acetylsalicylsäure wird aus der Wiesenspierstaude gewonnen, die eine schmerzstillende Pflanze ist. Früher wirkte sie ziemlich negativ, da das Volk nicht an ein solches Mittel gewöhnt war. Zum einen bekamen sie Reizungen und zum anderen kam es zu Blutungen der Magen- und Darmschleimhaut. Hauptsächlich enthält Aspirin Acetylsalicylsäure, Zitronensäure und Natriumhydrogencarbonat. Die reine Acetylsalicylsäure unterscheidet sich kaum in der Wirkung von eines ihrer Salze, da im Magen ein saures Milieu herrscht, worin das Salz schnell wieder in die Säure zurückverwandelt wird. Jedoch verwendet man oft eines der Salze, weil z.B. Natriumsalz verträglicher ist. Dies liegt daran, dass kleine Kristalle die Magenschleimhaut mehr reizen als die großen Kristalle der reinen Acetylsalicylsäure. Aspirin hat aber auch negative Seiten. Das bedeutet, dass es auch Nebenwirkungen geben kann, die erhebliche Folgen haben. Es ist nämlich schon vorgekommen, dass Kinder mit Windpocken oder grippalen Infekten nach der Einnahme von Aspirin gestorben sind. Außerdem vermutet man, dass die Acetylsalicylsäure gut gegen Herzinfarkte, Thrombosen, Krebs, grauer Star und die Senilität wirkt. Also kann es eine Vielfalt von Krankheiten abwehren. Zusätzlich ist Acetylsalicylsäure dazu fähig die roten Blutkörperchen nicht verklumpen zu lassen, dadurch verhindert wird, dass gewisse Stoffe nicht vom Körper produziert werden, die für das Verklumpen zu. Außerdem ist es bekannt, dass das Gehirn durch die Acetylsalicylsäure viel besser mit Sauerstoff versorgt wird. Beim grauen Star werden Dank der Säure die Protein-Moleküle zerstört, die für das Vertrüben der Augen verantwortlich sind.

Aspirin wirkt auch, indem sie Enzyme hemmt, die die Produktion von Prostalglandinen steuert. Prostaglandine sind für die Verdauung, Die Funktion der Niere und den Blutkreislauf zuständig. Sie haben auch die Aufgabe Schmerzsignale auszulösen.

Versuch: Die Herstellung und Reinigung von Acetylsalicylsäure

Material

Geräte:  Waage,    2 Erlenmeyerkolben (250 ml),    Tropfpipette,    Stativmaterial, Dreifuß,    Brenner,    Thermometer,    Keramikdrahtnetz,    Saugflasche, Nutsche,    Rundfilter,    Wasserstrahlpumpe,    Vakuumschlauch, Trockenschrank oder Exsikkator oder Heizung,    Eisbad,    Reagenzgläser, Reagenzglashalter,    Messzylinder

Chemikalien:   - Salicylsäure (Xn, gesundheitsschädlich)  

                        - Essigsäureanhydrid (Ethansäureanhydrid) (C, ätzend)    

                        - konzentrierte Schwefelsäure (w = 96% ; C, ätzend)   

                        - destilliertes Wasser          

Sicherheits- und Entsorgungshinweise  

Der Versuch darf nur mit Schutzbrille und im Abzug (oder Rückflusskühler) durchgeführt werden. Das Filtrat (von Schritt 6) wird neutralisiert und in den Behälter für flüssige organische Abfälle gegeben. Die Acetylsalicylsäure (Endprodukt) wird in den Behälter für feste organische Substanzen gegeben.

Durchführung 

4)   Der Erlenmeyerkolben wird zunächst in kaltem, dann in Eiswasser gekühlt. Der Rückflusskühler kann entfernt werden (Abb. 1.                                                                 

5)   Der gesamte Inhalt wird in ein Becherglas mit 400 ml Wasser gegeben und bis zum Sieden erhitzt. Dabei lösen sich die Kristalle auf und kristallisieren beim Abkühlen (wie unter 4 beschrieben) wieder aus (Umkristallisieren).    

6)   Die Kristalle werden abgenutscht und zweimal mit Eiswasser gründlich ausgewaschen (Abb.2-5). 

    Abb. 1

    Abb. 2

    Abb. 3

    Abb. 4

7)   Das Trocknen erfolgt im Trockenschrank ( 15 min bei 80°C) oder über Phosphorpentoxid (mehrere Tage im Exsikkator) oder auf der Heizung.

Beobachtung

zu 1)   Mischt man das weiße Pulver Salicylsäure mit Essigsäureanhydrid, einer klaren farblosen nach Essig riechenden Flüssigkeit, entsteht ein fast vollständig homogenes Gemisch von gelblich bis hellbeige Farbe. Die Konsistenz ist milchähnlich. Hört man auf umzurühren, setzt sich weißes Pulver am Boden des Kolbens ab; oben bleibt farblose Flüssigkeit zurück. Am Glasrand befinden sich Rückstände des Pulvers.

zu 2)   Bei der Zugabe von Schwefelsäure gibt es keine sichtbaren Veränderungen. Wenn man die Lösung im Wasserbad erwärmt, beschlägt zwar der Kolben, ansonsten passiert die ersten Minuten nichts.

zu 3)   Nach etwa 3 min auf 60 °C schmelzen die weißen Rückstände am Glasrand und farblose Tropfen laufen nach unten. Danach scheint das Gemisch sich nicht mehr zu verändern. Beim Umrühren stellt man allerdings fest, dass das Pulver eine feste Masse wurde, die sich nun erst in Form von Brocken, dann in Partikeln in der Flüssigkeit verteilt. Schließlich hat sie sich vollständig aufgelöst. Es ist eine homogene farblose Lösung entstanden, die stark nach Essig riecht.

zu 4)   Kühlt man den Kolben in kaltem Wasser, sinkt die Temperatur der Lösung, ansonsten geschieht nichts. Erst in Eiswasser entstehen nach einiger Zeit weiße Partikel und werden immer zahlreicher. Am Ende bleibt nur noch weißer klebriger Feststoff übrig.

zu 5)   Gibt man den Feststoff in ein Becherglas mit Wasser, bleibt er auf dem Grund liegen und vermischt sich nicht. Nur einige vereinzelte Partikel schwimmen im Wasser. Beim Umrühren löst er sich auf und die Lösung wird weiß und trüb. Lässt man sie wiederum stehen, setzt der Feststoff sich erneut bis auf einige Partikel unten ab.

            Wenn man das Gemisch nun erhitzt, wächst die Anzahl der Partikel stetig. An der Oberfläche bildet sich etwas, das aussieht wie weißer Schaum, wobei dieser in der Mitte eine Wölbung macht und am Glasrand eher dünn bis überhaupt nicht vertreten ist. Am Boden des Kolbens setzen sich wenige verirrte Partikel ab. Dann wird die Flüssigkeit langsam klarer, da die Partikel sich zu größeren Klumpen sammeln, die sich an der Oberfläche anlagern. Schließlich ist am Glasboden kein Feststoff mehr; er hat sich vollständig an der Oberfläche abgesetzt. Doch auch diese Ablagerung löst sich kurz darauf auf und wiederum bleibt eine klare farblose Flüssigkeit zurück. 

           Beim Kühlen wird die Flüssigkeit wieder trüb und weißlich und aufs Neue entstehen weiße Partikel. In Eiswasser wird die Lösung zunehmend weißer und minimal zähflüssig. Beim Rühren bildet sich an der Oberfläche Schaum. 

zu 6) Nutscht man die Lösung ab, tropft anfangs nur klare farblose Flüssigkeit in den Zylinder, dann jedoch fließt weißer Schaum hinein. Der Rückstand im Filter ist ein weißes klebriges Pulver.

           In Wasser zerfällt das Pulver zuerst in Brocken, dann in kleine Partikel. Das Gemisch ist weiß. Gibt man Eis hinzu, verändert sich es sich nicht.

           Nach dem zweiten Nutschen bleibt weniger Pulver zurück. Auch der Essiggeruch hat abgenommen. 

           Nach dem dritten und letzten Mal enthält der Filter nur noch Brocken  weißen Pulvers.

zu 7)  Diese werden nun in ein Becherglas gegeben und zerkleinert. Es entsteht etwas, das wie leicht klumpiger Puderzucker aussieht. Das Pulver trocknet nach und nach und nimmt die Konsistenz von Waschpulver an. Der zurückgebliebene Essiggeruch ist minimal.

Deutung

-       Zugabe der Schwefelsäure: Die Schwefelsäure dient als Katalysator.

-       Rückflusskühler: Ein Rückflusskühler ist notwendig, damit entweichende Gase kondensieren und wieder zurückfließen. Wenn kein Rückflusskühler aufgesetzt wird könnten stark riechende bis giftige Gase entweichen.

-       Erwärmen und Abkühlen: Das Gemisch wird erwärmt, um eine homogene Lösung zu erhalten. Die Abkühlung dient dazu, dass man das Reaktionsprodukt in kristalline (feste) Form bringt.

-       Umkristallisation: Wenn man das Gemisch erhitzt, löst sich die ASS vollkommen im Wasser. Dabei werden auch Verunreinigungen gelöst. Während des Abkühlens geht die ASS wieder in die kristalline Form über, während manche Verunreinigungen gelöst bleiben. Wen man das Wasser dann abfiltriert, werden die Verunreinigungen gleichzeitig weggespült.

-       Abnutschen: Die ASS wird mit Wasser gemischt und wieder abgenutscht, damit sich weitere Verunreinigungen lösen.

-       Trocknen: Da Wasser ebenfalls als Verunreinigung gilt, muss dieses möglichst vollständig entfernt werden.

-       Schmelztemperatur: Da die Schmelztemperatur zweier vermischter Stoffe immer niedriger ist als die von einem der beiden Stoffe, kann man durch eine sinkende Schmelztemperatur auf den Grad der Verunreinigung schließen.

2.    Reaktionsgleichung & Reaktionsbedingungen

                  Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Acetylsalicyls%C3%A4ure

Reaktionsbedingungen sind Temperaturen von 60°C bis 70°C, da die Salicylsäure bei kaltem Wasser nur gering löslich ist und Reaktionen generell besser unter Wärmezufuhr stattfinden. Auch ist ein Säurekatalysator, hier die konzentrierte Schwefelsäure, notwendig, da die Reaktion ansonsten nur sehr langsam verläuft.

             Quelle: http://www.hschickor.de/aspirin.htm

4.   Umkristallisation

Bei der Reinigung von Acetylsalicylsäure findet eine Umkristallisation statt, welche ein Reinigungsverfahren ist, mit dem reines ASS als Endprodukt 
Diese Umkristallisation kann nicht mit Reaktionen dargestellt werden, da sie keine Reaktion ist. Sie beschreibt das Auskristallisieren eines Feststoffes aus übersättigter Lösung.

Wenn man das Gemisch erhitzt, löst sich die ASS vollkommen im Wasser. Dabei werden auch Verunreinigungen gelöst. Während des Abkühlens geht die ASS wieder in die kristalline Form über, während manche Verunreinigungen gelöst bleiben. Wen man das Wasser dann abfiltriert, werden die Verunreinigungen gleichzeitig weggespült.

5.   Reinheitsgradbestimmung mit Schmelztemperatur

Die Schmelztemperatur von Salicylsäure und dem erhaltenen Produkt werden bestimmt. Dazu füllt man etwas von der Substanz in eine Kapillare und bringt sie in den seitlichen Ansatz des Schmelzpunktbestimmungsapparats (oder Zweihalskolben). Zur Sicherheit sollte man das Reagenzglas mit einer Apparaturklemme sichern. Es ist aber auch möglich, das Reagenzglas an ein Thermometer zu binden und diese zusammen in einem mit Öl gefüllten Becherglas zu erwärmen. Die Schmelztemperatur von reiner Acetylsalicylsäure liegt bei 136°C. Das Produkt ist umso reiner, je näher die bestimmte Schmelztemperatur an der für ASS heranreicht.

Unsere Acetylsalicylsäure begann bei 122°C zu schmelzen. Bei 136° waren jegliche weißen Brocken verschwunden; der Inhalt des Reagenzglases war eine farblose klare Flüssigkeit.

Last but not least – das Team

Bettina	Julian	Kamilla	Julia	Marc	Svenja

Links zum Fach Chemie:

• http://www.chemie-master.de/

• http://seilnacht.tuttlingen.com/ 

• http://dc2.uni-bielefeld.de

• http://www.u-helmich.de/che/