Vanillin – die Herstellung aus Holz

 

Chemie | Biochemie | Medizin

 

Ramon Hügli, 2000 | Brislach, BL

 

Vanille-Aroma ist nicht gleich Vanille-Aroma. Der Aromastoff Vanillin wird meist synthetisch auf der Basis verschiedener Rohstoffe hergestellt. Ein nachhaltiger Ausgangsstoff ist das Holz oder, besser gesagt, das Nebenprodukt der Papierherstellung, die Sulfitablauge. Die Synthese wird bereits von Firmen selektiv durchgeführt. Es gibt jedoch keine Publikationen, die den kompletten Prozess beschreiben. Genau dieser Transfer der Prozessentwicklung auf Labormasstab war Ziel dieser Arbeit. Vanillin wurde dazu aus Ligninsulfonsäure hergestellt und charakterisiert. Dieses polydisperse Edukt wurde durch eine Oxidation unter basischen Bedingungen aufgebrochen und das Monomer Vanillin so freigesetzt. Dieses Produkt konnte extrahiert, gereinigt und charakterisiert werden. Nach einigen Optimierungsansätzen konnte die anspruchsvolle Aufarbeitung verbessert und Vanillin aus Ligninsulfonsäure mit 0,4 Prozent Massenausbeute erhalten werden. Die NMR- und LCMS-Untersuchung bestätigten die Produkte in hoher Reinheit.

Fragestellung

Aufgrund der fehlenden öffentlichen Beschriebe der kommerziellen Methoden, die den kompletten Prozess wiedergeben, soll in dieser Arbeit die Fragestellung «Welche Prozesse führen vom Holz zum kristallinen Stoff Vanillin?» untersucht und beantwortet werden.
Diese Schritte sollen als Ganzes dargestellt und im Labormassstab durchgeführt werden.

Methodik

Das Konzept umfasste drei Teile: eine Recherche der Methoden als Theorieteil, eine Durchführung dieser Methoden im Labormassstab und die Charakterisierung der Produkte mittels Dünnschichtchromatographie (DC), LCMS und NMR.
Aufgrund zeitlicher Einschränkungen wurde von der praktischen Untersuchung der Gewinnung von Ligninsulfonsäure aus Holz abgesehen und direkt die Umsetzung von Ligninsulfonsäure zu Vanillin untersucht.
Dazu wurde kommerziell erhältliche Ligninsulfonsäure (20 g) unter basischen Bedingungen in einer wässrigen Lösung für 1 Stunde mit dem Katalysator Kupfersulfat gekocht. Das erhaltene Gemisch wurde nun zentrifugiert und die flüssige Phase separiert. Anschliessend konnte das Vanillin durch eine Ansäuerung (pH 8) ausgefällt werden. Nach Zugabe von Diethylether als Lösungsmittel wurde das Gemisch eingefroren. Im Anschluss an das Auftauen und einer weiteren Zentrifugation konnte man die Etherphase abdestillieren. Die Rückstände wurden durch eine Kieselgel-Säulenchromatographie und Dichlormethan als Fliessmittel gereinigt. Die eingeengten Proben konnten durch eine DC charakterisiert werden. Weiterführende, analytische Resultate lieferten die NMR-Spektroskopie und die LCMS-Untersuchung durch Herrn Hagmann in der Syngenta.
Im Rahmen der Arbeit wurde auch Vanillinsäure, das als Nebenprodukt der Oxidation von Ligninsulfonsäure entstehen kann, als Referenzsubstanz bei der DC in einer Ausbeute
von 59 Prozent, ausgehend von Vanillin, synthetisiert.

Ergebnisse

Nach der Destillation des Diethylethers wurde ein öliger, oranger Rückstand mit einer Masse von 80 Milligramm erhalten (0,4 % Massenausbeute). Das Vanillin konnte nicht kristallin erhalten werden. Die Geruchsprobe und die DC deutete neben wenigen Verunreinigungen auf Vanillin hin. Die NMR bestätigte dann das Vanillin und zeigte, dass die Probe eine äusserst hohe Reinheit aufweist. In der LCMS-Untersuchung konnte lediglich ein Nebenprodukt der Ligninspaltung identifiziert werden, das Acetovanillin. Die Vanillinsäure-Entstehung konnte nicht nachgewiesen werden. Die synthetisierte Vanillinsäure wies ebenfalls eine hohe Reinheit auf, und die Struktur konnte per NMR nachgewiesen werden. Der Stoff wurde also eindeutig in der Probe identifiziert.

Diskussion

Der Prozess brachte insgesamt einige Schwierigkeiten, vor allem in der Aufarbeitung, und beanspruchte viel Zeit. Für die quantitative Herstellung ist das Verfahren im Labor nicht geeignet. Problematisch ist bereits die Qualität des Ausgangsstoffes, ausgehend vom polydispersen, heterogenen Gemisch der Ligninsulfonsäure. Die ursprüngliche Fragestellung kann teilweise beantwortet werden. Mit diesem Prozess ist es möglich, Vanillin herzustellen, wenn auch nur in kleinen Mengen und nicht kristallin.

Schlussfolgerungen

Es wurde eindeutig gezeigt, dass diese Synthese nicht nur in grossen industriellen Laboren machbar ist, sondern auch in einem gewöhnlichen Schullabor. Weitere Untersuchungen könnten nun zusätzlichen Reinigungsschritten gewidmet werden. Ein Augenmerk sollte dabei auf dem Acetovanillin liegen, das einzige Nebenprodukt, das in die finale Probe gelangt ist. Weiter würde die Gewinnung von Ligninsulfonsäure aus Holz durchgeführt werden. Zusätzlich könnte versucht werden, Vanillin in seiner reinen, kristallinen Form zu gewinnen.

 

 

Würdigung durch den Experten

Dr. Rolf Schütz

Ramon Hügli setzt in seiner Synthesearbeit das aktuelle Thema Nachhaltigkeit geschickt um. Er versucht die industriellen Produktionsschritte von Vanillin aus der erneuerbaren Ressource Holz für das Schullabor abzubilden. Die Herausforderung besteht darin, aus einem heterogenen Abfallprodukt kristallines Vanillin herzustellen. Trotz Rückschlägen ist es ihm gelungen, eigenständig ein Optimum herauszuholen. Die ansprechende Arbeit besticht durch sorgfältige Recherche und genaue Beobachtungen, zeugt von kritischer Reflektion und Durchhaltewillen – wertvolle Eigenschaften für das weitere Studium!

Prädikat:

sehr gut

 

 

 

Gymnasium Laufental-Thierstein
Lehrer: Dr. Peter Sandmeier