Die Bildung ligninähnlicher Stoffe unter physiologischen Bedingungen

10 Pages·1949·0.288 MB·German

by  Karl Freudenberg (auth.)

Si tzungsberich te
der Heidelberger Akademie der Wissenschaften
Mathematisch-naturwissenschaftliche Klasse
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Jahrgang 1949, 5. Abhandlung
Die Bildung
ligninahnlicher Stoffe unter
physiologischen Bedingungen
Von
Karl Freudenberg
Heidelberg
Vorgetragen in der Sitzung vom 6. November 1948
Heidelberg 1949
Springer-Verlag
ISBN-13: 978-3-540-01421-8 e-ISBN-13: 978-3-642-48035-5
DOl: 10.1007/978-3-642-48035-5
Aile Rechte, insbesondere das der Ubersetzung in fremde Sprachen,
vorbehalten.
Copyright 1949 by Springer-Verlag OHG. in Berlin, Gottingen and Heidelberg.
Softcover reprint of the hardcover 1 st edition 1949
Die Bildung ligninahnlicher Stoffe
unter physioiogischen Bedingungen.
Von
K. Freudenberg, Heidelberg.
Vorgetragen in der Sitzung vom 6. November 1948.
P. KLASON hat vor der Jahrhundertwende ausgesprochen, daB
zwischen Fichtenlignin und Coniferylalkohol (I), der als Glucosid
Coniferin im Cambialsaft der Coniferen vorkommt, eine Beziehung
bestehen diirfte. Er war sich nicht schliissig, ob der Coniferyl
alkohol oder der Coniferylaldehyd die Stammsubstanz des Lignins
sein k6nnte. Die Beweise fiir diese Ansicht blieben lange Zeit un
zureichend.
Erst in den letzten 15 J ahren ist, von einigen Zweiflern abge
sehen, Ubereinstimmung erzielt worden, daB das Fichtenlignin ein
Abk6mmling des Guajacyl-propans mit oxydierter Seitenkette ist.
In der Oxydationsstufe kommt die Seitenkette im Lignin dem
Aldehyd naher als dem Alkohol.
Wenn der Coniferylalkohol das Ausgangsmaterial fiir die Bil
dung des Lignins bei der Verholzung ist, miiBte diese demnach mit
einer Dehydrierung beginnen, die mit einer Kondensation verbun
den ist. Da der gr6Bere Teil des aromatisch gebundenen Sauer
stoffes im Lignin als Phenolather vorliegt, soilteh sich wahrend
der Kondensation Athergruppen bilden. Weiterhin miiBte von dem
Kondensationsvorgang gefordert werden, daB eine teilweise Kern
kondensation neben dem Phenolsauerstoff eintritt, da bei geeig
neter Behandlung aus dem Lignin Isohemipinsaure (II) entsteht.
Aile diese Bedingungen sind in der Uberfiihrung des Isoeuge
nols (III) in Dehydro-di-isoeugenol erfiillt. Sie wurde vor 40 Jahren
von H. COUSIN und H. HERISSEyl mit Pilzdehydrase bewerkstel
ligt. Vnter Verlust von 2 Wasserstoffatomen treten 2 Molekiile
zum Dimeren, einem Cumaranderivat2, zusammen. Ein Phenol-
1 COUSIN, H. u. H. HERISSEY: C. R. Acad. Sci., Paris 147, 247 (1908).
2 Die Formel ist unter anderem in Ber. dtsch. chern. Ges. 76, 999 (1943)
wiedergegeben.
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12·
4' K. FREUDENBERG:
hydroxyl wird verathert und die benachbarte Methingruppe durch
Kernkondensation beansprucht. In den letzten 20 Jahren ist
dieses Kondensationsprodukt immer mehr als Modellsubstanz fur
die Ligninchemie herangezogen worden.
Diese Zusammenhange haben mich vor 6 Jahren veranlaBt,
die Einwirkung von Phenoldehydrase auf Phenole zu untersuchen3,
die in Paras~c.~~ung hum HydroAy~sutstituicrtsind Das Er5'C0n~s
entsprach der Erwartung. In vielen Fallen wurden Atherbin
dungen festgestellt, auBerdem Kondensation in Orthostellung zum
Phenolhydroxyl. Haufig wurden Polymerisate von vielen dehy
drierten Einheiten erhalten. Es ist moglich, daB diese Form der
Polymerisation verbreiteter ist, als bisher angenommen wird (vgl.
Dopamelanin). Man kann sie als Polymerisation durch Dehydrie
rung bezeichnen (Dehydrierungspolymerisation).
Das Ergebnis an Phenole n ist in Kurze folgendes:
R COOH
I I
/,\ /"---
V
HOOC~)OCH3
OCH3
OH OCH3
I R = -CH=CH-CH 0H II
2
III R = -CH=CH-CH
3
IV R = -COOH
VIIIR = -CH=CH-COOH
IX R = -CH -CH ---COOH
2 2
R
A I
A
(H3CO)~)OCH3
H3Cd,,---)OCH3
OH I
o
VR = -COOH I
VII R = -CHa VI
(X) R = -CH -CH=CH
2 2
Vanillinsaure (IV) und Syringasaure (V) werden zum gro13ten
Teil decarboxyliert. Die Reste treten zu linearen Athern zusammen,
3 FREUDENBERG, K. U. H. RICHTZENHAIN: Ber. dtsch. chern. Ges. 76,
997 (1943). - RICHTZENHAIN, H,: Ber. dtsch. chern. Ges. 77, 409 (1944); 81,
260 (1948). Vgl. FREUDE1\BERG, K.: In L. ZECHMEISTER, Fortschr. d, Chern.
org. Naturstoffe, Bd. II, S. 21. Wien 1939. - Ann. Rev. Biochern. 8,
107 (1939).
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Die Bildung ligninii.b.nlicher Stoffe unter physiologischen Bedingungen. 5
die vier oder mehr Benzolkerne enthalten. Am einen Ende ist eine
Phenolgruppe, am anderen eine Carboxylgruppe erhalten geblieben,
die Mittelglieder entsprechen def Formel (VI). Methylpyrogallol
dimethyHither (VII) wird durch das Ferment an der Methylgruppe
verandert, die oxydiert oder entfernt wird. Neben monomeren
Abk6mmlingen treten dimere und polymere Kondensationsprodukte
auf. Wenn die Seitenkette 3 Kohlenstoffatome enthalt, kommt
man demLignin schon naher. Sechs Molektile Ferulasaure (VIII)
verlieren 10 AtomeWasserstoff und 2Carboxyle; hierwirkt also die
Veranderung bis zum Carboxyl hin. Zwei Athersauerstoffatome
treten auf. Dihydroferulasaure (IX) vollends verliert aus 5 Molekti
len 15 Wasserstoffatome und bildet 3 Atherbriicken; bei beiden
Satiren liefert der Abbau neben Veratrumsaure Isohemipinsaure
(II). Wie groB das Molekulargewicht der amorphen Kondensations
produkte ist, wurde nicht festgestellt.
Auch Allyl-pyrogallol-dimethylather (X) bildet unter Wasser
stoffverlust und Sauerstoffaufnahme amorphe Produkte, aus denen
in geringer Menge ein Bruchstiick isoliert wurde, das anzeigt, daB
das endstandige Kohlenstoffatom eines Molekiils mit dem Phenol
sauerstoff eines anderen verathert ist.
Der Dehydrierung unterliegen somit die Wasserstoffatome des
Phenolhydroxyls, das benachbarte Kernwasserstoffatom sowie
offenbar Wasserstoffatomean samtlichen Kohlenstoffatomen der
Seitenkette. Der Bildung der Radikale oder Chinonmethide folgt
unmittelbar die Polymerisation.
1m Besitze dieser Erfahrungen habe ich mit mehreren Mit
arbeitern die Dehydrierung des kostbaren Coniferylalkohols in An
griff genommen. Er wird aus Coniferin bereitet und den Dehy
drasen aus Speisechampignon (Psalliota campestris) im Gegensatz
zu den obigen Versuchen, die bei PH 8 ausgefiihrt waren, bei
PH 7 unter lebhafter Belliftung in waBriger L6sung von 20° aus
gesetzt. Aisbaid entsteht eine mikhige Triibung, je nach Starke
des Fermentes ist nach 1-3.Tagen das Kondensationsprodukt
ausgefallen (etwa 90 %). Es wird noch in feuchtem Zustand in
kaltem Aceton gel6st, von mitgerissenem FermenteiweiB filtriert
und mit Wasser gefallt.
Die Zusammensetzung weist gegeniiber dem Coniferylalkohol
auf den Verlust von 1,3 Atomen Wasserstoff und den Eintritt von
0,1 Atom Sauerstoff hin. Das Produkt enthalt 11,3 % acetylier-
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6 K. FREUDENBERG:
bares Hydroxyl. Es ist im folgenden als Dehydrierungspolymerisat
(des Coniferylalkohols) bezeichnet (DHP).
Das DHP kann nicht unmittelbar mit Cuproxamlignin ver
glichen werden, weil das Lignin im Holze bei der Isolierung be
kanntlich Veranderungen erleidet. Die Untersuchung hat daher
zwei getrennte Wege einzuschlagen.
Der erste besteht im Vergleich derjenigen Reaktionen des Hol
zes, die sieh aui den L~gn~nani..eii. im Hotze nchten, mit denen des
DHP. Der zweite ist der Vergleich des Cuproxamlignins mit solchen
Umwandlungsprodukten des DHP, die aus diesem unter den Be
dingungen der Darstellung des Cuproxamlignins entstehen.
Vergleich des DHP mit dem Lignin im Fichtenholze.
LaBt man eine AcetonlOsung des DHP auf lignin£reiem Filtrier
papier eindunsten, so zeigt dieses Papier mit Anilinsalzsaure und
mit Phloroglucinsalzsaure die sattgelbe bzw. violett rote Farbung
wie Holzpapier. Ein Unterschied ist weder in der Farbtiefe noch
dem Farbton wahrzunehmen.
DHP ist rahmfarben. Die Farbe wird von Diazomethan aus
gebleicht wie die des Holzes. Wie beim Lignin im Holze entsteht
die rehbraune Ligninfarbe erst beim Kochen mit Sauren. In Gegen
wart starker Salzsaure ist es tiefdunkel gefarbt.
DHP ist optisch inaktiv. Das ist verstandlich, weil die Ein
wirkung des Ferments sich auf die Bildung radikalartiger Zwischen
produkte beschrankt, deren Polymerisation ohne Mitwirkung des
Fermentes ablauft. Auch Ligninpraparate sind bisher stets optisch
inaktiv befunden worden.
DHP wird unter heiBem Wasser weich und erstarrt beim Er
kaIten. Der Vorgang ist reversibel. Lignin im Holze sowie genu
ines Lignin nach F. BRAUNS verhalt sich ebenso. Bei der De
stillation mit Schwefelsaure entstehen 1,3 % Formaldehyd. Das
Molekulargewicht betragt 820.
DHP bildet ein dem KLAsoN-Lignin entsprechendes Produkt
mit einer Ausbeute von 95 %. Es laBt sich mit Bisulfit leicht und
vollig in Losung bringen. Das Ultraviolettspektmm der gebildeten
DHP-sulfonsaure ist weder qualitativ noch quantitativ von dem
der Ligninsulfonsaure zu unterscheiden. Aucl). der Schwefelgehalt
ist bei entsprechender DarstelIung der gleiche.
DHP lost sich in Thioglykolsaure. Mit wenig Salzsaure erwarmt,
bildet es eine schwefelhaltige (15,5 % S), in NatriumkarbonatIosliche
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Die Bildung ligniniihIilicher Stoffe unter physiologischen Bedingungen. 7
Saure, die sich weder in Farbe noch Loslichkeitseigenschaften von
dem analog nach BR. HOLMBERG aus Fichtenholz hergestellten
Thioglykolsaurelignin unterscheidet. DaB letzteres etwas weniger
Schwefel (13,0%) enthalt, dad vielleicht der langsameren Auf
losung aus dem Holze zugeschrieben werden.
Durch Behandlung mit Diazomethan und nachfolgende wieder
holte Methylierung mit Dimethylsulfat und Alkali entsteht aus
DHP ein Methylierungsprodukt (33 % OCHs), das in Chloroform,
Dioxan, Aceton, kaum in MethanollOslich ist. Nach einem neuen
Vedahren aus methyliertem Holz unter sparsamster Verwendung
von Mineralsaure bereitetes Methyllignin (33,1 % OCHs) ist im
Gegensatz zu friiheren Praparaten gleichfalls in Chloroform, Aceton
und in Dioxan loslich, kaum jedoch in Methanol. Beide Methyl
produkte liefem bei geeigneter Behandlung gleiche Mengen von
Isohemipinsaure, Dehydrocliveratrumsaure nebst Veratrumsaure.
DHP ist in verdiinntem Alkali (nicht in Carbonatlosung) sowie
in Alkoholen, Aceton und Dioxan 16slich (nicht inAtherund Wasser).
In einer 30 %igen waBrigen Losung von m-xylolsulfonsaurem
Natrium lost sich DHP bei kurzem Erwarmen. Beim Verdiinnen
mit Wasser fant es augenscheinlich unverandert aus.
Es ist bekannt, daB sich das Fichtenlignin durch diese verschie
denen Mittel nicht aus dem Holze herauslosen laBt. Dafiir wird
die (vermutete) Bindung an die Kohlenhydrate des Holzes ver
antwortlich gemacht. Wenn jedoch das Lignin im Holze aus mole
kulardispersem Coniferylalkohol durch Dehydrierungspolymerisa
tion entstande, so ware es moglich, daB es nicht aus dem Gewebe
herausdiffundieren konnte, auch wenn das Ho]z noch so griindlich
zerkleinert ist. Bindung an KohIenhydrate brauchte in diesem
Fall nicht angenommen zu werden.
Es muB aber, bis das Gegenteil bewiesen ist, die Moglichkeit
im Auge behalten werden, daB das Lignin im: Holze andere und zwar
geringere Loslichkeitseigenschaften besitzt als das DHP. Der oben
erwahnte Methylierungsversuch kann jedoch gegen eine solche
Auffassung angefiihrt werden.
Zusammenfassend kann zu diesem Abschnitt ausgesagt werden,
daB bisher zwischen DHP und Lignin im Holze kein Unterschied
wahrgenommen werden konnte. Fiir die LosungsverhaItnisse fehIt
die Vergleichsmoglichkeit.
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8 K.FREUDENBERG:
Vergleich des mit Siiure behandelten DHP mit CuproxamIignin.
Bekanntlich ist es unmoglich, die Kohlenhydrate des Fichten
lignins mit Kupferoxyd-AmmoniaklOsung zu extrahieren, wenn
nicht eine wiederholte Behandlung mit warmer sehr verdtinnter
Saure eingeschaltet wird. Unterwirft man DHP derselben Behand
lung mit Saure, so verandert es sich zwar nicht in seiner Zusammen
setzung, nahert sich jedoch in seinen Eigenschaften dem Cunroy"m
lignin. Es liefert Formaldah:r-d wie DHP.
Der Vergleich der Elementarzusammensetzung ist erschwert,
weil nach S. HILPERT Cuproxamlignin bei der Darstellung bis zu
1,5 % Stickstoff aufnimmt, der hierunter als Sauerstoff gerechnet ist
und vielleicht zum Teil fUr den Mehrgehalt an Sauerstoff verant
wortlich ist. Auch das bekannte Defizit an Methoxyl macht die Be
trachtung unsicher. Die hier angefUhrte Zusammensetzung des
Cuproxamlignins entspricht Durchschnittswerten. Wir haben ge
legentlich Praparate mit hOherem Methoxylgehalt und weniger
Sauerstoff angetroffen, die mit DHP nahezu tibereinstimmten.
Coniferyl alkohol C H (OHhOCH
9 7 3
Coniferylaldehyd C9H6(OH) OOCHa
Dehydrierungspolyrnerisat (DHP) C9H6.5(OH)1.2 °O.90CHa
DHP, saurebehandelt C9H6.2(OH)1.100.950CHa
Cuproxarnlignin4 C9H6.9(OH)1.001.5(OCHa)o.92
Coniferylalkohol, durch Saure polyrnerisiert CoHs(OHh.aOo.PCHa·
Das mit Saure behandelte DHP ist hellbraun wie Cuproxamlignin,
zeigt wie dieses nur schwach die Farbreaktionen mit Anilin und
Phloroglucin, farbt sich mit konzentrierter Salzsaure tiefdunkel,
ist in Ubereinstimmung mit dem Cuproxamlignin nicht mehr ther
moplastisch und wie dieses unlOslich in waBrigem Alkali und nicht
oder kaum loslich in organischen L6sungsmitteln. N ach der Be
handlung mit starkem Alkali, Methylierung und Oxydation mit
Permanganat liefert es wie Cuproxamlignin und in entsprechendem
Mengenverhaltnis Veratrumsaure, Isohemipinsaure und Dehydro
diveratrumsaure. Beide Substanzen liefern 0,9% Acetyl aus
C-Methylgruppen (Bestimmung mit Chromsaure nach R. KUHN
und A. ROTH sowie E. WIESENBERGER). Von dem geringeri Unter
schied im Sauerstoffgehalt abgesehen sind bis jetzt keine Unter-
4 FREUDENBERG, K. U. G. DIETRICH: Liebigs Ann. Chern. 563,146 (1949).
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Die Bildung ligninahnlicher Stoffe unter physiologischen Bedingungen. 9
schiede zwischen Cuproxam-Fichtenlignin und mit Saure behandel
tern DHP aufgefunden worden.
Polymerisation des Coniferylalkohols durch Siure.
Die Untersuchung ware unvollstandig, wenn DHP und sein
Umwandlungsprodukt durch Saure nicht verglichen wurde mit dem
Polymerisationsprodukt, das aus Coniferylalkohol durch Einwir
kung von Mineralsaure (ohne Dehydrierung) entsteht. Dieses Pro
dukt ist weiB, in Wasser unloslich und amorph. Gerade diese Re
aktion ist es, die als Stutze fUr KLAsoNs Auffassung herangezogen
wird, daB Lignin und Coniferylalkohol zusammenhangen. Aber
dieses Argument ist unzureichend. Das Produkt ist ein echtes
Polymerisat des Coniferylalkohols und hat dieselbe Zusammen
setzung wie das Monomere, ist also reicher an Wasserstoff als DHP
und dessen Saurekondensat sowie als Lignin selbst. Die Zusammen
setzung ist oben mitgeteilt. Sie deutet auf Atherbindungen hin,
die, wie festgestellt wurde, auf Kosten der Phenolgruppen ent
standen sind.
Das Polymerisat ist thermoplastisch und behalt im Gegensatz
zu DHP diese Eigenschaft beim Erwarmen mit 1 %iger Schwefel
saure (7Stunden) oder bei der Behandlung mit kalter starker Salz
saure. Es ist in Alkali lOslich und bleibt es nach der weiteren Be
handlung mit Sauren .. Dabei nimmt es eine braune Farbe an. Es
lost sich gut in Methanol, weniger leicht in Athylalkohol, Dio
xan und Aceton. Bei der Behandlung mit Saure nimmt die Loslich
keit in diesen organischen Losungsmitteln abo Isohemipinsaure
und Dehydro-diveratrumsaure lieBen sich nicht daraus gewinnen.
Die Phloroglucinreaktion ist wie bei DHP und Holz, die Anilin
reaktion jedoch schwacher und braunlich statt eigelb.
Bei der Destillation mit starken Mineralsauren bildet sich
Formaldehyd nur spurenweise. Wahrend DHP und Cuproxam
lignin nur weniger als 1 % Acetyl aus C-Methyl liefem, bildet sich
aus polymerisiertem Coniferylalkohol bei langerem Aufbewahren
wesentlich mehr. Dies durfte auf eine langsame Allylumlagerung
zuruckzufUhren sein.
Aus der Gegenuberstellung des Saurepolymerisats des Coniferyl
alkohols mit dem Dehydrierungspolymerisat ergibt sich, daB das
letztere dem Lignin im Holze viel naher steht. Diese Feststellung
erlaubt eine pflanzenphysiologische Voraussage. Wenn das Lignin
durch Dehydrierung von Coniferylalkohol entsteht, so mussen auch
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10 K. FREUDEXBERG: Die Bildung ligninahnlicher Stoffe.
in der verholzenden Faser Phenoldehydrasen nachweisbar sein.
Unsere Pilzdehydrasen farben in Gegenwart von Luft Dioxyphenyl
alanin (Dopa) schwarz. Diese Reaktion kann als Nachweis von
Phenoldehydrasen dienen. Es wurde festgestellt, daD sich in der
Verholzung begriffenes Gewebe, in beliiftete Dioxyphenylalanin
losung eingelegt, alsbald grauschwarz fiirbt. Anderes pflanzliches
Gewebe farbt sich aber auch.
Di.e geselillderten Erbe~ni.sse sind das Resultat langerer, nielit
ohne Hindernisse durchgefUhrter Arbeiten und werden hier fort
gesetzt. Ich spreche meinen Mitarbeitern, den Herren W. HEIM
BERGER, A. GOTZ, E. PLANKENHORN, M. LOEFFLER, R. KRAFT,
Fraulein ::'II. GATTERDAM und Herrn F. KOHLER meinen aufrichtigen
Dank fUr die hingebungsvolle ~fitarbeit aus.
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