Der Einsatz der Mikrowelle im Labor für Extraktionen wurde zum ersten Mal 1986 [1] und für Synthesen ebenfalls 1986 [2] veröffentlicht. Am häufigsten verbreitet ist bis heute vor allem der „Mikrowellen-Aufschluss“. Als umweltschonende und effiziente Alternative gegenüber den klassisch thermisch beheizten Aufschluss-Systemen sind weder große Chemikalienmengen noch eine lange Reaktionsdauer erforderlich [3a, 3b, 3c, 3d].

Bei der Mikrowellentechnik spielt die berührungslose Eintragung der Wärme eine entscheidende Rolle. Gegenüber anderen Heizverfahren hat diese den Vorteil, dass ein direkter Energieeintrag auf die Reaktanden und Lösemittel erfolgt, ohne die Reaktionsbehälter direkt zu erhitzen. Letztendlich erreicht man dadurch deutlich verkürzte Reaktionszeiten. Gleichzeitig erhöht man bei Synthesen und Extraktionen die Ausbeuten und die Reinheit der Produkte. Zudem wird die Bildung von Neben- bzw. Abbauprodukten reduziert.

Speziell beim Einsatz organischer Lösemittel kann zusätzlich der direkte Einfluss der Mikrowellen auf die Proben (Reaktionspartner) ausgenutzt werden. Das gilt insbesondere bei schwach polaren Lösemitteln mit hoher Mikrowellentransparenz.

Bild 1: Der Hochdruck-Mikrowellenreaktor mit Steuerterminal. - Das synthWAVE®-System mit einem 1-Liter-Behälter ist für hohe Drücke bis 199 bar und Temperaturen bis 300 °C konzipiert. Flüssige Proben/Extrakte können während eines Prozesses mit Hilfe einer Kapillare und Kühlspirale direkt entnommen, kondensiert und analysiert werden. Dadurch ist die Voraussetzung gegeben, alle Synthese- und Extraktions-Verfahren mit einem einzigen Testlauf zu optimieren. Die dabei in „Echtzeit“ erhaltenen Informationen (Parametersätze) sind für eine schnelle Verfahrensentwicklung von entscheidendem Vorteil. Parallel-Versuche von mehreren Proben (siehe Bild 5) mit simultaner Rührung liefern durch identische Bedingungen beste Resultate für unterschiedliche Ansätze.

Durch diese Vorteile gewinnt die Mikrowellentechnik zunehmend an Bedeutung für die organische Chemie. Mit den neuen ETHOS-Mikrowellengerätemodellen mit rotierendem Reaktionsbehälter (rotaPREP-Technik) können selbst komplizierte Feststoffreaktionen und Verdampfungsprozesse im Mikrowellenfeld durchgeführt werden. Damit ergeben sich mit dem gleichen System weitere Anwendungsgebiete wie die Trennung von Stoffen über die Gasphase (Dampf) zur Gewinnung von wasserdampfflüchtigen Komponenten und Abscheidung von Substanzen mit geringerer Dichte wie etwa Öle (z.B. ätherische Öle und Aromastoffe).

Für die nachfolgend beschriebenen Versuche wurde hauptsächlich der Mikrowellen-Hochdruckreaktor Modell synthWAVE® eingesetzt. Dieser ist auch für Reaktionen bei hohen Temperatur- und Druckbedingungen konzipiert und ersetzt somit die bekannten Labor-Autoklaven mit Rühreinheiten.

Ein zusätzlicher Vorteil des synthWAVE-Gerätes ist die einfache Reaktionsverfolgung in Echtzeit durch Entnahme geringer Probenmengen für Analysen während des Reaktionsablaufs. Die schnelle Umrüstung auf viele andere Anwendungen ist bereits vorgesehen und kann innerhalb weniger Sekunden vorgenommen werden.

Extraktionen
Ein bisher gängiges Anwendungsgebiet der Mikrowellentechnik sind Extraktionsverfahren von Kunststoffen, um schnell und effizient Additive, Monomere, Weichmacher, usw. zu analysieren. Das gilt zunehmend auch für die Lebensmittelanalytik sowie bei der Isolation von Naturstoffen. Auch hier hat sich gezeigt, dass gegenüber den klassischen Verfahren wie Soxhlet ein erheblicher Zeitvorteil besteht und ein geringerer Arbeitsaufwand erforderlich ist, um identische Ausbeuten zu erhalten [4].

Unter den Bedingungen der Mikrowellenextraktion, die mit erhöhtem Druck und unter Schutzgasatmosphäre arbeitet, können selbst leichtflüchtige und empfindliche Substanzen sicherer extrahiert werden. Dabei können sowohl polare (mikrowellen-absorbierende) als auch unpolare (mikrowellen-transparente) Lösemittel eingesetzt werden. Absolut identische Resultate zu klassischen Verfahren sind durch indirekte Heizelemente (z.B. Weflon, Siliciumcarbid) gewährleistet. Kombiniert man beispielsweise polare Probenmaterialien (z.B. feuchte Pflanzenteile) mit unpolaren oder wenig polaren Lösemitteln, so werden die wasserhaltigen Pflanzenzellen sehr schnell aufgeschlossen und geben ihre Inhaltsstoffe sofort an das kühle Lösemittel ab. Dies ergibt eine schonende Extraktion für temperaturempfindliche Stoffe, die innerhalb von wenigen Sekunden abläuft. Die suspendierte Probe ist dabei immer gleichmäßig vom Lösemittel umgeben. Dadurch ist eine sehr gute Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Oberflächen gewährleistet. Neben den erwähnten Vorteilen existieren auch keine Benetzungsprobleme gegenüber wässrigen Anteilen wie bei anderen Extraktionsverfahren [5, 6].

Diese Besonderheiten eröffnen der Mikrowellen-Extraktion von Naturstoffen ganz neue Möglichkeiten, um die Frage der Ausbeute, der Art der Inhaltsstoffe oder anderer Parameter zu bearbeiten. Mit dem synthWAVE-Gerät wurden neben Standardsynthesen [8b] auch Hydrierungen [8a] kontrolliert durchgeführt. Selbst bei großen Ansätzen („Batch“), ist eine Probenentnahme und Analyse ohne Unterbrechung der Prozesse möglich. Ein zeitgleicher Versuch mit mehreren Proben (Parallel-Experimente) und unterschiedlichen Lösemitteln kann in einem Arbeitsgang durchgeführt werden. Auf diese Weise ist es möglich, sehr schnell optimale Verfahren für größere Ansätze zu entwickeln.

Extraktions-Beispiel: Senfsaat
Die beschriebenen Vorteile der Mikrowellen-Extraktion (MASE) soll anhand von Senfsaat (Brassica alba) aufgezeigt werden. Zielsetzung war die Trennung des enthaltenen Glykosids Sinalbin, das beim Mahlprozess durch enzymatische Reaktion (Myrosinase) in Hydroxybenzylisothiocyanat überführt wird. Dieses Hydroxybenzylisothiocyanat ist für den charakteristischen scharfen Geschmack des Senfs verantwortlich. Auf Grund seiner Instabilität wird es relativ schnell zu p-Hydroxybenzylalkohol hydrolysiert. Dabei sind bei langwierigen Standardverfahren wie Soxhlet bereits nach wenigen Stunden über 30 % der Ausgangssubstanz abgebaut, was bei der schnellen Mikrowellentechnik weitgehend verhindert wird [6].

Die gemahlenen Proben wurden unter den in Tabelle 1 dokumentierten Bedingungen extrahiert. Den zeitlichen Verlauf der Extraktion zeigt Bild 3 und Tabelle 2 die jeweiligen Ausbeuten. Diese sind beim Mikrowellenverfahren nicht wesentlich höher, jedoch wurde die Extraktionsdauer etwa um den Faktor 150 verkürzt.

Bild 2: Proben-Entnahmekapillare mit Kühler und „Dewar“-Gefäß. - Die Proben-Entnahme erfolgt kontrolliert über ein Hochdruckventil. Dabei wird die Flüssigkeit/Feststoffe in einem gekühlten Mini-Reagenzglas oder auf einem Metallblättchen kondensiert (eingefroren). Nur wenige Mikroliter sind für eine Analyse ausreichend. Diese kann in Sekunden durch Aufnahme eines IR-Spektrums oder per DC durchgeführt werden. Dabei zeigte sich, dass viele Vorgänge in Mikrowellen-Druckbehältern bereits nach wenigen Sekunden vollständig abgeschlossen waren.

Extraktion von Piperin aus schwarzem Pfeffer
Die Extraktion von Piperin (Strukturformel siehe Bild 4) aus frisch gemahlenem schwarzen Pfeffer ist eine Aufgabe im organisch-chemischen Praktikum. Man verwendet hierbei eine „Soxhlet-Einheit“. Die Ausbeute bei 20 g schwarzem Pfeffer beträgt ca. 0,6 g [7]. Der schwarze Pfeffer ist die getrocknete, aber unreife Frucht des Strauches Piper nigrum L. Die Ausbeuten schwanken je nach Vorschrift und verwendetem Pfeffer [7]. In den folgenden Versuchen wurde im synthWAVE bei 100 °C, 120 °C, 140 °C, 150 °C und 160 °C zunächst mit 2-Propanol extrahiert.

Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse. Die optimale Temperatur für die Extraktion beträgt 150 °C. Hier liegen die Ausbeuten am höchsten und der Schmelzpunkt ist mit 125 °C entsprechend den Literaturangaben [7b].

Bei 160 °C lag die Ausbeute ähnlich hoch wie bei 100 °C und 120 °C, aber das Piperin zeigte nicht mehr die typische Gelbfärbung. Die beige Farbe zeigt mit 112...116 °C auch einen etwas niedrigeren Schmelzpunkt, was offenbar auf eine Zersetzung des Produktes hinweist.

Bild 5: Parallel-Versuch mit fünf verschiedenen Proben und simultaner Magnetrührung in allen Behältern. - Extraktion von Piperin aus Pfeffer bei 150 °C für 5 min unter Schutzgasdruck von 30 bar. Durch den Druck werden die Lösemittel in die Substanz gepresst und beschleunigen somit den Extraktionsprozess extrem. Gleichzeitig verhindert der Druck eine Vermischung der unterschiedlichen Lösemittel über die Gasphase.

Der Extraktionsablauf
Vor der Extraktion wurden die Pfefferkörner in einem Mixer zerkleinert, mit 150 ml 2-Propanol versetzt und im synthWAVE innerhalb von 5 min auf die Zieltemperatur erhitzt. Der Vorladedruck mit Stickstoff beträgt 5 bar. Anschließend wird, nach Abkühlung auf 50 °C, über eine Fritte filtriert. Das Filtrat wird mit dem rotaPREP-System auf 10 % des ursprünglichen Volumens eingeengt. Danach werden 2,0 g KOH in 25 ml H₂O und 50 ml H₂O zugesetzt und bei +4 °C auskristallisiert. Man filtriert erneut ab, wäscht mit H₂O neutral und trocknet den Rückstand im Exsikkator.

Da 150 °C die optimale Temperatur für das Verfahren mit 2-Propanol ist, werden bei dieser Temperatur verschiedene Lösemittel mit unterschiedlichen Polaritäten verwendet: Ethanol (polar), 2-Propanol (polar), tert. Butylmethylether (mittelpolar), Chloroform (mittelpolar, chloriert) und Petrolether 60...95 °C (unpolar).

Es werden jeweils 4 g frisch gemahlener Pfeffer in 25 ml der in Tabelle 4 aufgeführten Lösemittel suspendiert und unter Magnetrührung im 5er Probenhalter parallel im synthWAVE bei 20 bar Vorladedruck (Formiergas 98 % Ar mit 2 % H₂) auf 150 °C erhitzt (5 min Aufheizrate, 10 min Haltezeit). Der hohe Vorladedruck verhindert ein Vermischen (Kontamination) der Lösemittel während der Extraktion über die Gasphase. Der Vorladedruck muss mindestens 5 bar höher liegen als der Dampfdruck des am niedrigsten siedenden Lösemittels bei der verwendeten Extraktionstemperatur. Als Grundlast wurden 150 ml 2%ige H₃PO₄ eingesetzt.

Nach Ende der Extraktion werden die Proben unter Vakuum abfiltriert und die Lösemittel am rotaPREP-System abgezogen. Dann nimmt man den Rückstand in 2 ml 2-Propanol auf, versetzt mit 4 ml 10%iger KOH und füllt mit Wasser auf 50 ml auf. Nach 12 h bei 4 °C werden die Proben auf einer Fritte abgeschieden, gewaschen und im Exsikkator getrocknet.

Als bestes Lösemittel für diese Extraktion eignet sich Ethanol, gefolgt von 2-Propanol. Der Ether gibt auch noch ein zufriedenstellendes Ergebnis, während mit Petrolether und Chloroform die Reinheiten zwar sehr gut sind, aber die Ausbeuten nur 21 % bzw. 44 % in Bezug auf Ethanol betragen. Die Schmelzpunkte der Substanzen liegen für die Alkohole im Bereich der Literaturwerte [7b], während sie für die anderen Lösemittel etwas zu tief lagen.

Zusammenfassung
Der Mikrowellen-Hochdruckreaktor synth-WAVE kann sowohl für Synthese- als auch Extraktions-Verfahren eingesetzt werden. Durch die hohen Spezifikationen der Parameter Temperatur, Druck und Mikrowellen-Heiztechnik können klassische Verfahren mit Hochdruckautoklaven ersetzt werden.

Die Kombination mit der Mikrowellentechnik reduziert den Arbeitsaufwand dramatisch. Das kommt insbesondere bei der Methodenentwicklung und der Produktion von Substanzen in Gramm-Mengen zugute. Außerdem lassen sich mit dem synthWAVE-System Hydrierungen [8a] und schwierige Synthesen [8b] sowie Extraktionen unter inerten oder Reaktionsgas-Bedingungen schnell und zuverlässig durchführen. Die Zeitersparnis kann dabei zwischen 10 und über 1000 betragen. Einen entscheidenden Vorteil bietet dabei die komfortable Probenentnahme. Diese kann während des Prozesses, ohne das Verfahren zu unterbrechen, vorgenommen werden. Dadurch ist es möglich, den Fortgang einer Reaktion zu beobachten und die optimalen Reaktionsbedingungen sehr schnell zu ermitteln.

Die optimalen Reaktionsbedingungen verhindern die Bildung von störenden und schädlichen Neben- bzw. Abbauprodukten. Das hätte eine aufwändige Nachbehandlung und Isolation zur Folge.

Weitere Perspektiven
In der Zukunft gewinnt die Isolation und Nutzung von Naturstoffen zunehmend an Bedeutung. Diese Verfahren hatten ihre Anfänge bereits in der Jungsteinzeit, wo z.B. Drogen wie Morphin bereits als Betäubungsmittel zum Schmerzstillen eingesetzt wurden. Die weitere Verwendung von selektiv isolierten Rohstoffen aus Pflanzen und Pilzen in Kombination mit gezielten Synthesen öffnet neue Wege, Präparate für medizinische und biologische Anwendungen zu produzieren. Viele der komplexen isolierten Naturstoffe lassen sich nur sehr schwierig bzw. noch nicht auf reiner Synthesebasis herstellen. Die schnellen und schonenden Mikrowellenverfahren unter Inertgasbedingungen bzw. reduzierend wirkenden Reaktions-Gasen bieten neue Möglichkeiten für eine bessere Qualität mit deutlich erhöhter Produktreinheit. Diese Produktreinheit wird durch die Vermeidung der Bildung unerwünschter Nebenprodukte gewährleistet.

Bei mikrowellenunterstützten Extraktionen und Synthesen können meist deutlich höhere Temperaturen und Drücke eingesetzt werden. Das ergibt eine zusätzliche extreme Verkürzung der Reaktionsdauer. Durch das schnelle Anfahren der optimalen Reaktionsbedingungen wird die Bildung von Nebenprodukten zusätzlich dramatisch reduziert.

Voraussetzung für ein erfolgreiches Arbeiten sind jedoch extrem flexible und leistungsfähige Mikrowellensysteme, wie sie durch die synthWAVE- und rotaPREP-Technik geboten werden.

Literatur
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[2] R. J. Giguere, T. L. Bray, S. M. Duncan, Tetrahedron Lett. 1986, 27, 4945-4948.
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[6] H. Reischmann, Bachelorarbeit Isny „Mikrowellengestützte Extraktion von pflanzlichen Inhaltsstoffen aus getrockneten und frischen Pflanzen am Beispiel von Senfsaat, Passionsblume und Großfrüchtiger Moosbeere“, 2014.
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[9] (a) W. W. Epstein, D. F. Netz, J. L. Seidel, J. Chem. Educ. 1993, 70, 598-599. (b) M. Bahadir, H. Hopf, A. Nijakowski, R. Vogt, B. Jastorff, R. Störmann, J. Ranke, B. Ondruschka, G. Kreisel, M. Nüchter, A. Diehlmann, D. Lenoir, H. Parlar, C. Wattenbach, J. Metzger, U. Biermann, B. König, C. Braig, B. Krelle, Neues und nachhaltiges organisch-chemisches Praktikum NOP, Verlag Harri Deutsch, Frankfurt am Main 2005, Online-Version: http://www.oc-praktikum.de/, Versuch Nr. 1022.

Prof. Dr. Heinrich Quast, Naturwissenschaftliche Technische Akademie Prof. Dr. G. Grübler gGmbH

Autoren:
Prof. Dr. Heinrich Quast
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Seidenstr. 16
88316 Isny im Allgäu
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Dipl.-Ing. (FH) Katharina Fenk, Naturwissenschaftliche Technische Akademie Prof. Dr. G. Grübler gGmbH

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Dr. Eberhard Heller, Laborleitung MWS GmbH

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