3,4-Dihydroxybenzoesäure (Protocatechinsäure) ist eine natürlich vorkommende Dihydroxybenzoesäure mit vielfältigen Einsatzmöglichkeiten. Es wird derzeit als Lebensmittelzusatzstoff, pharmazeutischer Wirkstoff, kosmetischer Inhaltsstoff und landwirtschaftliches Pestizid untersucht. Protocatechinsäure gilt im Allgemeinen als sicher, hohe Dosen sollten jedoch vermieden werden.
Inhaltsverzeichnis
1. Physikalische Eigenschaften von 3,4-Dihydroxybenzoesäure
- Summenformel: C7H6O4
- Molmasse: 154,1 g/mol
- Aussehen: Hellbrauner Feststoff
- Schmelzpunkt: 203 °C
- Dichte: 1,524 g/cm³ (bei 4 °C)
- Schmelzpunkt: 202 °C (396 °F; 475 K)
- Löslichkeit in Wasser: 18 g/L (bei 14 °C), 271 g/L (bei 80 °C)
- Löslichkeit in Ethanol und Ether: löslich
2. Chemische Reaktionen von 3,4-Dihydroxybenzoesäure
3,4-Dihydroxybenzoesäure (Protocatechinsäure) ist eine Art Phenolsäure, die verschiedene chemische Reaktionen eingehen kann:
- Decarboxylierung zur Bildung von Brenzcatechin beim Erhitzen mit Alkali.
- Veresterung mit Methylhalogen oder Dimethylsulfat zur Herstellung von Vanillinsäure.
- Reduktion zur Herstellung von Protocatechualdehyd und 4-(Hydroxymethyl)benzol-1,2-diol.
- 3,4-Dihydroxybenzoesäure kann durch Veresterung mit Methanol bzw. Ethanol verschiedene Ester bilden, beispielsweise Methyl-3,4-dihydroxybenzoat und Ethyl-3,4-dihydroxybenzoat.
- Kondensation mit anderen Verbindungen zur Herstellung von Polymeren und anderen Derivaten
- Protocatechinsäure kann andere aromatische Reaktionen eingehen, wie zum Beispiel: Nitrierung, Acylierung und Alkylierung.
Biosynthese
In biologischen Systemen ist 3,4-Dihydroxybenzoesäure ein Produkt des Shikimat-Weges, einem siebenstufigen Stoffwechselweg, der von Bakterien, Pilzen, Algen, Parasiten und Pflanzen zur Biosynthese aromatischer Aminosäuren genutzt wird.
3. Produktion von Protocatechinsäure
3.1. Herstellung von Protocatechinsäure aus Vanillin
Die alkalische Fusion von Vanillin ist die praktischste Methode zur Synthese von Protocatechinsäure. Bei dieser Reaktion wird Vanillin unter Freisetzung von Wasserstoff zu Vanillinsäure oxidiert. Die Demethylierung von Vanillinsäure zu Protocatechinsäure erfolgt mit begrenzter Geschwindigkeit bei 210–235 °C, eine vollständige Demethylierung erfolgt jedoch erst bei Temperaturen über 240–245 °C.
Um Protocatechinsäure aus Vanillin zu synthetisieren, werden Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid und Wasser in einem Edelstahlreaktor gemischt. Eisen oder Nickel können ebenfalls verwendet werden. Die Mischung wird erhitzt und gerührt, bis sie 160 °C erreicht.
Vanillin wird nach und nach hinzugefügt, wobei die Temperatur bei 190–195 °C gehalten wird. Das kontinuierliche Rühren und Erhitzen wird fortgesetzt, bis die Temperatur 240–245 °C erreicht. Nach 5 Minuten Reaktion wird das Erhitzen gestoppt und die Mischung wird gerührt, während sie abkühlt.
Sobald die Mischung auf 150–160 °C abgekühlt ist, wird Wasser hinzugefügt und gerührt, bis sich die Schmelzmischung vollständig auflöst. Nach 2-minütigem Durchleiten von Schwefeldioxidgas durch die Mischung und vollständigem Ansäuern der Mischung mit Salzsäure wird die angesäuerte Mischung abgekühlt und der kristalline Niederschlag abfiltriert und mit kaltem Wasser gewaschen.
Die braunen Kristalle der Protocatechinsäure schmelzen bei 196–198 °C und die Ausbeute an roher Protocatechinsäure beträgt 89 %.
Das Verhältnis von Natriumhydroxid zu Kaliumhydroxid ist nicht kritisch, solange die Gesamtmenge an Alkali mehr als 7 Mol beträgt. Mischungen mit 10–60 % Natriumhydroxid werden bei 120–130 °C flüssig. Höhere Prozentsätze an Natriumhydroxid können zu einer dunkleren Protocatechinsäure führen, die Ausbeuten werden jedoch nicht wesentlich beeinträchtigt, bis die Natriumhydroxidkonzentration 70 % erreicht.
Schwefeldioxid verhindert die Bildung eines dunkel gefärbten Produkts, wenn die Reaktionsmischung mit einer starken Säure angesäuert wird.
Die Rohkristalle sind hellbraun und für die meisten Zwecke geeignet. Es kann durch Umkristallisation aus heißem Wasser weiter gereinigt werden, wobei das Verhältnis 3:1 Wasser pro Säure und 1:10 Aktivkohle pro Säure verwendet wird. Die umkristallisierte Säure ist cremefarben und schmilzt bei 199–200 °C.
3.2. Baterielle Fermentation
Protocatechinsäure kann von verschiedenen Bakterienstämmen produziert werden. Beispielsweise wurden Corynebacterium glutamicum-Stämme in einem mit Glucose angereicherten Medium kultiviert, um sie zu produzieren. In ähnlicher Weise wurden Escherichia coli-Stämme wie DH5α, BL21 (DE3) und ATCC 321882 in LB-Medium vermehrt, um 3,4-Dihydroxybenzoesäure zu produzieren.
Um Protocatechinsäure zu produzieren, werden Brevibacterium- oder Corynebacterium-Stämme mutiert, die Protocatechinsäure nicht als einzige Kohlenstoffquelle nutzen können. Die Stämme wurden auf Vollmedium kultiviert und dann auf Minimalagarmedium repliziert, das Glucose und Protocatechinsäure als einzige Kohlenstoffquelle enthielt.
Eine Kolonie, die auf Glucose, aber nicht auf Protocatechinsäure wachsen konnte, wurde isoliert, um Brevibacterium lactofermentum AJ12106 und Corynebacterium acetoacidophilum AJ12108 zu erhalten. Bei der aeroben Kultivierung dieser Stämme kann eine große Menge an Protocatechinsäure entstehen.
3.3. Gewinnung aus natürlichen Quellen
Neben der bakteriellen Produktion kann Protocatechinsäure auch aus verschiedenen natürlichen Quellen isoliert werden. Man findet es in der Stammrinde von Boswellia dalzielii und in den Blättern von Diospyros melanoxylon.
Es ist auch ein Hauptmetabolit der antioxidativen Polyphenole, die in grünem Tee vorkommen. Protocatechinsäure kann auch aus einer Vielzahl von Pflanzen gewonnen werden, darunter grünem Tee, Bambusblättern sowie verschiedenen Obst- und Gemüsesorten.
Die Herstellung von 3,4-Dihydroxybenzoesäure ist ein komplexer Prozess, bei dem größere Moleküle in kleinere zerlegt werden. Dieser Prozess wird durch Enzyme erleichtert, die als Katalysatoren wirken und die Reaktion beschleunigen. Die resultierende 3,4-Dihydroxybenzoesäure kann dann extrahiert und gereinigt werden, um sie für verschiedene Anwendungen zu verwenden.
4. Verwendung von 3,4-Dihydroxybenzoesäure
3,4-Dihydroxybenzoesäure (PCA) hat aufgrund ihrer vielfältigen biologischen Wirkungen ein breites Anwendungsspektrum1.
- Lebensmittel- und Getränkeindustrie: PCA kann als natürliches Antioxidans und Konservierungsmittel in Lebensmitteln und Getränken verwendet werden. Beispielsweise wird es einigen Tees und Säften zugesetzt, um deren Haltbarkeit zu verlängern.
- Pharmazeutische Industrie: Protocatechinsäure wird als potenzielles therapeutisches Mittel für eine Vielzahl von Krankheiten untersucht, darunter Krebs, Alzheimer und entzündliche Darmerkrankungen. Präklinische Studien haben gezeigt, dass es eine antitumorale Wirkung hat, vor Neurotoxizität schützt und Entzündungen reduziert. Es wird auch als mögliche Behandlung für COVID-19 untersucht.
- Kosmetikindustrie: Protocatechinsäure wird aufgrund ihrer antioxidativen und Anti-Aging-Eigenschaften in einigen Kosmetikprodukten verwendet. Es wird beispielsweise einigen Sonnenschutzmitteln und Feuchtigkeitscremes zugesetzt.
- Agrarindustrie: Protocatechinsäure wird als potenzielles Pestizid und Fungizid untersucht. Studien haben gezeigt, dass es das Wachstum bestimmter Pflanzenpathogene hemmen kann.
Neue Forschung
Zusätzlich zu den oben aufgeführten potenziellen Verwendungsmöglichkeiten wird Protocatechinsäure auch auf ihre potenzielle Rolle bei der Behandlung anderer Krankheiten und Beschwerden untersucht, darunter:
Fettleibigkeit: In Tierversuchen konnte gezeigt werden, dass Protocatechinsäure das Körpergewicht und die Fettmasse reduziert.
Diabetes: In Tierversuchen konnte gezeigt werden, dass Protocatechinsäure die Blutzuckerkontrolle verbessert und die Insulinresistenz verringert.
Herz-Kreislauf-Erkrankungen: In Tierversuchen konnte gezeigt werden, dass Protocatechinsäure den Cholesterinspiegel senkt und die Funktion der Blutgefäße verbessert.
Neurodegenerative Erkrankungen: In Tierstudien wurde gezeigt, dass PCA vor Neurotoxizität schützt und die kognitive Funktion verbessert.
Protocatechinsäure ist eine vielversprechende Verbindung mit einer Vielzahl potenzieller Vorteile. Es sind klinische Studien am Menschen erforderlich, um die Sicherheit und Wirksamkeit von PCA bei der Behandlung verschiedener Krankheiten und Beschwerden zu bestätigen.
5. Toxikologie von 3,4-Dihydroxybenzoesäure
Protocatechinsäure gilt im Allgemeinen als unbedenklich für den Verzehr. Die LD50 von Protocatechinsäure bei Ratten beträgt 5000 mg/kg. Allerdings können hohe Dosen von 3,4-Dihydroxybenzoesäure Magen-Darm-Beschwerden und andere Nebenwirkungen verursachen.
3,4-Dihydroxybenzoesäure kann schwere Augenreizungen verursachen. Es kann auch die Atemwege reizen und Hautreizungen verursachen. Daher sollten bei der Handhabung Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, um direkten Kontakt mit Augen, Haut und Atemwegen zu vermeiden.
Verweise
- Hydroxycarboxylic Acids, Aromatic; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a13_519
- PROTOCATECHUIC ACID. – http://www.orgsyn.org/demo.aspx?prep=CV3P0745
- Production of protocatechuic acid by fermentatio. – https://patents.google.com/patent/JPS6098989A/en
- Production of protocatechuic acid by Corynebacterium glutamicum expressing chorismate-pyruvate lyase from Escherichia coli.
- https://en.wikipedia.org/wiki/Protocatechuic_acid
