Geraniol

Synthesen und Extraktion

Der Großteil des Geraniols wird synthetisch im industriellen Maßstab hergestellt. Eine weit verbreitete Herstellungsmethode ist die partielle Hydrierung von Citral 1, wobei durch die Verwendung spezieller Katalysatoren oder Reaktionstechniken eine hohe Selektivität erzielt werden kann.

Ein weiterer Syntheseweg geht vom α-Pinen 1 aus, das selektiv zu Pinan 2 hydriert wird. Die Oxidation mit Sauerstoff ergibt das Pinanhydroperoxid 3, das mit Natriumbisulfit oder katalytisch zum 2-Pinanol 4 reduziert wird. Die Pyrolyse von 2-Pinanol ergibt Linalool 5. In Gegenwart von Orthovanadat-Katalysatoren kann Linalool zum Geraniol 6 isomerisiert werden.

Dabei entsteht mit einer Ausbeute über 90 % ein Geraniol-Nerol-Gemisch, das mittels fraktionierter Destillation getrennt wird. Die industriell hergestellte Menge lag 2008 bei über 1000 Tonnen Geraniol pro Jahr.

Bei einer industriellen Synthese aus Grundchemikalien wird zunächst Aceton 1 basenkatalysiert mit Ethin 2 zu 2-Methyl-3-butin-2-ol 3 umgesetzt. Die katalytische Hydrierung in Gegenwart von Lindlar-Katalysator ergibt 2-Methyl-3-buten-2-ol 4. Dieser kann mit Acetessigsäuremethylester 5 zum 3-Buten-2-ylacetoacetat 6 umgeestert werden. Nach der Decarboxylierung durch eine Carroll-Umlagerung wird 6-Methyl-5-hepten-2-on 7 erhalten. Die erneute Ethinylierung ergibt Dehydrolinalool 8, das mit Wasserstoff und Lindlar-Katalysator partiell zum Linalool 9 hydriert wird. Die säurekatalysierte Allylumlagerung ergibt Geraniol 10.

Myrcen, das in Mengen von etwa 30.000 Tonnen pro Jahr hergestellt wird, dient ebenfalls als Ausgangsstoff für die Produktion von Geraniol. Es handelt sich dabei um eine Variante des Takasago-Verfahrens zur Herstellung von (−)-Menthol. Dazu wird es im ersten Schritt mit Dipropylamin zum N,N-Dipropylgeranylamin umgesetzt, das in weiteren Schritten zum Geraniol umgesetzt wird.

Etwa 10 % des Geraniols wird für die Parfümindustrie aus der Destillation von ätherischen Ölen, wie dem javanischem Citronellöl, eventuell nach vorheriger Verseifung der Ester, gewonnen. Die lösliche Geraniolfraktion wird durch mehrstufige Extraktion mit einem Wasser-Ethanol-Gemisch angereichert und so von der nicht wasserlöslichen Terpen- und Sesquiterpenfraktion, die nicht zu den Aromaeigenschaften beitragen, getrennt. Durch Abdampfen des Wassers und des Ethanols werden konzentrierte ätherische Öle erhalten. Geraniol kommt in diesen Ölen immer gemeinsam mit Nerol vor. Der Name Geraniol wird industriell daher zum Teil für die Mischung aus Geraniol und Nerol verwendet.

Genetisch modifizierte Hefen schieden Geraniol in relativ hohen Mengen in das Wachstumsmedium aus, speziell, wenn die Mutanten zusätzlich einen Defekt in der Farnesyldiphosphat-Synthase aufwiesen. Es wurden Ausbeuten von etwa einem Milligramm Geraniol pro Liter Wachstumsmedium erreicht.

Aufarbeitung

Geraniol bildet mit Calciumchlorid einen Komplex, der sich zur Aufarbeitung und Reinigung verwenden lässt. Dazu wird eine Geraniol enthaltenes ätherisches Öl mit einem wasserunlöslichen Lösungsmittel wie Hexan versetzt. Nach Zugabe von Calciumchlorid fällt der Geraniol-Calciumchlorid-Komplex aus und kann abfiltriert werden. Durch Zugabe von Wasser zerfällt der Komplex wieder und das wasserunlösliche Geraniol kann abgetrennt werden.

Die Kristallstruktur des Geraniol-Calciumchlorid-Komplexes zeigt eine Doppelschicht aus Geraniolmolekülen, in denen Kanäle aus Calcium- und Chlorid-Ionen die Doppelschichten voneinander trennen. Der sehr wasserempfindliche Geraniol-Calciumchlorid-Komplex kristallisiert im monoklinen Kristallsystem in der Raumgruppe C2/c (Raumgruppen-Nr. 15)Vorlage:Raumgruppe/15 mit den Gitterparametern a = 4751 pm, b = 4188 pm, c = 12138 pm, β = 93° und vier Formeleinheiten (C₁₀H₁₈O)₂ x CaCl₂ pro Elementarzelle.

Kristallstruktur des Geraniol-Calciumchlorid-Komplexes
Sauerstoff; Kohlenstoff; Calcium; Chlor

Physikalische Eigenschaften

Geraniol ist eine farblose bis leicht gelbliche Flüssigkeit mit blumig-rosenähnlichem Geruch. Die Dichte des Geraniols beträgt 0,88 g·cm⁻³. Die Flüssigkeit erstarrt bei etwa −15 °C und siedet bei etwa 230 °C. Mit Ethanol und Diethylether ist Geraniol in jedem Verhältnis mischbar, in Wasser ist es mit 686 mg·l⁻¹ schlecht löslich. Der Flammpunkt liegt bei 110 °C.

Molekulare Eigenschaften

Das Molekül besitzt eine 2,6-Octadienstruktur mit zwei isolierten Doppelbindungen, zwei Methylgruppen in 3- und 7-Stellung und eine primäre Alkoholfunktion. Die beiden Substituenten der Doppelbindung in 2-Stellung, die nach der Cahn-Ingold-Prelog-Konvention die höchste Priorität besitzen, sind trans- oder (E) angeordnet. Die Substituenten der Doppelbindung in 6-Stellung weisen keine cis-trans-Isomerie auf, da die beiden terminalen Methylgruppen stereochemisch gleichwertig sind. Das cis-Isomer des Geraniols ist das Nerol.

Die drei sp²-hybridisierten, planar substituierten Kohlenstoffatome in 2-, 3- und 6-Stellung der beiden Doppelbindungen sind prochiral. Die Alkoholfunktion steht in Allylstellung zur Doppelbindung in 2-Stellung. Diese kann etwa durch eine Sharpless-Epoxidierung mittels eines chiralen Katalysators enantioselektiv epoxidiert werden.

Chemische Eigenschaften

Als acyclischer ungesättigter Alkohol geht Geraniol Umlagerungs- und Cyclisierungsreaktionen ein. Die Umlagerung in Gegenwart von Kupferkatalysatoren führt zu Citronellal, teilweise beziehungsweise vollständige Hydrierung zu Citronellol beziehungsweise 3,7-Dimethyloctan-1-ol, Oxidation oder katalytische Dehydrierung zu Citral, Veresterung zu den jeweiligen Geranylestern. Im sauren Milieu lässt sich sowohl Geraniol als auch Nerol zu dem Isomer α-Terpineol cyclisieren. Das (E)-Isomer Geraniol lagert sich unter saurer Katalyse mit Iodwasserstoff in das (Z)-Isomer Nerol um.

Formal besteht Geraniol aus zwei Isopreneinheiten, die nach der Isoprenregel in einer Kopf-Schwanz-Verbindung stehen, wodurch die lineare Struktur des 2,6-Dimethyloctans entsteht. Biosynthetisch handelt es sich um die Isopreneinheiten Isopentenylpyrophosphat und Dimethylallylpyrophosphat, die unter Katalyse einer Prenyltransferase (Geranyltransferase) reagieren.

Durch eine Enzym-katalysierte Reaktion mit Wasser entsteht Geraniol. Aus dem intermediären Geranylpyrophosphat, das eine Zwischenstufe der Cholesterinbiosynthese ist, ist nicht nur Geraniol, sondern auch weitere Monoterpene wie Linalool, Citronellol und Geranial zugänglich.

Die Bildung von Linalool aus Geraniol ist mit Hilfe von Natriumnaphthalid möglich. An der Luft oxidiert Geraniol zu einem Hydroxyhydroperoxid, das weiter zu Wasserstoffperoxid, Geranial und Neral reagiert. Daneben bilden sich geringere Mengen eines Hydroperoxids. Die Reaktionsprodukte sind allergene Verbindungen, die mäßig sensibilisierend sind.

Unter Katalyse von Silbertrifluormethansulfonat in Gegenwart von Aminbasen wie 2,6-Di-tert-butylpyridin reagiert Geraniol mit primären Alkylhalogeniden wie Iodmethan zum Methylether.

Geraniol lässt sich mit Bobbitt-Salz, einem recyclebaren stöchiometrischen Oxidationsmittel, zu Geranial oxidieren. Mit homogenen Übergangsmetallkatalysatoren auf Basis von Ruthenium, die mit chiralen Liganden wie BINAP komplexiert sind, lässt sich die Doppelbindung in Allylstellung mit hohem Enantiomerenüberschuss hydrieren. Als Produkt entsteht ein Enantiomer des Citronellols, wobei die Verwendung von (S)-BINAP zur Bildung von (R)-Citronellol führt.

Duft- und Aromastoff

Als blumige Note ist es Bestandteil vieler Parfüms. Als Bestandteil des Ylang-Ylang-Öls wird es bei der Herstellung von Parfüms wie Chanel Nº 5 verwendet, wo es zur Herznote gehört. Die Firma Beneo entwickelte ein nach Rosen duftendes Bonbon namens „Deo“. Dieses enthält neben Isomalt, einen Zuckeraustauschstoff, auch Geraniol. Das konsumierte Geraniol soll den Körper durch die Poren verlassen und einen rosenähnlichen Geruch erzeugen, der stundenlang anhalten kann. Damit wirkt das Bonbon als verzehrbares Deodorant. Die angenehmen blumigen Noten des chinesischen Keemun-Tees sind ebenso auf einen hohen Anteil an Geraniol zurückzuführen.

Die hohe Flüchtigkeit des Geraniols begrenzt den Zeitraum, über den dessen Dufteindruck wahrgenommen werden kann. Geraniol wird daher zum Teil als Palmitinsäureester eingesetzt, der als Riechstoffvorläufer dient. Er wird unter dem Handelsnamen Hexarose vertrieben und Weichspülern zugesetzt. Durch im Waschmittel vorhandene Enzyme wie Lipasen oder Proteasen, die sich nach dem Waschvorgang noch auf der Wäsche befinden, wird der Ester gespalten und das Geraniol über einen längeren Zeitraum freigesetzt. Geraniolester der 2-Carbamoylbenzoesäure erfüllen denselben Zweck.

Neben 1,2-Propandiol, Glycerin, Nikotin und anderen Inhaltsstoffen wird Geraniol als Teil der Aromamischung für E-Zigaretten verwendet. Die Deutsche Post AG gab am 1. März 2010 ein Folienblatt Gartenrose heraus, deren Briefmarken mit (R)-(+)-Limonen und Geraniol parfümiert sind. Beim Reiben über die Marken wird der Duft freigesetzt.

Pheromon und Repellent

Geraniol zieht in Lockstofffallen den Japankäfer an. In einem Gebiet von etwa 60.000 Quadratmetern wurden mit 500 Fallen 10.000.000 Käfer gefangen. Imker nutzen künstlich hergestellte Insektenpheromone wie das Nasanov-Pheromon, das Geraniol und Citral enthält, um Bienen zu einem ungenutzten Bienenstock zu locken.

Geraniol wird in verschiedenen Formen, etwa als Duftkerze, als Öl zum Einreiben oder mittels Zerstäubern, als Repellent gegen Mücken verwendet. Nach einer zweitägigen Exposition beeinträchtigte Geraniol signifikant die Aktivierungs- und Orientierungsphasen des Blutsaugverhaltens von Stechmücken; fast alle Mücken verloren die Fähigkeit, einen Wirt zu suchen.

Futtermittelzusatzstoff

Die Gabe von Geraniol als Futtermittelzusatzstoff reduziert die Methanemissionen von Wiederkäuern. Das von Wiederkäuern produzierte Methan stellt einen erheblichen Energieverlust für das Tier dar. Außerdem ist Methan ein Treibhausgas mit einem globalen Erwärmungspotenzial. Geraniol verringert die Methanproduktion deutlich, hat aber negative Auswirkungen auf die Futterverdauung und -fermentation im Pansen.

Der Geruch oder der Geschmack von ätherischen Ölen führt möglicherweise zur Verweigerung der Futteraufnahme. Dies lässt sich durch die Mikroverkapselung von ätherischen Ölen vermeiden. Unter dem Namen Herbromix ist eine mikroverkapselte Mischung ätherischer Öle von Oregano, Lorbeer- und Salbeiblättern, Fenchel, Myrtenblättern und Zitrusschalen erhältlich. Die Mischung enthält Geraniol als wirksamen Bestandteil und wird als Zusatz zu Geflügelfutter verwendet. Die Firma DSM hat Geraniol enthaltene Mixturen ätherischer Öle für die Schweine-, Geflügel- und Rindermast entwickelt, die unter dem Namen Crina vermarktet werden.

Die Verwendung von ätherischen Ölen als Futtermittelzusatzstoff in der Tierernährung hat seit dem 2006 in der Europäischen Union erteilten Verbot von antibiotischen Wachstumsförderern, welche im Verdacht stehen, zur steigenden Antibiotikaresistenz von Krankheitserregern beim Menschen beizutragen, zugenommen. Die antimikrobielle Wirkung von ätherischen Ölen ist gut dokumentiert und beruht neben der Wirkung von phenolischen Verbindungen unter anderem auf der von Geraniol. Geraniol ist gemäß der Durchführungsverordnung (EU) 2020/1396 als Zusatzstoff in Futtermitteln für alle Tierarten außer Meerestieren als „sensorischer Zusatzstoff“ zugelassen.

Akarizid

Geraniol zeigte als aktive Komponente in aus Pelargonien extrahiertem ätherischen Öl eine schützende Wirkung gegen Milbenbefall in Lebensmitteln. Bei der Verwendung von Geraniol als Akarizid betrug die Sterblichkeit der Milben 100 % bei einer Dosis von 10 Mikrogramm pro Kubikzentimeter des ätherischen Öls.

Pflanzenschutzmittel

In der Schweiz wurde der Wirkstoff per 1. Juli 2022 zur Verwendung in Pflanzenschutzmitteln zugelassen.

Biosynthese von Terpenen

Das Pyrophosphatderivat der Geraniols ist eine Schlüsselkomponente bei der Biosynthese vieler Terpene, etwa des Myrcen und Linalool.

Die Biosynthese dieser Terpene erfolgt aus Mevalonsäure 2, die über mehrere Stufen aus Essigsäure 1, beziehungsweise Acetyl-Coenzym A gebildet wird. Enzymatisch wird unter Abspaltung von Kohlendioxid das Isopentenylpyrophosphat (IPP) 3 gebildet, das teilweise in das isomere Dimethylallylpyrophosphat (DMAPP) 4 umgelagert wird. Unter Abspaltung eines Diphosphat-Anions entsteht aus 4 das mesomeriestabilisierte Kation 5, das elektrophil die Doppelbindung eines IPP-Moleküls angreift. Unter Bildung einer C-C-Bindung entsteht über die Zwischenstufe 6 das Geraniolpyrophosphat 7, aus dem Geraniol 13 gebildet wird. 7 kann wiederum über die Zwischenstufe 8 zum Linalylpyrophosphat 9 isomerisieren, aus dem durch Hydrolyse das Linalool 12 entsteht. Durch Abspaltung des Diphosphat-Anions aus dem Linalylpyrophosphat entsteht das Kation 10, das wiederum unter Abspaltung eines Protons Myrcen 11 bildet.

Botenstoff

Geraniol wirkt bei Königinnenentwicklung bei Bienen der Gattung Melipona als kastendeterminierendes Primerpheromon. Die Ammenarbeiterinnen kontrollieren durch die Gabe von Geraniol bei genetisch prädisponierten Larven den Entwicklungsweg. Nur bei ausreichender Versorgung mit Geraniol bilden sich neue Königinnen, bei fehlender Geraniolgabe wird diese Entwicklung unterdrückt.

Geraniol wurde als das Alarmpheromon der Nymphen der Platanen-Netzwanze (Corythucha ciliata) identifiziert. Nur deren Nymphen produzieren Geraniol, das ebenfalls als Alarmpheromon für artverwandte Nymphen wirkt. Erwachsene Platanen-Netzwanzen zeigen dagegen keine Anzeichen von Aggregation. Sie produzieren kein Geraniol und sprechen auch nicht darauf an.

Geraniol wurde in den flüchtigen Bestandteilen des Teakbaums gefunden, wo es neben einer großen Anzahl anderer Komponenten als Botenstoff zur chemischen Kommunikation dient. Geraniol wurde als Pheromon für Schmetterlinge, Hautflügler und Schnabelkerfen, als Attractant für Käfer und als Kairomon für Fransenflügler identifiziert.

Entzündungshemmende und antioxidative Eigenschaften

Geraniol weist verschiedene pharmakologische Eigenschaften auf, darunter antioxidative, entzündungshemmende und zytostatische Aktivität und gilt als potentielles Arzneimittel. Eine antimikrobielle Aktivität gegen 78 verschiedene Mikroorganismen wurde nachgewiesen. Am besten untersucht ist die Einwirkung auf Candida und Staphylococcus.

Durch den Verzehr von rohem Fisch kann es zu einer Infektion mit Parasiten wie Spulwürmern kommen, die Krankheiten wie Anisakiasis verursachen, welche sich durch Bauchschmerzen, Schwindel, Übelkeit, Durchfall und Erbrechen äußern. Geraniol führt in vitro bei einer Konzentration von 250 μg/ml innerhalb von 48 h zu einer Letalität von 90 % gegenüber den Larven der Spulwürmer.

Anti-Tumor Wirkung

Die therapeutische oder präventive Wirkung von Geraniol auf verschiedene Krebsarten wurde untersucht und Vorschläge für die Grundlagen für seine pharmakologischen Wirkungen gemacht. Außerdem scheint Geraniol gewisse Tumorzellen für häufig verwendete Chemotherapeutika zu sensibilisieren. Eine allgemein anerkannte Therapie auf Grundlage von Geraniol wurde jedoch noch nicht entwickelt.

Eine Mischung aus natürlichen ätherischen Ölen von Eugenol, Carvon, Nerolidol und Geraniol in Olivenöl war bei der Beseitigung von Läsionen des Gebärmutterhalses bei Zervixkarzinomen wirksam. Eine Studie wies nach, dass Geraniol das Zellwachstum in einer Kolonkarzinom-Zelllinie signifikant hemmte. Die Färbung mit dem Fluoreszenzfarbstoff 4′,6-Diamidin-2-phenylindol (DAPI) zeigte, dass Geraniol den programmierten Zelltod der Krebszellen induzierte. Mittels eines Western-Blot-Arrays wurde die Hochregulation des Coenzyms Bax und die Herabregulation des Proteins Bcl-2 durch Geraniol nachgewiesen.

Aromatherapie

Die Aromatherapie verwendet ätherische Öle, etwa Lavendelöl, das neben anderen Terpenen etwa 7 % Geraniol enthält, in der Massage und bei anderen Anwendungen mit dem Ziel, die körperliche, emotionale oder geistige Gesundheit zu verbessern. Die Untersuchung der Aromatherapie auf Angstzustände bei Patienten nach einer koronaren Bypassoperationen zeigte, dass die Aromatherapie in der Lage ist, Angst, Schmerzen, Übelkeit und andere Nebenwirkungen dieser Operation signifikant zu verringern.

Andere aromatherapeutische Anwendungen von Geraniol enthaltenden ätherischen Ölen, etwa gegen Diabetes oder Allergien, wurden untersucht, jedoch bislang ohne eine wissenschaftliche Bestätigung der Effektivität. Es gibt bisher keine wissenschaftlichen Beweise für die direkte Wirkung ätherischer Öle, die durch Massage auf die Haut aufgetragen werden, auf bestimmte innere Organe, etwa durch lokale Hautadsorption.