Vanillin

Natürliche Quellen

Die bis zu 30 cm langen Kapselfrüchte der Gewürzvanille werden kurz vor der Reife geerntet. Diese haben noch nicht das typische Aroma und den Geschmack des fertigen Produkts. Zur Gewinnung werden die Früchte der sogenannten Schwarzbräunung unterzogen. Zuerst werden die Kapselfrüchte heißwasser- oder wasserdampfbehandelt, anschließend folgt eine Fermentation in luftdichten Behältern. Durch die Trocknungs- und Fermentierungsprozesse wandeln sich die β-D-Glucoside des Vanillins in Vanillin und Glucose um.

Ein Großteil des Vanillins wird aus den bei der Zellstoffherstellung anfallenden Sulfitabfällen gewonnen. Die hierin enthaltene Ligninsulfonsäure wird bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck mit Oxidantien und Alkalien behandelt, wobei unter anderem Vanillin entsteht, das durch Extraktion, Destillation und Kristallisation gereinigt wird. Die Ausbeuten betragen je nach Holzart 7–25 %. Dieses künstliche Vanille-Aroma auf Lignin-Basis besitzt ein reicheres Geschmacksprofil. Dies ist auf die Anwesenheit von Acetovanillon als Lignin-Folgeprodukt zurückzuführen – eine Verunreinigung, die in Vanillin aus einer Guajacolsynthese nicht auftritt.

Technische Synthesen

• Vanillin lässt sich technisch durch Isomerisierung von Eugenol (1) zu Isoeugenol (2) mittels Alkalien und anschließender Oxidation durch Kaliumpermanganat oder Ozon gewinnen.

• Eine Synthese im Labormaßstab erfolgt durch eine elektrophile Bromierung von 4-Hydroxybenzaldehyd (1) zum 3-Brom-4-hydroxybenzaldehyd (2), gefolgt von einer Kupfer-katalysierten Methoxylierung zum Vanillin (3):

• Mittels der Vilsmeyer-Haack-Synthese erhält man Vanillin aus Guajacol in etwa 70%iger Ausbeute. Guajacol und N-Methylformanilid reagieren in Gegenwart von Phosphoroxychlorid als Katalysator unter Bildung von Vanillin.
• Guajacol lässt sich mit Formaldehyd und 3-Nitrobenzolsulfonsäure in einem mehrere Tage dauernden Prozess zu Vanillin und Metanilsäure umwandeln.
• Eine weitere Möglichkeit ist die Substitutionsreaktion von Guajacol (1) mit Glyoxylsäure und anschließende Oxidation der gebildeten Vanillinmandelsäure (2) zu 4-Hydroxy-3-methoxyphenylglyoxylsäure (3), die zu Vanillin (4) decarboxyliert wird.

• Eine weitere häufig verwendete Methode ist die Fries-Umlagerung von Guajacolacetat in Acetovanillon und nachfolgender Degradation zu Vanillin.

Biotechnologische Methoden

Alternativ stehen verschiedene biotechnologische Methoden zur Verfügung. Vanillin kann beispielsweise durch Amycolatopsis- oder Streptomyces-Stämme aus Ferulasäure hergestellt werden. Die Ferulasäure kann ebenfalls biotechnologisch mit Hilfe von Pseudomonas-Stämmen aus Eugenol im Fed-Batch-Verfahren (Eugenol ist toxisch für die Zellen) hergestellt werden. Eugenol ist ein gut verfügbarer Rohstoff und stammt aus Nelkenöl. Ebenfalls dient Curcumin als Präkursor von Vanillin, mit Hilfe der Bakterien Rhodococcus rhodochrous wird dieses durch Biotransformation gewonnen. Möglich ist auch die Gewinnung aus Glucose durch genetisch modifizierte Escherichia coli Bakterien und nachfolgender Dehydrogenase.

Es kann auch über den Shikimisäureweg aus Hefekulturen hergestellt werden.

Vanillin als Produkt des Shikimisäurewegs (1). Endprodukte dieses Wegs chemischer Reaktionen sind die Aminosäuren Phenylalanin, Tyrosin und Tryptophan. Phenylalanin (2) wird biosynthetisch mit Hilfe des Enzyms Phenylalanin-Ammoniak-Lyase (PAL) unter Freisetzung von Ammoniak (NH₃) zu Zimtsäure (3) umgesetzt. Dies ist der erste Schritt in der Biosynthese der Phenylpropanoide.

Zwei wesentliche Wege sind in Diskussion, wie auf Basis von Phenylpropanoidverbindungen die Schritte zum Vanillin verlaufen: der Ferulasäureweg und der Benzoatweg. Beide gehen zunächst von einer p-Hydroxylierung der Zimtsäure zur p-Cumarsäure (4-Hydroxyzimtsäure) (4) aus. Danach folgen drei Reaktionsschritte, deren Reihenfolge unterschiedlich ist, aber letztlich zum Zielmolekül führen.

• Im Ferulasäureweg erfolgt zunächst eine Hydroxylierung an der 3-Position im Ring zur Kaffeesäure (5) und anschließend deren Methylierung zur Ferulasäure (6), schließlich die Spaltung der Doppelbindung zum Aldehyd, dem Vanillin (7).
• Im Benzoatweg erfolgt hingegen zuerst die Spaltung der Doppelbindung zum 4-Hydroxybenzaldehyd (8), anschließend die Hydroxylierung an der 3-Position im Ring zum Protocatechualdehyd (9) und schließlich deren Methylierung zum Vanillin (7).

Die Hydroxylierungen von 3 nach 4 und von 8 nach 9 werden vom Enzym Diphenolase katalysiert. Die Diphenolase wirkt bei letzterer Reaktion als Monophenoloxidase; diese Aktivität hat momentan eine unterschiedliche EC-Nummer (EC 1.14.18.1), es handelt sich aber um dasselbe Enzym.

Im Gegensatz zur chemischen Herstellung („naturidentisch“) darf das biotechnologisch hergestellte Vanillin als „natürlich“ deklariert werden.

Biosynthetisches Vanillin ist etwa 60-mal teurer als synthetisches (2015), aber immer noch billiger als natürliches.

Physikalische Eigenschaften

Vanillin tritt in Form farbloser, charakteristisch süßlich riechender Nadeln auf, die an feuchter Luft allmählich zu Vanillinsäure oxidieren. Vanillin löst sich schlecht in Wasser (10 g/l bei 25 °C) hingegen gut in Ethanol und Diethylether. Die Verbindung tritt in zwei polymorphen Kristallformen auf. Die Form I schmilzt bei 82 °C mit einer Schmelzenthalpie von 22,4 kJ·mol⁻¹. Sie kristallisiert im monoklinen Kristallsystem in der Raumgruppe P2₁ (Raumgruppen-Nr. 4)Vorlage:Raumgruppe/4 mit den Gitterparametern a = 1404,9 pm, b = 787,4 pm, c = 1501,7 pm, β = 115,45° und vier Formeleinheiten pro Elementarzelle. Die Form II schmilzt bei 80 °C mit einer Schmelzenthalpie von 20,7 kJ·mol⁻¹. Beide Kristallformen stehen monotrop zueinander, wobei Form I die thermodynamisch stabile Kristallform ist. Vanillin siedet bei 285 °C bei Normaldruck in einer CO₂-Atmosphäre bzw. 154 °C bei Unterdruck (13 hPa).

Chemische Eigenschaften

Die Substanz leitet sich strukturell sowohl vom Benzaldehyd als auch vom Guajacol (2-Methoxyphenol) ab. Infolge seines bifunktionalen Charakters ist Vanillin sehr reaktionsfreudig. Durch Veretherung, Veresterung oder Aldolkondensation sind sehr viele Derivate synthetisierbar. Durch Angriff am aromatischen Ring sind weitere Reaktionen möglich. Eine katalytische Hydrierung von Vanillin führt zu Vanillylalkohol bzw. zu 2-Methoxy-4-methylphenol. Vanillin kann enzymatisch zur Vanillinsäure oxidiert werden. Eine wässrige Lösung von Eisen(III)-chlorid bildet mit Vanillin eine blauviolette Färbung.

Der pK_s-Wert der phenolischen OH-Gruppe beträgt 7,40 (25 °C). Dieser Wert ist gegenüber dem Phenol mit 9,99 deutlich niedriger; die elektronenziehende Aldehydgruppe erhöht durch ihren −M-Effekt die OH-Acidität; die phenolische OH-Bindung wird zunehmend polarisiert. Der pK_s-Wert des 4-Hydroxybenzaldehyds bewegt sich bei einem ähnlichen Wert und beträgt 7,66; die fehlende Methoxygruppe macht hier kaum einen Unterschied aus. Zum Vergleich besitzt auch das Guajacol (2-Methoxyphenol) mit seinem pK_s-Wert von 9,98 praktisch keinen Unterschied zum Phenol mit 9,99.