Acetylsalicylsäure (ASS) einfach erklärt: Synthese & Analyse

Hast du schon einmal eine Kopfschmerztablette genommen? Der Wirkstoff in vielen dieser Tabletten, wie zum Beispiel Aspirin, heißt Acetylsalicylsäure (kurz ASS) und ist eines der bekanntesten Medikamente der Welt.

In dieser Lektion schlüpfst du in die Rolle eines Arzneimittelchemikers. Du wirst lernen, wie man diesen berühmten Wirkstoff im Labor aus einfachen Chemikalien selbst herstellt, wie man ihn von Verunreinigungen befreit und wie man mit cleveren Farbtests überprüft, ob das Endprodukt wirklich rein ist.

Vorwissen

• Veresterung: Eine Reaktion, bei der eine Säure und ein Alkohol unter Abspaltung von Wasser zu einem Ester reagieren. Beispiel: Essigsäure und Ethanol reagieren zu Essigsäureethylester und Wasser.
• Phenole: Organische Moleküle, die aus einem Benzolring bestehen, an den direkt eine Hydroxygruppe (OH-Gruppe) gebunden ist. Beispiel: Phenol ($\text{C}_6\text{H}_5\text{OH}$) reagiert in Wasser als schwache Säure.

Aufgabentyp 1: Synthese und Aufreinigung von Acetylsalicylsäure

Um Acetylsalicylsäure (ASS) herzustellen, nutzen wir eine Veresterungsreaktion. Als Ausgangsstoff dient die Salicylsäure, die eine phenolische OH-Gruppe besitzt. Diese lassen wir mit Essigsäureanhydrid reagieren. Als Katalysator (ein chemischer Beschleuniger) geben wir etwas konzentrierte Schwefelsäure hinzu.

Bei der Reaktion wird die phenolische OH-Gruppe verestert: Ein Teil des Essigsäureanhydrids (die Acetylgruppe) heftet sich an das Molekül. So entsteht die Acetylsalicylsäure. Da diese Reaktion Zeit und Wärme braucht, erhitzen wir das Gemisch. Damit dabei keine wichtigen Stoffe verdampfen, nutzen wir das Erhitzen unter Rückfluss. Dabei steigen Dämpfe auf, werden in einem Kühler wieder flüssig und tropfen zurück in den Kolben.

Nach der Reaktion ist das Produkt noch unrein. Wir gießen das heiße Gemisch in Eiswasser. Da sich ASS in kaltem Wasser kaum löst, fällt es als weißer Feststoff aus (Fällung). Diesen Feststoff saugen wir mit einem speziellen Filter (Büchner-Trichter) ab. Um das Produkt hochrein zu bekommen, wenden wir die Umkristallisation an: Wir lösen das Pulver in heißem Ethanol und lassen es langsam wieder auskristallisieren. Verunreinigungen bleiben dabei in der Flüssigkeit zurück.

Zweck: Herstellung und Reinigung von Acetylsalicylsäure.

Materialien: $10 \text{ g}$ Salicylsäure, $15 \text{ ml}$ Essigsäureanhydrid, konzentrierte Schwefelsäure, Eiswasser, Ethanol, Rundkolben, Rückflusskühler, Magnetrührer mit Heizbad, Büchner-Trichter.

⚠️ Sicherheitshinweis: Konzentrierte Schwefelsäure und Essigsäureanhydrid sind stark ätzend. Schutzbrille und Handschuhe tragen! Unter dem Abzug arbeiten.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Gib $10 \text{ g}$ Salicylsäure und $15 \text{ ml}$ Essigsäureanhydrid in den Rundkolben.
2. Füge vorsichtig einige Tropfen konzentrierte Schwefelsäure hinzu.
3. Baue die Rückflussapparatur auf und erhitze das Gemisch für mindestens eine Stunde im siedenden Wasserbad unter Rühren.

4. Gieße das heiße Gemisch vorsichtig in ca. $30 \text{ ml}$ Eiswasser.
5. Filtriere den entstandenen weißen Niederschlag mit dem Büchner-Trichter ab und wasche ihn mit Eiswasser.
6. Löse den Feststoff in wenig heißem Ethanol und lasse das Lösungsmittel verdampfen, um reine Kristalle zu erhalten (Umkristallisation).

Beobachtung: Nach dem Eingießen in Eiswasser bildet sich sofort ein flockiger, weißer Feststoff.

Erklärung: Die Kälte verringert die Löslichkeit der neu gebildeten ASS drastisch, sodass sie als Feststoff ausfällt und abgetrennt werden kann.

Aufgabentyp 2: Analytische Prüfung und Reinheit von ASS

Nach der Synthese müssen wir prüfen, ob unser Produkt wirklich rein ist oder ob noch Reste der Salicylsäure (unserem Ausgangsstoff) enthalten sind. Dafür nutzen wir den Eisen(III)-chlorid-Test.

Eisen(III)-chlorid ($\text{FeCl}_3$) ist eine gelbliche Lösung, die eine besondere Eigenschaft hat: Sobald sie mit einer freien phenolischen OH-Gruppe in Berührung kommt, bildet sich ein tiefvioletter Farbkomplex.

• Salicylsäure: Besitzt eine freie phenolische OH-Gruppe. Der Test ist positiv (violett).
• Reine Acetylsalicylsäure (ASS): Hier wurde die OH-Gruppe durch die Acetylgruppe verestert. Die OH-Gruppe ist also blockiert. Der Test ist negativ (bleibt gelblich/farblos).

Wenn unser selbst hergestelltes Produkt beim Test violett wird, wissen wir sofort: Die Reaktion war nicht vollständig oder die Reinigung war unzureichend, da noch Salicylsäure vorhanden ist. Zusätzlich kann man den pH-Wert messen: Beide Stoffe sind Säuren, aber Salicylsäure ist etwas saurer als ASS.

Zweck: Nachweis von nicht umgesetzter Salicylsäure im Syntheseprodukt.

Materialien: Salicylsäure, reine ASS (aus der Apotheke), selbst hergestellte ASS, Eisen(III)-chlorid-Lösung, Tüpfelplatte (eine weiße Keramikplatte mit kleinen Mulden).

Durchführung:

1. Gib jeweils eine kleine Spatelspitze Salicylsäure, reine ASS und dein Syntheseprodukt in drei verschiedene Mulden der Tüpfelplatte.
2. Löse die Proben in wenigen Tropfen eines Ethanol-Wasser-Gemisches.
3. Gib zu jeder Probe 1-2 Tropfen Eisen(III)-chlorid-Lösung.

Beobachtung: Die Salicylsäure färbt sich sofort tiefviolett. Die reine ASS zeigt keine Farbveränderung. Das Syntheseprodukt färbt sich möglicherweise leicht violett.

Erklärung: Die violette Farbe beim Syntheseprodukt zeigt an, dass noch Reste der Salicylsäure vorhanden sind. Das Produkt ist also noch nicht zu 100 % rein.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Wenn du in einer Prüfung das Ergebnis eines Eisen(III)-chlorid-Tests auswerten sollst, gehe nach diesem Plan vor:

1. Beobachtung festhalten: Prüfe, ob sich die Lösung nach Zugabe von $\text{FeCl}_3$ violett färbt oder gelblich/farblos bleibt.
2. Funktionelle Gruppe zuordnen: Violett bedeutet, eine freie phenolische OH-Gruppe ist vorhanden. Keine Verfärbung bedeutet, es gibt keine freie phenolische OH-Gruppe (sie ist z. B. verestert).
3. Schlussfolgerung ziehen: Verknüpfe die Gruppe mit dem Molekül. Violett bedeutet, dass Salicylsäure anwesend ist (Verunreinigung oder Hydrolyse). Keine Verfärbung bedeutet, dass reine ASS vorliegt.

Durchgerechnete Beispiele

Aufgabentyp 3: Hydrolyse von Acetylsalicylsäure

Esterbindungen sind nicht für die Ewigkeit gemacht. Wenn Acetylsalicylsäure mit Wasser in Kontakt kommt und erhitzt wird, passiert genau das Gegenteil der Synthese: Die Hydrolyse (Spaltung durch Wasser).

Das Wasser spaltet die Esterbindung der ASS. Dabei wird die Acetylgruppe wieder abgetrennt (es entsteht Essigsäure) und die freie phenolische OH-Gruppe der Salicylsäure kommt wieder zum Vorschein.

Da bei diesem Prozess Salicylsäure entsteht, können wir den Fortschritt der Hydrolyse wunderbar mit dem Eisen(III)-chlorid-Test live mitverfolgen. Je länger die ASS hydrolysiert, desto mehr Salicylsäure entsteht und desto intensiver wird die violette Färbung beim Test.

Zweck: Beobachtung der Esterspaltung von ASS durch Hitze und Wasser.

Materialien: Reine ASS, Wasser, Eisen(III)-chlorid-Lösung, Reagenzglas, Wasserbad, Tüpfelplatte, Pipette.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Löse etwas reine ASS in einem Reagenzglas in Wasser auf.
2. Entnimm sofort einen Tropfen, gib ihn auf die Tüpfelplatte und teste ihn mit Eisen(III)-chlorid (Probe für Minute 0).
3. Stelle das Reagenzglas in ein kochendes Wasserbad.
4. Entnimm nun jede Minute einen weiteren Tropfen, gib ihn auf die Tüpfelplatte und teste ihn mit Eisen(III)-chlorid.

Beobachtung: Die Probe bei Minute 0 bleibt farblos. Mit jeder weiteren Minute wird die violette Färbung der neuen Proben intensiver.

Erklärung: Durch das Erhitzen im Wasserbad wird die Esterbindung der ASS zunehmend gespalten. Es wird immer mehr Salicylsäure freigesetzt, was zu einer immer stärkeren violetten Komplexbildung mit dem Eisen(III)-chlorid führt.

Aufgabentyp 4: Nachweis von Tablettenhilfsstoffen

Wenn du eine Aspirin-Tablette in der Apotheke kaufst, besteht diese nicht zu 100 % aus dem Wirkstoff ASS. Damit das Pulver in eine feste Tablettenform gepresst werden kann und im Magen gut zerfällt, fügen die Hersteller Hilfsstoffe hinzu. Ein sehr häufiges Bindemittel ist Stärke (ein Vielfachzucker).

Um diese Hilfsstoffe nachzuweisen, machen wir uns die unterschiedliche Löslichkeit zunutze: Der Wirkstoff ASS löst sich sehr gut in einem Ethanol-Wasser-Gemisch. Die Stärke hingegen löst sich darin nicht und bleibt als fester Rückstand übrig. Diesen Rückstand können wir dann mit der Lugolschen Lösung (Iod-Kaliumiodid-Lösung) testen. Iod lagert sich in die spiralförmige Struktur der Stärke ein und erzeugt eine charakteristische tiefblau-schwarze Färbung.

Zweck: Trennung von Wirkstoff und Hilfsstoff sowie der Nachweis von Stärke.

Materialien: Eine handelsübliche ASS-Tablette, Ethanol-Wasser-Gemisch, Filterpapier, Trichter, Reagenzglas, Lugolsche Lösung (Iod-Kaliumiodid).

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Zermörsere die Tablette zu einem feinen Pulver.
2. Gib das Pulver in ein Ethanol-Wasser-Gemisch und rühre gut um, damit sich die ASS löst.
3. Filtriere die Mischung. Die unlöslichen Hilfsstoffe bleiben als Rückstand im Filterpapier.
4. Kratze den Rückstand aus dem Filter, koche ihn kurz in etwas Wasser auf und lasse ihn abkühlen.
5. Gib 2-3 Tropfen Lugolsche Lösung hinzu.

Beobachtung: Nach Zugabe der gelb-bräunlichen Lugolschen Lösung färbt sich die Flüssigkeit sofort tiefblau bis schwarz.

Erklärung: Die Farbänderung beweist eindeutig, dass der unlösliche Rückstand der Tablette Stärke enthält.

Wichtige Erkenntnisse

• Synthese: ASS entsteht durch die Veresterung von Salicylsäure mit Essigsäureanhydrid.
• Reinheitstest: Eisen(III)-chlorid färbt sich bei Kontakt mit der freien OH-Gruppe der Salicylsäure violett. Reine ASS bleibt farblos.
• Hydrolyse: Hitze und Wasser spalten ASS wieder in Salicylsäure und Essigsäure.
• Hilfsstoffe: Tabletten enthalten Bindemittel wie Stärke, die sich mit Lugolscher Lösung (blau-schwarz) nachweisen lassen.