MONOGRAPHIEN AUS DEM GESAMTGEBIET DER PHYSIOLOGIE DER PFLANZEN UND DER TIERE

HERAUSGEGEBEN VON

M. GILDEMEISTER-LEIPZIG· R. GOLDSCHMIDT-BERLIN R. KUHN-HEIDELBERG· J.PARNAS-LEMBERG· W.RUHLAND-LEIPZIG

K. THOMAS-LEIPZIG

EINUNDDREISSIGSTER BAND

CAROTINOIDE VON

L. ZECHMEISTER

SPRING ER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG GMBH

1934

CAROTINOIDE EIN BIOCHEMISCHER BERICHT ÜBER PFLANZLICHE

UND TIERISCHE POLYENFARBSTOFFE

VON

PROFESSOR DR. L. ZECHMEISTER DIREKTOR DES CHEMISCHEN INSTITUTS DER UNIVERSITÄT

PECS (UNGARN)

MIT 85 ABBILDUNGEN

SPRING ER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG GMBH

1934

ISBN 978-3-642-88797-0 ISBN 978-3-642-90652-7 (eBook) DOI 10.1007/978-3-642-90652-7

ALLE RECHTE, INSBESONDERE DAS DER ÜBERSETZUNG IN FREMDE SPRACHEN, VORBEHALTEN.

COPYRIGHT 1934 BYSPRINGER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG. URSPRÜNGLICH ERSCHIENEN BEI JULIUS SPRINGER IN BERLIN 1934

SOFTCOVER REPRINT OF THE HARDCOVER 1ST EDITION 1934

Vorwort. Die organische Chemie wird

wieder mehr in die Richtung der physiologischen Chemie geleitet. Diese neuere Entwicklung führt da­zu, analytisch in die Chemie der Zelle tiefer einzudringen und dadurch mit neuen Anregungen die synthetische Chemie zu beleben (WILLSTÄTTER).

Ich kann mir die Phytochemie nur dann als einen, den Forschungs­drang befriedigenden Wissenszweig denken, wenn sie -obwohl chemi­scher Natur - teilnimmt an den wissenschaftlichen Bestrebungen der Botanik (GRESHOFF).

Unter den mannigfachen Problemen, die derzeit dem Natur­forscher zugänglich sind, gehört die Entwirrung des biochemischen Geschehens in der Pflanze zu den reizvollsten Aufgaben.

Die altbekannte, aber noch immer interessante Beobachtung, daß der Aufbau der organischen Materie von einem besonders einfachen Stoff, dem Kohlendioxyd ausgeht, ist geeignet, viele Forscher zur Weiterarbeit anzuregen, deren Leistungen sich einmal zu einem vollständigen Stammbaum der organischen Pflanzen­stoffe verdichten dürften. Heute winkt das Ziel noch aus der Ferne, denn nicht einmal statisch ist das Material zufriedenstellend erfaßt, so daß das Inventar der phytochemisch entstandenen Kohlenstoffverbindungen bedeutende Lücken aufweist. Die zur Verfügung stehenden physikalischen und chemischen Methoden sind noch bei weitem nicht ausgeschöpft. Zudem leidet die Pflanzen­chemie, wie manches andere Grenzgebiet, unter der Zersplitterung und Heterogenität der Literaturangaben.

Diesem Übelstand haben Professor G. KLEIN und der Verlag Julius Springer durch die Herausgabe des Handbuches der Pflanzen­analyse bewußt entgegengearbeitet. Zu dem großzügig angelegten Werk lieferte der Verfasser einen gedrängten Beitrag "Carotinoide höherer Pflanzen", aus welchem die vorliegende Schrift hervor­gegangen ist. Die Beschränkung auf höhere Pflanzen fiel nun fort, auch steht naturgemäß mehr Raum zur Verfügung als im Rahmen eines Sammelwerkes, endlich waren wichtige, neue Forschungs­ergebnisse, zum Teile auch freundliehst überlassene, unveröffent­lichte Beobachtungen zu verarbeiten, namentlich aus den Instituten der Herren R. KunN (Heidelberg) bzw. P. KARRER (Zürich), so daß eine kurze Monographie der chemisch definierten Carotinoide

VI Vorwort.

vorliegt. Diese Bezeichnung möge indessen (namentlich was ältere Angaben betrifft) nicht mit dem Begriffe der Vollständigkeit verbunden, sondern eher im Sinne einer Momentaufnahme aus­gelegt werden. Bei dem stürmischen Fortschritt auf dem nach­folgend zusammengefaßten Gebiete, welcher in der Geschichte der organischen Chemie nicht viele Gegenstücke hat, ist nämlich mit einem weiteren, raschen Umbau des bisher Erreichten zu rechnen.

Als besonders entwicklungsfähig erscheint das am Schlusse dieses Bandes skizzierte Gebiet der tierischen Carotinoide, mit einer Fülle von Fragestellungen an den Chemiker und an den Physiologen.

Es ist zu wenig gesagt, wenn man die Carotinoide als eine Sonderklasse der natürlichen Farbstoffe bezeichnet und sie einfach in die Systematik aufnimmt. Denn einerseits bietet ihre merk­würdige Struktur auch dem rein organisch arbeitenden Chemiker ganz neuartige Gesichtspunkte und Aufgaben, während andrer­seits die ungeheure Verbreitung der Polyenpigmente in Organismen der verschiedensten Art mit Bestimmtheit darauf hinweist, daß sie zu den lebenswichtigen Stoffen gehören. Schon bisher hat das chemische und physiologische Studium der Carotinoide mehrfach Beziehungen zu anderen Körperklassen der Pflanzen- und Tierwelt aufgedeckt, man ahnt aber wichtigere Zusammenhänge, die heute noch verborgen liegen.

In stetig wachsender Anzahl zeigen sich Berührungsflächen zwischen organischer Chemie, Vererbungslehre und Entwicklungs­geschichte.

Pecs, im Juli 1934.

Der Verfasser.

Inhaltsverzeichnis. A. Pflanzencarotinoide.

Allgemeiner Teil. Seite

Erstes Kapitel. Einführung in das Ge biet der Carotinoide . 1 Literatur und geschichtlicher Überblick . . 4 Chemisches Hauptmerkmal: Polyenstruktur 6 Struktur und Farbe 11 Stereochemische Verhältnisse . . . . . . . 12 Synthetische Aufgaben . . . . . . . . . 14 Strukturchemische Betrachtungen über die Bildungsweise von Caro-

tinoiden in der Pflanze . . . . . . . . 15 Pflanzenphysiologische Beobachtungen über die Bildung von Caro-

tinoiden im Gewebe . . . . . . . . . . . . . . . 21 Rolle der Carotinoide in der Pflanze . . . . . . . . . 26

Zweites Kapitel. Zusammenhänge mit anderen Körperklassen 27 l. Beziehungen zu Terpenen und Sterinen. 27 2. Beziehungen zum Vitamin A . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Carotin als Provitamin A . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Zusammenhang zwischen Molekülbau und A-Vitaminwirkung . 34

3. Beziehungen zwischen Carotinoiden und Lipoiden. Die Farb-wachse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4. Beziehungen zum Eiweiß . . . . . . . . . . . . . . . 41 5. Mögliche Beziehungen zu anderen Naturfarbstoffen . . . 42

Drittes Kapitel. Methoden der Konstitutionsforschung 43 l. Ermittlung der Doppelbindungen . . . . . . . . . . . 43

a) Ermittlung der Doppelbindungen durch Wasserstoffaddition 43 b) Ermittlung der Doppelbindungen durch Anlagerung von

Halogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 c) Ermittlung der Doppelbindungen durch Sauerstoffaddition 50

2. Bestimmung von Methylseitenketten. Einwirkung von Chrom-säure. . . . . . . . . . . . . . 51

3. Bestimmung der Isopropylidengruppe . . . . . . 53 4. Bestimmung der Hydroxylgruppe . . . . . . . . 54

Ermittlung von Lage und Natur der Hydroxylgruppen . 58 5. Bestimmung der Methoxylgruppe . . . . . . . . . . . . 60 6. Untersuchung der veresterten Hydroxylgruppe (Farbwachse). 60 7. Nachweis und Bestimmung der Ketongruppe. . . . . . . . 60 8. Bestimmung der Carboxylgruppe . . . . . . . . . . . . . 61 9. Isolierung von größeren Spaltstücken im Wege des Permanganat-

abbaues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 10. Abbau mit Ozon . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 11. Untersuchung der Produkte der thermischen Zersetzung 63 12. Ermittlung von Asymmetriezentren im Molekül . . . . 65

VIII Inhaltsverzeichnis. Seite

13. Strukturchemische Folgerungen aus spektroskopischen Daten 66 14. Strukturchemische Folgerungen aus biologischen Daten . . . 69 15. Bestimmung des Molekulargewichtes. . . . . . . . . . . . 69

Viertes Kapitel. Vorkommen und Zustand in der Pflanze. Nach-weis, Bestimmung und Trennung von Carotinoiden 70

l. Vorkommen . . . . . . . . . . . . 71 2. Mikrochemischer Nachweis im Gewebe 78 3. Farbenreaktionen 81 4. Spektroskopie . . . . . 84 5. Colorimetrie . . . . . 88 6. Entmischungsmethoden 90 7. Capillaranalytische Methode 93 8. Die chromatographische Adsorptionsmethode von TswETT. 94 9. Mikromethode von KuHN und BROCK111ANN zur Trennung und

Bestimmung von Carotinoiden . . . . . . . . . . . 102 10. Allgemeine Bemerkungen zum Arbeiten mit Carotinoiden 109

Spezieller Teil.

Fünftes Kapitel. Carotinoide im engeren Sinne (mit 40 Kohlen-stoffatomen) . . . . . 112

a) Polyen-Kohlenwasserstoffe. . . . . . . 112 1. Carotin . . . . . . . . . . . . . . 112

Carotingehalt des Pflanzenmaterials 114 Bestimmung in grünen Pflanzenteilen 114 Gewinnung von Carotin . . . 117 Beschreibung . . . . . . . . . . . 122 Umwandlungen und Derivate . . . . 125 Uneinheitlichkeit des Pflanzencarotins. Vorkommen von a-,

ß- und y-Carotin . . . . . . . . . . . . . . 128 Methoden zur Isolierung von a-, ß- und y-Carotin 131 Beschreibung von a-, ß- und y-Carotin . . . . . 134 Abbau und Konstitutionsermittlung der Carotine . 136 Einige Derivate des ß-Carotins 143 Weitere Carotinarten . 14 7

2. Lycopin. . . . . . . . . . . 150 Vorkommen . . . . . . . . 150 Nachweis und Bestimmung . 151 Isolierung . . . . . . . . . 153 Eigenschaften. Vergleich mit Carotin 155 Umwandlungen und Derivate . . . . 157 Abbau und Konstitution . . . . . . 159

b) Sauerstoffhaltige Farbstoffe der C40-Reihe 163 1. Kryptoxanthin 163 2. Rubixanthin . 166 3a.Xanthophyll . 169

Vorkommen 169 Nachweis und Bestimmung 170 Eigenschaften. Vergleich mit Carotin . 171

Inhaltsverzeichnis. IX

Seite Chemisches Verhalten des Blattxanthophylls . . . . . 174 Isomere Xanthophyllarten. Uneinheitlichkeit des Blatt-

xanthophylls 176 3b.Lutein . . . . . 179

Isolierung . . 181 Eigenschaften 182

4. Helenien (Lutein-dipalmitinsäureester). 184 5. Zeaxanthin 184

Vorkommen . . . . . . . . 184 Isolierung . . . . . . . . . 185 Beschreibung und Verhalten . 187 Chemische Umwandlungen . . 189 Konstitution der Xanthophylle C40H 560 2 190

6. Physalien (Zeaxanthin-dipalmitinsäureester) 193 Vorkommen und Bildung 193 Esterstruktur. 194 Isolierung . . . . . . . 195 Beschreibung . . . . . . 197 Chemische Umwandlungen . 199

7. Flavoxanthin. 201 8. Violaxanthin 204 9. Taraxanthin . 208

10. Fucoxanthin . 211 Vorkommen 212 Quantitative Bestimmung der vier Braunalgenfarbstoffe 213 Isolierung . . . 214 Beschreibung . . 217 Umwandlungen. 219 Zur Konstitution 220

11. Rhodoxanthin 221 Vorkommen . 221 Isolierung . . 222 Beschreibung . 223 Chemische Umwandlungen und Konstitution 225 Derivate . . . . . . 226

12. Capsanthin . . . . . . 227 Zustand im Gewebe. 228 Nachweis . . . . . 229 Isolierung von krystallisiertem Farbwachs . 230 Direkte Abscheidung von freiem Capsanthin. 231 Beschreibung . . . . . . . . 233 Umwandlungen und Derivate 236 Zur Konstitution . . . . . . 237

13. Capsorubin . . . . . . . . . . 238 Sechstes Kapitel. Carotinoide mit weniger als 40 Kohlenstoff-

atomen . . . . . . . . . 239 l. Bixin . . . . . . . . . . . 239

Nachweis und Bestimmung 239 Isolierung . . . . . . . . 240

X Inhaltsverzeichnis.

Zusammensetzung . . Beschreibung Chemisches Verhalten . Konstitution . . . . . Stereochemische Verhältnisse Beschreibung der wichtigsten Bixinderivate .

2. Crocetin und Crocin . . . . . . . . . . . . Vorkommen und Bestandteile des Safranpigments . Stereoisomere Crocetine . Nachweis im Safran ........... . Crocin .................. . Isolierung von Crocetin und Dimethylcrocetin . Beschreibung des Crocetins und seiner Methylester Labiler Crocetindimethylester . . . . . . . . . . Umwandlungen des Crocetins und des Dirnethylesters Abbau und Konstitution des Crocetins .

3. Azafrin ... Vorkommen . Isolierung . . Beschreibung . Chemisches Verhalten und Konstitution Azafrinderivate

B. Tiercarotinoide. Siebentes Kapitel. Fortschritte auf dem Ge biete der tierischen

Seite

241 242 244 245 246 248 251 251 253 254 254 255 257 258 259 261 262 263 263 264 265 269

Polyenfarbstoffe . 272 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 Vorkommen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 Biologische Beziehungen zwischen pflanzlichen und tierischen Caro-

tinoiden . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 Schicksal der Pflanzencarotinoide im Säugetier 277 Spezielle animalische Carotinoide . 280 Astaein . . . . . . . . 280

Zustand im Tierkörper . . 281 Darstellung . . . . . . . . 282 Beschreibung, Konstitution 284

Weitere, dem Astaein zum Teil nahestehende Pigmente 285

Mikrophotographien. Polyen-kohlenwasserstoffe . . . . . . . . . Polyen-alkohole der C40-Reihe und ihre Ester Polyen-ketone (Oxyketone) ..... . Carotinoide mit weniger als 40 C-Atomen Typische farblose Begleiter.

Literaturverzeichnis .

SachVerzeichnis . . .

287 289 294 296 300

301

329

Verzeichnis der Tabellen. Seite

l. Klasseneinteilung der Carotinoide . . . . . . . . . . . . . . . 3 2. Funktion der Sauerstoffatome in Carotinoiden . . . . . . . . . . 3 3. Anzahl der Kohlenstoffdoppelbindungen in Carotinoiden . . . . . . 5 4. Carotinoide und Umwandlungsprodukte mit Provitamin-A-Wirkungen 38 5. Vergleich der Lyochrome und Lypochrome . . . . . . . . . . 42 6. Anzahl der nachgewiesenen C-Doppelbindungen in Carotinoiden. 50 7. Produkte der thermischen Zersetzung von Carotinoiden . . . . 64 8. Spektroskopischer Vergleich einiger Polyen-carbonylverbindungen 67 9. Rein dargestellte und identifizierte Carotinoide der Pflanzenwelt . 72

10. Verhalten der synthetischen Diphenylpolyene gegen Schwefelsäure 82 11. Optische Schwerpunkte in Schwefelkohlenstoff . . . . . . . . . . 86 12. Einfluß der Meßmethode auf die optischen Schwerpunkte von a.- und

ß-Carotin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 13. Farbwerte bezogen auf eine Lösung von Azobenzol . . . . . . 90 14. Arbeitsgang der Entmischung . . . . . . . . . . . . . . . . 92 15. Adsorptionsreihe der wicht.igsten Carotinoide . . . . . . . . . . . 95 16. Typische Beispiele für die chromatographische Verarbeitung von

Polyengemischen ....................... 101 17. Gehalt der Blätter an grünen und gelben Farbstoffen . . . . . ll5 18. Isolierung von Blatt-carotin und -xanthophyll aus Rohextrakten 120 19. Spektrum von Gesamtcarotinpräparaten . . . . . . . . . . . 125 20. Vergleich einiger Farbenreaktionen von Carotin und Xanthophyll 126 21. a.-Carotingehalt verschiedener Carotinpräparate . . 131 22. Vergleich von a.-, ß- und y-Carotin. . . . . . . . 136 23. Vergleich von Isocarotin, Carotin und Lycopin . . 149 24. Zusammensetzung des Tomatenpigments . . . . . 151 25. Löslichkeit von Lycopin, Carotin und Xanthophyll 156 26. Farbe von Lycopin- und Carotinlösungen 156 27. Vergleich des Lycopin- und des Carotinspektrums. . . . . . . 158 28. Vergleich der chemischen Eigenschaften von Lycopin und Carotin 159 29. Farbstoffgehalt von 100 g frischen Hagebutten . . . . . . . . . 167 30. Vergleich von Carotin und Xanthophyll ............. 172 31. Intensitätsverhältnis von Blattcarotin- und Blattxanthophyll-lösungen 173 32. Spektrum des Blattxanthophylls . . . . . . . . . . . 173 33. Unterscheidung von Lutein und Violaxanthin . . . . . 183 34. Optische Schwerpunkte von Zeaxanthin und Lutein . . 188 35. Vergleich von Lutein, Eidotterfarbstoff und Zeaxanthin 188 36. Vergleich von Lutein, Violaxanthin und Fucoxanthin . . .. 207 37. Vergleich der Absorptionsspektren von Zeaxanthin, Lutein und Viola-

xanthin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 38. Vergleich von Taraxanthin und Violaxanthin ........... 210 39. Ergebnisse der capillaranalytischen Untersuchung von Algencarotinoiden 2ll 40. Gehalt der Braunalgen an Chlorophyll und Carotinoiden . . . . . . 213 41. Molekulares Verhältnis zwischen Chlorophyll und den gelben Farbstoffen

in Braunalgen .................. . : ..... 213 4~. Verteilung von Xanthophyll und Fucoxanthin zwischen Ather-Petrol-

äther und Holzgeist . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 43. Optische Schwerpunkte des Rhodoxanthins und seines Dioxims 224 44. Beispiel für die Chromatographie von Rohcapsanthin . . . . . 233

XII Verzeichnis der Abbildungen. Seite

45. Farbenreaktionen des Capsanthins . . . . . . . . . . . . . 235 46. Optische Schwerpunkte in der labilen und stabilen Bixinreihe 249 47. Vergleich von stabilem und labilem Crocetin-dimethylester . . . 259 48. Farbenreaktionen des Crocetins und seiner Hydrierungsprodukte 260 49. Spektroskopischer Vergleich von Azafrin und Crocetin. . . . . 264 50. Farbreaktionen der Methylester von Azafrin, Crocetin und Norbixin 266 51. Optische Schwerpunkte der Methylester von Polyen-carbonsäuren 269 52. Farbstoffe des Hummers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282

Verzeichnis der Abbildungen. l. Lage der Doppelbindungen in Diphenyl-hexatrien und -octatetraen 2. Diphenyl-decapentaen .................... . 3. Schwankungen im Carotingehalt der Erbsenpflanzen in verschiedenen

Stadien des Wachstums . . . . . . . . . 4. Apparat zur katalytischen Hydrierung . . . 5. Schüttelbirne mit Seitenansatz . . . . . . 6. Colorimetrische Hydrierkurve des ß-Carotins 7. Apparat zur Mikrohydrierung . . . . . . . . . 8. Apparat zur Mikrobestimmung von C-Methylgruppen 9. Apparat zu Mikrobestimmungen nach ZEREWITINOFF

10. Typische Carotinkrystalle im Gewebe ..... . 11. Tintometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12. Tintometer mit Beleuchtungsvorrichtung ..... . 13. Spektrum des Blattcarotins und Blattxanthophylls . . . 14. Absorptionskurven von Carotin, Lycopin und Xanthophyll. 15. Reagensglas-Scheidetrichter . . . . . . 16. Adsorptionsrohr . . . . . . . . . . . 17 a und b. Adsorptionsrohre . . . . . . . 18. Adsorptionsvorrichtung nach HEILBRON 19. Einfaches Adsorptionsrohr . . . . . . 20. Chromatogramm eines grünen Blattes . . 21. Apparat zum Umkrystallisieren von Carotin in Stickstoff 22. Helmkolben . . . . . . . . . . . . . . . . 23. Steinzeugnutsche . . . . . . . . . . . . . . 24. Absorptionskurven von IX- und ß-Carotin in Hexan 25. Absorptionskurven von IX- und ß-Carotin in cs2 .. 26. Absorptionskurven von y-Carotin . . . . . . . . 27. Vorrichtung zur Darstelhmg von Semi-ß-carotinon . 28. Absorptionskurven des ß-Carotinons und des ß-Oxycarotins. 29. Absorptionskurven von Carotin und Isocarotin 30. Absorptionskurven von Zeaxanthin und Lutein 31. Absorptionskurve des Flavoxanthins ..... 32. Absorptionskurve des Taraxanthins . . . . . 33. Absorptionskurve des Capsanthins ..... . 34. Absorptionskurven von Methylazafrin und Methylazafrinon

12 13

28 45 46 46 47 52 57 so 83 84 85 87 91 97 97 98 99 99

llO ll6 119 130 130 135 145 146 148 182 202 210 235 270 283 35. Absorptionskurve des Astaeins .

36-85. Mikrophotographien ................ . 287-300