Ninhydrin - was weiß man über die Reaktion?Vortrag von Markus Drechsel im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Organische Chemie", SS 2001 Gliederung:
1. EinführungSiegfried Ruhemann entdeckte im Jahre 1911, dass Ninhydrin mit Aminosäuren und Peptiden eine blauviolette Färbung ergibt, den so genannten "Ruhemannschen Purpur". Diese Farbreaktion ist sehr empfindlich, es lassen sich damit noch sehr kleine Aminosäuremengen nachweisen. Sie kommt beispielsweise bei Dünnschicht-Chromatogrammen von Aminosäuren zum Einsatz. Auch der Hautschweiß enthält Spuren von Aminosäuren. Fingerabdrücke auf Papier können daher mittels der Ninhydrin-Reaktion sichtbar gemacht werden.
Abb. 1: Handabdruck auf Schreibmaschinenpapier, Ninhydrin-Färbung. [7] In der Medizin wird der Ninhydrin-Test (Moberg-Test) zum Nachweis peripherer Nervenläsionen angewandt. Da die sympathischen Fasern, die die Schweißsekretion regulieren, nach Austritt aus dem Rückenmark mit den peripheren Nerven verlaufen, kommt es bei Nervenläsionen auch zum Ausfall der Schweißsekretion. Beim Moberg-Test werden Hand- oder Fußabdrücke auf Papier mit Ninhydrin-Reagenz behandelt, wobei die mit dem Schweiß freigesetzten Aminosäuren und Peptide zu einer Färbung führen.
2. Die Ninhydrin-Reaktion2.1 Vorgelagerte GleichgewichtsreaktionenIm folgenden sind die wichtigsten Schritte der Ninhydrin-Reaktion abgebildet. Die Reaktion wird hier exemplarisch mit einer Aminosäure als Reaktionspartner dargestellt, weiterhin wird Ninhydrin-Reagenz benötigt. Mit Blick auf die Reaktion ist zu beachten, dass Ninhydrin aber auch die Aminosäure eigenen Gleichgewichtsreaktionen unterworfen sind. Das Gleichgewicht zwischen Ninhydrin und seinem Hydrat bzw. die Zwitterionenstruktur der Aminosäure sind im folgenden kurz dargestellt:
2.2 Reaktionsmechanismus
Die erste fassbare Zwischenstufe nach erfolgter Wasserabspaltung und Decarboxylierung stellt das Aminoketon dar, welches in einem zweiten Reaktionsschritt mit einem weiteren Molekül Ninhydrin reagiert. Um diesen Vorgang zeitlich zu beschleunigen, muss die Temperatur gesteigert werden. Hierbei entsteht die charakteristische blauviolette Färbung, die auch "Ruhemannsches Purpur" genannt wird.
Bei näherer Betrachtung der Reaktion bleibt festzuhalten, dass lediglich das N-Atom der Aminosäure über verschiedene Zwischenstufen in das Farbstoffmolekül Eingang gefunden hat. Somit liegt der Verdacht nahe, dass auch mit anderen Verbindungen (z. B. Amine) eine Reaktion möglich ist. Auf einfache Art und Weise lässt sich somit die Spezifität der Reaktion bestimmen.
3. Noch etwas zu AminosäurenDer Begriff "Aminosäuren" weist auf das Vorhandensein mindestens einer Amino- und mindestens einer Carboxylgruppe hin. Für die Stellung dieser Gruppen ergeben sich jedoch unterschiedliche Möglichkeiten:
Durch das Einführen einer Aminogruppe in a-Position entsteht ein chirales Zentrum, das Molekül selbst wird asymmetrisch. Ein Maß für die Chiralität ist die Sequenzregel von Cahn, Ingold und Prelog, die die R-/S-Nomenklatur eingeführt haben. Die historische Einteilung, die von den Naturstoffen herrührt, ist die D-/L-Nomenklatur. Bei Aminosäuren stehen noch weitere Möglichkeiten der Klassifizierung zur Verfügung. Man unterscheidet ferner (nur einige Beispiele):
4. Umsatzkontrolle bei der Festphasen-Peptid-SynthesePeptide werden aus a-Aminosäuren aufgebaut. Ihre Synthese ist von großer Bedeutung und mit einigen Schwierigkeiten verbunden. Ein Arbeiten mit Schutzgruppen und Aktivierungsreagentien ist unumgänglich. Ein wichtiges Verfahren, bei dem auch die Ninhydrin-Reaktion eine Rolle spielt, ist die Synthese an der festen Phase. Hierbei wird die erste Aminosäure an ein Harz (in den folgenden Gleichungen als R gekennzeichnet) geknüpft (Merrifield-Technik). Diese Bindung wird erst nach vollständig abgeschlossener Synthese durch Verseifung gelöst. Durch diese Verankerung wird der Gesamtprozess automatisierbar, so dass eine Großproduktion von Peptiden möglich ist. Die Aminogruppe der zweiten Aminosäure muss geschützt werden. Eine Möglichkeit hierfür ist die Fmoc-Schutzgruppe (Fluoren-9-ylmethoxycarbonyl). Das bei der Kondensationsreaktion entstehende Wasser wird durch Dicyclohexylcarbodiimid (DCC) abgefangen. Gemäß diesen Vorgaben ist im folgenden die Synthese eines Dipeptids dargestellt:
Für die Peptidsynthese ist es außerordentlich wichtig, den Reaktionsverlauf zu kontrollieren. Der Umsatz muss nahezu quantitativ verlaufen. Zur Überprüfung zieht man eine kleine Probe aus dem Reaktionsgemisch und führt den Kaiser-Test durch.
Hauptbestandteil dieses Tests ist die Ninhydrin-Reaktion:
Färbt sich die Testlösung blauviolett, so sind noch freie a-Aminogruppen vorhanden und die Reaktion ist noch nicht beendet.
5. Weitere Anwendungsmöglichkeiten in Labor und Alltag
6. Literatur:
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