[0001] Die Erfindung betrifft ein Rauchprodukt, insbesondere Tabak mit oder ohne Umhüllungsmaterial,
enthaltend Nicotin-N'-oxid.
[0002] Aus "Die Nahrung",4. Jahrgang 1960, Heft 4, Seite 310 - 323, insbesondere Seite 322,
Zusammenfassung bzw. Summary, ist bekannt, daß Nicotin-N'-oxid, enthalten in Rauchtabak,
beim Abrauchen Nicotin bildet und zu einer Steigerung des Nicotingehaltes im Haupt-
und Nebenstromrauch führt.
[0003] Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß das cis-Isomere des Nicotin-N'-oxids
zu einer erheblichen Verschlechterung des Rauchgeschmacks führt. Demgemäß ist die
Erfindung in erster Linie auf ein Rauchprodukt gerichtet, dessen Rauch durch Nicotin-N'-oxidzusatz
einen erhöhten Nicotingehalt aufweist,wobei die oben genannte Geschmacksbeeinträchtigung
des Rauches durch den cis-Isomeren vermieden werden kann.
[0004] Unter dem hier verwendeten Begriff "Rauchprodukt" sind Schnitttabak, Pfeifentabak,
Cigaretten, Zigarillos oder Zigarren aus Tabak mit oder ohne zugesetzten Nicht-Tabak-Materialien
und/ oder rekonstituiertem Tabak zu verstehen. Das Rauchprodukt der Erfindung kann
mit oder ohne Umhüllungsmaterial hergestellt sein, wobei als Umhüllungsmaterial Cigarettenpapier,
Zigarren-oder Zigarilloumhüllungen aus Tabak oder Nicht-Tabak-Materialien verwendet
werden können.
[0005] Das Rauchprodukt der Erfindung enthält erfindungsgemäß trans-Nicotin-N'-oxid, das
frei oder im wesentlichen frei von cis-Nicotin-N'-oxid ist oder einen Gehalt von höchstens
10 Gew.-% des cis-Isomeren aufweist, und zwar in einer Menge bis zu 5 Gew.-%, bezogen
auf das Rauchprodukttrockengewicht.
[0006] Es wurde gefunden, daß ein Gehalt von höchstens 10 Gew.-% des cis-Isomeren in dem
trans-Isomeren ohne Geschmacksbeeinträchtigungen bleibt. Höhere Anteile an den cis-Isomeren
in der Größenordnung von 10 bis 30 Gew.-% können hingenommen werden, erfordern dann
jedoch bestimmte geschmacksverbessernde Zusätze (Flavours), die den nachteiligen Geschmack
des cis-Isomeren, wenn auch nicht vollständig, überdecken können.
[0007] Das erfindungsgemäß einzusetzende trans-Nicotin-N'-oxid, das frei oder im wesentlichen
frei von cis-Nicotin-N'-oxid ist oder einen Gehalt von höchstens 10 Gew.-% des cis-Isomeren
aufweist, kann dem Tabak bzw. den darin enthaltenen Nicht-Tabak-Materialien und/oder
den gegebenenfalls vorhandenen Umhüllungsmaterialien, z.B. dem Cigarettenpapier oder
den Zigarren- oder Zigarilloumhüllungen aus Tabak und/oder Nicht-Tabak-Materialien,zugesetzt
sein. Die Zugabe erfolgt zweckmäßigerweise auf das fertige Tabakmaterial, z.B. in
Form einer wässrigen Lösung, oder auf das fertige Umhüllungsmaterial, z.B. in einer
alkoholischen oder wässrig-alkoholischen Lösung.
[0008] Die Erfindung ist weiterhin auf ein Verfahren zur Herstellung von trans-Nicotin-N'-oxid,
das frei oder im wesentlichen frei von cis-Nicotin-N'-oxid ist, insbesondere zur Verwendung
als Additiv zu Rauchprodukten der Erfindung, gerichtet.
[0009] Isomerengemische des Nicotin-N'-oxids wurden erstmals durch Oxidation von Nicotin
mit wässrigem Wasserstoffperoxid erhalten, vgl. Chem. Ber. 24, 61 - 67 (1891) . Eine
Verbesserung dieses Verfahrens unter Verwendung eines Molverhältnisses von Nicotin
zu Wasserstoffperoxid von 1 : 3 ist in J. org.Chem. 24, 275 - 277 (1970) beschrieben.
Nachteilig an diesem Verfahren ist insbesondere die lange Reaktionszeit von 2 - 3
Tagen und der große Uberschuß an Oxidationsmitteln, der eine wirtschaftliche Nutzung
dieses Verfahrens verbietet. Zudem ließ sich das erhaltene Isomerengemisch des Nicotin-N'-oxids
nicht isolieren; die Endprodukte mußten als Pikrate isoliert und charakterisiert werden.
[0010] Wesentlich kürzere Oxidationszeiten lassen sich bei der Herstellung der Isomerengemische
des Nicotin-N'-oxids erzielen, wenn man gemäß J. org. Chem. 35, 1721 - 1722 (1970)
Nicotin mit organischen Persäuren oxidiert. Die gewünschten Reaktionsprodukte erfordern
jedoch einen erhöhten Reinigungsaufwand; zudem ist ein solches Verfahren zur Herstellung
von Nicotin-N'-oxiden wegen des hohen Preises organischer Persäuren unwirtschaftlich.
[0011] Die Erfindung ist somit weiterhin auf ein Verfahren zur Herstellung von trans-Nicotin-N'-oxid
gerichtet, das frei oder im wesentlichen frei von cis-Nicotin-N'-oxid ist, kurze Reaktionszeiten
benötigt, und bei dem zusätzlich nur lebensmittelrechtlich unbedenkliche Hilfsstoffe
zur Anwendung kommen.
[0012] Das Verfahren der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß man die Oxidation in
Gegenwart katalytischer Mengen an nicht-oxidierenden anorganischen und/oder organischen
Säuren mit einem pK-Wert von weniger als 5 durchführt. Die Reaktionstemperatur bei
der Umsetzung soll in jedem Falle möglichst niedrig sein, da höhere Raktionstemperaturen
die Bildung von Zersetzungsprodukten sowie des cis-Isomeren, wenn auch letzteresnur
in geringem Umfang, begünstigen. Die Reaktionstemperatur sollte keinesfalls über 90°C
liegen, da es sonst zu explosionsartigen Zersetzungen des Wasserstoffperoxids kommen
kann. Als katalytisch wirksame Säuren mit einem pK-Wert von weniger als 5 sind insbesondere
Monocarbon-, Dicarbon- oder Polycarbonsäuren sowie deren Hydroxy-, Keto- oder ungesättigte
Derivate geeignet. Bevorzugt ist die Verwendung von im Tabak vorkommenden natürlichen
Carbon-, Dicarbon- oder Polycarbonsäuren, wie sie beispielsweise aus Chem. Rev. 68,
169 - 171 (1968) bekannt sind, insbesondere Malon-, Bernstein- und Apfelsäure . Die
Verwendung von Citronensäure ist besonders bevorzugt.
[0013] Die Umsetzung von Nicotin mit Wasserstoffperoxid erfolgt vorzugsweise in im wesentlichen
äquimolaren Mengen, wobei Wasserstoffperoxid vorgelegt und Nicotin zugetropft wird;
auch das umgekehrte Verfahren ist möglich. Als Oxidationsmittel setzt man zweckmäßigerweise
handlesübliches Wasserstoffperoxid in Form einer 30-50%-igen wässrigen Lösung zu.
[0014] Die als Katalysatoren verwendeten Säuren werden vorzugsweise in einer Menge von 10-150,
insbesondere 20-100 mMol pro Mol Nicotin verwendet.
[0015] Es hat sich als günstig für die Abtrennung des erfindungsgemäß herzustellenden trans-Isomeren
erwiesen, wenn man das bei der Oxidation erhaltene Oxidationsgemisch entwässert. Dabei
kann die Entwässerung vorzugsweise durch azeotrope Destillation unter Verwendung von
n-Propanol als azeotropes Entwässerungsmittel erfolgen. Verbleibende Wasserspuren
können aus dem so getrockneten 0 Reaktionsgemisch mittels Molekularsieb (Porengröße
4A) entfernt werden. Aus dem trocknen Oxidationsgemisch kristallisiert das trans-Nicotin-N'-oxid
in reiner Form aus. Es kann dem Tabak und/oder dem Umhüllungsmaterial in der oben
beschriebenen Weise zugesetzt werden, wobei man es aus Kostengründen mit bis zu 10
Gew.-% des cis-Isomeren strecken kann.
[0016] Das nach der Aufarbeitung des Oxidationsgemisches zurückbleibende cis-Isomere wird
zweckmäßigerweise zu Nikotin reduziert; das so erhaltene Nicotin kann erneut oxidiert
werden.
[0017] Die Oxidation von Nicotin mit Wasserstoffperoxid verläuft exotherm und wirft daher
Sicherheitsprobleme auf. Zweckmäßigerweise erfolgt daher die Durchführung des Verfahrens
der Erfindung im industriellen Maßstab im Teilfließbetrieb, wobei Wasserstoffperoxid
vorgelegt und Nicotin chargenweise zur Regulierung der Reaktionsgeschwindigkeit und
damit der Wärmetönung zugegeben wird. Als besonderer Vorteil des Verfahrens der Erfindung
ist hervorzuheben, daß überraschenderweise bei der Verwendung der erfindungsgemäß
einzusetzenden Katalysatoren ein farbloses Oxidationsgemisch erhalten wird.
[0018] Das Verfahren der Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
Beispiel 1.
[0019] Herstellung eines cis/trans-Gemisches von Nicotin-N'-oxid.
[0020] 500 g Nicotin (3,08 Mol) werden langsam in eine äquimolare 30 %-ige Wasserstoffperoxidlösung,
enthaltend 5,9 g Citronensäure (30,8 mMol) eingetropft, wobei die Temperatur unter
90°C gehalten wird. Nach Beendigung der Zugabe erhitzt man 5 Stunden bei 80°C.
[0021] Die so erhaltene farblose Lösung, die frei von Nicotin und Wasserstoffperoxid ist,
kann direkt weiterverarbeitet werden.
Beispiel 2.
[0022] Herstellung eines reinen trans-Nicotin-N'-oxids.
[0023] Die in Beispiel 1 erhaltene Lösung wird mit n-Propanol durch azeotrope Destillation
entwässert. Die entwässerte Lösung wird 0 mit Molekuarsieb (4A) nachgetrocknet. Aus
dem so erhaltenen Gemisch kristallisiert beim Abkühlen reines trans-Nicotin-N'-oxid
aus, das abgesaugt werden kann. Die zurückgebliebene Mutterlauge enhält überwiegend
cis-Nicotin-N'-oxid.
[0024] Die hier beschriebene Methode zur Trennung des trans- von dem cis-Iscmeren ist erheblich
einfacher als die in Phytochemistry, 14, 2683-2690 (1975), Pergamon Press, bzw. in
Biochemical Pharmacology 19, 733-742 (1970), nur für analytische Mengen beschriebenen
Verfahren.
Beispiel 3.
[0025] Herstellung von trans-Nicotin-N'-oxid im halbtechnischen Maßstab im Teilfließbetrieb.
[0026] In einem Reaktor mit Rühwerk werden 7,75 kg 30 %-ige Wasserstoffperoxidlösung (68
Mol) und 125 g Citronensäure (0,65 Mol) vorgelegt und auf 40°C erwärmt; die Vorwärmung
ist wichtig für die schnelle Einstellung des Betriebspunktes während der Nicotinzufuhr
und muß daher sorgfältig durchgeführt werden. Anschließend werden 10 kg Nicotin (61,8
Mol) dem Reaktor zugeführt (V
Ni = 5 1/h) wobei durch die freiwerdende Reaktionswärme der Betriebspunkt von ca. 80°C
eingestellt wird. Nach zweistündigem Nicotineintrag wird die Reaktion im Batchbetrieb
unter Wärmezufuhr bei 80°C zuendegeführt. Dabei kann der Umsatz-Zeit-Verlauf spektroskopisch,
jodometrisch oder elektrochemisch verfolgt werden.
[0027] Nach einer Gesamtreaktionszeit von 5 Stunden erhält man einen Nicotin-Umsatz von
98%; der Restgehalt an Wasserstoffperoxid beträgt 1,5%. Die erhaltene ölige Lösung
der Oxidationsprodukte ist gelblich gefärbt und weist keinen Nicotingeruch auf.
[0028] Das erhaltene Gemisch weist ein cis/trans-Verhältnis der Nicotin-N'-oxide von 1 :
1,67 auf.
[0029] Das so erhaltene Rohprodukt wird mit 25 kg n-Propanol versetzt und destilliert. Dabei
destilliert n-Propanol/Wasser im Verhältnis von 75 : 25 als Azeotrop ab. Der so entwässerte
Reaktions-0 rückstand wird anschließend mit 5 kg Molekularsieb ( 4A) in 5 kg Methylenchlorid
nachgetrocknet.
[0030] Aus dem trockenen Reaktionsgemisch kristallisiert reines trans-Nicotin-N'-oxid (4
kg;
Fp. 171-173°
C) aus. Es wird unter Zugabe von 5 kg Acetor, abgesaugt und bei 60°C im Trockenschrank
getrocknet.
[0031] Ausbeute: 36,4 %,bezogen auf eingesetztes Nicotin, 58,7 %, bezogen auf gebildetes
trans-Nicotin-N'-oxid.
Beispiel 4.
[0032] In einem Reaktor mit Rührwerk werden 10 kg Nicotin (61,8 Mol) vorgelegt und auf ca.
40°C vorgewärmt. Anschließend werden 4,62 kg (68 Mol) 50 % H
20
2, das mit 125 g Citronensäure (0,65 Mol) versehen wurde, sehr langsam dem Reaktor
mit Hilfe einer Dosierpumpe zugeführt. Die Zugabegeschwindigkeit wird so eingestellt,
daß eine Reaktionstemperatur von ca. 80°C erhalten wird. Der eingespeiste Volumenstrom
ist abhängig von der Reaktionsführung, wobei eine eingebaute Kühlung für schnellere
Wärmeabfuhr sorgt und deshalb das Zugabevolumen pro Zeiteinheit schneller sein kann.
[0033] Nach dem Eintrag des Wasserstoffperoxids (ca. 2 h) wird unter Wärmezufuhr die Reaktion
bei 80°C zuendegeführt. Bei einer Gesamtreaktionszeit von ca. 5 h erhält man einen
Nicotinumsatz von 98 %; der Restgehalt an Wasserstoffperoxid beträgt 1,5 Mas-
sen-
%. Der erhaltene Rückstand ist schwach gelb und weist keinen
Nicotingeruch auf. Das cis/trans Verhältnis der beiden diastereomeren Nicotin-N'-oxide
beträgt 1:1,67.
[0034] Das Reaktionsgemisch wird einer azeotropen Entwässerung unterworfen. Zu diesem Zweck
werden 10,6 kg n-Propanol hinzugegeben und unter leichtem Vakuum ein wasserhaltiges
Destillat (75 Massen-% n-Propanol/25 % Wasser) abgetrennt.
[0035] Der wasserarme Rückstand weist einen Restwassergehalt von 7,7 Massen-% auf.
Beispiel 5.
[0036] Nicotinisierung eines Cigarettenstranges.
[0037] Der Tabaknicotingehalt wird mit Hilfe einer 10 %-igen alkoholischen trans-Nicotin-N'-oxid-Lösung
um 1,13 % auf 2,62 % angehoben; die Zugabe erfolgt durch Aufsprühen auf das Tabakmaterial.
[0038] Die aus dem so erhaltenen Tabakmaterial gefertigten Cigaretten weisen beim Abrauchen
unter DIN-Bedingungen eine um 0,3 mg erhöhte Rauchnicotinausbeute auf. Der Kondensatgehalt
bleibt gegenüber unbehandelten Cigaretten unverändert.
Beispiel 6.
[0039] Cigarettenstrangnicotinisierung.
[0040] Eine Tabakmischung mit einem Nicotingehalt von 1,66% wird mit einer 20 %-igen wässrigen
trans-Nicotin-N'-oxid-Lösung im Blattschnittnicotingehalt auf 6,1 % angehoben. Die
anschließend aus diesem Tabakmaterial gefertigten Cigaretten ergeben beim Abrauchen
unter DIN-Bedingungen eine um 0,5 mg erhöhte Rauchnicotinausbeute.
[0041] Der Kondensatgehalt veränderte sich gegenüber unbehandelten Cigaretten nicht.
Beispiel 7.
[0042] Nicotinisierung von Cigarettenpapier.
[0043] 200 m einer Ci
garettenpapierbahn werden rückseitig mit Hilfe von Walzen mit einer 10 %-igen trans-Nicotin-N'-oxid-Lösung
in Wasser/Ethanol (1 : 1) befeuchtet und im Heißluftstrom getrocknet. Das erhaltene
Cigarettenpapier gleicht nach der Trocknung in Farbe und mechanischer Stabilität dem
unbehandelten Muster und trägt zur Rauchnicotinerhöhung bei. Die verfahrensgemäß aufgebrachte
Menge an dem trans-Nicotin-N'-oxid beträgt 5 %, bezogen auf das Cigarettenpapiergewicht.
Beispiel 8'.
[0044] Nicotinkompensation durch Zugabe von trans-Nicotin-N'-oxid vor einem Expansionsprozess.
[0045] 50 kg eines Filler-Grades mit einem Nicotingehalt von 1,8 Gew.-% und einer Feuchte
von 11 Gew.-% werden mit Hilfe einer trans-Nicotin-N'-oxid-Lösung, bestehend aus 4,3
1 Wasser und 200 g trans-Nicotin-N'-oxid, auf eine Expansionsfeuchte von ca. 18 Gew.
gebracht.
[0046] Die aufgebrachte trans-Nicotin-N'-oxid-Menge kompensiert den bei Tabakexpansionsverfahren
stets zu erwartenden 25 %-igen Nicotinverlust, so daß der expandierte Tabak mit seinem
ursprünglichen Nicotingehalt zum Mischungsaufbau beitragen kann.
[0047] Dieses Beipiel zeigt deutlich den mit einem Zusatz von trans-Nicotin-N'-oxid erreichbaren
Vorteil bei Tabakmaterial, dessen Volumen in einem üblichen Expansionsschritt vergrößert
werden soll; diese Expansion ist stets mit einem Nicotinverlust verbunden.
1. Rauchprodukt, insbesondere Tabak mit oder ohne Umhüllungsmaterial, enthaltend Nicotin-N'-oxid,
dadurch gekennzeichnet, daß es trans-Nicotin-N'-oxid, das frei oder im wesentlichen
frei von cis-Nicotin-N'-oxid ist, oder einen Gehalt von höchstens 10 Gew.-% des cis-Isomeren
aufweist, in einer Menge bis zu 5 Gew.-%, bezogen auf das Rauchprodukttrockengewicht,
enthält.
2. Rauchprodukt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das trans-Nicotin-N'-oxid,
das frei oder im wesentlichen frei von cis-Nicotin-N'-oxid ist oder einen Gehalt von
höchstens 10 Gew.-% des cis-Isomeren aufweist, dem Tabak und/oder dem Umhüllungsmaterial
zugesetzt ist.
3. Verfahren zur Herstellung von trans-Nicotin-N'-oxid, das frei oder im wesentlichen
frei von cis-Nicotin-N'-oxid ist, zur Verwendung in Rauchprodukten nach Anspruch 1
oder 2,durch Oxidation von Nicotin mit wässrigen H202-Lösungen, dadurch gekennzeichnet, daß man die Oxidation in Gegenwart katalytischer
Mengen an nicht-oxidierenden anorganischen und/oder organischen Säuren mit einem pKs-Wert von weniger als 5 durchführt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man H202 und Nicotin in im wesentlichen äquimolaren Mengen zusetzt.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß man das H202 vorlegt und das Nicotin zutropft.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man das Nicotin vorlegt
und H202 zutropft.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man das
H2O2 in Form einer 30-50%-igen wässrigen Lösung einsetzt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man den
Katalysator in einer Menge von 10-150mMol pro Mol Nicotin zusetzt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man als
Katalysator im Tabak vorkommende natürliche Carbon-, Dicarbon- oder Polycarbonsäuren
einsetzt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man als
Katalysator Citronensäure einsetzt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß man das
bei der Oxidation erhaltene Oxidationsgemisch entwässert.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß man das
bei der Oxidation erhaltene Reaktionsgemisch durch azeotrope Destillation entwässert.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß man als
azeotropesEntwässerungsmittel n-Propanol verwendet.
14. Verfahren nach einem der Ansprüch 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß man aus dem getrockneten Reaktionsgemisch Wasserspuren
durch Molekularsieb entfernt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß man das
aus dem trockenen Oxidationsgemisch auskristallisierende trans-Nicotin-N'-oxid abtrennt.