Lecture at LMU München on Dec. 20, 2022 Presenting on the various CBD related research project in our group.

1. Dr. Markus Roggen
20. Dezember 2022
Von ⍺-Pinene bis O-acetyl-THC:
Eine breite Übersicht der Cannabis-
Chemie

2. Übersicht
• Was ist Cannabis?
- Rechtlich, Wirtschaftlich, Botanisch, Medizinisch,
Chemisch, Herstellung und Produktvielfalt
• Cannabinoide
• Meine Zwangsneurose mit CBD
- Decarboxylierung
- Synthese
- Abbauprodukte
- Inhalieren
1

3. Warum Cannabis?
Terra Incongita
2

4. Was ist Cannabis?
Indica, Sativa, Hanf
3

5. Cannabis Botanik
• Ursprünglich aus China
• Cannabis = Hanf
• Produziert Cannabinoide
• Nutzhanf produziert Fasern
• Verwand mit Hopfen
DOI: 10.1126/sciadv.abg2286 4

6. Cannabis als Medizin
• Chronische Schmerzen and Spastik: mäßig-qualitative Beweise
• Übelkeit auf Grund von Chemotherapie: niedrig-qualitative
• Gewichtszuname bei HIV Erkrankung: niedrig-qualitative
• Schlafstörungen: niedrig-qualitative
• Tourette: niedrig-qualitative
• Gegen Krebs: keine Beweise
• Krebserregend: keine Beweise
• Tödliche Überdosis: keine Beweise
DOI:10.1001/jama.2015.6358; DOI: 10.17226/24625 5
5

7. Geschichte des Cannabis (Marihuana, Marijuana)
1500 v. Chr.
Frühste schriftliche
Bezüge auf
Medizinal
Cannabis in der
Chinesischen
Pharmakopöe
1611
Jamestown
Kolonisten bringen
Cannabis nach
Nord Amerika
1970s
„Substance Control
Act“ stuft Marihuana
als Schedule I Droge
ein
1996
California
legalisiert
Medizinal
Cannabis
2018
Canada
legalisiert
Genuss-
Cannabis
1911
Massachusetts
verbietet
Marihuana als
erster
Bundesstaat der
USA
2000s
>7 Million
Verhaftungen für
Cannabisbesitz
in den USA
2018
USA Farm Bill
legalisiert Hanf
(<0.5%wt. THC)
700 v. Chr.
Medizinischer
Gebrauch von
Cannabis im Mittleren
Osten beschrieben im
Venidad
20??
Deutschland
legalisiert
Genuss-
Cannabis
6

8. Cannabis Gewerbe
7

9. Cannabis Gewerbe
8

10. Cannabis Gewerbe
9

11. Cannabis Gewerbe
10

12. Cannabis Chemie
• Entdeckung von CBN in 1940 durch Robert S. Cahn
• Isolierung von CBD und THC in 1942 durch Robert Adams
• Wiederentdeckung & Korrektur in 1964 durch Raphael Mechoulam
• Warum hat es so lange gedauert:
• Cannabinoide sind keine Alkaloide!
Adams R. (1942). Bulletin of the NY Aca. of Medicine, 18(11), 705–730. 11

13. Cannabis Biochemie
• 1988 bis 1993: Identifizierung von Cannabinoid Bindungsstelle
CB1 und CB2 Rezeptoren
• CB1 hauptsächlich im Gehirn, peripheren Neuronen, Fettzellen,
Leberzellen, etc.
• CB2 hauptsächlich in Immunzellen (B Lymphozyt, Makrophage)
DOI: 10.1016/j.cell.2016.10.004 12

14. Cannabis Biochemie
• 1992 bis 1997: Entdeckung von anandamide and 2-AG als
Neurotransmitter
- Hauptsächlich Mechoulam
Anandamide
Nach Sanskrit ”ananda” for Freude,
Glück
2-Arachidonoylglycerol
In hohen Konzentrationen
vorkommend
13

15. Cannabis Produktion
• Anbau
• Trocknen und Curing
• Extraktion
• Nachbearbeitung
• Verarbeitung
14

16. Cannabis Produktion
• Anbau
• Trocknen und Curing
• Extraktion
• Nachbearbeitung
• Verarbeitung
15

17. Cannabis Produktion
• Anbau
• Trocknen und Curing
• Extraktion
• Nachbearbeitung
• Verarbeitung
16

18. Cannabis Produktion
• Anbau
• Trocknen und Curing
• Extraktion
• Nachbearbeitung
• Verarbeitung
17
17

19. Cannabis Analyse
• THC %Gewicht
ist die einzige
wichtige Zahl
18
18

20. Cannabis Analyse
Verkaufspreis für 1g Cannabis abhängig von %THC
• THC %Gewicht
ist die einzige
wichtige Zahl
19
19

21. Cannabis Analyse
DOI: 10.1186/s42238-021-00064-2
Gemessene %THC Werte in kommerziellen Laboren
• THC %Gewicht
ist die einzige
wichtige Zahl
20
20

22. Wer sind wir?
Cannabis, Company, Chemovars
21

23. DELIC Labs ist ein Forschungslabor dass Grundlagenforschung
in den Gebieten Cannabis und Psychedelika betreibt.
Fundamental Collaboration
(Grundlegende Zusammenarbeit)
22

24. Anerkennung
Dr. Markus Roggen
Sajni Shah
Kendra Payne
Dr. Tom Dupree
Dr. Eric Janusson
Dr. Duane Hean
Sean Ryan
Gursaanj Singh Bajaj
Luiz Geraldo
Callum MacPhee
Klara Wyse
Bofeng Cheng
Rachel Damiani de Souza
Seth Hinz
Ziqing (Stella) Zhu
Katie O’Connell
Soheil Nasseri
Matthew Ke
Rehmanali Jiwani
Nattapat Juthaprachakul
Vanessa Clarke
Denys Dzuibii
Duo Lu
Wesley Sequeira
Ping (Hank) Chen
Ali Wasti
Amanda Assen
Dingding Xuan
Tim Sun
University of British
Columbia:
Prof. Dr Glenn Sammis
Brodie Thomson
Will Chappell
Joey Lai
Prof. Dr Tao Huan
Dr Maria Ezhova
Prof. Dr Jolene Reid
Dr Hart Plommer
Prof. Dr Nadine Borduas-
Dedekind
Prof. Dr Pierre Kennepohl
23

25. Cannabinoide
CBD, ∆8, Decarboxylierung
24

26. Cannabis Chemie
DOI: 10.1046/j.1432-1033.2001.02030.x 25

27. Cannabis Chemie
OH
O
∆9-THCA-A
O
OH
OH
O
10a
10
8
7 6a
11
12
13
2
4
9
6
10b
1
3
5
Dibenzopyran numbering
1’ 3’ 5’
2’ 4’
OH
O
∆9-THC
Decarboxylation
heat, - CO2
OH
HO
CBD
Ring closure
acid
OH
O
∆8-THC
Isomerization
heat or acid
O
HO
Oxidation
base or ???
HU331
O
26

28. Cannabis Chemie
OH
O
∆9-THCA-A
O
OH
OH
O
10a
10
8
7 6a
11
12
13
2
4
9
6
10b
1
3
5
Dibenzopyran numbering
1’ 3’ 5’
2’ 4’
OH
O
∆9-THC
Decarboxylation
heat, - CO2
OH
HO
CBD
Ring closure
acid
OH
O
∆8-THC
Isomerization
heat or acid
O
HO
Oxidation
base or ???
HU331
O
27

29. Cannabis Chemie
28

30. Cannabis Chemie
29

31. Cannabis Chemie
DOI: 10.1201/9780429274893 30

32. Cannabis Chemie
DOI: 10.1201/9780429274893 31

33. • Ganz viele Moleküle die wir berücksichtigen sollten
Cannabis Chemie
>140 Cannabinoids
>200 Terpenes
~30 Flavonoids
Alcohols,
Phenols
Aldehydes, Ketones
Alkaloids
Carbohydrates, Fatty Acids
Lactone
s
Thiol
s
32

34. Decarboxylierung
Kinetik und FTIR
33

35. Wann und Wie decarboxylieren?
Es gibt keine standatisierte Rezepte.
Vor der Extraktion
Biomasse
Nach der Extraktion
Öle
34

36. Nicht zu lange decarboxylieren
Probleme mit exzessiver Hitze:
• Verfügbarkeit der Instrumente
• Hohe Kosten der Produktion
• Nebenreaktion und Verfall
• Niedrige Ausbeute
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
THC
THC
(%)
CBN
&
d8-THC
(%)
d8-THC
CBN
Elapsed Time (Minutes)
35

37. Warum FTIR?
• Kleine Proben-Mengen
• Schnell und einfach
• Einfach zu benutzten
• Billig
• Öle: Ein Tropfen auf den Kristall
• Biomasse:
- Schnelle Extraktion mit Pentan
- Lösung auf Kristall tropfen
- Pentan verdunsten lassen
36

38. Decarb Kontrolle mit FTIR
IR Model für Öl Analyse
X-axis: HPLC Konzentration
Y-axis: IR Vorhersage
Decarb Ratio
THCA to THC
Decarb Ratio
CBDA to CBD
37

39. Decarb Kontrolle mit FTIR
IR Model Für THCA Biomasse Analyse
X-axis: HPLC Konzentration
Y-axis: IR Vorhersage
Decarb Ratio
CBDA to CBD
38

40. Weiteres IR Projekt: THC in Gummibären
• Kann das Cary 630 THC in Gummibären erkennen?
• Einfache Methode zur Aufbereitung
• Schnell und einfach – Resultat in Minuten
• Muss THC und CBD unterscheiden können
IR Spektrum von
Gummibären
Δ9-THC Standard
39

41. Decarboxylierung
Mechanismus und Computer
40

42. Decarboxylierung Beobachtungen
Nicht all Decarboxylierung sind gleich
0
20
40
60
80
100
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Decarb
%
Minutes
Decarboxylation at 110˚C
CBDA
THCA
41

43. Computer Studien
Sterisch vs. Electronisch: Untersuchung der unterschiedlichen
Reaktionsraten vonTHCA and CBDA Decarboxylierungen
DOI:10.26434/chemrxiv.12909887.v1 42

44. Computer Studien
THC CBD
DOI:10.26434/chemrxiv.12909887.v1 43

45. Computer Studien
DOI:10.26434/chemrxiv.12909887.v1
THC CBD
44

46. Computer Studien
Schüsselergebnisse:
• Geschwindigkeitsbestimmender
Schritt ist the intermolecular
Protonierung
• Sterische Effekte sind die Grundlage
der Geschwindigkeitsunterschiede
DOI:10.26434/chemrxiv.12909887.v1 45

47. CBD Synthese
Einfach und Billig
46

48. Cannabinoidsynthese mit Glanz und Gloria
• Mechoulam benutzte biomimetrische Ansätze
• Evans nutzte enantioselektive Diels-Alder
• Carreira nutzte stereodivergente Dualkatalyse
• Sterespezifische Ansätze werden oft genutzt
DOI: 10.1007/978-3-319-45541-9_2 47

49. Cannabinoidsynthese mit Billig
• Synthese von CBD muss günstig und skalierbar sein.
• Absolut kein THC als Nebenprodukt
• Olivetol in drei Schritten synthetisiert
• Finale Kupplung hat Probleme
48

50. Cannabinoidsynthese mit Billig und Besser
• Design of Experiment (DoE)
• Problem definieren
• Kein THC
• Höhere CBD Ausbeute
• Unterdrückung von abn-CBD and bis-CBD
49

51. Cannabinoidsynthese mit Billig und Besser
Experimental design for CDB Synthesis
Factor no. Factors lower level upper level Unit
A Olivetol 1.1 3 Eq
B Alumina 0.5 1.5 Eq
C BF3 0.02 0.2 Eq
D Temperature 60 90 °C
50

52. Ex. No. Responses
Olivetol Alumina BF3 Temperature Yield of THC Yield of CBD Yield of abn Yield of bis
1a 2.05 1.00 0.11 75 7% 38% 23% 2%
… … … … … … … … …
20 2.05 0.71 0.13 87 29% 26% 8% 1%
21 2.05 1.00 0.05 87 0% 15% 41% 2%
Predicted ideal 1.1 1.17 0.09 63
Cannabinoidsynthese mit Billig und Besser
51

53. CBD in Endprodukten
Die Farbe Lila
52

54. Die Farbe Lila
• CBD Vape-Kartusche verfärben sich lila
• Es ist Reddit bekannt
• Aber nicht in der Akademischen Literatur
• Beam Test Cannabis-Nachweist
DOI:10.1016/0040-4020(68)88159-1; Reddit (March 2022). CBD E-juice turned purple in the tank. 53

55. Wann und warum verfärbt sich CBD
CBD Zersetzung von 20% in 30 Tagen bei 37°C
15% CBD Zersetzung in 30 Tagen
Stabile CBD Aufbewarung bei pH 4-6
Licht
Wärme
Säure / Base
DOI: 10.1038/s41598-020-60477-6; DOI: 10.1089/can.2021.0004 54

56. 65% PG, 30% VG,
5% CBD
25 °C, 60% RH, O2
10 Wochen
Licht und Dunkel
10 Wochen
Dunkle Aufbewarung
25 °C, 60% RH, O2
Wann und warum verfärbt sich CBD
55

57. Abscheidung von HU-331 und dem Anion
Hexane
Water
56

58. Isolation of HU-331 and its Anion
1H NMR (300 MHz, DMSO-d6)
1H NMR (300 MHz, DMSO-d6)
57

59. 65% PG, 30% VG,
5% CBD
25 °C, 60% RH, O2
10 Wochen
Licht und Dunkel
10 Wochen
Dunkle Aufbewarung
25 °C, 60% RH, O2
[HU-331]
0.05 mg/g
Wann und warum verfärbt sich CBD
[HU-331]
116.03 μg/g
[HU-331]
25.04 μg/g
• [HU331] Anreichung im Dunkeln, Abbau im Licht
• Deprotonieren in neutraler Lösung?
58

60. Lila erzwingen
• Selektiv HU331 bestrahlen
• Kompletter Abbau in 15min
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
380 430 480 530 580 630 680
Absorbance
(A)
Wavelength (nm)
CBD
HU-331
HU-331 and CBD at 0.5 mg mL-1 in IPA. Λmax of HU-331, 413 nm.
448 nm light emission
59

61. 448 nm Licht Emission
48 h
HU-331 vs. CBD
60

62. Was wird aus dem Lila?
48 h
61

63. Rechnerische Untersuchung der Absorption
- TD-DFT-Berechnung der Sichtbaren-
Licht-Absorption von HU-331 und
dem Anion.
62

64. Rechnerische Untersuchung der Absorption
𝝅𝑻
𝒏𝑶𝟒



40%
15%
35%
𝝅𝑯𝑩𝒒𝟒
Energy
HU-331
𝝅𝑯𝑩𝒒𝟑
63

65. Rechnerische Untersuchung der Absorption
𝝅𝑻
𝒏𝑶𝟒



40%
15%
35%
𝝅𝑯𝑩𝒒𝟑
𝝅𝑯𝑩𝒒𝟒
H+



𝝅𝑻
𝝅𝑯𝑩𝒒𝟑
95%
< 5%
𝝅𝑯𝑩𝒒𝟒
𝒏𝑶𝟐
Energy
HU-
331
HU-
331
64

66. ∆𝐸~400𝑐𝑚−1
∆𝐸~3000𝑐𝑚−1
HU-331
3
11
Olivetol-HQ
Wie sieht es für HU331 Alternativen aus
𝝅𝑻
𝒏𝑶𝟒



40%
15%
35%
𝝅𝑯𝑩𝒒𝟒
Energy
HU-331
𝝅𝑯𝑩𝒒𝟑
65

67. Wie sieht es für HU331 Alternativen aus
𝝅𝑻
𝒏𝑶𝟒



40%
15%
35%
𝝅𝑯𝑩𝒒𝟑
𝝅𝑯𝑩𝒒𝟒
H+



𝝅𝑻
𝝅𝑯𝑩𝒒𝟑
95%
< 5%
𝝅𝑯𝑩𝒒𝟒
𝒏𝑶𝟐
Energy
HU-
331
HU-
331
Olivetol-HQ
anion
66

68. Erkenntnis: Alles ist möglich
𝒉𝒗
(65% PG, 30% VG,
5% CBD)
Mass Chromatogram
67

69. CBD (& THC) in
Endprodukten
(Weihnachts)BACKEN
68

70. Das ist Karl
• Raucht Cannabis Vapes and
Joints
• Sammelt Giftstoffe via Filter und
Waschflasche
• Sammelt Cannabinoide via Filter
• Sammelt Terpene via
Waschflasche
69

71. Inhalation Methoden
• Cambustion Smoke
Cycle Simulator
• HealthCanada
2014 Methode
• 55cc für
3 Sekunden
70

72. Inhalation Methoden
• Filter für Aerosole, z.B. Cannabinoide
- Whatman Glasfaser Filter
71

73. Inhalation Methoden
• Waschflasche für flüchtige Stoffe,
z.B. Terpene
- MeOH im Eisbad
72

74. Inhalation Methoden
• Rauch Temperatur: 44˚C (111˚F)
• THC Sdp.: 157˚C / 0.05mmHg
• Myrcene Sdp.: 167˚C / 1 atm
• Humulene Sdp.: 106˚C / 5 mmHg
73

75. Inhalation Methoden
• Rauch Temperatur : 44˚C (111˚F)
• Decarboxylation im Joint: FULL!
• Giftstoffe: Wir haben einige gefunden!
DOI: 10.1021/acsomega.7b01130 74

76. 75

77. Zug um Zug: Zigaretten
R. Zimmermann, S. Ehlert, J. Heide, A. Walte; Universität Rostock, photonion
• Konzentration beim Einatmen hängt von der
Konsummethode ab
76

78. 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1 2 3
Δ9-THC
(MG)
VAPE THC LEVELS
Das ware Leben: Vaping THC
Start Middle End
• Durchschnittlich of >1 mg THC pro Zug
• 200 – 500 Züge
77

79. Das ware Leben: THC rauchen
• Durchschnittlich of <1 mg THC pro Zug
• 30 – 55 Züge
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
filter 1 filter 2 filter 3
Mass
(mg)
THC per puff in THC joint
THC 1mm
THC 3mm
THC 5mm
78

80. Das ware Leben: CBD rauchen
• Durchschnittlich of >1 mg CBD pro Zug
• 20 – 30 Züge
0
0.5
1
1.5
2
Filter 1 Filter 2 Filter 3
Mass
(mg)
CBD per puff in CBD joint
CBD1mm
CBD3mm
CBD5mm
79

81. Das ware Leben: Terpene
Camphene
y = 46591x - 76382
R² = 0.9997
Eucalyptol
y = 56321x - 190078
R² = 0.9983
Linalool
y = 53370x - 283772
R² = 0.9926
Camphor
y = 59030x - 384024
R² = 0.9975
Isoborneol
y = 64181x - 440319
R² = 0.9962
Cedrol
y = 93279x - 1E+06
R² = 0.9936
0
50
100
150
200
250
300
350
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Pe
a
k
Area
(c
o
unts
in
m
illions)
x
100000
Concentration (mg/ L)
GCMSTerpene Calibration
[Ca mp hene] (mg/L) [Euca lyptol] (mg /L) [Linalool] (mg / L)
[Ca mp hor] (m g/ L) [Isoborneol] (mg /L) [Ced rol] (mg /L)
0
100,000
200,000
300,000
400,000
500,000
600,000
700,000
800,000
0 10 20
Counts
Concentration (mg/ L)
• Was ist mit den
Terpenen?
80

82. Real World: Smoking Terpene Inhalation
• Durchschnittlich 0.07 mg Terpene pro Zug
81

83. Zusammenfassung
• Cannabis ist ein chaotische Industrie
• Cannabis kann, muss aber nicht medizinisch helfen
• Cannabis kann viel, wir wissen aber noch nicht warum
• Es gibt noch viel zu entdecken und zu erforschen
- Prozessanalysen
- Reaktionsmechanismen
- Dekomposition von Cannabinoiden
- Reaktionen während des Konsums
82

84. Thank you! Questions?
markus@deliclabs.com