Hinweis Bei dieser Datei handelt es sich um ein Protokoll, das einen Vortrag im Rahmen des Chemielehramtsstudiums an der Uni Marburg referiert. Zur besseren Durchsuchbarkeit wurde zudem eine Texterkennung durchgeführt und hinter das eingescannte Bild gelegt, so dass Copy & Paste möglich ist – aber Vorsicht, die Texterkennung wurde nicht korrigiert und ist gerade bei schlecht leserlichen Dateien mit Fehlern behaftet. Alle mehr als 700 Protokolle (Anfang 2007) können auf der Seite http://www.chids.de/veranstaltungen/uebungen_experimentalvortrag.html eingesehen und heruntergeladen werden. Zudem stehen auf der Seite www.chids.de weitere Versuche, Lernzirkel und Staatsexamensarbeiten bereit. Dr. Ph. Reiß, im Juli 2007 I. Einle i tm( Protokoll zum Experimentalvortrag Die Kohlenhydrate bilden zusammen mit den Fetten und Eiweißen die pflanz- K 0 H L E N H Y D RAT E I - MON 0 S ACe H A R I D E lichen und tierischen Bau-,Betriebs- und Reservestoffe.Sie stellen mengenmäßig dengröBten Anteil der auf der Erde vorhandenen organischen Substanz dar. Der Molekülgröße nach unterteilt man die Kohlenhydrate in drei Hauptgruppenl von Dietmar Hüppner -die kleinsten Einheiten,die sogenannten Monosaccharide können hydrolytisch nicht weiter in kleinere Bausteinegespalten werden. Juni 1983 -Oligosaccaride sind aus 2-6 Monosaccharid-Bausteinen aufgebaut.Je nach Anzahl der Bausteine unterscheidet man Di-,Trisaccharide usw. -Polysaccharide sind aus sehr vielen Monosaccharid-Untereinheiten aufgebaute Gliederungs Makromoleküle.Die bedeutensten Polysaccharide sind Stärke,derwichtigste pflanzliche Reservestoff,Cellulose,der Hauptbestandteil der pflanzlichen I. Einleitung Zellwand und Glykogen,der bei Tieren am häufigsten vorkommende Kohlenhydrat- 11. Der Aufbau der MOnosaccharide aa Beispiel der Glucose 1) Die Summenformel der Glucose 2) Nachweis der funktionellen Gruppen 3) Die Stereoisomeren einer Aldohexose 4) Die Ringstruktur der Glucose 111. Bachweisreaktionen für Monosaccharide speicher. Die Glucose ist das wichtigste Monosaccharid.Aus Glucose-Untereinheiten .ind alle drei erwähnten Polysaccharide aufgebaut. Wahrscheinlich ist die Glucose die mengenmäßig häufigste organische Verbindung überhaupt auf Erden. Gebildet wird sie beim in grünen Pflanzenablaufenden Prozess der Photosynthe.e aus dem Kohlendioxid der Luft und Wasser unter dem Einfluß des Sonnenliohtes. Mit Hilfe des grünen Blattfarbstoffes,des Chlorophylls,vird 1) Oaazon-Bildung 2) ••chweis auf Grund reduzierender Eigenschaften ,) Iachwei. durch .pezitische Farbreaktionen (-.Purfuralderivate) 4) Ia.ymatische ~e.t. Strahlungsenergie in chemische Energie umgewandelt und in Form von Glucose bzw. osaotiech in- aktiven ~~romolekülen vie der Stärke gespeiohert. Aa Beispiel der Glucose möchte ioh daher 1. ersten Teil dieses Experimental~rtrage8 jen oharakteristischen Aufbau der MOnosaccharide erläutern. !T. Ver8uehsanleitungen T. Literaturangaben 11. Der Aufbau der Monosaccharide am Beispiel der Glucosel 1) Die Summenformel der Glucosel tlbergießt man in einem Becherglas etwas Glucose mit konz. H2S0 4,so wächst im Glas in einer stark exothermen Reaktion ein schwarzer "Pilz". Die konzentrierte Schwefelsäure entzieht dem Monosaccharid Wasser.Zurück bleibt nach neueren Untersuchungen nicht,wie in vielen Lehrbüchern noch zu lesen ist,reiner Kohlenstoff,sondern ein Gemisch hochungesättigter, komplexer Verbindungen,die in etwa Graphitstruktur besitzen sollen. Zum Nachweis,daßes sich bei der sogenannten "Zuokerkohle" nicht um reinen Kohlenstoff handelt,gibt man den schwarzen Rückstand in Wasser,neutralisiert und versucht mit organischen Lösungsmitteln auszuschütteln. Als Vergleich verfährt man analog mit etwas gepulverter Holzkohle. Chemie in der Schule: www.chids.de (Eventuell kann man sowohl von der wäßrigen wie von der organischen Phase ein Chromatogr~ anfertigen.) Die Reaktion der Glucose mit konzentrierter Schwefelsäure weist bereits auf die Elemente hin,aus denen sich das MOnosaccha( BaCO 3 ~ weiB aufbaut.ln zwei kleinen Vorversuchen möchte ich Wasserstoff,Sauerstoff und Kohlenstoff Nachweise auf weitere Elemente,z.B. Stickstoff,Schwefel,Phosphor, zunächst qualitativ nachweisen und anschließend ihr Verhältnis zueinander Halogene usw.,verlaufen negativ.Aus Zeitgrtinden mußten entsprechende Versuche im Vortrag entfallen. durch quantitative Verbrennung der Glucose bestimmen. V1 I Qualitati?8 Zuckeranalyse Nachweis von H und V 1 Quantitative"Verbrennung"der Glucose 2 01 Die Glucose wird wiederum thermisch zersetzt ( Reagensglas aus Beim Erwärmen im schwerschmelzbaren Reagensglas zersetzt sich die Quarzglas verwenden! ! ),der gebildete Kohlenstoff wie im zweiten Glucose.Während ein schwarzer Bodenkörper zurückbleibt,schlägt sich Vorversuch mit Kupfer(II)-oXid zu Kohlendioxid oxidiert. ein gasförmig entweichendes Produkt an den kälteren Stellen des Das bei der Zersetzung gebildete Wasser wird in einer Kühlfalle Reagensglases in Tröpfchenform nieder.Diese Flüssigkeit läßt sich aufgefangen und gravimetrisch bestimmt,das Volumen des entstehenden mit Hilfe von wasserfreiem Xupfer(II)-sulfat bzv. Kobalt(II)-chloridpapier als Wasser identifizieren. CuS° 4 B 5 + - weiS [COCI~- + 6 B Verhältni8 blau [co (B20) 6]++ ---.... ...-- 20 ~ + e Die Auswertung von Versuch 2 ergibt,daB H 20 5 CuS°4 ...- 20 Kohlendioxids mit Hilfe eines Kolbenprobers registriert. 4- 1 : 2 I 1 & H • 0 in der Glucose 1m auftritt. (Auswertung aiehe Verauchsanleitungen) Durch Bestimmen der MOlmasse von Glucose über die SiedepunktaerhBhung Cl- bzv.Gefrierpunktserniedrigung einer wäßrigen Lö.ung von Gluco.e erhält ~ .an die Summenformel.Aus der MOlmasse von 180 und den Atomgewichten der Leitet .an das ...förmige Zersetzungsprodukt über glühende Magnesium- drei Elemente ergibt sich für die Glucose folgende Summenformell späne,eo leuchten diese hell auf.Das Magnesium verbrennt zu einem weißen Rückstand,Magnesiumoxid.Den dabei gebildeten Wasserstoff fängt aan über eine pneUll&iische Wanne in einem Reagens glas auf und weiet 2) Nachweis der funktionellen Gruppen: ihn durch die Knallgasprobe nach. to Xc + 2 Bt.· + 2 'achwei. wn Diese Summenformel der Glucose (das Verhältni. C • H ... B + 20 Oie taB die •• isten Zucker eich beia Brwär..n 2 Hiersu wird 18 der Spitze eine. ebenfalls 8chwerschmelzbaren Reagensgi.... eiwa. Gl.oo.e mit Xupfer(II)-oxid in Drahtfor. veraisoht,das Ganse anschlieSend mit weiterem Iupferoxid überschichtet. Der Kohlenstoff,der bei der thermischen Zersetzung der Glucose als schwarzer festkörper zurUckbleibt,wird durch das Kupferoxid zu Kohlendioxid oxidiert und durch Einleiten in Barytlauge nachgewiesen. Die schwarzen Kupferoxid-Stäbchen färben sich durch das gebildete Kupfer an einigen Stellen rot-metallisch • +\ CO 2 ceo + B 0 • 1 I 2 I 1 ~t.r V..aerabepaltung zer- .etzen,führten zu der irreführenden Bezeichnung -KOhlenhydrate- fUr CI 2 I findet eich in den meisten MOnosacohariden wieder) und die Tatsache, + .... cte ---... -... HB CO " .....- 20 2 HC0 - 3 + Chemie in der Schule: www.chids.de 3 to Cu + 2 -t!2Q... ~H20- H 0+ 3 R 0+ 3 + ... C0 -- 3 In den nachfolgenden Versuchen möohte ich einige Kigen8chatten der Monosaccharide zeigen,die klarmachen,daS es sich keine8falls um Hydrate des Kohlenstoffs handelt. V 1 Naohweis der Hydroxylgruppen mit Cerammonnitrat 3 Dieser Nachweis auf alkoholische Hydroxylgruppen verläuft mit einer Glucose-Lösung ebenso positiv wie mit der Vergleich8substanz Ethanol. Mit Aceton und Acetaldehyd unterbleibt dasesen eine Rotfärbung des Nachveisreagenes. CO t 2 + I II ~f diese Verbindungsklaase. aco J. 3 + BOB + B2 0 ~ IC8(OR) (BO,);l-- + B,O+ + BO,· rot Ein Vergleich des Löslichkeitsverhaltens von Glucos r 'md einem prim. Alkohol gleicher Kettenlänge zeigt,daB der Zucker ri _ im stark polaren Der Verar zeigt,daB pro Glucose-Molekül eine Aldehyd-Funktion vorhanden iSG (näheres siehe Versuchsanleitungen). Lösungsmittel Wasser gut löslich ist,während sich n-Hexylalkohol nur Bei Reduktion der Glucose mit Jodwasserstoff und rotem Phosphor erhält zu ungefähr einem Gramm in hundert Gramm Wasser löst.n-Hexylalkohol man n-Hexan.Daraus kann man schließen,daB die 6 C-Atome in einer unver- zeigt dagegen ausgeprägte lipophile Eigenschaften. zweigten Kette angeordnet sein müssen.Da wir pro Glucose-Molekül 5 Diese Beobachtung läßt vermuten,daB im Glucose-Molekül mehr als nur eine Hydroxyl- und eine Aldehydgruppe nachgewiesen haben,geminale Hydroxyl- polare Gruppe vorhanden sein muß.Als weiteres Indiz dafür ist zu werten, gruppen aber nur in Ausnahmefällen auftreten,ergibt sich für die Glucose folgende Konstitution: daß Monosaccharide bei Zimmertemperatur kristallin vorliegen (n-Hexylalkohol ist flüssig) sowie die in den ersten Versuchen ausgenutzte Eigen- , CHD schaft der Glucose sich bei höheren Temperaturen zu zersetzen. Die inter- ·CHOH molekularen Kräfte sind in den Monosacchariden stärker als die intra- .cHOH molekularen Bindungen.MOnosaccharide sind daher nicht unzersetzt destillierbar. ·CHOH -hHOH I Eine quantitative Veresterung von wasserfreier Glucose mit Essigsäureanhydrid gibt uns die Möglichkeit an die Hand,die Zahl der Hydroxylgruppen im Glucose-alekül su bestimmen. Iach abgeschlossener Veresterung wird das nicht umgesetzte Anhydrid mit Wasser su Essigsäure zersetzt und die Säure ~us ~t 1 M Iatronlauge titriert. der Differenz des Verbrauchs an Natronlauge von Elindwert (Essig- .iur.anhydrid ohne Glucose + Wasser) und Glucosewert ergibt sich die Zahl derHydroxylgruppen pro Glucose-MOlekül.Es zeigt sioh,daß pro Molükül Gluoose 5 Bydroxylgruppen vorhanden sind. Die Glucose zeigt in alkalischer Lösung reduzierende Eigenschaften,die nioht yon den Hydroxylgruppen herrühren,eondern auf das Vorhandensein einer ~ldeh7d-Funktion hinweisen.So ergibt Glucose eine positive Fehling- Reaktion,die Silberepiegelprobe Terläuft ebenfalls posi tiv. Y4' Beetiulung der Zahl 4er Aldeh7dgruppen im Glucose-Molekül Die.e Bestiaaungerfolgt naoh der Methode TOn Willetätter und Schudel durch Oxidation ait Batriumh7pojodid bei Zimmertemperatur und in schwach alkalischer Lösung. Jte + ~ 2 20H- -;==- - .. .. OJ- + -, J- + H (-Disproportionierung) 20 ..-4 COO- + J- + H20 + R - CHO ~ R + OH Durch Rücktitrieren mit einer 0,1 N Natriumthiosulfat-Lösung läßt sich OJ- die Menge des bei der Oxidation der Aldehyd-Funktion zur Carbonsäure (bzw. in alkalischer Lösung zum entsprechenden Carbonsäure-Anion) ver- ) brauchten Jods bestimmen. 1"2· + 2 [S;03r- Chemie in der Schule: www.chids.de + • asymmetrisches C-Atom CH 20H Die Glucose ist also ein Polyhydroxyaldehyd,nach der Zahl der Kohlenstoff-Atome auch a18 Aldohexose bezeichnet. Die andere Gruppe der MOnosaccharide sind die Po17hydrox7ketone,deren bekannteeter Vertreter die Pructose ist.Die Fructose zeigt auf Grund der benachbarten Hydroxyl- und Carbonylfunktion ebenfalls reduzierende Eigenschaften (positive Silberspiegel- und Fehlingprobe),da in stark alkalischer Lösung eine folgt. I • CHOH • CB 20H Glucose ~H20H 11 , COH CO I a CHOR über das 1,2-Endiol zur Gluoose er- CHOH CHO I CHOH CHOH Umlage~ung ----...... ---- CHOH • CHOH , ..- CHOH I CH 20H 1,2-Endiol ,CHOR CHOH , ,CHOB CH 20H Fructose Schwach alkalische Jod-Lösung entfärbt Fructose allerdings sehr viel langsamer als Glucose.Diese Reaktion kann daher zur Unterscheidung Ton Aldosen und Ketosen herangezogen werden. (Weitere Unterscheidungsmöglichkeiten siehe 2.Teil des Vortrages). 3) Die Stereoisomeren einer Aldohexose, Die ( Wir haben bisher erfahren,daB die Glucose eine Alaohexose ist.Die Frage ist nur welche? Wie aus der Konstitution der Glucose hervorgeht, besitzt sie 4 Asymmetrie- Liga~'~n Oz-dnuncs werden dabei nach ihrer Priorität,d.h. nach fallender .!l der am asymmetrischen C-Atm direkt gebundenen Atome ge- ordnet. (Niheres siehe Beyer/Walter - Lehrbuch der organischen Chemie 19. Auflage,Seite 259 :AbsoluteKonfiguration am asymmetrisohen C-Atom). zentren im MOlekül,also Kohlenstoff-Atome,die von 4 verschiedenen Liganden Bleiben wir bei Glycerinaldehyd als Bezugssystem,so erhalten wir für umgeben sind.Eine Verbindung mit n asymmetrischen Kohlenstoff-Atomen n kann in 2 Stereo isomeren auftreten.Für unsere Aldohexose bedeutet das 4 2 • 16 Stereoisomere. unsere Aldohexose Als Bezugssubstanz für die Konfigurationen der Kohlenhydrate schlug 16 Stereoisomere,von denen 8 der D-Reihe und 8 der L-Reihe angehören.Der Einfachheit halber sei hier nur die D-Reihe aufgeführt. CHO CHO CHO Konfiguration an dem am weitesten von der Carbonylfunktion entfernten asymmetrischen C-Atom in der Fischer-Projektion aldehyds entspricht,gehören zur D-Reihe. der des D-Glycerin- Bei der sogenannten Fischer-Projektion,8chreibt man das C-Atom mit der höchsten Oxidatiosstut. immer nach oben. Alle horizontalen Striohe stellen Bindungen dar,aur den Betraohter zu ,a180 aus der Papierebene heraus ge- CHO CHO CHO ~ -f. Rosanoff im Jahre 1906 das Glycerinaldehyd vor.Alle Verbindungen ,deren D(+)-Glucose D(+)-Allose D(+)-Altrose richtet sind, alle vertikalen Striohe entsprechen Bindungen,die vom Beo- CHO CHO ~ ft D(+)-Galaoto.e D(-)-Gulose D(+)-Talose D(- )-Idose D(+)-Mannose bachter veg hinter die Papierebene gerichtet sind. Für die Aufklärung der Konfiguration der (+)-Glucose erhielt Eail Fiacher +OH im Jahre 1902 den Nobelpreis.Uber den Weg Fischers zur Konfiguration der CHO B Glucose kann man sich in den meisten organischen Lehrbüohern (z.B. ~rrison/Boyd - Lehrbuch der orß&nisohen Chemie,2. Auflage,Seite '161) informieren. 4) Die Ringstruktur der Glucose: 0110 I CE ,. f Dafür,daS mit der Zuordnung der Konfiguration die Struktur der Gluoose ! noch kein••wegs vollständig geklärt iat,sprecheb •• hrere fakten, B-O-oB • H~C40H I CH20H CH 20B D (+) - Glycerinaldehyd -so zeigt die Glucose einige,für Aldehyde charakteristi80he Beaktionen nicht. L (-) - Glycerinaldehyd Glycerinaldehyd wurde als Bezugssubstanz gewählt,weil es das einfachste s' V Die Addition von Natriumhydrogensulfit an CarbonylverbindungeD Kohlenhydrat - eine Aldotriose- ist,das in optischen Isomeren auftreten Aldehyde und Ketone bilden mit BaHS0 kann.Dem (+)-Glyoerinaldehyd wurde willkürlich die oben angegebene Kon- pz-oduk t e , aus denen beim erwärmen mi t verdünnter Säure oder Na2CO3 figuration zugewiesen. Beim D (+)-Glycerinaldehyd soll die Hydroxylgruppe die Carbonylverbindung wieder freigesetzt wird. 3 in der Fischer-Projektion nach rechts zeigen.Erst später zeigte sich,das diese willkürlich gewählte Konfiguration mit der tatsächliohen überein~ stimmt. Es sei noch einmal deutlich herausgestellt,daß die Bezeichnung D bzw. L nichts über die optische Drehung der jeweiligen Verbindung aussagt, sondern nur die relative Konfiguration verglichen mit der Bezugssubstanz Glycerinaldehyd wiedergibt. Zur Beschreibung der absoluten Konfiguration verwendet man das RS-System Chemie der Schule: www.chids.de bei demineine Numerierung der Liganden nach bestimmten Sequenzregeln erfolgt. /H R - C ~g' + Na+ schwerlösliche Additions- ~ ,..H R- C - Q.!=' 'SO H 3 Bei unserer Aldohexose bildet sioh_tein Iiederschlag. /H] R-C-OH 'SO e 3 Na+ Mit fuchsinschwefliger Säure zeigen Aldehyde eine Rotviolett- Im Falle der Glucose kann nun die Aldehyd-Funktion am Kohlenstoffatom C 1 mit der ( Jxylgruppe von C zu einem Halbacetal reagieren.Wir gelangen 5 so zu einem 6-Ring,der,abgeleitet vom cyclischen Äther Pyran,auch als färbung (nur Formaldehyd ergibt eine blauviolette Farbe).Auch diese Pyranose-Ring bezeichnet wird. V6 ' Schiff'sches Reagenz auf Aldehyde Reaktion unterbleibt bei Zugabe von Glucose zum Reagenz. Der Mechanismus des Schiff'schen Testes ist noch nicht vollständig Pyran geklärt,sicher scheint aber zu sein,daß er nicht auf der reduzierenden Wirkung der Aldehyde beruht,sondern eine Kondensationsreaktion von Carbonyverbindung und () Tetrahydropyran Base (-prim.Amin) darstellt. Eine wäßrige Fuchsinlösung wird zunächst durch Zugabe von schwefliger (\\ 0,", , 1- Säure entfärbt.Aus dieser farblosen "fuchsinschwefligen Säure" bildet I H C. - 0'"' c/" '-.. sich bei Zugabe eines Aldehyds ein rotvioletter Farbstoff unbekannter ~ Konsti tution. I " OM farblose fuchsin- + R - C ~ 0" 'H --+ H , ·/~~o I c." I H 0&1 ~-D-Glucose Aldehyd-Form 36~ Smp 146 ,l~D-+112,2o 0 schweflige Säure fuchsinschweflige Säure 0" ' t,-- H offenkettige oder -' -D-Glucose • ~,/ N 64" Sap 150 0,1 " 0 ,l.tl D-+ 18 , 7° Rotvioletter Farbstoff Durch Halbacetalbildung zwischen C und C wäre auch die Ausbildung 1 -darüber hinaus Kommt D (+) -Gluco.e in zwei isomeren Formen vor,die das 4 eines 5-Ringes (Furanose-Ring,abgeleitet vom oyclischen Äther Furan) Phäno. .n der Mutarotation .eigen.Darunter versteht aan den 1846 von aöglich.Nähere Unter8uchungen .eigen,daß D-Gluco.e bevorzugt ala Pyrano.e.- Dubruntaut eratmala beobaohteten Effekt,daß eiDe trisoh bereitete Zucker- Ring vorliegt.Die Klärung der RinggröSe gelang erat 1926. lösung beim Stehenlaa.en eine kontinuierliche Änderung ihrer optischen Da diEt offenkettige oder Aldehydform in wäßriger Lösung nur 111 8ehr Drehung .eigt und .ohlieSlich einen konstanten Endvert erreicht. seringer Konzentration vorliegt,fallen leicht re?eraible AldehydDaohweisreaktionen vie Schiff-Test bzw. die Bildung ei.e8 B1sulfit-~dditioa.­ .us diesen Fakten zog man ua 1895 den SohluB,daS die eiDfachen Zucker daß es durch ·intramolekulare Halbacetalbildung • zur Ausbildung von produktes negativaus. Bei der Fehling-Reaktion,der Silberapiegelprobe u.a. liegt das Gleiohge- Ringen kommt. wicht dagegen so sehr auf der Seite der Produkte,daß die Offenketti88 Aldehyde können mit Alkoholen zu sogenannten Halbacetalen und mit einer Form im Sinne einer weiteren Hydroxylgruppe zu Acetalen reagieren: wird. Eine weitere Folge der geringen Konzentration an offenkettiger Form ist nicht in einer offenkettigen Aldehyd- bzw. Xetaform vorliegen,sondern R - C# 0"; -H /H + RI-OH ...... R-C-OH "OR' Halbacetal + /H HI-OH - . R-C-OR' 'ORI + H20 Gleichgewichtseinstellun~ständig wieder nachgeliefert 1 das Ausbleiben der für Aldehyde typischen Carbonylbande bei 1700 cm- • Durch die Halbacetalbildung entsteht am Kohlenstoffatom C1 ein neues Asymmetriezentrum,Bo daS zwei diastereomere D-Glucosen auftreten können. Acetal I (Diastereomere,die sich nur in der Konfiguration an C1 unterscheiden, werden auch als Anomere bezeichnet). Diese beiden Halbacetalformen stehen in wäßriger Lösung über die offenkettige Form miteinander im Gleichgewicht.Löst man eine der beiden Chemie in der Schule: www.chids.de .) Substanzen in Wasser,so ändert sich die optische Drehung bis sie den .' konstanten Wert von +52,1 0 im Gleichgewichtszustan~ erreicht ( . III. Nac ' Es zeigt sich jedoch,daB auch die oben wiedergegebc'len Ringformeln nac h isreak tionen für Monosaccharide : "- 1) Osazon-Bildung : Hayworth nicht die volle Wahrheit über die Struktur der Glucose wiederspiegeln. Sie machen nur Aussagen über die Konfiguration(-räumliche Anordnung eines Moleküls ohne Berücksichtigung der Atomanordnungen,die sich durch Rotation um Einfachbindungen ergeben),nicht aber über die Konformation der Glucose,geben also die genaue räumliche Anordnung der Atome zueinander nicht wisder. Wie ar.dere Carbonylverbindungen so reagieren auch Monosaccharide mit Phenylhydrazin zu Phenylhydrazonen. H C.,.H I~ H- ~-OH + 2H N- NH- C 6H5 R Die Kohlenstoff-Atome im Pyranose-Ring sind ebenso wie der Sauerstoff - , - - C .. N - NH - C 6H5 I H-~ - OH + H20 R sp3-hybridisiert,die Liganden umgeben das Zentralatom tetraedrisch.Für einen Sechsring hat das zur Folge,daB er nicht planar,sondern in Sesselbzw. Wannenform vorliegt.Ähnlich wie beim Cyclohexan ist auc~ im Falle der Glucose die Sesselform energetisch begünstigt. 1m G8~nsatz zum Cyclohexan lassen sich aber sowohl zur ~_ als auch ~-D-Glucose zwei Ter8ohi.dene S.8sel aufz.iohnen, bedingt dadurch,daB an d.n Xohlen.toff-Ato.en T.rschied.n. Ligand.n eitzen. llei d.r ~ -D-Gluoo ••• t.h.n i. Palle TOn 5•••• 1 I alle sperrigen Gruppen ( -CH20H , -oH ) &quatorial,di••• KOnformation wird also stabiler •• in al. Sessel II bei dem di••• Gruppen axial st.hen. Die farblosen Phenylhydrazone der Monosaccharide haben allerdings d.n ..~ Nachteil,daB keine Neigung zur Kristallisation zeigen. Dagegen sind die meist gelben Phenylosazone,die sowohl Aldos.n als auch Ketosen mit Phenylhydrazin im ttberschuB bilden,in den üblichen Lösungsmitteln schwerlöslich,kristallisieren in der Regel gut aus und besitzen einen scharf.n Schmelzpunkt.Die Phenylosazone werden daher häufig zur Identifizierung von MOnosaochariden h.rangezogen. '71 Darst.llung d.s Phenylosazons d.r Gluco •• S.ssel I ist auch für ~-D-Glucose die .tabil.r. Konformation,da hier nur .in. sperrige Hydroxygrupp. axial steht. tiber den Ablauf dieser Reakt ion herrscht noch w.itgehend Unklarheit.lch führe hier die Version aus dem neuesten Organik-Christ.n, 5.Auflage 1982,anl M Di. Autoren gehen dabei von der Elimination von Anilin aus der tautomeren Form eines ~-Hydroxyphenylbydrazons aus. ~H" i - NH - C6H5 " S••s.l I Sessel II 01\ , -C - OH ~-D-Gluoo8e CH =NH I C=O I CH:;lNH - C6H5 - . ~.:..1 CH -111 I c-o I 'JC -I I - + + Die Osazone lassen auch Schlüsse auf die Konfiguration der Monosaccharid. zu.So ergeben D-Glucose,D-Mannose und D-Fructose das gleiche Osazon, " ~'---7"""" müssen also bezüglich der Konfiguration an den Kohlenstoffatomen C 4 3,C und C übereinstimmen. 5 Sessel 11 cl.. -D-Glucose 0.. aXial Chemie in der Schule: www.chids.de Co = äquatorial Warum der 2) Nachweis auf Grund reduzierender Eigenschaften: ~ T~~t geklärt,ma( Monosaccharide sind relativ leicht oXidierbar,jedoch sind die meisten mit Glucose negativ verläuft ist noch nicht endgültig armutet jedoch,daB der Angriff der selenigen Säure sterisch gehindert ist. der auf der Oxidierbarkeit beruhenden. Nachweise verhältnismäßig unspezifisch.So ergeben die Tollens-Reaktion (-Silberspiegelprobe),die 3) Nachweis durch spezifische Farbreaktionen: Fehling- und die Nylander-Reaktion mit vielen anderen Reduktions- Während verdünnte alkalische Lösungen eine Isomerisierung der MOnosaccharid., mitteln ebenfalls positive Ergebnisse. heiße konzentrierte Lösungen gar eine Spaltung der Moleküle in Unterein- Diese Reaktionen Sind auch nicht zur Unterscheidung von Aldosen und heiten hervorrufen,sind Monosaccharide gegenüber verdünnten Säuren relativ stabil. Ketosen geeignet,da im alkalischen Milieu in dem sich diese Nachweise abspielen die bereits vorne erwähnte Isomerisierung auftritt.So lagert Verdünnte Säuren katalysieren nur die im ersten Abschnitt besprochene Muta- sich D-Fructose zum Beispiel über das 1,2-Endiol in D-Glucose und D- rotation,erhöhen also die Geschwindigkeit der Gleichgewichtseinstellung Mannose um. zwischen den Halbacetalen (bei Aldosen) bzw. den Halbketalen (bei Ketosen). Da alle drei oben angeführten Reaktionen darüber hinaus in der Wärme Starke konzentrierte Säuren bewirken dage"gen die Eliminierung von Wasser, erfolgen und in heißer alkalischer Lösung eine Zersetzung der C - Kor pe r wobei aus Pentosen und Hexosen,den bedeutensten MOnosacchariden,Furfural- 6 in kleinere Untereinheiten mit z.T. ebenfalls reduzierenden Eigenschaften derivate gebildet werden,die durch spezifische Farbreaktionen zum Nachweis erfolgt,ist bei der Verwendung dieser Test. zur quantitativen Bestimmung der jeweiligen Zucker herangezogen werden können. redusierender Zucker dae Einhalten atandadieierter Versuchsbedingungen und das Erstellen einer Zur Unterscheidung Ton E1ohkur~ ~ldosen UDerläSlich. und Ketosen läßt eich die Oxidation mit Tg' Unterscheidung von Pentosen und Hexosen (Bial-Reaktion) Bei der Einwirkung von konzentrierter Säure auf Pentosen bildet sich Bromvasser heranziehen. Während Aldosen oxidiert werden,unterbleibt die Furfural,das in salzsaurer Lösung mit Orcin eine grüne Verbindung er- Reaktion mit Ketosen.Auf der leichteren Oxidierbarkeit der Aldosen be- gibtl ruht auch die schnellere Entfärbung von schwaoh alkalischer Jod-Lösung. (eiehe Verauch 4) Duroh Isomerisierung im alkalischen Milieu wird die Jod-Löaung auch durch Ketosen langsam entfärbtl Ia Widerspruch sua bisher ..sagten scheint die Beobachtung zu stehen, da- Sele.d1oxid bzv. seleni. . Säure ~n ~n D-lruoto •• unter Ab.cheidung rote. ele.entar•• Sele. reduziert vird,vohin..gen diese Reaktion C~ 0 ," H (CHOH) 3 I CH 20H .. + z.B. Destillation ~ <, _/,(,'1 0 o .1 t 1 ~iger BCI hrtural Pentose ait D-Gluooae unterbleibt. Tal unterscheidung Pruotose-Gluoose Auch über den Mechanismus dieser Reaktion ist wenig bekannt. Nach J'e'+ ----+ 2+ bzv. Cu Beyer - Lehrbuch der organischen Chemie - können Hydroxyketone durch 8e0 -4 CH 20H • CcO 2 · I 2 zu Ketoaldehyden oxidiert .4 C"O ,'H ----.... 2 • + SeO 2 ..- .. R werd~nl c=o I R Ketoaldehyd Orcin o(~OO ~rüne Oll Verbind- ung (diese hier angeführte Verbindung ist dem Handbuch der photometrisohen Analyse organischer Verbindungen von Kaklc und Vejdelek,1974,entnommen). Aus Hexosen bildet sich unter diesen-Bedingungen 5-Hydroxymethylfurfural,es tritt keine Grünfärbung auf.lm atark sauren Bereioh (15 M Schwefelsäure) kann das 5-Hydroxymethylfurfural weiter zu Lävulinsäure und Ameisensäure reagieren. Chemie in der Schule: www.chids.de Die Bial-Reaktion wird in einfachen biochemischen Versuchen zur Unter,'; scheidung von DNS und RNS benutzt. Dabei macht man Ribose,die bei der sauren Hydrolyse der RNS ~ zu Nutze,daß die entsteht,~it Drcin eine Grün- färbung ergibt,während die Reaktion mit der Desoxyribose,dem Mono- Bei diesem Test oxidiert ein Enzym,das aus dem Schimmelpiiz Penicillium tat um gewonnen und daher als Botain oder Glucoseoxidase \ bezeichn~t wird,Glucose spezifisch zum Lacton.Dabei wird mit dem Sauerstoff der Luft Wasserstoffperoxid gebildet,welches seinerseits unter Katalyse einer Peroxidase o-Tolidin in einen blauen Farbstoff saccharidanteil der DNS,unterbleibt. überführt. (im Versuch selbst wurde ein fertiger Gluko-Test der V 10 ' Unterscheidung von Aldosen und Ketosen (Seliwanoff-Reaktion) Firma Merck verwendet). Dieser Nachweis ist z.B. geeignet zur Unterscheidung von Fructose Das Proteid Glucoseoxidase enthält pro MOl Protein (p) 2 MOl Flavin- und Glucose.Die Methode beruht darauf,daß unter den vorgegebenen adenindinucleotid (FAD) • (.~ON Reaktionsbedingungen die Ketosen schneller in das entsprechende Furfuralderivat überführt werden als die Aldosen.tlber die Ursache dieser unterschiedlichen Umsetzungsgeschwindigkeiten herrscht noch O O" 2 ~ 0" 0"" " Unklarheit. 2 M ~~~ 70 + H oM "D-G I ucono _clLac ton 0\\ D-Glucose (Es soll an dieser Stelle noch einmal klar hervorgehoben werden, daS alle diese Nachweiereaktionen,die auf der Bildung von Fur+ turalderivaten beruhen,nur aöglich sind tür MOnosaocharide mit 2 02 ----... Luftsaueratotf .ehr ale 4 Koh1enatoff-Atoaen 111) Das gebildete JUrfura1deriTat,iaPa1le der Pructoa. 5-Hydroxymethyl- furfural,erzeugt ait Resorcin im sauren Milieu eine Rotfärbung. Zwar bildet eich dieser rote Farbstoff auch ait Glucose,allerdigs sehr viel langsamer als mit "):::Y Y::::::.f Z> 0 ("0 2 • J'urfuralderiTat h.oroin ~ -CH(OH)CH 20H . Peroxi- .. MN:: ..... dase O-Q-~'u - "11 + c..") Farbstoff'" blauer farblos 0' R - -B(Pentosen),-CH 0 H (Hexo ••n) 2 H20 2 o-Tolidin (-Benzidin-Derivat) --. + (,~. c.") leO R \I~./C)\JO\3I1t?+ ro ter Farbstoff (Heptosen) Diese enzymatische Bachveis 1st .ehr .pe.ifisoh für Gluoo.e.Andere Zucker wie Fructose,Galactose usw. aollen naoh ADgaben der Heretellerfirma dieser Test~Lösungen nicht erfaSt werden.(Ea hat eich bei . .inen Yersu,~hen allerdings gezeigt,daS auch bei huotose eine BlaufärbUDB auf tritt ,allerdings bei sehr viel höheren Konzentrationen und .ehr 4) EnZymatische Testsl viel langsamer~~ Als enzymatischen Test im weiteren Sinne kann man die Vergärbarkeit von Die Bachweisgrenze dieser 'ests liegt ungefähr bei Honosacchariden durch Hefezellen ansehen. Während Pentosen nicht angegriffen 100 ml Lösung. werden,verarbeiten die Hefezellen die wichtigsten Hexosen (D-Glucose,DHannose,D-Galactose,D-Fructose) zu Ethanol und Kohlendioxid. Y11' Spezifischer Glucose-Nachweis (GOD-Test) Ein sehr spezifischer Nachweis für Glucose ist der z.B. in den Zuckerteststäbchen routinemäßig verwendete Glucoseoxidase-Test (_GOD-Test) • Chemie in der Schule: www.chids.de 40 ag Glucose/ IV. Versuchsanleitungen 1 ( V21 Quantitative "Verbrennung" der Glucose aus den Gasgesetzen läßt sich das Volumen unter Normalbedingungen berechnen 1 p V T 77 • 273 o , da p _ p und T _ 20 0 e V o o T 293 Versuchsaufbaul --- ._- RG aus Quarzglas / \= ~/ C,\ ;;'oh;;m I nj ,.ti.,......... 1 Glucose,TBrmisoht alt CuO (Draht) ' ~ Li 1(, < J L \::J I!' - VO - 7 1,75 ml I " " I . . . _I ~ r-- ( Kolbenprober (100 ml) Da nach der Avogadro-Hypothese ideale Gase unter Normalbedingungen die ~igenschaft haben,daß 1 Mol ein Volumen von 22,4 I einnimmt, kann man die Stoffmenge an e0 bereohnen,der ein Volumen von 71,75 2 ml entspricht. Il-Rohz 22 400 Kühlfalle (Eis-Viehsalz-Geaisch) Man wiegt sunächst das U-Rohr leer. Dann bringt man eine definierte Menge waseerfreier Glucose (ungefähr 0,1 g) in ein Quarz-Reagensglu ein,vermischt mit etwas CuO in Drahtform und übersohiohtet 2-3 cm hoch mit CUO (Draht).Dann setzt man die Apparatur wie oben beschrieben zuaaamen und prüft die Dichtigkeit,indem man den Stempel des 101öenprobera etwas herauszieht.Bach Loslassen sollte er in die Aua.anpa~elluns zurückkehren. Zu Jelinn des Yerauchea bringt man d1e obere euO-Schich~ sur RotC1ut und slüht dann die Reagensglas-Spitze durch.Die Zersetzung der Glucose setst ein,bereits nach kurzer Zeit bildet sich auf dem schwarzen euO rotes,elementares Cu. (Stempel des Kolbenprobers dabei leioht drehen um ein Festsetzen zu verhindernI) Baoh einem letzten kräftigen Durohglühen läßt man auf Zimmertemperatur abkühlen. Das U-Rohr wird ausgebaut,auBen gut getrocknet und gewogen.Aus der Differenz zum Ausgangswert erhalten wir die Henge des gebildeten Wassers. Vor Ausbau des U-Rohres liest man Am Xolbenprober das Volumen des entetandenen Kohlendioxids ab. 1 H 1 ° Eingewogene Henge Glucose 1\L.m_ _0,100~\ ...:....."..~ 0C 110 1-2h (Glucose im Trockenschrank bei im Exsikkator aufbewahrsn) Chemie in der Schule: www.chids.de In dieser Stoffmenp C0 2 sind 3,2 3,2· 10- 3 . 12 10- 3 Hol oder '1 • - - - - - - g 1 Kohlsnstoff enthalten. Versuchs durchführung 1 Berechnung des Verhältnisses C 7 1,75 x I (Werte des Probevortrages) trocknen,ansohließend • 0,0384 g Hasse des gebildeten Waasersc ja - 0,0594 g { H20 dies entsprioht 0,0594. 18 In dieser Stoffmenge W..ser sind 6,6' 10- 3 Mol oder 6,6. 10- 3 • 1 _ • 0,0066 g H enthalten. Die Hasse des Sauerstoffs berechnet sich aus der Differenz von eingewogener Masse und der Kassen von e und HI - mo m - me - ~ • 0,1004 - 0,0384 - 0,0066. 0,0554 g 0,0384 e 1 H 1 0 Je 1 H 1 0,0066 = - - - 1--- 0 • 12 1 2,06 0,0554 1 - - - - 0,0032 1 0,0066 16 1 0,0035 v3 : Cerammonnitr~t Nachweis der Hydroxylgruppen mit V : Di~ 'ddition von Natriumhydrogensulfit an Carbonylverbindungen ~ ( Reagens: gelöst in 500 ml 2 N END, Ansatz: 0,5 ml Reagenz + 3 ml H 20 + 4-5 Tropfen Substanz Ansatza 12 ml einer 40 Ethanol % igen wäßrigen NaHSO,-Lösun g 10 ml Reagens + +' ml 3 ml der zu prüfenden Substanz in einem RG gut durchsohütteln. Parallel werden zugegeben' 10 % ige Zuckerlösung,Ethanol,Aceton Auch hier bieten sich wieder Parallelversuche an mit: (eventuell Acetaldehyd) 10 V4 ' Bestimmung der Zahl der Aldehydgruppen im Glucosemolekül v6 : Versuchs durchführung: In einen 200 ml Erlmeyerkolben wiegt man 0,1 g vasserfreie Glucose ein und löst in 10 ml B20 % iger Zuckerlösung,Ethanol,Aceton, sowie eventuell Acet- aldehyd Schiff'sches Reagens auf Aldehyde Reagens: 1 g Fuchsin in 100 ml H Ö dest ungefähr 10 min schütteln, 2 anschließend abriltrieren.Je einen Teil dieser Lösung dest.Dazu gibt man 20 ml versetzt aan mit drei Teilen Waaaer. 0,1 • Jodlösung sowie 25 _I 0,1 N Natronlauge und läßt das Ganze Zu 10 al schwefliger Säure (5-6 • 802) gibt man dreimal 5 Minuten lang ?eraohlossen stehen. je 5 .1 der V.rdünnten Lösung,vobei aan jedesmal wartet, wird ait 10 .1 ! N H Ters.tzt und das nicht 2S04 uagesetste Jod ait 0,1 • Batriumthio8ultat-Lösung zurUoktitriert. ~8ohlieSend ~la Indikator .etzt aan einige Tropfen Stärke-Lösung zu. Versuchsauswertung: (Werte des Probevortrages) bi. sioh das Ganse entfärbt hat. Ansatz: 2 ml Reagens + wenige Parallelversuche wie bei.V Terbrauchte Menge an 0,1 • Na S 0 - Le g l 10,2 ml 2 2 3 diese 10,2 ml entspreohen 253.16 • 10- 3 g oder 1,02 • 10- 3 Mol ~opfen Substanz 5 Batriumthi08ul~at. Da ein MOl ~io.ultat entaprechend der".t6ohio•• tri8chen Gleich- 0,5 101 Jod re4usiert,1e4eute. d1e verbrauchten 1,02- 10- 3 Ibl,daB 0,51- 10- 3 MOl Jod suraokiitriert wurden. ung lu • •1nn 4•• Verauohe. wurden 20 .1 0,1 • Jod-Lösung,also 0,254 g oder 1 • 10- 3 Mol Jod zugegeben. Zur Oxidatio der ~dehydgruppen im Glucosemolekül wurden dem- su1'olge 1 • 10- 3 - 0,5' • 10- 3 - p,49 • 10-~ Mol JOdl verbrauoht. Da die eingewogene Menge von 0,1 g Glucose 0,55· 10- 3 MOl Glucose entspricht,ist pro MOlekül Glucose eine Aldehyd-Funktion vorhanden. Die Aldehyde reagieren mit den Anilin-N-Atomen,di. auoh im sauren Bereioh nioht vollständig protoniert sind.An die Doppelbindung der gebiideten Sohiff'schen Basen addiert wiederum sohweflige Säurea Chemie in der Schule: www.chids.de teIlung des Phenylosazons der Glucose ~- e Reagenzien: (A) 0,5 g Phenylhydrazin + 5 g NaHS0 in 50 ml 3 ausgekochtem H (im Eisschrank 3 Tage haltbar) 20 ~ 0NM-~-" R' (B) 25 g NaOAc + 25 ml Eisessig mit H auf 100 ml 20 auffüllen Schifftsche Base _ R. JQ".-~-~-, H s,C\- , Ansatz I C- H R' 20 ml 10 % ige Glucose-Lösung + 10 ml (B) + 10 ml (A) Am günstigsten erhitzt man im siedenden Wasserbad (bzw. geeignetes In unserem speziellen Falle sieht das folgendermaßen aus: Ölbad) am Rückflußkühler.Nach 10 min tritt eine Gelbfärbung auf, nach ungefähr 45 min fällt das gelbe Osazon aus. Va' Unterscheidung Fructose - Glucose Reagenz: 5 g Se0 zu 20 .1 mit H .est lö.en und die .elenige 2 20 säure mit wa8serfreiem 8&20°, auf pB • 7 einstellen (ungefähr 2,5 g Ka Co, ) 2 In dieser"Bi8-amino-8ulfoneiure" ist die Basizität ~~~ 80 Ansatz. des Anilin-N- 5 ml 0,5 ~ ige Zuckerlösung + 0,5 .1 Reagenz g8achwächt,daS es vorwiegend unprotoniert vorli~·~t·:D~~~· aoll nun die Ausstoßung der Sulfonatgruppe als Sulfit (wird sofort Anschließend i • • iedenden Wasserbad erhitzen.(Es besteht auch protoniert) und die Ausbildung eines farbigen mesomeren Systems erlauben. die Möglichkeit Testpapiere herzustellen,indea .an kleine Rund- filter 30 e lang in die Reagenz-Leg eintauoht und dann trooknet. Zum eigentlichen Nachweis gi~t man einen Tropfen Zuckerlösung auf das Papier und hält kurz über siedende. Wasser.) V ' Unterscheidung von Pentosen und Hexosen (Bial-Reaktion) 9 Reagenz: In 100 ml konz. Hel werden 100 mg FeeI,· 6 H20 und 500 mg Orcin gelöst. Ansatz: Durch die neuen Substituenten am Stickstoff zeigt diese Verbindung ein anderes Absorptionsverhalten als dae Fuchsin. 1 ml Reagenz + 1 ml der Probe-Lösung Auch hier wieder im siedenden Wasserbad erhitzen. Mechanis~us 10-(M - / ("1- '0K Chemie in der Schule: www.chids.de 00r Reaktion: C.H -0" \ .0 /(\.\ "c 'M o H R· ---... Ho-CI - / er\ ' '1 / CM ...... C '0H M 'H *0 0 (" - eH I{ c"o C.\\ ~us MeCh," " wie in Versuch 9 um eine sauer katalysierte Es handelt sich c.." "0/ der Reaktion: Substitutionsreaktion einer Carbonylverbindung an Aromaten Furfural (in diesem Fall zweimal hintereinander),der sich die Ausbildung eines cyclischen Ethers unter Eliminierung von Wasser anschließt. Die Gewinnung von Furfural aus Pentosen stellt eine sauer katalysierte o~ Eliminierung Ton Wasser aus Alkoholen dar.Bei den drei Eliminierungs- ~-(~- + schritten kommt es zweimal zur Ausbildung einer C - C - Dgppelbindung, einmal entsteht eine cyclische Ethergruppierung. H DOH Die nachfolgende Reaktion des Furfurals mit Orcin entspricht dem Typ einer sauer katalysierten ,elektrophilen Substitution von Carbonylverbindungen an Aromaten. [ • R- C"" , 'e OH OH '" R- H Orcin N'; R-C, ~ I ,~ OH R GM Oll c."~ ...._.e f/\ .. 'H _lI i'" .,1 Cl-C 0" ] O~~C'l e O~o(Ji I. Oll ( _O~O • ' ..Q /--t- " ~ '-A-? "0'(Y'~ ~C~V 0\\ 00 grüne Terbindung (d.. sugegebene '-Cl, 0 1at eine Lev1a-Saure und wirkt katalysierend.) --. roter Farbstoff V : Unterache1dung ?On A1dosen und Ketosen (Se1iwanoff-Reaktion) 10 V11 , Spezifischer Glucose-Nachweis (GOD-Test) Reagenz: 0,1 g Resorcin + 0,25 g Thioharnstoff in 100 ml Ansatz: Eisessig (Dunkel aufbewahren!) Reagenz: 2 ml Probe-Lösung + 2 ml Reagenz + 6 ml Konz. HCI Ansatz: Einige Zeit im Vasser~ad (100°C) erhitzen.Man verwendet zur Demonstration 5 ~ ige Lösungen ?On Fructose und Glucose. Chemie in der Schule: www.chids.de Gluko-Test der Firma Herck 1 ml Lösung 2 (nach Vorschrift Gluko-Test) + 4 m1 H dest + 5 Tropfen einer 1 20 Fructose-Lösung % igeD Glucose- bzv. V, Li t ' \ ~turangaben: ( ~, 1) Ch riste n - Grun dl agen der organis chen Che mie , Ver lag Sa lle + saue r ländsr, 5 . Auflage 198 2 2 ) Beyer/Va l ter - Lehrbuch de r o r ganische n Chemie ,Verla g S. Hirz e l Stuttgart , 19.Auflage 198 1 ~) Morr ison/Boyd - Lehrbuch der organischen Chemie, Verlag Chemie, 2. Auflage 1978 4) Bukatsch/Gl öckner - Experimentelle Schul chemie,Bd 6/1, Organ i sche Chemis II, 1975 5) Kak~~/Ve j d~ le k - Handbuc h der pho tometrischen Anal yse organis ch er Verbindungen Bd . 2,V erlag Che mie, Veinhe i m 197 4 6) Pi l hofer _ Biochemische Gr un dve rs uc he , Pr axis Schr iftenreihe Chemie Bd. 25,Aulis Verlag Deubner & Co,~.Auflage 19 78 7) Hollemann/Sohuler - Einfaohe Versuohe auf dem Gebiet der organhohen Chellie,9 • .luf l a ge ., 19 6 5 8) Lutz Hafner - Materialien für die Sekundarstufe 11 Chemie,Einführung in dDe organische Chemie unter besonderer Berücksichtigung der Biochemie,Ver lag Hermann Schroede l, 1974 9) Juat/Hradetzky - Chemische Schulexperimente,Bd. 4 Organisohe Chemie, 1978 Chemie in der Schule: www.chids.de I