doc - ChidS

Hinweis:
Dieses Protokoll stammt von der Seite www.chids.de (Chemie in der Schule).
Dort können unterschiedliche Materialien für den Schulunterricht heruntergeladen werden,
unter anderem hunderte von Experimentalvorträgen so wie der vorliegende:
http://www.chids.de/veranstaltungen/uebungen_experimentalvortrag.html
Marietta Fischer
Matrikelnr.: 1465821
Semester: 9
Schriftliche Ausarbeitung
Fachbereich Chemie
Leitung: Prof. Dr. Neumüller, Dr. Reiß
SS 2006
Philipps Universität Marburg
Baum
zum Apfel
Vom
(Experimentalvortrag, OC)
1
Inhaltsverzeichnis
Seite:
1.0
Einleitung
3-4
2.0
Der Baum
4 - 22
2.1
Das Holz
5 - 12
Demo 1
7-8
( trockene Holzdestillation)
Versuch 1
9 - 12
( Phenol-Nachweis)
2.2
Lignin
13 - 16
Versuch 2
14 - 16
( Nachweis von Lignin)
2.3
Cellulose
17 - 23
Versuch 3
19 - 23
( Verzuckerung von Cellulose)
3.0
Der Apfel
23 . 37
3.1
Inhaltsstoffe
24 - 37
Versuch 4
25 - 28
( Farbstoffe)
Demo 2
30 .- 32
( Enzymatische Bräunung)
Demo 3
36 - 37
( Auch Äpfel atmen)
4.0
Schulrelevanz
38
5.0
Quellenangabe
39
2
1.0 Einleitung:
Die Entdeckung des Apfelbaums besitzt man zeitlich gesehen keine Angaben. Man weiß
jedoch, dass der Apfelbaum seinen Ursprung in Zentral- und Westasien haben muss mit den
so genannten Wild- oder Holzäpfeln (malus sylvestris).
Vor 5.000 Jahren waren es die Syrer schließlich, die den Apfel nach Ägypten brachten; von
dort aus konnte sich der Apfel weltweit verbreiten. Die Geburtstunde der so genannten
Kultursorten (malus domestica) war gegeben.
Die Römer waren es, die dem Apfel eine wirtschaftliche Bedeutung zusprachen. Sie
begannen den Apfel in Plantagen anzubauen und Zuchtformen zu entwickeln wie
beispielsweise das Pfropfen oder Klonen.
Dank der Veredlungen, sprich Zuchtformen durch menschliche Hand, ist es dem Apfel
ermöglicht, fast jeden Standort zu besiedeln.
Um über längere Zeit den Apfel genießen zu können, muss es natürlich besondere
Lagerungen geben. So ist zum Beispiel das CA-Lager (CA = controlled atmosphere) zu
nennen. Dabei wird, wie der Name schon sagt, die Lagerbedingung kontrolliert. Man achtet
auf Lagerluft, Temperatur und Luftfeuchtigkeit.
Durch Senkung des O2-Gehalt und Erhöhung des CO2-Gehalts kann man Äpfel länger lagern,
weil die Atmung verlangsamt und der Stoffwechsel reduziert wird.
Die Ethylenentwicklung ist ein großes Problem, wenn es darum geht, Äpfel mit anderen
Obst- und Gemüsearten lagern zu wollen. Ethylen (Ethen), ein so genanntes Phytohormon, ist
für Wachstum und Reifeprozess verantwortlich. Durch die Ausschüttung lässt es natürlich
auch die restlichen Früchte schneller reifen und somit verderben.
Für den Hausgebrauch ist es gut zu wissen, dass man Äpfel am Besten in Folienbeutel mit
Löchern an dunklen Orten aufbewahrt, wodurch O2- / CO2-Gehalt reguliert, die Fotosynthese
verlangsamt und die Ethylenausschütung vermindert wird.
Es gibt mehrere tausend Arten, wovon mehrere hundert sind dabei wirtschaftlich von
Bedeutung sind. In Deutschland allein schätzt man zurzeit die Zahl der Apfelarten auf ca. 50,
die wirtschaftlich von Bedeutung sind.
3
Der Apfel besitzt einen hohen symbolischen Wert. So besitzt er sowohl mystischen,
literarischen als auch historischen Symbolgehalt.
Er steht als Zeichen der Liebe und Schönheit. Im christlichen ist der Apfel das Sinnbild der
Sünde, so kennen wir ihn aus biblischen Überlieferungen aus dem Garten Eden, in dem Eva
in einen Apfel von dem Baum der Erkenntnis gebissen hat.
Er war ein Zeichen des Glückes und der Macht, so dass schon die deutschen Kaiser den
Reichsapfel als besonderes Zeichen trugen, der zum Teil mit Sand oder Asche gefüllt wurde,
als Zeichen der Vergänglichkeit.
Bei germanischen Völkern gehörte der Apfel zu Hochzeitsbräuchen, als Symbol für die
Fruchtbarkeit.
Auch heute findet er noch in Redensarten Anklang, wie zum Beispiel „der Apfel fällt nicht
weit vom Stamm“, was soviel bedeuten soll, dass das Kind seinen Eltern gleicht.
2.0 Der Baum:
Der Baum ist ein vieljähriges Holzgewächs, der, ganz im Gegenteil zu den anderen Pflanzen
die einmal im Jahr Blüte tragen und als Zwiebel in der Erde überwintern, das ganze Jahr in
voller Größe in Erscheinung tritt. Er schlägt im Frühjahr aus, entfaltet sich über den Sommer
und trägt seine Früchte im Herbst, wobei er die Blätter abwirft und sich kahl auf den Winter
vorbereitet.
Im ersten Wachstumsjahr wird ausschließlich die Spitze gefördert, das heißt, dass die
Stammentwicklung im Vordergrund steht und die Verästerung unterbleibt.
Im zweiten Jahr kommt es zu Trieben der Seitenäste und in den darauf folgenden Jahren
kommen weiter Seitentriebe der Äste hinzu, wodurch sich eine prächtige Krone entwickelt.
Der Baum ist sehr anpassungsfähig auf Grund der verschiedensten Züchtungen und liebt wie
die meisten Fruchtsorten sonnige Standorte und nährstoffreiche Böden.
4
2.1 Das Holz:
Wenn wir den Begriff Holz hören, denken wir zuerst an Bau- oder Werkstoffe für Türen,
Schränke und Häuser. Ebenso dient Holz als Roh- oder Energiestoff als effiziente
Wärmegewinnung durch Holzöfen.
Die folgende Abbildung soll bewusst machen, was Holz in Bezug auf unser Leben und auf
die ganze Welt bedeutet.
Holz ist viel mehr als ein paar Bäume, die wir aus angrenzenden Wäldern kennen. In der
organischen Materie ist Holz der größte Bestandteil, der das Leben auf der Erde bestimmt.
Abb.1: organische Materie
5
Bis zu dreiviertel des Festlands sind bewaldet. Dabei ist es doch wirklich erstaunlich, dass nur
ca. 30% davon erschlossen und nur 14% wirtschaftlich genutzt werden.
Holz stellt also weitaus mehr als 65% der organischen Materie dar.
Das Holz besteht zu meisten Teilen aus Cellulose, Lignin und anderen Polysacchariden. Auf
die einzelnen Bestandteile möchte ich im Laufe meiner Ausarbeitung zu sprechen kommen,
um den Ablauf des Vortrags widerspiegeln zu können.
Aus biologischer Sicht ist unsere bisher gebräuchliche Definition des Holzes falsch, denn
wenn wir von Holz reden, reden wir meist von dem Ganzen.
Der Biologe unterscheidet jedoch zwischen Holzzellen und Bastzellen, die nur mit Kambium
und Rinde ein Ganzes ergeben.
Kambium ist die Zone eines jeden Baumes, in der Zelldifferenzierung beibehalten wird.
Kambium ist also die Vorraussetzung dafür, dass ein Stamm an Umfang zunimmt und
bedingt somit das so genannte sekundäre Dickenwachstum. Kambium gibt also in das Innere
des Stammes das eigentliche, im biologischen Sinne gesehene, Holz ab. Nach Außen werden
Bastzellen abgegeben, die von der Rinde umschlossen werden. Durchbrechen Bastzellen die
Rinde, so spricht man von einer so genannten Borke.
Kambium
Rinde
Kernholz
Bast
Splintholz
Abb.2: Holzaufbau
6
Das Holzgewebe, das sich in Kern- und Splintholz unterteilt, umfasst das Xylem. Xylem ist
für den Wassertransport im Stamm verantwortlich. Somit übernimmt Holz sowohl Stütz als
auch Transportfunktionen.
Das Kernholz ist das Zentrum eines jeden Baums. Es enthält die Zellen, die durch Gerbstoffe,
Harze und so genannte Thyllen zugesetzt wurden. Also handelt es sich um totes Gewebe, da
es keine Transportfunktionen mehr ausführen kann. Splintholz hingegen besitzt die oben
beschriebenen Funktionen des Holzgewebes.
Das Bastgewebe enthält das Phloem, das für den Nährstofftransport, die so genannten
Assimilationsprodukte, verantwortlich ist.
Um die Bestandteile des Holzes zu untersuchen, habe ich in Demonstration 1 eine trockene
Holzdestillation durchgeführt.
Demonstration 1:
( trockene Holzdestillation)
Chemikalien:
Holzspäne
Eis für Kältefalle
Geräte:
U-Rohr mit Hähnen
PVC Schlauch
Gaswaschflasche
Reagenzglas mit Schliff
Absaugstück
Schraubschellen
Stativmaterial
Bunsenbrenner + Schlauch
1 L Becherglas als Kältefalle
7
Durchführung:
Man baut die in Abb. 3 abgebildete Apparatur auf und füllt das Reagenzglas mit Schliff mit
den Holzspänen eines Apfelbaums. Nun erhitzt man mit Hilfe des Bunsenbrenners, bis die
Späne verkohlt sind.
Abb. 3: Apparatur von trockener Holzdestillation
Beobachtung:
Nach kurzer Zeit setzt die Verkohlung ein, wobei man zuerst eine Kondensation beobachten
kann. Daraufhin setzt die Rauchgasentwicklung ein, wobei braun-gelber Rauch entsteht und
in das U-Rohr hinunter steigt. Mit Hilfe der Kältefalle kann das Kondensat in dem U-Rohr
aufgefangen werden.
Die Hauptprodukte der Verkohlung sind zu 80% reiner Kohlenstoff, die so genannte
Holzkohle. Weitere Produkte sind Rohholzessig, Holzgeist (bestehend aus Methanol, Aceton
und Methylaceton) und Holzteer, der aus aromatischen Verbinungen, wie Phenolen und
Phenolethern besteht. Das entweichende Holzgas besteht zum größten Teil aus (52%) CO2
und (34%) CO, des weiterem aus CH3OH, C2H4 und CH4.
Der Verlauf der Verkohlung beginnt bei 100-150 °C mit der Zersetzung der Hemicellulosen
und Abspaltung von Wasser. Bei 150-275 °C setzt eine Gewichtsverminderung ein. Wenn
eine Temperatur von bis zu 350 °C erreicht ist,
entstehen die Hauptmengen der
Zersetzungsprodukte.
8
Um Bestandteile wie zum Beispiele die Phenole nachzuweisen, führe ich nun im Folgenden
die Aromatenprobe als Phenolnachweis durch.
Versuch 1:
(Phenol-Nachweis)
Chemikalien:
AlCl3
CHCl3
Holzdestillat aus Demonstration 1
Geräte:
Demoreagenzglas
Pipette
Erlenmeyerkolben
Klammer
Bunsenbrenner + Schlauch
Durchführung:
Man mischt das aus Demonstration 1 gewonnene Holzdestillat mit etwas Chloroform und
verschließt den Erlenmeyerkolben mit Parafilm, um austretende Dämpfe zu vermeiden.
Nun füllt man etwas AlCl3 in das Demoreagenzglas und hält es mit Hilfe der Stativklammer
solange über die Bunsenbrennerflamme, bis sich das Sublimat am Reagensglasrand
abscheidet. Diese Vorgehensweise ermöglicht es, mit wasserfreiem AlCl3 weiterzuarbeiten.
Mit Hilfe einer Pipette tropft man nun vorsichtig die Destillat/CHCl3 Mischung auf das
Sublimat um die Aromatenprobe durchzuführen.
Vorsicht: Das Destillat muss rein gewonnen sein, und darf nicht mit Wasser verdünnt werden,
sonst erhält man evt. keine positive Aromatenprobe!
9
Beobachtung:
Beim Erhitzen von AlCl3 setzt sich das hell gelbe Sublimat am Reagensglasrand ab. Durch
zutropfen des Destillats in Chloroform erhalten wir eine rötliche Verfärbung des Sublimats,
das mit zunehmender Zeit immer dunkler wird.
Problematisch ist nur die Tatsache, dass die vorgegebene Mischung schon einen blass
braunen Ton aufweist, so dass man der Reaktion genau folgen muss, um die Veränderung der
Farbe wahrnehmen zu können.
Auswertung:
Es liegt eine Friedels-Craft Alkylierung vor. Das heißt, dass ein Aromat und ein
Halogenalkan unter katalytischer Wirkung einer Lewis-Säure miteinander reagieren.
Auf Grund der dirigierenden Wirkung der –OH Gruppe, kann man sowohl das ortho- als auch
das para - Produkt erwarten. Durch sterische Eigenschaften erwartet man zu größeren
Anteilen das para - Produkt.
OH
OH
HCCl2
+ HCCl3
ortho-Produkt
<AlCl3>
OH
+ HCl
OH
+ HCCl3
<AlCl3>
+ HCl
para-Produkt
HCCl2
10
Cl
<AlCl3>
HCCl2
CHCl2
AlCl4
+
Zuerst greift ein Chlorid-Ion an dem elektrophilen Aluminium des AlCl3 an, wodurch wir ein
Carbenium-Ion und den Tetrachloroaluminat-Komplex erhalten.
OH
OH
OH
-H+
<AlCl3>
+ HCCl
2
H
CHCl2
CHCl2
H+ +
AlCl4
AlCl3
+
HCl(g)
Nun kann der Aromat an dem Carbenium-Ion angreifen, wodurch wir
einen
mesomeriestabilisierten Wheland-Komplex erhalten. Unter Abspaltung eines Protons erfolgt
eine Rearomatisierung. Als Produkt erhalten wir das para-Dichlormethylphenol Molekül und
sehen, das AlCl3 ausschließlich katalytisch wirkt, da der Tetrachloroaluminat-Komplex mit
dem abgespaltenen Proton zu Chlorwasserstoff und AlCl3 reagiert.
In diesem Fall läuft eine dreistufige Friedel-Crafts-Alkylierung ab:
OH
OH
Cl
+
H
<AlCl3>
HO
+HCl
OH
HCCl2
Das para-Dichlormethylphenol Molekül kann nun unter Chlorid-Abspaltung ein weiteres
Phenyl-Molekül anlagern. Als Produkt erhalten wir das Di-para-phenylchlormethan.
11
HO
OH
Cl
H
H
<AlCl3>
+
+
HCl(g)
OH
HO
OH
HO
Unter weiterer Chloridabspaltung wird ein weiteres Phenylmolekül addiert, so dass wir einen
Tri-para-phenylmethan Farbstoff erhalten.
HO
H
OH
HO
HO
HO
HO
sp2
OH
HO
OH
ziegelrot
Durch gute Stabilisierung erfolgt eine Abspaltung eines Hydrids, wodurch wir das Tri-paraphenylcarbenium-Ion erhalten.
12
2.2 Lignin
Lignin leitet sich aus dem lateinischen Wort lignum ab, was auf Deutsch übersetzt nicht mehr
als Holz bedeutet.
Lignin ist ein Mischpolymer aus Polyphenolvorkommen. Durch Einlagerung in die
interfibrillären Zwischenräume der Zellwand wird die Verholzung hervorgerufen. Diese
Einlagerung geschieht nachträglich und gibt somit keine optische Veränderung, sondern nur
eine Veränderung in physikalischer und chemischer Hinsicht.
Die Verholzung der Pflanzen tritt in der Entstehungsgeschichte der Welt erst bei dem
Übergang von Wasser an Land der Pflanze auf.
Die polymeren Kohlenhydrate der Zellwände sind mit den Mischpolymeren kovalent
gebunden.
Einzelne Bestandteile sind zum Beispiel:
OH
C
H
HO
C
H
H
H
Cumarylalkohol,
H3CO
H
HO
C
H
C
H
O
oder auch Coniferylaldehyd. Aus diesen und einigen anderen Bestandteilen setzt sich die
Vernetzung des Lignins zusammen, wobei das Phloroglucin ausschließlich mit der
Aldehydgruppe reagiert.
Um das vorhandene Lignin in dem Apfelbaumholz nachzuweisen, führe ich den nun
folgenden Versuch durch:
13
Versuch 2:
(Nachweis von Lignin)
Chemikalien:
Phloroglucin in HCl(aq)
Holzscheibe
Geräte:
Pipette, Pinsel, etc.
Glasflasche mit Schliffstopfen
Durchführung:
Man trägt die Phloroglucin-Lösung mit Hilfe einer Pipette oder eines Pinsels auf die
Holzscheibe auf und lässt die Lösung trocknen.
Interessant ist es hierbei, Alltagsbezüge schaffen zu können, indem man die Lösung auf
Toilettenpapier, ungebleichtes Schreibpapier und gebleichtes Schreibpapier aufbringt.
Beobachtung:
Wenn die Lösung auf der Holzscheibe beginnt in die Fasern einziehen und zutrocknen, wird
eine violette Farbe sichtbar.
Alle Papiersorten, die nicht gebleicht wurden, weisen eine violette Farbe auf, da das Lignin
noch nicht zerstört wurde. Gebleichte Materialien zeigen jedoch keine typische Farbe mehr
auf, da das Lignin durch den Bleichprozess zerstört wurde.
14
Auswertung:
Phloroglucin wirkt mit der Aldehydgruppe der Ligninvernetzung und ergibt somit die violette
Farbe.
Die Aldehydgruppe greift mit dem freien Elektronenpaar des Sauerstoffs ein Proton an.
Durch die Protonierung liegt auch hier ein Carbenium-Ion vor, das nun von der aromatischen
Verbindung angegriffen werden kann. Auch hier entsteht ein mesomeriestabilisierter
Wheland-Komplex, der durch Abspaltung eines Protons rearomatisiert wird. Durch Angriff
eines freien Elektronenpaars des Sauerstoffs wird die Verbindung wiederum protoniert,
wodurch ein Oxonium-Ion entsteht.
O
H
OH
O
R
HO
+H+
C
H
H
H
C
R
R
OH
H
HO
OH
OH
HO
OH
H
+
-H
C
+H+
HO
OH
H
R
O
C
H
OH
R
O
-H2O
H
OH
HO
H
Es folgt eine Kondensationsreaktion, wodurch ein Carbenium-Ion entsteht. Daraufhin kann
ein erneuter Angriff eines Phloroglucin-Moleküls erfolgen. Auch hier haben wir wieder einen
mesomeristabilisierten
Wheland-Komplex
vorliegen,
der
unter
Protonenabspaltung
rearomatisiert wird.
OH
OH
C
HO
OH
OH
R
R
H
C
+
H
HO
OH
HO
OH
H
OH
OH HO
15
OH
R
R
OH
OH
OH
C
+
C
-H
-H2O
H
HO
H
OH
OH HO
HO
OH
O
Auf die Rearomatisierung erfolgt eine weitere Kondensationsreaktion die zum Ringschluss
führt.
OH
R
OH
OH
R
OH
C
-H+
-2e-
HO
O
O
O
violett
OH
O
Durch eine eintretende Redox-Reaktion erfolgt die Bildung einer chinoiden Verbindung, die
für die Farbigkeit verantwortlich ist.
16
2.3 Cellulose:
HOH2C
OH
*
O
O
OH
OH
O
O
O
OH
HOH2C
O
O
*
OH
OH
HOH2C
Abb. 4 : Cellulosekette
Cellulose ist ein Makromolekül, das aus dem Monomer Glucose aufgebaut ist. Die
Glucoseeinheiten sind β-14 glykosidisch verknüpft. Somit ergibt sich eine geradlinige
Struktur, die über parallele Ausrichtungen über Wasserstoffbrückenbindungen miteinander
geknüpft werden können.
Als Grundbaustein der Cellulose wird das Disaccharid Cellobiose angesehen. Mehrere
tausend Glucosemoleküle bilden eine Cellulosekette, die sich nach folgender Abbildung 5 zu
Mikrofibrillen zusammenlagern. Einige der Mikrofibrillen ergeben wiederum die so genannte
Makrofibrille die sich wiederum zu der eigentlichen Faser zusammenlagern.
Faser
Makrofibrille
Mikrofibrille
Cellulosemoleküle
Abb.5: Faseraufbau
In der folgenden Abbildung 6 soll dargestellt werden, welche Produkte aus der Cellulose
gewonnen und hergestellt werden können. Über verschiedenste Verarbeitungsformen kann
man Papier, Regeneratcellulose, Cellulosederivate, und über den hydrolytischen, Schritt
17
Glucose
gewinnen.
Gewinnungsprodukte.
Glucose
dient
darüber
Im Vordergrund soll
hinaus
natürlich
für
viele
jedoch nur die Hydrolyse
weitere
und die
Glucosegewinnung stehen.
Abb.6: Möglichkeiten der Cellulosenutzung
Im folgenden Versuch wird verdeutlicht, dass aus Cellulose reduzierender Zucker gewonnen
werden kann:
18
Versuch 3:
( Verzuckerung von Cellulose)
Chemikalien:
H2SO4(konz.)
Aqua(dest.)
NaOH
Nachweisreagens (Benedict-Lösung)
100%ige Baumwollwatte
Geräte:
Bechergläser
Demoreagensglas
Magnetrührer und Heizplatte
Glasstab
Wasserbad
Durchführung:
Zuerst gibt man 0,5 g Baumwollwatte in ein Bechergas und übergießt sie vorsichtig mit ein
wenig konzentrierter Schwefelsäure. Mit Hilfe des Magnetrührers oder einer Glasstabes
vermengt man die Watte mit der Schwefelsäure, bis eine dunkle, zähe Masse entsteht.
Nun gibt man 30 mL destilliertes Wasser hinzu (!Vorsicht: Niemals Wasser auf die Säure
sonst passiert das ungeheure !) und kocht ca. 15. min. lang. Nach dem Kochvorgang füllt man
die verdunstete Menge an Wasser wieder mit kaltem, destilliertem Wasser auf und wartet bis
die Lösung abgekühlt ist.
Nach der Abkühlphase versetzt man nun die Lösung mit NaOH(aq), bis ein alkalischer pHWert erreicht wurde.
Um die Verzuckerung nachweisen zu können, geben wir einige Tropfen des
Nachweisreagenz hinzu, die reduzierende Zucker, wie in unserem Fall Glucose als
19
Grundbaustein der Cellulose, nachweisen kann. Nach kurzer Zeit setzt in dem
Demoreagenzglases in dem Wasserbad eine Reaktion ein.
Beobachtung:
Unter Zutropfen von konzentrierter Schwefelsäure entsteht eine zähe Flüssigkeit mit
dunkelbrauner Farbe. Während des Aufkochens mit Wasser entfärbt sich die Lösung. Bei
Zugabe von NaOH erreicht man eine klare Flüssigkeit.
Die Benedict-Lösung reagiert mit der angesetzten Lösung in der Wärme zu einem gelborangen Niederschlag.
Auswertung:
Hierbei handelt es sich um eine säurekatalytische Esterspaltung, wobei, wie der Name schon
sagt, Protonen nur als Katalysator wirken.
HOH2C
OH
OH
O
O
O
R
O
O
Cellobiose greift mit
R
OH
mit
OH
einem
freien
Elektronenpaar des
HOH2C
Sauerstoffs
+H+
ein
Proton an.
OH H
OH
O
HOH2C
O
O
R
O
Durch Protonierung
O
erfolgt eine
R
Esterspaltung.
OH
OH
HOH2C
OH
OH
O
HO
O
R
HOH2C
HOH2C
Oxonium Halbsessel
Entstehung
O
O
R
OH
eines
Oxounium-Ions.
OH
20
Durch Elelktronenverschiebung erfolgt die Bildung
+H2O
eines Carbenium-Ions, wodurch es einem freien
Elektronenpaars des Sauersoffs ermöglicht wird,
anzugreifen
OH
HOH2C
OH
O
O
O
R
H
HO
O
O
R
OH
OH
HOH2C
H
OH
OH
O
O
H
HO
O
R
HOH2C
H
HOH2C
O
O
R
OH
OH
-H+
OH
OH
O
OH
HO
O
R
HOH2C
HOH2C
O
O
R
OH
OH
H OH
H
O
HO
OH
HO
H
H
OH
H
Betrachtet man die hydrolytische Spaltung einer Brücke exemplarisch für alle, so kann man
erkennen, dass Cellulose bis hin zu dem Monomer Glucose gespalten werden kann
21
Die säurekatalytische Esterspaltung ermöglicht es, bis zu 100% Glucose aus Cellulose zu
gewinnen.
22
3.0 Der Apfel:
Es gibt weltweit mehrere hundert Apfelsorten, die wirtschaftlich von Bedeutung sind. Arten
an sich gibt es natürlich tausende, jedoch mit Wildformen, die zum Teil nicht gebräuchlich,
und zum Teil nicht für den Verzehr geeignet sind.
Ein Apfel enthält ca. 50 Kalorien und besitzt mit 85 % einen sehr hohen Wassergehalt, so
dass man den Apfel schon als Wasserfrucht bezeichnen könnte. Neben der durstlöschenden
Eigenschaft besitzt der Apfel mit seinem Traubenzucker eine energieliefernde Substanz. Er
enthält mehr als 20 Mineralstoffe und Spurenelemente und viele Balaststoffe (Bsp.: Pektin:
2,3 g).
Das englische Sprichwort
„ One apple a day
keeps the doctor away.”
ist also eine berechtigte Aussage, laut der oben genannten Eigenschaften.
Darüber hinaus wird dem Apfel nämlich nachgesagt, dass er in der Lage sei, freie
Sauerstoffradikale im Körper zu fangen, was natürlich durch die Carotinoide gewährleistet
sein könnte. Des Weiteren soll er in der Lage sein, das Immunsystem zu stärken sowie
blutdruck- und cholesterinspiegelsenkend zu wirken.
Alle Wirkungen sind auf die gesunden Bestandteile zurückzuführen, denn jeder Apfel enthält
viele Vitamine (A,B,C,E) direkt unter der Schale. Aus diesem Grund soll man den Apfel
lieber ordentlich waschen, anstatt man ihn schält. Seine Kohlenhydrate sind leicht verdaulich
(Sorbit) und der hohe Rohfasergehalt wirkt sättigend.
Aus biologischer Sicht Gehört der Apfel zu der Ordnung der Rosales, und wird zu der
Familie der Rosaceae geordnet. Dadurch lässt sich die Wuchsform des Apfels erklären:
Typisch für die Rosengewächse ist nämlich das fünfblättrige Keimblatt (Fruchtblätter),
wodurch die fünf Häuschen zustande kommen. Der apocarpe Fruchtknoten ist für die jeweils
zwei Kerne pro Häuschen verantwortlich.
23
Abb.7: Biologische Entstehung: Blüte; Frucht
Interessant zu wissen ist, dass das Fruchtfleisch, was wir als eigentliche Frucht essen, eine
(im biologischen Sinne) Scheinfrucht darstellt, denn das Fruchtfleisch geht aus der verdickten
Blütenachse hervor.
1
2
3
Abb.8: 1 Scheinfrucht, 2 Fruchtblatt, 3 Samen
3.1 Inhaltsstoffe:
Die sekundären Inhaltsstoffe von Pflanzen sind diejenigen Stoffe, die ein Organismus nicht
zum Überleben braucht, wie beispielsweise Farb- und Duftstoffe.
Zu den primären Stoffen zählen alle Stoffe, die als energieliefernde Nährstoffe bezeichnet
werden können, wie zum Beispiel Fette, Kohlenhydrate und Eiweiße.
Es gibt 40 verschiedene Stoffe, wobei 15 eindeutig identifiziert werden können. Sie dienen
als Schutz vor Mikroorganismen, Insektenfraß und Umweltstress, wie zum Beispiel vor UVStrahlung und Ozon.
Die Farb- und Duftstoffe befinden sich im Schalenbereich. Die Farbe der Schalen kommt
durch verschiedenste Pigmentgruppen zustande:
-
Chlorophylle (grün)
-
Carotinoide (gelb/rot)
-
Anthocyane (rot/blau)
24
Die Anthocyane möchte ich genauer betrachten, weil sie eine Eigenschaft besitzen, die sich in
einem Versuch schön und vor allem leicht demonstrieren lassen.
Anthos stammt aus dem Griechischen und bedeutet Blüte. Kyanos, ebenfalls aus dem
Griechischen stammend, bedeutet blau. Also ist der Begriff Anthocyane eine Wortschöpfung
zweier griechischer Begriffe, die genau das Widerspiegeln, was er im Biologischen
ausdrücken soll: Ein Blütenfarbstoff, mit blau (roter) Farbe.
Diese Farbstoffe liegen im Zellsaft gelöst vor. Sie sind somit hydrophil, ganz im Gegensatz
zu den anderen Pigmentgruppen (die lipophile Eigenschaft der anderen zeigt sich bei
übermäßigem Verzehr von Möhren, da sich Haut gelblich-orange verfärbt, da sich diese
Pigmente im Fettgewebe einlagern). Die chromophoren Gruppen besitzen unterschiedliche
Strukturen und ergeben somit unterschiedliche Farben. Die Farben sind pH-Abhängig. Diese
Eigenschaft lässt sich im folgenden Versuch leicht verdeutlichen:
Versuch 4:
( Farbstoffe)
Chemikalien:
Essig
Zitronensaft
Destilliertes Wasser
Backpulver
Kernseife
Rohrreiniger
Anthocyanfarbstoff
Geräte:
Demoreagenzgläser + Reagenzglashalter
Tropfflasche
Messer
Bunsenbrenner + Schlauch
Dreifuß + Drahtnetz
Becherglas
25
Durchführung:
Zuerst stellt man sich den Anthocyanfarbstoff her, in dem man einen tiefroten Apfel schält
und die Schale in kochendes, destilliertes Wasser gibt.
Nach einiger Zeit entfärbt sich die Schale und man erhält eine tiefrote Lösung.
In unterschiedlichen Demoreagenzgläsern setzt man sich nun verschieden pH-Lösungen an
mit Hilfe der oben aufgeführten Utensilien wie Zitronensaft, Essig, Kernseife usw.
Diese stellt man in den Reagenzglashalter und füllt sie alle gleich hoch mit destilliertem
Wasser auf. Zum Schluss versetzt man nun die einzelnen Lösungen mit dem hergestellten
Anthocyanfarbstoff-Lösungen und beobachtet, was passiert.
pH 1,5
pH 2,0
pH 7,0
pH 9,0
pH 13
Abb. 9: Farbskala der Apfel-Anthocyane
Zu beachten ist hierbei, dass leider nicht solche spektakulären Farben wie bei dem
Rotkohlsaft entstehen und man somit die Skalen an die jeweiligen Indikatoren anpassen muss.
Trotzdem finde ich den Versuch passend, um Schülern die Thematik näher zu bringen, vor
allem wenn man einen Lernzirkel zum Thema Apfel aufstellen sollte.
Beobachtung:
Die einzelnen Lösungen reagieren je nach pH-Wert unterschiedlichen Farbumschlägen, die in
Abbildung 9 dargestellt sind:
26
Auswertung:
HO
O
Cyanidin
ungeladen in
neutraler Lösung
HO
O
HO
OH
Flavylium Kation
(rot)
pH 2
HO
OH
O
OH
OH
OH
Das oben gezeigte Cyanidin ist das ungeladene Molekül in neutraler Lösung. Führt man nun
diese Verbindung in saures Milieu ein, so erhalten wir durch Protonierung das FlavyliumKation, das mit einer roten Farbe bei pH 2 vorliegt.
OH
Anhydrobase
(violett)
pH 7
OH
O
OH
O
O
HO
O
OH
OH
OH
OH
Durch weitere Deprotonierung im alkalischen Bereich erhalten wir das Anion mit
blau/brauner Farbe bei pH 9.
27
+H+ -H+
OH
O
O
OH
Anion
bau/braun
pH 9
O
O
O
O
OH
OH
OH
OH
Durch Anlagerung von OH- Ionen entsteht die farblose Pseudobase, die über Umlagerung zur
Ringöffnung führen und somit das irreversible Chalkon ergeben, das bei pH 13 mit gelber
Farbe vorliegt.
-OH+OHOH
OH
O
O
O O
O
OH
O
H
Umlagerung
O
OH
OH
OH
Pseudobase
(farblos)
OH
Chalkon
(gelb)
pH 13
28
Wie der englische Maler William Holman Hunt (1827-1910) einst sagte:
„Farben sind ein Lächeln der Natur“
Kommen wir jetzt von den angenehmen Farben des Apfels zu der eher unangenehmen, aber
unbedenklichen Farbe die sich ergibt, wenn man einen angebissenen Apfel eine Weile liegen
lässt.
Die braune Farbe des Fruchtfleisches kommt durch die Polyphenolvorkommen im
Fruchtfleisch des Apfels. Diese wirken mit den Enymen (Phenoloxidasen), die in den
Chloroplasten vorliegen, und verfärben sich. Da die Enzyme nur in den Chloroplasten
vorliegen, kann die Färbung erst eintreten, wenn diese durch äußerliches mechanisches
Einwirken wie Beißen oder Schneiden zerstört werden.
Beispiele für diese Polyphenolvorkommen, die mit 0,1 – 1,0 % Prozent im Apfel vorliegen,
sind Dopa und Quercetin:
OH
OH
O
OH
OH
OH
HO
O
COOH
OH
NH2
Abb. 10: Dopa und Quercetin
Ascorbinsäure ist jedoch in der Lage, die Polyphenolvorkommen vor der Oxidation zu
schützen:
CH2OH
H
OH
O
O
H
HO
OH
Abb. 11: L-Ascorbinsäure (E 360) Vitamin C
29
Demo 2:
(enzymatische Bräunung)
Chemikalien:
Ascorbinsäure-Pulver (aus der Apotheke)
Äpfel
Destilliertes Wasser
Geräte:
Küchenreibe
Kristallisierschalen
Durchführung:
Man reibt einen geschälten Apfel mit Hilfe der Küchenreibe und verteilt ihn in zwei
Kristallisierschalen. Die eine Kristallisierschale enthält den unbehandelten Apfel und in die
andere Schale gibt man Ascorbinsäure gelöst in Wasser.
Am Besten ist es, wenn man den Ansatz einen Tag zuvor vorbereitet.
Beobachtung:
Wie in dem obigen Bild sichtbar, wird der geriebene Apfel ohne Ascorbinsäure braun. Der
geriebene Apfel mit Ascorbinsäure hat seine frische Farbe behalten.
Hierzu kann man den Alltagsbezug erstellen, wieso man Zitronensaft auf den Obstsalat gibt
usw.
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Auswertung:
+0,5 O2
OH
R
OH
R
Phenolhydroxilase
monophenolische
Verbindung
farblos
farblos
+
rb
o
c
As
ure
ä
s
in
a
dra
y
h
De
O
R
gefärbt
o-chinoide
Verbindungen
ure
ä
s
b in
r
o
sc
OH
o-phenolische
Verbindung
+0,5 O2 / -H2O
Phenoloxidase
O
Polymerisation
Wenn wir den Fall des Dopas betrachten, würde es sich bei der monophenolischen
Verbindung um die Aminosäure L-Tyrosin handeln, die durch das Enzym Phenolhydroxilase
mit Sauerstoff zu der ortho-phenolischen Verbindung, dem sogenannten Dopa reagieren
würde. Durch das Enzym Phenoloxidase und unter Entzug von Wasser würde die orthophenolische Verbindung weiterhin zu der ortho-chinoiden Verbindung reagieren; Dem
sogenannten Dopachinon, das farbig vorliegt. Über weitere Polymerisationsschritte würde
man schließlich das Melanin erhalten, was auch im menschlichen Körper für Haar- und
Hautfärbung verantwortlich ist.
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Im Folgenden wird schematisch gezeigt, wie die Ascorbinsäure wirkt, um die bräunliche
Farbe der angeschnitten Äpfel zu verhindern:
CH2OH
CH2OH
H
OH
O
H
O
OH
O
OH
O
O
R
O
+
H
OH + H
R
HO
OH
O
O
Die L-Ascorbinsäure ist in der Lage, die orto-chinoide Verbindung wieder in die orthophenolische Verbindung zu überführen. Die Ascorbinsäure wirkt also oxidierend und wird
dabei selber reduziert.
CH2OH
CH2OH
H
OH
O
+
-2H
O
H
HO
-2e-
H
OH
O
O
+2H+ +2eH
OH
O
O
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Zucker ist ebenfalls ein wichtiger Bestandteil, der dem Körper die nötige Energie liefert. Um
diesen nachweisen zu können, führen wir wie in Versuch 2 den Nachweis von reduzierenden
Zuckern mit der Benedict-Lösung durch:
Versuch 5:
( Fructose-Nachweis)
Chemikalien:
Apfelmaische
Nachweisreagens (Benedict-Lösung)
NaOH(aq)
Geräte:
Wasserbad
Demoreagenzglas
Küchenreibe
Bunsenbrenner + Schlauch
Stativklammer
Durchführung:
Man reibt einen Apfel mit Hilfe einer Küchenreibe und füllt etwas Apfelmaische in ein
Demoreagenzglas. Unter Zugabe von etwas Wasser kocht man die Mischung kur über der
Bunsenbrennerflamme auf und lässt es kurz abkühlen.
Nun gibt man 1-2 Tropfen NaOH hinzu und tropft langsam die Benedict-Lösung hinein. Nach
wenigen Minuten im Wasserbad erfolgt die Reaktion.
Beobachtung:
Nach wenigen Minuten setzt die Reaktion in der Wärme ein und die blaue Benedict-Lösung
reagiert mit dem reduzierenden Zucker im Apfel. Es ist ein orange-roter Niederschlag zu
beobachten.
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Auswertung:
Obwohl Fructose eine Ketohexose ist, und somit keine reduzierende Aldehydgruppe besitzt,
ist sie in der Lage, mit der Benedict-Lösung zu reagieren.
Diese Eigenschaft lässt sich über die tautomere Umlagerung (Abb.12) erklären, die von der
Fructose über die Endiolform bis hin zu der Aldehydform, in dem Fall bis in zu der Glucose
umgelagert wird.
H
OH
CH2OH
C
HO
H
H
C
C
C
C
O
H
OH
OH
H
C
C
OH
HO
C
H
H
C
H
C
CH2OH
D(-)-Fructose
O
HC
OH
HO
C
H
OH
H
C
OH
OH
H
C
OH
CH2OH
Endiolform
Abb. 12: Tautomere Umlagerung der Fructose
CH2OH
Aldehydform
Glucose
Hierbei ist anzumerken, dass nicht nur die Aldehydform, sondern auch schon die Endiolform
mit der Bendedict-Lösung reagieren kann.
Die Benedict- Lösung ist der Fehlingschen Lösung sehr ähnlich, der Unterschied liegt in der
Zusammensetzung, da Fehling mit NaOH und Benedict-Lösung mit NaCO3 angesetzt wird.
Dies ermöglicht einen leichteren Umgang, da auf das stark ätzende NaOH verzichtet wird,
wodurch die Lösung für Schülerversuche interessant wird.
Weitere Vorteile gegenüber der Fehlingschen Lösung liegen in der Aufbewahrung, denn die
Benedict Lösung kann man bereits gemischt aufbewahren, wohingegen die Fehlingsche
Lösungen I + II immer getrennt aufbewahrt werden müssen.
Als wichtige Anmerkung ist allerdings zu nennen, dass man bei der Reaktion auf ein leicht
alkalisches Milieu achten muss, da sonst die Oxidationskraft der Cu2+ Ionen nicht allein
ausreicht.
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+1 C
O
H
H2O
O
H
C
OH
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
O
O
Cu +2
OH HO
H2O
H2O
HO
OH
+
Cu
O
CH2OH
O
O
+2
O
+ 5 OHO
H2O
O
+3 C O
H
C
OH
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
+1
+
Cu2O(aq) + 2 C4H4O62-(aq)
+ 7 H2O
CH2OH
Die Benedict Lösung enthält ebenso wie die Fehlingsche Lösung den tiefblauen TartratKomplex. Dieser ist nützlich, da die Cu2+Ionen somit nicht mit den OH- Ionen als Cu(OH)2
ausfallen können.
Kupfer wird von Cu2+ zu Cu+ reduziert, wobei es als rostbraunes Kupfer(I)oxid ausfällt. Das
Kohlenstoffatom der Aldehydgruppe wird von +1 zu +3 oxidiert.
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Zu guter Letzt möchte ich zeigen, wofür der Zucker in einer Frucht dient, und das auf Ihn
nicht verzichtet werden kann.
Die letzte Demonstration meines Vortrages zeigt, das die Energie durch chemische
Reaktionen gewonnen wird und dafür der Zucker als Edukt dient:
Demo 3:
( Auch Äpfel atmen)
Chemikalien:
Äpfel
Ca(OH)2(aq)
Geräte:
Reaktionskolben
Schliffstopfen (2x NS 14, 2xNS 29)
Absaugstück mit Hahn (NS 29)
Kolbenprober + Halter
Erlenmeyerkolben
Stativmaterial
Hebebühne
Korkring
Durchführung:
Man legt 2-3 mittelgroße Äpfel in den Reaktionskolben, der über einen PVC-Schlauch mit
einem Kolbenprober verbunden ist. Nun kontrolliert man ob die Apparatur luftdicht
verschlossen ist und lässt sie an einem ruhigen Platz stehen.
Von Zeit zu Zeit sollte man kontrollieren, ob sich der Kolbenprober mit Gas füllt. Ist dies der
Fall, kann man ohne Probleme den Kolbenprober im geschlossenen System des öfteren
aufziehen und ausdrücken.
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Nach ein bis zwei Tagen sollte sich soviel CO2 gebildet habe, das man es mit Hilfe einer
Ca(OH)2 -Lösung nachweisen kann. Wichtig ist bei der Ca(OH)2 Lösung, dass sie immer
frisch abfiltriert sein muss.
Auswertung:
Die Energiegewinnung eines Apfels erfolgt durch eine chemische Reaktion bei der
Photosynthese:
C6H12O6 (s) + 6 O2 (g)  6 CO2 (g) + 6 H2O + Energie
Das entstandene CO2 weist man mit Hilfe der Ca(OH)2 -Lösung nach:
Ca(OH)2 (aq) + CO2 (g)  CaCO3 (s) + H2O
CaCO3 wird als weißer Niederschlag sichtbar.
Mit dem Beweis, das auch Äpfel atmen, möchte ich meinen Vortrag schließen und hoffe, dass
ich mit meinem Experimentalvortrag einen kleinen Exkurs in das Leben eines jeden Apels
geben konnte.
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4. 0 Schulrelevanz:
Chemie:
10.4
Brennstoffe: Erdöl und Erdgas
(Std.: 12)
11.2
Einführung in die Kohlenstoffchemie
(Std.: 26)
GK 12.1
Kohlenstoffchemie:
Kohlenstoffverbindungen und funktionelle Gruppen
(Std.: 36)
3. Carbonylverbindungen
5. Aromatische Kohlenwasserstoffe
Fakultativ:Farbstoffe
Biologie:
5.4 Der Lebenszyklus einer Blütenpflanze
7.2 Fotosynthese und Zellatmung
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5.0 Quellenangaben und Bildnachweis:
J. Reiss, Alltagschemie im Unterricht, Aulis Verlag Deubner & Co KG, Köln
www.uni-koeln.de/ew-fak/chemie/material/praktikumsvorschriften
www.dc2.uni-bielefeld.de/dc2/haus/v009.html
www.dc2.uni-bielefeld.de/dc2auto/a-v-039.htm
Agnes Pockels Labor, TU Braunschweig, Projekt Ernährung: Kohlenhydrate u. Vitamine
Seminar: enzymatische Lebensmittelanalytik, Uni Marburg
www.wikipedia.de
G. Hauschild, Aktualitätendienst Chemie, Cornelson Verlag 2000
S. Strobelberger, Heimisches Obst.frisch aus ihrem Garten, EU Umweltprogramm LIFE
Aus EU.L.En-Spiegel 6/2000, flüssiges Obst
Charles E. Mortimer: Chemie, Thieme Verlag, 7. Auflage
Wilhelm Nultsch: Allgemeine Botanik, Thieme, 11. Auflage
Throm: Botanik
Braune,Leman,Taubert: Pflanzenanatomisches Praktikim I+II, Spektrum
Fladt-Kamper: CHEMIE, Schulbuch CHEMIE, Klett-Stuttgart
G.Schwedt:“Experimente mit Supermarktprodukten“
http://www.zum.de/downloads/zipf/apfelbuch.html
R.Blume, Chemie für Gymnasien, Organische Chemie Themenheft 2 und 3, Cornelson
Verlag, Berlin 1994
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