16.03.2005
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Protokoll Basismodul Chemie I, Praktikum: Carbonylverbindungen, elektrophile Reaktionen von Aromaten, Aminosäuren, Chemie der Kohlenhydrate Veranstalter: Dr. Ulrich Neuert Jörg Mönnich () Betreuer: Carolin, Christian Versuchstage: Mittwoch, 16.03.2005 Donnerstag, 17.03.2005 Inhalt Carbonylverbindungen: Einleitung Ergebnisse, Messwerte I. Herstellung von Indigo II. Oxidative Decarboxylierung von Äpfelsäure III. Darstellung von 3,5-Dinitro-Benzoesäurederivaten Auswertung, Diskussion I. Herstellung von Indigo II. Oxidative Decarboxylierung von Äpfelsäure III. Darstellung von 3,5-Dinitro-Benzoesäurederivaten 1 1 2 2 2 2 2 2 5 7 Elektrophile Reaktionen von Aromaten Einleitung Ergebnisse, Messwerte I. Elektrophile Addition von Brom an Cyclohexen II. Vergleichsreaktion mit Toluol III. Vergleichsreaktion mit Anisol IV. Aromatenprobe (Friedel-Crafts-Alkylierung) Auswertung, Diskussion I. Elektrophile Addition von Brom an Cyclohexen II. Vergleichsreaktion mit Toluol III. Vergleichsreaktion mit Anisol IV. Aromatenprobe (Friedel-Crafts-Alkylierung) 9 9 9 9 10 10 10 10 10 11 12 12 Aminosäuren Einleitung Ergebnisse, Messwerte I. Dünnschichtchromatographische Trennung von α-Aminosäuren II. pH-Werte von Aminosäuren III. Maillard-Reaktion Auswertung, Diskussion I. Dünnschichtchromatographische Trennung von α-Aminosäuren II. pH-Werte von Aminosäuren III. Maillard-Reaktion 15 15 16 16 16 16 16 16 18 19 Chemie der Kohlenhydrate Einleitung Ergebnisse, Messwerte I. Nachweis reduzierender Zucker nach Fehling II. Reduktion von Triphenyltetrazoliumchlorid III. Nachweis von Fructose nach Seliwanoff IV. Identifizierung eines Disaccharids V. Hydrolyse von Cellulose Auswertung, Diskussion I. Nachweis reduzierender Zucker nach Fehling II. Reduktion von Triphenyltetrazoliumchlorid III. Nachweis von Fructose nach Seliwanoff IV. Identifizierung eines Disaccharids V. Hydrolyse von Cellulose 20 20 21 21 21 21 21 22 22 22 23 23 24 25 Nachtrag zu vorigen Protokollen 26 Carbonylverbindungen Carbonylverbindungen Einleitung Nachdem am 6. Praktikumstag (10.03.05) schon auf funktionelle Gruppen eingegangen worden ist, beschäftigt sich dieser Text mit einer weiteren, sehr wichtigen funktionellen Gruppe: Der Carbonylgruppe. Diese entsteht durch eine Doppelbindung eines Kohlenstoff-Atoms mit einem Sauerstoff-Atom (C=O). Die Doppelbindung der Carbonylgruppe ist sehr reaktiv, da sie wegen der hohen Elektronegativität des Sauerstoff-Atoms eine ausgeprägte Dipolarität hat. Durch die positive Ladung am C-Atom können nucleophile Gruppen hier leichter angreifen, wie auch elektrophile Gruppen am O-Atom leichter angreifen können. Es gibt zwei Arten der Carbonylgruppe: Eine Verbindung der Gruppe mit mindestens einem Wasserstoff-Atom wird Aldehyd (Alcoholus Dehydrogenatus) genannt. Sie entstehen bei der Oxidation von primären Alkoholen. Sind an die Carbonylgruppe zwei Alkyl- oder Aryl-Gruppen gebunden, wird dies als Keton bezeichnet. Ketone entstehen bei der Oxidation sekundärer Alkohole. Reaktionen der Carbonylverbindungen sind vor allem Additionsreaktionen, da sie eine so genannte Abgangsgruppe besitzen, die durch Substitution ausgetauscht werden kann. Unter Zuhilfenahme eines Katalysators lassen sich auch Wasserstoffatome addieren, wobei wieder primäre bzw. sekundäre Alkohole entstehen. Geht ein Aldehyd oder Keton eine Additionsreaktion mit sich selbst ein, spricht man von einer Aldoladdition. Eine weitere wichtige funktionelle Gruppe ist die Carboxyl-Gruppe, welche bei Carbonsäuren zu finden ist. Es ist eine Carbonylgruppe, die an eine OH-Gruppe gebunden ist. Wird aus der Carboxyl-Gruppe Kohlenstoffdioxid abgespalten, nennt man dieses Decarboxylierung. Material, Methoden s. Praktikumsskript -1- Carbonylverbindungen Ergebnisse, Messwerte I. Herstellung von Indigo Die entstehende Indigo-Lösung weist eine blau-violette Färbung auf. Nach dem Abnutschen bleibt ein Feststoff zurück. Löst man diesen Feststoff in NaOH und gibt nach dem Erhitzen Natriumdithionit-Lösung hinzu, entsteht eine klare, gelbliche Lösung. Wird Stoff in diese Lösung getunkt, färbt sich dieser bei Trocknung blau. II. Oxidative Decarboxylierung von Äpfelsäure Nach Mischung von Äpfelsäure und Eisen(II)ammoniumsulfat und Lösung in Wasser entsteht eine zunächst farblose, klare Lösung. Gibt man H2O2 hinzu, tritt unter B B B B Rotfärbung eine Gasentwicklung auf. Erhitzt man die Lösung, entfärbt sie sich unvollständig nach orange und wird leicht trüb. Versetzt man diese mit 2,4Dinitrophenylhydraziniumchlorid-Lösung, ist ein orangener Niederschlag zu sehen. Die Vergleichslösung zeigt dagegen keine Reaktion. III. Darstellung von 3,5-Dinitro-Benzoesäurederivaten Der Schmelzpunkt des entstandenen Feststoffes wurde auf 119°C bestimmt. Auswertung, Diskussion I. Zunächst einmal handelt es um eine Aldolkondensation, bei welcher sich das 2Nitrobenzaldehyd und das Aceton unter Abspaltung von Wasser verbinden: + 2-Nitrobenzaldehyd -2- Aceton Carbonylverbindungen Unter Abspaltung von CH3COOH entsteht nach Addition der Zwischenprodukte Indigo, welches wasserunlöslich ist: -3- Carbonylverbindungen + Indigo Damit der Stoff gefärbt werden kann, muss das Indigo in eine wasserlösliche Form gebracht werden. Dies geschieht durch Reduktion mittels Natriumdithionit. Die Doppelbindung zwischen den C-Atomen wird gelöst und es entsteht das wasserlösliche Indigoweiß (oder Leukoindigo) welches eine gelbe Farbe aufweist. Beim Trocknen wird dieses Leukoindigo durch den Luftsauerstoff wieder zu Indigo oxidiert und nimmt die blaue Farbe an. Indigo -4- Carbonylverbindungen Indigoweiß Da das Indigo, wie schon geschrieben, wasserunlöslich ist, lassen sich nach dem Färben des Stoffes die Reste mit Wasser auswaschen, ohne dass die Färbung verloren geht. II. Die Äpfelsäure wird zunächst mit Wasserstoffperoxid in Gegenwart von Fe2+-Ionen P P zu Oxalessigsäure oxidiert. Dies geschieht an der sekundären Alkoholgruppe unter Abspaltung von 2 H+. Somit entsteht eine Dicarbonsäure, die gleichzeitig eine α- und P P β-Ketocarbonsäure ist. Äpfelsäure Oxalessigsäure Der Übergangszustand der Oxalessigsäure ist 6-gliedrig, daher kann eine Decarboxylierung leicht stattfinden. Die dafür benötigte Aktivierungsenergie ist relativ gering. Die Folge ist, dass sich CO2 abspaltet und zunächst die Enol-Form entsteht, B B welche sich jedoch in die Keto-Form umwandelt. Brenztraubensäure (Pyruvat) entsteht. -5- Carbonylverbindungen Übergangszustand Enol-Form Keto-Form Die Zugabe von 2,4-Dinitrophenylhydraziniumchlorid bewirkt eine elektrophile Additionsreaktion, bei welcher das einsame Elektronenpaar am N-Atom das Carbonylkohlenstoff-Atom angreift. In einem weiteren Schritt wird vom entstehenden Additionsprodukt Wasser abgespalten, weshalb man von einer Kondensationsreaktion spricht. Ein Hydrazon ist das Endprodukt und fällt aus. Zur Vereinfachung der Darstellung wird im folgenden Reaktionsschema eine allgemeine Carbonyl-Verbindung genommen: + -6- Carbonylverbindungen Hydrazon Mit dieser Reaktion wird die Carbonylfunktion nachgewiesen. III. Der ermittelte Schmelzpunkt von 119°C entspricht ungefähr dem des Propanol-2, dessen Schmelzpunkt bei 122°C liegt. Die Abweichung könnte durch leichte Verunreinigungen zustande gekommen sein. Carbonsäurenchloride (hier: 3,5-Dinitrobenzoylchlorid) sind durch ihr stark positiv polarisiertes C-Atom stark elektrophil, reagieren also dementsprechend leicht mit nucleophilen Substanzen. Unter Zugabe von Alkoholen reagieren sie unter Abspaltung von Chlorid-Ionen und Protonen zu Reaktionsmechanismus: + -7- Carbonsäureestern. Der Carbonylverbindungen -8- Elektrophile Reaktionen von Aromaten Elektrophile Reaktionen von Aromaten Einleitung Aromaten (aromatische Verbindungen) sind zyklische organische Verbindungen mit mindestens einem Ring, der in vielen Fällen ein Benzolring ist und ein vollständig über den Ring konjugiertes Doppelbindungs-System besitzt. Es sind dem Benzol verwandte Verbindungen mit oft angenehmem, aromatischem Geruch. Von diesem typischen "Duft" kommt die Bezeichnung Aromat. Obwohl Aromaten formal ungesättigte Verbindungen sind, neigen sie kaum zu Additionsreaktionen, da das aromatische System sehr stabil ist. Benzol zum Beispiel reagiert ohne Katalysator nicht mit Halogenen oder Oxidationsmitteln. Daher sind die meisten Reaktionen Substitutionsreaktionen oder genauer: Elektrophile Substitutionsreaktionen (SE). Mechanistisch ähneln SE der elektrophilen Addition an Alkene. Es handelt sich um einen Zwei-Stufen-Prozess; der erste Schritt ist mit dem einer elektrophilen Addition identisch, ein Elektrophil "greift" sich ein Elektronenpaar aus einer C=CDoppelbindung und es entsteht ein positiv geladenes Carbokation (oder auch Carbenium-Ion). Bei der elektrophilen Addition würde sich nun als zweiter Schritt ein Anion anlagern, bei der Substitution wird ein anderer Weg zur Stabilisierung beschritten: Bei den Aromaten kann durch Deprotonierung der stabile Elektronenzustand des aromatischen Rings wiederhergestellt werden. Material, Methoden s. Praktikumsskript Ergebnisse, Messwerte I. Elektrophile Addition von Brom an Cyclohexen Gibt man Brom zu Cyclohexen, bemerkt man zunächst, dass das Brom entfärbt wird. Mit steigenden Mengen ist eine bleibende Gelbfärbung zu sehen. -9- Elektrophile Reaktionen von Aromaten II. Vergleichsreaktion mit Toluol Die Zugabe von Brom zu Toluol bewirkt zunächst eine gelbliche Färbung. Gibt man AlCl3 hinzu, setzt eine Entfärbung ein, welche durch das Versetzen mit weiterer Brom-Lösung gestoppt bzw. rückgängig gemacht werden kann. III. Vergleichsreaktion mit Anisol Versetzt man Anisol mit Brom, bemerkt man, dass sich die Lösung zunächst leicht entfärbt. Gibt man weiter Brom hinzu, wird die Lösung wieder gelb. IV. Aromatenprobe (Friedel-Crafts-Alkylierung) Lässt man etwas Toluol in das gelbe Sublimat laufen, ist eine Rotfärbung zu beobachten. Auswertung, Diskussion I. Beim Cyclohexen handelt es sich um ein Alken. In einem Brom-Molekül, das sich der C=C-Doppelbindung des Alkens nähert, findet eine Polarisierung statt. Es kommt zur Ausbildung einer Wechselwirkung zwischen dem Elektronenpaar aus der Doppelbindung und dem positivierten Brom-Atom im Brom-Molekül. Das Brom-Atom überbrückt die ursprüngliche Doppelbindung und bildet mit den beiden C-Atomen einen dreigliedrigen Ring. Das abgespaltene Brom-Anion greift eines der beiden CAtome des Bromonium-Ions von der Rückseite aus an, die beide eine positive Partialladung tragen und bildet damit eine Elektronenpaarbindung aus. Gleichzeitig wird damit der zyklische Zustand aufgehoben und das darin schon vorhandene Brom-Atom wird an das andere C-Atom kovalent gebunden. Dies ist die Erklärung für die anfängliche Entfärbung der Lösung. Gibt man nun weiter Brom hinzu, entsteht ein Überschuss an Brom. Die Lösung färbt sich wieder gelb. Die folgende Grafik mit dem Reaktionsmechanismus wurde der Seite www.schule-studium.de entnommen, da mir die Gestaltung mit ChemSketch unmöglich erschien. Die Nummerierungen beziehen sich auf einen anderen Text und sind daher zu vernachlässigen. - 10 - Elektrophile Reaktionen von Aromaten Abb. 1: Die Addition von Brom an Cyclohexen1 TP PT II. Die gelbliche Färbung nach Zugabe von Brom entsteht durch eben dieses. Wie schon in der Einleitung erwähnt, gehen Aromaten (speziell das Benzol) keine oder nur sehr schwer Reaktionen mit Halogenen ein, daher die anfängliche Färbung. Erst nach Zugabe von AlCl3 setzt eine Entfärbung ein. Zu erklären ist dies durch die B B Tatsache, dass es sich beim Aluminiumchlorid um eine sog. Lewis-Säure handelt, die als Katalysator dient. Dieser bewirkt die heterolytische Spaltung des BromMoleküls und somit die Bildung des elektrophils Br+. Da ein Katalysator beteiligt ist, P P kommt die KKK-Regel zum Tragen und man kann die Aussage treffen, dass es sich um eine Kernsubstitution handeln muss. Die Alkylgruppe erleichtert den Eintritt des Halogens im Kern und lenkt in o (ortho), p (para)-Stellung. Bildung des Elektrophils Br+ durch heterolytische Spaltung des Brom-Moleküls in P P Gegenwart von AlCl3: B B Br2 + AlCl3 Br+ + AlCl3BrB TP 1 PT B B B P P B B P P Quelle: http://www.schule-studium.de/Chemie/Reaktionsmechanismus_Cyclohexen_Brom.html - 11 - Elektrophile Reaktionen von Aromaten Die Reaktionsgleichung: + Br2 + HBr Toluol p-Bromtoluol +HBr o-Bromtoluol III. Obwohl es sich beim Anisol ebenfall um einen Aromaten handelt, verläuft diese Reaktion ohne eine Lewis-Säure-Katalyse. Der Grund hierfür ist der O-CH3Substituent, welcher den Ring aktiviert. Der Angriff des elektrophils erfolgt hier über die ortho- und para-Position, da es mehr Grenzstrukturen gibt und da es durch freie Elektronenpaare am Sauerstoff der Seitenkette zu einer weiteren Ladungsverschiebung kommt. Der Übergangszustand ist also besser stabilisiert. IV. Die Friedel-Crafts-Reaktion benötigt Lewis-Säuren wie das in diesem Versuch verwendete AlCl3 als Katalysator. Der Katalysator schwächt die Bindung zwischen Halogen und Alkylrest und erhöht auf diesem die partielle positive Ladung. Der Angriff auf den Aromaten erfolgt über die para-Position, da hier die Elektronen kaum abgeschirmt sind. Unter Abspaltung eines Protons rearomatisiert das Substrat zum Produkt, dem alkylierten Aromaten. Wird als Reaktionspartner ein mehrfach halogeniertes Alkan, wie in diesem Fall Chloroform, eingesetzt, so reagieren alle Teile des Halogenalkans mit je einem Aromaten. Die Reaktionsgleichung lautet: - 12 - Elektrophile Reaktionen von Aromaten + CHCl2 B + AlCl4B B Toluol rot Der Reaktionsmechanismus ist folgender: 1.) 2.) CHCl3 + AlCl3 B B B ⊕ P B + ⊕CHCl2 P P B CHCl2 + AlCl4P B - 13 - B B B PB P PB P Elektrophile Reaktionen von Aromaten 3.) + AlCl4- + AlCl3 + AlCl3 + AlCl4- - 14 - Aminosäuren Aminosäuren Einleitung Aminosäuren sind organische Verbindungen mit einer Carboxyl-Gruppe und einer Amino-Gruppe. Die verschiedenen Aminosäuren unterscheiden sich in einer Seitenkette, die auch Aminosäurerest oder kurz Rest genannt wird. Aminosäuren sind in der Biochemie von großer Bedeutung, da sie die Bausteine von Peptiden und Proteinen sind. Im allgemeinen werden in der Literatur 20 sog. proteinogene, d.h. in Proteinen vorkommende Aminosäuren erwähnt, allerdings sind in letzter Zeit zwei weitere (Selenocystein und Pyrrolysin) hinzugekommen. Es handelt sich dabei stets um α-Aminosäuren, bei denen die Amino-Gruppe und die Carboxyl-Gruppe mit demselben Kohlenstoffatom (Cα) verbunden sind. Bis auf Glycin haben alle Aminosäuren ein chirales C-Atom. Diese 22 Aminosäuren werden durch je drei Basen in der DNA kodiert. Darüber hinaus gibt es noch weitere Aminosäuren, die Bestandteile von Proteinen sind, jedoch nicht kodiert werden. Von den nicht-proteinogenen, d. h. nicht in Proteinen vorkommenden Aminosäuren sind bislang über 150 bekannt, wie etwa das Thyroxin, einem Hormon der Schilddrüse. Aminosäuren, die ein Organismus nicht selbst herstellen kann, heißen essentielle Aminosäuren und müssen mit der Nahrung aufgenommen werden. Für Menschen sind Valin, Leucin, Isoleucin, Phenylalanin, Tryptophan, Methionin, Threonin und Lysin essentielle Aminosäuren. Semi-essentielle Aminosäuren müssen nur in bestimmten Situationen mit der Nahrung aufgenommen werden, z. B. während des Wachstums oder bei schweren Verletzungen. Die übrigen Aminosäuren werden entweder direkt synthetisiert oder aus anderen Aminosäuren durch Modifikation gewonnen. Für Kinder sind zusätzlich zu den generell essentiellen Aminosäuren auch Cystein und Tyrosin essentiell, da in diesem Lebensalter die Körperfunktion zu deren Herstellung noch nicht ausgereift ist. In wässriger Lösung liegen freie Aminosäuren als Zwitterionen vor, d.h. die AminoGruppe ist protoniert und die Carboxyl-Gruppe ist deprotoniert. In Proteinen sind allerdings beide Gruppen an der Peptidbindung beteiligt und daher ungeladen. - 15 - Aminosäuren Material, Methoden s. Praktikumsskript Ergebnisse, Messwerte I. Dünnschichtchromatographische Trennung von α-Aminosäuren Das Laufmittel wanderte 8 cm, Glycin 1,4 cm und Lysin 0,4 cm. Beim Isoleucin konnte keine Wanderung beobachtet werden. II. pH-Werte von Aminosäuren Folgende pH-Werte wurden gemessen: Aminosäure pH-Wert Glutaminsäure 3,1 Glycin 5,4 Lysin 9,6 III. Maillard-Reaktion Folgende Gerüche konnten identifiziert werden: Aminosäure Geruch Cystein Popcorn Glycin geruchsneutral Methionin sauer, beißend Prolin Chips Auswertung, Diskussion I. Man gibt eine kleine Menge der zu trennenden Substanz als punktförmigen Tropfen aus einer Kapillare auf eine dünne Schicht aus sehr feinkörnigem Material (hier: Kieselgel, SiO2), das Trennschicht oder auch stationäre Phase genannt wird. B B Diese Trennschicht ist sehr gleichmäßig auf eine Trägerfolie aus Kunststoff, Aluminiumblech aufgetragen. Die stationäre Phase ist im Normalfall polar, sodass polare Substanzen langsamer wandern, als unpolare. Nun stellt man dieses - 16 - Aminosäuren Trennsystem senkrecht in ein Gefäß mit dem Fließmittel, der mobilen Phase, in die die DC-Platte zu einem geringen Teil eintaucht. Die mobile Phase ist relativ unpolar, sodass polare Substanzen besser „haften“. Das Fließmittel wird nun in die stationäre Phase nach oben gesaugt und reißt die aufgetropfte Testsubstanz mit. Durch unterschiedliche Wechselwirkungen der Komponenten des aufgetragenen Gemischs mit der stationären und der mobilen Phase trennt sich eine Mischung, wie in diesem Versuch aus Glycin, Lysin und Isoleucin auf. Um eine Beeinflussung der Ergebnisse durch das Verdampfen des Fließmittels zu verhindern, führt man die Trennung in einer mit dem Fließmittel gesättigten Atmosphäre in einem geschlossenen Gefäß durch. Die Substanzen müssen danach sichtbar gemacht werden. Dies erfolgt hier durch das Besprühen mit Ninhydrin, welches eine blauviolette Färbung hervorruft: + + Ninhydrin Aminosäure blauviolett + CO2 + +3 H2O + H+ - 17 - Ninhydrin Aminosäuren Anhand der Wanderungsstrecken des Laufmittels und der Aminosäuren lassen sich die Rf-Werte (Retarding Factor) berechnen: R f = B B Laufstrecke Substanz . Die Werte Laufstrecke Lösungsmittel lauten demnach für Glycin 0,175 und für Lysin 0,05. Man kann also sagen, dass der Rf-Wert geringer wird, wenn die Substanz polarer ist. Diese Schlussfolgerung ergibt B B sich aus der Erkenntnis, dass es sich bei dem Laufmittel um eine weniger polare Substanz als bei der stationären Phase handelt. Je unpolarer die Aminosäure also ist, desto besser löst sie sich im Laufmittel und desto weiter wird sie mitgetragen. Leider konnte beim Isoleucin keine Wanderung beobachtet werden. Dies könnte daran liegen, dass sich der Auftragungspunkt evtl. nach dem hineinstellen der DCPlatte im Laufmittel befunden hat. Es wäre zu erwarten gewesen, dass Isoleucin am Weitesten wandert, denn es ist die unpolarste Aminosäure in diesem Versuch. II. Wie schon geschrieben, liegen Aminosäuren in wässrigen Lösungen als Zwitterionen vor. Der pH-Wert der Glutaminsäure (Glu, E) liegt mit 3,1 im sauren Bereich. Dies liegt daran, dass E zwei saure Carboxyl-Gruppen, jedoch nur eine Amino-Gruppe besitzt: Glutaminsäure Glycin (Gly, G) liegt mit einem pH-Wert von 5,4 in der Nähe des neutralen Bereiches. Der Grund hierfür ist, dass Glycin sowohl eine Carboxyl-Gruppe, als auch eine Amino-Gruppe hat. Die eine Gruppe gleicht die Ladung der anderen aus. Glycin - 18 - Aminosäuren Schaut man sich den pH-Wert von 9,6 des Lysins (Lys, K) an, ist auch hier die Erklärung bei der Verteilung der Carboxyl-Gruppe und der Amino-Gruppen zu suchen. Hier überwiegt der basische Teil durch die zwei Amino-Gruppen. Lysin III. Die Maillard-Reaktion spielt eine wichtige Rolle bei der Bildung von Aromastoffen und braunen Pigmenten in Lebensmitteln. Es handelt sich dabei um eine sog. nichtenzymatische Bräunungsreaktion, im Laufe derer Zucker und Aminosäuren meist zu heterozyklischen Endprodukten reagieren. In der Substitutionsreaktion wird zuerst bei der Verbindung einer Aminosäure mit einem Zucker ein Wassermolekül abgespaltet und im weiteren Verlauf lagert sich die Verbindung meist ringförmig um. Ein Aromat entsteht; daher die wahrgenommenen Düfte. Die Maillard-Reaktion beschleunigt sich mit steigender Temperatur, deshalb wird der Duft bei längerem Erhitzen intensiver. Im Folgenden ist eine Beispielreaktion mit einer allgemeinen Aminosäure und α-Glucose dargestellt: + α-Glucose - 19 - Aminosäure Aminosäuren Chemie der Kohlenhydrate Einleitung Kohlenhydrate sind eine Gruppe von organisch-chemischen Verbindungen, die man auch als Zucker bezeichnet. Dabei gibt es Monosaccharide (Einfachzucker), Disaccharide (Zweifachzucker), Oligosaccharide und Polysaccharide (Mehrfachzucker). Zwei- und Mehrfachzucker bestehen aus chemisch verketteten (glykosidische Bindung) Einfachzuckern. Eigentlich müsste man von Kohlenstoffhydraten sprechen, weil man ursprünglich Verbindungen wie Glukose oder Fruktose als Hydrate des Kohlenstoffs betrachtete, denn chemisch gesehen sind Kohlenhydrate mehrwertige Alkohole. Einfachzucker werden von Pflanzen durch Photosynthese aus Kohlendioxid und Wasser aufgebaut, und enthalten Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Zur Speicherung oder zum Zellaufbau werden diese Einfachzucker dann zu Mehrfachzuckern verkettet. Tiere können keine Einfachzucker synthetisieren, allerdings können sie aus Einfachzuckern langkettige Zucker herstellen. So synthetisiert die Leber beispielsweise aus Glukose den langkettigen Speicherzucker Glykogen. Stärke und Cellulose zählen ebenfalls zu den Kohlenhydraten. Monosaccharide, insbesondere Glucose stellen für Zellen wichtige Nährstoffe dar. In dem als Zellatmung bezeichneten Prozess gewinnen die Zellen die in den. - 20 - Chemie der Kohlenhydrate Glucosemolekülen gespeicherte Energie. Die Moleküle der Einfachzucker sind nicht nur eine der Hauptbetriebsstoffe, sondern ihre Kohlenstoffgerüste dienen auch als Rohmaterial für die Synthese anderer Arten kleiner organischer Moleküle wie Aminosäuren (s. o.) und Fettsäuren. Ein Disaccharid besteht aus zwei Monosacchariden, die über eine glykosidische Bindung kovalent verknüpft sind. Maltose und Saccharose sind die bekanntesten Disaccharide. Die folgenden Versuche beschäftigen sich mit dem Nachweis von Mono-, Di- und Polysacchariden. Material, Methoden s. Praktikumsskript Ergebnisse, Messwerte I. Nachweis reduzierender Zucker nach Fehling Nach Erwärmung der vier hergestellten Lösungen ergeben sich folgende Beobachtungen: Reagenzglas mit Glucose Beobachtung bräunliche Färbung ethanolische Lösung von Butanal bleibt blau, es bilden sich zwei Phasen Butanon-2 bleibt blau, eine Phase D-Fructose rötlich-braune Färbung II. Reduktion von Triphenyltetrazoliumchlorid Nach Erhitzung der Triphenyltetrazoliumchlorid-Lösung und Zugabe der Glucoselösung zeigte sich nach nochmaligem erhitzen und Zugabe von etwas Ammoniakwasser die zu erwartende Rotfärbung. III. Nachweis von Fructose nach Seliwanoff Es trat nach Mischung von Fructose und salzsaurem Resorcin eine Rotfärbung auf. IV. Identifizierung eines Disaccharids - 21 - Chemie der Kohlenhydrate Das bereit gestellte Disaccharid reagierte beim Nachweis von Glucose, jedoch nicht beim Nachweis von Fructose. V. Hydrolyse von Cellulose Nach Zugabe der Fehling-Lösungen und Erhitzung ist eine bräunliche Färbung zu erkennen. Auswertung, Diskussion I. Als reduzierende Zucker bezeichnet man Mono- oder Disaccharide, deren Moleküle in Lösung eine freie (unmaskierte) Aldehyd-Gruppe besitzen. Eine solche Aldehyd-Gruppe kann bei der Fehlingprobe zur Carboxyl-Gruppe oxidiert werden, so dass reduzierende Zucker bei diesen Proben einen positiven Nachweis verursachen. Die Fehling-Probe dient zum Nachweis einer Aldehyd-Gruppe in reduzierenden Zuckern und manchen Aldehyden. Zur Durchführung der Fehling-Probe verwendet man zwei Lösungen als Nachweisreagenzien, die nach Hermann Fehling als Fehlingsche Lösungen bezeichnet werden. Die hellblaue Fehling-Lösung I ist eine verdünnte Kupfer(II)sulfat-Lösung (CuSO4 (aq)), die farblose Fehling-Lösung II eine B B Lösung von Kaliumnatriumtartrat (einem Salz der Weinsäure) in verdünnter Natronlauge. Nach Zusammenführen beider Fehling-Lösungen besitzt das FehlingReagenz aufgrund der Komplexierung der Cu(II)-Ionen mit den Tartrat-Ionen eine charakteristische dunkelblaue Farbe. Aldehyde werden nach Zugabe von FehlingReagenz zu Carbonsäuren oxidiert, während das Kupfersulfat (CuSO4) zu B B Kupfer(I)oxid (Cu2O) reduziert wird und als rotbrauner Niederschlag ausfällt. Bei B B längerem Erhitzen kann auch elementares Kupfer entstehen. Es handelt sich also um eine Redox-Reaktion, deren Reaktionsgleichung wie folgt aussieht und auch für die Probe mit Glucose gilt: Reduktion: 2 Cu2+ + 2 OH- + 2 e- Cu2O + H2O P P P P P P B B B B R-CHO + 2 OH- R-COOH + H2O + 2 e- Oxidation: P P B B P P Redox-Reaktion: 2 Cu2+ + R-CHO + 4 OH- Cu2O + R-COOH + 2 H2O P P P - 22 - P B B B B Chemie der Kohlenhydrate Fructose gibt mit Fehlingscher Lösung auch eine positive Reaktion, da die Fructose in alkalischer Lösung in Glucose und Mannose umgewandelt wird. Diese Umwandlung kann mit der Keto-Enol-Tautomerie erklärt werden. Allerdings ist nicht nur diese Umwandlung für eine positive Reaktion verantwortlich. Bei der Reaktion in alkalischer Lösung wird auch die Kette der C-Atome zerbrochen und es entstehen Abbauprodukte wie z.B. Glycerinaldehyd, welche reduzierende Eigenschaften haben. Dass die Probe mit Butanon-2 keine Reaktion zeigt, liegt darin begründet, dass es sich hier um einen sekundären Alkohol handelt, der als Keton vorliegt. Ketone werden nicht weiter oxidiert und somit kann auch die für eine positive Reaktion benötigte Redox-Reaktion nicht ablaufen. Obwohl Butanal ein Aldehyd ist, wird es durch die Fehlingsche Lösung nicht oxidiert; es bilden sich sogar zwei Phasen. II. Triphenyltetrazoliumchlorid ist eine farblose Verbindung, die durch Reduktion, z.B. mit einem reduzierenden Zucker, in das stark farbige Formazan übergeht. Deshalb dient es in diesem Versuch als Nachweis für den reduzierenden Zucker Glucose. Zum Nachweis reduzierender Vorgänge wendet man das Reagenz in schwach alkalischer Lösung an. + HCl farblos rot III. Der Nachweis nach Seliwanoff ist ein Nachweis für Ketohexosen in der FuranoseRingform, wie z.B. Fructose. Da sie im Sauren abläuft, kommt es nicht zur Keto-Enol- 23 - Chemie der Kohlenhydrate Tautomerie, wie beim Nachweis nach Fehling (s. o.). Mit Glucose fällt die Reaktion negativ aus. Die Fructose wandelt sich in saurer Lösung unter Wasserabspaltung zu 5-Hydroxymethylfurfural um. Dieses reagiert mit Resorcin unter weiterer Wasserabspaltung zu einem roten Farbstoff. Bildung von 5-Hydroxymethylfurfural: + 3 H2O Fructose 5-Hydroxymethylfurfural Bildung des roten Farbstoffes: + 5-Hydroxymethylfurfural Resorcin + H2O rot IV. Das hier angewandte Verfahren zur Bestimmung ist eine Kombination der in den Versuchen II und III angewandten Methoden und logischer Verknüpfung der Beobachtungen. Das Ziel ist es, ein unbekanntes Disaccharid, welches Saccharose, Trehalose oder Maltose sein kann, zu identifizieren. - 24 - Chemie der Kohlenhydrate Überführt man Maltose in die Triphenyltetrazoliumchlorid-Lösung, ist eine Rotfärbung zu beobachten, denn Maltose besitzt die funktionelle Gruppe eines Halbacetals. Ein Halbacetal ist eine Verbindung, in der eine OH- und eine OR-Gruppe (R: Alkyl-Rest) an dasselbe C-Atom gebunden sind. Somit ist Maltose oxidierbar, kann also reduzierend wirken. Die Trehalose besitzt kein Halbacetal, daher ist auch keine Rotfärbung bei Überführung in Triphenyltetrazoliumchlorid-Lösung zu erwarten. Da Trehalose keine Fructose enthält kann man auch den Nachweis desselben nicht erbringen. Saccharose besteht aus Glucose und Fructose. Hydrolysiert man Saccharose mit HCl, kann man aufgrund der erhaltenen Fructose den Nachweis nach Seliwanoff führen. Verknüpft man nun die soeben genannten Erkenntnisse, kann man folgende Aussagen treffen: Das unbekannte Disaccharid ist Maltose, wenn es nach Überführung in Triphenyltetrazoliumchlorid-Lösung eine Farbreaktion gibt. Gibt es keine Reaktion und man beobachtet nach Hydrolyse mit HCl eine Farbreaktion, muss es sich um Saccharose handeln. Gibt es auch hier keine Farbreaktion, handelt es sich um Trehalose. Bei dem von mir erhaltenen Disaccharid muss es sich somit aufgrund der im Ergebnis-Teil genannten Beobachtung um Maltose handeln. V. Cellulose ist ein Polysaccharid, welches aus Glucosebausteinen aufgebaut ist. Bei Anwesenheit von Wasser und katalytisch wirkender Säure wie der in diesem Fall verwendeten Schwefelsäure wird die Cellulose in einzelne Glucosemoleküle und größere reduzierend wirkende „Stücke“ gespalten (hydrolysiert), welche mit FehlingReagenz nachgewiesen werden können. Daher die bräunliche Färbung. Die Reaktionsgleichung für die Fehling-Probe - 25 - ist in Versuch I beschrieben. Nachtrag zu vorigen Protokollen Nachtrag zum Protokoll vom 10.03.2005 Funktionelle Gruppen, Nucleophile Substitution II. Verteilungskoeffizient von Carbonsäuren zwischen 1-Octanol und Wasser Der Verteilungskoeffizient wurde nach der Formel K = VAnfang − VEnde VAnfang Gewünscht war jedoch eine Berechnung nach der Formel K = berechnet. cOctanol . Hier nun die c Wasser korrekten Berechnungen: Berechnung des Verteilungskoeffizienten für Ameisensäure: 1000 ml 0,2 Mol 15 ml 0,003 Mol Verbrauch bei Titration: 14,95 ml 0,1 molarer NaOH 1000 ml 0,1 Mol 14,95 ml 0,001495 Mol 0,001495 ⋅ 3 = 0,0022425 Mol der Ameisensäure sind in der wässrigen Phase 2 enthalten. In der organischen Phase sind somit 0,003 - 0,0022425 = 0,0007575 Mol enthalten. Nach der oben genannten Formel ist der Verteilungskoeffizient also 0, 0007575 ≈ 0,34 . 0, 0022425 Analog zu dieser Berechnung werden auch die Werte für Essigsäure und Propionsäure berechnet. Verteilungskoeffizient Essigsäure: 0,47 Verteilungskoeffizient Propionsäure: 1,94 Zu erkennen ist hier also, dass der Verteilungskoeffizient von Ameisen- über Essigzu Propionsäure ansteigt. Ein Wert unter 1 bedeutet, dass der Stoff löslicher in Wasser ist. Ein Wert über 1 zeigt, dass sich der Stoff besser in Octanol löst. III. Unterscheidung zwischen primären, sekundären du tertiären Alkoholen Hier ging es um den Mechanismus und die Frage, warum beim primären Alkohol keine Reaktion zu beobachten war. - 26 - Nachtrag zu vorigen Protokollen Durch Zugabe eines Alkohols zu ZnCl2, das in konzentrierter HCl gelöst wurde (dem B B Lukas-Reagenz), entsteht ein wasserunlöslicher Chlorkohlenwasserstoff, der durch eine Trübung erkennbar ist. Die Reaktionsgleichung: R-OH + HCl + ZnCl2 R-Cl + ZnClOH B B Diese Reaktion führt bei tertiären Alkoholen spontan zum Ergebnis, bei sekundären läuft sie weit langsamer ab, und bei primären ist sie fast nicht mehr erkennbar. Dies ist dadurch erklärbar, dass die OH-Gruppe vom Kohlenwasserstoffgerüst getrennt werden muss, bevor das Cl-Atom andocken kann. Dabei verbleibt aber eine positive Ladung auf demjenigen Kohlenstoff, an dem die OH-Gruppe hing. Diese Ladung kann von tertiären Alkoholgerüsten unter Mithilfe der Nachbaratome relativ gut ausgeglichen werden, sodass für das Cl-Atom genug Zeit bleibt, um anzudocken. Bei sekundären Alkoholen funktioniert dieser Ladungsausgleich nicht mehr so gut, was zu einer Verlangsamung der Reaktion führt. Bei primären Alkoholen schließlich ist aufgrund des einzelnen Nachbaratoms dieser Ausgleich praktisch nicht mehr gegeben, was zu einem (fast) vollständigen Ausbleiben der Reaktion führt Nachtrag zum Protokoll vom 11.03.2005: Hydrolyse, Kinetik II. Bestimmung Geschwindigkeitskonstanten der alkalischen Esterhydrolyse Hier stimmten die Werte für den ln[Ester] bei der Kinetik nicht. Hier die korrigierten Werte: t1 t2 t3 t4 (0 min) (5 min) (10 min) (15 min) B Zeit B B B B t5 t6 (25 min) (35 min) B B ln[Ester] -3,99269 -4,17664 -4,30878 -4,41869 -4,50081 -6,81245 ln[c[Ester]/c[OH-]] P P 0,78090 1,05402 1,36061 - 27 - 1,77123 2,31164 2,39790
