3. Abschnitt: Kurstag 9

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1 Chemische Übungen für Biologen ( UE, 4 Stunden, 8 ECTS) Chemische Übungen für Lehramt Biologie und Umweltkunde ( UE, 3 Stunden, 3 ECTS) Chemische Übungen für Lehramt Haushaltsökonomie und Ernährung ( UE, 3 Stunden, 3 ECTS) 3. Abschnitt: Kurstag 9 SS 2009 Praktischer Teil: Naturstoffchemie 1. Nachweisreaktionen für Zucker 1.1. Löslichkeitstest Furfural-Test (Molisch-Test) Fehling-Test Seliwanoff-Test Keto- oder Aldohexosen mit Harnstoff und Zinn(II)-chlorid Iod-Test Durchführung der Tests Herstellung eines Osazons der Zuckerprobe... 4 Theorie 1. Kohlenhydrate allgemein Konfiguration 2.1. Relative Konfiguration Absolutkonfiguration Anomere Glycoside Die wichtigsten Monosaccharide 4.1. Pentosen Hexosen Disaccharide 5.1. Rohr- oder Rübenzucker (Saccharose, Sucrose) (+)-Trehalose (+)-Lactose (+)-Maltose Polysaccharide 6.1. Stärke Glykogen Cellulose Polyosen Die Formeln einiger Zucker auf einen Blick Osazone Fragen... 15

2 Naturstoffchemie 2 1. Nachweisreaktionen für Zucker Zur Charakterisierung, zum Nachweis und zur Unterscheidung von Zuckern dienen folgende Tests: 1.1. Löslichkeitstest Der Löslichkeitstest wird mit 0,1 g Probe (= eine Spatelspitze) und 3 ml Wasser durchgeführt (siehe Kurstag 7). Mono- und Disaccharide sind in Wasser sehr gut löslich. Die Polysaccharide sind in Wasser schwer (z.b. der Amyloseanteil der Stärke). bzw. überhaupt nicht löslich (z.b. der Amylopektinanteil der Stärke; Cellulose) Furfural-Test (Molisch-Test) Dieser Test ist allgemein geeignet für Kohlenhydrate. Gibt man in eine Eprouvette eine wässrige Lösung oder Suspension der zu testenden Verbindung (nur wenig Wasser verwenden!), eine verdünnte Lösung von α-naphthol in Ethanol, und anschließend tropfenweise konzentrierte Schwefelsäure, so tritt, wenn es sich bei der Verbindung um ein Kohlenhydrat handelt, eine violette oder purpurne Färbung auf: das aus dem Zucker gebildete Furfural (bzw. 5-Hydroxymethylfurfural) gibt mit dem α-naphthol ein dunkel gefärbtes Kondensationsprodukt. Ob es sich bei dem Zucker um eine Aldose oder Ketose, bzw. um ein reduzierendes oder nichtreduzierendes Disaccharid handelt, kann man durch folgende Tests feststellen: 1.3. Fehling-Test (vgl. auch Kurstag 7) Dieser Test ist spezifisch für reduzierende Substanzen also z.b. Aldehyde. Fehling I: 34,6g CuSO 4 5H 2 O in 500 ml H 2 O. Fehling II: 173g Kalium-Natrium-Tartrat (Seignettesalz), 50g NaOH in 500 ml H 2 O. Kurz vor Verwendung mischt man gleiche Volumina beider Lösungen. (a) Nun wird 1 ml Testlösung in einer Eprouvette mit 4 ml Fehlinglösung (= je 2 ml Fehling I und II) im siedenden Wasserbad erhitzt. Mit Aldosen und reduzierenden Disacchariden erhält man einen rotbraunen Niederschlag von Cu 2 O, wobei z.b. Glucose viel schneller reagiert als Maltose oder Lactose. Die zur Carbonylfunktion α-ständigen Hydroxylgruppen in Ketosen sind ebenfalls leicht oxidierbar. Aus diesem Grund geben Ketosen wie die Fructose ebenfalls positiven Fehlingtest.

3 3 (b) Erhitzt man ein nicht reduzierendes Disaccharid wie z.b. Saccharose zuerst 20 Minuten mit 1 N HCl im siedenden Wasserbad und neutralisiert dann mit 1N NaOH, so gibt diese Probe nun ebenfalls positiven Fehlingtest. Erklären Sie formelunterstützt, auf Grund welcher Reaktion der Zucker die Cu +2 -zu Cu +1 Ionen reduziert werden! 1.4. Seliwanoff-Test Mit diesem Test kann man Ketosen (z.b. Fructose oder Sorbose) nachweisen. Eine wässrige Lösung des zu prüfenden Zuckers (1 ml) wird mit 1 ml konz. HCl und 1 ml ethanolischer Resorcinlösung in einer Eprouvette im Wasserbad erhitzt. Man erhält aus Ketosen wiederum 5-Hydroxymethylfurfural (siehe Molisch-Test), das durch eine Kondensationsreaktion mit dem Resorcin nach zwei Minuten eine rote oder purpurne Färbung ergibt. Aldosen zeigen diese Farbreaktion ebenfalls, allerdings erst nach langem Erhitzen Keto- oder Aldohexosen mit Harnstoff und Zinn(II)-chlorid Schwefel- oder salzsaure Lösungen von Harnstoff und SnCl 2 ergeben beim Erwärmen mit Ketohexosen eine Rotfärbung, während Lösungen von Aldohexosen erst bei längerem Erhitzen orange werden. Saccharose wird zu Glucose und Fructose hydrolysiert und reagiert ebenfalls positiv. Eine Probe des Zuckers wird mit 2 Spatelspitzen Harnstoff und einem Kristall SnCl 2 in 2 ml konz. HCl im Wasserbad erhitzt. In Gegenwart von Ketohexosen wird die Lösung schnell kirschrot, während Aldohexosen erst nach längerem Erwärmen Orangefärbungen ergeben Iod-Test Dieser Test ist ein spezifischer Nachweis für Stärke. Man versetzt die wässrige Lösung oder Suspension der zu prüfenden Probe mit einem Körnchen I 2 und schüttelt kurz. Die Amylosefraktion der Stärke reagiert mit Iod unter Bildung einer tiefblau gefärbten Einschlussverbindung. 2. Durchführung der Tests Führen Sie die Tests wie folgt durch: Tests 1-5 mit Glucose Tests 3-5 mit Fructose Tests 4 & 5 mit Lactose und Maltose Tests 3 (a und b) mit Saccharose Tests 1 & 6 mit Stärke und jeweils simultan die Tests 1-6 mit der eigenen Probe. Ein bestimmter Test wird dabei in entsprechend gekennzeichneten Eprouvetten für verschiedene Proben gleichzeitig durchgeführt (z.b. den Seliwanoff-Test mit Proben Glucose, Fructose, Lactose, Maltose und der unbekannten Probe gleichzeitig im Wasserbad durchführen). Dadurch können die Unterschiede im Verhalten der Zucker gut beobachtet werden.

4 4 Protokollieren Sie Ausführung und Ergebnisse (mit einer Zusammenfassung am Ergebnisblatt). Vergessen sie nicht, auch die Reaktionszeiten zu protokollieren. Um welchen Zuckertyp handelt es sich bei Ihrer Probe: Aldose, Ketose, reduzierendes Disaccharid, nicht reduzierendes Disaccharid oder Stärke? 3. Herstellung eines Osazons (OZ) der Zuckerprobe Man wägt 0,20 g der Zuckerprobe, Phenylhydrazinhydrochlorid (0,40 g) und Natriumacetat (entweder 0,60 g wasserfrei oder 1,00 g Trihydrat) möglichst genau ein und vereinigt die Substanzen in einer weitgehend trockenen Eprouvette. Man fügt 4 ml Wasser mit der Messpipette hinzu. Die Eprouvette wird mit einem Wattebausch lose verschlossen. Man stellt die Eprouvette in ein bereits vorbereitetes Becherglas mit siedendem Wasser (beschichtetes Drahtnetz, Teclubrenner). Die Zeitpunkte des Eintauchens und des Beginns einer OZ-Abscheidung (deutlich erkennbare Trübung) werden notiert. Der Eprouvetteninhalt wird von Zeit zu Zeit durchmischt (mit einem Glasstab), ohne die Eprouvette aus dem Wasserbad zu heben. Nach 15 Minuten nimmt man die Eprouvette aus dem Wasserbad und kühlt den Inhalt zuerst mit Leitungswasser und danach in Eis/Wasser. Der aus der Zuckerlösung mit dem Phenylhydrazin erhaltene Niederschlag wird über eine kleine Glasnutsche an der Absaugeprouvette abgesaugt. Reste können mit kaltem Wasser nachgespült werden. Nach Trockensaugen auf der Nutsche (etwa 20 Minuten) wird der Niederschlag in eine kleine, vorher gewogene Kristallisierschale übertragen und im Trockenschrank bei 130ºC bis zur Gewichtskonstanz (~1/2 Stunde) getrocknet. Die OZ-Ausbeute (in mg) wird ermittelt. Der Schmelzbereich des rohen OZs wird am Koflermikroskop bestimmt. Ist durch Vergleich mit den Werten in der nachfolgenden Tabelle und den Ergebnissen der Zuckernachweise (siehe Punkt 1) der Zucker noch nicht eindeutig identifizierbar, so bestimmt man am Koflermikroskop auch den Schmelzpunkt (bzw. Zersetzungspunkt) des Zuckers. Zucker mp a,b Zeitraum der OZ-Bildung mp OZ a,c D-(-)-Ribose Minuten 166 D-(+)-Xylose Minuten 164 D-(+)-Glucose H 2 O 83 wasserfrei Minuten 205 D-Fructose ~2 Minuten 205 L-(-)-Sorbose Minuten d 162 d D-Maltose H 2 O ~120 dec. Abscheidung des OZ erst beim Abkühlen 206 D-Lactose H 2 O - H 2 O bei dec. Abscheidung des OZ erst beim Abkühlen 200 Saccharose Spuren OZ aus Spaltung des Disaccharids --- a In ºC; b Die mp sind teilweise Zersetzungspunkte (= dec.) und nicht sehr zuverlässig. c Die angegebenen Literaturwerte sind die mp der umkristallisierten OZ. Die rohen OZ zeigen Schmelzintervalle von 10 bis 15 ºC. d Das OZ scheidet sich zunächst ölig ab und schmilzt roh zwischen 120 und 150ºC. Ermitteln Sie aus den Ergebnissen der Nachweisreaktionen 1-6, aus den Ergebnissen der Osazondarstellung, und (wenn nötig) aus dem Schmelzpunkt der Zuckerprobe, um welchen Zucker es sich bei Ihrer Probe gehandelt hat. Protokollieren Sie die Versuchsbeschreibungen, die Osazonausbeute (in Milligramm) und die Schmelzbereiche des Osazons und gegebenenfalls des Zuckers.

5 Theorie 5 1. Kohlenhydrate allgemein Der Name dieser Naturstoffe rührt daher, dass sie neben Kohlenstoff noch Wasserstoff und Sauerstoff enthalten, und zwar häufig im Atomverhältnis 1 : 2 : 1. Der bloßen Summenformel nach stellen sie sich also als Hydrate des Kohlenstoffs C n (H 2 O) n dar. Tatsächlich handelt es sich um Polyalkohole mit zusätzlichen Aldehyd- oder Ketofunktionen. Zweckmäßigerweise wird die Definition nicht zu eng gefasst: Glycolaldehyd (einfachster Zucker) und z.b. Aminozucker (im Chitin) gehören auch dazu. Wichtigste Vertreter sind Zucker, pflanzliche Stärke, Glykogen, Cellulose und Polyosen. Auf dem Vorhandensein der vielen Hydroxylgruppen beruht das extrem lipophobe Verhalten der Zucker. So löst sich z.b. Traubenzucker nicht in Petrolether. Umgekehrt zeigen die niedermolekularen Kohlenhydrate eine sehr große Wasserlöslichkeit. Eine gesättigte Lösung von Rübenzucker enthält beispielsweise bei 20ºC 67 % w/w Zucker. Die zahlreichen Hydroxylgruppen vermögen nicht nur mit Wassermolekülen, sondern auch mit Hydroxylgruppen anderer Kohlenhydratmoleküle Wasserstoffbrücken zu bilden; deshalb sind Traubenzucker, Rohrzucker usw. verhältnismäßig harte Substanzen. Die meisten Kohlenhydrate zersetzen sich bereits bei mäßigem Erwärmen (über 150ºC); sie sind nicht destillierbar und meistens nicht einmal unzersetzt schmelzbar (warum?). Kohlenhydrate dienen den Organismen in erster Linie als Energieträger und Energiequelle. Pflanzen und Tiere gewinnen die zum "Leben", d.h. zum Aufbau der Lebenssubstanzen und zur Aufrechterhaltung der (häufig endergonischen) Lebensvorgänge notwendige Energie durch Abbau von Kohlenhydraten, in erster Linie von Traubenzucker (Glucose). Biologisch entsteht Glucose durch die "Photosynthese", d.h. durch die CO 2 - Assimilation unter dem Einfluss von Licht und unter Mitwirkung von Chlorophyll. Von wenigen Ausnahmen abgesehen sind "nichtgrüne" Lebewesen bezüglich der Kohlenhydrate heterotroph, vermögen sie also nicht selbst aus anorganischen Substanzen aufzubauen und sind deshalb auf vorgebildete organische Nahrung angewiesen. Stärke und Glykogen, zwei hochmolekulare, aus Glucose aufgebaute Kohlenhydrate, sind wichtige Reservestoffe. Cellulose, ein ebenfalls aus Glucose aufgebautes hochmolekulares Kohlenhydrat, ist der wichtigste pflanzliche Gerüststoff und die mengenmäßig wohl häufigste organische Verbindung. Nach der Molekülgröße unterscheidet man innerhalb der Gruppe der Kohlenhydrate Mono-, Di-, Oligo- und Polysaccharide. Disaccharide (aus zwei), Oligosaccharide (aus mehreren) und Polysaccharide (aus vielen Zuckern) lassen sich durch saure Hydrolyse in Monosaccharide aufspalten. Je nach der Anzahl der C-Atome unterscheidet man bei den Monosacchariden Tetrosen (C 4 H 8 O 4 ), Pentosen (C 5 H 10 O 5 ), Hexosen (C 6 H 12 O 6 ) usw. Monosaccharide, die eine Aldehydgruppe enthalten, werden als Aldosen bezeichnet (z.b. Glucose), solche, die eine Ketongruppe enthalten, als Ketosen (z.b. Fructose). 2. Konfiguration 2.1. Relative Konfiguration Die natürlich vorkommenden Zucker gehören meistens zur D-Reihe. Als Bezugssubstanz für die Zugehörigkeit der Zucker zur D- oder L-Reihe gilt der Glycerinaldehyd. Ein Zucker gehört dann zur D-Reihe, wenn die OH-Gruppe am asymmetrischen Kohlenstoffatom, das am weitesten von der C=O-Gruppe entfernt ist (= konfigurativ bestimmendes Zentrum; z.b. C-5 im Fall der Glucose), in der Fischerschen Projektionsformel nach rechts zeigt.

6 6 Die Zahlen links neben den C-Atomen bedeuten die Nummerierung in der Kette. Man beachte, dass die Aldohexosen 4 asymmetrische Kohlenstoffatome haben (C-2, C-3, C-4, und C-5) und dadurch 2 4 = 16 Stereoisomere der gleichen Summenformel (C 6 H 12 O 6 ) möglich sind. Jeweils 8 gehören zur D- bzw. L-Reihe. Also: D-Glucose, D-Mannose, D-Galactose... L-Glucose, L-Mannose, L-Galactose Absolutkonfiguration Die relative Konfiguration der D- und L- Reihen hat bei den Zuckern und den Aminosäuren noch große Bedeutung. Ergänzt, und im Fall anderer chiraler Moleküle ersetzt wird sie durch die Absolutkonfiguration: man kann jedem asymmetrischen Kohlenstoff (oder auch anderem Atom) mit Hilfe der Nomenklatur nach Cahn, Ingold und Prelog entweder R- oder S-Konfiguration zuordnen. Zur Ermittlung der Absolutkonfiguration wandelt man zweckmäßig Fischer-Projektionen in die räumliche (tetraedrische) Darstellung um (Schritt 1). Dazu biegt man zunächst die in der Fischer-Projektion horizontal stehenden Substituenten vor die Papierebene, den nach unten stehenden Substituenten hinter die Papierebene. Wenn bereits eine räumliche Darstellung vorliegt (z.b. wie im Fall der gewellten Sechsringstrukturen in der Sesselform auf der nächsten Seite) isoliert man einfach das entsprechende Kohlenstoffatom. Als nächstes weist man den vier unterschiedlichen Substituenten Prioritäten von 1 bis 4 zu (Schritt 2): je höher die Ordnungszahl des Substituenten, desto höhere Priorität. Sind die Erstsubstituenten gleich, so zieht man die Zweitsubstituenten heran usw. Mehrfachbindungen betrachtet man als mehrere Einzelbindungen zum identischen Substituenten. Am Beispiel des C-3 der L-Glucose:

7 7 OH erhält Priorität 1 (höchste Ordnungszahl), H Priorität 4. C-2 und C-4 sind identisch und tragen identische Substituenten (C, H, OH). Die Zweitsubstituenten C-1 und C-5 sind durch ihre Substituenten unterschiedlich; zwei O und ein H für C-1 hat Priorität gegenüber ein O, ein C und ein H für C-5. Man überprüft nun, ob die Reihenfolge im Uhrzeigersinn ("rectus", R) oder gegen den Uhrzeigersinn ("sinister", S) ist. Zu diesem Zweck kann man durch Drehen um eine beliebige Bindung den Tetraeder so anordnen, dass der Substituent mit Priorität 4 vom Betrachter weg zeigt (Schritt 3). Für das C-3 der L-Glucose ist die Richtung im Uhrzeigersinn; die Absolutkonfiguration ist R. Die Ermittlung der Absolutkonfiguration chiraler Zentren ist von großer Wichtigkeit. Die physiologische Wirksamkeit (im positiven wie im negativen Sinn) von Enantiomeren ist häufig unterschiedlich. Bei Medikamenten ist oft ein Enantiomeres wirksam, während das andere toxisch sein kann. Ermitteln Sie die Absolutkonfigurationen der asymmetrischen C-Atome in den Zuckermolekülen auf Seite 13! 2.3. Anomere Im Allgemeinen liegen die Zucker nur zu etwa 1% in der offenkettigen Form (A) vor. Durch eine intramolekulare Addition einer Hydroxylgruppe an die Carbonylgruppe bildet sich eine ringförmige Struktur (B; ein Halbacetal). Es kann sich dabei um einen fünfgliedrigen Ring (furanoside Form) oder um einen sechsgliedrigen Ring (pyranoside Form) handeln. Beachten Sie: In dieser und den folgenden Abbildungen bedeuten nicht ausgeführte Bindungen Substituent H; gewellte Bindungen bedeuten unbestimmte Konfiguration. Durch den Ringschluss (die Halbacetalbildung) wird nun das C-1 zu einem asymmetrischen C-Atom, d.h. es sind 2 Formen möglich. Liegt die OH-Gruppe auf der gleichen Seite der Ringebene wie die -CH 2 OH-Gruppe, so spricht man von der β-konfiguration. Die beiden isomeren Formen bezeichnet man als Anomere; das C-Atom, durch dessen Konfiguration sie unterschiedlich sind, als anomeres Kohlenstoffatom. Löst man z.b. reine β-d-glucose oder reine α-d-glucose in Wasser, so stellt sich über die offenkettige Aldehyd-Form A ein Gleichgewicht zwischen den Anomeren ein (36% α- und 64% β-d-glucose). Diese Erscheinung wird als Mutarotation bezeichnet.

8 8 3. Glycoside Die Hydroxylgruppe am C-1 der Halbacetale kann nun in einer durch Säure katalysierten Reaktion mit einem Alkohol R-OH in einen Ether übergeführt werden. Im Fall von Kohlenhydraten werden diese Ether Glycoside genannt (allgemein handelt es sich um (Voll)acetale). Der Rest R wird als Aglykon bezeichnet. Durch wässrig-saure Hydrolyse können die Glycoside wieder in das Monosaccharid und den Alkohol gespalten werden. Während die halbacetalische Form in wässriger Lösung mit der offenkettigen Form im Gleichgewicht steht und somit die für Carbonylgruppen typischen Reaktionen gibt (z.b. positiver Fehling- oder Tollenstest bei Aldehyden; Reaktion mit 2,4-Dinitrophenylhydrazin, vgl. Kurstag 7), ist dies beim Glycosid nicht mehr der Fall. Erfolgt die Glycosidbildung nicht mit einem beliebigen aliphatischen Alkohol, sondern mit z.b. einer zweiten Hexose, so entstehen Disaccharide. Beachten Sie, dass die zweite Hexose 5 Hydroxylgruppen besitzt, mit denen sie an das erste Monosaccharid herantreten kann! Erfolgt die Veretherung über die Hydroxylgruppe am anomeren C der cyclischen Form (sind also danach beide anomeren OH-Funktionen verethert), so entsteht ein nichtreduzierendes Disaccharid, das im Molekül keine Halbacetalstruktur besitzt, die im Gleichgewicht mit einer offenkettigen Form stehen kann. Selbstverständlich kann die Glycosidbildung mit Aldosen und/oder Ketosen erfolgen; in jedem Fall entsteht ein nichtreduzierendes Disaccharid, wenn die bei der Halbacetalbildung neu entstandenen Hydroxylgruppen betroffen sind (siehe unten die Saccharose). Erfolgt die Veretherung mit einer der anderen Hydroxylgruppen einer zweiten Hexose, dann ist das entstehende Disaccharid reduzierend, da eine der anomeren Hydroxylgruppen ja noch frei ist und die cyclische mit der offenkettigen Form im Gleichgewicht steht. Es kann dann wieder am C-Atom der Halbacetalgruppierung mit einem weiteren Monosaccharid verethert werden; es entsteht ein Trisaccharid; setzt man im gleichen Sinn mit weiteren Monosaccharid-Molekülen um, so gelangt man zunächst zu Oligosacchariden und schließlich zu hochmolekularen Polysacchariden. Beispiele für Polysaccharide sind: Cellulose, Stärke, Glykogen.

9 9 4. Die wichtigsten Monosaccharide 4.1. Pentosen, C 5 H 10 O 5 Die Pentosen finden sich im Pflanzenbereich hauptsächlich als Polysaccharide in den Pentosanen, z.b. als Gerüstsubstanzen im Holz (Polyosen oder Hemicellulosen), ferner in Gummiarten und Pflanzenschleimen. Im tierischen Organismus kommen sie als glycosidische Bestandteile vor, z.b. in den Nucleoproteinen des Pankreas und der Leber. Alle natürlichen Pentosen sind Aldosen. Zu ihnen zählen Arabinose, Xylose, Lyxose und vor allem Ribose. D-Ribose ist am Aufbau der Ribonucleinsäuren (RNA) beteiligt, während 2-Desoxyribose Bestandteil der Desoxyribonucleinsäuren (DNA) ist Hexosen, C 6 H 12 O 6 Von den 16 optisch aktiven Aldohexosen kommen nur 4 in der Natur vor, nämlich D(+)-Glucose, D(+)-Mannose, D(+)-Galactose und D(+)-Talose. Die Hauptquelle bilden die Polysaccharide, in denen die Hexosen glycosidisch miteinander verbunden sind. Im Gegensatz zu den Pentosen lassen sich einige Hexosen mittels Hefe vergären, z.b. D-Glucose, D-Mannose, D-Galactose und D-Fructose. D(+)-Glucose (Traubenzucker, Dextrose) findet sich häufig in süßen Früchten, z.b. in Trauben und ist neben Fructose der Hauptbestandteil des Honigs. Im Organismus tritt D-Glucose im Blut (normaler Blutzuckerspiegel etwa 0,1%) und anderen Körperflüssigkeiten, bei Zuckerkrankheit im Harn auf. Technisch wird D-Glucose durch Hydrolyse von Kartoffel- oder Maisstärke mit verdünnter Salzsäure unter Druck gewonnen. Sie dient zuweilen als rasch wirkendes Stärkungsmittel (Dextropur). Der aus wässrigem Ethanol in der Kälte auskristallisierende Traubenzucker ist die α-d-glucose, Schmp. 146 C. Ihre Süßkraft ist nur halb so groß wie die des Rohrzuckers. D(+)-Mannose kommt als Polysaccharid in den Mannanen vor, z.b. in der Steinnuss und im Johannisbrotsamen, und wird durch Hydrolyse von Steinnussspänen mit Salzsäure erhalten; Schmp. 132 C. D(+)-Galactose ist ein Bestandteil des Milchzuckers (Lactose) und wird daraus durch Hydrolyse hergestellt; Schmp. 165,5 C. Ferner findet sie sich in einigen Gummiarten, den Galactanen.

10 10 Ketohexosen D(-)-Fructose (Fruchtzucker) erhält man durch die Hydrolyse von Rübenzucker. Fructose schmeckt süßer als Rübenzucker. Sie liegt in freier kristalliner Form pyranosid, im Disaccharid Saccharose aber in furanosider Ringform vor. L-(-)-Sorbose: Vorkommen in der Natur unbedeutend (z. B. im Saft der Vogelbeere), entsteht aber durch Einwirkung von Sorbosebakterien auf den Zuckeralkohol Sorbit, und ist wichtig als Zwischenprodukt in der technischen Synthese von Ascorbinsäure (Vitamin C) (siehe Kurstag 10). 5. Disaccharide, C 12 H 22 O 11 In der Natur kommen nur einige Disaccharide frei vor, z.b. Rohr-, Milch- und Malzzucker. Die wichtigsten Disaccharide: 5.1. Rohr- oder Rübenzucker (Saccharose, Sucrose) Die Saccharose ist das am häufigsten vorkommende Disaccharid des Pflanzenreichs. Sie findet sich in fast allen Früchten und in vielen Pflanzensäften, vor allem in der Zuckerrübe (16-20%) und im Zuckerrohr (14-16%). Gewinnung: Die Rübenschnitzel werden mit Wasser im Gegenstromprinzip ausgelaugt und die Zuckerlösung mit Kalkwasser (Ca(OH) 2 ) versetzt, um die Pflanzensäuren, (Oxalsäure, Weinsäure und andere Hydroxysäuren), sowie die Eiweißstoffe auszufällen. Überschüssiges Calcium, das als lösliches Calciumsaccharat vorliegt, wird durch Einleiten von Kohlendioxid als Calciumcarbonat abgeschieden. Nach dem Abpressen des Niederschlags wird der "Dünnsaft" im Vakuum zum "Dicksaft" eingeengt und der auskristallisierende Rohzucker durch Zentrifugieren vom Sirup getrennt. Den zurückbleibenden braunen Sirup, die "Melasse", verwendet man als Viehfutter oder unterwirft ihn der alkoholischen Gärung. Der kristalline, noch sirupartige Zucker kann durch Umkristallisieren, Filtrieren über Aktivkohle und Eindampfen im Vakuum raffiniert werden. Eigenschaften: Rohrzucker bildet monokline Prismen, die in Wasser leicht, in hochprozentigem Ethanol schwer löslich sind. Durch verdünnte Mineralsäure wird der Rohrzucker in je 1 Mol D-Glucopyranose und D-Fructofuranose gespalten (siehe auch Versuche S. 2 und 3). [α] D ist die spezifische Drehung, d.h. der Drehwert α von 1 g Substanz in 1 ml Lösung in einem Drehrohr von 10 cm Länge bei der Natrium-D-Linie (589 nm) Da die Fructose stärker nach links als die Glucose nach rechts dreht, geht die Rechtsdrehung der Saccharose bei der Hydrolyse in eine Linksdrehung über. Daher bezeichnet man diese Spaltung als Inversion des Rohrzuckers und das entstehende Zuckergemisch als Invertzucker. So besteht z.b. der Kunsthonig aus invertiertem Rohrzucker, der Bienenhonig dagegen aus natürlichem Invertzucker.

11 (+)-Trehalose Trehalose kommt im Blut von Insekten (Energieträger wie bei Säugetieren Glucose), in Pilzen sowie anderen niederen Pflanzen vor und gehört - wie der Rohrzucker - zu den nichtreduzierenden Disacchariden. Bei der sauren Hydrolyse entstehen 2 Mole D- Glucose. Die Trehalose weist die Struktur des α-d-glucopyranosyl- α-d-glucopyranosids auf; in ihr sind die C-1-Atome zweier Glucosemoleküle acetalartig verknüpft (+)-Lactose (Milchzucker) Lactose findet sich als wichtigster Zucker in der Milch, und zwar in der Muttermilch zu 5-7%, in der Kuhmilch 4-5%. Als Ausgangsmaterial für die Gewinnung des Milchzuckers dient die tierische Milch, der zunächst das emulgierte Fett als Rahm und das Kasein entzogen werden. Aus der zurückbleibenden Molke scheidet sich bei Eindampfen erst Lactalbumin und dann Milchzucker ab. Lactose ist eine farblose, kristalline Substanz, die sich in Wasser leicht löst, schwach süß schmeckt und stark reduzierend wirkt. Durch saure Hydrolyse oder durch das Enzym Lactase (ß-Galactosidase) wird Lactose äquimolar in D-Glucose und D-Galactose gespalten. Bei der Sauermilch- oder Joghurtbereitung findet ein bakterieller Abbau des Milchzuckers zu Milchsäure statt (+)-Maltose (Malzzucker) Maltose tritt vor allem in keimenden Samen auf, z.b. im Gerstenmalz, und ist das wasserlösliche Zwischenprodukt beim biochemischen Abbau der Stärke. Sie kristallisiert in Nadeln, die sich leicht in Wasser, aber schwer in Ethanol lösen. Bei der Einwirkung verdünnter Säuren bzw. der Maltase der Hefe wird Maltose in 2 Mole D-Glucose gespalten. Maltose reduziert Fehlingsche Lösung und bildet ein Osazon; sie gehört zu den reduzierenden Disacchariden. 6. Polysaccharide Die wichtigsten Polysaccharide sind Stärke, Glykogen und Cellulose. Sie sind im Allgemeinen nicht wasserlöslich. 6.1 Stärke Stärke ist ein pflanzlicher Reservestoff, der besonders reichlich in Samen (Getreide) und Knollen (z.b. Kartoffeln) in Form von Stärkekörnern abgelagert ist. Die Stärke besteht zu 20-30% aus Amylose. Amylose besteht aus unverzweigten Ketten von α-1,4- verknüpfter D- Glucose. Die Ketten sind in Schraubenform aufgewickelt und geben mit I 2 eine Einschlußverbindung; die Aneinanderlagerung der Iodmoleküle führt zu einem Riesenmolekül mit delokalisierten Elektronen und dadurch zu der bekannten intensiven Blaufärbung. Der zweite Bestandteil der Stärke ist das Amylopektin. Es besteht ebenfalls aus α-1,4-verknüpfter Glucose, die Ketten sind aber verzweigt (zusätzliche α-1,6- Verknüpfung der Verzweigung). Stärke ist ein weißes Pulver, das sich in kaltem Wasser nicht löst. Beim Erhitzen mit Wasser auf 90 C bildet sich der "Stärkekleister", dessen gelatinöse Beschaffenheit vom Aufquellen des Amylopektins herrührt. Im Gegensatz dazu geht Amylose kolloid in Lösung und wird als "lösliche Stärke" bezeichnet.

12 Glykogen Während Stärke ausschließlich von Pflanzen erzeugt wird, liegt im Glykogen das "Reservekohlenhydrat" des tierischen Organismus vor. Glykogen besteht ebenfalls aus Glucose, nur sind die Ketten noch stärker verzweigt als jene des Amylopektins. Es wird besonders in der Leber und in den Muskeln gespeichert Cellulose Bildet als Gerüstsubstanz den Hauptbestandteil der pflanzlichen Zellwände und ist das am häufigsten vorkommende Kohlenhydrat und damit die am häufigsten vorkommende organische Verbindung. Pflanzenfasern wie Baumwolle, Jute, Flachs und Hanf sind fast reine Cellulose. Zum Unterschied zur Stärke sind die Glucosemoleküle (einige 1000 je nach Herkunft) der Cellulose 1,4-β-verknüpft, wodurch es zu keiner schraubenförmigen, sondern zu einer gestreckten Anordnung der Polymerstränge kommt. Die einzelnen Stränge sind durch zahlreiche Wasserstoffbrücken der für die Polymerbildung nicht benötigten Hydroxylgruppen (3 pro Glucoseeinheit) verbunden, wodurch der Fasercharakter der Cellulose bedingt ist. Zur Herstellung von Textilzellstoff-Fasern aus dem kurzfasrigen Holzzellstoff muss man die Cellulose löslich machen. Dies kann durch Auflösen in "Schweizers Reagens" (CuSO 4 + NH 3 + NaOH) geschehen. Dabei werden zwei NH 3 Moleküle um Kupfertetramminkomplex durch zwei OH-Gruppen der Cellulose ersetzt. Somit werden die Wasserstoffbrücken zwischen den Celluloseketten aufgebrochen und die Cellulose wird wasserlöslich. Technisch wichtiger ist die Umsetzung mit Natronlauge und Schwefelkohlenstoff (CS 2 ), wodurch aus den freien Hydroxylgruppen Xanthogenat-gruppen werden: Durch Einführung der Xanthogenatgruppen werden die Cellulosemoleküle polarer, und die zwischenmolekularen Wasserstoffbrückenbindungen werden verringert. Nach Durchpressen der entstandenen "Viskoselösung" durch Spinndüsen wird durch Ansäuern die Cellulose als endloser Faden wieder regeneriert (Viskoserayon; Zellwolle). Neuere Techniken lösen die Cellulose direkt in N-Methylmorpholin-N-oxid / Wasser- Mischungen ("Lyocellverfahren") Polyosen (Hemicellulosen) Sie bestehen aus Pentosen (Xylose), Hexosen (Glucose, Mannose, Galactose), bisweilen auch Uronsäuren; zahlreiche OH-Gruppen des Polysaccharids sind mit Essigsäure verestert. Der Aufbau ähnelt dem der Cellulose, aber der durchschnittliche Polymerisationsgrad ist niedrig ( Einheiten) und die Ketten sind verzweigt; Löslichkeit daher schon in verdünnten Säuren oder Alkalien. Vorkommen vor allem im Holz (20-35% der Holzsubstanz neben Cellulose und Lignin), in Kleie, Maiskolben und Stroh.

13 13 7. Die Formeln einiger Zucker auf einen Blick

14 14 8. Osazone Eine wichtige Reaktion zur Charakterisierung von Zuckern ist die Osazonbildung. Ein Mol Phenylhydrazin reagiert mit der Carbonylgruppe des Zuckers unter Ausbildung eines Phenylhydrazons (siehe Kurstag 7). Durch ein weiteres Mol Phenylhydrazin wird die benachbarte Alkoholfunktion (am C-1 oder C-2) zur Carbonylfunktion oxidiert, das Phenylhydrazin dabei selbst zum Anilin reduziert. Diese neue Carbonylgruppe gibt dann mit dem dritten Phenylhydrazin wiederum ein Hydrazon und damit das Endprodukt. Pro Mol Zucker müssen also 3 Mole Phenylhydrazin eingesetzt werden. Diese Reaktion kann sowohl mit Aldosen (Ribose, Glucose, Mannose, Galactose etc.) wie mit Ketosen (Fructose, Sorbose etc. ) als auch mit Disacchariden durchgeführt werden, bei denen einer der Zucker mit der offenkettigen Form im Gleichgewicht steht (Lactose, Maltose). Da Osazone gut kristallisieren, können sie zur Identifizierung einfacher Zucker (über die Schmelzpunkte) verwendet werden. Allerdings geben beispielsweise D-Glucose, D-Mannose und D-Fructose das gleiche Osazon. Erklären Sie diese Beobachtung!

15 Fragen Was sind Kohlenhydrate? 2. Erklären Sie die Begriffe "Hexose", "Ketose", "Aldose", Pentose". 3. Was bedeuten die Symbole L, D, R, und S in der Nomenklatur der Kohlenhydrate? Erklären Sie an Hand von Formelbildern. 4. Wie liegt Glucose in wässriger Lösung vor? 5. Erklären Sie die Begriffe "Halbacetal" und "Vollacetal". 6. Definieren Sie "Glycosid" und zeichnen Sie das Formelbild eines beliebigen Glycosids. Benennen Sie die gezeichnete Verbindung. Bestimmen Sie die Absolutkonfiguration der chiralen Kohlenstoffatome an Hand von räumlichen Zeichnungen. 7. Welche Zucker haben reduzierende Eigenschaften, und weshalb? 8. Geben Sie mehrere Reaktionen an, mit deren Hilfe Kohlenhydrate unterscheidbar sind. 9. Geben Sie (formelunterstützt) vier unterschiedliche Verknüpfungsmöglichkeiten zweier D-Glucosemoleküle an. 10. Geben Sie vier Formelbeispiele natürlicher Disaccharide. Welche sind reduzierend, welche nicht, und weshalb? 11. Wie wird Rübenzucker gewonnen? Was ist seine Formel? 12. Wie sind Rohrzucker, Malzzucker und Milchzucker aufgebaut? (Formeln anschreiben). 13. Aus welchen Untereinheiten ist Stärke aufgebaut? Zeichnen Sie Teilstrukturen! 14. Was versteht man unter D-, was unter L-Glucose? 15. Wie kann man Rohrzucker spalten, und welche Zucker erhält man dabei? 16. Welche Untereinheiten sind in Cellulose wie verknüpft? Zeichnen Sie eine Teilstruktur aus zumindest 3 Untereinheiten. 17. Welche Polysaccharide kennen sie, und was ist ihre Bedeutung in der Natur? 18. Cellulose ist in Wasser praktisch unlöslich. Weshalb? Erklären Sie die Löslichkeit in Schweizers Reagens anhand einer schematischen Formel der ablaufenden Reaktion. 19. Geben Sie Formeln von Ribose und 2-Desoxyribose an. Welche Bedeutung haben diese Verbindungen? 20. Welche Absolutkonfiguration haben die asymmetrischen Kohlenstoffatome in den Verbindungen D-Ribose, L-Galactose, β-d-fructose, Lactose und Trehalose. 21. Was sind Osazone? Erklären Sie an einem Formelbild, warum unterschiedliche Zucker manchmal identische Osazone geben. 22. Welche Zucker geben das gleiche Osazon wie D-Ribose? (Formeln aufzeichnen; Benennung ist nicht erforderlich.) 23. Welche Zucker geben das gleiche Osazon wie D-Galactose? (Formeln aufzeichnen; Benennung ist nicht erforderlich.)