Versuchsprotokoll: Mutarotation von Glucose

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1 Versuchsprotokoll: Mutarotation von Glucose Zeitaufwand: Aufbau: 10 Minuten Durchführung: 24 Stunden Entsorgung: 5 Minuten Chemikalien: Chemikalie Menge R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol Schuleinsatz Glucose C g SI + SII Geräte: - Längliches Glasrohr (oder auch längliches 600 ml Becherglas) - Glasstab - verheadprojektor - Polarimeter - Evtl. Stoppuhr

2 Versuchsaufbau: = Weg des Lichts Wand Küvette Polarisator & Analysator Polarimeter Lichtquelle: verhead-projektor Abb.1 Versuchsaufbau Durchführung: I. Kalibrierung des Polarimeters: 1. Zur Kalibrierung des Polarimeters wird die Küvette (das Glasrohr) mit 400 ml Wasser aufgefüllt. 2. Die Küvette wird dann auf das Polarimeter gestellt und der Projektor angeschaltet. 3. Nun wird der Analysator auf null gestellt. 4. Anschließend dreht man den Polarisator so lange, bis kein Licht mehr durch den Analysator hinaustritt und somit auch der Lichtfleck an der Wand verschwindet. 2

3 II. Ermittlung des Drehwertes von Glucose 1. In die Küvette (das Glasrohr bzw. das Becherglas) wird 90 g Glucose eingewogen. 2. Diese Glucose wird in 350 ml Wasser gelöst. 3. Das Gemisch wird nun so lange kräftig gerührt, bis sich die gesamte Glucose vollständig gelöst hat. 4. Nach dem Lösen der Glucose wird die Lösung mit dem Polarimeter untersucht, indem der Drehwert der Lösung in regelmäßigen Abständen ermittelt wird. Beobachtung: Abb.2+3 Versuchsbeobachtung Bei der Drehwertbestimmung der Glucose ist eine Änderung des Drehwertes über einen längeren Zeitraum zu beobachten. Dabei nimmt der Drehwert der Lösung ab. Die Drehwertänderung verläuft anfangs relativ schnell, während nach etwa einer Stunde nur noch eine geringe Drehwertänderung festzustellen ist. Nach einem Tag ist der Drehwert der Lösung konstant. An diesem Polarimeter war eine Drehwertänderung von -310 auf -337 festzustellen. 1 1 Dies sind keine spezifischen Drehwerte, sondern Beschreibungen des Versuchs. 3

4 Entsorgung: Die Glucose-Lösung kann in den Ausguss entsorgt werden. Auswertung: 1. Stereoisomerie und optische Aktivität s. Versuchsprotokoll: Polarimetrische Untersuchung von Saccharose 2. Funktionsweise eines Polarimeters: s. Versuchsprotokoll: Polarimetrische Untersuchung von Saccharose 3. Erläuterung des Versuchs Aldosen mit drei oder mehr Kohlenstoffatomen und Ketosen mit vier oder mehr Kohlenstoffatomen enthalten ein oder mehrere chirale Zentren. Aus diesem Grund gehört auch die Glucose zu den optisch aktiven Substanzen, da sie sogar mehr als ein Chiralitätszentrum besitzt (Abb.4). Aufgrund dieser Chiralität weist die Glucose auch optische Aktivität auf. * * * * Abb.4 Chiralitätszentren der Glucose 4

5 Zucker sind ydroxycarbonylverbindungen, die intramolekular albacetale ausbilden können. Dies geschieht vor allem dann, wenn dadurch relativ spannungsfreie Fünf- oder Sechsringe gebildet werden. 2 Tatsächlich bildet die Glucose solche intramolekularen albacetale aus, indem die ydroxid-gruppe am Kohlenstoffatom C 5 intramolekular mit der Aldehyd- Gruppe unter Ausbildung eines sechsgliedrigen albacetalrings reagiert (Abb.5) (2) (1) C + D-Glucose (1) * * -D-Glucose (2) * * * = Stereozentrum -D-Glucose Abb.5 Ringschluss der Glucose Anhand der Reaktionsgleichung (Abb.5) kann man erkennen, dass zwei verschiedene albacetale gebildet werden, da der Carbonyl-Kohlenstoff zu einem neuen Chiralitätszentrum im entstehenden albacetal wird. Dieses neu gebildete Chiralitätszentrum wird auch als anomeres Kohlenstoffatom bezeichnet. Dabei bedeutet die griechische Vorsilbe ano- über bzw. 2 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005), S

6 oberst, was darauf hinweist, dass es sich um das oberste chiral substituierte Kohlenstoffatom handelt. 3 Dieses Kohlenstoffatom ist auch das einzige Kohlenstoffatom im Molekül, das an zwei Sauerstoffatome gebunden ist. Aus diesem Grund weist das amomere Zentrum auch eine höhere Reaktivität auf. Weist in der aworth-projektion die ydroxyl-gruppe am neu gebildeten Chiralitätszentrum (dem anomeren Kohlenstoffatom) nach unten, so wird diese Form als α-d-glucose bezeichnet. Weist die ydroxid-gruppe am anomeren Kohlenstoffatom nach oben, so spricht man von der β-d-glucose. α-d-glucose und β-d-glucose werden auch als Anomere bezeichnet, da sie sich nur in der Konformation am anomeren Kohlenstoffatom unterscheiden. Durch Röntgenstrukturanalysen wurde bewiesen, dass Glucose aus wässrigen Lösungen ausschließlich als α-d-glucose auskristallisiert. 4 Dies bedeutet, dass Glucose als Feststoff nicht in einer offenkettigen Form vorliegt, sondern ausschließlich in der Ringform und dies meist auch nur in der α-form. Um reine β-d-glucose zu erhalten, lässt man Glucose aus Pyridin auskristallisieren. Wird dieser Feststoff jedoch in Wasser gelöst, so öffnen sich die albacetale unter Bildung des offenkettigen Aldehyds. Bei der Rezyklisierung kann sowohl α-d-glucose als auch β-d- Glucose gebildet werden. Schließlich erreichen alle drei Formen der Glucose einen Gleichgewichtszustand (Abb.6). -D-Glucose 36,4 % Aldehydform 0,003 % -D-Glucose 63,6 % Abb.6 Die drei Formen der Glucose in Lösung Anomere unterscheiden sich, wie Epimere, in der Konfiguration an nur einem Kohlenstoffatom, weshalb sie eine spezielle Klasse von Diastereomeren darstellen. Aus diesem Grund weisen α-d-glucose und β-d-glucose auch unterschiedliche physikalische Eigenschaften 3 Bruice, P.Y. (2007), S Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005) S

7 bezüglich ihrer Drehwerte auf. So hat α-d-glucose einen spezifischen Drehwert von +112, während β-d-glucose einen spezifischen Drehwert von +18,7 zeigt. 5 Wird α-d-glucose in Wasser gelöst, so ändert sich der Drehwert der Lösung langsam von +112 bis zu +52,7. Diese Drehwertänderung liegt in der oben beschriebenen Einstellung eines Gleichgewichtes begründet. So addieren sich die Drehwerte der drei Formen in Lösung, wodurch der neu entstandene Drehwert zu erklären ist: 0,36 x +12 = +40,32 0,64 x +18,7 = +11,968 Gesamt: +52,288 Der geringe Unterschied zum Literaturwert entsteht durch die offenkettige Aldehydform, die auch noch einen Anteil am Drehwert hat, der aber aufgrund der geringen Konzentration im Gleichgewicht sehr gering ist. Somit beträgt der spezifische Drehwinkel der Gleichgewichtsmischung +52,7. Wird reine β-d-glucose in Wasser gelöst, so steigt der Drehwert langsam von +18,7 ebenfalls auf einen Drehwert von +52,7 an. Die beschriebenen Molekularen Abläufe sind dafür verantwortlich, dass sich immer derselbe Drehwert einstellt, egal ob Kristalle von α- oder β- Glucose gelöst werden. Die langsame Änderung der optischen Reaktion bis zu einem Erreichen eines Gleichgewichtszustandes wird auch als Mutarotation bezeichnet (mutare, latein.: verändern, verwandeln). Die Umwandlung von Zuckern in ihre α- bzw. β- Anomere ist eine Eigenschaft, die alle Zucker aufweisen, die als cyclische albacetale vorliegen. Didaktische Auswertung: Einordnung in den Lehrplan: Im Lehrplan ist dieser Versuch in der Qualifikationsphase im Bereich Kohlenstoffchemie II: Technisch und biologisch wichtige Kohlenstoffverbindungen einzuordnen. In diesem Bereich ist das Thema Kohlenhydrate ein genannter Schwerpunkt. Unter anderem soll auch auf die optische Aktivität der Kohlenhydrate eingegangen werden. Einordnung des Versuchs: Zur Durchführung dieses Versuchs muss ein Polarimeter an der Schule vorhanden sein. Ansonsten ist der Aufbau des Versuchs relativ einfach. Auch Glucose sollte an jeder Schule vorhanden sein. Es werden keine anderen Chemikalien als Glucose eingesetzt, weshalb 5 Bruice, P.Y. (2007), S

8 dieser Versuch auch als Schülerversuch durchgeführt werden kann. Die Dauer des Versuchs ist jedoch sehr lange, weshalb die Durchführung wahrscheinlich nicht einmal in einer Doppelstunde möglich ist. Die Mutarotation ist eine Eigenschaft von vielen Kohlenhydraten, die beim Thema Kohlenhydrate, auch laut Lehrplan, besprochen werden sollte. Dabei sind das Verständnis von optischer Aktivität und die Messung mittels Polarimeter wichtige Lerneffekte dieses Versuchs, die auch für weitere Themenbereiche der Chemie wichtig sind (z.b. Aminosäuren). Durch die Verwendung eines Polarimeters, bei dem Polarisator und Analysator mit der and gedreht werden, können die Schüler die Funktionsweise eines Polarimeters besser verstehen als bei der Verwendung eines maschinellen Polarimeters, bei dem nur die Werte angezeigt werden. Der Nachteil ist, dass mit dem in diesem Versuch verwendeten Polarimeter keine Literaturwerte erzielt werden können. Literaturangaben: Bruice, P.Y. (2007). rganische Chemie (5. Auflage). München: Pearson Education Deutschland Gmb. Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (2005). rganische Chemie (4. Auflage). Weinheim: Wiley- VC Gmb & Co KGaA. Elektronische Quellen: essisches Gefahrstoffinfomationssystem Schule essgiss /2009, Version 13.0 Abbildungsverzeichnis: Alle Abbildungen wurden selbst angefertigt. 8