Versuchsprotokoll: Fehling-Disaccharide

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1 Versuchsprotokoll: Fehling-Disaccharide Zeitaufwand: Vorbereitung: Minuten Durchführung: 0 Minuten Abbau/Entsorgung: Minuten Chemikalien: Chemikalie Menge R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbol Schuleinsatz Pentahydrat CuS 3, g Kupfersulfat- -3/38-0/3-0- SI + SII Tartrat 7, g - -/ - SI + SII K + /Na + [C ] - Natriumhydroxid Na g 3-37/39- SI + SII Saccharose C Lactose C Maltose C Trehalose C Kalium-Natrium- Spatelspitze Spatelspitze Spatelspitze Spatelspitze SI + SII SI + SII SI + SII SI + SII

2 erstellen der Fehling-Lösungen: Fehling--Lösung : 3, g CuS in 0 ml Wasser lösen Fehling--Lösung: 7, g K- Na- Tartrat und,0 g Na in 0 ml Wasser lösen Unmittelbar vor der Durchführung des Versuchs müssen Fehling--Lösung und Fehling-- Lösung im Verhältnis : gemischt werden. Materialien: - eizplatte - Becherglas (x) - Reagenzgläser (x) - Schliffflaschen (x) (für die Fehling-Lösungen) - Reagenzglasgestell Versuchsaufbau:. Lösen in heißem Wasser. Zugabe von Fehling-Lösung heißes Wasser Verschiedene Zucker Blindprobe Fehling-Lösung (+ gemischt) Abb. Versuchsaufbau Durchführung:

3 . In die Reagenzgläser wird je eine Spatelspitze eines Disaccharids gegeben.. Die verschiedenen Zucker werden nun in heißem, nicht kochendem Wasser gelöst. 3. In die heißen Zuckerlösungen werden etwa -0 ml der zuvor gemischten Fehling- Lösung gegeben. Sicherer ist das Arbeiten mit kalten Zuckerlösungen, die dann in ein warmes Wasserbad gestellt werden! (Die angewandte Variante eignete sich besser zum Filmen von Videos.) Beobachtung: Abb. Versuchsbeobachtung Die Lösungen von Maltose und Lactose verfärben sich nach der Zugabe von Fehling-Lösung von blau über gelblich-braun nach orange-rot, während bei der Saccharose-Lösung, wie auch bei der Trehalose-Lösung, keine Farbveränderung zu erkennen ist und die Lösung blau bleibt. Entsorgung: Die mit Fehling-Lösung untersuchten Zucker-Lösungen werden neutral in den anorganischen Abfall entsorgt. Auswertung: 3

4 Disaccharide sind die einfachsten Polysaccharide, die aus zwei Monosacchariden bestehen. Die beiden Monosaccharide sind dabei über eine glykosidische Bindung von einer ydroxy- Gruppe des einen Monosaccharids mit der ydroxy-gruppe des anomeren Kohlenstoffatoms eines anderen Monosaccharids verknüpft. Diese Verknüpfung findet über den Mechanismus einer Acetalbildung statt, welcher in Abb.3 beispielhaft an der Bildung von Fructose aus den beiden Monosacchariden α-d-glucose und β-d-fructose gezeigt wird D-Glucose - C D-Fructose Saccharose Abb.3 Acetalbildung am Beispiel der Bildung von Saccharose Streitwieser, A. & eathcock, C.. & Kosower, E.M. (99) S.9 Mechanismus: Vgl. Vollhardt, K.P.C. & Schore N. E. (00) S.87

5 Die systematische Benennung der Disaccharide ist durch die beteiligten Monosaccharide, deren Ringform (α oder β bzw. Fünf- oder Sechsring) sowie die Art der Verknüpfung zwischen den beiden Monosacchariden charakterisiert. 3 Konventionsgemäß wird der Name der Di- und auch ligosaccharide ausgehend von dem linken, nicht reduzierenden Ende beschrieben und dann folgendermaßen aufgebaut:. Zuerst wird die Konfiguration (α oder β) des anomeren Kohlenstoffatoms angegeben, das die erste (linke) Monosaccharid-Einheit mit der zweiten verbindet.. Nun wird der nicht-reduzierende (linke) Zucker benannt und dabei auch zwischen Sechs- und Fünfring durch die Endung -pyranosyl bzw. -furanosyl unterschieden. 3. Danach werden in Klammern die beiden durch die glycosidische Bindung miteinander verbundenen Kohlenstoffatome angegeben. (,) bedeutet also, dass das Kohlenstoffatom C des zuerst genannten Zuckerrestes mit dem Kohlenstoffatom C des zweiten Zuckerrestes verbunden ist.. Zuletzt wird der zweite Rest genannt. andelt es sich dabei um ein reduzierendes Disaccharid, so wird der Zucker mit der Endung -ose ausgeschrieben und es muss keine Konfiguration (α- oder β-) vorangestellt werden. Im Falle eines nichtreduzierenden Disaccharids muss die Konfiguration angegeben werden und der Zucker erhält anstatt der Endung -ose die Endung -id. Um erklären zu können, warum manche Disaccharide eine positive Fehling-Probe aufweisen und andere nicht, muss die Art der Verknüpfung zwischen den beiden Monosacchariden betrachtet werden. Sind die beiden Monosaccharide über ihre jeweiligen anomeren Kohlenstoffatome verknüpft, so ist die Fehling-Probe negativ und im Versuch fällt kein rotes Kupferoxid aus. Diese Zucker werden auch nicht reduzierende Zucker genannt, da sie keine reduzierenden Eigenschaften aufweisen. Des Weiteren ist bei diesen nicht reduzierenden Zuckern keine Mutarotation festzustellen. Ist bei einem der beiden Monosaccharid-Einheiten eines Disaccharids das anomere Kohlenstoffatom nicht an der glykosidischen Bindung beteiligt, so hat dieser Zucker reduzierende Eigenschaften und wird als reduzierender Zucker bezeichnet (im Versuch reduziert er die Kupferionen). Zusätzlich ist bei diesen reduzierenden Zuckern eine Mutarotation zu beobachten. Zum besseren Verständnis werden im Folgenden die im Versuch verwendeten Disaccharide vorgestellt und die reduzierenden- bzw. nicht reduzierenden Eigenschaften erläutert: 3 Voet, D. & Voet, J. G. & Pratt, C. W. (00) S. 8 Nelson, D. & Cox, M. (009) S.3

6 . Saccharose: Die Saccharose ist das am häufigsten vorkommende Disaccharid und ist die aupttransportform von Kohlenhydraten in Pflanzen. Für uns Menschen ist die Saccharose als der gewöhnliche aushaltszucker bekannt. Kommerziell wird die Saccharose aus Rohrzucker oder Zuckerrüben gewonnen. Die systematische Bezeichnung der Saccharose lautet α-d-glucopyranosyl-(,)-β-d- Fructofuranosid. Dies bedeutet, dass sich die Saccharose aus einem Molekül α-d-glucopyranose und einem Molekül β-d-fructofuranose zusammensetzt (Abb.) D-Glucose -D-Glucopyranose D-Fructose D-Fructofuranose = anomeres Zentrum Abb. Ringschluss von Glucose und Fructose Wie man in Abb. erkennen kann, befindet sich das anomere Kohlenstoffatom der Glucopyranose an Kohlenstoffatom C, während sich im Falle der Fructose das anomere Kohlenstoffatom an Position C befindet. Anhand der systematischen Bezeichnung kann man erkennen, dass die Saccharose gerade über diese beiden anomeren Kohlenstoffatome verknüpft ist (Abb.). 3 3 Abb. Saccharose: -D-Glucopyranosyl-(,)- -DFructofuranosid Voet, D. & Voet, J. G. & Pratt, C.W. (00) S.9

7 Aufgrund der Beteiligung der beiden anomeren Kohlenstoffatome an der glykosidischen Bindung schützen die beiden cyclischen Acetalgruppen sich gegenseitig und eine Ringöffnung wird verhindert. Da jedoch die offenkettige Form die Voraussetzung für reduzierende Eigenschaften der Zucker ist und auch die Mutarotation über die offenkettige Form stattfindet, gehört die Saccharose zu den nicht reduzierenden Zuckern.. Lactose: Das in der Natur am zweithäufigsten vorkommende Disaccharid ist die Lactose. In der Natur kommt die Lactose nur in Milch vor, weshalb Lactose auch Milchzucker genannt wird. Dabei beträgt der Anteil der Lactose in der Muttermilch der meisten Säugetiere etwa fünf Gewichtsprozente der flüssigen Milch. Bei den Trockensubstanzen der Milch beträgt der Lactose-Anteil etwa ein Drittel. 7 Kommerziell wird die Lactose aus Molke, einem Nebenprodukt der Käseherstellung, gewonnen. Dabei fällt beim Evaporieren der Molke bei Temperaturen unter 9 C das weniger lösliche α-anomer aus. 8 Die systematische Benennung der Lactose lautet β-d-galactopyranosyl-(,)-d-glucopyranose. Dies bedeutet, dass die Lactose aus einer β-d-galactopyranose- und einer D- Glucopyranose-Einheit besteht (Abb.). 3 3 Glucose: s. oben Galactose -D-Galactopyranose Abb. Ringschluss Galactose Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (00) S.87 7 Vollhardt, K.P.C. & Schore, N.E. (00) S.90 8 Streitwieser, A. & eathcock, C.. & Kosower, E.M. (99) S.97 7

8 Man kann erkennen, dass sich das anomere Kohlenstoffatom der Galaktose an Kohlenstoffatom C befindet. Wie bereits bei der Saccharose beschrieben, ist das anomere Kohlenstoffatom der Glucose ebenfalls am Kohlenstoffatom C. Am systematischen Namen ist zu erkennen, dass die Lactose über das Kohlenstoffatom C der Galactopyranose mit dem Kohlenstoffatom C der Glucopyranose verknüpft ist (Abb.7). -Lactose -Lactose Abb.7 Lactose: -D-Galactopyranosyl-(,)-D-Glucopyranose Abb.7 zeigt, dass das anomere Kohlenstoffatom der Glucopyranose nicht an der glykosidischen Bindung beteiligt ist. Aus diesem Grund kann sich der Ring an dieser Stelle wieder öffnen. Das bedeutet zum einen, dass dieser Zucker in Lösung auch in der offenkettigen Form vorliegt. In dieser Form besitzt dieser Zucker eine Aldehydfunktion, die zur Carbonsäure oxidiert werden kann. Aus diesem Grund weist die Lactose eine positive Fehling-Probe auf, sie ist ein reduzierender Zucker. Des Weiteren steht die Glucopyranose der Lactose in Lösung in einem Gleichgewicht zwischen offenkettiger-, α- und β- Form. Die Lactose weist also Mutarotation auf. Es existiert sowohl eine α- als auch eine β- Form der Lactose (s. oben). 8

9 3. Maltose 9 Nach der Saccharose und der Lactose ist die Maltose (oder auch Malzzucker) das am häufigsten vorkommende natürliche Disaccharid. Die Maltose entsteht aus Stärke und Glykogen, die unter der Einwirkung des Enzyms Amylase mit einer Ausbeute von etwa 80% in das Disaccharid Maltose gespalten werden. So kommt die Maltose in Pflanzenwurzeln und Pflanzenknollen, Blättern, in keimenden Getreidesamen und Keimanlagen der Kartoffel vor. Maltose ist ein Dimer der Glucose und trägt den systematischen Namen α-d-glucopyranosyl-(,)-d-glucopyranose. Die Maltose besteht also aus zwei Glucose-Einheiten (s. oben), die über die Kohlenstoffatome C und C verknüpft sind (Abb.8). Maltose Maltose Abb.8 Maltose: -D-Glucopyranosyl-(,)-D-Glucopyranose Ähnlich der Lactose ist auch bei der Maltose nur einer der beiden anomeren Kohlenstoffatome an der glycosidischen Bindung beteiligt. Das andere anomere Kohlenstoffatom ist nicht an dieser Bindung beteiligt und kann, ebenso wie die Lactose, eine Ringöffnung vollziehen. 9 Nach: RÖMPP nline, Stichwort Maltose (letzter Zugriff.03.0) 9

10 . Trehalose Trehalose kommt mit einem Massenanteil von 7% an der Trockensubstanz einiger Pilze und mit einem Anteil von % an der ligosaccharidfraktion in onig vor. Im Stoffwechsel von Insekten und anderen wirbellosen Tieren spielt die Trehalose eine ähnliche Rolle wie die D- Glucose im rganismus der Säugetiere. Des Weiteren ist die Trehalose bei Insektenlarven und efen ein Reservekohlenhydrat. Gewonnen wird die Trehalose durch die Isolierung aus efe, sowie durch enzymatische Spaltung von Maltose. Die Trehalose trägt den systematischen Namen α-d-glucopyranosyl-(,)-α-d-glucopyranosid und ist somit ebenso ein Dimer der Glucose, wie auch die Lactose. Anders als die Lactose sind die beiden Glucoseeinheiten jedoch über die jeweiligen Kohlenstoffatome C verknüpft (Abb.9) Abb.9 Trehalose: -D-Glucopyranosyl-(,)- -D-Glycopyranosid Wie man an der Struktur der Trehalose erkennen kann, sind die beiden anomeren Kohlenstoffatome an der glykosidischen Bindung beteiligt. Aus diesem Grund sind, wie bei der Saccharose, keine Ringöffnungen bei diesem Disaccharid möglich. Dadurch fällt auch die Fehling-Probe negativ aus. Die Trehalose hat keine reduzierenden Eigenschaften und beim Lösen in Wasser findet keine Mutarotation statt. Die Trehalose ist ein nicht reduzierender Zucker und besitzt somit auch keine α- bzw. β-form. 0

11 Didaktische Analyse: Einordnung in den Lehrplan: s. Versuchsprotokoll: Fehling-Glucose Einordnung dieses Versuchs: Durch diesen Versuch können die Schüler anhand der verschiedenen chemischen Eigenschaften Rückschlüsse auf die Struktur bzw. die Verknüpfungsarten der verschiedenen Zucker. Dabei kann auf das Vorwissen aus der Carbonyl- und Redoxchemie zurückgegriffen werden. Der apparative wie auch der zeitliche Aufwand dieses Versuchs sind relativ gering und die verwendeten Chemikalien dürfen laut essgiss -Datenbank von Schülern der Sekundarstufe SI und SII uneingeschränkt verwendet werden. Somit eignet sich dieser Versuch sowohl als Lehrer-Demonstrationsversuch als auch als Schülerversuch. Im Anschluss an diesen Versuch könnte die Spaltung eines Disaccharids besprochen werden, was zu einem besseren Verständnis zu Acetalbindungen führen kann. 0 Literaturangaben: Nelson D. & Cox M. (009). Lehninger Biochemie (. Auflage). Berlin eidelberg: Springer- Verlag. Streitweiser; A. & eathcock C.. & Kosower E.M. (99). rganische Chemie (. Auflage). Weinheim: VC Verlagsgesellschaft mb. Voet, D. & Voet J.G. & Pratt C.W. (00). Lehrbuch der Biochemie (X. Auflage). Weinheim: WILEY-VC Verlag Gmb & Co. KGaA. Vollhardt, K.P.C. & Schore N.E. (00). rganische Chemie (. Auflage). Weinheim: Wiley- VC Gmb & Co KGaA. Elektronische Quellen: essisches Gefahrstoffinfomationssystem Schule essgiss - 008/009, Version 3.0 RÖMPP nline, Version 3., verfügbar unter (lizenzpflichtig, zuletzt abgerufen am.03.00) Abbildungsverzeichnis: Alle Abbildungen dieses Protokolls wurden selbst angefertigt. 0 Vgl. hierzu: Versuchsprotokoll Spaltung von Saccharose und Polarimeter: Spaltung von Saccharose