71 Grundlagen Glucose, Fructose, Saccharose Das wichtigste Monosaccharid Glucose C 6 H 12 O 6 ist eine Aldohexose, ein Zucker mit 6 C-Atomen, wobei eines in der Kettenform als Aldehydgruppe vorliegt. Chemisch gesehen ist der Zucker ein Polyhydroxyaldehyd, die OH-Gruppen verleihen ihm die von anderen Organika abweichende Wasserlöslichkeit und Unlöslichkeit in organischen Lösungsmitteln. Das Carbonyl-Kohlenstoffatom der Aldehydgruppe kann in einer reversiblen, nukleophilen Additionsreaktion (vgl. Versuch 9) mit Alkoholen Halbacetale bilden. Eine Beispielreaktion von Ethanal mit Methanol ist in Gleichung (1) dargestellt. Das gebildete Halbacetal ist nicht stabil und leicht durch Rückreaktion in die Edukte zu spalten. H 3 C O + H HO CH 3 H 3 C H OH O CH 3 (1) Anders als in Gleichung (1) gezeigt verläuft diese Reaktion bei Glucose intramolekular, d.h. nicht zwischen zwei Molekülen, sondern innerhalb eines Moleküls. Dafür stehen die OH- Gruppen des eigenen Moleküls zur Verfügung und es kommt zum Ringschluß. Vorwiegend werden 5- oder 6-gliedrige Ringe gebildet, die sehr stabil sind. Deshalb liegen Glucose und andere Monosaccharide als stabile, cyclische Halbacetale in der Natur vor. Diese werden als Furanosen (5-Ring-Struktur) oder Pyranosen (6-Ring-Struktur) klassifiziert. Beim nukleophilen Angriff (einer Hydroxylgruppe) an den Carbonylkohlenstoff der Aldehydgruppe kann es zur Ausbildung zwei neuer Moleküle kommen, weil dieser sp 2 - hybridisiert (siehe Abbildung 1) ist. Daher gibt es nur eine Kettenform, jedoch zwei Ringformen (α und β-) der Glucose (siehe Gleichung (2)) und anderer Monosaccharide. Abbildung 1: Darstellung der planaren Konfiguration der Aldhydgruppe und sich daraus ergebende Angriffmöglichkeiten für nukleophile Angriffe, z.b. einer OH-Gruppe, von zwei Seiten.
72 (2) β-d-glucose Kettenform α-d-glucose Aus einem nicht chiralen (siehe Abschnitt Isomerie) Kohlenstoffatom können also zwei verschiedene Enantiomere gebildet werden. Daher nennt man solche Stellen enantiotop. Das neue chirale Kohlenstoffatom nimmt also eine Sonderstellung ein, weil es die Konfiguration des Ringes vorgibt. Daher nennt man es anomeres C-Atom. ACHTUNG Das anomere C-Atom von α- und β-glucose verhält sich wie Bild und Spiegelbild, die Stoffe sind aber keine Enantiomere, weil auch die Konfiguration der weiteren C-Atome betrachtet werden muss! Wie bereits erwähnt sind Halbacetal instabil. Daher sind die drei Formen der Glucose ineinander überführbar. Der Prozess nach Gleichung (2) läuft ab, wenn reine α-d-glucose bzw. β-d-glucose in Wasser gelöst werden. Diesen Prozess nennt man Mutarotation. Sie wandeln sich ineinander um, bis ein (dynamischer) Gleichgewichtszustand erreicht ist. Die thermodynamisch stabilere β-d-glucose liegt im Gleichgewicht in höherer Konzentration vor. Grund dafür ist die räumliche Struktur des Ringes. Die Strukturformeln für die Saccharide sind als ebene Ringe gezeichnet. Dies ist jedoch nur eine notwendige und übliche Vereinfachung. Es handelt sich aber um gesättigte Verbindungen, deren Strukturbasis der Tetraeder an allen sp 3 -hybridisierten C-Atomen ist. Sie nehmen als 6- gliedrige Ringe (Pyranosen) die energiearme Sesselform ein, die von den Cyclohexankonformationen bekannt ist, dabei sind die größeren Substituenten äquatorial angeordnet ( 4 C 1 -Konformation für D-Glucose). 5-gliedrige Ringe (Furanosen) sind nahezu eben. Da bei äquatorialer Anordnung der größten Gruppen von α und β-glucose in Falle der β-glucose mehr Gruppen äquatorial gestellt sind (siehe Abbildung 2), ist diese Form thermodynamisch stabiler als die α-form. Abbildung 2: Gegenüberstellung der vorherrschenden Sesselkonfigurationen von D-Glucose. Die Unterschiede zwischen α- und β-glucose sind erheblich bei der Biosynthese der wichtigen Polysaccharide. So wird Stärke aus α-d-glucose-, Cellulose aus β-d-glucose- Struktureinheiten aufgebaut. In der Natur können Enzyme, vereinfacht betrachtet, eine Seite
73 beim Ringschluss blockieren und damit die Bildung nur einer Form veranlassen. Damit hat die Struktur des Enzymsubstrates eine entscheidende Rolle auf die Umsetzung am Enzym und damit z.b. auf die Wirkung der Chemikalie oder des Naturstoffes. Das Monosaccharid Fructose (Fruchtzucker, C 6 H 12 O 6 ) ist eine Ketohexose. Die Carbonylgruppe (>C=O) in einem Keton hat aber die gleiche Eigenschaft wie in einem Aldehyd. Auch sie kann ein intramolekulares Halbacetal (exakt: Halbketal) bilden (siehe Gleichung (3)); uns interessiert hier nur die β-form. (3) D-Fructose Kettenform β-d-fructose Das Disaccharid Saccharose (Abbildung 3) ist die der Natur entnommene "Reinstchemikalie" Rohrzucker (identisch mit Rübenzucker) und wird von der Natur durch Verknüpfung der α-d-glucose mit der β-d-fructose als Furanose gebildet. Formal wird dabei Wasser abgespalten und die Moleküle über eine glycosidische Bindung miteinander verknüpft. Chemisch handelt es sich bei der Disaccharidbildung um die Umwandlung von Halbacetalen in die stabileren Acetale. Im Molekül der Saccharose sind beide Monosaccharide unter Beteiligung ihrer halbacetalischen OH-Gruppen verknüpft, Saccharose besitzt somit keine Halbacetal- Funktion mehr und ist deshalb ein nichtreduzierendes Disaccharid (vgl. Versuch 8)! Abbildung 3: Struktur von Saccharose (systematischer Name: β-d-fructofuranosyl-α-dglucopyranosid) Im Versuch wird die glycosidische Bindung des Disaccharids Saccharose hydrolytisch gespalten. Der zeitliche Fortgang dieser Spaltung wird durch Messung der Änderung des Drehwinkels verfolgt.!!!!!!
74 Isomerie Als Isomere werden Stoffe gleicher Summenformel, aber unterschiedlicher Struktur bezeichnet. Dazu zählen Konstitutionsisomere, die sich in der Stellung der Atome unterscheiden. Im Gegensatz dazu unterteilt man die Gruppe der Stereoisomere in weitere Gruppen. Stereoisomere unterscheiden sich generell nicht in ihrer Konstitution, aber in der räumlichen Anordnung ihrer Gruppen. Dabei ist die Gruppe der Konformationsisomeren in unserem Versuch zu vernachlässigen, weil die Rotation um Einfachbindungen bei Raumtemperatur in den allermeisten Fällen ungehindert ist. Im Gegensatz dazu ist die Gruppe der Konfigurationsisomeren von bedeutender Rolle in der Chemie. In diese Gruppe ordnen sich Enantiomere und Diastereomere ein. Zahlreiche organisch chemische Verbindungen, darunter auch wichtige Pharmaka und Naturstoffe, besitzen ein gesättigtes Kohlenstoffatom, an dem sich vier verschiedene Substituenten (= Reste) befinden. Ein solches C-Atom ist asymmetrisch, durch dieses wird das betreffende Molekül chiral, es dreht die Schwingungsebene linear polarisierten Lichts. Werden beispielsweise die Substituenten b und d in Abbildung 4 vertauscht, stellen wir fest, dass die damit geschaffene neue Struktur mit der alten nicht mehr deckungsgleich ist und somit 2 Stereoisomere (Enantiomere) vorliegen, die sich nur in der räumlichen Anordnung (Konfiguration) unterscheiden aber die gleiche Konstitution besitzen. Beide Stoffe verhalten sich wie Bild und Spiegelbild z.b. wie linke und rechten Hand. Deshalb bezeichnet man solche Moleküle auch als chiral (abgeleitet von griech.: cheir = Hand). Abbildung 4: Darstellung eines asymmetrischen C-Atoms und des Enantiomers beim Vertauschen zweier Substituenten. Enantiomere einer Verbindung sind in allen physikalischen Eigenschaften (Schmelzpunkt, Siedepunkt, Löslichkeit), bis auf eine optische Eigenschaft, gleich. Die charakteristische Eigenschaft jeweils eines Enantiomers ist es, die Ebene polarisierten Lichtes zu drehen und zwar um den gleichen Betrag nach rechts (+) oder nach links ( ). Der Stoff ist also optisch aktiv und diese Form der Stereoisomerie wird deshalb optische Isomerie (Chiralität) genannt. Die Gemische beider Formen im Verhältnis 1:1, wie sie bei Synthese nach Gleichung (1) anfallen, nennt man Racemate. Sie sind durch Kompensation ihrer Drehwerte optisch inaktiv. Für das Verständnis zum Versuch sollten Sie erkennen, dass die Zucker sogar mehrere asymmetrische C-Atome besitzen und deshalb optisch aktiv sein müssen. Darüber hinaus kann man auch sehen, dass das anomere C-Atom in der offenkettigen Glucose nicht chiral ist, wohl aber im gesättigten Zustand nach dem Ringschluss.
75 Zur Gruppe der Stereoisomere zählen weiterhin die Diastereomere. Dazu gehören beispielsweise cis/trans Isomere wie beim But-2-en. Aber auch α-d-glucose und β-d-glucose sind Diastereomere. Generell können sie in diese Gruppe alle Stereoisomere einordnen, die keine Enantiomere sind. Physikalische Aspekte, Messung von Polarisation(-sänderungen) Beschreibt man Licht über seinen Wellencharakter, so können senkrecht zur Ausbreitungsrichtung unendlich viele Schwingungsebenen (siehe Abbildung 5) gefunden werden. Bestimmte Materialien (z.b. Nicolsches Prismen) ermöglichen eine (lineare) Polarisation des Lichts, d.h. sie lassen nur eine Schwingungsebene des Lichts passieren. Chirale Moleküle sind in der Lage die Ebene polarisierten Lichtsum einen bestimmten Winkel zu drehen. Die Messung des Betrages erfolgt mit dem Polarimeter. Abbildung 5: Darstellung der verschiedenen Schwingungsebenen und Polarisation auf eine Schwingungsebene. Ein Polarimeter (Abbildung 6) ist ein Gerät, in welchem zwei gegeneinander verdrehbare Nicolprismen vor und nach einem Probenraum eingebaut sind. Das erste, der Lichtquelle nähere Prisma, nennt man den Polarisator; es ist fixiert. Das zweite ist der Analysator; es ist um seine optische Achse drehbar. Beobachtet wird in der Blickachse. Bei gekreuzten Nicolprismen, die genau im 90 o Winkel zueinander stehen ist das von der Lichtquelle ausgesandte Licht total gelöscht. Verdreht man den Analysator, so wird das Gesichtsfeld maximal aufgehellt, wenn die Nicolprismen parallel stehen. Bringt man eine chirale Substanz in den Strahl zwischen Polarisator und Analysator, so wird das, bei gekreuzten Nicolprismen, dunkle Gesichtsfeld heller. Die optische Aktivität bewirkt eine Drehung der Ebene des linear polarisierten Lichts, das nun nicht mehr genau senkrecht zum Analysator einfällt und demnach auch nicht mehr völlig aus gelöscht wird. Die Messung der optischen Aktivität erfolgt durch Drehen des Analysators, bis wieder totale Auslöschung festgestellt wird. Musste die Drehung im Uhrzeigersinn erfolgen, spricht man von einem positiven Drehwert, einer positiven optischen Aktivität. Erreicht man die maximale Verdunklung des Gesichtsfeldes durch Drehung des Analysators gegen den Uhrzeigersinn, so hat die Substanz einen negativen Drehwert.
76 Abbildung 6: Schematische Darstellung eines Polarimeters mit Natriumdampflampe (1), unpolarisiertem Lichtstrahl (2), Polarisator (3), polarisiertem Licht (4), Probe (5). Analysator (7) und Beobachter (8). Die Drehung polarisierten Lichts gehorcht Gleichung (4). Dabei muss beachtet werden, dass die gemessenen Drehwinkel temperatur-und wellenlängen-abhängig sind. Daher wird zur Belechtung eine Na-Dampf-Lampe verwendet, die zwei sehr nahe Wellenlängen (bei 590 nm) abstrahlt. α = [α] T l c (4) Dabei ist a der Drehwinkel (Messwert), l die Länge der Küvette und c die Konzentration der Probe. Die spezifische Drehung [α] T gibt den Drehwinkel bezogen auf 1 g aktive Substanz in 1 ml Lösung bei einer Schichtdicke von l dm an und ist damit eine Stoffkonstante. Da meist geringere Konzentrationen (angegeben in g/100 ml Lösung) gemessen werden, kann man die Gleichung leicht verändern und erhält Gleichung (5). α 100 [α] T = (5) l c Die spezifische Drehung für das monochromatische Licht einer Natriumdampflampe bei 20 o C wird als [α] D 20 angegeben und beträgt für Saccharose +66,5 o, für D-Glucose +52,7 o, für D-Fructose 92,4 o. Im Verlauf der Rohrzuckerinversion geht die Rechtsdrehung (verursacht durch überwiegenden Anteil von Saccharose) in eine Linksdrehung (durch ein Gemisch aus Fructose und Glucose) über. Aus diesem Grunde wird die Hydrolyse des Rohrzuckers auch als Inversion (Umkehrung, der Drehrichtung) und das entstehende äquimolare Gemisch aus D-Glucose und D-Fructose als Invertzucker (!!"! = 19,85 =!!( 92,4 + 52,7 ))! bezeichnet. Kinetik chemischer Reaktionen Um die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen einordnen zu können, definiert man die Reaktionsgeschwindigkeit. Sie ist die Änderung der Konzentration eines Stoffes c pro Zeiteinheit t (Gleichung (6)).!! =!!!!" (6) Je nach Reaktion ist die Reaktionsgeschwindigkeit von einer oder mehreren Konzentrationen der beteiligten Stoffe abhängig, selten besteht auch keine Abhängigkeit. Damit kann die Reaktionsgeschwindigkeit als Differentialgleichung ausgedrückt werden. Dies wird Geschwindigkeitsgesetz genannt. Für eine Reaktion 1. Ordnung ergibt sich beispielsweise folgendes differentielles Geschwindigkeitsgesetz (Gleichung (7)).
77!!!!" =!!! (7) Dabei ist k die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante. Welcher Ordnung eine Reaktion zugeordnet wird, entscheidet dabei die Summe des/der Exponenten der Konzentration des/der beteiligten Stoffe/s im differentiellen Geschwindigkeitsgesetz. ACHTUNG Die Ordnung einer chemischen Reaktion kann nur experimentell festgestellt werden! Die im Versuch ablaufende Hydrolyse der glycosidischen Bindung der Saccharose verläuft säurekatalysiert (8). Die Katalyse ist ein der Spaltung vorgelagertes Protolysegleichgewicht, das sich sehr schnell einstellt. Von der Gesamtreaktion kann aber nur der langsamste Teilschritt gemessen werden. Das ist die Reaktion der protonierten Saccharose (SH + ) mit H 2 O, eine nukleophile Substitution (S N, vgl. Versuch 7 Teil 2). Die Konzentration der Protonen bleibt während der gesamten Reaktion konstant. (8) In die differentielle Geschwindigkeitsgleichung (9) gehen dann entsprechend der Bruttoreaktionsgleichung (8) nur die Konzentration der Saccharose c S und die Konzentration des Wasser c W ein. Der langsamste Schritt in Gleichung (8) ist eine bimolekulare Reaktion, d. h., 2 verschiedene Moleküle müssen zusammentreffen und sind am geschwindigkeitsbestimmenden Schritt beteiligt (S N 2, vgl. Versuch 7). Für eine solche Reaktion gilt das Zeitgesetz 2.Ordnung. Wasser ist aber in so großem Überschuss vorhanden, dass demgegenüber die Änderung von c W durch die Hydrolyse vernachlässigt und c W = konst. gesetzt werden kann und somit im Zeitgesetz in k einberechnet werden kann. Somit geht das Geschwindigkeitsgesetz in eine Gleichung für eine Reaktion 1.Ordnung über (Gleichung (9), sog. pseudomonomolekulare Reaktion). dc S = k' c S c W ; für c W = konstant: = k c S (9) dt 2.Ordnung dc S dt 1.Ordnung Integriert man Gleichung (9) (bestimmte Integration mit den Grenzen c 0 und c t an den Zeitpunkten t 0 und t), so erhält man Gleichung (10), die man als integriertes Geschwindigkeitsgesetz bezeichnet. c 0 ln = k (t t 0 ) (10) c t Im Prinzip kann also k bei Kenntnis von c 0 durch nur eine Konzentrationsmessung zur Zeit t (= c t ) bestimmt werden. Dies wäre aber selbst für geringe Ansprüche zu ungenau. Erst mehrere Konzentrationsmessungen zu bestimmten Zeiten, aus denen k graphisch oder rechnerisch ermittelt wird, zeigen, ob das postulierte Zeitgesetz erfüllt ist. In unserem Beispiel ist der abgelesene Drehwinkel proportional zur Konzentration der Saccharose. Im Folgenden werden verwendet:
78 α 0 = Drehwinkel der Saccharoselösung der Konzentration c 0 zur Zeit t 0 (im Experiment nicht direkt bestimmbar) α = Drehwinkel der vollständig hydrolysierten Saccharose (zur Zeit t ) α t = Drehwinkel zur Zeit t (jeweiliger Messwert) Daraus folgen die Annahmen für die jeweiligen Zeitpunkte: Zum Zeitpunkt t 0 liegen ausschließlich Saccharosemoleküle in der Lösung vor (α 0 ). Zum Zeitpunkt t liegen ausschließlich Glucose- und Fructosemoleküle in der Lösung vor (α ). Zum Zeitpunkt t liegen sowohl Saccharose-, als auch Glucose- und Fructosemoleküle in der Lösung vor (α t ). Damit ergeben sich die in Abbildung 7 gezeigten Ablesepositionen bzw. Drehwinkel im Polarimeter: Skizze A Skizze B Abbildung 7: Schematische Darstellung der Start- und Endwinkel (Skizze A), sowie der abzulesenden Messwerte (Skizze B). Bei der Berechnung ist zu beachten, dass alle Werte links von Nullpunkt ein Minuszeichen tragen! Es ergibt sich die Schlussfolgerung, dass sich α t α zur jeweiligen Konzentration der Saccharose c t proportional verhält (Abbildung 7, Skizze B). Da eine Kinetik die Konzentration eines Stoffes verfolgt ist dieser Messwert also der entscheidende. α 0 α entspricht damit der Gesamtkonzentration c 0 der eingesetzten Saccharose (Abbildung 7, Skizze A). Setzt man nun für c 0 = α 0 α und c t = α t α in (10) ein, so erhält man Gleichung (11). 1 α 0 α k = ln (11) t t 0 α t α
79 Auswertung Aus den abgeleiteten Gleichungen soll im Experiment aus einem Messwertsatz auf drei verschiedene Auswertemethoden k erhalten werden. In Auswertemethode I träg man ln(α t α ) über t auf. Im Falle eine Zeitgesetzes 1. Ordnung erhält man eine Gerade, die in x=0 den Wert ln(α 0 α ) liefert. Daraus berechnet man α 0! Weiterhin entspricht der Anstieg der Geraden k! Das hier erklärte Verfahren zur Prüfung der Reaktionsordnung und der Bestimmung der Geschwindigkeitskonstante k sowie der Ausgangsdrehwinkels α 0 bezeichnet man als Grafische Erprobung integrierter Zeitgesetze. In Auswertemethode II wird k direkt aus der Messreihe nach Gleichung (11) berechnet. Da α 0 kein Messwert ist nutzt man einen weiteren (beliebig anderen) Messwert. Man setzt in Gleichung (11) immer 2 (möglichst weit auseinanderliegende) Wertepaare von α t und t ein und erhält folgende Schrittformel: k = [1/t 2 t 1 ] [ln(α t1 α )-ln(α t2 α )] (12) Mit Hilfe der erhaltenen k-werte kann man auch auf α 0 zurück rechnen. Man spricht von der Numerischen (rechnerischen) Erprobung integrierter Zeitgesetze. In Auswertemethode III wird die Halbwertszeit (t ½ ) aus einer exponentiellen Auftragung von α t α über t. Die Halbwertszeit ist die Zeit in der sich die Konzentration der Saccharose halbiert. Im Experiment wird dafür der, zur Konzentration proportionale, Wert α t α genutzt. Die Zeit in der sich dieser Wert halbiert ist die Halbwertszeit, die mit Gleichung (13) zu k führt. k = ln 2 / t ½ (13) Diese Beziehung gilt ausschließlich für Zeitgesetze 1.Ordnung! Würde man also eine Abweichung vom exponentiellen Verlauf erkennen (was mit bloßem Auge nicht möglich ist), so könnte diese Methode nicht genutzt werden. Hier wird die Halbwertszeitmethode angewendet. (α erhält man einfach als Messwert von einer in der Hitze rasch und vollständig hydrolysierten Saccharoselösung.) Versuchsaufgaben Kinetische Untersuchung der Rohrzuckerinversion (8) mit folgenden Teilaufgaben: I. Bestimmung von k auf (linearen) graphischem Weg und graphische Ermittlung von α 0. II. Bestimmung von k auf rechnerischem Weg und rechnerische Ermittlung von α 0. III. Bestimmung von k auf (exponentiellem) graphischem Weg über die Halbwertszeit. IV. Diskustieren Sie ausführlich die Unterschiede der jeweiligen Auswertemethoden! Berücksichtigen Sie dabei, dass die gleiche Messwerte zugrunde liegen. Versuchsanleitung Zubehör: Polarimeter mit Natriumdampflampe und 2 Polarimeterrohren, 50 ml Pipette, Becherglas, 50 ml Maßkolben, Trichter, Wägeschiffchen, Glasstab, Vorratsflasche mit Saccharose, Spritzflasche mit destilliertem Wasser, Zimmerthermometer, 2 N HCl
80 Durchführung: I. Na-Dampflampe durch Betätigen des Schalters an der Drossel in Betrieb nehmen. II. 10 g Saccharose auf Wägeschiffchen einwägen und in den Messkolben überführen. Dazu wird der trockene Trichter auf den Messkolben aufgesetzt und durch ihn die Saccharose in den Messkolben überführt. Zuckerreste werden mit dest. Wasser (Spritzflasche) in den Kolben gespült. Achten Sie hierbei darauf, dass die Luft aus dem Messkolben gleichmäßig entweichen kann (Trichter etwas anheben) und dass beim Aufgeben des Wassers keine Saccharose durch Wegblasen verloren geht. Man füllt den Messkolben zunächst nur bis zur Hälfte, löst die Saccharose durch vorsichtiges Schütteln und gibt erst dann Wasser bis zur Eichmarke zu. Zum Durchmischen wird der Stopfen aufgesetzt, gut festgehalten und der Messkolbens mehrmals um 180 gekippt, so dass abwechselnd Schliff und Boden nach unten zeigen. III. Zum Üben der Ableseeinstellung am Polarimeter führt man einige Nullpunktablesungen so durch, dass man den Analysator (außen mit Gradeinteilung) einmal von links und das andere mal von rechts an den Nullpunkt herandreht. Es ist dabei auf gleiches Dunkelgelb der beiden Kreissegmente und des Mittelstreifens einzustellen. Ablesestellung bei Betrachtung der Probe Ablesestellung bei Betrachtung der Skala Während des Verfolgens des Reaktionsablaufes werden die Gradbruchteile mit Hilfe einer Nonius-Skala ermittelt (nebenstehende Abbildung). Informieren Sie sich bei der Vorbereitung auf diesen Praktikumversuch über das Ablesen von Dezimalbruchteilen mit Hilfe einer Nonius-Skala! Sie ist auch an älteren Messschiebern (Schublehren) zu finden! IV. 50 ml 2 N HCl in das Becherglas pipettieren. V. Man vereinigt Zuckerlösung und Salzsäure, rührt rasch durch, startet die Zeitmessung, spült das Polarimeterrohr mit einem kleinen Volumen dieser Lösung aus und füllt es dann ganz auf. (Polarimeterrohr nicht frei auf den Labortisch stellen, Bruchgefahr durch Umfallen). Das Polarimeterrohr darf bei der Messung des Drehwinkels keine Luftblase im Strahlengang enthalten. Achten Sie deshalb auf sachgemäßes Füllen des Polarimeterrohres (ggf. mit Wasser üben, s. Abbildung unten).
81 a) Schraubkappe b) Gummiring c) Deckglas Vorgehen: 1. Zusammenschrauben der Verschraubung 2. Füllen des Rohres (auf Dichtheit der unteren Verschraubung achten 3. Flüssigkeitsüberstand herstellen 4. Deckglas c aufschieben 5. Rohr mittels oberer Verschraubung verschließen. Das gefüllte Polarimeterrohr wird außen mit Wasser abgespült, gründlich abgetrocknet und stets nur vollkommen trocken in das Messgerät eingelegt! VI. Der Reaktionsbeginn (Zeit t = 0) wird vom Augenblick des Zusammenbringens (siehe Schritt V) der Lösungen gerechnet. Vom Vereinigen der Lösungen bis zur ersten Messung sollten nicht mehr als 5 Minuten vergehen. VII. Während der ersten Stunde misst man den Drehwinkel α t nach 5, 10, 15, 20 Minuten und dann alle 10 Minuten, während der zweiten Stunde nach je 20 Minuten. Nach insgesamt 100 Minuten Messzeit wird der Versuch beendet. VIII. Bestimmung von α (auch parallel zu VII): Während der Messung wird der Rest der Reaktionslösung 5-10 Minuten auf etwa 70 o C erhitzt. Spülen und trocknen Sie das Becherglas außen und am Boden bevor Sie es auf die Heizplatte stellen! Nach dem Erkalten auf Raumtemperatur wird der Drehwinkel bestimmt (zweites Polarimeterrohr benutzen). Zum Beschleunigen des Abkühlens können Sie das Becherglas von außen mit fließendem Wasser kühlen, rühren Sie dabei vorsichtig mit dem Thermometer um. IX. Nach Beendigung der Arbeiten sind alle Geräte, die mit Zuckerlösung in Berührung gekommen sind, erst mit Wasser und dann mit dest. Wasser zu reinigen. Vorsicht beim Öffnen der Polarimeterrohre; Deckgläschen brechen leicht beim Herabfallen! Gefahrstoffe und Entsorgung: HCl (2N) H290. Alle Lösungen in das Abwasser.
82 Aufgaben zur Vorbereitung: Erläutern Sie den molekularen Aufbau einfacher Zuckermoleküle! Welche Substanz ist das Bezugssystem aller D-konfigurierten Verbindungen? Welche funktionelle Gruppe ist für Monosaccharide und welche für Disaccharide charakteristisch? Weshalb ändert sich der Drehwinkel bei der hydrolytischen Spaltung der Saccharose? Formulieren Sie Ketten- und Ringform der D-Glucose (erstere in der FISCHER-Projektion)! Kennzeichnen Sie in beiden Formen die chiralen C-Atome! Welches davon bestimmt die Zugehörigkeit zur D-Reihe? Erklären Sie, wodurch sich α-d-glucose und β-d-glucose unterscheiden und wie sie sich bilden! Was versteht man bei Monosacchariden unter einem anomeren C-Atom? Welches Diastereomer ist thermodynamisch stabiler? Nennen Sie dafür den Grund! Erläutern Sie am Beispiel von 5 biochemisch wichtigen Isomeren mit der Summenformel C 3 H 6 O 3 das System der Isomerie organischer Verbindungen! Erklären Sie folgende Begriffe der Stereoisomerie: Konfiguration, Konfigurationsisomere, Enantiomere, Diastereomere, Konformere! Was versteht man unter Struktur-Wirkungsbeziehung? Erläutern Sie dazu an mindestens zwei Substanzen mit verschiedener Konstitution die unterschiedliche biologische Wirkung der Stereoisomeren (vgl. Folien M4/1 bzw. Bio 37)! Wie ist die Reaktionsgeschwindigkeit definiert? Welche kinetische Größe ist das Maß der chemischen Reaktivität eines Stoffes? Was ist die Ordnung einer chemischen Reaktion? Warum entsprechen Ihre Ergebnisse der Rohrzuckerinversion dem Zeitgesetz 1.Ordnung und nicht einem Zeitgesetz 2.Ordnung? Was ist der Katalysator dieser Reaktion? Erläutern Sie die Funktionsweise des Polarimeters! Was heißt, eine organische Substanz ist "linksdrehend"? Gibt es einen direkten Zusammenhang zwischen dem optischen Drehsinn und der Konfiguration der optisch aktiven Verbindung? Es sollte nur der beiliegende Vordruck für die Anfertigung des Protokolls genutzt werden! Diagramme sind auf Millimeterpapier zu zeichnen!
83 Name Gruppe Protokoll - Versuch 6: Rohrzuckerinversion Datum ϑ = T = Versuchsbedingungen C, (Raumtemperatur) K Messwerte Messwert α = Start der Messung: t t 0 [min] α t [ ] α t α [ ] 5 10 15 20 30 40 50 60 80 100 ln(α t α ) (auf 4 Dezimalstellen genau) Auswertung Methode I Aus Diagramm 1 bestimmt: m = k I = ln (α 0 α ) = α 0 = Methode II Mittels Gleichung (12) bestimmt: k 1 = k 4 = k 2 = k 5 = k 3 = k II = _ Mittels k und einem Messwert wurde über Gleichung (12) auf α 0 zurückgerechnet : Messwert: α 0 = Methode III
84 Aus Diagramm 2 bestimmt: t ½ = mit Gleichung (13) folgt k III = Diskussion Fehlerquellen
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