Kohlenhydrate

Versuchsbeschreibungen

1) Löslichkeit in Wasser und in Ethanol

Die Löslichkeit der verschiedenen Kohlenhydrate prüften wir wie folgt:

Je eine Spatelspitze Glucose, Fructose, Maltose, Saccharose und Speisestärke füllten wir in die verschiedenen Reagenzgläser. Für jeden Stoff präparierten wir zwei Reagenzgläser, da wir den Versuch mit Wasser und mit Ethanol durchführen wollten. Die Reagenzgläser füllten wir nach und nach mit destilliertem Wasser auf, bis sie 10 ml enthielten, die übrigen fünf Reagenzgläser füllten wir mit Ethanol. Die Versuchsbeobachtungen können der Tabelle entnommen werden.

Die Monosaccharide lösen sich sehr gut in Wasser, wie auch die Disaccharide. Stärke ist ein Polyssaccharid, diese lassen sich nur schlecht in Wasser lösen.

In Ethanol lassen sich alle Stoffe ähnlich gut lösen, wenn auch es bei Maltose und bei Stärke schlechter gelingt. Dieses könnte darauf beruhen, dass sie beide aus mehreren Glucosemolekülen aufgebaut sind.

2) Reaktion mit Cerammoniumnitrat

Wie füllen je 2 ml der 5%igen Zuckerlösungen( Glucose, Fructose, Traubenzucker) mit Hilfe einer Pipette in Reagenzgläser. Die Zuckerlösungen säuern wir mit einem Tropfen Salpetersäure an und tropfen nun mit Hilfe einer Tropfpipette nach und nach Cerammoniumnitrat-Reagenz hinzu .Cerammoniumnitrat-Reagenz stellt man wie folgt her:

10g Cerammoniumnitrat werden in 25 ml 13%iger Salpetersäure unter schwacher Erwärmung gelöst.

Das Versuchsergebnis in Form der Farbveränderungen stelle ich wiederum in einer Tabelle dar.

Aufgrund von vermutlich unterschiedlicher Konzentration der Zuckerlösungen haben Glucose und Traubenzucker nicht das gleiche Versuchsergebnis. Da die Stoffe aber identisch sind, sollte eigentlich bei beiden Stoffen eine Farbveränderung ins rote eintreten.

Die Reaktion mit Cerammoniumnitrat-Reagenz wird sonst auch zum Nachweis von Hydroxygruppen in Alkoholen angewendet. Dabei werden einzelne Nitrate aus dem Cerammoniumnitratmolekül herausgelöst und durch OH-Gruppen des Zuckers ersetzt. Dabei färbt sich die Lösung rot.

3) Reaktion mit Fehlingreagenz

Wir füllen je eine Spatelspitze der Kohlenhydrate ( Glucose, Fructose, Saccharose, Maltose, Puderzucker, Traubenzucker, Haushaltszucker) zusammen mit 3 ml destilliertem Wasser in Reagenzgläser. Danach versetzten wir die verschiedene Zuckerlösungen mit je 3 ml Fehlingreagenz, die zu gleichen Teilen aus der Fehlingeschen Lösung I und Fehlingeschen Lösung II bestehen. Das Gemisch nimmt die bläuliche Farbe der Fehlingschen Lösung an. Daraufhin erwärmen wir die Reagenzgläser im Wasserbad und konnten dabei folgende sich auf die Farbveränderung beziehende Beobachtungen machen. Während der Erwärmung trugen wir Schutzbrillen, da Spritzgefahr besteht.

Die reduzierenden Saccharidlösungen(Glucose, Fructose, Maltose, Traubenzucker) werden zu Säuren oxidiert. Das Kupfer(II)oxid wird zu roten Kupfer(I)oxid reduziert. Hiermit weisen wir freie Aldehydgruppen nach. Saccharose ist gleich dem Puderzucker und dem Haushaltszucker, ihre Aldehydgruppe ist blockiert, aus diesem Grund findet keine Reaktion statt. Reaktionsbeispiel anhand der Glucose:

4) Tollens-Probe

In sieben neue (fettfreie) Reagenzgläser gaben wir je 2,5 ml Silbernitratlösung. Nun tropften wir Ammoniaklösung hinein, bis sich der gerade gebildete Niederschlag durch Schütteln noch wieder auflösen ließ. Daraufhin gaben wir in jedes Reagenzglas 3 ml der Saccharid-Lösungen (Glucose, Fructose, Maltose, Puderzucker, Traubenzucker und Haushaltszucker). Nach vorsichtigem Schütteln erwärmten wir die Lösungen in einem Becherglas mit heißem Wasser. Folgende Verfärbungen wurden sichtbar:

Durch den Vergleich mit den andere Kursteilnehmern stellten wir fest, dass wir wohl leider einen Fehler gemacht hatten, da normalerweise auch bei Saccharose und Puderzucker keine Verfärbung eintreten dürfen.

Die Tollens-Probe dient wie die Fehling-Probe dem Nachweis von Aldehyden. Hierbei wird aus der Silbersalzlösung in Gegenwart des Aldehyds ein Silberspiegel abgeschieden.

5) TROMMERsche Probe

Wir geben je eine Spatelspitze der Saccharide( Glucose, Fructose, Saccharose, Maltose, Puderzucker, Traubenzucker und Haushaltszucker) in die Reagenzgläser. Hinzukommen 2 ml destilliertes Wasser, 4 ml verdünnte Natronlauge und 1 ml 10%iger Kupfersulfatlösung. Die Gemische werden geschüttelt und im Wasserbad erwärmt. Wiederum ließen sich Farbveränderungen feststellen. Durch die Kupfersulfatlösung waren die Gemische vor dem Erwärmen alle blau.

Wie auch bei der Fehlingschen Probe wird ein roter Kupfer(I)oxid hergestellt. Allerdings reagieren diesmal Fructose nicht und im Gegensatz dazu Saccharose. Dies kann daran liegen, dass in diesem Fall keine En-Diol-Tautomerie auftritt. Hingegen wird die Saccharose in ihre Bestandteile Glucose und Fructose aufgespaltet und der Glucoseanteil reagiert mit dem Kupfersulfat.

6) Seliwanow-Reaktion

Von den drei Sacchariden (Glucose, Fructose, Saccharose) füllen wir in verschiedene Reagenzgläser je ein Gramm. Dann geben wir mit Hilfe einer Pipette 1 ml der 10%igen Salzsäure hinzu und versetzten dieses Gemisch mit einigen Kristallen Resorcin (1,3-Dihydoxbenzol). Danach erwärmen wir die drei Lösungen unter ständigem Schütteln über dem Bunsenbrenner. Folgende Farbveränderungen der anfangs klaren Flüssigkeiten konnten wir beobachten:

Nun bleibt dazu noch zu bemerken, das Fructose innerhalb einiger Sekunden seine Farbe veränderte, Saccharose hingegen erst längere Zeit erwärmt werden musste.

Bei diesem Versuch reagiert die Ketongruppe der Fructose. Durch die Erwärmung wird die Saccharose wiederum in Fructose und Glucose umgewandelt. Damit lässt sich die unterschiedliche Reaktionsschnelle deuten.

7) Reaktion mit Iodat-I-Lösung

Wir lösen jeweils eine Spatelspitze Glucose und Fructose in 1 ml destilliertem Wasser. In einem separaten Reagenzglas versetzen wir 5 ml Iod-Kalium-Iodlösung mit 29 Tropfen verdünnter Natronlauge. Hierbei entstehen Natriumiodat-I, das eine honiggelbe Farbe hervorruft. Diese Lösung teilen wir gleichmäßig auf 2 Reagenzgläser auf, wobei wir uns auf unser Augenmaß verlassen. Nun geben wir in diese zwei Reagenzgläser die Saccharidlösungen hinzu.

Dabei konnten wir in Bezug auf die Reaktionsgeschwindigkeit folgende Beobachtung machen:

Da sich die Fructose aufgrund der En-Diol-Tautomerie in Glucose umwandeln kann, reagiert auch sie, allerdings zeitlich verzögert.

Arbeitsauftrag 1)

In den Experimenten gelingt es verschiedene Strukturelemente nachzuweisen. So gibt es die charakteristische Aldehydgruppe neben der Ketogruppe. Gleichzeitig sind alle Saccharide mehrwertige Alkohole.

Anhand des Experiment Nummer 3 lässt sich erkennen, dass reduzierende Gruppen in Glucose, Fructose und Maltose enthalten sein müssen. Die vormals blauen Kupfer-II-Ionen werden zu roten Kupfer-I-Ionen reduziert. Bei dem roten Niederschlag handelt es sich um CuO. Die Fehlinprobe haben wir schon früher zum Nachweis von Aldehygruppen verwendet, so können wir auch diesmal darauf schließen, dass in den drei genannten Stoffen Aldehydgruppen vorhanden sein müssen

Den Nachweis der OH-Gruppen erfolgt mit Experiment Nummer 2. Hierbei stellten wir fest, dass Fructose genauso reagierte, wie wir es von Alkoholen gewöhnt waren, bei denen wir mit Hilfe des Cerammoniumnitrates die Hydroxygruppe nachgewiesen hatten.

Schließlich gelingt es auch mit Experiment Nummer 6 der Seliwanow-Reaktion die Keto-Gruppe in der Fructose nachzuweisen.

Glucose enthält eine Aldehydgruppe, Fructose eine Ketogruppe.(siehe auch Arbeitsauftrag Nummer 2 ).

Nun bleibt also noch zu erklären, warum die Dissaccharide Maltose und Saccharose nicht gleich reagieren. Saccharose ist ein Zusammenschluss eines Glucose- und eines Fructosemoleküls. Die reduzierende Eigenschaft der beiden Moleküle ist aufgehoben, da die funktionelle Gruppe blockiert ist. Die Maltose hingegen, die aus zwei Glucosemolekülen entstanden ist, behält die reduzierende Eigenschaft bei.

Arbeitsauftrag Nummer 2)

Glucose und Fructose enthalten die gleichen Atome in ihrem Molekül, sie sind beide mehrwertige Alkohole mit fünf OH-Gruppen. Sie unterscheiden sich also nur aufgrund ihrer unterschiedlichen Bindungen. Glucose ist ein Aldehyd, während Fructose eine Ketogruppe enthält. Damit lässt auch die unterschiedliche Reaktion in einigen Experimenten erklären.

So reagiert in Experiment Nummer 2 wohl nur die Aldehydgruppe der Glucose mit dem Cerammoniumnitrat. Die Ketogruppe bleibt so, wie sie ist und aufgrund dessen, kommt es nur bei der Glucose zu einer Farbveränderung. Damit wäre dies die erste Möglichkeit diese beiden Stoffe von einander zu unterscheiden.

Bei der TROMMERschen Probe ist dies ähnlich.

Wiederum reagiert allein die Aldehydgruppe und die Ketogruppe bleibt außen vor. Hinzukommen noch die Seliwanowreaktion. Diesmal läuft es aber so herum ab, dass die Ketogruppe mit dem Dihydoxbenzol reagiert und die Farbe ändert.

Eines auf die Reaktionsgeschwindigkeit angewiesene Nachweisexperiment ist Experiment Nummer 7 mit der Iodat-I-Lösung. Hierbei reagiert Glucose innerhalb weniger Sekunden, während die Fructose bis zur Erreichung des gleichen Zustandes 2 Minuten braucht.

Außerdem ist die verschiedene optische Aktivität zu beachten. So enthält Glucose vier assymetrische Kohlenstoffatome, Fructose hingegen nur drei, wenn beide in der Kettenform vorliegen.

Arbeitsauftrag Nummer 3)

Fructose kann sich in Anwesenheit von Hydroxid-ionen in Glucose umwandeln. Dies geschieht über die nicht fassbare En-diol-Form.

Diese Umwandlung können wir in unserem letzten Experiment beobachten. Während die Glucose innerhalb kürzester Zeit zu einer Säure oxidiert wird, muss sich die Fructose zuerst in Glucose umwandeln, bevor diese dann auch zu einer Säure oxidiert werden kann.

Arbeitsauftrag Nummer 4)

Alle Kohlenhydrate haben die Summenformel C (H O). Sie besitzen neben mehreren Hydroxylgruppen auch eine Carbonylgruppe. Je nach Art kommt eine Aldehy- oder eine Ketogruppe noch hinzu.

So kann aus Propan über Glycerin durch Oxidation, ein Aldotriose wie auch ein Ketotriose entstehen. Durch das Zufügen weitere Kohlenstoffatome und Wassermoleküle erreicht man schließlich Glucose, wie auch Fructose.

Anhand der Stellung der vorletzten OH-Gruppe lässt sich bestimmen, ob es sich um die D- oder L-Form handelt. Das hier aufgeführte Beispiel ist die D-Form, da die OH-Gruppe auf der rechten Seite steht. Die Drehrichtung des Lichtes wird damit allerdings nicht angegeben. Sie wir durch ein + oder- gekennzeichnet, wobei+ rechtsdrehend bedeutet.

Bei den Saccharideen kann man eine Veränderung des spezifischen Drehwinkels beobachten, wenn man die Lösung einige Zeit stehen lässt. Diese Anderung des Drehwinkels bezeichnet man als Mutarotation. Deshalb wird angenommen, dass die Kettenform in einer cyclischen Halbacetalform übergeht. Der Sechsring entsteht durch eine Reaktion des C Atoms mit der Aldehydgruppe. Zwischen der cyclischen Form und der Kettenform besteht ein Gleichgewicht, Das heißt es sind stets beide Formen vorhanden, wobei aber die cyclische überwiegt.Bei dem Übergang von der Kettenform in die Ringform bildet sich auch ein neues assymetrisches Kohlenstoffatom heraus

Da die Moleküle aber nicht eben gebaut sind, ist die Wiedergabe des Moleküls mit Hilfe der sterischen Darstellung die genaueste. Je nachdem auf welcher Seite sich die OH-Gruppe befindet, unterscheidet man z.B. zwischen  und Glucose.

Quellen:

- B. König, H. Butenschön, Memofix Organische Chemie, Wiley-VCH,1997, S.226+233ff

- O.-A. Neumüller, Taschenlexikon der Chemie Band 1,Franckh`sche Verlagshandlung Stuttgart, 1977, S.328ff

- Franz Gold, Abiturwissen Chemie, Weltbild Kolleg,1998, S.194ff

- Hans Beyer, Lehrbuch der organischen Chemie, S.Hirzel Verlag Stuttgart,1973, 17. Auflage. S.357ff

- Schülerduden Die Chemie, Bibliographisches Institut,1982, S.199f

- Jakob-Hoffmann, Grundlagen der organischen Chemie, Band 1 C.C.BuchnersVerlag,1982,150ff

- Heribert Rampf, Organische Chemie, Mentor Verlag, 1983, 1. Auflage, S.79ff

- Christen, Einführung in die Chemie, Diesterweg Salle,1972, 7.Auflage, S.454ff

- Arnold Arni, Organische Chemie, enst Klett verlag, 1982, 2.Auflage, S.46f

- https:dc2.uni-bielefeld.de/dc2/haus/v061.htm