Sechzehn kleine Aldohexosen Stellen Sie sich vor, von einer bestimmten Molekülstruktur können 16 verschiedene Stereoisomere vorkommen. Ohne moderne Geräte.

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1 Sechzehn kleine Aldohexosen Stellen Sie sich vor, von einer bestimmten Molekülstruktur können 16 verschiedene Stereoisomere vorkommen. Ohne moderne Geräte zur Strukturanalyse sollen Sie nun eine bestimmte Struktur finden. Dazu stehen Ihnen fünf bekannte Experimente (hier Puzzelsteine genannt) zur Verfügung. Ein einziges Mal dürfen Sie eine Annahme treffen (Joker), wobei die Wahrscheinlichkeit für deren Richtigkeit 50 % betragen muss. Genau in dieser Situation befand sich Emil Fischer am Ende des 19. Jahrhunderts, als er auf der Suche nach der Glucose war. Zur Charakterisierung und somit Unterscheidung der einzelnen reinen Substanzen dienten vorwiegend Schmelzpunkt und optische Drehung. Sie haben hier nun die Gelegenheit, dieses chemische Meisterstück nachzuvollziehen, wobei zu Beginn ein kleiner geschichtlicher Rückblick zur Einstimmung geboten wird! aus: ChiuZ 6; 2002; S. 390-402 Hinweis zum Gebrauch: Klicken Sie sich mit der Maus und nicht mit der Tastatur durch, da die interaktiven Schaltflächen sonst nicht funktionieren

2 Geschichte Emil Fischer begann 1884 mit seinen systematischen Untersuchungen an den Zuckern. Von den Zuckern mit Summenformel C 6 H 12 O 6 waren nur die Glucose (Traubenzucker), Galaktose und Fructose (Fruchtzucker) bekannt. Für die (-)-Fructose, ein Pentahydroxyketon wurde die Struktur in der damaligen Formelsprache folgendermassen wiedergegeben: CH 2 OH. CO. CH(OH). CH(OH). CH(OH). CH 2 OH Für die beiden Pentahydroxyaldehyde (+)-Galaktose und (+)-Glucose gab es nur eine mögliche Darstellung: COH. CH(OH). CH(OH). CH(OH). CH(OH). CH 2 OH

3 Geschichte Aus der Tatsache, dass es sich bei der Galaktose und der Glucose um zwei verschiedene Moleküle handelt, schlossen Le Bel und van‘t Hoff unabhängig voneinander, dass der Kohlenstoff eine tetraedrische Anordnung haben muss. van‘t Hoff erkannte daraus, dass es demnach 16 verschiedene Pentahydroxyaldehyde geben muss. Da diese zwei Chemiker nicht zum wissenschaftlichen Establishment gehörten, wurden sie unter anderem von einem gewissen einflussreichen Kolbe im Mai 1877 verspottet.

4 Geschichte Kolbe: „Ein Dr. J.H. van‘t Hoff, an der Tierarzneischule zu Utrecht angestellt, findet, wie es scheint, an exakter chemischer Forschung keinen Geschmack. Er hat es bequemer erachtet, den Pegasus zu besteigen (offenbar der Tierarzneischule entlehnt) und in seiner „La chimie dans l‘espace“ zu verkünden, wie ihm auf dem durch kühnen Flug erklommenen chemischen Parnass die Atome im Weltraum gelagert erschienen sind.“

5 Geschichte Emil Fischer hingegen übernahm die Theorie dieser zwei jungen Chemiker, und machte sich auf die Suche nach der Glucose. Dazu standen ihm sechs Puzzlesteine zur Verfügung. Einmal durfte er eine Joker ziehen, das heisst er konnte eine Annahme treffen, bei der die Wahrscheinlichkeit für deren Richtigkeit 50 % betrug. Sie haben nun die Möglichkeit, dieses Puzzle selber zu lösen, oder Fischers Gedanken nachzuvollziehen.

6 Preisfrage Emil Fischer 1852-1919; Nobelpreis 1902; Entwickler der Fischer-Projektion Welches ist die Glucose?

7 Alle Stereoisomere von C 6 H 12 O 6 (Aldohexosen)

8 Erster Puzzlestein + H 2 N-NH-C 6 H 5 verd. HAc, RT verd. HCl 0 °C verd. HNO 3 42 °C/8 h + 2 H 2 N-NH-C 6 H 5 - NH 3 - H 2 N-C 6 H 5 100 °C (+)-Mannit(+)-MannoseMannosephenylhydrazonMannosephenylosazon Der sechswertige Alkohol Mannit war im Pflanzenreich schon lange bekannt. Fischer gelang die Synthese des entsprechenden Alkohols, den er Mannose nannte. Auf Grund des Schmelzpunktes des Phenylhydrazons war sofort klar, dass es sich dabei weder um die bekannte Glucose noch um die Galaktose handeln konnte, obwohl alle drei die gleiche Konstitution haben. Weiter gelang ihm, wie auch mit anderen Zuckern, die Umsetzung mit Phenylhydrazin. Die Addition dieser aromatischen Struktur hatte den Vorteil, dass er die Zucker durch mehrere Umkristallisationen rein gewinnen konnte. zurück

9 Zweiter Puzzlestein Die Umsetzung von Phenylhydrazin in der Wärme mit (+)-Mannose und (+)-Glucose lieferte das gleiche Osazon mit Schmelzpunkt 205 °C. + H 2 N-NH-C 6 H 5 (+)-Mannose(+)-Glucose Osazon zurück

10 Dritter Puzzlestein (+)-MannoseMannonsäureMannarsäure(+)-GlucoseGluconsäureGlucarsäure Br 2 /H 2 O HNO 3 (+)-Mannose und (+)-Glucose lassen sich zu den optisch aktiven Mannarsäure und Glucarsäure oxidieren zurück

11 Vierter Puzzlestein (+)-Glucose(+)-Glucarsäure(+)-GlucarsäurelactonGulonsäure(+)-Gulose Durch Eindampfen der Glucarsäure kam Fischer zu einem Lacton (Ringverbindung mit einem Sauerstoff), das er mit Na-Amalgam wieder zu einem primären Alkohol reduzieren konnte. Zuletzt konnte er die Carboxylgruppe zum Aldehyden reduzieren, und kam so zu einem bisher noch unbekannten Zucker. Da es sich dabei um ein Kopf-Schwanz-Isomeres der Glucose handelt (aus der Aldehydgruppe wurde eine endständige CH 2 OH-Gruppe und aus der endständigen CH 2 OH-Gruppe wurde eine Aldehydgruppe, während alle anderen Kohlenstoffe unverändert blieben), vertauschte Fischer den u und den l in der Glucose und kam so zum neuen Namen: „Gulose“ zurück

12 Fünfter Puzzlestein HNO 3 1989 gelang Tollens die Strukturaufklärung der Pentose (+)-Xylose aus Holz. Fischer oxidierte sie zur optisch inaktiven Xylarsäure. (+)-Xylose(+)-Xylarsäure zurück

13 Sechster Puzzlestein HCN +2 H 2 O - NH 3 Reduktion (+)-XyloseCyanhydrinGulonsäure(-)-Gulose Durch eine Reaktionssequenz konnte Fischer aus einer Pentose eine Hexose machen, ohne die drei optisch aktiven C‘s der Pentose zu beeinflussen. zurück

14 Tipp Hat ein Kohlenhydrat eine meso-Struktur, ist er optisch inaktiv. Diese Struktur ist dadurch ersichtlich, dass durch das Molekül eine Spiegelebene gelegt werden kann. Beispiel: Der Grund liegt darin, dass es immer ein optisch aktives C gibt, das ein zweites mit genau der umgekehrten Konfiguration hat. Spiegelebene

15 Zusammenfassung der Puzzlesteine Mannit konnte zu Mannose, einem Stereoisomeren der Glucose oxidiert werden Mannose und Glucose bildeten ein Osazon Glucar- und Mannarsäure waren optisch aktiv Glucose konnte in Gulose umgewandelt werden Xylarsäure war optisch inaktiv Xylose konnte in Gulose überführt werden

16 Welches ist nun die Glucose? 1a2a3a4a5a6a7a8a 1a*2a*3a*4a*5a*6a*7a*8a*

17 Falls Sie ehrgeizig genug sind, müssen Sie hier nun aufhören, und die Glucose selber finden! Ein einziges Mal dürfen Sie einen Joker ziehen, aber nur, wenn die Wahrscheinlichkeit mindestens 50 % beträgt! Viel Spass Ich weiss die Struktur der Glucose Ich möchte Fischers Lösungsweg nachvollziehen Ich möchte noch einmal alle Puzzelsteine durchgehen

18 Meine Lösung 1a 2a 3a 4a 5a 6a 7a 8a 1a* 2a* 3a* 4a*5a* 6a* 7a* 8a* Ich gebe auf und möchte trotzdem Fischers Lösungsweg nachvollziehen Ich möchte noch einmal alle Puzzelsteine durchgehen

19  Sorry, once again  zurück

20 Puaaaaahhhhhhhhhhhhh; great!!!!!! das wär‘s

21 Erster Schritt Auf Grund des ersten Puzzlesteins ( ) ist die (+)-Mannose ein Diastereomer der (+)-Glucose Auf Grund des zweiten Puzzlesteins ( ) unterscheiden sich (+)-Mannose und (+)-Glucose nur in der Konfiguration des C2 Diese strukturelle Beziehung bleibt bei den beiden Zuckersäuren ( ) erhalten

22 Zweiter Schritt In einem chemischen Gedankenexperiment werden alle Aldohexosen zu den entsprechenden Zuckersäuren oxidiert: 1b2b3b4b5b6b7b8b 1b*2b*3b*4b*5b*6b*7b*8b*

23 und welcher Zucker??? Zweiter Schritt Ein Vergleich zeigt, dass einige Zuckersäuren zwei Mal vorkommen. Da Fischer-Formeln um 180° gedreht werden dürfen, kann so nach Dubletten gesucht werden. 1b2b3b4b5b6b7b8b 1b*2b*3b*4b*5b*6b*7b*8b*

24 und welcher Zucker??? Zweiter Schritt Ein Vergleich zeigt, dass einige Zuckersäuren zwei Mal vorkommen. Da Fischer-Formeln um 180° gedreht werden dürfen, kann so nach Dubletten gesucht werden. 1b2b3b4b5b6b7b8b 2b*3b*4b*5b*6b*7b*8b*1b* (1b)

25 und welcher Zucker??? Zweiter Schritt Ein Vergleich zeigt, dass einige Zuckersäuren zwei Mal vorkommen. Da Fischer-Formeln um 180° gedreht werden dürfen, kann so nach Dubletten gesucht werden. 1b2b3b4b5b6b7b 2b*3b*4b*5b*6b*7b*8b* 8b (2b) 1b* (1b)

26 und welcher Zucker??? Zweiter Schritt Ein Vergleich zeigt, dass einige Zuckersäuren zwei Mal vorkommen. Da Fischer-Formeln um 180° gedreht werden dürfen, kann so nach Dubletten gesucht werden. 1b2b3b4b5b6b7b 2b*3b*4b*6b*7b*8b*5b* (3b)1b* (1b) 8b (2b)

27 und welcher Zucker??? Zweiter Schritt Ein Vergleich zeigt, dass einige Zuckersäuren zwei Mal vorkommen. Da Fischer-Formeln um 180° gedreht werden dürfen, kann so nach Dubletten gesucht werden. 1b2b3b4b5b6b7b 2b*3b*4b*6b*7b*8b*1b* (1b) 8b (2b) 5b* (3b)

28 und welcher Zucker??? Zweiter Schritt Ein Vergleich zeigt, dass einige Zuckersäuren zwei Mal vorkommen. Da Fischer-Formeln um 180° gedreht werden dürfen, kann so nach Dubletten gesucht werden. 1b2b3b4b5b6b7b 2b*4b*6b*7b*8b*1b* (1b) 8b (2b) 5b* (3b)3b* (5b)

29 und welcher Zucker??? Zweiter Schritt Ein Vergleich zeigt, dass einige Zuckersäuren zwei Mal vorkommen. Da Fischer-Formeln um 180° gedreht werden dürfen, kann so nach Dubletten gesucht werden. 1b2b3b4b5b6b7b 2b*4b*6b*7b*8b*1b* (1b) 8b (2b) 5b* (3b)3b* (5b)

30 und welcher Zucker??? Zweiter Schritt Ein Vergleich zeigt, dass einige Zuckersäuren zwei Mal vorkommen. Da Fischer-Formeln um 180° gedreht werden dürfen, kann so nach Dubletten gesucht werden. 1b2b3b4b5b6b7b 2b*4b*6b*8b*1b* (1b) 8b (2b) 5b* (3b)3b* (5b)7b* (7b)

31 und welcher Zucker??? Zweiter Schritt Ein Vergleich zeigt, dass einige Zuckersäuren zwei Mal vorkommen. Da Fischer-Formeln um 180° gedreht werden dürfen, kann so nach Dubletten gesucht werden. 1b2b3b4b5b6b7b 2b*4b*6b*1b* (1b) 8b (2b) 5b* (3b)3b* (5b)7b* (7b)8b* (2b*)

32 und welcher Zucker??? Zweiter Schritt Ein Vergleich zeigt, dass einige Zuckersäuren zwei Mal vorkommen. Da Fischer-Formeln um 180° gedreht werden dürfen, kann so nach Dubletten gesucht werden. 1b2b3b4b5b6b7b 2b*4b*6b*1b* (1b) 8b (2b) 5b* (3b)3b* (5b)7b* (7b)8b* (2b*)

33 Zweiter Schritt 1b2b3b4b5b6b7b 2b*4b*6b*1b* (1b) 8b (2b) 5b* (3b)3b* (5b)7b* (7b)8b* (2b*)

34 Zweiter Schritt Da sowohl Mannarsäure als auch Glucarsäure optisch aktiv ( ) sind, kommen keine meso-Formen in Frage 1b2b3b4b5b6b7b 2b*4b*6b* welches sind meso-Formen??? 1b* (1b) 8b (2b) 5b* (3b)3b* (5b)7b* (7b)8b* (2b*)

35 Zweiter Schritt 2b3b4b5b6b 2b*4b*6b* 8b (2b) 5b* (3b)3b* (5b)8b* (2b*) Da waren‘s nur noch zwölf!!!

36 Dritter Schritt 2b3b4b5b6b 2b*4b*6b* 8b (2b) 5b* (3b)3b* (5b)8b* (2b*) Da sich Mannar- und Glucarsäure nur in der Konfiguration des C2 unterscheiden (C3 bis C5 sind identisch ( ) ), können auch die entsprechenden Zucker gestrichen werden welche Zucker unterscheiden sich zu den bereits gestrichenen nur im C2???

37 und die entsprechenden identischen Moleküle??? Dritter Schritt 2b3b4b5b6b 2b*4b*6b* 8b (2b) 5b* (3b)3b* (5b)8b* (2b*) Da sich Mannar- und Glucarsäure nur in der Konfiguration des C2 unterscheiden (C3 bis C5 sind identisch ( ) ), können auch die entsprechenden Zucker gestrichen werden

38 Dritter Schritt 3b4b5b6b 4b*6b* Da waren‘s nur noch acht!!! 5b* (3b)3b* (5b)

39 Dritter Schritt Entsprechend den Zuckersäuren kommen also nur noch folgende Hexosen als Mannose oder Glucose in Frage: 3a4a5a6a 4a*6a*3a*5a*

40 Vierter Schritt (+)-Glucose kann in (+)-Gulose umgewandelt werden ( ) Wird ein Zucker durch eine Kopf-Schwanz- Isomerisierung in sich selbst überführt, kann er weder Glucose noch Gulose sein (Fischer fand zwei Zucker mit unterschiedlichen Eigenschaften)

41 Vierter Schritt 3a4a5a6a4a*6a* Zeichnen Sie alle Kopf-Schwanz-Isomere 3a*5a*

42 Vierter Schritt 3a4a5a6a4a*6a* Gleiche Struktur? Grün: nein; Rot: ja! 3a*5a*

43 Vierter Schritt 3a4a5a6a4a*6a* Gleiche Struktur? Grün: nein; Rot: ja! 3a*5a*

44 Vierter Schritt 3a5a6a4a*6a* Gleiche Struktur? Grün: nein; Rot: ja! 3a*5a*

45 Vierter Schritt 3a5a6a4a*6a* Gleiche Struktur? Grün: nein; Rot: ja! 3a*5a*

46 Vierter Schritt 3a5a4a*6a* Gleiche Struktur? Grün: nein; Rot: ja! 3a*5a*

47 Vierter Schritt 3a5a4a*6a* Gleiche Struktur? Grün: nein; Rot: ja! 3a*5a*

48 Vierter Schritt 3a5a6a* Gleiche Struktur? Grün: nein; Rot: ja! 3a*5a*

49 Vierter Schritt 3a5a6a* Gleiche Struktur? Grün: nein; Rot: ja! 3a*5a*

50 Vierter Schritt 3a5a3a*5a* Da waren‘s nur noch vier!!!

51 J o k e r

52 Die (+)-Glucarsäure kann sowohl als Stammverbindung der (+)-Glucose als auch der (+)-Gulose angeschaut werden ( ) Von den noch übrigbleibenden vier möglichen Strukturen für die Glucose ergeben sich zwei mögliche Strukturen für die (+)-Glucarsäure

53 Joker 5a 3a* 3a 5a* Spiegelebene Glucarsäure Enantiomer IEnantiomer II Fischer sah keine experimentelle Möglichkeit, die zwei Enantiomere zu unterscheiden. Er wählte willkürlich die linke Form als die (+)-Glucarsäure aus (Joker!!!). Da sie das Licht nach rechts drehte, gab er ihr den D (dextro) als Präfix. Alle Zucker wurden dementsprechend auf dieser Konfiguration aufbauend mit D oder L (laevo) bezeichnet

54 Joker Da waren‘s nur noch zwei!!! 3a 5a*

55 Sechster Schritt Fischer konnte die Pentose zur optisch inaktiven Xylarsäure oxidieren, deren Struktur aber auch nicht bekannt war ( ) Seine Frage war nun: welche möglichen stereoisomeren Strukturen der Xylarsäure sind optisch inaktiv?

56 Sechster Schritt Schreiben Sie alle stereoisomeren Strukturen der Xylarsäure auf, und legen Sie eine Speigelebene durch die Moleküle Spiegelebene

57 Sechster Schritt Ist das optisch aktiv??? Nein: grün; ja: rot Spiegelebene

58 Sechster Schritt Ist das optisch aktiv??? Nein: grün; ja: rot Spiegelebene

59 Sechster Schritt Ist das optisch aktiv??? Nein: grün; ja: rot Spiegelebene

60 Sechster Schritt Ist das optisch aktiv??? Nein: grün; ja: rot Spiegelebene

61 Sechster Schritt Spiegelebene In einem Gedankenexperiment werden nun diese zwei möglichen (+)-Xylosen wie im sechsten Puzzlestein zur (-)-Gulose umgewandelt ( )

62 Sechster Schritt Hinweis: nur für C2 und C4 sind die Konfigurationen jeweils gesichert Xylarsäure(+)-Xylose(-)-Gulose

63 Sechster Schritt Welches gemeinsame Strukturelement finden Sie in den zwei möglichen Konfigurationen der Gulose? (-)-Gulose Obwohl kein Kohlenstoff in der Xylarsäure bekannt ist, wissen wir nun, dass C2 und C4 gleich konfiguriert sein müssen. Also sind auch C3 und C5 in der Gulose gleich konfiguriert.

64 Sechster Schritt 3a5a* mögliche Formen für die Gulosedie zwei letzten übrig gebliebenen Aldohexosen welches ist die Gulose???

65 Sechster Schritt 3a Da war‘s nur noch eine Aldohexose!!!

66 Glucose ta tüüü ta Glucosekristalle unter dem Polarisationsmikroskop

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