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Frage: Aus welchen Quellen kann Bioethanol gewonnen werden?

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Präsentation zum Thema: "Frage: Aus welchen Quellen kann Bioethanol gewonnen werden?"—  Präsentation transkript:

1 Frage: Aus welchen Quellen kann Bioethanol gewonnen werden?

2 Quelle: wikipedia Eine der Quellen für Bioethanol ist Mais (Zea mays). Kohlenhydrate Frage: Aus welchen Quellen kann Bioethanol gewonnen werden?

3 Quelle: mein-schoener-garten.deQuelle: wikipedia Quelle: neulichimgarten.de Für die Gewinnung von Bioethanol können wir rein theoretisch alle Bestandteile der Maispflanze verwenden – sowohl das Abfallmaterial (Blätter, Stengel und Wurzeln; links) als auch die Kolben (rechts).

4 Quelle: mein-schoener-garten.deQuelle: wikipedia Konzentrieren wir uns zunächst auf das organische Material, aus dem die Stengel und Blätter hauptsächlich bestehen. Den Hauptanteil an organischer Masse im Pflanzenmaterial macht bekanntlich die Cellulose aus.

5 Ausschnitt aus einem Cellulose-Molekül Die Abbildung zeigt einen Ausschnitt aus einem Cellulose-Molekül. Wir erkennen auf den ersten Blick folgendes: a)In einer langgezogenen Kette sind Sechsringe (in der stabilen Sesselkonformation vorliegend) über Brücken aus O-Atomen miteinander verknüpft. b) Nur fünf der Ringglieder sind Kohlenstoffatome. Das sechste Ringglied ist ein Sauerstoffatom. Sechsring in der Sesselkonformation O-Atom als Brücke zwischen Sechsringen O-Atom als Ringglied im Sechsring

6 Ein genauerer Blick auf die Abbildung läßt uns weiterhin erkennen: Dieses einzelne O-Atom im Sechsring und das O-Atom der Brücke zwischen diesem und dem benachbarten Sechsring Sind mit ein- und demselben C-Atom verknüpft!!! Auch wenn hier keine Ketten von C-Atomen vorliegen, sondern fünf der insgesamt sechs C-Atome pro Einheit sich in einem Ringsystem befinden, können wir die miteinander verknüpften C-Atome dennoch von 1 bis 6 durchnumerieren. Dieses ganz spezielle C-Atom, das durch zwei Einfachbindungen mit jeweils einem O-Atom verbunden ist, erhält dabei die Nummer 1, so daß für das einzige C-Atom, das außerhalb des Rings liegt, die Nummer 6 übrigbleibt. Ring-O-Atom Brücken-O-Atom C-Atom Nr.1, mit beiden O-Atomen verknüpft

7 * Und wenn wir noch genauer hinsehen, fällt uns folgendes auf: In dem Molekülausschnitt der Cellulose ist jedes der fünf C-Atome der betreffenden Ringe ein sogenanntes Stereozentrum (das zur optischen Hervorhebung üblicherweise mit einem Sternchen * gekennzeichnet wird). Stereozentrum bedeutet, daß als Grundvoraussetzung jedes dieser fünf C-Atome sp 3 -hybridisiert ist und somit vier Einfachbindungen ausbildet und daß weiterhin jede dieser vier Einfachbindungen das Stereozentrum mit einem Substituenten verknüpft, der sich von den anderen drei Substituenten in irgendeiner Form unterscheidet.

8 * Dieser Unterschied der vier Substituenten kann sich wie folgt zeigen: a)Es liegen Atome unterschiedlicher Elemente vor (im Fall von C-1 z.B. H, C und O) b)Es liegen zwar Atome des gleichen Elements vor (so ist C-1 z.B. zweimal mit einem O-Atom verbunden), aber das Molekülgerüst, das jenseits dieser gleichen Atome folgt, ist jeweils unterschiedlich (so ist das eine O-Atom, mit dem C-1 verbunden ist, Teil eines Sechsrings, während das andere O-Atom kein Teil eines Ringsystems darstellt).

9 Bekanntlich können Wiederkäuer Cellulose in Form von Gras verwerten – im Gegensatz zu uns Menschen. In den Mägen der Wiederkäuern befinden sich nämlich verschiedene Bakterienstämme, die bei der Aufspaltung der Cellulose in kleinere Bruchstücke zusammenarbeiten: Ein Bakterienstamm stellt das Enzym Cellulase zur Verfügung. Dieser Biokatalysator (nichts anderes ist ein Enzym nämlich) beschleunigt die Reaktion, in der ein Cellulose-Strang durch Wasser in kleinere Bausteine aufgespalten wird. In diesen Bausteinen sind nur noch zwei Sechsringe miteinander über eine O-Brücke verbunden. Der Name eines solchen Bausteins lautet Cellobiose (siehe Abbildung). Cellobiose Betrachten wir nunmehr den Abbau der pflanzlichen Gerüstsubstanz Cellulose:

10 Ein zweiter Bakterienstamm stellt ein Enzym zur Verfügung, das eine weitere Aufspaltung der Cellobiose mit Hilfe eines Wassermoleküls beschleunigt, nämlich die β–Glucosidase. Dieses Enzym sorgt dafür, daß das Wassermolekül die Brücke zwischen den beiden Sechsringen auf einem relativ energiearmen Weg aufspalten kann (genau dieser Umstand beschleunigt nämlich die Reaktion). Das Ergebnis dieser sogenannten Hydrolyse (altgriechisch: hydor = Wasser; lysis = Spaltung) sind zwei getrennte, aber von ihrer Struktur her identische Sechsring-Systeme. Wir haben hier eine der isomeren Formen des Traubenzuckers vorliegen, nämlich die β–D–Glucose (siehe Abbildung). β–D–Glucose Kann die Cellobiose (ein sogenanntes Disaccharid = ein Zweierzucker) in zwei kleinere Monosaccharid-Bausteine aufgespalten werden? Antwort: ja.

11 β–D–Glucose Alleine schon wegen seiner immensen Bedeutung als Brennstoff für das Gehirn müssen die Formeln der Isomeren des Traubenzuckers (es sind insgesamt drei; zwei ringförmige und eine offenkettige) jederzeit im Gedächtnis verankert sein. Ohne den Traubenzucker als Hirnnahrung könnten wir uns die Formeln nämlich gar nicht merken …

12 Quelle: wikipedia Quelle: neulichimgarten.de Was würden wir hingegen an Strukturmerkmalen auf molekularer Ebene erkennen, wenn wir die organische Materie der Maiskörner näher untersuchen? Der organische Hauptanteil eines Maiskorns ist bekanntlich die Stärke. Quelle: zuckerforschung.at

13 Amylose (20 – 30%) Amylopektin (70 – 80%) Nun – wir würden auf den ersten Blick Einiges an Gemeinsamkeiten entdecken: a) die Sechsringe, von denen jeder ein O-Atom als Bestandteil des Rings enthält, b) die O-Atome als Brücken zwischen den einzelnen Sechsringen, die als Glieder einer langen Kette miteinander verbunden sind, c) das sechste C-Atom, das sich außerhalb der Kette befindet und ebenfalls eine OH-Gruppe trägt. Bestandteile der Stärke

14 Amylose (20 – 30%) Amylopektin (70 – 80%) Beim genaueren Betrachten erkennen wir jedoch die Unterschiede: a) vom C-1 ausgehend weist das Brücken- O-Atom nicht schräg nach oben (relativ zur gedachten horizontalen Ringebene), sondern senkrecht nach unten; b) Stärke ist keine einheitliche Substanz, sondern besteht aus zwei Bestandteilen: der Amylose und dem Amylopektin; letzteres hat an manchen der C-Atome mit der Nummer 6 (im Schnitt an jedem 25. Sechsring der Kette) ebenfalls eine O- Brücke hin zu einem weiteren Sechsring. O-Brücke zwischen einem C-6 (!) eines Sechsrings und dem C-1 eines zweiten Sechsrings Die Bindung zwischen C-1 und dem Brücken-O-Atom weist senkrecht nach unten

15 Amylose (Bestandteil der Stärke, z.B. im Maiskolben) Cellulose (Fasern der Pflanzenreste) Vergleichen wir nochmals einen typischen Ausschnitt aus einem Stärkemolekül (hier: aus deren Bestandteil Amylose) mit einem Ausschnitt aus der Cellulose. In beiden Fällen liegt Traubenzucker (= D-Glucose) als Baustein vor. Der Unterschied auf molekularer Ebene zeigt sich in der Anordnung der Substituenten am C-1 – also dem speziellen C-Atom, das mit zwei O-Atomen über jeweils eine Einfachbindung verknüpft ist und das als anomeres Zentrum des Glucose-Sechsrings bezeichnet wird.

16 Betrachten wir in diesem Zusammenhang den Baustein der Stärke, die α –D-Glucose. Zwei der vom C-1 ausgehenden Bindungen liegen in der Papierebene. Eine davon ist die Bindung vom C-1 zum H-Atom. Dieses H-Atom wird in der abgekürzten Schreibweise normalerweise nicht mit eingezeichnet. Zur Verdeutlichung der räumlichen Ausrichtung ist es aber in der obigen Abbildung mit angegeben. α -D-Glucose Die Bindung zwischen C-1 und dem H-Atom liegt in der Papierebene … Wie sieht die räumliche Orientierung der vier Bindungen am C-1 genau aus?

17 Ein kleiner Einschub noch zur Geometrie der Zeichnung: Das H-Atom am C-1 nimmt in der hier vorliegenden Sesselkonformation des Sechsrings die sogenannte äquatoriale Position ein. Damit der 109,5°-Winkel des Tetraeders gewährleistet ist, liegt diese äquatoriale Bindung nicht exakt in der Horizontalen (wie der Ausdruck äquatorial im Grunde genommen vermuten läßt), sondern ragt um 19,5° von der Horizontalen weg. Im Fall des C-1 (äq. Bindung zum H-Atom), des C-3 (äq. Bindung zur OH-Gruppe) und des C-5 (äq. Bindung zum C-6) ragt die äquatoriale Bindung um diesen Wert von 19,5° nach oben weg. Im Fall des C-2 (äq. Bindung zur OH-Gruppe) und des C-4 (äq. Bindung zur OH-Gruppe) ragt die äquatoriale Bindung um diesen Wert nach unten weg. α -D-Glucose Die Bindung zwischen C-1 und dem H-Atom liegt in der Papierebene … 19,5°

18 Ebenfalls in der Papierebene liegt die Bindung zwischen C-1 und dem O-Atom der OH-Gruppe. Diese Bindung ragt in der Sesselkonformation des Sechsrings senkrecht nach unten. Sie ist also die axial ausgerichtete Bindung am C-1. Ebenfalls senkrecht nach unten zeigen die axialen Bindungen an den C-Atomen C-3 und C-5, während die axialen Bindungen am C-2 und C-4 senkrecht nach oben zeigen. In allen letztgenannten axialen Bindungen (C-2 bis C-5) ist der Bindungspartner ein (hier in der Abbildung nicht eingezeichnetes) H-Atom. α -D-Glucose Die Bindung zwischen C-1 und dem H-Atom liegt in der Papierebene … … und auch die Bindung zwischen C-1 und dem O-Atom der OH-Gruppe liegt in dieser Ebene

19 Nun kommen wir zu den Bindungen am C-1, die aufgrund der Tetraeder-Geometrie nicht in der Papierebene liegen können. Die Bindung zwischen C-1 und C-2 ist hier mit einem dickeren Keil wiedergegeben. Sie ragt dem Betrachter entgegen. Die Bindung zwischen C-1 und dem O-Atom des Sechsrings müssen wir uns als gestrichelt gezeichneten Keil vorstellen. Sie ragt vom Betrachter weg hinter die Papierebene. Die Bindung zwischen C-1 und dem Ring-O-Atom ragt vom Betrachter weg hinter die Ebene α -D-Glucose Die Bindung zwischen C-1 und C-2 ragt dem Betrachter entgegen

20 Wir müssen uns stets darüber im Klaren sein, daß dieser vermeintlich kleine Unterschied, ob die Bindung vom C-1 zum Brücken-O-Atom zwischen den Glucosebausteinen eine äquatoriale oder eine axiale Position einnimmt, enorme Auswirkungen auf das Ernährungsverhalten von Mensch und Tier hat: Wir Menschen können uns von Mais und Kartoffeln ernähren und dabei den Brennwert der Stärke nutzen. Deren Struktur beruht auf den Bausteinen des Traubenzucker-Isomers, dessen OH-Gruppe am C-1 nach unten ragt (= α -D-Glucose). Wäre unser Nahrungsangebot auf Cellulose beschränkt, deren Bausteine diejenigen Traubenzucker-Moleküle sind, deren OH-Gruppe am C-1 schräg nach oben zeigt (= β -D-Glucose), würden wir verhungern. Ein Ernährungsverhalten, das auf dem Fressen von Gras basiert, ist eben nur für Wiederkäuer möglich. α -D-Glucose Die Bindung zwischen C-1 und dem Ring-O-Atom ragt vom Betrachter weg hinter die Ebene Die Bindung zwischen C-1 und C-2 ragt dem Betrachter entgegen

21 Amylose (Bestandteil der Stärke, z.B. im Maiskolben) Cellulose (Fasern der Pflanzenreste) α-D-Glucose β-D-Glucose Hier nochmals beide Bausteine ( α -D-Glucose und β -D-Glucose) im Vergleich.

22 Amylose (Bestandteil der Stärke, z.B. im Maiskolben) Cellulose (Fasern der Pflanzenreste) α-D-Glucose β-D-Glucose

23 D-Glucose (Traubenzucker) Zur Wiedergabe des Glucose-Moleküls bietet sich, wie bereits auf den vorhergehenden Folien gezeigt, die zeitsparende Skelettschreibweise an. Wir beginnen (wie beim Cyclohexan) mit zwei parallel verlaufenden Strichen, die etwas versetzt zueinander gezeichnet werden. Dieser Exkurs kann dazu genutzt werden, das saubere Zeichnen eines Glucose-Moleküls zu üben.

24 D-Glucose (Traubenzucker) Schräg oberhalb und schräg unterhalb wird jeweils ein Punkt gesetzt.

25 D-Glucose (Traubenzucker) Bevor wir, wie beim Cyclohexan, die Enden der Linien mit den Punkten verbinden, sollten wir bei der Glucose das Elementsymbol des Ring-O-Atoms an das rechte obere Linienende einzeichnen.

26 Nun werden die Enden der Linien mit den Punkten verbunden. Der Sechsring aus fünf C-Atomen und einem O-Atom ist damit in der Sesselkonformation erstellt.

27 Wenn wir als gewünschtes Isomer die β –D-Glucose wählen, dann wird die OH-Gruppe am C-1 äquatorial (in diesem Fall schräg nach oben) gezeichnet.

28 Die räumlichen Orientierungen der weiteren OH-Gruppen am Ring können nicht willkürlich gewählt werden. Wir müssen alle drei OH-Gruppen an den C-Atomen C-2, C-3 und C-4 äquatorial einzeichnen, andernfalls hätten wir einen anderen Zucker gezeichnet, aber nicht die β –D-Glucose. Während die OH-Gruppe am C-2 äquatorial schräg nach unten zu zeichnen ist, …

29 … muß die OH-Gruppe am C-3 schräg nach oben gezeichnet werden …

30 … und die OH-Gruppe am C-4 wiederum schräg nach unten.

31 Nun wird das C-Atom Nr. 6 außerhalb des Rings gezeichnet, und zwar durch eine ebenfalls äquatorial gezeichnete Bindung (hier wiederum schräg nach oben).

32 Abschließend fehlt nur noch die OH-Gruppe am C-6. Das Molekül der β –D-Glucose ist damit vollständig wiedergegeben (in der abgekürzten Skelettschreibweise, wohlgemerkt).

33 Nicht vergessen: Wenn sich jemand dafür entscheiden sollte, von der abgekürzten Schreibweise abzuweichen und die Element- symbole für die C-Atome zu verwenden, dann müssen zwingend auch die Elementsymbole für die H-Atome angegeben werden! Die Keile am C-6 können selbstverständlich auch als normale Striche gezeichnet werden, ebenso wie die fett gezeichneten Bindungen von C-1 bis C-4 (die lediglich die dreidimensionalen Verhältnisse in der Sessel- konformation verdeutlichen sollen) als normale Striche präsentiert werden dürfen.

34 α –D-Glucose und β –D-Glucose sind beides farblose kristalline Feststoffe mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften wie z.B. Schmelzpunkten. In wässriger Lösung liegen diese beiden Isomeren zusammen mit einem dritten Isomeren (nämlich der sogenannten offenkettigen Form der D-Glucose) in einem Gleichgewicht vor. Die Einstellung dieses Gleichgewichts wird durch Zugabe von Säure wie z.B. Salzsäure beschleunigt, d.h. in der Umgebung der Glucose-Moleküle liegen Oxonium-Ionen H 3 O + vor (siehe Abbildung; diese Oxonium-Ionen bilden sich aus der Reaktion von Wasser mit dem Proton des HCl-Moleküls). Oxonium-Ion

35 Wie sich dieses Gleichgewicht einstellt, wenn wir z.B. reine β –D-Glucose in ein mit Wasser gefülltes Reagenzglas geben und einige Tropfen Salzsäure zusetzen, sollen diese und die folgenden Folien zeigen. Eines der beiden freien Elektronenpaare des O-Atoms eines Wasser-Moleküls greift am H-Atom der OH-Gruppe am C-1 der β –D-Glucose an und spaltet es als Proton von dieser OH-Gruppe ab (siehe Elektronenverschiebungspfeil ganz unten).

36 Das dadurch freiwerdende Bindungselektronenpaar zwischen dem O- und dem H-Atom der OH-Gruppe wird zwischen das O-Atom und das C-1 verschoben, wo es die π–Elektronen der neu entstehenden C=O-Doppelbindung ausbildet. Gleichzeitig (!) muß das Bindungselektronenpaar zwischen C-1 und dem Ring-O-Atom verschoben werden (gleichzeitig deshalb, weil das C-Atom niemals fünfbindig sein kann). Es bewegt sich hin zu einem der H-Atome des Oxonium-Ions und spaltet dieses H-Atom als Proton ab.

37 [= (2R,3S,4R,5R)-2,3,4,5,6-Pentahydroxyhexanal] Als Ergebnis dieser Verschiebung von Elektronenpaaren wird die offenkettige Form der D-Glucose ausgebildet, der man keinen griechischen Buchstaben zuordnet (die Buchstaben α und β sind ja für die beiden cyclischen Isomere reserviert), sondern die man einfach als offenkettige D-Glucose bezeichnet. Sie hat am C-1 eine Aldehydgruppe. Man beachte: das C-1 ist hier kein Stereozentrum mehr!

38 Ganz wichtig: wir haben in wässriger Lösung ein dynamisches Gleichgewicht, d.h. in Lösung bleibt ein Glucose-Molekül niemals unverändert als ein einziges Isomeres bestehen. Vielmehr werden cyclische Isomere ständig in offenkettige Isomere umgewandelt und umgekehrt. Die Abbildung zeigt uns die umgekehrten Schritte in Richtung einer Cyclisierung: Abspaltung des H-Atoms der OH- Gruppe am C-5 durch Wasser (siehe oben rechts) und Angriff des dadurch freigewordenen Bindungselektronenpaars zwischen O und H am C-Atom der aldehydischen C=O-Gruppe (welches durch den Einfluß des doppelt gebundenen stark elektronegativen O-Atoms elektronenarm ist).

39 Aus dem bekannten Grund (Vierbindigkeit des Kohlenstoffs) muß gleichzeitig das π–Elektronenpaar der C=O-Bindung hin zu einem H-Atom eines benachbarten Oxonium-Ions verschoben werden. Das Bindungselektronenpaar der betreffenden O-H-Bindung des Oxonium-Ions wird dadurch zu einem freien Elektronenpaar eines Wasser-Moleküls (unterer Elektronenverschiebungspfeil).

40 Richten wir unser Augenmerk nochmals auf den Elektronenverschiebungspfeil, der den Angriff des ursprünglichen Bindungselektronenpaars zwischen O und H auf das elektronenarme Carbonyl-Kohlenstoffatom der Aldehydgruppe symbolisiert. Die Aldehydgruppe ist aufgrund der sp 2 -Hybridisierung des Carbonyl-Kohlenstoffs planar. Das bedeutet, daß dieser Angriff des Elektronenpaars auf das C-1 sowohl von unterhalb als auch von obenhalb der Ebene stattfinden kann, in der die drei Atome C, H und O der Aldehydgruppe liegen! Angriff auf das Carbonyl-C-Atom C-1

41 α -D-Glucose Findet der Angriff von unten her statt, so wird die dadurch gebildete OH-Gruppe am C-1 schräg nach oben ausgerichtet, was der Rückreaktion zur β–D-Glucose entspricht. Findet dieser Angriff jedoch von oben her statt, so wird die neu entstehende OH-Gruppe senkrecht nach unten orientiert, und es entsteht das hier abgebildete Isomere, nämlich die α–D-Glucose.

42 D-Glucose (Traubenzucker) offenkettige Form der D-Glucose Zurück zur offenkettigen Form: Sie existiert lediglich in Lösung und im dortigen Gleichgewicht auch nur zu einem sehr geringen Anteil in der Größenordnung von 1%. Aber: dieses eine Prozent an offenkettiger Form ermöglicht mit seiner Aldehydgruppe einige wichtige chemische Reaktionen des Traubenzuckers. Zur Erinnerung: sobald die offenkettige Form der Glucose in einer chemischen Reaktion verbraucht wird, wird sie im Rahmen des bestehenden Gleichgewichts immer wieder aus den cyclichen Isomeren α– und β – D-Glucose nachgebildet. Insofern ist es nicht von Bedeutung, daß sie in diesem Gleichgewicht nur zu ca. 1% vorliegt.

43 D-Glucose (Traubenzucker) offenkettige Form der D-Glucose So kann man z.B. mit Hilfe von Traubenzucker Weihnachtsschmuck wie z.B. Christbaumkugeln versilbern oder Spiegel herstellen (siehe Silberspiegel im Glaskolben oben links). Man braucht dazu eine Lösung von Silber(I)-Ionen Ag +. Die Aldehydgruppe der Glucose sorgt dafür, daß diese Ag + - Ionen ein Elektron erhalten und dadurch auf sauberen, glatten Oberflächen zu metallischem Silber Ag 0 reduziert werden und sich auf diese Weise ein Silberspiegel niederschlägt. Gleichzeitig wird die Aldehydgruppe –CHO der Glucose zur Carbonsäuregruppe – COOH der sog. Gluconsäure oxidiert, wobei die Elektronen freiwerden, welche wiederum die Ag + -Ionen zu Ag 0 reduzieren. Quelle: de.m.wikipedia.org Quelle: experimentalchemie.de

44 D-Glucose (Traubenzucker) Hermann Emil Fischer Nobelpreis für Chemie 1902 offenkettige Form der D-Glucose Quelle: wikipedia Hermann Fischer hat sich unter anderem um die Aufklärung der Struktur von Monosacchariden (= Einfachzuckern) wie der D-Glucose verdient gemacht und wurde für diese glänzende Leistung mit dem Nobelpreis für Chemie des Jahres 1902 geehrt. [= (2R,3S,4R,5R)-2,3,4,5,6-Pentahydroxyhexanal]

45 D-Glucose (Traubenzucker) Fischer untersuchte die Strukturen der natürlich vorkommenden Monosaccharide und wollte zu deren unterschied- licher Darstellung auf dem Papier nicht jedesmal einen Sechsring zeichnen und die OH-Gruppen in den entsprechen- den axialen und äquatorialen Positionen anordnen. Es hätte zudem jedesmal einiges an Routine erfordert, der Zeichnung umgehend den Namen des entsprechenden Monosaccharids zuzuordnen. So ersann Fischer eine einfachere Variante für die Wiedergabe der Strukturen von Molekülen mit Stereozentren (und vor allem für Moleküle mit mehreren Stereozentren wie den Kohlenhydraten), nämlich die nach ihm benannte Fischer-Projektion. Für das Zeichnen eines Moleküls in dieser Projektion orientiert man die Kette der Kohlenstoffatome stets so, daß sie senkrecht von oben nach unten zeigt und das C-Atom mit der höchsten Oxidationsstufe (im Fall der Glucose das C-1 mit der Aldehydgruppe) oben steht.

46 D-Glucose (Traubenzucker) Dann richtet der Betrachter seinen Blick zunächst auf das oberste der Stereozentren (im Fall der offenkettigen Glucose das C-2), und zwar so, daß die Bindungen vom Stereozentrum (hier C-2) hin zu den benachbarten C-Atomen der Kohlenstoffkette (hier C-1 bzw. C-3) von ihm aus betrachtet nach hinten ragen (in der Zeichnung rechts durch gestrichelt gezeichnete Keile nach oben bzw. unten wiedergegeben). Die beiden anderen Substituenten am Stereozentrum (hier ein H-Atom und eine OH-Gruppe) sind vom Blickwinkel des Betrachters aus horizontal angeordnet und ragen ihm beide entgegen (in der Zeichnung mit durchgezogenen Keilen nach links bzw. rechts symbolisiert).

47 D-Glucose (Traubenzucker) * Damit Fischer und sein Arbeitskreis auf das mühsame Zeichnen von Keilen verzichten konnten, legte Fischer die folgende Konvention fest: Wenn die Substituenten am Stereozentrum genau so angeordnet sind wie in der Zeichnung mit den Keilen angegeben (d.h. senkrecht angeordnete Substituenten ragen nach hinten vom Betrachter weg; waagrecht angeordnete Substituenten ragen nach vorne, dem Betrachter entgegen), dann (aber nur dann!!) darf man auf die Keile verzichten und sie durch normale Linien ersetzen (siehe Abbildung rechts). Ein Stereozentrum wird üblicherweise mit einem Sternchen * markiert (siehe Abbildung rechts).

48 D-Glucose (Traubenzucker) Betrachten wir nun unter exakt den gleichen Vorgaben das nächste Stereozentrum, nämlich das C-3.

49 D-Glucose (Traubenzucker) Beim Blick auf das Zentrum wird C-2 oben positioniert und C-4 unten. Jetzt aber ist die OH-Gruppe nach links ausgerichtet und das H-Atom nach rechts (also genau umgekehrt wie im Fall des Stereozentrums C-2).

50 D-Glucose (Traubenzucker) Die um das Stereozentrum C-3 verlängerte Fischer-Projektion ist rechts abgebildet.

51 D-Glucose (Traubenzucker) Völlig analog verfahren wir beim nächsten Stereozentrum, dem C-4. Hier sind die Verhältnisse wieder wie beim C-2: die dem Betrachter entgegenragende OH-Gruppe zeigt nach rechts, das ihm ebenfalls entgegenragende H-Atom ist nach links ausgerichtet. Die Abbildung rechts zeigt die um das Stereozentrum C-4 ergänzte Fischer-Projektion.

52 D-Glucose (Traubenzucker) Das letzte Stereozentrum, das wir in der offenkettigen Form der Glucose ins Auge fassen müssen, ist C-5. Auch hier zeigt die OH-Gruppe nach rechts und das H-Atom nach links. In welche Richtung (links oder rechts) in der Fischer-Projektion der Substituent mit der funktionellen Gruppe (in diesem Fall ist es eine OH-Gruppe) am untersten (!) Stereozentrum zeigt, ist wichtig für einen Zusatz bei der Namensgebung der betreffenden Verbindung, und zwar konkret für deren Zuordnung zur D- oder zur L-Reihe.

53 D-Glucose (Traubenzucker) In unserem konkreten Fall zeigt die funktionelle Gruppe (hier: OH-Gruppe) am untersten Stereozentrum nach rechts. Die Verbindung gehört demnach zur D-Reihe. Sobald das letzte C-Atom (C-6) auf der folgenden Folie eingebaut wird, gibt die Fischer-Projektion die D-Glucose wieder.

54 D-Glucose (Traubenzucker) Da das C-6 kein Stereozentrum darstellt, ist es völlig belanglos, in welche Richtung die mit ihm verknüpfte OH-Gruppe auf dem Papier verläuft. Ich kann diese OH-Gruppe an einem Nicht-Stereozentrum beliebig nach unten, nach rechts oder nach links zeichnen. Wichtig ist nur, daß das C-6 in gleicher Linie mit den anderen fünf C-Atomen am unteren Ende der senkrecht verlaufenden Kette positioniert wird.

55 Preisfrage: Welche Struktur hat die L-Glucose?

56 L-Glucose Fischer-Projektion der L-Glucose L-Glucose ist das Spiegelbild-Isomere der D-Glucose. Sie kommt im Gegensatz zur D-Glucose nicht in der Natur vor, kann aber künstlich im Labor hergestellt werden. Zu beachten ist: in der L-Glucose sind sämtliche vier Stereozentren spiegelbildlich zur D-Glucose konfiguriert (also nicht nur das am weitesten unten angeordnete Stereozentrum C-5, sondern auch C-2, C-3 und C-4). D-Glucose

57 D-Glucose (Traubenzucker) Zurück zu den Monosacchariden der D-Reihe: Die abgekürzte Schreibweise (Verzicht auf das Elementsymbol C und auf die Elementsymbole und das Einzeichnen der mit C-Atomen verbundenen H-Atome) kann auch auf die Fischer-Projektion angewandt werden. Etwas anschaulicher sieht es jedoch immer aus, wenn man das eine H-Atom der Aldehydgruppe so wie in der Fischer-Projektion in der Abbildung rechts beibehält.

58 D-Glucose (Traubenzucker) Für die Anordnung der OH-Gruppen in der Fischer-Projektion der D-Glucose (rechts-links-rechts-rechts) gibt es die bekannte Eselsbrücke: Ta-tü-ta-ta!

59 D-Mannose Abschließend sollen noch die Strukturen dreier weiterer wichtiger Isomere der D-Glucose vorgestellt werden. Zwei davon haben in ihrer offenkettigen Form ebenso wie die D-Glucose eine Aldehydgruppe am C-1. Die Abbildung zeigt die D-Mannose mit einer im Vergleich zur D-Glucose veränderten Stereochemie am C-2.

60 D-Galactose Ist anstatt am C-2 die Stereochemie am C-4 umgekehrt im Vergleich zur D-Glucose, dann liegt die D-Galactose vor. Die D-Galactose ist ein Baustein im Disaccharid Lactose, auch Milchzucker genannt.

61 D-Fructose (Fruchtzucker) Daß ein Monosaccharid, welches isomer zur D-Glucose ist, nicht zwingend eine Aldehydgruppe tragen muß, zeigt die D-Fructose (auch Fruchtzucker genannt). Ihre C=O-Doppelbindung befindet sich am C-2; somit stellt sie eine Ketogruppe dar und keine Aldehydgruppe. Damit die D-Fructose die gleiche Summenformel wie die D-Glucose hat (ansonsten wäre sie kein Isomer), muß das C-1 logischerweise eine alkoholische OH-Gruppe tragen.

62 D-Fructose (Fruchtzucker) In der D-Fructose hat das C-2 seinen Status als Stereozentrum eingebüßt (es ist ja nicht mehr sp 3 -hybridisiert, sondern hat nur noch drei Bindungspartner und somit eine sp 2 -Hybridisierung). Fructose hat demnach nur noch drei Stereozentren. Gemäß der allgemeinen Formel zur Berechnung der theoretisch möglichen Anzahl an Stereoisomeren 2 n (n = Anzahl der Stereozentren in einem Molekül) gibt es insgesamt 2 3 = 8 Stereoisomere dieser Struktur (je nachdem, wie die OH-Gruppen an den drei Stereozentren angeordnet sind).


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