„Hydrate“ des Kohlenstoffs Experimentalvortrag: Kay Heger

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1 „Hydrate“ des Kohlenstoffs Experimentalvortrag: Kay Heger
Zucker „Hydrate“ des Kohlenstoffs Experimentalvortrag: Kay Heger

2 Übersicht Einführung Chiralität und Optische Aktivität
2. Monosaccharide 2.1 Struktur 2.2 Chemie 2.3 Disaccharide Kleiner Ausblick: Polysaccharide Schulrelevanz

3 Einführung Elementaranalyse: Summenformel Cn(H2O)m
Bezeichnung daher auch Kohlenhydrate Häufige Endung: -ose Zucker/Kohlenhydrate im Alltag: Traubenzucker, Haushaltszucker, Stärke, Cellulose

4 Natürliche Entstehung und Vorkommen
1. Einführung Natürliche Entstehung und Vorkommen Traubenzucker oder Glucose: Primärprodukt der Photosynthese Vereinfacht: Fruchtzucker oder Fructose in Honig und Früchten Zellwände der Pflanzen aus Cellulose Stärke/Amylose in Kartoffeln und Getreidearten

5 Bezeichnung nach Anzahl der C-Atome:
1. Einführung Allgemeines Monosaccharide (lat.: mono: ein(-fach); saccharum: Zucker), Einfachzucker Bezeichnung nach Anzahl der C-Atome: Triosen (C3-Körper) Tetrosen (C4-Körper) Pentosen (C5-Körper) Hexosen (C6-Körper) usw. Oligo- und Polysaccharide

6 „Nachweis“ von OH-Gruppen
1. Einführung Versuch 1 „Nachweis“ von OH-Gruppen

7 Ammoniumcer(IV)nitrat – Probe
1. Einführung - Versuch 1 Ammoniumcer(IV)nitrat – Probe Ligandenaustausch +4 [Ce(NO3)6]2-(aq) + R-OH(aq) + H2O  gelb [Ce(OR)(NO3)5]2-(aq) + NO3-(aq) + H3O+(aq) rot

8 Formale Entstehung der Einfachzucker
1. Einführung Formale Entstehung der Einfachzucker Oxidation mehrwertiger Alkohole zu 1. Polyhydroxy-aldehyde (Aldosen) oder 2. Polyhydroxy-ketone (Ketosen)

9 Beispiel („vereinfacht“)
1. Einführung Beispiel („vereinfacht“)

10 Emil Fischer (1852-1919) vor 1888: nur wenige Zucker bekannt um 1890:
1. Einführung Emil Fischer ( ) vor 1888: nur wenige Zucker bekannt um 1890: Meilensteine in der Zucker-Chemie 1902: Nobelpreis

11 Aufklärung der räumlichen Orientierung der Atome im Glucose-Molekül
1. Einführung Ziel Fischers, ca. 1888 Aufklärung der räumlichen Orientierung der Atome im Glucose-Molekül Glucose, (Mannose, Arabinose) als Polyhydroxyaldehyde identifiziert Optische Aktivität gut erforscht

12 2. Chiralität und Optische Aktivität
Chiralität („Händigkeit“) Chemische Verbindungen mit zwei verschiedenen Formen, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten, sind chiral. Spiegelbildisomere oder Enantiomere

13 Tetraedrische Anordnung von vier verschiedenen Substituenten
2. Chiralität und optische Aktivität Chiralitätzentrum Am C-Atom: Tetraedrische Anordnung von vier verschiedenen Substituenten  Asymmetrisches C-Atom Chiralitätszentrum wird mit „*“ gekennzeichnet

14 Chirale Verbindungen sind optisch aktiv.
2. Chiralität und optische Aktivität Optische Aktivität Optische Aktivität: Eigenschaft von Substanzen, die Schwingungsebene des in sie eingestrahlten, linear polarisierten Lichts um einen bestimmten Betrag zu drehen. Chirale Verbindungen sind optisch aktiv. Drehwinkel und Drehrichtung können mit Hilfe eines Polarimeters gemessen werden.

15 Polarimeter: Funktionsweise und Aufbau
2. Chiralität und optische Aktivität Polarimeter: Funktionsweise und Aufbau

16 Drehwinkel  proportional zur Konzentration c und der Schichtdicke l
2. Chiralität und optische Aktivität Drehwinkel Drehwinkel  proportional zur Konzentration c und der Schichtdicke l  = []T · c · l [] : spezifische Drehung in [grd · mL · g-1 · dm-1] D.h.: Drehwinkel abhängig von Temperatur Schichtdicke Konzentration Wellenlänge

17 Optische Aktivität von Zuckern
2. Chiralität und optische Aktivität Demonstration 1 Optische Aktivität von Zuckern Hypothese: Zucker sind meist optisch aktive Substanzen und besitzen somit mindestens ein Chiralitätszentrum.

18 3. Chemie der Monosaccharide
Glucose

19 Vorgehensweise & Erkenntnisse Fischers
3. Chemie der Monosaccharide Vorgehensweise & Erkenntnisse Fischers Aldohexose mit ihren 4 chiralen C-Atomen:  8 Paare von Enantiomeren = 16 Formen Oxidation zu Carbonsäuren/Dicarbonsäuren Verkürzung der Kohlenstoffkette Darstellung von „Zuckern“ aus Glycerin Bildung von Osazonen mit Hilfe von Phenylhydrazin (von ihm 1875 entdeckt)  Aldehydform der Glucose

20 Fischer-Projektion Längste C-Kette senkrecht in der Ebene
3. Chemie der Monosaccharide Fischer-Projektion Längste C-Kette senkrecht in der Ebene am höchsten oxidierte C-Atom steht oben Waagrechte Bindungen: zum Betrachter hin Senkrechte Bindungen: vom Betrachter weg R,S-Nomenklatur möglich  doch ältere Modell der D- und L-Reihe üblich Zeigt OH-Gruppe am untenstehenden chiralen C-Atom: nach rechts: D (lat.: dexter) nach links: L (lat.: laevus)

21 3. Chemie der Monosaccharide
D-Reihe der Aldosen

22 Versuch 2 Fehling´sche Probe Glucose Fructose
3. Chemie der Monosaccharide Versuch 2 Fehling´sche Probe Glucose Fructose

23 Reaktionsgleichungen:
3. Chemie der Monosaccharide – Versuch 2 Fehling´sche Probe Reaktionsgleichungen: Komplexbildung: [Cu(H2O)6]2+(aq) + 2 C4H4O62-(aq) + 2 OH-(aq)  hellblau „Cu[(C4H3O6)2]4-“(aq) + 2 H2O blau Redoxreaktion: 2 „Cu2+“(aq) + R-CHO(aq) + 4 OH-(aq)  Cu2O(s) + R-COOH(aq) rotbraun H2O Formal wird die Glucose zu Gluconsäure oxidiert.

24 Keto-Enol-Tautomerie
3. Chemie der Monosaccharide – Versuch 2 Keto-Enol-Tautomerie

25 Eigentliche Reaktion bei Fehling
3. Chemie der Monosaccharide – Versuch 2 Eigentliche Reaktion bei Fehling g

26 3. Chemie der Monosaccharide
Versuch 3 Schiff´sche-Probe

27 Frage: Warum reagiert Glucose nicht mit der fuchsinschwefligen Säure?
3. Chemie der Monosaccharide – Versuch 3 Schiff´sche Probe Frage: Warum reagiert Glucose nicht mit der fuchsinschwefligen Säure?

28 Intramolekulare Halbacetalbildung
3. Chemie der Monosaccharide Intramolekulare Halbacetalbildung Antwort: Aldehydform <0,1% in wässriger Lösung Monosaccharide bilden intramolekulare Halbacetale Aldolkondensation:

29 3. Chemie der Monosaccharide
Halbacetal

30 Konformationisomerie
2. Monosaccharide Konformationisomerie Monosaccharide, die als 6-Ring vorliegen  Pyranosen 5-Ring vorliegen  Furanosen

31 3. Chemie der Monosaccharide
Demonstration 2 Mutarotation

32 Fructoseformen im Gleichgewicht
3. Chemie der Monosaccharide – Demonstration 2 Fructoseformen im Gleichgewicht -Pyranose - Pyranose -Furanose -Furanose Ketoform 3% 57% 9% 31% <1%

33 3. Chemie der Monosaccharide
#### g

34 Fructoseformen (im Gleichgewicht)
Demonstration 2 Fructoseformen (im Gleichgewicht) -Pyranose 3% - Pyranose 57% -Furanose 9% -Furanose 31% Ketoform <1%

35 Reaktion von Fructose mit Säure
Versuch 4 Reaktion von Fructose mit Säure

36 Versuch 4 Reaktion von Resorcin mit Hydroxymethylfurfural

37 Versuch 4

38 3. Disaccharide 3. Disaccharide Reaktion der anomeren Hydroxylgruppe im Monosaccharid mit R-OH, Kondensationreaktion  Glycosid Alkohol = Zucker  Disaccharid Zwei Monosaccharide über Acetalbrücke miteinander verbunden. Unterscheidung von  und  bei der Glycosidbindung

39 Verschiedene Arten der Verknüpfung:
3. Disaccharide Verschiedene Arten der Verknüpfung: z.B.:C1 des 1. Zuckers und C4 des 2. Zuckers: Bezeichnung: (1,4)-Verknüpfung Beispiele: Maltose Cellubiose

40 Cellubiose und Maltose bestehen aus jeweils zwei Glucose-Molekülen
3. Disaccharide Cellubiose und Maltose bestehen aus jeweils zwei Glucose-Molekülen UNTERSCHIED in der Art der Verknüpfung Cellubiose: -(1,4)-glycosidische Verbindung Maltose: -(1,4)-glycosidische Verbindung

41 Saccharose (Haushaltszucker)
3. Disaccharide Saccharose (Haushaltszucker) Pro Kopf-Verbrauch in D: 35 kg/Jahr Weltweite Jahresproduktion: 100 Mio. Tonnen Wichtiger nachwachsender Rohstoff Aus Glucose- und Fructose-Molekül Nicht reduzierend  Fehling-Probe negativ! Keine Mutarotation  da beide Monosaccharid-Reste Acetale

42 Hydrolyse von Saccharose
3. Disaccharide Versuch 5 Hydrolyse von Saccharose

43 3. Disaccharide – Versuch 5

44 4. Ausblick Polysaccharide
Polymere der Monosaccharide Cellulose Baumaterial der Pflanzen Verseifung der Zellwände Bildung von Fasern und Verfestigung des Holzgewebes Amylose oder Stärke Reservekohlenhydrat Energie und Rohstoffspeicher Chitin und Glycogen

45 Cellulose (1,4)--Glycosidbindung der Glycopyranose
4. Ausblick Polysaccharide Cellulose (1,4)--Glycosidbindung der Glycopyranose 3000 Monomereinheiten, M =

46 Stärke (1,4)-- Glycosidbindung der Glycopyranose
4. Ausblick Polysaccharide Stärke (1,4)-- Glycosidbindung der Glycopyranose

47 5. Schulrelevanz LK 12.2: Kohlenstoffchemie II:
Technisch und biologisch wichtige Kohlenstoffverbindungen 1. Naturstoffe: Kohlenhydrate Mono-, Di- und Polysaccharide: Vorkommen, Eigenschaften und Strukturen Optische Aktivität und Stereoisomerie Reaktionen / Nachweisreaktionen Bedeutung und Verwendung Fakultativ: Industrielle Gewinnung von Saccharose aus Zuckerrüben Energiespeicher und Gerüstsubstanz Energiestoffwechsel (Photosynthese und Zellatmung) Nachwachsende Rohstoffe

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