Experimentalvortrag Niedermolekulare Kohlenhydrate oder einfach Zucker Fabian Gelies

Experimentalvortrag Niedermolekulare Kohlenhydrate oder einfach „Zucker“ Fabian Gelies Sommersemester 2003 1

Gliederung Vorbereitung: Demonstration Mutarotation A Kohlenhydrate allgemein Versuch 1: Elementaranalyse Versuch 2: Schwefelsäureverkohlung B Molekülstrukturen Versuch 3: Funktionelle Gruppen Demonstration: Mutarotation C Reaktivität, Verwendung, Nutzen Versuch 4: Katalysierte Verbrennung Versuch 5: Silberspiegel 2

B Molekülstrukturen Vorbereitung der Demonstration Mutarotation Arbeitsschritte: - Kalibrieren auf 0° (Polarisator senkrecht zu Analysator) - optisch aktive Untersuchungslösung zubereiten - Drehwinkel ablesen (Anfangsmessung) Skizze eines Polarimeters 3

A Kohlenhydrate allgemein Abschnitt A Der Begriff „Kohlenhydrate“ . . . Kühlschrank oder Küchenschrank Aufschrift auf vielen Lebensmittelverpackungen Beispiel: Milch Nährwerte pro 100 m. L Durchschnittswerte: k. J 273 (66 kcal) Eiweiß 3, 3 g Kohlenhydrate 4, 7 g Fett 3, 5 g Vielseitige Variation in der Zusammensetzung 4

A Kohlenhydrate allgemein Der Begriff „Kohlenhydrate“ „Extrembeispiel“ für enthaltene Kohlenhydrate Nährwerte pro 100 g Durchschnittswerte: k. J 1700 (400 kcal) Eiweiß 0 g Kohlenhydrate 99, 5 g Fett 0 g „Traubenzucker“ feines, weißes Pulver Untersuchungssubstanz bei den nun folgenden Experimenten Interessanter chemischer Gesichtspunkt: Untersuchung der elementaren Zusammensetzung 5

A Kohlenhydrate allgemein Versuch 1 Elementaranalyse a) Nachweis von Wasserstoff und Sauerstoff (als Wasser) Co[Co. Cl 4](s) + 12 H 2 O 2 [Co(H 2 O)6]Cl 2(s) Fazit: Untersuchte Substanz spaltet beim Erhitzen Wasser ab b) Nachweis von Kohlenstoff (als Kohlenstoffdioxid) +2 0 0 +4 2 Cu. O(s) + C(s) 2 Cu(s) + CO 2(g) Ca 2+(aq) + 2 OH-(aq) + CO 2(g) Ca. CO 3(s) + H 2 O Fazit: Untersuchte Substanz enthält Element Kohlenstoff 6

A Kohlenhydrate allgemein Kohlenhydrate Verbindungen aus den Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff Aufgebaut aus Kohlenstoffdioxid und Wasser bei der Photosynthese Fortgeführte Elementaranalyse quantitative Angaben: Untersuchte Substanz C und H 2 O im gleichen Verhältnis Allgemeingültig bei Kohlenhydraten: H und O im Verhältnis 2: 1 Namengebend: Cm(H 2 O)n („hydratisierter Kohlenstoff“) Bessere Darstellung im Hinblick auf die Molekülstruktur: Cm. H 2 n. On 7

A Kohlenhydrate allgemein Kohlenhydrate Chemische Stoffbezeichnung: Endung -ose zum Beispiel Fructose, Saccharose, Maltose, Lactose oder Cellulose Vielfältige Variation der Molekülgröße (Monosaccharide bis zu den Polysacchariden) geeignete Experimente Ermittlung der Molekülgröße Untersuchte Substanz ist Einfachzucker: C 6 H 12 O 6 => Einschränkung auf die Betrachtung von niedermolekularen Kohlenhydraten = Zucker Hinweis: Stärke ist Thema in einem der nachfolgenden Vorträge 8

Versuch 2 Verkohlung durch Wasserentzug A Kohlenhydrate allgemein Cm. H 2 n. On(s) + H 2 SO 4(l) Cm(s) + H 2 SO 4. n H 2 O Wasser zum anfeuchten H 2 SO 4 Konz. Schwefelsäure Kohlenhydrat „Zucker“ 9

B Molekülstrukturen Abschnitt B Abschnitt A => Elementzusammensetzung und allgemeine Summenformel von Kohlenhydraten: Cm. H 2 n. On Betrachte z. B. „Essigsäure“ = C 2 H 4 O 2 Klassifizierung organischer Stoffe anhand der enthaltenen funktionellen Gruppen 10

B Molekülstrukturen Versuch 3 Untersuchung der funktionellen Gruppen a) Nachweis der Hydroxygruppen (mit Cerammoniumnitrat-Lösung) Ligandenaustauschreaktion: [Ce(NO 3)6]2 -(aq) + ROH(aq) + H 2 O(aq) [Ce(OR)(NO 3)5]2 -(aq) + NO 3 -(aq) + H 3 O+(aq) (baldige Entfärbung infolge von Oxidation) 11

B Molekülstrukturen Versuch 3 Untersuchung der funktionellen Gruppen b) Nachweis der Aldehydgruppen (mit Benedikt-Reagenz) Komplexbildung: Cu 2+(aq) + 2 C 4 H 4 O 62 -(aq) + 2 OH-(aq) Cu[(C 4 H 3 O 6)2]4 -(aq) + 2 H 2 O Redoxreaktion: +2 +1 2 Cu 2+(aq) + R-CHO(aq) + 4 OH-(aq) Δ +1 +3 Cu 2 O(s) + R-COOH(aq) + 2 H 2 O 12

B Molekülstrukturen Strukturaufklärung Emil Fischer (1852 - 1919) * * - Aufklärung der räumlichen Anordnung der Atome im Glucose. Molekül * - Ausgangspunkt: 4 asymmetrische C -Atome / 8 Paare Spiegelbildisomere * - Oxidation zu Carbonsäuren - Änderung der optischen Aktivität - Modell für die Raumstruktur 13

B Molekülstrukturen Strukturaufklärung * * Emil Fischer im Labor * asymmetrische C-Atome 14

B Molekülstrukturen Strukturaufklärung α-Glucose Aldehydform β-Glucose 15

Verschiedene Darstellungsvarianten B Molekülstrukturen jeweils abgebildet ist die Struktur von Glucose (α-D-Glucopyranose) Sesselkonformation Stereoprojektion HAWORTHProjektion FISCHERProjektion 16

B Molekülstrukturen Demonstration Mutarotation von Glucose Optische Aktivität: - C-Atom mit 4 verschiedenen Substituenten (Chiralitätszentrum) - Bild und Spiegelbild Enantiomerenpaar - Drehung der Schwingungsebene von polarisiertem Licht - Diese ist messbar als „Drehwinkel“ mittels Polarimeter Spezifischer Drehwinkel αSP Der gemessene Winkel α ist abhängig von Konzentation c und Weglänge L α °. m. L Standardbedingungen: αSP= c. L g. dm 17

B Molekülstrukturen Demonstration Mutarotation von Glucose Kohlenstoffatome in Glucose: 6 4 5 3 1 2 α-Glucose αSP = +112, 2 °. m. L/g. dm 5 3 2 1 β-Glucose αSP = +18, 7 °. ml/g. dm 18

B Molekülstrukturen Demonstration Mutarotation von Glucose Veränderung des gemessenen Drehwinkels Reaktionsbeginn: 100% α-Glucose Erwartet ungefähr α = 21° Im Gleichgewicht α niedriger (durch β-Glucose Einfluss) α-Glucose 37% β-Glucose 63% 19

C Reaktivität / Verwendung / Nutzen Abschnitt C Energieumsatz bei biochemischen Reaktionen - Kohlenhydrate = sofort abrufbarer Energielieferant - Aufnahme Verdauung: Spaltung in Monosaccharide - Resorption Darmwandzellen Blutbahn - Energieumwandlungen im Körper: „stille Verbrennungen“ Oxidationen - Überwinden der Aktivierungsenergie Freisetzung großer Energiemengen 20

C Reaktivität / Verwendung / Nutzen Versuch 4 katalysierte Verbrennung Beispiel der Oxidation von Glucose („in vitro“) 0 0 C 6 H 12 O 6(s) + 6 O 2(g) +4 -2 6 CO 2(g) + 6 H 2 O(g) ΔH = -2874 k. J/Formelumsatz 21

C Reaktivität / Verwendung / Nutzen Katalyse im Körper Energieumsatz bei biochemischen Reaktionen - Absenkung der Aktivierungsenergien durch Enzyme - Stoffwechselphysiologisches Grundprinzip: Aufteilung der chemischen Reaktion in Einzelschritte - Freigesetzte Wärmeenergie bei unkontrollierter Verbrennung wäre nicht nutzbar/speicherbar - Ablauf als Reaktionssequenz mit geringerem Wärmeverlust: Speicherung der nutzbaren Energie als chemische Verbindung ATP - Bei Bio-Synthese kann dann ATP gespalten werden 22

C Reaktivität / Verwendung / Nutzen Katalyse im Körper Energieumsatz bei biochemischen Reaktionen Glucose Maltose hohes exergon endergon Energie- Abbau Oxidation Synthese Reduktion Brenztraubensäure ATP ADP + P niveau Glucose niedriges Typisch bei biochemischen Abläufen: Prinzip der gekoppelten Reaktionen 23

C Reaktivität / Verwendung / Nutzen Katalyse im Körper Energieumsatz bei biochemischen Reaktionen Biochemische Oxidation von Glucose („in vivo“): 0 0 C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 + 38 (ADP +P) +4 -2 6 CO 2 + 6 H 2 O + 38 ATP ΔH = - 1753 k. J (deutlich verringert) => Wirkungsgrad 39% 24

C Reaktivität / Verwendung / Nutzen Versuch 5 Silberspiegel Silberoxidfällung: 2 Ag+(aq) + 2 OH-(aq) Ag 2 O(s) Komplexbildung: [Ag(NH 3)2]+(aq) Ag+(aq) + 2 NH 3(aq) + H 2 O Redoxreaktion: +1 + H 2 O +1 Δ +3 R-CHO(aq) + 2 Ag+(aq) + 2 OH-(aq) 0 R-COOH(aq) + 2 Ag(s) 25

Ende 26

D Ergänzung ATP Adenosintriphosphat Adenin „ 3“ Phosphat Ribose 27

D Ergänzung Hydrolyse von ATP +H 2 O H+ ATP 4 - + H 2 O ADP 3 - + HPO 42 - + H+ ΔG = 35 KJ/Formelumsatz 28

D Ergänzung Glucose α-D-Glucopyranose 29

D Ergänzung Fructose α-D-Fructofuranose 30

D Ergänzung Saccharose β-Fructose-Rest α-Glucose-Rest 31

D Ergänzung Maltose Aufgebaut aus 2 α-Glucose Bausteinen 32

D Ergänzung Cellulose n Baueinheit bestehend aus β-Glucose-Molekülen 33

34

B Molekülstrukturen Vorbereitung der Demonstration Mutarotation von Glucose Arbeitsschritte: - Kalibrieren auf 0° (Polarisator senkrecht zum Analysator) - optisch aktive Untersuchungslösung zubereiten - Drehwingel ablesen (Anfangsmessung) Skizze eines Polarimeters 35

B Molekülstrukturen Vorbereitung der Demonstration Mutarotation von Glucose Arbeitsschritte: - Kalibrieren auf 0° (Polarisator senkrecht zu Analysator) - optisch aktive Untersuchungslösung zubereiten - Drehwinkel ablesen (Anfangsmessung) Skizze eines Polarimeters 36