Niedermolekulare Kohlenhydrate oder einfach

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Niedermolekulare Kohlenhydrate oder einfach
Zucker
Experimentalvortrag

• Fabian Gelies
• Sommersemester 2003

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Gliederung
Vorbereitung Demonstration Mutarotation

• Kohlenhydrate allgemein Versuch 1
  Elementaranalyse Versuch 2 Schwefelsäureverkoh
  lung
• Molekülstrukturen Versuch 3 Funktionelle
  Gruppen Demonstration Mutarotation
• Reaktivität, Verwendung, Nutzen Versuch 4
  Katalysierte Verbrennung Versuch 5
  Silberspiegel

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Vorbereitung der DemonstrationMutarotation
Arbeitsschritte - Kalibrieren auf 0
(Polarisator senkrecht zu Analysator) -
optisch aktive Untersuchungslösung zubereiten
- Drehwinkel ablesen (Anfangsmessung)
Skizze eines Polarimeters
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Abschnitt ADer Begriff Kohlenhydrate
... Kühlschrank oder Küchenschrank
Nährwerte pro 100 mL Durchschnittswerte kJ 273
(66 kcal) Eiweiß
3,3 g Kohlenhydrate 4,7 g Fett 3,5 g
Aufschrift auf vielen Lebensmittelver-packungen
Beispiel Milch
Vielseitige Variation in der Zusammensetzung
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Der Begriff Kohlenhydrate
Extrembeispiel für enthaltene Kohlenhydrate
Nährwerte pro 100 g Durchschnittswerte kJ 1700
(400 kcal) Eiweiß 0 g
Kohlenhydrate 99,5 g Fett 0 g
Traubenzucker feines, weißes Pulver Untersuchung
ssubstanz bei den nun folgenden Experimenten
Interessanter chemischer Gesichtspunkt Untersuchu
ng der elementaren Zusammensetzung
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Versuch 1Elementaranalyse
a) Nachweis von Wasserstoff und Sauerstoff (als
Wasser) CoCoCl4(s) 12 H2O 2
Co(H2O)6Cl2(s) Fazit Untersuchte Substanz
spaltet beim Erhitzen Wasser ab
b) Nachweis von Kohlenstoff (als
Kohlenstoffdioxid) 2 0
0 4 2 CuO(s) C(s)
2 Cu(s) CO2(g) Ca2(aq) 2 OH-(aq)
CO2(g) CaCO3(s) H2O
Fazit Untersuchte Substanz enthält Element
Kohlenstoff
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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 H2O im gleichen Verhältnis
Allgemeingültig bei Kohlenhydraten H und O
im Verhältnis 21 Namengebend Cm(H2O)n
(hydratisierter Kohlenstoff) Bessere
Darstellung im Hinblick auf die Molekülstruktur
CmH2nOn
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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 C6H12O6 gt
Einschränkung auf die Betrachtung von
niedermolekularen Kohlenhydraten
Zucker Hinweis Stärke ist Thema in einem der
nachfolgenden Vorträge
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Versuch 2 Verkohlung durch Wasserentzug
CmH2nOn(s) H2SO4(l) Cm(s)
H2SO4 . n H2O
Wasser zum anfeuchten
H2SO4
Kohlenhydrat Zucker
Konz. Schwefelsäure
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Abschnitt B
Abschnitt A gt Elementzusammensetzung und
allgemeine Summenformel von Kohlenhydraten
CmH2nOn Betrachte z.B. Essigsäure
C2H4O2 Klassifizierung organischer Stoffe
anhand der enthaltenen funktionellen Gruppen
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Versuch 3 Untersuchung der funktionellen Gruppen
a) Nachweis der Hydroxygruppen (mit
Cerammoniumnitrat-Lösung) Ligandenaustauschreakt
ion Ce(NO3)62-(aq) ROH(aq) H2O(aq)
Ce(OR)(NO3)52-(aq) NO3-(aq) H3O(aq)
(baldige Entfärbung infolge von Oxidation)
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Versuch 3 Untersuchung der funktionellen Gruppen
b) Nachweis der Aldehydgruppen (mit
Benedikt-Reagenz) Komplexbildung Cu2(aq) 2
C4H4O62-(aq) 2 OH-(aq)
Cu(C4H3O6)24-(aq) 2 H2O Redoxreaktion 2
1 1
3 2 Cu2(aq) R-CHO(aq)
? Cu2O(s) R-COOH(aq) 4 OH-(aq)
2 H2O
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Strukturaufklärung
Emil Fischer (1852 - 1919) - Aufklärung der
räumlichen An- ordnung der Atome im
Glucose-Molekül - Ausgangspunkt 4
asymmetrische C-Atome / 8 Paare
Spiegelbildisomere - Oxidation zu Carbonsäuren -
Änderung der optischen Aktivität - Modell für die
Raumstruktur




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Strukturaufklärung




Emil Fischer im Labor
asymmetrische C-Atome
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Strukturaufklärung
a-Glucose Aldehydform ß-Glucose
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Verschiedene Darstellungsvariantenjeweils
abgebildet ist die Struktur von Glucose
(a-D-Glucopyranose)
HAWORTH-Projektion
Sessel-konformation
FISCHER-Projektion
Stereoprojektion
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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 aSP Der
gemessene Winkel a ist abhängig von Konzentation
c und Weglänge L Standardbedingungen aSP
a . mL c .L g . dm
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Demonstration Mutarotation von Glucose
Kohlenstoffatome in Glucose
6
6
4
4
5
5
1
3
3
1
2
2
a-Glucose ß-Glucose aSP 112,2
.mL/g.dm aSP 18,7
.ml/g.dm
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Demonstration Mutarotation von Glucose
Veränderung des gemessenen Drehwinkels Reaktionsbe
ginn 100 a-Glucose Erwartet ungefähr a 21
Im Gleichgewicht a niedriger (durch ß-Glucose
Einfluss)
a-Glucose ß-Glucose 37 63

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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
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Versuch 4 katalysierte Verbrennung
Beispiel der Oxidation von Glucose (in vitro)
0 0
4 -2 C6H12O6(s) 6 O2(g) 6
CO2(g) 6 H2O(g) ?H -2874
kJ/Formelumsatz
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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
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Katalyse im Körper Energieumsatz bei
biochemischen Reaktionen
Glucose ATP Maltose
hohes exergon
endergon
Energie- Abbau Synthese
niveau Oxidation Reduktion
Brenz- ADP P Glucose
niedriges traubensäure
Typisch bei biochemischen Abläufen Prinzip der
gekoppelten Reaktionen
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Katalyse im Körper Energieumsatz bei
biochemischen Reaktionen
Biochemische Oxidation von Glucose (in vivo)
0 0
4 -2 C6H12O6 6 O2 6 CO2 6 H2O
38 (ADP P) 38 ATP ?H
- 1753 kJ (deutlich verringert) gt Wirkungsgrad
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Versuch 5 Silberspiegel
Silberoxidfällung 2 Ag(aq) 2 OH-(aq)
Ag2O(s) H2O Komplexbildung Ag(aq)
2 NH3(aq) Ag(NH3)2(aq)
Redoxreaktion 1 1
3
0 R-CHO(aq) 2 Ag(aq) 2OH-(aq)
R-COOH(aq) 2 Ag(s) H2O
?
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Ende
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ATPAdenosintriphosphat
Adenin
3 Phosphat
Ribose
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Hydrolyse von ATP
H2O
H
ATP4- H2O ADP3- HPO42- H ?G
35 KJ/Formelumsatz
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Glucose
a-D-Glucopyranose
30
Fructose
a-D-Fructofuranose
31
Saccharose
ß-Fructose-Rest
a-Glucose-Rest
32
Maltose
Aufgebaut aus 2 a-Glucose Bausteinen
33
Cellulose
n
Baueinheit bestehend aus ß-Glucose-Molekülen
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(No Transcript)
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Vorbereitung der DemonstrationMutarotation von
Glucose
Arbeitsschritte - Kalibrieren auf 0
(Polarisator senkrecht zum Analysator) -
optisch aktive Untersuchungslösung zubereiten
- Drehwingel ablesen (Anfangsmessung)
Skizze eines Polarimeters
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Vorbereitung der DemonstrationMutarotation von
Glucose
Arbeitsschritte - Kalibrieren auf 0
(Polarisator senkrecht zu Analysator) -
optisch aktive Untersuchungslösung zubereiten
- Drehwinkel ablesen (Anfangsmessung)
Skizze eines Polarimeters