Hydrolyse

  • 04.2.4 Saccharose

    4.2.4 Saccharose (Rohr- oder Rübenzucker)

    Vorkommen: Haushaltszucker, Kristallzucker, Zuckerrüben (18-20%), Zuckerrohr (16-22%)

    Summenformel: C12H22O11  →  Dissaccharide (2 Moleküle Monosaccharid minus 1 Molekül Wasser)

    Physikalische Eigenschaften:

    • hoher Schmelzpunkt (ca. 180°C)
    • harte Kristalle

    Folgerung:

    • Molekülgitter mit vielen H-Brückenbindungen
    • sehr leicht löslich in Wasser
    • eine Rohrzuckerlösung ist zähflüssig  → viele Wasserstoffbrücken

     

    Chemische Eigenschaften:

    • Fehling negativ
    • zeigt keine Mutarotation

    Schülerexperiment: Nach einer Hydrolyse mit verdünnter Salzsäure:

    • Fehling positiv
    • Saccharose besteht aus α-D-Glucose und β-D-Fructose
    • Beide Monosaccharide sind α-1→1-glycosidisch verknüpft   

     

    Lewisformel Saccharose aus Glucose und Fructose 

     

    Schema Saccharose - blockiertes anomeres C-Atom 

    Spaltung der Saccharose mit verdünnter Salzsäure = saure Hydrolyse

     Schulversuche zur Spaltung von Saccharose mit Seliwanoff-Probe, Fehling und GOD-Test

                      färbt sich rosa                                      roter Niederschlag                         positiv

                      enthält Fructose                                   Aldehydgruppe                             Glucose

     

     Reaktionsschema zur Spaltung von Saccharose in alpha-D-Glucose und alpha-D-Fructose

    Unter Hydrolyse versteht man einen Vorgang, bei dem Atombindungen unter Aufnahme von Wasser gespalten werden (Bsp. Esterspaltungen).

    Wichtig: die leichte Hydrolisierbarkeit spricht für eine Verknüpfung über Sauerstoff.

     

     Schemaskizze Glucose und Fructose

     

    4.2.5 Invertzucker

    Saccharose dreht die Ebene des polarisierten Lichts nach rechts. Während der Hydrolyse (durch verdünnte Salzsäure oder Ferment/Enzym Invertase) nimmt die Drehung fortwährend ab und geht in eine Linksdrehung über:

    Saccharose +      Wasser       →       D-Glucose    +        D-Fructose
     +66°         +         0°                     + 54,7                    - 92,4

    Zahlenwerte αsp in ml/(g • dm)

    Man bezeichnet daher diese Spaltung als Inversion des Rohrzuckers und das entstehende Gemisch als Invertzucker.

    Inversion: Vorzeichenwechsel der optischen Aktivität im Verlauf einer Reaktion optisch aktiver Verbindungen.

  • 4.3.2 Cellulose

    4.3.2 Cellulose

    Vorkommen: Cellulose ist das in der Natur am häufigsten auftretende Kohlenhydrat. Sie ist die Gerüstsubstanz in der Pflanzenwelt. 
    z.B.: Baumwolle, Flachs, Hanf (fast 100%); Stroh (30%); Holz (40-50% Cellulose).

    Eigenschaften: Cellulose ist eine weiße, in Wasser und in den meisten organischen Lösungsmitteln unlösliche Substanz. 

    Hydrolyse der Cellulose:
    a) Versuch: Filterpapierschnitzel werden mit konz. Salzsäure übergossen. Diese Mischung gibt man in 50 mL Wasser und erhitzt etwa 10 Minuten.
    Anschließend wird die Fehlingsche Probe durchgeführt.

    Beobachtung: roter Niederschlag

    b) Versuch: GOD-Test mit der hydrolisierten Cellulose.
    Beobachtung: Grünfärbung des Teststreifens.

    Folgerung: Cellulose enthält als Baustein D-Glucose.



    c) Versuch: Dünnschichtchromatographie
    Ein Chromatogramm gibt genauen Aufschluss über die Bausteine: Glucose. Bei vorsichtiger Hydrolyse ist außer β-D-Glucose auch noch Cellobiose nachweisbar (Cellobiose ist ein Disaccharid aus 2 ∙ β-D-Glucosemolekülen). 

    Aufbau eines Cellulosemoleküls  


    Lewis-Formel in der Haworth-Projektion - Cellulosemolekül



    Cellobiose

    Ausschließlich β-(1,4)-glycosidische Bindung

    Bei der Cellulose handelt es sich um fadenförmig gestreckes Makromoleküle. Diese Makromoleküle lagern sich zu Elementarfibrillen zusammen (H-Brücken). 


    4.3.3 Unterschied: Cellulose – Stärke

    a) Räumlich unterschiedliche Verknüpfung der Glucoseringe in den Makromolekülen

    Cellulose:                (-Glu-Glu-Glu-Glu- verknüpft  β 1→4)
    Stärke (z.B. Amylose) (-Glu-Glu-Glu-Glu-  verknüpft  α 1→4 )

    b) Unterschiedliche Anordnung der Makromoleküle

    Cellulose: langgestreckte, unverzweigte Kettenmoleküle
    Stärke: verzweigte Kettenmoleküle, die spiralig aufgerollt sind.

    c) Unterschiedliche Molekülmasse

    Cellulose: bis 1,8 Millionen u
    Stärke: bis 50 000 u

    4.3.4 Verwendung der Cellulose

    Nahrungsmittel: Der Mensch kann β-1,4-Bindungen der Cellulose nicht abbauen ( → Ballaststoffe). 
    Im Dickdarm schaffen das anaerobe Bakterien

    →  Umwandlung in Fettsäuren → Resorption. 
    Kühe: Pansen: Mikroorganismen →  Celluloseverdauung
    Pferde u.a. Dickdarm
    Einige Pilze und Silberfischchen (eine der wenigen Tiere mit eigenen Cellulasen). 
    Wichtigste Textilfasern: Baumwolle.
    Aus Hanf, Flachs, Jute werden Leinen, Säcke, Segeltuch, Matten usw. hergestellt.
    Papier



    4.3.4 Derivate der Cellulose


    a) Cellulose – Kunstseiden

    b) Schießbaumwolle (Christian Friedrich Schönbein, Metzinger Chemiker, geb. 1799).
    Schießbaumwolle ist Cellulosenitrat (fälschlicherweise als Nitrocellulose bezeichnet).

    Herstellung der Schießbaumwolle: 20 mL konz. H2SO4 + 10 ml rauchende HNO3 zur Kühlung kaltes Wasserbad; 2 g Watte dazugeben und mit Galsstab umrühren. Nach 10 Minuten wird die veresterte Watte nur gut mit Wasser ausgewaschen und anschließend im Exsikkator getrocknet.
    Schießbaumwolle ist Grundlage für raucharmes Schießpulver, welches das Schwarzpulver ersetzte.  z.T. mit Nitroglycerin versetzt dient die Schießbaumwolle als Sprengmittel mit einem Initialzünder.

    erbrennung
    Normale Watte, die fast ausschließlich aus Cellulose besteht, ist nur schwer brennbar. Schießbaumwolle verbrennt explosionsartig mit einer Stichflamme. Bei der Verbrennung der Schießbaumwolle werden große Mengen stabiler Gase frei, die durch ihre Ausdehnung zu einer Druckwelle führen, die typischerweise eine Explosion begleitet. Die entstandenen Gase sind Stickstoff (N2), Stickoxide (NOx) , Kohlenstoffmonoxid (CO), sowie Kohlendioxid (CO2).

    Reaktionsgleichung der Herstellung von Nitriersäure

    Summenformeln:

    2 H2SO4 + HNO3 → NO2+ + H3O1+ + HSO41- 

    Herstellung von Schießbaumwolle

     Strukturformel - Lewis-Formel - Haworth-Projektion - Schiessbaumwolle - Cellulosenitrat