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
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:
5.4.3 Polysaccharide
- Wichtigsten Beispiele: Stärke, Glykogen (tier. Stärke), Cellulose
- Funktion: Speicher- und Gerüstsubstanz
- Monomere der genannten Beispiele: Glucose; unterschiedl. Verknüpfung
4.3.1 Stärke
a) Vorkommen:
- Pflanzen (Speicherstoff, osmotisch nicht wirksam)
- Nahrungsmittel (Brot, Teigwaren, Kartoffel, usw.),
b) Aufbau eines Stärkemoleküls:
c) Bau: α-D-Glucose – Stärkekorn
| Amyolse | Amylopektin | |
| Anteil: | (10-30%) | (70-90%) |
| Bau: |
linearen Ketten (helikaler (Schrauben-)Struktur) |
stark verzweigten Strukturen |
| Verknüpfung | α-1,4-glykosidisch |
α-1,4-glykosidischen |
| Löslichkeit in heißem Wasser | kolloidal löslich | unlöslich |
| Mit I2 bildet es __ Lösung | blaue | violette |
| Im Stärkekorn | Hülle | Innen |
d) Nachweis: Iodstärke-Reaktion
Versuch: Zu einer Stärkelösung gibt man ein paar Tropfen einer Lösung von Iod in Kaliumiodid (Iod-Kaliumiodid-Lösung, Lugolsche Lösung) Elementares Iod ist in Wasser kaum löslich. Liegen jedoch schon gelöste Iodid-Ionen vor, löst sich das Iod unter Bildung von Polyiodidionen:
2 I2 + I- → I3- + I2 → I5-
Beobachtung: Lösung wird tiefblau
Beim Erhitzen wird die Lösung hell, beim Abkühlen wieder tiefblau
Erklärung: Die Stärkemoleküle sind spiralig angeordnet, in den entstehenden Hohlraum lagern sich Jodmoleküle ein die dort durch van-der-Waals-Kräfte gebunden werden. Eine blaue Iod-Stärke-Einlagerungsverbindung bildet sich. Das gelbe Licht wird absorbiert, die Lösung erscheint blau. Beim Erhitzen nimmt die Beweglichkeit der I2-Moleküle zu, so dass beim Erhitzen eine Entfärbung eintritt.
Eigenschaften von Stärke (Amylose)
- in kaltem Wasser: unlöslich
- heißem Wasser: löslich
- schmeckt nicht süß
- kolloide Lösung (Kolloide: Moleküle oder Aggregate, die sich aus etw. 103 bis 109 Atomen zusammensetzt und in einem Dispersionsmittel verteilt sind).
Versuch:
Beobachtung:
Im Gegensatz zu NaCl-Lösung ist der Verlauf des Lichtes in der Stärkelösung sichtbar (= Tyndall-Effekt).
Erklärung:
Gebündeltes Licht wird beim Durchgang durch kolloid- oder molekulardisperse Systeme gestreut (d.H. jedes Teilchen streut einen Teil des auftreffenden Lichtes in alle Richtungen des Raums. Dieser von Tyndall 1868 erstmals untersuchte Effekt tritt immer dann auf, wenn Teilchen vorliegen, deren Größe etwa der Wellenlänge des Lichtes entsprechen. Solche Teilchen haben einen Durchmesser von 1 bis 1000 nm.
van-der-Waals-Kräfte/strong
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→2-glycosidisch verknüpft
Spaltung der Saccharose mit verdünnter Salzsäure = saure Hydrolyse
färbt sich rosa roter Niederschlag positiv
enthält Fructose Aldehydgruppe Glucose
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.
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.
4.2 Disaccharide
4.2.1 Maltose (Malzzucker)
Vorkommen: Entsteht durch unvollständige Hydrolyse von Stärke .
Stärke -----(Enzym: Amylase)-----> Maltose
Verwendung: Gerstenmalz (Bier brauen)
Eigenschaften:
- Fehling positiv
- zeigt Mutarotation
- besteht aus 2 α-D-Glucoseeinheiten, α-1→4 glycosidisch verknüpft.
4.2.2 Cellobiose
Vorkommen: Verdauungsprodukt von Pflanzenfressern aus Zellulose
Eigenschaften:
- Fehling positiv
- zeigt Mutarotation
- besteht aus 2 β-D-Glucoseeinheiten, β 1 → 4 glycosidisch verknüpft.
4.2.3 Lactose (Milchzucker)
Vorkommen: Muttermilch von Säugetiere (1,5 – 8 %)
Eigenschaften:
- Fehling positiv
- zeigt Mutarotation
Hydrolyse ergibt β-D-Glucose und β-D-Galactose, β-1 → 4 glycosidisch verknüpft.
