In der Chemie wird das Schiff'sche Reagenz für den Nachweis von Aldehyden genutzt. Da Glucose ein Aldehyd ist, müsste der Nachweis positiv ausfallen. Dies ist jedoch nicht so. Der Grund liegt in dem Phänomen, dass Monosaccharide wie Glucose eine Ringform ausbilden.
Ringform – Erklärung
Monosaccharide liegen in der Chemie als Aldehyde oder Ketone vor. Beispiele für solche Monosaccharide sind Glucose, was ein Aldehyd ist, und das Keton Fructose. Diese Monosaccharide können sowohl in der offenkettigen Form als auch in der Ringform vorkommen.
Zum Verständnis siehst du hier die offenkettige Form der Glucose. Diese wird in der sogenannten Fischer-Projektion dargestellt.
Die Fischer-Projektion ist eine Schreibweise, die für die offenkettige Form der Monosaccharide genutzt wird. Dabei wird das Monosaccharid von oben nach unten geschrieben, wobei die Gruppe mit der höchsten Oxidationsstufe nach oben zeigt.
Abbildung 1: Offenkettige Form der D-Glucose
Die offenkettige Form gibt es, jedoch liegen die Monosaccharide mit einer hohen Wahrscheinlichkeit in der Ringform vor. Die Ringform entsteht durch eine intramolekulare Reaktion der Monosaccharide. Bei diesem intramolekularen Vorgang reagieren die Carbonylgruppe und die Hydroxy-Gruppe am fünften C-Atom miteinander. Es kommt zur Ringbildung. Im Folgenden ist die Ringform der Glucose sichtbar:
Abbildung 2: Ringform von D-Glucose
Die hier gezeigte Ringform wird mit der sogenannten Haworth-Projektion dargestellt.
Die Haworth-Projektion ist eine Schreibweise, um die ringförmige Struktur der Monosaccharide abzubilden. Dabei steht der Sauerstoff, der den Ring der Monosaccharide schließt, rechts oben. Hydroxygruppen, die in der Fischer-Projektion nach rechts stehen, zeigen in der Haworth-Projektion nach unten.
Eine gute Merkregel ist die FLOH-Regel! FLOH steht für "Fischer links, oben Haworth".
Ringform – Entstehung
Wie du bereits erfahren hast, kommt die Ringform durch eine intramolekulare Reaktion zustande. Eine intramolekulare Reaktion ist eine Reaktion, die innerhalb eines Moleküls erfolgt. Im Fall der Monosaccharide findet die Reaktion zwischen einer Hydroxy-Gruppe und einer Carbonylgruppe statt.
Monosaccharide, die ein Keton sind, bilden durch die Ringschließung ein Fünfeck. Dieses Fünfeck wird als Furanose bezeichnet. Ein Beispiel hierfür ist Fructose.
Monosaccharide, die als Aldehyd vorliegen, formen ein Sechseck durch die Ausbildung der Ringform. Solche Sechsecke werden Pyranosen genannt.
Glucose ist beispielsweise ein solches Sechseck.
Ringbildung bei Pyranosen
Die Erklärung der Ringbildung erfolgt anhand der D-Glucose. D-Glucose ist ein Aldehyd und existiert zunächst als offenkettiges Molekül.
Glucose ist ein Molekül mit mehreren Chiralitätszentren. Das bedeutet, die räumliche Stellung der Hydroxygruppen ist entscheidend. D-Glucose liegt vor, wenn die letzte Hydroxy-Gruppe, also die Gruppe am fünften C-Atom, nach rechts gerichtet ist.
Bei diesem Molekül bilden die Carbonylgruppe des Aldehyds und die Hydroxy-Gruppe am fünften C-Atom einen Ring. Der blau markierte Gruppe im Ring ist ein Halbacetal. Das heißt, die Bildung des Rings erfolgt durch eine Halbacetalbildung.
Abbildung 3: Offenkettige Form und Ringform von D-Glucose
Während des Schließens des Rings kommt es zu einer intramolekularen Wanderung eines Protons. Das Proton wandert innerhalb des Glucosemoleküls von der Hydroxy-Gruppe zum Sauerstoff der Carbonylgruppe.
Abbildung 4: Bildung der Ringform bei D-Glucose
Ringbildung bei Furanosen
Monosaccharide, die ein Keton sind, können auch eine Ringform bilden. Der Unterschied zu Monosacchariden, die als Aldehyd existieren, ist, dass Ketone ein Fünfeck bilden.
Die intramolekulare Reaktion erfolgt bei diesen Monosacchariden zwischen der Hydroxy-Gruppe am fünften C-Atom und der Carbonylgruppe, welche das Keton charakterisiert.
Abbildung 5: Bildung der Ringform bei D-Fructose
Gleichgewichtsreaktion
In einer Lösung liegt somit die Ringform vor. Es existiert jedoch auch ein geringer Anteil der offenkettigen Form in der wässrigen Lösung. Es herrscht nämlich ein Gleichgewicht zwischen der ringförmigen und der offenkettigen Form. Die Gleichgewichtsreaktion liegt jedoch sehr stark auf der Seite der Ringform, sodass nur ein geringer Anteil offenkettig vorhanden ist.
α- und β-Form bei der Ringbildung
Durch die Ringbildung der Monosaccharide entsteht am C-Atom, dessen Hydroxy-Gruppe mit der Carbonylgruppe reagiert, ein neues Chiralitätszentrum. Somit kommt es zu zwei verschiedenen Formen. Der entscheidende Unterschied bildet hierbei die Hydroxy-Gruppe des C1-Atoms:
Abbildung 6: α-D-Glucose und β-D-Glucose
Ein Chiralitätszentrum liegt vor, wenn an einem Atom vier verschiedene Substituenten gebunden sind. Dadurch entstehen mehrere Molekülstrukturen, die sich in der räumlichen Anordnung unterscheiden. Diese Molekülstrukturen lassen sich durch Drehung nicht ineinander überführen. Solche Moleküle werden als Stereoisomere bezeichnet.
Je nachdem, ob die Hydroxy-Gruppe nach oben oder unten gerichtet ist, können die α- und die β-Form unterschieden werden. Die α-Form besitzt am C1-Atom eine Hydroxy-Gruppe, die nach unten zeigt. Bei der β-Form ist die Hydroxy-Gruppe nach oben gerichtet. So können beispielsweise α-D-Glucose und β-D-Glucose unterschieden werden.
Ringform – Vorkommen
Die Ringform kommt bei Monosacchariden vor. Monosaccharide liegen in einer wässrigen Lösung meist ringförmig vor. Dabei bilden sowohl Monosaccharide mit fünf C-Atomen als auch mit sechs C-Atomen die ringförmige Struktur.
Ringform – Glucose
Glucose ist ein Monosaccharid mit sechs C-Atomen. Es hat die folgende Summenformel: C6H12O6. Glucose ist in der offenkettigen Form ein Aldehyd. Es wird von D-Glucose ausgegangen. Die Ringform der D-Glucose sieht wie folgt aus:
Abbildung 7: Ringform der D-Glucose
Glucose bildet in der Ringform ein Sechseck und ist deswegen eine Pyranose. Aufgrund dessen ist eine weitere Bezeichnung für die Ringform der Glucose Glucopyranose.
Wie du bereits gelernt hast, entsteht durch die Ausbildung der Ringform ein weiteres Chiralitätszentrum am C1-Atom. Deswegen gibt es α-D-Glucose, wo die Hydroxy-Gruppe am C1-Atom nach unten gerichtet ist, und β-D-Glucose, bei der die Hydroxy-Gruppe nach oben zeigt.
Ringform – Fructose
Ähnlich wie bei Glucose gibt es D-Fructose und L-Fructose. Die nachfolgenden Beschreibungen gehen von D-Fructose aus. Denn L-Fructose spielt so gut wie keine Rolle in der Natur.
L-Fructose spielt in der Natur keine Rolle, denn es hat aus physiologischer Sicht keine Bedeutung. Das heißt, L-Fructose ist in den biochemischen Lebens- und Stoffwechselvorgängen von Lebewesen nicht beteiligt.
Das Monosaccharid Fructose ist eine Furanose und bildet bei der Ringschließung ein Fünfeck. Eine weitere Bezeichnung für die Ringform der Fructose ist Fructofuranose. Die Summenformel der Fructose lautet: C6H12O6.
Während der Ringschließung bildet sich auch bei Fructose ein weiteres Chiralitätszentrum aus, sodass es α-D-Fructose und β-D-Fructose gibt.
Abbildung 8: α-D-Glucose und β-D-Glucose
Ringform - Das Wichtigste
- Monosaccharide können sowohl in der offenkettigen Form als auch in der Ringform vorliegen.
- Die Ringform der Monosaccharide kommt durch eine intramolekulare Reaktion zwischen der Hydroxy-Gruppe am fünften C-Atom und der Carbonylgruppe zustande.
- Monosaccharide, die als Aldehyd vorliegen, bilden durch die Ringschließung Sechsecke, sogenannte Pyranosen.
- Monosaccharide, die Ketone sind, formen durch die Ringbildung Fünfecke, die als Furanosen bezeichnet werden.
- Durch die Ringschließung entsteht ein neues Chiralitätszentrum am C1-Atom, sodass es eine α-Form und eine β-Form gibt.
- Die Ringform der Glucose wird als Glucopyranose und die Ringform der Fructose als Fructofuranose bezeichnet.
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