D-Glucose

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Frage: Aus welchen Quellen kann Bioethanol gewonnen werden?
Kohlenhydrate
Frage: Aus welchen Quellen kann Bioethanol gewonnen werden?
Quelle: wikipedia
Eine der Quellen für Bioethanol ist Mais (Zea mays).
Quelle: mein-schoener-garten.de
Quelle: wikipedia
Quelle: neulichimgarten.de
Für die Gewinnung von Bioethanol können wir rein theoretisch alle Bestandteile der Maispflanze verwenden –
sowohl das „Abfallmaterial“ (Blätter, Stengel und Wurzeln; links) als auch die Kolben (rechts).
Quelle: mein-schoener-garten.de
Quelle: wikipedia
Konzentrieren wir uns zunächst auf das organische Material, aus dem die Stengel und Blätter hauptsächlich bestehen.
Den Hauptanteil an organischer Masse im Pflanzenmaterial macht bekanntlich die Cellulose aus.
Sechsring in der
Sesselkonformation
O-Atom als „Brücke“
zwischen Sechsringen
Ausschnitt aus einem Cellulose-Molekül
Die Abbildung zeigt einen Ausschnitt aus einem Cellulose-Molekül.
O-Atom als Ringglied
im Sechsring
Wir erkennen auf den ersten Blick folgendes:
a)
In einer langgezogenen Kette sind Sechsringe (in der stabilen Sesselkonformation vorliegend) über Brücken aus
O-Atomen miteinander verknüpft.
b)
Nur fünf der Ringglieder sind Kohlenstoffatome. Das sechste Ringglied ist ein Sauerstoffatom.
C-Atom Nr.1, mit beiden O-Atomen verknüpft
Ring-O-Atom
Brücken-O-Atom
Ein genauerer Blick auf die Abbildung läßt uns weiterhin erkennen:
Dieses einzelne O-Atom im Sechsring und das O-Atom der „Brücke“ zwischen diesem und dem benachbarten Sechsring
Sind mit ein- und demselben C-Atom verknüpft!!!
Auch wenn hier keine Ketten von C-Atomen vorliegen, sondern fünf der insgesamt sechs C-Atome pro „Einheit“ sich in
einem Ringsystem befinden, können wir die miteinander verknüpften C-Atome dennoch von 1 bis 6 durchnumerieren.
Dieses ganz spezielle C-Atom, das durch zwei Einfachbindungen mit jeweils einem O-Atom verbunden ist, erhält dabei
die Nummer 1, so daß für das einzige C-Atom, das außerhalb des Rings liegt, die Nummer 6 übrigbleibt.
*
Und wenn wir noch genauer hinsehen, fällt uns folgendes auf:
In dem Molekülausschnitt der Cellulose ist jedes der fünf C-Atome der betreffenden Ringe ein sogenanntes
Stereozentrum (das zur optischen Hervorhebung üblicherweise mit einem Sternchen * gekennzeichnet wird).
„Stereozentrum“ bedeutet, daß als Grundvoraussetzung jedes dieser fünf C-Atome sp3-hybridisiert ist und somit vier
Einfachbindungen ausbildet und daß weiterhin jede dieser vier Einfachbindungen das Stereozentrum mit einem
Substituenten verknüpft, der sich von den anderen drei Substituenten in irgendeiner Form unterscheidet.
*
Dieser Unterschied der vier Substituenten kann sich wie folgt zeigen:
a)
Es liegen Atome unterschiedlicher Elemente vor (im Fall von C-1 z.B. H, C und O)
b)
Es liegen zwar Atome des gleichen Elements vor (so ist C-1 z.B. zweimal mit einem O-Atom verbunden), aber das
Molekülgerüst, das „jenseits“ dieser gleichen Atome folgt, ist jeweils unterschiedlich (so ist das eine O-Atom, mit
dem C-1 verbunden ist, Teil eines Sechsrings, während das andere O-Atom kein Teil eines Ringsystems darstellt).
Betrachten wir nunmehr den Abbau der pflanzlichen Gerüstsubstanz Cellulose:
Cellobiose
Bekanntlich können Wiederkäuer Cellulose in Form von Gras verwerten – im Gegensatz zu uns Menschen.
In den Mägen der Wiederkäuern befinden sich nämlich verschiedene Bakterienstämme, die bei der Aufspaltung der
Cellulose in kleinere Bruchstücke zusammenarbeiten:
Ein Bakterienstamm stellt das Enzym Cellulase zur Verfügung. Dieser Biokatalysator (nichts anderes ist ein Enzym
nämlich) beschleunigt die Reaktion, in der ein Cellulose-Strang durch Wasser in kleinere Bausteine aufgespalten wird.
In diesen Bausteinen sind nur noch zwei Sechsringe miteinander über eine O-Brücke verbunden.
Der Name eines solchen Bausteins lautet Cellobiose (siehe Abbildung).
Kann die Cellobiose (ein sogenanntes Disaccharid = ein „Zweierzucker“) in zwei kleinere Monosaccharid-Bausteine
aufgespalten werden?
Antwort: ja.
β–D–Glucose
Ein zweiter Bakterienstamm stellt ein Enzym zur Verfügung, das eine weitere Aufspaltung der Cellobiose
mit Hilfe eines Wassermoleküls beschleunigt, nämlich die β–Glucosidase.
Dieses Enzym sorgt dafür, daß das Wassermolekül die Brücke zwischen den beiden Sechsringen auf einem relativ
energiearmen Weg aufspalten kann (genau dieser Umstand beschleunigt nämlich die Reaktion).
Das Ergebnis dieser sogenannten Hydrolyse (altgriechisch: hydor = Wasser; lysis = Spaltung) sind zwei getrennte,
aber von ihrer Struktur her identische Sechsring-Systeme.
Wir haben hier eine der isomeren Formen des Traubenzuckers vorliegen, nämlich die β–D–Glucose (siehe
Abbildung).
β–D–Glucose
Alleine schon wegen seiner immensen Bedeutung als Brennstoff für das Gehirn müssen die Formeln der Isomeren
des Traubenzuckers (es sind insgesamt drei; zwei ringförmige und eine offenkettige) jederzeit im Gedächtnis
verankert sein.
Ohne den Traubenzucker als Hirnnahrung könnten wir uns die Formeln nämlich gar nicht merken …
Quelle: zuckerforschung.at
Quelle: wikipedia
Quelle: neulichimgarten.de
Was würden wir hingegen an Strukturmerkmalen auf molekularer Ebene erkennen, wenn wir die organische Materie
der Maiskörner näher untersuchen?
Der organische Hauptanteil eines Maiskorns ist bekanntlich die Stärke.
Bestandteile der Stärke
Amylose (20 – 30%)
Nun – wir würden auf den ersten Blick
Einiges an Gemeinsamkeiten entdecken:
a) die Sechsringe, von denen jeder ein O-Atom
als Bestandteil des Rings enthält,
b) die O-Atome als Brücken zwischen den
einzelnen Sechsringen, die als Glieder einer
langen Kette miteinander verbunden sind,
c) das sechste C-Atom, das sich außerhalb der
Kette befindet und ebenfalls eine OH-Gruppe
trägt.
Amylopektin (70 – 80%)
Die Bindung zwischen C-1 und dem Brücken-O-Atom
weist senkrecht nach unten
Bestandteile der Stärke
Amylose (20 – 30%)
O-Brücke zwischen einem C-6 (!)
eines Sechsrings und dem C-1
eines zweiten Sechsrings
Beim genaueren Betrachten erkennen wir
jedoch die Unterschiede:
a) vom C-1 ausgehend weist das BrückenO-Atom nicht schräg nach oben (relativ zur
gedachten horizontalen Ringebene), sondern
senkrecht nach unten;
b) Stärke ist keine einheitliche Substanz,
sondern besteht aus zwei Bestandteilen: der
Amylose und dem Amylopektin; letzteres
hat an manchen der C-Atome mit der
Nummer 6 (im Schnitt an jedem 25.
Sechsring der Kette) ebenfalls eine OBrücke hin zu einem weiteren Sechsring.
Amylopektin (70 – 80%)
Amylose
(Bestandteil der Stärke,
z.B. im Maiskolben)
Cellulose
(Fasern der Pflanzenreste)
Vergleichen wir nochmals einen typischen Ausschnitt aus einem Stärkemolekül (hier: aus deren Bestandteil
Amylose) mit einem Ausschnitt aus der Cellulose.
In beiden Fällen liegt Traubenzucker (= D-Glucose) als Baustein vor.
Der Unterschied auf molekularer Ebene zeigt sich in der Anordnung der Substituenten am C-1 – also dem
speziellen C-Atom, das mit zwei O-Atomen über jeweils eine Einfachbindung verknüpft ist und das als anomeres
Zentrum des Glucose-Sechsrings bezeichnet wird.
Wie sieht die räumliche Orientierung der vier Bindungen am C-1 genau aus?
Die Bindung zwischen C-1 und dem H-Atom
liegt in der Papierebene …
α-D-Glucose
Betrachten wir in diesem Zusammenhang den Baustein der Stärke, die α–D-Glucose.
Zwei der vom C-1 ausgehenden Bindungen liegen in der Papierebene.
Eine davon ist die Bindung vom C-1 zum H-Atom.
Dieses H-Atom wird in der abgekürzten Schreibweise normalerweise nicht mit eingezeichnet.
Zur Verdeutlichung der räumlichen Ausrichtung ist es aber in der obigen Abbildung mit angegeben.
Die Bindung zwischen C-1 und dem H-Atom
liegt in der Papierebene …
19,5°
α-D-Glucose
Ein kleiner Einschub noch zur Geometrie der Zeichnung:
Das H-Atom am C-1 nimmt in der hier vorliegenden Sesselkonformation des Sechsrings die sogenannte äquatoriale
Position ein.
Damit der 109,5°-Winkel des Tetraeders gewährleistet ist, liegt diese äquatoriale Bindung nicht exakt in der
Horizontalen (wie der Ausdruck „äquatorial“ im Grunde genommen vermuten läßt), sondern ragt um 19,5° von der
Horizontalen weg.
Im Fall des C-1 (äq. Bindung zum H-Atom), des C-3 (äq. Bindung zur OH-Gruppe) und des C-5 (äq. Bindung zum C-6)
ragt die äquatoriale Bindung um diesen Wert von 19,5° nach oben weg.
Im Fall des C-2 (äq. Bindung zur OH-Gruppe) und des C-4 (äq. Bindung zur OH-Gruppe) ragt die äquatoriale Bindung
um diesen Wert nach unten weg.
Die Bindung zwischen C-1 und dem H-Atom
liegt in der Papierebene …
… und auch die Bindung zwischen C-1
und dem O-Atom der OH-Gruppe liegt
in dieser Ebene
α-D-Glucose
Ebenfalls in der Papierebene liegt die Bindung zwischen C-1 und dem O-Atom der OH-Gruppe.
Diese Bindung ragt in der Sesselkonformation des Sechsrings senkrecht nach unten. Sie ist also die axial
ausgerichtete Bindung am C-1.
Ebenfalls senkrecht nach unten zeigen die axialen Bindungen an den C-Atomen C-3 und C-5, während die axialen
Bindungen am C-2 und C-4 senkrecht nach oben zeigen.
In allen letztgenannten axialen Bindungen (C-2 bis C-5) ist der Bindungspartner ein (hier in der Abbildung nicht
eingezeichnetes) H-Atom.
Die Bindung zwischen C-1 und dem Ring-O-Atom
ragt vom Betrachter weg hinter die Ebene
α-D-Glucose
Die Bindung zwischen C-1 und C-2
ragt dem Betrachter entgegen
Nun kommen wir zu den Bindungen am C-1, die aufgrund der Tetraeder-Geometrie nicht in der Papierebene liegen
können.
Die Bindung zwischen C-1 und C-2 ist hier mit einem dickeren Keil wiedergegeben. Sie ragt dem Betrachter
entgegen.
Die Bindung zwischen C-1 und dem O-Atom des Sechsrings müssen wir uns als gestrichelt gezeichneten Keil
vorstellen. Sie ragt vom Betrachter weg hinter die Papierebene.
Die Bindung zwischen C-1 und dem Ring-O-Atom
ragt vom Betrachter weg hinter die Ebene
α-D-Glucose
Die Bindung zwischen C-1 und C-2
ragt dem Betrachter entgegen
Wir müssen uns stets darüber im Klaren sein, daß dieser vermeintlich kleine Unterschied, ob die Bindung vom C-1
zum Brücken-O-Atom zwischen den Glucosebausteinen eine äquatoriale oder eine axiale Position einnimmt, enorme
Auswirkungen auf das Ernährungsverhalten von Mensch und Tier hat:
Wir Menschen können uns von Mais und Kartoffeln ernähren und dabei den Brennwert der Stärke nutzen.
Deren Struktur beruht auf den Bausteinen des Traubenzucker-Isomers, dessen OH-Gruppe am C-1 nach unten ragt
(= α-D-Glucose).
Wäre unser Nahrungsangebot auf Cellulose beschränkt, deren Bausteine diejenigen Traubenzucker-Moleküle sind,
deren OH-Gruppe am C-1 schräg nach oben zeigt (= β-D-Glucose), würden wir verhungern.
Ein Ernährungsverhalten, das auf dem Fressen von Gras basiert, ist eben nur für Wiederkäuer möglich.
Amylose
(Bestandteil der Stärke,
z.B. im Maiskolben)
α-D-Glucose
Cellulose
(Fasern der Pflanzenreste)
β-D-Glucose
Hier nochmals beide Bausteine (α-D-Glucose und β-D-Glucose) im Vergleich.
Amylose
(Bestandteil der Stärke,
z.B. im Maiskolben)
α-D-Glucose
Cellulose
(Fasern der Pflanzenreste)
β-D-Glucose
D-Glucose (Traubenzucker)
Dieser Exkurs kann dazu genutzt werden, das saubere Zeichnen eines Glucose-Moleküls zu üben.
Zur Wiedergabe des Glucose-Moleküls bietet sich, wie bereits auf den vorhergehenden Folien gezeigt, die
zeitsparende Skelettschreibweise an.
Wir beginnen (wie beim Cyclohexan) mit zwei parallel verlaufenden Strichen, die etwas versetzt zueinander
gezeichnet werden.
D-Glucose (Traubenzucker)
Schräg oberhalb und schräg unterhalb wird jeweils ein Punkt gesetzt.
D-Glucose (Traubenzucker)
Bevor wir, wie beim Cyclohexan, die Enden der Linien mit den Punkten verbinden, sollten wir bei der Glucose das
Elementsymbol des Ring-O-Atoms an das rechte obere Linienende einzeichnen.
Nun werden die Enden der Linien mit den Punkten verbunden.
Der Sechsring aus fünf C-Atomen und einem O-Atom ist damit in der Sesselkonformation erstellt.
Wenn wir als gewünschtes Isomer die β–D-Glucose wählen, dann wird die OH-Gruppe am C-1 äquatorial (in
diesem Fall schräg nach oben) gezeichnet.
Die räumlichen Orientierungen der weiteren OH-Gruppen am Ring können nicht willkürlich gewählt werden.
Wir müssen alle drei OH-Gruppen an den C-Atomen C-2, C-3 und C-4 äquatorial einzeichnen, andernfalls hätten
wir einen anderen Zucker gezeichnet, aber nicht die β–D-Glucose.
Während die OH-Gruppe am C-2 äquatorial schräg nach unten zu zeichnen ist, …
… muß die OH-Gruppe am C-3 schräg nach oben gezeichnet werden …
… und die OH-Gruppe am C-4 wiederum schräg nach unten.
Nun wird das C-Atom Nr. 6 außerhalb des Rings gezeichnet, und zwar durch eine ebenfalls äquatorial gezeichnete
Bindung (hier wiederum schräg nach oben).
Abschließend fehlt nur noch die OH-Gruppe am C-6.
Das Molekül der β–D-Glucose ist damit vollständig wiedergegeben (in der abgekürzten Skelettschreibweise,
wohlgemerkt).
Nicht vergessen:
Wenn sich jemand dafür entscheiden sollte, von der abgekürzten Schreibweise abzuweichen und die Elementsymbole für die C-Atome zu verwenden, dann müssen zwingend auch die Elementsymbole für die H-Atome
angegeben werden!
Die Keile am C-6 können selbstverständlich auch als normale Striche gezeichnet werden, ebenso wie die fett
gezeichneten Bindungen von C-1 bis C-4 (die lediglich die dreidimensionalen Verhältnisse in der Sesselkonformation verdeutlichen sollen) als normale Striche präsentiert werden dürfen.
Oxonium-Ion
α–D-Glucose und β–D-Glucose sind beides farblose kristalline Feststoffe mit unterschiedlichen physikalischen
Eigenschaften wie z.B. Schmelzpunkten.
In wässriger Lösung liegen diese beiden Isomeren zusammen mit einem dritten Isomeren (nämlich der sogenannten
offenkettigen Form der D-Glucose) in einem Gleichgewicht vor.
Die Einstellung dieses Gleichgewichts wird durch Zugabe von Säure wie z.B. Salzsäure beschleunigt, d.h. in der
Umgebung der Glucose-Moleküle liegen Oxonium-Ionen H3O+ vor (siehe Abbildung; diese Oxonium-Ionen bilden sich
aus der Reaktion von Wasser mit dem Proton des HCl-Moleküls).
Wie sich dieses Gleichgewicht einstellt, wenn wir z.B. reine β–D-Glucose in ein mit Wasser gefülltes Reagenzglas
geben und einige Tropfen Salzsäure zusetzen, sollen diese und die folgenden Folien zeigen.
Eines der beiden freien Elektronenpaare des O-Atoms eines Wasser-Moleküls greift am H-Atom der OH-Gruppe am
C-1 der β–D-Glucose an und spaltet es als Proton von dieser OH-Gruppe ab (siehe Elektronenverschiebungspfeil
ganz unten).
Das dadurch freiwerdende Bindungselektronenpaar zwischen dem O- und dem H-Atom der OH-Gruppe wird
zwischen das O-Atom und das C-1 verschoben, wo es die π–Elektronen der neu entstehenden C=O-Doppelbindung
ausbildet.
Gleichzeitig (!) muß das Bindungselektronenpaar zwischen C-1 und dem Ring-O-Atom verschoben werden
(gleichzeitig deshalb, weil das C-Atom niemals fünfbindig sein kann).
Es bewegt sich hin zu einem der H-Atome des Oxonium-Ions und spaltet dieses H-Atom als Proton ab.
[= (2R,3S,4R,5R)-2,3,4,5,6-Pentahydroxyhexanal]
Als Ergebnis dieser Verschiebung von Elektronenpaaren wird die offenkettige Form der D-Glucose ausgebildet,
der man keinen griechischen Buchstaben zuordnet (die Buchstaben α und β sind ja für die beiden cyclischen
Isomere reserviert), sondern die man einfach als „offenkettige D-Glucose“ bezeichnet .
Sie hat am C-1 eine Aldehydgruppe.
Man beachte: das C-1 ist hier kein Stereozentrum mehr!
Ganz wichtig: wir haben in wässriger Lösung ein dynamisches Gleichgewicht, d.h. in Lösung bleibt ein Glucose-Molekül
niemals unverändert als ein einziges Isomeres bestehen.
Vielmehr werden cyclische Isomere ständig in offenkettige Isomere umgewandelt und umgekehrt.
Die Abbildung zeigt uns die umgekehrten Schritte in Richtung einer Cyclisierung: Abspaltung des H-Atoms der OHGruppe am C-5 durch Wasser (siehe oben rechts) und Angriff des dadurch freigewordenen Bindungselektronenpaars
zwischen O und H am C-Atom der aldehydischen C=O-Gruppe (welches durch den Einfluß des doppelt gebundenen stark
elektronegativen O-Atoms elektronenarm ist).
Aus dem bekannten Grund (Vierbindigkeit des Kohlenstoffs) muß gleichzeitig das π–Elektronenpaar der C=O-Bindung hin
zu einem H-Atom eines benachbarten Oxonium-Ions verschoben werden.
Das Bindungselektronenpaar der betreffenden O-H-Bindung des Oxonium-Ions wird dadurch zu einem freien
Elektronenpaar eines Wasser-Moleküls (unterer Elektronenverschiebungspfeil).
Angriff auf das Carbonyl-C-Atom C-1
Richten wir unser Augenmerk nochmals auf den Elektronenverschiebungspfeil, der den Angriff des ursprünglichen
Bindungselektronenpaars zwischen O und H auf das elektronenarme Carbonyl-Kohlenstoffatom der Aldehydgruppe
symbolisiert.
Die Aldehydgruppe ist aufgrund der sp2-Hybridisierung des Carbonyl-Kohlenstoffs planar.
Das bedeutet, daß dieser Angriff des Elektronenpaars auf das C-1 sowohl von unterhalb als auch von obenhalb der Ebene
stattfinden kann, in der die drei Atome C, H und O der Aldehydgruppe liegen!
α-D-Glucose
Findet der Angriff von unten her statt, so wird die dadurch gebildete OH-Gruppe am C-1 schräg nach oben
ausgerichtet, was der Rückreaktion zur β–D-Glucose entspricht.
Findet dieser Angriff jedoch von oben her statt, so wird die neu entstehende OH-Gruppe senkrecht nach unten
orientiert, und es entsteht das hier abgebildete Isomere, nämlich die α–D-Glucose.
D-Glucose (Traubenzucker)
offenkettige Form der D-Glucose
Zurück zur offenkettigen Form: Sie existiert lediglich in Lösung und im dortigen Gleichgewicht auch nur zu einem
sehr geringen Anteil in der Größenordnung von 1%.
Aber: dieses eine Prozent an offenkettiger Form ermöglicht mit seiner Aldehydgruppe einige wichtige chemische
Reaktionen des Traubenzuckers.
Zur Erinnerung: sobald die offenkettige Form der Glucose in einer chemischen Reaktion verbraucht wird, wird sie im
Rahmen des bestehenden Gleichgewichts immer wieder aus den cyclichen Isomeren α– und β – D-Glucose
nachgebildet.
Insofern ist es nicht von Bedeutung, daß sie in diesem Gleichgewicht nur zu ca. 1% vorliegt.
D-Glucose (Traubenzucker)
Quelle: experimentalchemie.de
Quelle: de.m.wikipedia.org
offenkettige Form der D-Glucose
So kann man z.B. mit Hilfe von Traubenzucker Weihnachtsschmuck wie z.B. Christbaumkugeln versilbern oder
Spiegel herstellen (siehe Silberspiegel im Glaskolben oben links).
Man braucht dazu eine Lösung von Silber(I)-Ionen Ag+. Die Aldehydgruppe der Glucose sorgt dafür, daß diese Ag+ Ionen ein Elektron erhalten und dadurch auf sauberen, glatten Oberflächen zu metallischem Silber Ag 0 reduziert
werden und sich auf diese Weise ein Silberspiegel niederschlägt.
Gleichzeitig wird die Aldehydgruppe –CHO der Glucose zur Carbonsäuregruppe – COOH der sog. Gluconsäure
oxidiert, wobei die Elektronen freiwerden, welche wiederum die Ag+ -Ionen zu Ag0 reduzieren.
D-Glucose (Traubenzucker)
Quelle: wikipedia
offenkettige Form der D-Glucose
[= (2R,3S,4R,5R)-2,3,4,5,6-Pentahydroxyhexanal]
Hermann Emil Fischer
Nobelpreis für Chemie 1902
Hermann Fischer hat sich unter anderem um die Aufklärung der Struktur von Monosacchariden (= Einfachzuckern)
wie der D-Glucose verdient gemacht und wurde für diese glänzende Leistung mit dem Nobelpreis für Chemie des
Jahres 1902 geehrt.
D-Glucose (Traubenzucker)
Fischer untersuchte die Strukturen der natürlich vorkommenden Monosaccharide und wollte zu deren unterschiedlicher Darstellung auf dem Papier nicht jedesmal einen Sechsring zeichnen und die OH-Gruppen in den entsprechenden axialen und äquatorialen Positionen anordnen. Es hätte zudem jedesmal einiges an Routine erfordert, der
Zeichnung umgehend den Namen des entsprechenden Monosaccharids zuzuordnen.
So ersann Fischer eine einfachere Variante für die Wiedergabe der Strukturen von Molekülen mit Stereozentren (und
vor allem für Moleküle mit mehreren Stereozentren wie den Kohlenhydraten), nämlich die nach ihm benannte
Fischer-Projektion.
Für das Zeichnen eines Moleküls in dieser Projektion orientiert man die Kette der Kohlenstoffatome stets so, daß sie
senkrecht von oben nach unten zeigt und das C-Atom mit der höchsten Oxidationsstufe (im Fall der Glucose das C-1
mit der Aldehydgruppe) oben steht.
D-Glucose (Traubenzucker)
Dann richtet der Betrachter seinen Blick zunächst auf das oberste der Stereozentren (im Fall der offenkettigen Glucose
das C-2), und zwar so, daß die Bindungen vom Stereozentrum (hier C-2) hin zu den benachbarten C-Atomen der
Kohlenstoffkette (hier C-1 bzw. C-3) von ihm aus betrachtet nach hinten ragen (in der Zeichnung rechts durch
gestrichelt gezeichnete Keile nach oben bzw. unten wiedergegeben).
Die beiden anderen Substituenten am Stereozentrum (hier ein H-Atom und eine OH-Gruppe) sind vom Blickwinkel des
Betrachters aus horizontal angeordnet und ragen ihm beide entgegen (in der Zeichnung mit durchgezogenen Keilen nach
links bzw. rechts symbolisiert).
D-Glucose (Traubenzucker)
*
Damit Fischer und sein Arbeitskreis auf das mühsame Zeichnen von Keilen verzichten konnten, legte Fischer
die folgende Konvention fest:
Wenn die Substituenten am Stereozentrum genau so angeordnet sind wie in der Zeichnung mit den Keilen
angegeben (d.h. senkrecht angeordnete Substituenten ragen nach hinten vom Betrachter weg; waagrecht
angeordnete Substituenten ragen nach vorne, dem Betrachter entgegen), dann (aber nur dann!!) darf man auf die
Keile verzichten und sie durch normale Linien ersetzen (siehe Abbildung rechts).
Ein Stereozentrum wird üblicherweise mit einem Sternchen * markiert (siehe Abbildung rechts).
D-Glucose (Traubenzucker)
Betrachten wir nun unter exakt den gleichen Vorgaben das nächste Stereozentrum, nämlich das C-3.
D-Glucose (Traubenzucker)
Beim Blick auf das Zentrum wird C-2 oben positioniert und C-4 unten.
Jetzt aber ist die OH-Gruppe nach links ausgerichtet und das H-Atom nach rechts (also genau umgekehrt wie im
Fall des Stereozentrums C-2).
D-Glucose (Traubenzucker)
Die um das Stereozentrum C-3 verlängerte Fischer-Projektion ist rechts abgebildet.
D-Glucose (Traubenzucker)
Völlig analog verfahren wir beim nächsten Stereozentrum, dem C-4.
Hier sind die Verhältnisse wieder wie beim C-2: die dem Betrachter entgegenragende OH-Gruppe zeigt nach rechts,
das ihm ebenfalls entgegenragende H-Atom ist nach links ausgerichtet.
Die Abbildung rechts zeigt die um das Stereozentrum C-4 ergänzte Fischer-Projektion.
D-Glucose (Traubenzucker)
Das letzte Stereozentrum, das wir in der offenkettigen Form der Glucose ins Auge fassen müssen, ist C-5.
Auch hier zeigt die OH-Gruppe nach rechts und das H-Atom nach links.
In welche Richtung (links oder rechts) in der Fischer-Projektion der Substituent mit der funktionellen Gruppe
(in diesem Fall ist es eine OH-Gruppe) am untersten (!) Stereozentrum zeigt, ist wichtig für einen Zusatz bei der
Namensgebung der betreffenden Verbindung, und zwar konkret für deren Zuordnung zur D- oder zur L-Reihe.
D-Glucose (Traubenzucker)
In unserem konkreten Fall zeigt die funktionelle Gruppe (hier: OH-Gruppe) am untersten Stereozentrum nach rechts.
Die Verbindung gehört demnach zur D-Reihe.
Sobald das letzte C-Atom (C-6) auf der folgenden Folie eingebaut wird, gibt die Fischer-Projektion die D-Glucose wieder.
D-Glucose (Traubenzucker)
Da das C-6 kein Stereozentrum darstellt, ist es völlig belanglos, in welche Richtung die mit ihm verknüpfte OH-Gruppe
auf dem Papier verläuft.
Ich kann diese OH-Gruppe an einem Nicht-Stereozentrum beliebig nach unten, nach rechts oder nach links zeichnen.
Wichtig ist nur, daß das C-6 in gleicher Linie mit den anderen fünf C-Atomen am unteren Ende der senkrecht
verlaufenden Kette positioniert wird.
Preisfrage: Welche Struktur hat die L-Glucose?
L-Glucose ist das Spiegelbild-Isomere der D-Glucose.
Sie kommt im Gegensatz zur D-Glucose nicht in der Natur vor, kann aber künstlich im Labor hergestellt werden.
D-Glucose
L-Glucose
Fischer-Projektion der L-Glucose
Zu beachten ist: in der L-Glucose sind sämtliche vier Stereozentren spiegelbildlich zur D-Glucose konfiguriert
(also nicht nur das am weitesten unten angeordnete Stereozentrum C-5, sondern auch C-2, C-3 und C-4).
D-Glucose (Traubenzucker)
Zurück zu den Monosacchariden der D-Reihe:
Die abgekürzte Schreibweise (Verzicht auf das Elementsymbol „C“ und auf die Elementsymbole und das
Einzeichnen der mit C-Atomen verbundenen H-Atome) kann auch auf die Fischer-Projektion angewandt werden.
Etwas anschaulicher sieht es jedoch immer aus, wenn man das eine H-Atom der Aldehydgruppe so wie in der
Fischer-Projektion in der Abbildung rechts beibehält.
D-Glucose (Traubenzucker)
Für die Anordnung der OH-Gruppen in der Fischer-Projektion der D-Glucose (rechts-links-rechts-rechts) gibt es
die bekannte Eselsbrücke: „Ta-tü-ta-ta!“
D-Mannose
Abschließend sollen noch die Strukturen dreier weiterer wichtiger Isomere der D-Glucose vorgestellt werden.
Zwei davon haben in ihrer offenkettigen Form ebenso wie die D-Glucose eine Aldehydgruppe am C-1.
Die Abbildung zeigt die D-Mannose mit einer im Vergleich zur D-Glucose veränderten Stereochemie am C-2.
D-Galactose
Ist anstatt am C-2 die Stereochemie am C-4 umgekehrt im Vergleich zur D-Glucose, dann liegt die D-Galactose vor.
Die D-Galactose ist ein Baustein im Disaccharid Lactose, auch Milchzucker genannt.
D-Fructose (Fruchtzucker)
Daß ein Monosaccharid, welches isomer zur D-Glucose ist, nicht zwingend eine Aldehydgruppe tragen muß,
zeigt die D-Fructose (auch Fruchtzucker genannt).
Ihre C=O-Doppelbindung befindet sich am C-2; somit stellt sie eine Ketogruppe dar und keine Aldehydgruppe.
Damit die D-Fructose die gleiche Summenformel wie die D-Glucose hat (ansonsten wäre sie kein Isomer), muß
das C-1 logischerweise eine alkoholische OH-Gruppe tragen.
D-Fructose (Fruchtzucker)
In der D-Fructose hat das C-2 seinen Status als Stereozentrum eingebüßt (es ist ja nicht mehr sp 3-hybridisiert,
sondern hat nur noch drei Bindungspartner und somit eine sp 2-Hybridisierung).
Fructose hat demnach nur noch drei Stereozentren.
Gemäß der allgemeinen Formel zur Berechnung der theoretisch möglichen Anzahl an Stereoisomeren 2n
(n = Anzahl der Stereozentren in einem Molekül) gibt es insgesamt 2 3 = 8 Stereoisomere dieser Struktur
(je nachdem, wie die OH-Gruppen an den drei Stereozentren angeordnet sind).

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