Galactose aus dem Milchzucker
AFB I–IIMilchzucker (Lactose) wird bei der Verdauung in Glucose und Galactose gespalten. Galactose ist ebenfalls eine Aldohexose (\(\ce{C6H12O6}\)); in der Fischer-Projektion unterscheidet sich D-Galactose von D-Glucose nur dadurch, dass die OH-Gruppe an C4 links statt rechts steht. Menschen mit Galactosämie können Galactose nicht abbauen.
| C-Atom | D-Glucose (Fischer) | D-Galactose (Fischer) |
|---|---|---|
| C1 | Aldehydgruppe | Aldehydgruppe |
| C2 | OH rechts | OH rechts |
| C3 | OH links | OH links |
| C4 | OH rechts | OH links |
| C5 | OH rechts | OH rechts |
| C6 | \(\ce{CH2OH}\) | \(\ce{CH2OH}\) |
- Zeichnen Sie D-Galactose in der Fischer-Projektion.
- Begründen Sie, woran man erkennt, dass es sich um einen D-Zucker handelt, und warum Galactose und Glucose keine Konstitutionsisomere sind.
- Erläutern Sie den Ringschluss der Galactose zur Pyranose-Form.
- Stellen Sie β-D-Galactose in der Haworth-Projektion dar.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Senkrechte Kette C1 (CHO, oben) bis C6 (CH₂OH, unten); OH-Gruppen: C2 rechts, C3 links, C4 links, C5 rechts; H-Atome jeweils auf der Gegenseite.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Die OH-Gruppe am untersten Stereozentrum (C5) steht rechts → D-Form. Galactose und Glucose haben dieselbe Summenformel und dieselbe Verknüpfung der Atome (Aldehydgruppe an C1, OH an C2–C6); sie unterscheiden sich nur in der räumlichen Anordnung an C4. Es sind also keine Konstitutionsisomere, sondern Stereoisomere.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Das O-Atom der OH-Gruppe an C5 greift das C-Atom der Aldehydgruppe (C1) an und bildet eine Bindung; das H-Atom dieser OH-Gruppe wandert zum Carbonyl-O-Atom, das so zur neuen OH-Gruppe an C1 wird. Es entsteht ein Sechsring aus C1–C5 und dem O-Atom (Pyranose-Form) mit einer Halbacetal-Gruppe an C1. Nichts wird abgespalten.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Sechsring mit Ring-O hinten rechts, C1 rechts: OH an C1 oben (β), OH an C2 unten, OH an C3 oben, OH an C4 oben (anders als bei Glucose), CH₂OH an C5 oben; H-Atome jeweils gegenüber.
Glucose dreht sich
AFB II–IIIGlucose kristallisiert je nach Bedingungen als α-Glucose (Smt. 146 °C) oder als β-Glucose (Smt. 150 °C). Man löst jeweils eine frisch hergestellte Probe in Wasser und misst mit einem Polarimeter, um wie viel die Lösung polarisiertes Licht dreht. Der spezifische Drehwinkel ist ein Stoffmerkmal, das von der Konzentration unabhängig ist. M2 zeigt den zeitlichen Verlauf für beide Lösungen bei 20 °C.
- Beschreiben Sie die Messkurven in M2.
- Deuten Sie die Messkurven auf der Teilchenebene.
- Berechnen Sie aus den Drehwinkeln die Anteile von α- und β-Glucose im Gleichgewicht.
- Diskutieren Sie die Aussage: „α- und β-Glucose sind zwei verschiedene Stoffe.“
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Der Drehwinkel von Lösung A sinkt von +112,2°, der von Lösung B steigt von +18,7°; beide ändern sich anfangs schnell, dann immer langsamer und erreichen nach etwa drei Stunden denselben Endwert +52,7°, der danach konstant bleibt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
In Lösung öffnen sich die Ringe über die Halbacetal-Gruppe zur offenkettigen Form und schließen sich wieder — dabei kann die neue OH-Gruppe an C1 unten (α) oder oben (β) entstehen. So wandelt sich α-Glucose teilweise in β-Glucose um und umgekehrt, bis sich ein dynamisches Gleichgewicht einstellt. Da es von beiden Seiten erreicht wird, ist der Endwert gleich; die Zusammensetzung (und damit der Drehwinkel) ändert sich danach nicht mehr.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(x\cdot18{,}7 + (1-x)\cdot112{,}2 = 52{,}7\) → \(112{,}2 - 93{,}5\,x = 52{,}7\) → \(x = 59{,}5/93{,}5 \approx 0{,}64\). Im Gleichgewicht liegen etwa 64 % β-Glucose und 36 % α-Glucose vor.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Für die Aussage: Als Feststoffe sind α- und β-Glucose unterscheidbar (verschiedene Schmelztemperaturen, verschiedene Drehwinkel frisch gelöst); ihre Moleküle unterscheiden sich in der räumlichen Anordnung an C1 — sie sind Stereoisomere. Dagegen: In Lösung wandeln sie sich über die offene Kette ständig ineinander um und lassen sich nicht getrennt halten; jede Glucose-Lösung enthält beide. Fazit: Im Kristall liegen zwei verschiedene Stoffe vor, in Lösung bilden sie ein Gleichgewichtsgemisch, das man als „Glucose“ bezeichnet.