Nachweis von Kohlenhydraten

Nachweis von Kohlenhydraten Übung

• Erkläre die Tollens-Probe.

  Tipps

  Die Tollens-Probe trägt universalen Charakter.

  Entscheidend ist die Anwesenheit einer bestimmten funktionellen Gruppe.

  Es handelt sich um eine Redoxreaktion.

  Lösung

  1. Die Tollens-Probe
  Die Tollens-Probe ist ein universelles Verfahren zum Nachweis von Zuckern. Mit dieser Methode können viele Monosaccharide nachgewiesen werden. Es ist daher legitim zu sagen, dass fast alle Zucker erfasst werden. Das Reagenz beinhaltet als Hauptkomponente eine Silbernitrat-Lösung. Das Salz Silbernitrat ist für den Nachweis in zweifacher Hinsicht wertvoll:

  • Es handelt sich um eines der wenigen sehr gut löslichen Salze des Silbers.
  • Silber ist ein edles Metall und seine Ionen daher sehr gut reduzierbar.

  Bei dem Nachweis bedarf es einer gewissen Menge an Hydroxid-Ionen. Dieser sanfte Base-Überschuss wird durch die Anwesenheit von Ammoniak gewährleistet:

  $NH_3\;+\;H_2O\;\longrightarrow\;NH_4^\oplus\;+\;OH^\ominus$

  2. Die allgemeine Reaktionsgleichung

  $R-CHO\;+\;2\:Ag^\oplus\;+\;2\:OH^\ominus\;\rightarrow\;R-COOH\;+\;2\:Ag\downarrow\;+\;H_2O$

  Man sieht, dass man die Tollens-Probe für den Nachweis von Aldehyden verwenden kann. Allgemein und natürlich auch beim Zucker bildet sich eine Carboxy-Gruppe. Für die Reduktion der Silber-Ionen benötigt man Hydroxid-Ionen. Wir haben bereits gesehen, dass diese vom Ammoniak geliefert werden.

  3. Der Nachweis als Redoxreaktion
  Beim organischen Edukt handelt es sich immer um einen reduzierenden Zucker. Beim Nachweis nach Tollens wird dieser oxidiert. Die Silber-Ionen als Ionen eines edlen Metalls werden leicht reduziert. Offensichtlich ist die Tollens-Probe ein Nachweis für Aldehyde. Ketone haben zwar generell ähnliche Eigenschaften, sie sind aber schwerer zu reduzieren. Die Probe ist kein Nachweis für Carbonsäuren, da diese ja gerade das Hauptprodukt der Reaktion sind.

• Erkläre die Fehling-Probe.

  Tipps

  Die Fehling-Probe ist eine Redoxreaktion.

  Eine bestimmte funktionelle Gruppe wird nachgewiesen.

  Der Ursprung der Sauerstoffatome, die bei der Reaktion oxidieren, ist aus der Reaktionsgleichung ersichtlich.

  Lösung

  1. Das Fehling-Reagenz
  Wie bei der Tollens-Probe können mit der Fehling-Probe fast alle Zucker nachgewiesen werden. Die beiden Komponenten des Reagenzes sind:

  • Fehling I: Kupfersulfat-Lösung
  • Fehling II: Kaliumnatriumtartrat

  Damit die Reaktion ablaufen kann, ist es wichtig, dass die Lösung alkalisch (basisch) ist. Daher wird eine Base, das ist meist Natronlauge, der Probe zugesetzt.

  2. Reaktion
  Die allgemeine Reaktionsgleichung lautet:

  $R-CHO$\;+\;$2\:Cu^{2\oplus}$\;+\;$4\:OH^-$\;\longrightarrow\;$R-COOH$\;+\;$Cu_2O\downarrow$\;+\;$2\:H_2O$

  Da Hydroxid-Ionen an der Reaktion beteiligt sind und im Überschuss vorliegen sollten, ist der pH-Wert des Analysegemisches größer als 7. Im Gegensatz zur Tollens-Probe entsteht kein metallisches Kupfer. Mit bloßem Auge ist das aber kaum festzustellen, denn das ausfallende Kupfer(I)-oxid ist wie Kupfer von roter (bzw. rötlicher) Farbe.

  3. Die Fehlung-Probe als Redoxreaktion
  Das organische Edukt ist ein Aldehyd. Aldehyde sind leicht oxidierbar. Daher wird das Edukt oxidiert. Bei der Oxidation schiebt sich ein Sauerstoffatom in die C-H-Bindung der Aldehyd-Gruppe. Die Reaktionsgleichung zeigt, dass das Sauerstoffatom seinen Ursprung in einem Hydroxid-Ion hat. Dieses aber wird durch die anwesende Base im Ergebnis der Dissoziation gebildet.

• Bestimme die Kohlenhydrate, die einen Silberspiegel liefern.

  Tipps

  Der Zucker muss reduzierend sein.

  Reduzierend ist ein Zucker, wenn er eine bestimmte funktionelle Gruppe enthält.

  Lösung

  Erste Reihe: Fructose wird nachgewiesen, denn es enthält eine Aldehyd-Gruppe. Saccharose enthält keine Adehyd-Gruppe. Glucose in der Ringform enthält keine Aldehyd-Gruppe. Eine reduzierende Aldehyd-Gruppe gibt es aber in der Kettenform.

  Zweite Reihe: Galactose wird nachgewiesen, denn es enthält eine Aldehyd-Gruppe. Für Cellulose und Xylit trifft das nicht zu.

  Dritte Reihe: Maltose und Ribulose wirken nicht reduzierend. Desoxyribose hingegen ist eine Aldose und kann somit mit der Tollens-Probe (Silberspiegel) nachgewiesen werden.

• Ermittle die Gemeinsamkeiten und Unterschiede der Nachweise nach Fehling und Tollens.

  Tipps

  Überlege, was sich bei den Proben nach Tollens und Fehling jeweils bildet.

  Kupfer(II)-hydroxid ist das Farbpigment Bremer Blau oder Bremer Grün.

  Lösung

  Bei der Tollens-Probe wird das Reagenz vollständig reduziert. Aus den Silber-Ionen bildet sich metallisches Silber. Entsprechend wird bei der Fehling-Probe das Reagenz nur teilweise reduziert. Aus den Kupfer(II)-Ionen entstehen Kupfer(I)-Ionen, die man im roten Kupfer(I)-oxid findet.

  Die Tollens-Probe läuft nicht im stark basischen Milieu ab. Die Anwesenheit von Ammoniak führt zu schwach basischen Bedingungen. Entsprechend läuft die Fehling-Probe nicht im schwach basischen Milieu ab. Die Anwesenheit von Natriumhydroxid schafft stark basische Bedingungen.

  Beim Tollens-Reagenz verhindert der pH-Wert tatsächlich den Nachweis von Fructose. Die Konzentration der Hydroxid-Ionen ist für eine Umwandlung der Fructose zur reduzierenden Glucose zu gering. Entsprechend bewirkt der hohe pH-Wert beim Fehling-Reagenz eine Umwandlung von Fructose zu Glucose.

  Tollens-Reagenz und/oder Fehling-Reagenz können nicht alle Monosaccharide nachweisen. Das gelingt nur bei ihren reduzierenden Vertretern.

  Sowohl das Tollens-Reagenz als auch das Fehling-Reagenz verlangen das Vorliegen der Kettenform des Moleküls. Das ist eine notwendige Bedingung.

  Fehling II (Kaliumnatriumtartrat) verhindert tatsächlich ein Ausfallen der Kupfer(II)-Ionen in den Niederschlag. Unter den kräftigen basischen Bedingungen würde sich anderenfalls sofort praktisch unlösliches Kupfer(II)-hydroxid bilden. Der Nachweis reduzierender Zucker wäre dann unmöglich.

• Nenne die Nachweisverfahren zu folgenden Nachweiseffekten bei Kohlenhydratnachweisen.

  Tipps

  Die Farben der Nachweise sind ganz charakteristisch.

  Lösung

  Molisch-Probe – Bildung eines violetten Farbstoffs

  Es wird ein konjugiertes Molekül synthetisiert. Das ist ein Molekül, bei dem sich Einfachbindungen und Doppelbindungen fortlaufend abwechseln. Dadurch entsteht eine farbige Verbindung.

  Fehling-Probe – Bildung eines roten Feststoffs

  Die Reaktionen ist eine Redoxreaktionen. Das Wesen der Reaktion ist die Reduktion.

  $Cu^{2+}$\;\longrightarrow\;$Cu^{+}$$\;+\;e^-$

  Die Kupfer(II)-Ionen werden zu Kupfer(I)-Ionen reduziert. Es entsteht Kupfer(I)-oxid $Cu_2O$, das wir als roten Stoff erkennen.

  Tollens-Probe– Bildung eines Silberspiegels

  Silber(I)-Ionen werden reduziert. Sie fallen als metallisches Silber aus und bilden den Spiegel.

  Seliwanow-Probe – rotbrauner Farbstoff

  Beim vorsichtigen Erwärmen wird der Nachweis für Glucose erbracht. Erwärmt man intensiver, kann man Fructose und sogar Saccharose nachweisen.

• Erkläre die einzelnen Reaktionsschritte der Molisch-Probe.

  Tipps

  Das Schema der Reaktion ist dir eine Hilfe.

  p-Orbitale in konjugierten Systemen überlappen und es kommt zu einer starken Elektronenbewegung über das gesamte molekulare System.

  Lösung

  1. Schritt

  Bei dem nachzuweisenden Zucker handelt es sich um D-Glucose. Auf das Molekül der D-Glucose wirken Oxonium-Ionen ein. Mitunter nennt man sie auch Hydronium-Ionen. Bei der Reaktion eines dieser Teilchen entstehen drei Moleküle Wasser.

  Im Molekül des Produkts erkennt man die aromatische Verbindung Furan. Die funktionelle Gruppe $OH-$ bedeutet, dass es sich auch um einen Alkohol handelt. Die funktionelle Gruppe $-CHO$ zeigt einen Aldehyd an. Das entstandene Produkt trägt den systematischen Namen 5-Hydroxymethylfurfural.

  2. Schritt

  Im zweiten Schritt findet eine Reaktion mit zwei Molekülen $\alpha$-Naphthol statt. Dabei findet zunächst eine Kondensationsreaktion statt. Durch Oxidation entsteht ein Kation.

  3. Schritt

  Man erhält ein konjugiertes System. Das bedeutet, dass sich Einfachbindungen und Doppelbindungen fortlaufend abwechseln. Die vielen $\pi$-Elektronen und ihre starke Delokalisierung bewirken eine geringe energetische Differenz zwischen dem höchsten bindenden Molekülorbital (HOMO) und dem niedrigsten antibindenden Molekülorbital (LUMO). Dieser Effekt kommt dadurch zustande, dass den Orbitalen energetisch nach unten wie oben Grenzen auferlegt sind. Somit werden sie im Inneren (energetisch!) zusammengedrückt. Der sogenannte HOMO-LUMO-Gap erfährt eine Verminderung. Es ist eine Absorption sichtbaren Lichtes möglich. Sie entfällt auf den gelben Betrag des weißen Lichtes. Die komplementäre Farbe (violett) sehen wir. Sie dient zum Nachweis des Zuckers.