Moleküldarstellungen von Kohlenhydraten

Einen schönen guten Tag und herzlich willkommen! Dieses Video heißt: Moleküldarstellungen von Kohlenhydraten. An Vorkenntnissen solltest du schon ein wenig über Kohlenhydrate Bescheid wissen. Glucose und Fructose sollten dir ein Begriff sein. Ziel ist es, dir einen kleinen Überblick über gängige Moleküldarstellungen von Kohlenhydraten am Beispiel der Glucose zu verschaffen. Der Film besteht aus 5 Abschnitten: 1. Problem Glucose 2. Die Fischer-Projektion - trügerische Klarheit 3. Von der Kette zum Ring - die Haworth-Schreibweise 4. Weitere Darstellungsformen 5. Schlussfolgerung   1. Problem Glucose Für Glucose kennen wir die Summenformel C6H12O6. Doch damit wissen wir über das Molekül fast gar nichts. Hilfreich für unsere Betrachtungen ist dabei ein Modell. Seid ihr ob der Darstellungsweise schockiert oder könnt ihr nichts im Modell erkennen, so muss ich euch sagen, dass das beabsichtigt ist. Ein wenig können wir aber erkennen, nämlich das hier: 6 Kohlenstoffatome bilden eine Kette. Wir haben somit eine C6-Einheit vorliegen. Diese funktionelle Gruppe hier ist die CHO-Gruppe, die Aldehydgruppe. Und von diesen funktionellen Gruppen, den OH-Gruppen, haben wir sogar 5. Glucose ist ein Mehrfachalkohol. Ist das alles, was man über die Struktur sagen kann? Leider nein. Das Glucosemolekül verfügt über 4 Chiralitätszentren. Daher spielt die Stereochemie des Moleküls eine große Rolle. Die Moleküldarstellung in der Ebene ist von großer Bedeutung. Aber nun mal Hand aufs Herz: Meint ihr, dass diese 3D-Darstellung des Glucosemoleküls übersichtlich ist? Ich denke, nein. Ein weiterer Grund, die Darstellung aus dem Raum in die Ebene zu verlagern.   2. Die Fischer-Projektion - trügerische Klarheit Bei der Darstellung von Kohlenhydraten in der Ebene bedient man sich gerne der Fischer-Projektion. Dabei geht man so vor: Man zeichnet ein 4-fach-Kreuz wie dieses, das Skelett des Moleküls. Oben ordnet man die Aldehydgruppe an. Die Kreuzungspunkte stellen Kohlenstoffatome dar. An den Kohlenstoffatomen der Kreuzungspunkte sitzen OH-Gruppen in der dargestellten Weise. Man merke sich die Eselsbrücke "ta-tü-ta-ta". Alle 4 Kohlenstoffatome der Kreuzungspunkte sind Chiralitätszentren. Das unterste Kohlenstoffatom wird ausgeschrieben. Es ist kein Chiralitätszentrum. Auch an ihm sitzt eine Hydroxygruppe. Die Darstellung entspricht der Summenformel C6H12O6. Es ist klar, dass aus links rechts folgt. Aber aus rechts folgt durchaus nicht links. Jedes der 4 Chiralitätszentren kann 2 Stereoisomere ausbilden. Das macht zusammen: 2×2×2×2=2⁴, das ergibt immerhin 16 Stereoisomere. Wie kann man mithilfe unseres 3D-Modells zu dieser Fischer-Projektion gelangen? Ich versuche einmal, das Modell etwas zu entzerren. Ich verleihe ihm die natürliche Zickzack-, das heißt Transstruktur. Es ist ein Transkonformer. Ich richte nun das Modell so aus, dass es mit der Fischer-Projektion in Übereinstimmung kommt, und überprüfe die Lage der Hydroxygruppen. Die Hydroxygruppen oben liegen jeweils links. Wir haben also Übereinstimmungen. Bei den 2. Hydroxygruppen sieht es schon schlecht aus, einmal links, einmal rechts. Bei den 3. wieder Übereinstimmungen. Und bei den 4. Hydroxygruppen: einmal rechts und einmal links. Noch einmal prüfen, vielleicht habe ich etwas übersehen. Es hilft alles nichts. Das Zickzack(trans)-Konformer kann es nicht sein, von dem sich die Fischer-Projektion ableitet. Jetzt nehme ich einmal das Modell und falte es praktisch zusammen, dass es in sich geschlossen ist. Das ist eine "unnatürliche" cis-Struktur. Die Lage der Hydroxygruppen lässt sich hier schlecht auslesen. Aber wir werden es einmal versuchen. So, ich denke, jetzt habe ich das Molekül positioniert. Es bildet praktisch einen Buckel. Hier oben, das ist die Aldehydgruppe. Hydroxygruppe rechts - Hydroxygruppe rechts. Hydroxygruppe links - Hydroxygruppe links. Hydroxygruppe rechts - Hydroxygruppe rechts. Hydroxygruppe rechts - Hydroxygruppe rechts. Ein voller Erfolg! Diese chemische Verbindung nennt man D-Glucose. Die L-Glucose ist dazu das Spiegelbildmolekül. Die Fischer-Projektion ist somit sicher übersichtlich und systematisierend, aber stereochemisch dubios.   3. Von der Kette zum Ring - die Haworth-Schreibweise Aus der Kette des Glucosemoleküls soll sich ein Ring bilden. Durch Acetalisierung kommt es zum Ringschluss. Ich zeige einmal, welche Bindungen gebrochen werden und welche neu entstehen. Das Wasserstoffatom, das am Sauerstoffatom saß, das jetzt den Ring bildet, hat sich zum Sauerstoffatom der Aldehydgruppe bewegt. Somit liegt das Glucosemolekül in Ringform vor. Kohlenhydrate in Ringform werden gern in Haworth-Schreibweise dargestellt. Der 6-Ring mit dem Sauerstoffatom ist klar. Man stellt ihn etwas räumlich dar, und die Bindungen zeigen jeweils nach oben und unten. Etwas vereinfacht, aber gut einprägsam. Mithilfe des Modells können wir sehr gut erkennen, wo sich jeweils die Hydroxygruppen befinden, ob oben oder unten. Die verbliebenen Bindungen füllen wir mit Wasserstoffatomen auf, und wir sind fertig. Diese Verbindung heißt α-D-Glucose, weil die blau gekennzeichnete Hydroxygruppe nach unten zeigt. Wir versuchen nun zu zeigen, wie man aus der Fischer-Projektion die Haworth-Schreibweise in etwa ableitet. Das ist die Fischer-Schreibweise der D-Glucose, erinnert euch. Und Links haben wir die Haworth-Schreibweise für die Ringstruktur. Auch hier gibt es eine Eselsbrücke, sie heißt FLOH. Das bedeutet: Fischer Links, Oben Haworth. Wir nummerieren einmal die Kohlenstoffatome des offenkettigen Glucosemoleküls. Beim 2. Kohlenstoffatom zeigt die Hydroxygruppe in der Fischer-Projektion nach rechts, in der Haworth-Formel nach unten. Beim 3. Kohlenstoffatom zeigt OH in der Fischer-Projektion nach links, in der Haworth-Formel nach oben. Und am 4. Kohlenstoffatom zeigt in der Fischer-Projektion OH nach rechts. In der Haworth-Schreibweise sehen wir die Hydroxygruppe nach unten ausgerichtet. Tja, gar nicht so einfach. Also besser und klarer ist es natürlich, die Haworth-Schreibweise aus der 3D-Struktur des Modells abzulesen.   4. Andere Darstellungsformen Eine Möglichkeit ist noch die Darstellung des 6-Rings als Sessel. Die entsprechenden Substituenten sind dann so angeordnet, wie ich es hier darstelle. Die Wasserstoffatome, die vom 6-Ring abzweigen, werden häufig nicht eingezeichnet. Und auch diese sterische Darstellungsweise dürfte euch bekannt sein. Ein geschlossener Keil zeigt aus der Ebene heraus, ein gestrichelter Keil ragt in die Ebene hinein. Hierbei handelt es sich um die stereochemische Ansicht.   5. Schlussfolgerung Man muss betonen, dass die Schreibweisen nach Fischer und Haworth relativ häufig verwendet werden; Fischer vorzugsweise für die Kette und Haworth für den Ring. Die Fischer-Projektion ist antiquiert, stereochemisch dubios, aber systematisierend. Die Haworth-Schreibweise ist trotz gewisser Vereinfachung recht anschaulich. Und nun die wichtigste Schlussfolgerung aus dem Video: Ohne 3D-Modelle ist das Arbeiten mit Moleküldarstellungen wenig sinnvoll.   Ich hoffe, ihr hattet etwas Spaß und habt einige interessante Dinge erfahren. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg. Tschüss!