Pyranosen und Furanosen

Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es wieder um Monosaccharide, und zwar um Pyranosen und Furanosen. Für das Verständnis des Videos sind folgende Vorkenntnisse von Vorteil: Ihr solltet wissen, was Monosaccharide sind. Ihr solltet Monosaccharide molekular als Kette und Ring kennen. Ihr solltet wissen, dass Monosaccharide isomer als Anomere auftreten. Ihr solltet die Darstellungen der Monosaccharide in Fischer-Projektion und als Haworth-Formel kennen. Ihr solltet wissen, was Konstitutionsisomere sind. Ziel des Videos ist es, Euch die Vielfalt der Ringstrukturen der Monosaccharide zu verdeutlichen. Ich habe den Film in 5 Abschnitte unterteilt. 1. Pyranring und Furanring 2. D-Glucose 3. Epimere der D-Glucose 4. D-Fructose 5. Zusammenfassung 1. Pyranring und Furanring Vielleicht erinnert Ihr Euch noch an die Heterozyklenchemie und an die Strukturformel des Pyrans. In Skelettschreibweise sieht das Pyranmolekül so aus. Obwohl in der Zuckerchemie von Pyranringen gesprochen wird, geht es eigentlich um die Grundstruktur des Tetrahydropyrans. Man kann die Strukturformel des Tetrahydropyrans so drehen, dass das Sauerstoffatom eine andere Stellung einnimmt. Man erhält die Haworth-Formel. Die Verstärkung der Bindungen vorne bedeutet, dass diese Seite zum Betrachter zeigt. Vielleicht erinnert Ihr Euch auch an die Struktur des Furans. Wir haben darüber gesprochen, als es um Aromaten ging. In Skelettschreibweise sieht das Molekül so aus. Obwohl die Zuckerchemiker den Namen Furanose benutzen, werden wir sehen, dass es sich eigentlich um den Tetrahydrofuran-Ring handelt. Die Doppelbindungen verschwinden und wir erhalten das Tetrahydrofuran-Molekül in Skelettschreibweise. In der Zuckerchemie wird das Sauerstoffatom dann oben angeordnet. Nach Vergrößerung der räumlichen Vorderseite erhält man die entsprechende Haworth-Formel. 2. D-Glucose Zunächst möchte ich das Molekül der D-Glucose so zeichnen, wie es gerade im Begriff ist, einen Ring zu bilden. In Stellung 1 befindet sich die Aldehydgruppe. In Stellung 6 die Hydroxymethylgruppe. Die Hydroxygruppen zeigen in den Stellungen 2, 4 und 5 nach unten, in Stellung 3 nach oben. Die Acetalysierung erfolgt durch die alkoholische Gruppe in 5-Stellung mit der Aldehydgruppe in 1. Dafür ist eine Drehung um die 4/5 Bindung notwendig. Die untere Darstellung zeigt die nach wie vor offenkettige Verbindung der D-Glucose -  aber schon in günstiger Stellung, wie sie gerade im Begriff ist, ein intramolekulares Halbacetal zu bilden. Die Hydroxymethylgruppe 6 zeigt hier nach oben. Bei den Molekülen oben wie unten, handelt es sich um identische Verbindungen. Nun wird der Ring geschlossen. Die Kette befindet sich im Gleichgewicht mit zwei isomeren Verbindungen. Während ich zeichne, seht Ihr, dass die Struktur beider Moleküle zunächst völlig gleich ist. Nur in Stellung 1, am sogenannten anomeren Kohlenstoffatom, ist die Stellung der Hydroxygruppe unterschiedlich. Links zeigt die Hydroxygruppe nach unten, während sie rechts nach oben zeigt. Links hat sich Alpha-D-Glucose gebildet. Rechts handelt es sich um Beta-D-Glucose. Aber ein Detail stimmt nicht. Schaut Euch die Moleküle an. Es fehlt noch das Sauerstoffatom im Ring. Es fehlt noch das Sauerstoffatom im Ring. Es ist das Sauerstoffatom, das aus der alkoholischen Gruppe am Kohlenstoffatom 5 stammt. Und nun sind beide Moleküle korrekt dargestellt. Aus Abschnitt 1 wissen wir, warum die Verbindung links mit dem Oberbegriff "Pyranose" versehen wird und ebenso verhält es sich mit der Verbindung rechts. Auch sie ist eine Pyranose. 3. Epimere der D-Glucose Könnt Ihr Euch daran erinnern, was Epimere sind? Richtig. Epimere sind Monosaccharide, die sich nur an einem einzigen chiralen Zentrum unterscheiden. Wenn das für die Kette gilt, so muss das auch für den Ring richtig sein. Ein Epimeres zur Alpha-D-Glucose ist die Alpha-D-Mannose. Seht Ihr den einzigen Unterschied? Richtig. Dort, wo die Hydroxygruppe orange eingefärbt ist, am 2. Kohlenstoffatom, unterscheiden sich Alpha-D-Glucose und Alpha-D-Mannose. Ein weiteres Epimer der Alpha-D-Glucose ist die Alpha-D-Galactose. Alpha-D-Glucose und Alpha-D-Galactose sind epimer am Kohlenstoffatom 4, hier hellblau gekennzeichnet. Bei Alpha-D-Glucose kann man von einer D-Glucopyranose sprechen. Alpha-D-Mannose ist eine D-Mannopyranose und Alpha-D-Galactose ist eine D-Galactopyranose. 4. D-Fructose Die D-Fructose ist eine Ketose. In Fischer-Projektion wird sie so dargestellt. Die Nummerierung erfolgt von oben nach unten, von 1 bis 6. Eine Möglichkeit ist ein Ringschluss zum Sechsring, links oben. Eine weitere Möglichkeit ist der Ringsschluss zu einem anderen Sechsring, links unten. Habt Ihr erkannt, wodurch sich beide Verbindungen voneinander unterscheiden? Richtig. Es ist die Stellung der Hydroxygruppe in Position 2 am anomeren Kohlenstoffatom. Sie zeigt im oberen Molekül nach oben. Wir haben es also mit einer Beta-D-Fructopyranose zu tun. Das Molekül unten ist eine Alpha-D-Fructopyranose. Die Hydroxygruppe am anomeren Kohlenstoffatom 2 zeigt hier nämlich nach unten. Neben dem Ringschluss zum Sechsring zur Pyranose ist auch ein Ringschluss zum Fünfring, zur Furanose möglich. Die Hydroxygruppe zeigt am anomeren Kohlenstoffatom C2 nach oben. Daher ist es eine Beta-D-Fructofuranose. Der Fünfring rechts unten unterscheidet sich von der Verbindung darüber nur durch die Stellung der Hydroxygruppe am anomeren Kohlenstoffatom. Entsprechend befindet sich die Hydroxy-Methylgruppe auf der entgegengesetzten Seite. Somit handelt es sich hier um eine Alpha-D-Fructofuranose. 5. Zusammenfassung Monosaccharide bilden gerne Ringe. Dabei entstehen Sechsringe, sogenannte Pyranosen, und Fünfringe, sogenannte Furanosen. Die Monosaccharide Glucose, Mannose, Galactose und Fructose bilden Sechsringe. Fructose bildet darüber hinaus noch einen Fünfring. Die Stellung der Hydroxygruppe am anomeren Kohlenstoffatom kann unterschiedlich sein. Zeigt die Hydroxygruppe nach unten, so hat man es mit dem Alpha-Anomer zu tun. Weist die Hydroxygruppe nach oben, so ist es das Beta-Anomer. Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute. Auf Wiedersehen.