Zucker

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Einleitung

Zucker, nicht streng definierter Oberbegriff für eine Anzahl organischer Verbindungen, die traditionell zu den Kohlenhydraten zählen – die einfachsten Vertreter besitzen die Bruttoformel C_n(H₂O)_n. Sie können neben den chemischen Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff auch Stickstoff und Schwefel enthalten. Zucker sind in der Natur weit verbreitet, werden u. a. von Pflanzen bei der Photosynthese gebildet und spielen in allen lebenden Organismen eine große Rolle (z. B. im Stoffwechsel oder beim Zellwachstum). Nach ihrer Struktur (Konstitution) und ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften können Zucker in drei große Gruppen eingeteilt werden: die Monosaccharide, die Oligosaccharide und die Polysaccharide. Die Namen der meisten Zucker tragen nach internationaler Konvention die Namensendung „ose”.

Im allgemeinen Sprachgebrauch wird unter dem Begriff Zucker meist die Saccharose (Rohr- oder Rübenzucker) verstanden.

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Monosaccharide

Die Monosaccharide lassen sich zum einen nach ihrer funktionellen Gruppe in Aldehydzucker (Aldosen, 8CHO) und in Ketonzucker (Ketosen, 8CRO) und zum anderen nach der Anzahl ihrer Kohlenstoffatome unterscheiden. Die häufigsten Vertreter dieser Gruppe bilden die Pentosen (fünf C-Atome; C₅H₁₀O₅), wie z. B. Ribose oder Arabinose, und die Hexosen (sechs C-Atome; C₆H₁₂O₆), wie z. B. Glucose, Galactose oder Fructose. Monosaccharide mit sieben und mehr C-Atomen (z. B. Heptosen) sind seltener in der Natur anzutreffen.

2.1

Kettenstruktur der Monosaccharide

Auf den ersten Hinblick besitzen die Moleküle der Monosaccharide eine offenkettige Struktur. Eine Vielzahl von Monosacchariden zeigt bei chemischen Reaktionen jedoch Verhaltensweisen, die auch eine ringförmige Struktur zulassen. Auf sie geht der Abschnitt Ringstruktur der Monosaccharide (siehe unten) ein.

Je nach Kettengröße bzw. Anzahl der Kohlenstoffatome besitzen Monosaccharide mehrere asymmetrische C-Atome (im Falle der Hexosen z. B. vier). Die absolute Konfiguration der Monosaccharide bezieht sich auf das am weitesten von der Aldehyd- bzw. Ketogruppe entfernte asymmetrische Kohlenstoffatom. Nach einer Methode teilt man die Monosaccharide in die so genannte D- und die L-Reihe ein. Diese Reihen gehen auf die Substanz Glycerinaldehyd zurück. Folgende Abbildung zeigt oben das Tetraedermodell (mit der absoluten Konfiguration) und unten die Fischer-Projektion (benannt nach Emil Fischer) von Glycerinaldehyd:

Zeigt die OH-Gruppe in der Fischer-Projektion am C-Atom nach rechts, so gehört der Zucker der D-Reihe an (nach lateinisch dexter: rechts), zeigt sie nach links, so handelt es sich um einen Vertreter der L-Reihe (lateinisch laevus: links).

Die R-S-Kennzeichnung bezieht sich auf das Tetraedermodell und die Prioritäten der Atome bzw. Atomgruppen am asymmetrischen Kohlenstoffatom. Das Tetraedermodell wird so angeordnet, dass das Atom mit der niedrigsten Priorität – in diesem Fall das H-Atom – nach hinten gerichtet ist (dargestellt durch die gestrichelte Linie). Die verbleibenden Atome bzw. -gruppen können nun, gestaffelt nach ihrer Priorität (1. 8OH, 2. 8CHO, 3. 8CH₂OH), im oder gegen den Uhrzeigersinn angeordnet sein. Im Uhrzeigersinn bedeutet R (nach lateinisch rectus: rechts, richtig), gegen den Uhrzeigersinn bedeutet S (nach lateinisch sinister: links, verkehrt).

Weder die D-L- noch die R-S-Kennzeichnungen dürfen mit der optischen Aktivität von Zuckern verwechselt werden. Zuckerlösungen sind in der Lage, die Ebene linear polarisierten Lichts nach links oder nach rechts zu drehen, die Kennzeichnung (+) steht für rechtsdrehend und (-) für linksdrehend.

2.2

Ringstruktur der Monosaccharide

Bereits im 19. Jahrhundert vermuteten Chemiker, dass Monosaccharide neben einer offenkettigen Struktur auch eine ringförmige Struktur einnehmen können. Tatsächlich kommt es bei den Monosacchariden zu einer intramolekularen Verknüpfung der Carbonylfunktion (entweder Aldehyd oder Keton) mit einer der Hydroxylgruppen (OH-Gruppe) unter Ausbildung eines Ringes. Im Fall der Aldosen (Aldehydzucker) entsteht ein Halbacetal, im Falle der Ketosen (Ketozucker) ein Halbketal.

Das Gleichgewicht zwischen der offenkettigen und cyclischen Form wird oxo-cyclo-Tautomerie bezeichnet, die entstehenden Ringformen werden auch Anomere genannt. Bei dieser intramolekularen Ringbildung ist entscheidend, welche Hydroxylgruppe mit der Carbonylgruppe reagiert. Im Beispiel von Fructose, einer Ketohexose, kann es auf der einen Seite die OH-Gruppe am C-6-Atom sein, wodurch sich ein heterocyclischer Sechsring bildet. Auf der anderen Seite wäre es rein theoretisch auch möglich, dass die OH-Gruppe am C-5-Atom mit der Carbonylgruppe reagiert und so ein heterocyclischer Fünfring entsteht.

Im Fall der Fructose ließ sich in kristalliner Form bislang nur die Sechsringvariante, also die Fructopyranose, isolieren. Es ist jedoch bekannt, dass die Fünfringform (Fructofuranose) in wässrigen Fructoselösungen im chemischen Gleichgewicht mit der pyranoiden Form steht. Allgemein nennt man Monosaccharide mit sechs Ringatomen Pyranosen, solche mit fünf Ringmitgliedern Furanosen. Die Ringe der Pyranosen sind nicht planar, sondern in Analogie zum Cyclohexan in der energetisch begünstigten Sesselform angeordnet.