Reduktionswirkung - Grundlage für den chemischen Nachweis der Kohlenhydrate

Experimente:
Versuch: Aldehyde brennen
Versuch: Oxidation von Alkoholen und Ketonen an Kupferdraht
Versuch: Fehlingsche Probe
Versuch: Silberspiegelprobe


Wird ein Aldehyd oxidiert, so erhalten wir im besten Fall eine Carbonsäure, oftmals auch nur Kohlenstoffdioxid und Wasser.

Einige Kohlenhydrate, wie Glucose, Galaktose, Mannose oder Ribose, besitzen endständige Aldehyd-Gruppen. Dazu gehören auch Zucker wie die Maltose oder Lactose.
Oder die Kohlenhydrate können wie die Fructose durch Umlagerungen so reagieren, dass Aldehyd-Gruppen entstehen. Diese bewirken, dass einige Kohlenhydrate, die Ketone sind, wie Aldehyde reduzierbar werden. Auf dieser Reduktionswirkung beruhen viele einfache Nachweisreaktionen.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur Oxidation der Aldehyde und entsprechender Kohlenhydrate: Mit Sauerstoff oder mit Schwermetall-Ionen. Gerade letztere sind als Nachweisreagenzien für Aldehyde und Kohlenhydrate bekannt.


Direkte Reaktion mit Sauerstoff
Bei der normalen Verbrennung (-> Versuch) erhält man meistens keine Zwischenstufen. Die Oxidation läuft bis zum CO2 und H2O.

HCHO + O2 ———> CO2 + H2O

Dagegen verläuft die katalytische Oxidation mit Kupfer (-> Versuch) oder mit Platin schonender; man erhält auch die Zwischenstufen. Der Katalysator Kupfer dient hier als Sauerstoffüberträger.

2 Cu + O2 ———> 2 CuO

2 HCHO + CuO ———> 2 HCOOH + Cu

Eine katalysierte Oxidation findet auch in den Brennstoffzellen statt, die mit Methanol betrieben werden. Denn bei der Oxidation von Methanol oder Formaldehyd durch Sauerstoff werden letztlich Elektronen ausgetauscht, so dass wir mit organischen Stoffen elektrische Energie gewinnen können.


Schwermetall-Ionen oxidieren Aldehyde
Damit sind wir beim nächsten Oxidationsmittel, den Schwermetall-Ionen. Bekannt sind die Fehlingsche Probe sowie die Silberspiegelprobe. Auch hier läuft letztlich die Oxidation des Aldehyds zur Carbonsäure ab. Bleibt die Frage: Wo kommt bei diesem Oxidationsprozess der Sauerstoff her? Er stammt aus dem Wasser!

Nachweis mittels Fehlinglösung
Die Fehlingsche Probe (-> Versuch) ist eine der bekanntesten Aldehydnachweisreaktionen. Man mischt zunächst Fehlinglösung I mit Fehlinglösung II. Fehlinglösung I enthält Kupfersulfat, Fehlinglösung II enthält dagegen Natriumhydroxid und Kaliumnatriumtartrat. Die Mischung ist tiefblau gefärbt, was auf die komplexierten Kupfer(II)-Ionen zurückzuführen ist. Geben wir zu dieser Mischung nun einen Aldehyd und erhitzen, so entsteht ein roter Niederschlag.

Bild 1: Fehling-Reaktion (Foto: Daggi)
Hierzu gibt es einen Film (1 MB)
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Folgende Reaktionen laufen im Falle des Formaldehyds ab:

Oxidation: H-CHO + H2O ———> HCOOH + 2 H+ + 2 e-

Reduktion: 2 Cu2+ + 2 e- ———> 2 Cu+

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Redox: HCHO + H2O + 2 Cu2+ ———> HCOOH + 2 H+ + 2 Cu+

Da bei der Reaktion die Lösung zunehmend sauer wird, hört die Reduktion rasch auf. Um das Gleichgewicht zu verschieben, müssen wir die Lösung alkalisch einstellen. Dann sollten wir die Vorgänge auch so beschreiben:

Oxidation: HCHO + 3 OH- ———> H-COO- + 3 H2O + 2 e-

Reduktion: 2 Cu2+ + 2 e- ———> 2 Cu+

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Redox: HCHO + 3 OH- + 2 Cu2+ ———> HCOO- + 3 H2O + 2 Cu+

Der typische, zunächst gelbe, dann rote Niederschlag beruht auf der Bildung von gelbem CuOH, das sich dann zu rotem Cu2O umbildet.

Silberspiegelprobe
Die Oxidation von Aldehyden und von Kohlenhydraten mit endständiger Aldehydgruppe mittels ammoniakalischer Silbernitratlösung (-> Versuch) beruht wie diejenige mittels Fehlingscher Lösung auf der oxidierenden Wirkung der Metall-Ionen. Die zugrunde liegende Reduktion des Silber-Ions ist:

Ag+ + e- ———> Ag

Es scheidet sich elementares Silber ab. Diese Reaktion wird zum Verspiegeln von Weihnachtskugeln verwendet.

Bild 2: Eine halb verspiegelte Weihnachtskugel
(Foto: Daggi)


Ähnliche Proben gibt es auch mit Bismutsalzen.


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Letzte Überarbeitung: 02. Mai 2007, Dagmar Wiechoczek