Bei der Besprechung der Strukturformeln der Saccharose gibt es hinsichtlich der Darstellung der Strukturformel des Fructoserests immer wieder Schwierigkeiten. Folgende Anfrage ist ganz typisch:

Legt man die üblichen Ringformeln von Glucose und Fructose nebeneinander und schaut sich die der Saccharose an, so scheint auf den ersten Blick eine 1,5-Verknüpfung vorzuliegen. Das kann ja aber nicht sein, da an C5 keine OH-Gruppe vorliegt, die unter Wasserabspaltung eine Verbindung herstellen kann. Dreht man die Fructose, so scheint es, als müsse in der Saccharose C6 nach unten und C1 nach oben zeigen. Können Sie den (scheinbaren) Widerspruch lösen? Ändern sich bei der Reaktion von Glucose und Fructose die Stellung der beiden Gruppen?

Ich gebe zu: Das hat früher auch mir selbst Schwierigkeiten bereitet…

Die erste Frage kann leicht beantwortet werden: Es handelt sich nicht (wie vermutet) um eine Glucose-1 -> Fructose-5-Reaktion, sondern um eine 1 -> 2-Reaktion. Nur am C-Atom 2 der Fructose befindet sich nämlich eine besondere OH-Gruppe, die nach Ringschluss zur Furanose als ehemalige Ketogruppe aktiviert und damit bindungsfähig vorliegt. Man sollte deshalb beim Ringschluss der Fructose auch nicht von einer Halbacetal-, sondern Halbketalbindung sprechen. Im Allgemeinen bleibt man aber bei der Bezeichnung Halbacetalbindung.

Beim „scheinbaren Widerspruch“ handelt es sich nur um eine graphische Notwendigkeit
Hier sind zunächst einmal als Diskussionsgrundlage die (vereinfachten) Strukturformeln von Fructose und Saccharose.

Bild 1: Strukturformeln von Fructose und Saccharose

Als Regel gilt, dass bei den Strukturformeln der Einzelzucker das C-Atom mit der höchsten Oxidationszahl stets nach rechts zeigt. Das ist bei der Fructose das C-Atom 2. Nach der Kopplungsreaktion zur Saccharose zeigt das C-Atom 2 des Fructoserests aber nach links.

Damit beginnen die Probleme. Den Betrachter stört vor allem, dass sich die Konfiguration an den C-Atomen 3 und 4 anscheinend nicht geändert hat. Auch die beiden CH₂OH-Gruppen stehen unverändert. Das sieht nach Spiegelung aus.

Man darf Strukturformeln nicht einfach spiegeln, denn dann hätte man ja ein Spiegelbildisomeres (Enantiomeres) daraus gemacht. In diesem Fall wurde die Strukturformel gedreht.

Bild 2: Drehung der Strukturformel der ß-D-Fructofuranose

Dreht man die Lehrbuch-Strukturformel der Fructose (1) um 180 ° nach links, so entsteht die in der Saccharose auftretende Strukturformel (2). Die Drehachse verläuft in der Ringebene durch das Ring-O-Atom und durch den Halbierungspunkt der Verbindungslinie zwischen den C-Atomen 3 und 4.

Gebräuchlich ist auch eine andere, mehr räumliche Darstellung der Struktur.

Bild 3: Drehung der Strukturformel der ß-D-Fructofuranose. Mehr räumliche Darstellung

In dieser Darstellungsform sieht es aber so aus, als ob die Drehachse senkrecht zur Ringebene verläuft, so dass viele Betrachter verwirrt sind. Denn die meinen, dass die Drehung um das O-Atom herum erfolgt. Das ist wohl die Ursache für die eingangs erwähnten, falschen Vorstellungen hinsichtlich der aus der Drehung resultierenden Strukturformel. Die Drehachse verläuft vielmehr auf den Betrachter zu.

Das alles kann man viel besser mit Molekülmodellen zeigen
…, wie zum Beispiel mit dem bekannten guten alten CVK-Kasten von Cornelsen. Damit sollte man im Unterricht unbedingt „spielen“. Das macht den Schülern nicht nur Spaß, sondern sie lernen dazu auch noch etwas.

Bild 4: Molekülmodelle zur Drehung der Strukturformel von Fructose. Vergleiche mit Bild 2.
Links klassische Lehrbuchdarstellung (1).
Rechts um 180 ° nach links gedrehte Struktur (2)
(Foto: Blume)

Auch die Art der Abbildung in Bild 3 kann mit diesem Molekülmodell verdeutlicht werden. Man muss das Modell nur aus einem anderen Blickwinkel betrachten.

Bild 5: Molekülmodelle zur Drehung der Strukturformel von Fructose. Vergleiche mit Bild 3.
Links klassische Lehrbuchdarstellung (1).
Rechts um 180 ° nach links gedrehte Struktur (2)
(Foto: Blume)

Was die Drehung (nicht) bewirkt
Durch die Drehung tauschen bildlich die C-Atome 2 und 5 und deren Liganden ihre Plätze. Natürlich wechseln auch die C-Atome 3 und 4 ihre Plätze. Trotz der Drehung bleiben aber die OH-Gruppen in beiden Darstellungsformen auf der gleichen Seite - weil sie gegenständig sind. Gleiches gilt für die beiden CH₂OH-Gruppen. Die absolute D-Konfiguration bleibt aber stets erhalten.

Weiteres zur Struktur und der Chemie der Fructose findet man hier.

Rüdiger Blume

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