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Vitamin C – Zuckerderivat 09:46 min

Textversion des Videos

Transkript Vitamin C – Zuckerderivat

Guten Tag und herzlich Willkommen. Dieses Video heißt: Vitamin C - ein Zuckerderivat. Es ist wünschenswert, wenn ihr über folgende Vorkenntnisse verfügt: Ihr kennt euch bereits recht gut aus in der Chemie der Kohlenhydrate, der Zucker. Ihr wisst, was Monosaccharide sind. Ihr kennt die Struktur der Glucose. Ihr könnt mit den Begriffen D- und L-Reihe etwas anfangen. Ihr habt den Film über Pyranosen und Furanosen bereits gesehen. In diesem Film möchte ich euch wichtige chemische Kenntnisse und medizinisches Grundwissen über das Vitamin C vermitteln. Der Film besteht aus acht Abschnitten. Erstens: Bedarf und Überdosierung. Zweitens: Die Formel. Drittens: Zusammenhang mit D-Glucose. Viertens: Acidität. Fünftens: Reduzierende Eigenschaften. Sechstens: Radikalfänger. Siebtens: Weitere Funktionen. Und Achtens: Zusammenfassung. Erstens: Bedarf und Überdosierung. Der menschliche Organismus benötigt für das tägliche Leben eine bestimmte Menge an Vitamin C. Da er sie selber nicht produzieren kann, muss dieses Vitamin C von außen zugeführt werden. Im Durchschnitt benötigt ein Mensch 100 Milligramm an Vitamin C täglich. 100 Milligramm ist in etwa 100 Gramm vieler Obstsorten enthalten. Das liegt in guter Übereinstimmung mit Messergebnissen, die man für Orangen gefunden hat. Überdosierung von Vitamin C kann zu unerwünschten Nebeneffekten führen. So kann diese Nierensteine oder Durchfall hervorrufen. Dafür ist allerdings ein Konsum von sechs bis 15 Gramm pro Tag erforderlich. Auf die prophylaktische Wirkung von Vitamin C schwörte der amerikanische Chemie- und Friedens Nobelpreisträger Linus Pauling. Er erreichte immerhin ein Alter von 93 Jahren. Ob er dieses hohe Alter auch ohne Vitamin C Konsum täglich erreicht hätte, wird wohl ungeklärt bleiben. Zweitens: Die Formel. Ich möchte die Formel das Vitamin C schrittweise entwickeln. Beginnen wir mit diesem Ring. Das ist ein zyklischer Aliphat. Es ist Tetrahydrofuran. Wenn ich den Ring noch mit einer Carbonylgruppe versehe, so erhalte ich bereits ein Gamma-Lacton. Außerdem sitzt am Ring eine kurze Kohlenstoffkette an der sich zwei Hydroxygruppen befinden. Damit ist klar, dass wir es auch mit einem Alkohol zu tun haben. Außerdem gibt es noch zwei Hydroxygruppen, die direkt am Ring sitzen. Auch diese machen aus unserer Verbindung ein Alkohol. Der Ring enthält eine Doppelbindung. Wir haben es daher auch mit einem Alken zu tun. Da die Hydroxygruppen an der Doppelbindung sitzen, kann man sagen, dass es sich um ein Enol handelt. Die mit Pfeil markierte Hydroxygruppe weist daraufhin, dass es sich um ein Molekül der L-Reihe handelt. Wir erinnern uns, bei der L-Reihe steht die Hydroxygruppe beim vorletzten Kohlenstoffatom gezählt von oben links. Hier steht das Molekül auf dem Kopf. Die Hydroxygruppe befindet sich rechts. Daher gehört das Molekül zur L-Reihe. Man nennt daher Vitamin C auch L-Ascorbinsäure. Wir wollen nun schauen, wo wir ein chirales Zentrum in unserem Molekül finden. Aha, am zweiten Kohlenstoffatom von oben. Und auch am dritten Kohlenstoffatom von oben. Dort, wo der Ring in die Kette übergeht. Drittens: Zusammenhang mit D-Glucose. Erinnert euch an die Struktur der Kettenform der D-Glucose. Für die Entstehung des Vitamins C sind die Kohlenstoff-Atome eins und vier von Bedeutung. Es kommt zur Zyklisierung, wobei nur noch zwei von ursprünglich vier chiralen Zentren erhalten bleiben. In Position eins zeichne ich für die Stellung der Hydroxygruppe eine Wellenlinie ein. Sie kann also beliebig sein. Nach oben oder unten gerichtet. Bei den Hydroxygruppen zwei und drei verfahre ich etwas willkürlich. Ich zeichne sie nach unten ein. So wie ich sie dann formal in der Strukturformel des Moleküls des Vitamin C sehe. Der Grundkörper des Vitamin C Moleküls liegt somit vor. Nach weiteren Reaktionsschritten, die sowohl Reduktion als auch Oxidation umfassen, erhält man schließlich das Vitamin C Molekül. Viertens: Acidität. Wir haben Vitamin C auch als L-Ascorbinsäure bezeichnet. Das tut man, obwohl es sich hier nicht um eine Carbonsäure handelt. Der PKS-Wert der Verbindung beträgt immerhin 4,2. Damit ist sie saurer als Essigsäure, die einen PKS-Wert von 4,8 aufweist. Die Erklärung dieses Phänomens liefert uns das Anion. Das Säurerest-Ion, dass bei der Abspaltung des Wasserstoff-Ions entsteht. Ich zeichne das Anion ohne Seitenkette, da es bei unserer Betrachtung keine Rolle spielt. Entscheidend ist allerdings, dass das Wasserstoff-Ion von der der Hydroxygruppe links abgespalten wird. Weil sonst unsere Überlegung nicht funktioniert. Die Doppelbindungen, die nichtbindenenden Elektronenpaare und die Ladung von Minus zeichne ich mit roter Farbe ein. Das Anion ist alternativ dann noch so darstellbar. Das Sauerstoffatom links bildet eine Ketogruppe aus. Die Doppelbindung im Ring wird um eine Position verschoben. Die zweite Bindung der Ketogruppe wird zum nichtbindenden Elektronenpaar des Sauerstoffatoms, das damit die negative Ladung erhält. Das tatsächliche Molekül ist ein Mittelding zwischen den Darstellungen links und rechts. Diese Erscheinung ist uns wohlbekannt. Man bezeichnet sie als Mesomerie. Die Mesomerie des Anions führt zur Stabilität desselben. Erhöhte Stabilität des Anions bedeutet aber erhöhte Stabilität des Vitamin C. Fünftens: Reduzierende Wirkung. Neben der Form, die Ihr hier rechts als Struktur dargestellt seht, gibt es noch eine weitere Form, die ich euch jetzt links aufzeichne. Bis jetzt ist noch alles gleich, nicht wahr? Auch die chiralen Zentren stimmen überein. Aber hier gibt es eine Änderung. Anstatt der beiden alkoholischen Gruppen unten, haben wir hier Carbonylgruppen. Ketogruppen. Und auch die Doppelbindung im Ring verschwindet. Die Struktur links entspricht der oxidierten Form des Vitamin C. Entsprechend handelt es sich rechts um die reduzierte Form. Von der oxidierten Form gelangt man zur reduzierten Form durch Wasserstoffaufnahme. Entsprechend ergibt sich die oxidierte Form aus der reduzierten Form durch Wasserstoffabgabe. Somit erklärt sich die reduzierende Wirkung des Vitamin C. Sechstens: Radikalfänger. Wir haben im Abschnitt fünf gelernt, dass die reduzierte Form des Vitamin C Moleküls in der Lage ist Wasserstoffatome abzugeben. Vitamin C wirkt reduzierend. Dadurch können gefährliche Radikale im Organismus unschädlich gemacht werden. Solche Radikale sind: Das Hydroperoxid-Anion, das Hydroxyl-Radikal, das Peroxyl-Radikal und das Alkoxyl-Radikal. Diese Radikale reagieren mit den Wasserstoff-Radikalen, die vom Vitamin C gebildet werden. Es kommt zur Rekombination. Die Radikale werden unschädlich gemacht. Daher wirkt Vitamin C als Radikalfänger. Vitamin C sorgt dadurch dafür, dass wir gesund bleiben. Siebtens: Weitere Funktionen. Neben der im Abschnitt sechs genannten Funktion als Radikalfänger hat Vitamin C noch andere wichtige Aufgaben zu erfüllen. Vitamin C ist an der Biosynthese von Kollagen beteiligt. Es ist notwendig für die Bildung von Knochen, Sehnen, Haut und Blutgefäßen. Vitamin C ist ein Cofaktor bei Mono- und Dioxidaserreaktionen. Vitamin C ist zur Komplexierung von Metallionen befähigt. Dauerhafter Mangel an Vitamin C löst die Vitaminmangelkrankheit Skorbut aus. Achtens: Zusammenfassung. Aus D-Glucose bildet sich L-Ascorbinsäure, welche man auch als Vitamin C bezeichnet. L-Ascorbinsäure ist saurer als Essigsäure. Ihr PKS-Wert beträgt 4,2. Bei Essigsäure ist es nur 4,8. Das saure Verhalten ist erklärbar durch die Mesomerie Stabilisierung des Säurerest-Ions. Vitamin C wirkt reduzierend. Es hat eine wichtige Funktion als Radikalfänger zu erfüllen. Weil den Menschen die entsprechenden Enzyme für die Vitamin C Produktion fehlen, müssen ihnen davon täglich 100 Milligramm zugeführt werden. Chronischer Vitamin C Mangel führt zur Vitamin C Mangelkrankheit Skorbut. Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute. Auf Wiedersehen.

2 Kommentare
  1. Wenn man die Fischer - Projektion umdreht, so hast du sicher recht.
    Hierzu gibt es aber folgendes zu sagen:
    Der besagte Rest am Fünfring ist frei drehbar und somit sollte man auch eine andere Stellung der OH-Gruppe akzeptieren.
    Nun kann man darauf sicher einwenden, dass bei der Betrachtung der Konfiguration das Molekül nicht aus der Ebene herausgenommen werden darf. Das ist generell richtig. Nach meinem Dafürhalten stehen alle Argumentationen im Zusammenhang mit der Fischer - Projektion auf tönernen Füßen. Grund: Die Fischer - Projektion gibt die Konfiguration des Zucker - Moleküls nicht richtig wieder. Sie liefert eine komplette Konfusion und man hat sich nur an sie gewöhnt. Diese Darstellung ist ein Anachronismus und sie gehört abgeschafft.
    Näher am Thema: Der Schwerpunkt der Argumentation liegt auf der Konstitution. Es soll gezeigt werden, welche Atome miteinander verbunden sind. Will man die (absolute) Konfiguration darstellen, ist die Keilstrichformel besser geeignet.

    Alles Gute und viel Erfolg

    Von André Otto, vor mehr als 3 Jahren
  2. Wenn man D-Glucose "auf den Kopf" stellt, bleibt sie ja trotzdem D-Glucose. Sollte die OH-Gruppe nach der Cyclisierung der D-Glucose nicht links sein?

    Von Alexandra B., vor mehr als 3 Jahren

Vitamin C – Zuckerderivat Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Vitamin C – Zuckerderivat kannst du es wiederholen und üben.

  • Beschreibe den Grund für die saure Eigenschaft des Vitamin C.

    Tipps

    Die Nummerierung der Kohlenstoffatome beginnt rechts vom Ring-Sauerstoffatom und verläuft im Uhrzeigersinn.

    Lösung

    Hydroxygruppen geben ihr $H^+$-Ion nur unter bestimmten Bedingungen ab. Alkohole sind daher in der Regel kaum sauer. Dafür ist eine Stabilisierung des Anions notwendig. Dies geschieht dadurch, dass die negative Ladung auf mehrere Atome verteilt wird. Bei der Carbonsäuregruppe verteilt sich die negative Ladung beispielsweise auf die beiden Sauerstoffatome der funktionellen Gruppe.

    Erkennen kann man dies daran, dass man mehrere mesomere Grenzstrukturen aufstellen kann. Daher bezeichnet man diese Art der Stabilisierung auch als Mesomerie-Stabilisierung.

    Im Fall der Ascorbinsäure sind die beiden Sauerstoffatome, die die negative Ladung tragen, mehrere Kohlenstoffatome von einander entfernt. Dennoch gelingt es, die zwei oben dargestellten mesomeren Grenzstrukturen aufzustellen. Dies liegt daran, dass zwischen den beiden Sauerstoffatomen ein System an konjugierten Doppelbindungen besteht. Durch „Umklappen“ der Doppelbindungen geht die eine Darstellung des Moleküls in die andere über.

  • Schildere den Vitamin-C-Bedarf des Menschen.

    Tipps

    Der wissenschaftliche Name von Vitamin C, Ascorbinsäure, leitet sich vom Namen der Mangelerkrankung ab.

    Lösung

    Lange vor der Entdeckung des Vitamin C war die Mangelerkrankung Skorbut bekannt. Bei unzureichender Ernährung mit frischen Lebensmitteln wie Obst und Gemüse ereilte viele Seefahrer das Schicksal, an Skorbut zu erkranken. Dabei kommt es zu einer Reihe von Symptomen wie Zahnfleischbluten, Schwindel, Gelenkschmerzen und Anfälligkeit für Infektionskrankheiten. Bei anstrengender Arbeit kann Skorbut zum Tod durch Herzschädigung führen.

    Skorbut lässt sich einfach heilen, indem etwa 100 mg Vitamin C am Tag aufgenommen werden. Dies ist durch normale Ernährung gewährleistet und wird nur unter ungewöhnlichen Umständen nicht erreicht.

    Eine Überdosierung tritt erst bei großen Mengen auf. Dies kann mit normaler Kost nicht erreicht werden. Um die erforderlichen 6 g Vitamin C aufzunehmen, müsstest du etwa 6 kg Obst am Tag essen.

  • Gib alle chiralen Kohlenstoffatome der Ascorbinsäure an.

    Tipps

    Chirale C-Atome haben vier unterschiedliche Substituenten.

    Lösung

    Bei Ascorbinsäure handelt es sich um ein Derivat des $\gamma-$Lactons. Am vierten C-Atom des Lacton-Rings ist eine Seitenkette gebunden, daher ist dieses Kohlenstoffatom chiral. Es trägt vier unterschiedliche Substituenten: Sauerstoff, den Lacton-Ring, das Wasserstoffatom und die Seitenkette. Es liegt in S-Konfiguration vor. Auch das fünfte C-Atom ist chiral: Es trägt den Lacton-Ring, eine $OH-$Gruppe, eine $CH_2OH-$Gruppe und ein Wasserstoffatom. Dieses C-Atom liegt in R-Konfiguration vor.

    Alle übrigen Kohlenstoffatome sind nicht chiral, da sie über Doppelbindungen mit ihren Nachbaratomen verbunden sind.

  • Leite den systematischen Namen von L-Ascorbinsäure her.

    Tipps

    Der in eckigen Klammern geschriebene Teil des Namens ist die Seitenkette. Diese hat eine eigene Nummerierung.

    Ketone haben die Endung -on.

    Lösung

    Dem systematischen Namen vorangestellt ist die Konformation des fünften Kohlenstoffatoms im Furan-Ring. Dies ist das Kohlenstoff-Atom, das die Seitenkette trägt. Die Bezeichnung (5R) bezieht sich also auf dieses Kohlenstoffatom. Anschließend folgt die Seitenkette, die an das fünfte Kohlenstoffatom gebunden ist. Dies ist mit den eckigen Klammern gekennzeichnet. Auch dieser Name beginnt mit der Konformation des chiralen C-Atoms am Beginn der Kette, dieses hat eine S-Konformation. Die Seitenkette ist der 1,2-Dihydroxyethyl-Rest.

    Es folgen die funktionellen Gruppen am Furan-Ring. Dies sind die beiden Hydroxy-Gruppen in Position drei und vier (3,4-dihydroxy) sowie das Wasserstoffatom in Position fünf (5-hydro). Das ringförmige Grundgerüst wird mit Furan bezeichnet. Die Keto-Gruppe in Position zwei des Rings schließlich wird mit -2-on gekennzeichnet. Damit ist das Molekül eindeutig beschrieben und lässt sich anhand des Namens zeichnen.

  • Erläutere die Wirkung der Ascorbinsäure als Radikalfänger.

    Tipps

    Radikale erkennst du an dem Punkt, der ein ungepaartes Elektron symbolisiert.

    Lösung

    Wie beim Ascorbat liegt auch beim Radikalfang eine Mesomeriestabilisierung vor. Die Eigenschaft als Radikalfänger verdankt die Ascorbinsäure der Stabilisierung der Semihydroascorbinsäure durch den Mesomerie-Effekt. Es lassen sich zwei mesomere Grenzstrukturen formulieren. Bei der zweiten mesomeren Grenzstruktur ist das Sauerstoff-Radikal an der Stelle der Carbonyl-Funktion.

    Da das Semidehydroascorbinsäure-Radikal stabilisiert wird, liegt das Gleichgewicht der Reaktion auf der rechten Seite. Das Semidehydroascorbinsäure-Radikal reagiert leicht mit weiteren Radikalen weiter zur Dehydroascorbinsäure. Das dargestellte Diradikal ist ein sehr instabiler Übergangszustand, der schnell zur Dehydroascorbinsäure reagiert.

    Die Endiol-Gruppe mit benachbarter Carbonyl-Funktion verursacht also die ungewöhnlich gute Wirkung als Reduktionsmittel.

  • Analysiere die Synthese von L-Ascorbinsäure aus D-Glucose.

    Tipps

    Die Konformation des letzten chiralen C-Atoms in der Fischer-Projektion entscheidet über D- oder L-Konformation eines Monosaccharids.

    Steht die $OH-$Gruppe rechts, handelt es sich um die D-Form.

    Lösung

    Die Synthese von Ascorbinsäure aus Glucose ist ein komplexer Mechanismus, der viele Schritte umfasst und auf Katalysatoren wie zum Beispiel Enzyme angewiesen ist. Daher ist der Mechanismus hier nur stark vereinfacht und schematisch wiedergegeben.

    Durch Oxidation der D-Glucose am sechsten C-Atom der Kette erhhält man die D-Glucoronsäure. Bei diesem Schritt wird die Konformation des Moleküls nicht verändert.

    Im zweiten Schritt kommt es zur Reduktion der Aldehyd-Gruppe am $C^1$ zu einem primären Alkohol. Nach den Regeln der Fischer-Projektion muss das Molekül nun um 180° in der Papierebene gedreht werden, da das Kohlenstoffatom der Carbonsäuregruppe nun das am stärksten oxidierte Kohlenstoffatom der Kette ist. Folglich ist das der Schritt, in dem der Übergang von der D- in die L-Konformation stattfindet. Dies ist daran zu erkennen, dass die $OH-$Gruppe am letzten chiralen C-Atom bei der L-Gulonsäure auf der linken Seite der Fischer-Projektion steht.

    Weder bei der folgenden Dehydratisierung noch bei der Oxidation und Enol-Bildung wird die Konformation des Moleküls verändert.