Monosaccharide: Einteilung, D/L-Reihe und Fischer-Projektion
Wie man Monosaccharide nach Kettenlänge und Carbonylgruppe einteilt und in der Fischer-Projektion der D- oder L-Reihe zuordnet.
Das Wichtigste in Kürze
- Monosaccharide sind nicht hydrolysierbare Polyhydroxycarbonylverbindungen, eingeteilt nach Carbonylfunktion (Aldose, Ketose) und C-Zahl (Tetrose, Pentose, Hexose).
- Ribose, Arabinose und Xylose sind Aldopentosen, Ribulose ist eine Ketopentose, Fructose und Sorbose sind Ketohexosen.
- Ein Desoxyzucker wie Rhamnose trägt an einer Position H statt OH.
- Über D/L entscheidet die OH-Gruppe am höchstbezifferten Chiralitätszentrum in der Fischer-Projektion: rechts D, links L. Alle D-Hexosen sind an C-5 (R)-konfiguriert.
- D-Glucose trägt die OH-Gruppen an C-2, C-4, C-5 rechts und an C-3 links, L-Glucose ist ihr vollständiges Spiegelbild.
- Offenkettige Aldohexosen haben vier Chiralitätszentren und damit \(2^4 = 16\) Stereoisomere. Die Reduktion der Fructose schafft an C-2 ein neues Zentrum.
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Worum es geht
Zucker wie Glucose, Fructose oder Ribose begegnen dir in der Pharmazie überall: als Hilfsstoffe, als Bausteine von Glykosiden und Nukleinsäuren, als Infusionslösung. Wer sie sicher benennen will, braucht zwei Werkzeuge. Das sind eine einfache Einteilung nach Bauart und die D/L-Zuordnung in der Fischer-Projektion.
Was Kohlenhydrate sind
Kohlenhydrate sind Polyhydroxycarbonylverbindungen. Sie tragen also eine Carbonylgruppe und mehrere Hydroxygruppen. Dazu zählen auch Stoffe, die sich durch Hydrolyse auf solche Bausteine zurückführen lassen.
Die einfachsten Vertreter heißen Monosaccharide, sie lassen sich nicht weiter hydrolysieren. Zwei verknüpfte Monosaccharide ergeben ein Disaccharid, drei bis etwa zehn ein Oligosaccharid, sehr viele ein Polysaccharid. Wie die Verknüpfung aussieht, zeigt die Einheit zur glykosidischen Bindung.
Als Bezugsverbindung aller Zucker dient der Glycerinaldehyd (2,3-Dihydroxypropanal). Er ist die kleinste Aldose und hat genau ein Chiralitätszentrum an C-2.
Aldosen und Ketosen
Monosaccharide werden nach zwei Merkmalen eingeteilt. Das erste ist die Carbonylfunktion. Eine Aldose trägt eine Aldehydgruppe an C-1. Eine Ketose trägt eine Ketogruppe, bei den natürlichen Ketosen an C-2.
Das zweite Merkmal ist die Zahl der C-Atome: Tetrosen haben vier, Pentosen fünf, Hexosen sechs. Beide Angaben lassen sich verbinden, etwa zu Aldohexose oder Ketopentose.
| Klasse | wichtige Vertreter |
|---|---|
| Aldotetrose | Erythrose, Threose |
| Aldopentose | Ribose, Arabinose, Xylose |
| Ketopentose | Ribulose |
| Aldohexose | Glucose, Mannose, Galactose |
| Ketohexose | Fructose, Sorbose |
Glucose heißt wegen ihrer rechtsdrehenden Lösung auch Dextrose. Fructose dreht links und trägt den alten Namen Lävulose. Threose erinnert im Namen an die Aminosäure Threonin, ist aber eine einfache Tetrose. Dank ihrer vielen OH-Gruppen lösen sich Monosaccharide wie Mannose gut in Wasser.
Ein Desoxyzucker ist ein Monosaccharid, bei dem eine OH-Gruppe durch ein H-Atom ersetzt ist. Beispiele sind Rhamnose (6-Desoxy-L-mannose) und 2-Desoxy-D-ribose, der Zucker der DNA.
Rhamnose bleibt also ein Monosaccharid und ist kein Disaccharid. Glucose, Mannose, Galactose und Fructose sind dagegen keine Desoxyzucker. Sie tragen an jedem C-Atom außer dem Carbonyl-C eine OH-Gruppe.
Dieses Kriterium gilt auch für Ringformeln. 5-Methyltetrahydropyran-2-ol hat zwar sechs C-Atome und ein Halbacetal-OH. Ihm fehlen aber die OH-Gruppen an den übrigen Ringatomen. Es ist deshalb keine Aldohexose.
D/L-Reihe in der Fischer-Projektion
Ab vier C-Atomen besitzt ein Zucker mehrere Chiralitätszentren. Für die D/L-Reihe zählt nur eines: das höchstbezifferte Chiralitätszentrum, also das am weitesten von der Carbonylgruppe entfernte. Bei Hexosen ist das C-5, bei Aldopentosen C-4, bei Aldotetrosen C-3.
Man zeichnet den Zucker in der Fischer-Projektion mit der Carbonylgruppe oben. Steht die OH-Gruppe am Bezugszentrum rechts, gehört er zur D-Reihe, steht sie links, zur L-Reihe. Das Bezugszentrum hat damit dieselbe Konfiguration wie C-2 im D- bzw. L-Glycerinaldehyd.
D und L sagen nichts über die Drehrichtung, D-Fructose etwa dreht links. Mit den CIP-Deskriptoren besteht dagegen ein fester Bezug. Alle D-Hexosen sind an C-5 (R)-konfiguriert, denn dort sitzen stets dieselben Substituenten mit der Rangfolge OH > C-4 > C-6 > H. Das gilt für D-Glucose, D-Mannose und D-Galactose ebenso wie für D-Fructose.
Die Muster der wichtigsten D-Zucker solltest du kennen:
| D-Zucker | Klasse | OH rechts | OH links |
|---|---|---|---|
| D-Glucose | Aldohexose | C-2, C-4, C-5 | C-3 |
| D-Mannose | Aldohexose | C-4, C-5 | C-2, C-3 |
| D-Galactose | Aldohexose | C-2, C-5 | C-3, C-4 |
| D-Fructose | Ketohexose | C-4, C-5 | C-3 |
| D-Ribose | Aldopentose | C-2, C-3, C-4 | keine |
| D-Arabinose | Aldopentose | C-3, C-4 | C-2 |
| D-Xylose | Aldopentose | C-2, C-4 | C-3 |
| D-Threose | Aldotetrose | C-3 | C-2 |
| D-Erythrose | Aldotetrose | C-2, C-3 | keine |
Die L-Formen sind die vollständigen Spiegelbilder. L-Glucose trägt die OH-Gruppe an C-5 also links, L-Threose an C-2 rechts und an C-3 links. Bei der Erythrose stehen beide OH-Gruppen auf derselben Seite. Sie ist trotzdem chiral. Anders als einer meso-Verbindung fehlt ihr die innere Spiegelebene, denn die Kettenenden CHO und \(\ce{CH2OH}\) sind verschieden.
So ordnest du einen Zucker in Fischer-Projektion ein:
- Carbonylgruppe suchen: Steht oben CHO, ist es eine Aldose. Sitzt die C=O-Gruppe an C-2 unter einer \(\ce{CH2OH}\)-Gruppe, ist es eine Ketose.
- C-Atome zählen: Vier, fünf oder sechs C-Atome ergeben Tetrose, Pentose oder Hexose.
- Bezugszentrum prüfen: Das unterste Chiralitätszentrum direkt über der endständigen \(\ce{CH2OH}\)-Gruppe ansehen. OH rechts bedeutet D, OH links L.
- Muster vergleichen: Die übrigen OH-Stellungen mit der Tabelle abgleichen. Sind alle Zentren gespiegelt, liegen Enantiomere vor. Weitere Beziehungen klärt die Einheit zu Epimeren und Anomeren.
Die D/L-Zuordnung wird im Examen gerne gefragt. Entscheidend ist allein die OH-Gruppe am höchstbezifferten Chiralitätszentrum. L-Glucose ist aber das vollständige Spiegelbild der D-Glucose, alle vier OH-Gruppen wechseln die Seite; wer nur C-5 umklappt, erhält L-Idose.
Zahl der Stereoisomere
In der offenkettigen Form einer Aldohexose sind C-2 bis C-5 Chiralitätszentren. C-1 (CHO) und C-6 (\(\ce{CH2OH}\)) sind es nicht. Aus der Zahl der Zentren folgt die Zahl möglicher Stereoisomere.
\[N = 2^n\]
\(N\) ist die Zahl der Stereoisomere, \(n\) die Zahl der Chiralitätszentren. Die Formel gilt, solange keine meso-Formen auftreten.
Für Aldohexosen ergibt das \(2^4 = 16\) Stereoisomere, je acht in der D- und L-Reihe. Zur D-Glucose gibt es also 15 weitere: ihr Enantiomer L-Glucose und 14 Diastereomere. Aldopentosen haben drei Zentren und damit \(2^3 = 8\) Stereoisomere. Ketohexosen kommen mit C-3 bis C-5 ebenfalls auf acht.
Die Zahl ändert sich, sobald die Carbonylgruppe reagiert. Reduziert man die Ketogruppe der D-Fructose, wird C-2 zu einer CH(OH)-Gruppe mit vier verschiedenen Substituenten. So entsteht ein neues Chiralitätszentrum. Die Reduktion liefert deshalb zwei Zuckeralkohole, die sich nur an C-2 unterscheiden: D-Glucitol (Sorbitol) und D-Mannitol.
Auch der Ringschluss zum Halbacetal schafft ein neues Zentrum, das in der Einheit zu den Ringformen behandelt wird.
Quiz
Aussage 1
Zur D-Glucose existieren 15 weitere stereoisomere offenkettige Aldohexosen.
Vier Chiralitätszentren (C-2 bis C-5) ergeben \(2^4 = 16\) Stereoisomere, also 15 neben der D-Glucose.
Aussage 2
L-Glucose unterscheidet sich von D-Glucose nur durch die Stellung der OH-Gruppe an C-5.
L-Glucose ist das vollständige Spiegelbild, alle vier OH-Gruppen stehen auf der anderen Seite. Nur C-5 umzuklappen ergibt L-Idose.
Aussage 3
In der Fischer-Projektion der D-Glucose steht von den OH-Gruppen an C-2 bis C-5 nur die an C-3 links.
D-Glucose trägt die OH-Gruppen an C-2, C-4 und C-5 rechts und an C-3 links.
Aussage 4
Rhamnose ist ein Desoxyzucker, bei dem an C-6 eine OH-Gruppe durch Wasserstoff ersetzt ist.
Rhamnose ist 6-Desoxy-L-mannose und damit ein Desoxyzucker und ein Monosaccharid.
Aussage 5
Ribulose gehört wie Ribose zu den Aldopentosen.
Ribulose trägt eine Ketogruppe an C-2 und ist eine Ketopentose. Ribose ist eine Aldopentose.
Aussage 6
Erythrose ist eine meso-Verbindung, weil in der Fischer-Projektion beide OH-Gruppen auf derselben Seite stehen.
Erythrose ist chiral. Wegen der verschiedenen Kettenenden CHO und \(\ce{CH2OH}\) fehlt die innere Spiegelebene.
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