Hydrolyse von β-Cyclodextrin und Nachweis des Abbauproduktes

1. Experiment ist im WACKER-Schulversuchskoffer enthalten	ja
2. Versuchsvorschrift wurde modifiziert	ja
3. Video-Clip verfügbar	nein
4. Flash-Animation verfügbar	nein

3. Hydrolyse von β-Cyclodextrin und Nachweis des Abbauproduktes

1 Materialien, Chemikalien, Zeitbedarf

Reagenzgläser
Reagenzglasständer
Reagenzglasklammer
Gasbrenner
Spatel
Waage
pH-Indikatorpapier
Siedesteinchen

β-Cyclodextrin
Glucose
destilliertes Wasser
konzentrierte Salzsäure C
Natronlauge, c = 2 mol/L C
Natriumcarbonat Xi
Fehling-Lösung I Xn
Fehling-Lösung II C

Für die Probenvorbereitung und die Durchführung der Hydrolyse müssen 20 Minuten eingeplant werden. Die Neutralisation und die Fehling-Probe mit den drei Probe-Lösungen nehmen weitere 10 Minuten in Anspruch.

2 Versuchsdurchführung und -beobachtung

Zunächst löst man 0,2 g β-Cyclodextrin in 20 mL Wasser und teilt die Lösung auf zwei Reagenzgläser auf. In ein Reagenzglas gibt man 3 mL konzentrierte Salzsäure und erhitzt. Man lässt die Lösung zehn Minuten sieden und dann auf Raumtemperatur abkühlen. Die abgekühlte Lösung wird durch portionsweise Zugabe von Natriumcarbonat neutralisiert, wobei der pH-Wert der Lösung mit pH-Indikatorpapier getestet wird. Anschließend versetzt man die Lösung mit ca. 4 mL Fehlingreagenz-Lösung (Fehling I und II zu gleichen Anteilen) und erwärmt vorsichtig.
Die Fehling-Probe wird auch mit der β-Cyclodextrin-Lösung ohne Salzsäure und einer Glucose-Lösung (0,1 g Glucose in 10 mL Wasser) durchgeführt.

Die Fehlingprobe fällt bei der Glucose-Lösung und der mit Salzsäure versetzten β-Cyclodextrin-Lösung positiv aus, während bei der β-Cyclodextrin-Lösung nach Zugabe des Fehling-Reagenzes und Erwärmen keine Verfärbung der Lösung zu beobachten ist.

Abb. 2.3: Ergebnis der Fehling-Proben der β-Cyclodextrin-Lösung vor und nach der Hydrolyse und der Glucose-Lösung

Zum Vergleich kann man den Versuch auch unter alkalischen Bedingungen durchführen. Gegen die Hydrolyse im Alkalischen sind die Cyclodextrine wie auch andere Polysaccharide wesentlich stabiler, so dass die Fehling-Probe auch nach längerem Sieden einer alkalischen Lösung aus β-Cyclodextrin mit Natronlauge c = 2 mol/L negativ ausfällt.

3 Versuchsauswertung

Der negative Ausfall der Fehling-Probe bei der β-Cyclodextrin-Lösung zeigt, dass in β-Cyclodextrin keine Aldehyd-Gruppen vorliegen. Aufgrund der α-1,4-glykosidischen Verknüpfung der Glucose-Bausteine kann kein Gleichgewicht zwischen der Ketten- und der Ringstruktur der Glucose-Bausteine (siehe Abb. 2.5) existieren.
Bei der sauren Hydrolyse des β-Cyclodextrins werden die α-1,4-glykosidischen Bindungen aufgebrochen.

Abb. 2.4: Hydrolyse der α-1,4-glykosidischen Bindung in β-Cyclodextrin

Zunächst bilden sich Oligosaccharide, die durch die säurekatalysierte Hydrolyse weiter bis zur Glucose abgebaut werden. Nicht nur die Glucose-Moleküle sondern auch die geöffneten β-Cyclodextrin-Moleküle (siehe Abb.2.4) und die weiteren Abbauprodukte (Oligosaccharide mit 6 bis 2 Glucose-Einheiten) unterliegen dem Gleichgewicht zwischen der Kettenstruktur und der Ringstruktur (siehe Abb. 2.5).

Abb. 2.5: Gleichgewicht zwischen Ketten- und Ringstruktur der Glucose-Moleküle

Die im Gleichgewicht vorliegende Kettenstruktur weist eine Aldehyd-Gruppe auf, die zur positiven Fehling-Probe führt.

Abb. 2.6: Reaktionsgleichung der Fehling-Probe mit Glucose

4 Tipps und Anmerkungen

Der Versuch kann auch auf Heizplatten in Bechergläsern durchgeführt werden. Wenn Glucose-Teststäbchen zur Verfügung stehen, kann Zeit eingespart werden, da die Durchführung der Fehling-Probe entfallen kann.

5 Ergänzende Sachinformationen

Im Vergleich zu β-Cyclodextrin zeigt das α-Cyclodextrin eine wesentlich höhere Hydrolysebeständigkeit in saurer Lösung. Auch nach drei Stunden unter stark sauren Bedingungen (pH = 2,4) bei 100° C ist kein Abbau von α-Cyclodextrin feststellbar.
Beim β-Cyclodextrin wird die Hydrolyse in saurer Lösung durch die Protonierung eines glykosidischen Sauerstoff-Atoms eingeleitet und durch die Spaltung der glykosidischen Bindung fortgesetzt.
Die Hydrolysebeständigkeit der Cyclodextrine im alkalischen Milieu lässt sich dadurch erklären, dass es mit Hydroxid-Ionen weder zu einer Protonenextraktion aus dem Cyclodextrin-Molekül, noch zu einem nucleophilen Angriff eines Kohlenstoff-Atoms im Cyclodextrin-Molekül kommen kann.

6 Literatur

WACKER Chemical Corporation; CAVAMAX® α-Cyclodextrin – the new soluble dietary fiber
Reuscher, H.; Flexible Bausteine für eine gesunde Ernährung; WACKER WORLD WIDE CORPORATE MAGAZINE 2.4, 2004, 23-25
Morrison, R. T.; Boyd, R. N.; Lehrbuch der Organischen Chemie; VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1986, S. 611
Tausch, M.; von Wachtendonk, M.; Chemie 2000+ Band 1, C.C. Buchners Verlag Bamberg, 2001, S. 104-105