Fehling-Probe

Zweck und Bedeutung

Die Fehling-Probe weist Reduktionsmittel nach, insbesondere Aldehyde und reduzierende Zucker. Ein positives Ergebnis zeigt sich durch einen rotbraunen Niederschlag aus Kupfer(I)-oxid (Cu₂O). Ketone reagieren normalerweise nicht, weshalb die Probe grundsätzlich zur Unterscheidung von Aldehyden und Ketonen dienen kann.

Hermann Fehling veröffentlichte die Nachweisreaktion 1848. Sie ermöglichte die quantitative Bestimmung von Zucker im Harn durch Titration und war deshalb für die Diagnose der Zuckerkrankheit (Diabetes) bedeutsam. Zuvor war der Nachweis nur qualitativ durch Geschmacksprüfung oder Vergärung möglich, später auch quantitativ durch Polarimetrie.

Die schulische Erklärung der Probe ist jedoch bezüglich ihrer Aussagekraft umstritten. Die häufig gelehrte Annahme, reduzierende Zucker würden über ihre Aldehydgruppe zu Carbonsäuren oxidiert, passt unter anderem nicht zur Beobachtung, dass Fructose schneller reagiert als Glucose und Mannose. Nach heutigem Wissen entsteht bei Glucose zunächst Glucoson (2-Ketoglucose), das unter den Reaktionsbedingungen durch C−C-Bindungsspaltung weiter oxidiert wird.

Reagenzien und Durchführung

Für die Probe werden zwei getrennt aufbewahrte Lösungen verwendet:

• Fehling I ist eine hellblaue, verdünnte Kupfer(II)-sulfat-Lösung.
• Fehling II ist eine farblose, alkalische Kalium-Natrium-Tartrat-Tetrahydrat-Lösung.

Mischt man gleiche Volumina beider Lösungen, entsteht durch die Komplexbildung der Cu(II)-Ionen mit Tartrat-Ionen eine dunkelblaue Lösung. Tartrat wirkt als Komplexbildner: Die Kupfer(II)-Ionen bleiben löslich, sodass das Löslichkeitsprodukt von Kupfer(II)-hydroxid nicht erreicht wird. Ohne diese Komplexbildung würden Cu²⁺-Ionen mit OH⁻-Ionen schwerlösliches, blaues Kupfer(II)-hydroxid Cu(OH)₂ bilden; die Nachweisreaktion könnte dann nicht wie gewünscht ablaufen. In Lösung können mehrere Kupfer(II)-tartrat-Spezies mit unterschiedlicher Stöchiometrie vorkommen.

Die Komplexbildung lässt sich vereinfacht so darstellen: 2 C₄H₆O₆ + Cu²⁺ + 4 OH⁻ → [Cu(C₄H₄O₆)₂]²⁻ + 4 H₂O

Nach Zugabe der Testsubstanz wird die Mischung erwärmt. Nach der RGT-Regel beschleunigt die höhere Temperatur die Reaktion. Monosaccharide werden in ihrer offenkettigen Form nachgewiesen, weil nur dort die Aldehydgruppe oxidierbar ist; in den Ringformen ist sie als Halbacetal gebunden. Ringformen und offenkettige Form stehen im Gleichgewicht. Bei Glucose liegen in wässriger Lösung weniger als 0,1 % der Zuckermoleküle offenkettig vor.

Der Zusatz von Glycerin vor dem Auffüllen mit Wasser verlängert die Haltbarkeit einer selbst angesetzten Lösung.

Beobachtung und Redoxreaktion

Bei der Reaktion werden Kupfer(II)-Ionen reduziert und die Probesubstanz oxidiert. Zunächst entsteht gelbes Kupfer(I)-hydroxid (CuOH), das sich durch Dehydratisierung in Kupfer(I)-oxid (Cu₂O) umwandelt. Cu₂O fällt als rotbrauner Niederschlag aus.

Die Oxidation lässt sich vereinfacht in zwei Schritte zerlegen:

R−CHO + 2 OH⁻ → R−COOH + H₂O + 2 e⁻

R−COOH + OH⁻ → R−COO⁻ + H₂O

Eine Aldehydgruppe wird im basischen Milieu zur Carbonsäure oxidiert. Wegen der alkalischen Umgebung wird die entstehende Carboxygruppe anschließend zur Carboxylatgruppe deprotoniert.

Die Reduktion lautet: 2 Cu²⁺ + 2 OH⁻ + 2 e⁻ → 2 CuOH → Cu₂O↓ + H₂O

Die Gesamtgleichung ist: 2 Cu²⁺ + R−CHO + 5 OH⁻ → Cu₂O↓ + R−COO⁻ + 3 H₂O

Diese Gleichungen berücksichtigen vereinfachend nicht, dass die Kupferionen tatsächlich als Kupfertartrat-Komplexe vorliegen. Nach der älteren Erklärung wird die Aldehydgruppe eines Zuckers zur Carbonsäure oxidiert. Die Ringform kann sich deshalb weiter in die offenkettige Form umwandeln, wodurch die Reaktion praktisch vollständig ablaufen kann. Tatsächlich entsteht bei Glucose zunächst Glucoson (2-Ketoglucose); dieses wird anschließend durch C−C-Bindungsspaltung weiter oxidiert. Bei längerem Erhitzen oder bei einfachen Aldehyden wie Formaldehyd und Acetaldehyd kann sogar elementares Kupfer entstehen.

Grenzen der Aussagekraft

Ketone werden von der Fehlingschen Lösung in der Regel nicht oxidiert. Eine wichtige Ausnahme sind α-Hydroxyketone, zu denen Ketozucker wie Fructose gehören. Bei ihnen liegen OH-Gruppen unmittelbar neben der Carbonylgruppe. In alkalischer Lösung entstehen Endiolat-Ionen, die ebenso reduzierend wirken wie „echte“ Aldehyde. Deshalb führt auch Fructose zur Abscheidung von Kupfer(I)-oxid.

Bei reduzierenden Zuckern entspricht die Reaktion außerdem im Allgemeinen nicht der einfachen stöchiometrischen Gleichung. Es entstehen unter anderem Ketoaldehyde, Hydroxy-Diketone und Produkte von Retro-Aldolreaktionen. Diese Oxidationsprodukte können selbst weiter reduzierend wirken. Am Ende liegt daher ein Gemisch vielfältiger Reaktionsprodukte vor.

Saccharose liefert eine negative Fehlingreaktion. Ihre 1,2-glykosidische Bindung blockiert die Aldehydgruppe, sodass Saccharose nicht reduzierend wirken kann.

Wegen dieser Einschränkungen wurde die Fehling-Reaktion in der Routineanalytik, ebenso wie andere reduktometrische Verfahren, durch enzymatische Methoden verdrängt. Diese erlauben außerdem eine lineare Quantifizierung. Für Schülerexperimente wird häufig die sehr ähnliche Benedict-Reaktion empfohlen, weil bei ihrer Gefährdungsbeurteilung mit Natriumcarbonat statt Natriumhydroxid weniger gefährdende Chemikalien eingesetzt werden können und dennoch gleiche Ergebnisse erzielt werden.

Weitere Nachweise für Aldehyde

Weitere im Artikel genannte Nachweisreaktionen für Aldehyde sind:

• Angeli-Rimini-Reaktion
• Schiffsches Reagenz beziehungsweise Schiffsची Probe
• Tollensprobe (Silberspiegel-Probe) mit dem Tollens-Reagenz
• Benedict-Reagenz
• Nylanders Reagenz
• Methode nach Luff-Schoorl