Wöhlk-Reaktion

Grundprinzip und Bedeutung

Die Wöhlk-Reaktion, auch Wöhlk-Test oder Wöhlk-Malfatti-Reaktion, ist eine halbquantitative Nachweisreaktion für Lactose und Maltose. Halbquantitativ bedeutet, dass die Stärke der Färbung eine ungefähre Aussage über die vorhandene Zuckermenge erlaubt. Beim Erhitzen mit Ammoniaklösung entsteht ein charakteristischer lachsroter Farbstoff mit einem Absorptionsmaximum von 527 nm.

Alfred Wöhlk beschrieb die Reaktion 1904 an der Pharmazeutischen Lehranstalt Kopenhagen. Hans Malfatti verbesserte sie 1905 durch wenige Tropfen Kalilauge. Bis in die 1960er Jahre wurde sie in Arzt- und Krankenhauslaboren genutzt, um Schwangerschaftsdiabetes von einer Lactosurie zu unterscheiden. Lactosurie bezeichnet das Auftreten von Lactose im Urin, etwa bei einem Milchstau. Im englischen Sprachgebiet diente demselben Zweck eine chemisch sehr ähnliche Variante mit alkalischer Methylammoniumchlorid-Lösung anstelle von Ammoniaklösung. Sie heißt nach William Robert Fearon „Fearon’s test on methylamine“ und wurde noch 2000 in einem indischen Lehrbuch beschrieben.

Nachweis in Lebensmitteln und Schulversuchen

Im modernen klinischen Labor ist die Wöhlk-Reaktion wegen modernerer und besserer Verfahren wie HPLC, GC und Laborschnelltests obsolet. Seit 2016 wird sie jedoch wieder verstärkt im Chemieunterricht eingesetzt, besonders zum Vergleich des sehr unterschiedlichen Lactosegehalts von Milchprodukten.

Je mehr Lactose vorhanden ist, desto stärker fällt gewöhnlich der Rotton aus. Buttermilch wird dunkelrot. Kefir und Joghurt erscheinen weniger rot als Vollmilch, weil Mikroorganismen einen Teil ihrer Lactose abgebaut haben. Lactosefreie Milch bleibt gelb; dasselbe gilt für Lösungen von Fructose, Glucose und Galactose. Eine reine Lactoselösung wird lachsrot, während eine Saccharoselösung farblos bleibt.

Die Reaktion kann außerdem am Ende des schulischen Standardexperiments zur Stärkespaltung durch Speichel-Amylase verwendet werden. Dabei dient sie zum Nachweis des Disaccharids Maltose. Maltose ist das Hauptprodukt der Spaltung; daneben entstehen Glucose, Isomaltose und weitere zufällige Reste der endohydrolytischen Spaltung.

Verbesserte Durchführung

Systematische Untersuchungen an der Europa-Universität Flensburg zeigten im Januar 2019, dass nicht nur Ammoniak und Methylamin reagieren. Auch weitere Amine bilden beim Erhitzen mit Lactose und anderen 1,4-verknüpften Disacchariden in stark alkalischer Lösung einen roten Farbstoff. Die untersuchten Bedingungen betrugen 65 °C und pH 13. Bei 1,4-verknüpften Disacchariden sind die beiden Zuckerbausteine über eine Bindung zwischen den Positionen 1 und 4 verbunden.

Für den Chemieunterricht erwies sich nach der vorgeschriebenen Ersatzstoffprüfung gemäß RiSU Hexan-1,6-Diamin als besonders geeignet. Der Stoff wird häufig auch Hexamethylendiamin oder 1,6-Diaminohexan genannt und ist wegen des verbreiteten Versuchs zur Nylon-Herstellung, des „Nylon-Seil-Tricks“, bereits an vielen Schulen vorhanden. Das 1,6-Diaminohexan-Verfahren gilt als verbesserte Wöhlk-Probe. Es weist 1,4-verknüpfte Disaccharide entweder im heißen Wasserbad bei T = 65 °C und t = 10 min oder in der Inverter-Mikrowelle bei 400 W und t = 60 sec nach.

Vermuteter Reaktionsmechanismus

Der lachsrote Farbstoff ist instabil und konnte bisher weder isoliert noch charakterisiert werden. Seine genaue Struktur und sein Bildungsmechanismus sind daher nicht gesichert; es bestehen nur Hypothesen. Aufgrund des Erscheinungsbildes der UV-VIS-Spektren wurde zunächst ein betainartiges Pyridiniumdiolat mit intramolekularer Ladungsseparation vermutet.

Nach einer anderen Hypothese verläuft die Wöhlk-Reaktion analog zu Fearon’s Test. Dabei bildet sich zunächst 4-Desoxyglucoson als Zwischenprodukt. Dieses reagiert mit Ammoniak durch Cyclokondensation, also durch Ringschluss unter Verknüpfung der Molekülteile, zu einem 3(2H)-Oxopyrrol-2-carbaldehydderivat. Mit einem weiteren Ammoniakmolekül entsteht unter Abspaltung von Wasser ein Bis-enaminoketon. Dieses besitzt in der meso-Position einen sekundären, leicht deprotonierbaren Aminostickstoff. Im stark alkalischen Milieu wird ein Proton abgespalten; dadurch entsteht nach der Hypothese ein meso-Azaoxonolfarbstoff.

Demnach hätten die roten Farbstoffe, die bei den Nachweisreaktionen auf Lactose und andere 4O-substituierte Zucker nach Wöhlk, Fearon und Krüger sowie Gautier-Morel-Rochat entstehen, dasselbe Farbstoffchromophor. Ein Chromophor ist der Teil eines Moleküls, der dessen Farbe verursacht. Alle diese Produkte hätten folglich die Konstitution von meso-Azaoxonolfarbstoffen; wegen der fehlenden Isolierung und Charakterisierung bleibt diese Zuordnung jedoch eine Annahme.