PREDNÁŠKA Č. 9 SACHARIDY (CUKRY) VLASTNOSTI A REAKTIVITA

Transcript

1 PREDNÁŠKA Č. 9 SACHARIDY (CUKRY) VLASTNSTI A REAKTIVITA 1

2 SACHARIDY Klasifikácia b-d-glukóza Sacharóza (1,4-a-Glu-b-Fru) Rafinóza (a-1,6;a-1,4-gal-glu-fru) Glykogén (~ Glu) 2 2

3 SACHARIDY Prírodný výskyt a aktivita Adenozín monofosfát (AMP) Medziprodukt syntézy ATP Nukleotid RNA Sinigrín Glukozinolát brokolice Chemopreventívum D-Fruktóza Med, hrozno, hruška Produkcia 240 tis. ton/rok Celulóza (C 6 H 10 5 ) n Polymér β(1 4) D-glukózy Predstavuje ~33% fytomasy na Zemi 3

4 SACHARIDY Biologický význam Skelet DNA, RNA Interakcia vajíčko-spermia Infekcia HIV Antigény erytrocytov 4

5 MNSACHARIDY Gastromolekuly Väčšina monosacharidov má sladkú chuť, pričom fruktóza je o ~70% sladšia ako sacharóza. Napriek značnej mólovej hmotnosti sú vďaka hydrofilným - skupinám extrémne rozpustné vo vode. Napríklad glukóza vytvára hustý sirup, nakoľko jej rozpustnosť vo vode je až 1 g/ml. Lungduname x sladší ako sacharóza 5

6 The Nobel Prize in Chemistry 2012 for studies of G-protein-coupled receptors Robert J. Lefkowitz (1943) Howard Hughes Medical Institute USA Brian K. Kobilka (born 1955) Stanford University USA 6

7 MNSACHARIDY Štruktúra a stereochémia Fischerova projekcia: CH navrchu a CH 2 naspodu vertikálne väzby smerujú dozadu horizontálne väzby dopredu vľavo (L)-konfigurácia vpravo (D)-konfigurácia Príslušnosť k D/L-radu cukrov sa následne určuje podľa konfigurácie posledného stereogénneho uhlíka. (S)-(-)-Glyceraldehyde (R)-(+)-Glyceraldehyde Hermann Emil Fischer ( ) Nobelova cena

8 Monosacharidy Acyklické formy D-aldóz Trióza (2,3-Dihydroxypropanal) Aldotetrózy (2,3,4-Trihydroxybutanal) Aldopentózy (2,3,4,5-Tetrahydroxypentanal) Aldohexózy (2,3,4,5,6- Penta- Hydroxyhexanal) 8

9 Monosacharidy Acyklické formy D-ketóz 2-Ketotrióza (Achirálna!) Samoopaľovacie molekuly 2-Ketotetróza Kľúčová molekula fotosyntézy 2-Ketopentózy Akumuluje sa v moči pacientov s pentozúriou 2-Ketohexózy Umelé sladidlo 92% sladkosti, ale iba 38% kalórií sacharózy 9

10 Monosacharidy Štruktúra Formy D-glukózy Nukleofilná adícia alkoholu na karbonylovú skupinu aldehydu poskytne hemiacetál ako produkt. Pokiaľ sú - a C= súčasťou reťazca, vznikajú intramolekulovou Ad N cyklické poloacetály. 5-Článkové hemiacetály sa nazývajú furanózy, 6-článkové hemiacetály sa nazývajú pyranózy. Pôvodne karbonylový uhlík sa v poloacetáloch nazýva anomerický a má a- alebo b- konfiguráciu. Aldózy existujú takmer výlučne vo forme hemiacetálu, iba malá časť vykazuje acyklickú formu. Zo 4 možných poloacetálov D-glukózy sú majoritnými formami vo vode a- a b-d-glukopyranóza. a-d-glucofuranose b-d-glucofuranose 10

11 Sacharidy Štruktúra Mutarotácia D-glukózy Mutarotácia je zmena optickej otáčavosti meranej zlúčeniny v roztoku v priebehu času. a- a b-anoméry D-glukózy sú diastereoizomérmi a majú rôzne fyzikálne vlastnosti (b.t., [a]). Vodné roztoky oboch čistých anomérov majú rôzne hodnoty optickej otáčavosti, počas 24 hodín však dôjde vďaka mutarotácii k ustáleniu rovnováhy s príslušnou konštantou [a] D. Napriek mizivej rovnovážnej koncentrácii je acyklická forma kľúčová z hľadiska transformácie. H H H a-d-glukopyranóza (kryštalizovaná z Et) b.t.=146 C, [a] D H H H H H H H H H H Finálna optická otáčavosť: [a] D H H H H H H H H H b-d-glukopyranóza (kryšt. z Et/H 2 ) b.t.= C, [a] D C NMR Acyklická a-pyranóza b-pyranóza a-furanóza b-furanóza % 38.8% 60.9% 0.14% 0.15% 11

12 Monosacharidy Štruktúra Formy D-fruktózy Analogicky ako u glukózy, hemiketalizácia otvorenej formy D-fruktózy poskytne cyklické produkty. 5-Článkové poloketály sa nazývajú D-fruktofuranózy a 6-článkové sa nazývajú D-fruktopyranózy. Mutarotácia fruktózy je rýchla, majoritnými rovnovážnymi formami sú b-fruktopyranóza a furanóza. a-d-fructopyranose b-d-fructopyranose Sir Walter Norman Haworth ( ) University of Birmingham Nobelova cena 1937 (cukry a vitamín C) b-d-fructofuranose 12

13 Monosacharidy Cyklické formy a-d-hexóz (Nomenklatúra IUPAC: H H H H H H Allofuranóza Altrofuranóza Glukofuranóza Manofuranóza H H H H H H H H H H Gulofuranóza Idofuranóza Galaktofuranóza Talofuranóza H H H H H H H H H H Allopyranóza Altropyranóza Glukopyranóza Manopyranóza H H H H H H H H H H Gulopyranóza Idopyranóza Galaktopyranóza Talopyranóza 13

14 Monosacharidy Konformácie hexopyranóz Stoličková konformácia hexopyranóz je vo všeobecnosti energeticky výhodnejšia ako vaničková. Dôvodom sú nevýhodné stérické interakcie vo vaničkovej konformácii. V rámci stoličkových konformácii hexopyranóz je vo všeobecnosti energeticky výhodnejšia tá, v ktorej je viac substituentov v ekvatoriálnych polohách (obzvlášť to platí pre -CH 2 ) a to z dôvodu absencie stéricky nevýhodných 1,3-diaxiálnych interakcií ( 4 C 1 vs. 1 C 4 ). Komplexná rovnováha však závisí aj od typu substitúcie, rozpúšťadla a teploty. 1,3-Diaxial interaction 14

15 Reakcie monosacharidov Príprava -glykozidov (acetálov) Najjednoduchší spôsob fixácie štruktúry cukrov je príprava glykozidov. Napríklad D-glukóza s Me v kyslom prostredí poskytuje acetál, konkrétne Me-a-D-glukopyranozid. Reakcia je reverzibilná a pod termodynamickou kontrolou vzniká a-epimér ako stabilnejší produkt z dôvodu anomérneho efektu. tvorená forma D-glukózy dáva v kyslom prostredí rovnovážnu zmes oboch hemiacetálov, ktoré sú v prítomnosti alkoholu následne transformované na diastereomérne metyl-a-/b-d-glukopyranozidy. Reakcia prebieha cez intermediárny oxóniový katión, ktorý je nukleofilne atakovaný metanolom. Analogicky sa -glukozidy v kyslom prostredí hydrolyzujú vodou späť na východiskovú D-glukózu. 15

16 Reakcie monosacharidov Príprava -glykozidov (acetálov) Chemoselektivita Vznik acetálov umožňuje značnú kontrolu štruktúry a reaktivity cukrov. Reakciou benzaldehydu s Me-a-D-glukopyranozidom sa získa výlučne 4,6--benzylidénacetál. Dôvodom je vznik perfektne stabilného trans-fúzovaného šesťčlánkového kruhu s fenylovou skupinou v ekvatoriálnej polohe. Cyklické acetály acetónu naopak preferujú 5-článkové kruhy, nakoľko v nich absentuje nevýhodná 1,3-diaxiálna interakcia Me-skupiny. Navyše, 5/5- respektíve 5/6-fúzia acetonidov je stabilnejšia v cis-forme. Keďže D-glukóza nemá v pyranózovej forme žiadny 1,2-cis-diol, vo furanózovej však dva, acetál ju do nej fixuje vo forme 1,2:5,6-di--izopropylidén-a-D-glukofuranózy (bisacetonidu glukózy). 16

17 Reakcie monosacharidov Príprava -glykozidov (acetálov) Všeobecný mechanizmus 17

18 Reakcie monosacharidov Príprava S-glykozidov (tioacetálov) Ak je potrebné zafixovať štruktúru D-glukózy v acyklickej forme, je vhodné ju previesť na ditioacetál. Pripravuje sa analogickou reakciou ako -acetály, ako nukleofily sa však v tomto prípade používajú príslušné tioly. Výsledný acyklický ditioacetál vzniká rýchlejšie a je stabilnejší ako hemi(tio)acetál. Mechanizmus vzniku ditioacetálov je analogický ako v prípade acetálov: 18

19 Reakcie monosacharidov Príprava N-glykozidov Amadori Nukleofilná adícia amínov na cukry poskytuje hemiaminály, ktorých dehydratáciou vznikajú N-acetály. Glykozylamíny podliehajú kyslo-katalyzovanému Amadoriho prešmyku za vzniku 1-amino-1-deoxyketóz. V prípade reakcie aminokyselín a sacharidov ide o prvý stupeň Maillardovej reakcie, ktorej finálne heterocyklické produkty sú zodpovedné za charakteristickú farbu a chuť tepelne spracovaných potravín. D-manóza hemiaminál imín N-glykozid N-glykozid imín Louis Camille Maillard ( ) University of Paris 1-Amino-1-deoxy-2-ketohexóza (Amadoriho produkt) enaminol 19

20 Monosacharidy N,,S-glykozidy Výskyt a bioaktivita Amíny, alkoholy a tioly sa v prírode často vyskytujú vo forme glykozidov, t.j. N-,-, S-acetálov v anomérnej polohe D-glukózy. Pravdepodobným dôvodom je zvýšenie rozpustnosti týchto zlúčenín vo vode a/alebo zlepšenie transmembránového prenosu. Zároveň ide aj o stabilizáciu molekuly. 20

21 Reakcie monosacharidov xidácie Alifatické aldehydy v miernych podmienkach ľahko oxidujú na karboxylové kyseliny, zatiaľ čo ketóny sú rezistentné. Slabo kyslé vodné roztoky halogénov transformujú aldózy na aldónové kyseliny. Ich izolácia je však problematická, lebo dehydratáciou okamžite cyklizujú na príslušné aldonolaktóny. Vo vodných roztokoch sa ustáli medzi laktónom a kyselinou rovnováha v závislosti od štruktúry a ph. H H D-glukóza X 2, H 2, ph 4-6 (X = Cl 2, Br 2, I 2 ) 87% H H D-glukonolaktón + H 2 - H 2 (Alkoholy a ketóny nepodliehajú oxidácii X 2!) H H H Kyselina D-glukónová (Aldónová kyselina) Silné oxidačné činidlá (HN 3 ) oxidujú okrem aldehydu aj primárne alkoholy za vzniku aldárových kyselín. Z D-glukózy tak vzniká kyselina D-glukárová, ktorá in situ dehydratáciou poskytne laktóny. H H D-glukóza HN 3 H 1 6 C 2 H 2 C 2 H Kyselina D-glukárová (Aldárová kyselina) - H 2 + H 2 H 6 C 2 H ,4-Laktón H H 2 C 6,3-Laktón

22 Reakcie monosacharidov xidácie Využitie Aldózy (ketózy ťažšie) poskytujú reakciou s Tollensovým činidlom príslušné aldónové kyseliny. xidantom je diamino-strieborný katión, ktorý sa redukuje na kovové striebro. Test všeobecne dokazuje prítomnosť voľných -CH skupín oxidovateľných na príslušné karboxylové kyseliny. H H H R D-manóza (R=H) [Ag(NH 3 ) 2 ] + (R Me) H H H Kyselina D-manónová + Ag 0 "Strieborné zrkadlo" Tollensovo činidlo: kvalitatívny dôkaz redukujúcich cukrov Roztok CuS 4 (modrej skalice) v komplexe s vínanom (Fehling) resp. citrátom (Benedict) oxiduje alifatické aldehydy na príslušné aldónové kyseliny za vzniku červeno-hnedého precipitátu Cu 2. H H H R D-galaktóza (R=H) Cu 2+ vínan draselný (R Me) H H H Kyselina D-galaktónová + Cu 2 Fehlingovo činidlo: klinický test diabetu - (ne)prítomnosť glukózy v moči 22

23 Reakcie monosacharidov xidácie Štiepenie diolov Reakcia vicinálnych diolov s kyselinou jodistou (H 5 I 6 ) alebo jej soľami poskytne cyklický esterový intermediát, ktorý sa štiepi za vzniku dvoch molekúl aldehydu. Tento typ oxidácie monosacharidov sa často využíva ako analyticky, tak aj synteticky. Napríklad z ochráneného D-manitolu sa oxidáciou s jodistanom sodným pripravuje bisacetonid D-glyceraldehydu ako užitočný chirálny medziprodukt. NaI 4 - Na + I + NaI 3 + H 2 H H H acetón H 2 S 4 H NaI 4 Me/H 2 0 C 2 x D-manitol Bisacetonid D-manitolu Bisacetonid D-glyceraldehydu 23

24 Reakcie monosacharidov Redukcie Aldózy a ketózy sú hydridmi redukovateľné na príslušné alditoly za vzniku novej hydroxyskupiny. Zatiaľ čo aldóza poskytuje redukciou 1 produkt (glukóza glucitol), ketóza dáva diastereomérne alditoly (fruktóza glucitol + manitol). Dôvodom je diastereotopia karbonylovej skupiny ketóz. H NaBH 4 Et (H 2, Pd/C) H NaBH 4 Et H NaBH 4 Et H H D-glukóza (aldóza) D-glucitol (alditol) D-fruktóza (ketóza) D-manitol (alditol) Významným stereochemickým dôsledkom redukcie manózy na manitol je zmena symetrie produktu. Nakoľko D-manitol má oba konce reťazca identické (-CH 2 ), vykazuje molekula C 2 -os symetrie. 24

25 Reakcie monosacharidov Redukcie Alditoly ako sladidlá Redukciou niektorých cukrov sa dajú pripraviť achirálne alditoly, nakoľko majú rovinu symetrie. Xylóza poskytuje redukciou alkohol xylitol, ktorý napriek prítomnosti 3 stereogénnych centier neotáča rovinu polarizovaného svetla. Ide o tzv. mezo-zlúčeninu, ktorá je zrkadlovo symetrická. Xylitol je približne rovnako sladký ako sacharóza, pričom nesladká xylóza sa extrahuje v značných množstvách z rastlinného odpadu ako sú piliny alebo kukuričné šúľky. Xylitol sa používa ako relatívne lacné sladidlo, navyše nespôsobuje zubný kaz, nakoľko mliečne baktérie ho nie sú schopné metabolizovať na príslušné kyseliny. Cicavce však xylitol na rozdiel od baktérii čiastočne metabolizujú, preto môže slúžiť ako zdroj energie. Väčšie množstvá však majú na tráviaci systém laxatívny účinok. 25

26 Reakcie monosacharidov Degradácie Ruff, Hunsdiecker Ruffova degradácia využíva peroxid vodíka v prítomnosti železitanov na premenu vápenatých solí hexónových kyselín na pentózy. Mechanisticky sa predpokladá vznik komplexu cukor/fe 3+ /H (Ca 2+ ) 1/2 H + H 2 2 Fe 3+ H + C 2 D-Glukonát vápenatý (Hexóza) D-Arabinóza (Pentóza) tto Ruff ( ) Hunsdieckerova degradácia zahŕňa bromáciu striebornej soli karboxylovej kyseliny s následnou termickou dekarboxyláciou za vzniku o uhlík kratšieho alkylhalidu. Ten sa finálnou reakciou s AgAc prevedie na maskovaný aldehyd, ktorý sa izoluje vo forme diesteru terminálneho acetálu. Ac - Ag + Ac Ac Ac Ac Br 2, CCl 4 80 C, 4 h Ac Br Ac Ac Ac Ac - C 2 Ac Br Ac Ac Ac Ac AgAc Ac Ac Ac Ac Ac Ac D-gluko (Hexóza) D-arabino (Pentóza) 26

27 Reakcie monosacharidov Homologácie Kiliani-Fischer Kyanidový anión reprezentuje dostupnú formu nukleofilného uhlíka, ktorý reaguje s aldehydmi a ketónmi za vzniku kyánhydrínov. Tie obvykle nie sú izolované, ale priamo hydrolyzované na príslušné aldónové kyseliny. Z nich sú finálne aldózy dostupné redukciou karboxylovej skupiny. H D-Arabinóza (Pentóza) NaCN H 2 ph 9 H H H CN + CN H + /H 2 H + /H 2 H H H C 2 H + C 2 H Kyselina D-glukónová Kyselina D-manónová Kyánhydríny (Hexózy) 27