C n (H 2 O) ν 22/11/2016 2

Transcript

1 22/11/

2 C n (H 2 O) ν 22/11/2016 2

3 Εκτιμάται πως ετησίως παράγονται 100 δισεκατομμύρια τόνοι υδατανθράκων με τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης 22/11/2016 3

4 δεν μπορούν να υδρολυθούν σε άλλα μικρότερα μόρια Oλιγοσακχαρίτες (αποτελούμενους από τρία έως δέκα απλά σάκχαρα) (αποτελούμενους από περισσότερες από δέκα μονάδες απλών σακχάρων). 22/11/2016 4

5 στην άκυκλη μορφή τους (αλδεΰδη ή κετόνη). 22/11/2016 5

6 (Στερεοϊσομέρεια) Ο συνηθέστερος τρόπος απεικόνισης όλων των στερεογονικών κέντρων των υδατανθράκων και των παραγώγων τους σε ένα επίπεδο πραγματοποιείται με τις προβολές κατά Fischer (Fischer's projections). Σε μια προβολή κατά Fischer η τετραεδρική διάταξη των δεσμών του άνθρακα αναπαρίσταται με δύο διασταυρούμενες γραμμές (κάτω δεξιά). Οι οριζόντιες γραμμές αναπαριστούν δεσμούς που κατευθύνονται μπροστά από το επίπεδο της σελίδας (προς τα δύο μάτια του αναγνώστη), ενώ οι κάθετες γραμμές αναπαριστούν δεσμούς που κατευθύνονται προς 22/11/2016 τα πίσω από το επίπεδο της σελίδας. 6

7 Ως ένωση αναφοράς ο Fischer θεώρησε τη γλυκεραλδεΰδη, ένωση που λαμβάνεται εύκολα με ήπια οξείδωση της γλυκερίνης με υπεροξείδιο του υδρογόνου παρουσία αλάτων του Fe(II). Πρόκειται για ένα στερεό σώμα (σ.τ. 145 C) με γλυκιά γεύση, το οποίο μπορεί να θεωρηθεί και ως η απλούστερη αλδόζη (αλδοτριόζη). Ο Fischer έπρεπε να αποδώσει στην κάθε μία από τις δύο εναντιομερείς μορφές της γλυκεριναλδεΰδης τους προσδιορισμούς D- και L- (από τα λατινικά dextrus: δεξιός, laevus: αριστερός), δηλ. να αποδώσει μια συγκεκριμένη χωροθέτηση των τεσσάρων διαφορετικών ομάδων γύρω από το κεντρικό άτομο άνθρακα. 22/11/2016 7

8 Φυσικά, τα μέσα εκείνης της εποχής δεν επέτρεπαν τον προσδιορισμό της πραγματικής θέσης των τεσσάρων διαφορετικών ομάδων της γλυκεριναλδεΰδης στις κορυφές του τετραέδρου που αντιστοιχεί στο κεντρικό άτομο άνθρακα, οπότε ο Fischer είχε 50% πιθανότητα να κάνει τη σωστή και 50% πιθανότητα να κάνει λανθασμένη επιλογή. Εξήντα χρόνια αργότερα αποδείχθηκε (Bijvoet 1951) ότι ο Fischer είχε κάνει τυχαία την ορθή επιλογή και οι χωροθετήσεις των τεσσάρων ομάδων που είχε αποδώσει στο κεντρικό άτομο της δεξιόστροφης (D) και αριστερόστροφης (L) γλυκεριναλδεΰδης ήταν οι πραγματικές 22/11/2016 8

9 22/11/2016 9

10 Συμβατικά, στους υδατάνθρακες ο καρβονυλικός άνθρακας τοποθετείται στην κορυφή (C1 στις αλδόζες, C2 στις κετόζες). Στις προβολές Fischer, καθοριστικός παράγοντας για το αν ένας μονοσακχαρίτης θα χαρακτηριστεί ως D- ή ως L- είναι η θέση του υδροξυλίου του προτελευταίου άνθρακα. (κατώτερου στερεογονικού ατόμου άνθρακα) Στα D-σάκχαρα το υδροξύλιο βρίσκεται πάντοτε στα δεξιά και στα L-σάκχαρα πάντοτε στα αριστερά, σε αναλογία με τις αντίστοιχες παραδοχές για τα μόρια της D- και L- γλυκεριναλδεΰδης. Ο συμβολισμός D & L δεν σχετίζεται με την κατεύθυνση προς την οποία το σάκχαρο στρέφει το πολωμένο φώς. Έτσι ένα σάκχαρο D μπορεί να είναι είτε δεξιόστροφο είτε αριστερόστροφο, όπως και ένα L σάκχαρο. Το σύστημα D & L αναφέρεται μόνο σε ένα στερεογονικό κέντρο και δεν παρέχει πληροφορίες για τα λοιπά στερεογονικά κέντρα. Χρησιμοποιείται για μια άμεση στερεοχημική συσχέτιση δύο σακχάρων. 22/11/

11 Οι αλδοτετρόζες είναι σάκχαρα με τέσσερις άνθρακες και δύο στερεογονικά κέντρα. Υπάρχουν 2 2 =4 πιθανά στερεοϊσομερή αλδοτετροζών ή δύο ζεύγη D,L εναντιομερών που ονομάζονται ερυθρόζη και θρεόζη. Ξεκινώντας από την D-γλυκεριναλδεΰδη σχεδιάζονται οι δύο D-αλδοτετρόζες, εισάγοντας ένα νέο στερεογονικό κέντρο κάτω από τον αλδεϋδικό άνθρακα: 22/11/

12 Κάθε μια από τις δύο D-αλδοτετρόζες που σχηματίζονται οδηγεί σε δύο D-αλδοπεντόζες (συνολικά τέσσερις). Οι αλδοπεντόζες έχουν τρία στερεογονικά κέντρα, 2 3 =8 πιθανά στερεοϊσομερή ή τέσσερα ζεύγη D,L εναντιομερών που ονομάζονται ριβόζη (συστατικό RNA), αραβινόζη, ξυλόζη και λυξόζη. Κάθε μια από τις τέσσερις D-αλδοπεντόζες οδηγεί σε δύο D- αλδοεξόζες (συνολικά οκτώ). Οι αλδοεξόζες έχουν τέσσερα στερεογονικά κέντρα, 2 4 =16 πιθανά στερεοϊσομερή ή οκτώ ζεύγη D,L εναντιομερών που ονομάζονται αλλόζη, αλτρόζη, γλυκόζη, μαννόζη, γουλόζη, ιδόζη, γαλακτόζη και ταλόζη. 22/11/

13 22/11/

14 MNEMONIC FOR ALDOHEXOZES CARBOHYDRATES ALDOHEXOZES ALLOSE ALTROSE GLUCOSE MANNOSE GULOZE IDOSE GALACTOSE TALOSE MNEMONIC ALL ALTRUISTS GLADLY MAKE GUM IN GALLON TANKS 22/11/

15 L-Ερυθρόζη L-Θρεόζη 22/11/

16 22/11/

17 /11/

18 22/11/

19 Κυκλικές δομές μονοσακχαριτών - Προβολές κατά Haworth Sir (Walter) Norman Haworth ( ). Βρετανός χημικός διάσημος για τις μελέτες του στους υδατάνθρακες και στη βιταμίνη C. Βραβείο Nobel /11/

20 Η γενική αντίδραση σχηματισμού ημιακετάλης (hemiacetal) μεταξύ μιας καρβονυλικής ένωσης (αλδεΰδης ή κετόνης) και μιας αλκοόλης αποδίδεται από την αντίδραση ισορροπίας (1): 22/11/

21 Να σημειωθεί εδώ ότι οι ημιακετάλες έχουν τη χαρακτηριστική ομάδα R-CR'(OH)-O-R'' ένωσης με αλκοόλη), ενώ οι (πλήρεις) ακετάλες έχουν τη χαρακτηριστική ομάδα R-CR'(O-R'')-O-R'''. Εάν η υδροξυλομάδα και το καρβονύλιο βρίσκονται στο ίδιο μόριο του μονοσακχαρίτη, μπορεί να πραγματοποιηθεί ενδομοριακή πυρηνόφιλη προσθήκη, που θα οδηγήσει στον σχηματισμό κυκλικής ημιακετάλης. 22/11/

22 22/11/

23 Οι πενταμελείς και εξαμελείς κυκλικές ημιακετάλες, φουρανόζες και πυρανόζες αντίστοιχα, είναι ιδιαίτερα σταθερά μόρια. Η νέα αυτή μορφή είναι σταθερή στην κρυσταλλική κατάσταση, ενώ σε διάλυμα συνυπάρχουν σε ισορροπία η άκυκλη (σε αμελητέα συγκέντρωση) με την κυκλική μορφή, που επικρατεί. Στις αλδοεξόζες επικρατεί η κυκλική μορφή εξαμελούς δακτυλίου (αλδοπυρανόζες), ενώ στις κετόζες επικρατεί άλλοτε ο πενταμελής και άλλοτε ο εξαμελής δακτύλιος και οι δομές ονομάζονται κετοφουρανόζες ή κετοπυρανόζες. 22/11/

24 Μετατροπή της προβολής κατά Fischer σε προβολή κατά Haworth Στην κατά Haworth προβολή, ο ημιακεταλικός δακτύλιος σχεδιάζεται σε επίπεδη μορφή με το άτομο του ημιακεταλικού οξυγόνου να ευρίσκεται δεξιά και επάνω. Αν και η πυρανόζη στην πραγματικότητα έχει δομή ανακλίντρου, η προβολή Haworth χρησιμοποιείται γιατί γίνεται άμεσα αντιληπτός ο συσχετισμός cis-trans υδροξυλίων στο δακτύλιο. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι κάθε υδροξύλιο που έχει κατεύθυνση δεξιά στην προβολή κατά Fischer, κατευθύνεται προς τα κάτω στην προβολή κατά Haworth και κάθε υδροξύλιο που έχει κατεύθυνση αριστερά στην προβολή κατά Fischer, κατευθύνεται προς τα επάνω στην προβολή κατά Haworth. Επίσης στις προβολές κατά Haworth των D-σακχάρων, η ακραία ομάδα CH 2 OH τοποθετείται προς τα επάνω ενώ στα L- σάκχαρα προς τα κάτω. 22/11/

25 /11/

26 22/11/

27 22/11/

28 22/11/

29 22/11/

30 L-γλυκόζη /11/

31 Με την αντίδραση σχηματισμού ημιακετάλης και τη μετατροπή της ανοιχτής αλυσίδας του μονοσακχαρίτη σε πυρανόζη ή φουρανόζη, σχηματίζεται ένα νέο στερεογονικό κέντρο στη θέση όπου υπήρχε το καρβονύλιο και συνεπώς προκύπτουν δύο νέα διαστερεομερή που αποκαλούνται ανωμερή, ενώ ο ημιακεταλικός άνθρακας αναφέρεται ως ανωμερικό κέντρο. Το ανωμερές στο οποίο η ομάδα ΟΗ του C1 βρίσκεται σε θέση trans ως προς τον υποκαταστάτη CH 2 ΟH του C5 (κατεύθυνση προς τα κάτω στην προβολή Haworth), ονομάζεται α ανωμερές Το ανωμερές στο οποίο η ομάδα ΟΗ του C1 βρίσκεται σε θέση cis ως προς τον υποκαταστάτη CH 2 ΟH του C5 (κατεύθυνση προς τα επάνω στην προβολή Haworth), ονομάζεται β ανωμερές 22/11/

32 Η γλυκόζη κυκλοποιείται αντιστρεπτά σε υδατικό διάλυμα σχηματίζοντας μίγμα ανωμερών με αναλογία 36:64. Το ανωμερές που σχηματίζεται σε μικρότερη αναλογία ονομάζεται α ανωμερές (α-d- γλυκοπυρανόζη). Το ανωμερές που σχηματίζεται σε μεγαλύτερη αναλογία ονομάζεται β ανωμερές (β-d-γλυκοπυρανόζη). 22/11/

33 Και τα δύο ανωμερή της D-γλυκοπυρανόζης μπορούν να κρυσταλλωθούν και να απομονωθούν. Η καθαρή α-d-γλυκοπυρανόζη έχει σ.τ. 146 C και ειδική στροφή [α]d = + 112,2, ενώ η καθαρή β-dγλυκοπυραζόνη έχει σ.τ C και ειδική στροφή [α]d = + 18,7. Όταν κάποιο ανωμερές από τα δύο διαλυθεί στο νερό η ειδική στροφή του μεταβάλλεται αργά καταλήγοντας στις + 52,6. Η ειδική στροφή του α ανωμερούς μειώνεται ενώ του β ανωμερούς αυξάνεται, φαινόμενο που αναφέρεται ως πολυστροφισμός και οφείλεται στην αργή μετατροπή του α ανωμερούς ή του β ανωμερούς ώστε να επιτευχθεί στο διάλυμα η αναλογία 36:64. 22/11/

34 Ο πολυστροφισμός εξηγείται με την αντιστρεπτή διάνοιξη του δακτυλίου κάθε ανωμερούς που οδηγεί σε αλδεΰδη ανοικτής αλυσίδας και τον επανασχηματισμό του. Το φαινόμενο αυτό παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 1846 από τον Γάλλο χημικό Augustin-Pierre Dubrunfaut ( ). α-d-γλυκοπυρανόζη (36%) β-d-γλυκοπυρανόζη (64%) 22/11/

35 Η ανωμερείωση καταλύεται από βάσεις και επομένως η ταχύτητα αποκατάστασης της ισορροπίας μεταξύ των ανωμερών μορφών αυξάνει με το ph του διαλύματος. Ο μηχανισμός της αναμερείωσης της α-γλυκόζης προς β- γλυκόζη δείχνεται από την παρακάτω αλληλουχία αντιδράσεων: 22/11/

36 22/11/

37 22/11/2016 D-Φρουκτόζη 37

38 α-d-mannofuranose < 1 % β-d-mannofuranose < 1 % α-d-mannopyranose 67 % β-d-mannopyranose 33 % 22/11/

39 Διαμορφώσεις μονοσακχαριτών Οι δακτύλιοι της πυρανόζης έχουν γεωμετρία τύπου ανακλίντρου με αξονικούς και ισημερινούς υποκαταστάτες. Για τη μετατροπή των προβολών κατά Haworth σε ανάκλιντρα ακολουθούνται τα ακόλουθα τρία βήματα: 1. Σχεδιάζεται η προβολή κατά Haworth με το οξυγόνο του δακτυλίου επάνω δεξιά. 2. Υψώνεται το αριστερότερο άτομο άνθρακα (C4) πάνω από το επίπεδο του δακτυλίου. 3. Χαμηλώνεται ο ανωμερικός άνθρακας (C1) ώστε να βρεθεί κάτω από το επίπεδο του δακτυλίου. 22/11/

40 β-d-γλυκοπυρανόζη Θα πρέπει να επισημανθεί ότι στη β-d-γλυκοπυρανόζη όλοι οι υποκαταστάτες του δακτυλίου βρίσκονται σε ισημερινή θέση καθιστώντας την τη λιγότερο στερεοχημικά παρεμποδιζόμενη και συνεπώς σταθερότερη. 22/11/

41 ΕΠΙΜΕΡΗ ΣΑΚΧΑΡΑ Διαφέρουν στη στερεοχημεία ενός μόνο C διαφορετικού της θέσης 1 στις αλδόζες ή της θέσης 2 στις κετόζες D- γoυλόζη Χ D- γλυκόζη (Επιμερή ως προς τη θέση 4) D-γαλακτόζη (Επιμερή ως προς τη θέση 3) 41

42 L-Ασκορβικό οξύ (Βιταμίνη C) L-Ascorbic acid (Vitamin C) 22/11/

43 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. «ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΓΙΑ ΦΑΡΜΑΚΟΠΟΙΟΥΣ», SATYAJIT SARKER, LUTFUN NAHAR, ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΠΑΡΙΣΙΑΝΟΥ Α.Ε, «ΧΗΜΕΙΑ ΦΥΣΙΚΩΝ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ», ΒΑΛΕΝΤΙΝΗ ΡΑΓΚΟΥΣΗ- ΙΓΝΑΝΤΙΑΔΟΥ, «ΧΗΜΕΙΑ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ», Χ. Α. ΑΝΤΩΝΟΠΟΥΛΟΣ, Ν. Κ. ΚΑΡΑΜΑΝΟΣ, ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΠΑΝ. ΠΑΤΡΩΝ, /11/