8. COMPUŞI ORGANICI CU DOUĂ GRUPE FUNCŢIONALE Aminoacizi, peptide şi proteine Aminoacizi. e-chimie 335

Transcript

1 ap.8 ompuşi cu două grupe funcţionale 8. MPUŞI GANII U DUĂ GUPE FUNŢINALE uprins: 1. Aminoacizi, peptide, proteine 1.1. Aminoacizi 1.2. Peptide 1.3. Proteine 2. Zaharuri (hidroxialdehide şi hidroxicetone) biective: Prezentarea claselor de compuşi organici difuncţionali, alifatici şi aromatici, axându-se pe structură, nomenclatură, metode de obţinere, proprietăţi fizice şi chimice Aminoacizi, peptide şi proteine Aminoacizi Definiţie Aminoacizii sunt compuşii organici în care apar simultan grupe amino şi grupe carboxil şi se împart, după structura lor, în două clase: alifatici şi aromatici. În moleculele aminoacizilor aromatici, ambele grupe funcţionale sunt legate de un inel aromatic. Dintre aminoacizii alifatici, cei mai importanţi, prin răspândirea lor în natură sunt α- aminoacizii. Există 20 de aminoacizi naturali, care intră în constituirea proteinelor (poliamide naturale). Formula generală a unui α-aminoacid este: N 2 adical organic Denumire aminoacid adical organic Denumire aminoacid Glicocol ( 2 ) 2 Acid glutamic 3 Alanina - 2 Serina ( 3 ) 2 Valina 2 N( 2 ) 3 rnitina ( 3 ) 2 2 Leucina Treonina 3 ( 2 5 )( 3 ) Izoleucina 2 Tirosina Fenilalanina 3 -S-( 2 ) 2 Metionina - 2 Acid asparagic S 2-2 -S-S- 2 - istina N 2 N 2 N( 2 ) 4 - Lisina 2 N 2 N N( 2 ) 3 N isteina istidina Triptofan Arginina e-himie 335

2 himie organică Din grupa aminoacizilor heterociclici mai fac parte prolina (al 20- lea aminoacid esenţial) şi hidroxiprolina: N Prolina N idroxiprolina Sinteze de aminoacizi Fiind substanţe organice cu funcţiuni mixte, aminoacizii se obţin prin metodele generale de sinteză ale aminelor primare şi ale acizilor carboxilici. 1. Aminarea acizilor halogenaţi X Metoda Gabriel + N 3 N 2 + X Metoda Gabriel, care foloseşte ftalimida potasică la sinteza aminelor primare, se utilizează şi la obţinere de α-aminoacizi, de exemplu sinteza glicocolului: NK + l 2 N 2 2 l + 2 N 2 + Glicocol uplată cu metoda condensării cu ester malonic sodat, aceasta se aplică la obţinerea ornitinei: NK + Br Br N ( 2 ) 3 -Br Na + N ( 2 ) Br 2 N( 2 ) 3 2. N 3 N N-( 2 ) 3 - N 2 rnitina 2. Sinteze utilizând ester acetilaminomalonic sodat Esterul acetilaminomalonic se obţine din ester malonic prin tratare cu acid azotos, urmată de reducere şi acilare cu anhidridă acetică. În continuare, esterul acetilaminomalonic se tratează cu etoxid de sodiu şi dă esterul acetilaminomalonic sodat. Acesta reacţionează cu derivaţi halogenaţi cu reactivitate normală şi mărită formând esterul alchil-acetilaminomalonic. Prin hidroliza acestuia şi decarboxilarea la uşoară încălzire, se obţine α-aminoacidul dorit: 336 e-himie

3 ap.8 ompuşi cu două grupe funcţionale 2 + N 2 N () 2 N () 2 Nitrozoderivat Izonitrozoderivat 1) 4 [] 2) Ac 2 + ' l 3 --N () 2 Ester aminomalonic acilat 3 N () 2 ' Et - Na N.. () 2 Na + 1) 3 2 /-2-3 2) / - 2 ' N 2 ': ( 3 ) 2 Valina ( 3 ) 2 2 Leucina Fenilalanina Sinteza Strecker (1858) Prin tratarea aldehidelor cu acid cianhidric şi amoniac se obţin nitrilii α-aminoacizilor care, prin hidroliză, dau α-aminoacizi: + N 3 + N N 2-2 N 2 N 2 N Prin această metodă se poate obţine metionina: 3 S + 2 =- 1. N 3 + N 3 S Sinteze de β-aminoacizi 3 -S 2 2 N 2 Metionina Acidul β-aminopropionic (β-alanina) şi acidul o-aminobenzoic (acid antranilic) se pot obţine din succinimidă şi ftalimidă prin degradare ofmann (cu brom în mediu alcalin): 2 2 N N Proprietăţi fizice Br Na + Na 2 N 2 Br 2 Na l - Na + l N N 2 Acid β-aminopropionic N 2 Acid o-aminobenzoic Aminoacizii sunt substanţe cristalizate, cu puncte de topire ridicate (peste ), cu descompunere. Nu pot fi distilaţi nici măcar în vid. Sunt solubili în apă şi insolubili în dizolvanţi nepolari. Aminoacizii prezintă fenomenul de electrostricţie (sau contracţie de volum). Aceasta dovedeşte că se stabilesc forţe puternice de atracţie între moleculele dizolvatului şi ale solventului. e-himie 337

4 himie organică Proprietăţi chimice 1. Ionizarea aminoacizilor. aracterul amfoter Funcţiile N 2 şi dintr-un aminoacid se neutralizează reciproc, formând un amfion. Datorită caracterului lor amfoter, aminoacizii formează săruri atât cu acizii, cât şi cu bazele: N 2 N 3 N 2 N Se numeşte punct izoelectric (p i ) al unui aminoacid acea concentraţie a ionilor de hidrogen (p-ul) la care soluţia sa conţine anioni şi cationi ai aminoacidului în proporţie egală. 2. eacţii ale grupei carboxil din aminoacizi Datorită prezenţei grupării amino în moleculă, derivaţii funcţionali ai grupării carboxil sunt mai dificil de obţinut. Esterificarea Dintre derivaţii funcţionali ai grupării carboxil din aminoacizi, cel mai uşor se obţin esterii. Deoarece reacţia are loc în cataliză acidă, aceştia rezultă sub formă de sare a aminoesterului respectiv: N 2 + ' l (g) baza ' - l N 3 l N 2 ' loruri acide La tratare cu cloruri acide, aminoacizii se acilează la grupa N 2. Prin acilare se pierde caracterul bazic şi grupa carboxil se poate transforma într-o clorură acidă cu pentaclorură de fosfor sau clorură de tionil: l + Pl 5 l - l - l N 2 N Pl 3 N 6 5 Aceasta este o reacţie importantă în sinteza de peptide (grupa carboxil, activată ca şi clorură acidă, reacţionează cu gruparea aminică a unui alt aminoacid, a cărui grupă carboxil a fost în prealabil blocată). Decarboxilarea În prezenţă de hidroxid de bariu, α-aminoacizii se decarboxilează prin distilare uscată, formând amine primare. În organism, în prezenţa enzimelor, are loc aceiaşi reacţie de decarboxilare cu formare de amine biogene cu efecte alergice, conform reacţiei generale: N 2 2 N Astfel din histidină se obţine histamina, din triptofan - triptamina, din ornitină - putresceina, etc.: 338 e-himie

5 ap.8 ompuşi cu două grupe funcţionale N N 2 istidina N 2-2 N N 2 2 N 2 istamina 3. eacţii ale grupei amino din aminoacizi Alchilarea şi acilarea aminoacizilor Aminoacizii se pot alchila la grupa aminică în mod normal, cu iodură de metil sau sulfat de metil în mediu bazic. Derivaţii metilaţi cuaternari ai aminoacizilor se numesc betaine. Aceştia suferă la încălzire descompuneri caracteristice. Astfel, betaina glicocolului se transformă la încălzire în esterul metilic al dimetilglicocolului N( 3 ) 3 N( 3 ) 2 eacţia de acilare a fost descrisă în capitolul anterior (cap ompuşi cu azot). Dezaminarea cu acid azotos Aminoacizii, la fel ca şi aminele primare, reacţionează cu acid azotos, dând hidroxiacizi: N 2 N 2 + N Dezaminarea oxidativă a aminoacizilor Procesul de dezaminare oxidativă a aminoacizilor este catalizat de anumite enzime numite amonoacid-oxidaze şi conduce la α-cetoacizi. În acelaşi timp, în organism α-cetoacizii sunt transformaţi în aminoacizi în prezenţa unui cocatalizator - piridoxal-piridoxamină (Vitamina B 6 ). Acest proces se numeşte transaminare. ând transaminazele (enzime) sunt mult crescute în sânge, în mod sigur se dezvoltă o stare maladivă gravă. eacţia generală este: enz. acceptor + 2[] N 2 a-cetoacid Mecanismul prin care decurge această transformare este complex, are loc în prezenţa Vitaminei B 6 şi poate fi figurat astfel: N 2 + P N 3 Vitamina B 6 P N= N 3 e-himie 339

6 himie organică P N- N N a-cetoacid 2 2 P 3 2 N 3 4. Dezaminarea şi decarboxilarea simultană prin drojdie Enzimele din drojdie provoacă transformarea aminoacizilor: valina, leucina şi izoleucina în alcooli primari (fuzel) ce se găsesc în coada de la distilarea alcoolului etilic: N 3 3 N 2 3 Valina Alcool izobutilic N 2 - N 3 3 Leucina Alcool izoamilic N 2 Izoleucina N Metilbutanol (optic activ) 5. eacţia de culoare cu ninhidrina Ninhidrina (tricetohidrinden - hidrat) dă cu α-aminoacizii o coloraţie albastră intensă. olorantul provine din condensarea ceto-alcoolului ce se formează la reducerea ninhidrinei cu o nouă moleculă de ninhidrină şi amoniacul rezultat din reacţia iniţială cu aminoacidul: + N 2 + N N onfiguraţia α-aminoacizilor naturali + - N 4 onfiguraţia α-aminoacizilor naturali a fost stabilită prin metoda comparaţiei optice. În principiu, aceasta se formulează astfel: atunci când doi compuşi cu activitate optică, având structură asemănătoare, supuşi unor transformări chimice analoage (esterificare, amidificare, hidroliză,etc) suferă o deplasare mare a rotaţiei optice în acelaşi sens, aceşti compuşi au probabil aceiaşi configuraţie. N 340 e-himie

7 ap.8 ompuşi cu două grupe funcţionale În cazul L(+)-alaninei se ajunge la concluzia că acest α-aminoacid are aceeaşi configuraţie cu acidul L(+)-lactic: 2 N 3 L(+)-alanina Prin reacţii de interconversie s-a ajuns la concluzia că toţi α- aminoacizii naturali fac parte din seria L. ormonul tiroidian -Tiroxina Peptide I I I Tiroxina I 2 N 2 Se numesc peptide combinaţiile cu structură amidică, rezultate din două sau mai multe molecule de aminoacizi, prin eliminare de apă. Vom da câteva exemple de peptide: 2 N 2 N 3 Glicil-alanina 2 N N 3 3 Alanil-alanina 2 N 2 N 2 Glicil-glicina ormonul tiroidian, secretat de glanda tiroidă, este un α- aminoacid - tiroxina. Glanda tiroidă are proprietatea de a fixa iodul. Tiroxina este un hormon care reglează asimilaţia şi dezasimilaţia (metabolismul de bază): Lipsa iodului (hipotiroidism) duce la o slăbire a facultăţilor fizice şi intelectuale (cretinism) şi la o creştere patologică a glandei tiroide (guşă). ipertiroidismul determină arderi anormale, o slăbire a organismului, stări de agitaţie şi o intensificare a altor funcţii vitale. Sinteze de peptide Primele sinteze de peptide au fost realizate de Emil Fischer. Sinteza unei peptide constă, în principiu, în acilarea grupei N 2 a unui aminoacid esenţial (cu un reactiv specific cloroformiat de benzil bz obţinut din alcool benzilic şi fosgen), urmată de transformarea grupei în clorură acidă. Pentru obţinerea peptidei dorite se condensează clorura acidă cu aminoacidul natural selectat. Peptida se pune în libertate prin deblocarea pe cale chimică a grupei N 2 în urma unei reacţii de hidrogenare catalitică, cu eliminare de toluen şi l + 2 N 2 N bz - l 6 5 (cloroformiat de benzil) + Pl 5 2 N l + 2 N - Pl 3 - l - l 6 5 ' ' ' N N 2 N N Peptida e-himie 341

8 himie organică Eliminarea de apă din aminoacizi În prezenţa diciclohexilcarbodiimidei (D) două molecule de aminoacizi elimină apă intramolecular; se obţin în acest fel dipeptide şi diciclohexilureea (DU), insolubilă şi astfel uşor de separat din masa de reacţie: N N N N D DU (diciclohexilcarbodiimida) (diciclohexiluree) + D 2 N + 2 N 2 N N - DU ' ' Dipeptida reacţie asemănătoare se poate realiza şi cu ajutorul sitelor moleculare. Proprietăţi utilizări - activitate biologică ele mai multe peptide sunt uşor solubile în apă şi insolubile în alcool absolut. u acizii şi bazele formează săruri solubile. ele compuse din mai mult de trei molecule de aminoacizi dau reacţia biuretică (cu acid azotos). Unele peptide naturale sunt hormoni. Aşa sunt oxitocina şi vasopresina, care provoacă o creştere a tensiunii arteriale. Insulina este hormonul secretat de pancreas (capsulele lui Langerhaus), care reglează concentraţia glucozei în sânge. Insulina este constituită din două catene polipeptidice cu 21 şi respectiv 30 de aminoacizi, unite prin punţi de S-S-, din resturi de cisteină. Insuficienţa insulinică provoacă o boală gravă şi anume diabetul zaharat Proteine Proteinele sunt produşi naturali macromoleculari, care prin hidroliză formează α-aminoacizi. Ele sunt componente esenţiale ale materialelor lichide şi gelificate din celule. Sunt proteine: enzimele, biocatalizatorii, pigmenţii respiratori, mulţi hormoni şi anticorpi. Proteinele se caracterizează prin specificitatea lor. Uneori se observă deosebiri chiar între proteinele indivizilor aceleaşi specii. Faptul acesta se datorează succesiunii aminoacizilor într-o macromoleculă proteică. ei 20 de aminoacizi esenţiali se pot permuta conform formulei: nr. de posibilităţi (N) N=20! adică sau 2, x posibilităţi. Numărul este într-adevăr impresionant! Formula generală a unei proteine este: N -N -N -N Proteina clasificare a proteinelor se face după solubilitatea în apă. 4 -N Există proteine insolubile în apă: keratina (din păr, unghii, epidermă), colagenul (din piele,oase şi tendoane) şi fibroina din mătase. 342 e-himie

9 Proteinele solubile în apă sunt albuminele. Proteinele solubile în electroliţi sunt globulinele (din serul saguin, enzime, hormoni, anticorpi, toxine). Proteinele insolubile se separă uşor, dar nu pot fi purificate în întregime. Proteinele solubile suferă uşor, la încălzire sau sub acţiunea acizilor, bazelor sau solvenţilor, o transformare numită denaturare, prin care se pierde activitatea biologică. Proteinele se extrag cu o soluţie salină, mai rar cu solvenţi organici (glicerină sau acetonă). Separarea acesteia de substanţele neproteice se face prin dializă şi electrodializă. Există membrane permeabile pentru substanţele neproteice şi care le reţin pe cele proteice. mare importanţă pentru analiza unui amestec de proteine, o are metoda numită electroforeză. Proteinele, în funcţie de masa lor moleculară, migrează spre anod în soluţie bazică şi spre catod în soluţie acidă. În acest fel au fost separate proteinele din sânge: albuminele şi globulinele (α,β şi γ). stare de sănătate bună este dată de un raport supraunitar dintre albumine şi globuline. Proteidele (proteinele conjugate) sunt combinaţii dintre o enzimă (proteină) şi o moleculă neproteică, numită grupă prostetică. Astfel, hemoglobulinele sunt cromoproteide din sânge, având drept grupă prostetică protoporfirina (derivat al pirolului - vezi cap. 9). Structurile proteinelor naturale ercetările proteinelor cristalizate cu raze X, au contribuit foarte mult la cunoaşterea structurii lor polipeptidice (Pauling şi orey). Se disting 4 grade structurale, deosebindu-se prin complexitatea lor: 1) Structuri primare; 2) Structuri secundare; 3) Structuri terţiare; 4) Structuri cuaternare. 1. Structurile primare ale unei proteine sunt determinate de numărul şi sucesiunea specifică α-aminoacizilor din catena polipeptidică. Lucrul acesta se realizează prin hidroliza lanţului polipeptidic, prin determinări de mase moleculare şi prin utilizarea unei tehnici complexe: cromatografie asociată unei analize spectrometrice de masă. Prin atomul de hidrogen legat de atomul de azot se formează legături de hidrogen intramoleculare, care determină structurile secundare. ap.8 ompuşi cu două grupe funcţionale 2. Structura secundară este determinată de adevărata aşezare în spaţiu a atomilor ce alcătuiesc proteina. ercetările au sugerat o macromoleculă polipeptidică în formă de spirală (elicea lui Pauling). onformaţia elicei α se întâlneşte într-un număr foarte mare de proteine şi este implicată în construcţiile terţiare şi cuaternare. Un exemplu de structură a unui fragment de elice de proteină este figurat alăturat: Elicea lui Pauling (alanină - glicină serină) e-himie 343

10 himie organică 3. Structura terţiară este determinată de legăturile ce se pot stabili spre exterior între două elice α. Aceste legături pot fi: van der Waals, legături de hidrogen, legături electrovalente şi covalente (punţile de sulf). 4. Mai multe asemenea structuri terţiare asociate între ele, formează agregate mai complicate, aşa numitele structuri cuaternare, care se denaturează primele Zaharuri (hidroxialdehide şi hidroxicetone) ombinaţiile care prezintă în structura lor grupe hidroxil, alături de o grupă aldehidă sau cetonică se împart în: monohidroxi-aldehide şi monohidroxi-cetone, polihidroxi-aldehide şi polihidroxi-cetone şi aldehide şi cetone fenolice Monozaharide Din această categorie de substanţe, cele mai simple sunt glicerinaldehida şi dihidroxiacetona, având aceiaşi formulă moleculară, : Generalizând, formula unui zahar este n ( 2 ) n. Zaharurile mai poartă şi denumirea improprie de hidraţi de carbon. Monozaharidele sunt polihidroxi-aldehide sau polihidroxi-cetone, cu grupa carbonil în parte modificată (semiacetali interni). ligozaharidele sunt derivaţi funcţionali ai monozaharidelor cu caracter de eteri, rezultaţi prin unirea a două sau mai multe molecule de monozaharide, prin eliminare de apă. ligozaharidele pot fi: dizaharide, trizaharide, tetrazaharide etc. Polizaharidele sunt compuşi macromoleculari cu grad mare de policondensare. Seria D a aldozelor Monozaharidele se consideră a fi produşi de oxidare ai poliolilor alifatici, cum sunt glicerina, tetritolii, pentitolii şi hexitolii, în care o grupă de alcool primar este oxidată la aldehidă (aldoză), sau una de alcool secundar la cetonă (cetoză). După numărul de atomi de carbon din moleculă, monozaharidele se împart în: trioze ( 3 ), tetroze ( 4 ), pentoze ( 5 ), hexoze ( 6 ). Emil Fischer 1 (1902) a observat că aldotrioza prezintă un atom de carbon chiral şi că pot exista doi izomeri optici: D-(+)glicerinaldehida şi L-(-)glicerinaldehida. Prin lungiri imaginare a lanţului hidrocarbonat, Emil Fischer a propus clasificarea monozaharidelor în seriile D şi L (convenţia Emil Fischer). Astfel, dacă grupa legată de atomul de carbon asimetric cel mai îndepărtat de grupa carbonil, este scrisă în dreapta, atunci monozaharida face parte din seria D. Este cunoscut faptul că o moleculă cu n atomi de carbon chirali poate exista sub forma a 2 n enantiomeri. etozele conţin în molecula lor, ermann Emil Fischer ( ), chimist organician german, cel de-al doilea Laureat al Premiul Nobel pentru himie, în 1902, pentru cercetările sale în domeniul zaharurilor precum şi sinteza purinei. e-himie

11 un atom de carbon chiral mai puţin decât aldozele cu acelaşi număr de atomi de carbon. În continuare prezentăm seria D a aldozelor: ap.8 ompuşi cu două grupe funcţionale 2 D(+)-Gliceraldehida 2 2 D(-)-Eritroza D(+)-Treoza D(-)-iboza D(-)-Arabinoza D(+)-Xiloza D(-)-Lixoza D(+)-Aloza D(+)-Altroza D(+)-Glucoza D(+)-Manoza D(+)-Guloza D(+)-Idoza D(+)-Galactoza D(+)-Taloza Seria D a monozaharidelor 1. Structura monozaharidelor Emil Fischer a elucidat structura şi configuraţia monozaharidelor, bazându-se mai ales pe reacţiile lor chimice şi utilizând metoda polarometrică. Monozaharidele conţin o catenă neramificată, fapt ce poate fi dovedit prin reducere la polioli şi, în continuare, cu fosfor şi acid iodhidric la hidrocarbura cu catenă normală. 2 3 I 2[] I 2 P rosu D-Glucoză exitol 2-Iodohexan Existenţa grupei cetonice din cetoze a fost dovedită de Kiliani tot pe cale chimică. Acidul cianhidric se adiţionează la grupa carbonil şi apoi are loc o reducere cu fosfor şi acid iodhidric, obţinându-se acidul 2-metilhexanoic: e-himie 345

12 himie organică N N N I P rosu D-Fructoză exitol Nitril Acid 2-metil-hexanoic Existenţa grupelor alcoolice în monozaharide se recunoaşte prin reacţii de esterificare şi eterificare. Semiacetalul se formează între grupa carbonil şi o grupă hidroxil, de cele mai multe ori cea de la atomul de carbon secundar cel mai îndepărtat de grupa carbonil. 2. icluri piranozice şi cicluri furanozice Monozaharidele pot fi reprezentate atât prin formule aciclice cât şi prin formule ciclice. ele două tipuri de formule se află în echilibru, pentru existenţa fiecăreia dintre ele stând dovadă o serie de reacţii specifice. Formulele ciclice, cu structură semiacetalică, sunt cele mai aproape de realitate, ele explicând atât comportarea chimică, cât şi existenţa unei forme speciale de izomerie, numită anomerie, pe care o vom discuta în continuare. Denumirea de cicluri piranozice, respectiv furanozice, provine de la asocierea schematică a formelor ciclice ale monozaharidelor cu heterociclurile corespunzătoare ca număr de atomi: piran (6 atomi în ciclu), respectiv furan (5 atomi în ciclu): 2 2 D-Glucoză D-Glucopiranoză iclu piranozic D-Fructoză D-Fructofuranoză iclu furanozic 346 e-himie

13 ap.8 ompuşi cu două grupe funcţionale 3. Mutarotaţia monozaharidelor (anomeria α, β) onform teoriei stereochimice, pot exista 16 izomeri optici ai aldohexozelor. S-a observat însă că fiecare dintre aceşti izomeri poate apărea la rândul său în două forme care, în soluţie, se transformă uşor una în alta, numite anomeri α şi β. În cazul D-glucozei, dacă se dizolvă această monozaharidă în apă şi se măsoară imediat după dizolvare rotaţia specifică, aceasta are valoarea [α] D = Se constată că în timp aceasta scade până ajunge la valoarea [α] D = , unde rămâne constantă. Se poate afirma că D-glucoza cristalizată, obişnuită este forma α. Anomerul β al glucozei se obţine prin recristalizare din acid acetic sau piridină şi soluţia sa în apă are rotaţia specifică iniţială [α] D = În timp, aceasta creşte până la valoarea constantă [α] D = ele constatate se explică prin faptul că cei doi anomeri, α şi respectiv β, în soluţie se află în echilibru de mutarotaţie α-d-glucoză D-Glucoză β-d-glucoză (forma ciclică) (forma aciclică) (forma ciclică) idroxilul semiacetalic de la atomul 1 se numeşte hidroxil glicozidic. El este cel mai reactiv în reacţiile de eterificare, formându-se glicozide. Acestea nu mai dau reacţiile specifice grupei carbonil şi nu mai prezintă fenomenul mutarotaţiei. 4. Formule de structură ale monozaharidelor Nevoia de a ţine seama de structurile ciclice ale monozaharidelor a condus la adoptarea, pe lângă formulele de proiecţie clasice (Emil Fischer) şi a unor formule perspectivice (W.N. aworth). În aceste formule, ciclurile piranozice şi furanozice sunt imaginate perpendicular pe planul hârtiei, cu atomul de oxigen reprezentat în spate. onvenţional, grupele hidroxil aşezate în dreapta, în cazul formulelor de proiecţie, apar desenate sub planurile ciclurilor, iar grupele hidroxil din stânga, sunt desenate deasupra respectivelor plane. Pentru o redare mai fidelă a structurii hexozelor în formă piranozică, se apelează la formulele de conformaţie stabile - scaun (vezi conformerii ciclohexanului): α-d-glucoza β-d-glucoza e-himie 347

14 himie organică 5. Proprietăţi fizice Monozaharidele sunt substanţe incolore, cristalizate, ce nu pot fi distilate fără descompunere. Din cauza numeroaselor grupe hidroxil, monozaharidele sunt uşor solubile în apă, greu solubile în eter, cloroform şi în hidrocarburi. 6. Proprietăţi chimice a) Prin hidrogenare catalitică sau prin reducere, monozaharidele se transformă în alcooli polihidroxilici. b) eacţia de oxidare b.1. xidarea mai energică a aldozelor, cu acid azotic conduce la acizi dicarboxilici, numiţi şi acizi zaharici sau acizi aldarici: N 3 2 D-Glucoză Acid D-Glucaric (acid glucozaharic) b.2. ând grupa alcoolică de la 6 este oxidată până la grupa carboxil, în timp ce grupa aldehidică rămâne neschimbată, se obţin acizi uronici: [] ox D-Glucoză Acid Glucuronic xidarea are loc atunci când grupa carbonil este protejată prin eterificare, astfel încât aceasta să nu poată fi afectată de condiţiile de reacţie. c) Acţiunea acizilor şi bazelor asupra monozaharidelor c.1. u hidroxizii alcalini concentraţi, soluţiile monozaharidelor se colorează, la încălzire, galben până la brun, depunând răşini. c.2. Acizii minerali, la cald, produc descompuneri unitare. Pentozele dau furfurol, în timp ce hexozele se descompun la acid levulic: l l e-himie

15 ap.8 ompuşi cu două grupe funcţionale d) Eterificarea grupelor hidroxil din monozaharide idroxilul glicozidic se eterifică relativ uşor cu alcool metilic în prezenţă de acid clorhidric uscat. eilalţi hidroxili din moleculă se eterifică în condiţii diferite cu iodură de metil în prezenţă de oxid de argint, sau cu sulfat de metil şi hidroxid de sodiu. În acest fel se obţine 1,2,3,4,6-pentametil-D-glucoza: I + Ag La hidroliză blândă se obţine 2,3,4,6-D-tetrametilglucoza: Aceste reacţii sunt folosite la determinarea naturii piranozice sau furanozice a ciclului monozaharidei. Astfel, dacă se porneşte de la o pentametil-d-glucopiranozidă, în şirul de reacţii de mai jos, se obţine o δ-lactonă. Spre deosebire de γ- lactone, δ-lactonele hidrolizează uşor, formând acidul liber: [] δ-lactona ox Acid trimetoxiglutaric (xiloglutaric) Ultima reacţie de oxidare, care demonstrează atât structura acidului gluconic tetrametilat cât şi poziţia hidroxilului neeterificat, este oxidarea e-himie 349

16 himie organică cu acid azotic la acid trimetoxiglutaric. Formarea acetalilor ciclici arată poziţia a două grupe hidroxil din moleculă (de ex.: nu se obţine un acetal între doi hidroxili vecini 2 şi 3 ). idroliza glicozidelor se poate face uşor fie chimic (numai în cataliză acidă), fie enzimatic. În acest caz, tipul enzimei folosite ne permite să stabilim configuraţia glicozidei. e) eacţiile monozaharidelor epimere cu fenilhidrazina Monozaharidele, aldoze sau cetoze, formează cu exces de fenilhidrazină (3 moli), substanţe frumos cristalizate, de culoare galbenă, greu solubile, cu puncte de topire caracteristice, numite osazone: 2 D-Glucoza 6 5 -N-N N-N 2-2 N N N-N 2 N N 6 5 (exces) N 2 - N Fenilhidrazona N N 6 5 N N sazona Monozaharidele epimere se deosebesc prin configuraţiile atomilor 1 şi 2. eilalaţi atomi de carbon asimetrici din moleculă au configuraţie identică Din reacţiile prezentate mai sus, rezultă că monozaharidele epimere: glucoza, manoza şi fructoza dau aceiaşi osazonă. La hidroliză osazonele se transformă în osone. Prin reducere, osonele dau cetoze: N N 6 5 N N [] sazonă sona etoza f) Epimerie şi epimerizare Epimerizarea este un proces catalizat de baze slabe. Din D-glucoză, cu lapte de var, se obţine un amestec de echilibru între D-glucoză, D- manoză şi D-fructoză: D-Glucoza D-Fructoza D-Manoza (63,5%) (2.5%) (31%) Mecanismul reacţiei de epimerizare este un exemplu de prototropie (eliminare şi acceptare de proton): 350 e-himie

17 ap.8 ompuşi cu două grupe funcţionale 2 2 D-Fructoză g) eacţii de interconversie ale monozaharidelor e-himie 351 D-Glucoză Prin reacţii de interconversie se înţeleg acele metode de scurtare şi de lungire a catenelor monozaharidelor, în urma cărora se obţin molecule de monozaharidă cu număr de atomi de carbon inferior, respectiv superior moleculei de la care s-a pornit. g.1. eacţii de scurtare de catenă Aceste reacţii se mai numesc şi reacţii de degradare. g.1.1. metodă de trecere la monozaharida inferioară este cea a lui Wohl (1893). Se pleacă de la oxima unei aldoze şi, printr-un şir de reacţii uşor de urmărit, în final se scurtează lanţul monozaharidei prin eliminare de N: 2 N D-Glucoza N 2 Ac 2-2 Ac N Ac Ac Ac 2 Ac ) +5 3 / 3 - Na + 2) - 5 AcMe - N g.1.2. altă metodă de degradare (după uff, 1899) constă în oxidarea sării de calciu a unui acid aldonic cu apă oxigenată, în prezenţa acetatului feric: 2 D-Glucoza ox Fe(Ac) 3 2 D-Arabinoza D-Manoză 2 D-Arabinoza

18 himie organică + 2 g.2. eacţii de lungire de catenă g.2.1. primă metodă de lungire a catenei unei aldoze este cunoscută sub numele de metoda Kiliani-Fischer şi constă în formarea unui amestec de cianhidrine şi apariţia astfel a unui nou atom de carbon asimetric. ianhidrinele se separă, se hidrolizează la acizi aldonici diastereoizomeri separabili, care se transformă în aldozele corespunzătoare. N N + N Na(g) Acizi aldonici γ Lactone Na(g) + D-Manoza D-Glucoza D-Eritroza P ompletaţi structurile: metoda Kiliani-Fischer A N 3 + B N 3 ( ) optic inactiv D ( ) optic activ B metoda Kiliani-Fischer ăspuns: : E N 3 + N 3 F A: D-iboza B: D-Arabinoza D: G ( ) optic activ N 3 ( ) optic activ F: 2 D-Manoza E: 2 D-Glucoza I (aldohexoza din seria L) 2 I (L-aldohexoza) 2 P are sunt D-aldohexozele care prin degradare Wholl (sau uff) formează D-iboza? ăspuns: D-Aloza şi D-Altroza 352 e-himie

19 7. Determinarea configuraţiilor sterice ale monozaharidelor În determinarea configuraţiilor sterice ale monozaharidelor, problema care se pune este de a stabili prin reacţii de interconversie configuraţiile absolute ale tuturor aldozelor din seria D. Aldozele din seria D se pot obţine plecând de la D-glicerinaldehidă prin lungiri succesive ale catenei. onfiguraţiile absolute ale celor două glicerinaldehide au fost stabilite prin analiză cristalografică de raze X. Toate aldohexozele din seria D au aceeiaşi configuraţie sterică pentru atomul de carbon 5 (ultimul atom de carbon asimetric). ap.8 ompuşi cu două grupe funcţionale P Stabiliţi structura compuşilor din seria de transformări: N 3 (optic activ) D-Treoza B N 3 D F (optic inactiv) metoda + + Kiliani-Fischer N 3 E G (optic activ) N 3 A (optic inactiv) ăspuns: B: A: D: E: D-Lixoza D-Xiloza D-Galactoza* D-Taloza * D-Galactoza intră în constituţia lactozei (dizaharida din lapte formată din D- Glucoză şi D-Galactoză) Stabilirea configuraţiei tetrozelor epimere se poate face prin oxidare cu acid azotic concentrat, când eritroza formează acid mezotartric, inactiv optic, în timp ce treoza formează acid D(-)tartric. 2 D(+) Gliceraldehida 2 D(-) Eritroza 2 D(-) Treoza ox. ox. e-himie 353 Acid mezotartric Acid (-)tartric Procedând analog, se stabilesc şi configuraţiile absolute pentru pentoze şi hexoze epimere, cu excepţia D-glucozei şi D-manozei care, prin oxidare, dau acizi zaharici cu activitate optică. În acest caz, luăm în considerare o aldo-hexoză (L-guloza). Aceasta dă prin oxidare acelaşi acid zaharic, care se obţine şi prin oxidarea D- glucozei (Emil Fischer):

20 himie organică 2 N 3 N P e relaţie sterică există între D-Glucoză si D-Galactoză? ăspuns: diastereoizomeri ce diferă prin configuraţie la Transformări biochimice ale hidraţilor de carbon Transformările biochimice ale hidraţilor de carbon pot decurge în absenţa oxigenului (procese anaerobe) sau în prezenţa oxigenului (procese aerobe). În ţesuturile vii au loc procese aerobe asemănătoare transformărilor biochimice produse de microorganismele din drojdia de bere (Saccharomices cerevisiae) în cursul fermentaţiei alcoolice. Fermentaţia alcoolică a glucozei constă în transformarea ei în alcool etilic şi bioxid de carbon: Procesele biochimice sunt catalizate de biocatalizatori, numiţi enzime, care s-au dovedit a fi substanţe proteice. Alături de enzime participă la aceste procese şi coenzimele. Atât enzimele cât şi coenzimele sunt conţinute în cantităţi mici în celulele vii. eacţiile de fosforilare ale hidraţilor de carbon folosesc un rest fosforic eliberat de către ATP (acidul adenosintrifosforic). Simultan se formează ADP (acidul adenosindifosforic) şi se degajă o importantă cantitate de energie (ΔG= -11,5Kcal/mol). Tot pe cale enzimatică, utilizând energia eliberată din transformarea ATP în ADP are loc ruperea zaharurilor cu formarea finală a glicerinei şi a acidului piruvic. A P P P 2 A P P + 3 P 4 ATP ATP 2 P P enzime P P 3 2 enzime 3 Din acidul piruvic se pot forma enzimatic: - acidului oxalilacetic - reacţie foarte importantă pentru alte procese biochimice din celule vii. - acidul citric - care suferă un şir de transformări numite ciclul acidului citric sau ciclul respiraţiei al lui Krebs. Substanţele intermediare 354 e-himie

21 care apar în acest ciclu de reacţii la nivel celular, sunt utilizate de celule vii la formarea grăsimilor şi proteinelor. ezultă aşadar că acidul piruvic este compusul esenţial al transformărilor biochimice ale monozaharidelor. 3 Acid lactic 2 2 Acid citric ligozaharide 2[] /2 2 3 Acid piruvic 2 2 Acid oxalilacetic ap.8 ompuşi cu două grupe funcţionale [] 3 2 Se numesc oligozaharide hidraţii de carbon cu molecule compuse din îmbinarea a 2-6 resturi de monozaharide (oligos = puţin). ele mai importante oligozaharide sunt dizaharidele. Modurile de unire a două monozaharide pot fi: - numai prin hidroxilii glicozidici din fiecare monozaharidă (legătură dicarbonilică) întâlnită în natură; - printr-un hidroxil glicozidic dintr-o moleculă şi un hidroxil alcoolic al celeilalte molecule - întâlnită în natură; - între doi hidroxili alcoolici - neîntâlnită în natură. ele mai importante dizaharide sunt cele cu formula moleculară Pentru a stabili structura unei dizaharide sunt necesare patru operaţii: - Identificarea monozaharidelor care iau naştere prin hidroliză. - Stabilirea naturii mono sau dicarbonilice a legăturii dintre resturile de monozaharidă (se observă experimental dacă monozaharida este reducătoare sau nu). - Determinarea naturii piranozice sau furanozice a ciclurilor din molecula dizaharidei. - Determinarea configuraţiei α sau β a legăturii glicozidice din moleculă prin hidroliza enzimatică a dizaharidei. Dintre dizaharidele mai importante vom menţiona: zaharoza (nereducătoare), maltoza (reducătoare) şi celobioza (reducătoare). 1. Zaharoza Această dizaharidă (zahărul comercial) dă prin hidroliză D-glucoză şi D-fructoză, nu este reducătoare şi nu formează o osazonă. Prezintă o legătură dicarbonilică (α şi β), fiind hidrolizată de două enzime: maltază şi invertază. Ea poate fi scrisă atât în formă plană (ciclică), cât şi în formulă perspectivică. e-himie 355

22 himie organică 2 α β Zaharoza (formulă plană) 2. Maltoza α β Zaharoza (formulă perspectivică) 2 Maltoza dă prin hidroliză două molecule de glucoză şi este o dizaharidă reducătoare. Prezintă deci o legătură monocarbonilică. Prin metoda metilării se demonstrează că ambele molecule de glucoză se află în forme piranozice, maltoza fiind o D-glucopiranozido-4-Dglucopiranoză: 2 α 2 2 α 2, Maltoza (formulă perspectivică) Maltoza (formulă plană) În formula perspectivică anomerul α are grupa scrisă sub planul moleculei. 3. elobioza Prin hidroliză, celobioza dă două molecule de glucoză şi este reducătoare. Aplicarea metodei metilării a dovedit că cele două molecule de glucoză sunt în forme piranozice şi legate β, 2 elobioza (α, β) Deosebirea dintre maltoză şi celobioză este datorată legăturii glicozidice. Aceasta are în maltoză configuraţia α, iar în celobioză configuraţia β. P Scrieţi o dizaharidă nereducătoare formată din 2 moli de D-Glucoză. ăspuns: Trehaloza cu legătura diglicozidică ' ; sunt 3 izomeri: α, α; α, β; β, β. P Scrieţi o dizaharidă reducătoare cu legătura diglicozidică ' formată din 2 molecule de glucoză. ăspuns:gentobioza; 2 enantiomeri: α şi β 356 e-himie

23 Polizaharide Polizaharidele au structură macromoleculară. Prin hidroliză, polizaharidele se transformă în monozaharide. ele mai însemnate sunt cele două polizaharide ce derivă de la D- glucoză: amidonul şi celuloza. Amidonul este o polizaharidă de rezervă, iar celuloza o polizaharidă de schelet ce conferă soliditate mecanică. 1. Amidonul Amidonul are răspândire universală în regnul vegetal în seminţele sau în tuberculii plantelor. El nu este o substanţă unitară, ci un amestec de două polizaharide: amiloza (10-20%) şi amilopectina (80-90%), ambele fiind formate din resturi de D-glucopiranoză unite prin legături α- glicozidice. Dacă la dizolvarea la temperatură ridicată a amidonului în apă se adaugă n-butanol, n-pentanol sau ciclohexanol, se precipită amiloza. Aceasta dă coloraţie albastră cu iodul (hârtia iod-amidonată). Numai amilopectina formează cocă. Ea dă coloraţie slab purpurie cu iodul. Prin studii de structură asupra amilozei s-a ajuns la concluzia că aceasta este o polizaharidă constituită din resturi de maltoză: ap.8 ompuşi cu două grupe funcţionale 2 2 Ο Structura amilozei 2 2 (n 2)/2 Studii de structură efectuate asupra amilopectinei au demonstrat că aceasta are o structură ramificată cu legături 1-6-α-glicozidice: Ο (n 2)/2 Ο Ο Structura amilopectinei (n 2)/2 Fermentaţia amidonului stă la baza proceselor biochimice de fabricarea a alcoolului etilic. Se poate obţine astfel bere sau, prin distilare, băuturi spirtoase având un conţinut mai ridicat de alcool sau chiar alcool rafinat. 2. Glicogenul Este o polizaharidă cu răspândire universală în regnul animal (se numeşte polizaharidă de rezervă, constituind rezerva de energie a organismului). El este sintetizat de organism în ficat, din glucoză, cu ajutorul acidului ATP (adenozin trifosforic). Prin hidroliză enzimatică se e-himie 357

24 himie organică transformă în D-glucoză, care mai apoi este transportată sangvin în muşchi şi ţesuturi. Structura glicogenului este asemănătoare cu a amilopectinei, fiind format din resturi de D-glucopiranoză unite prin legături 1,4-αglicozidice, cu ramificări 1,6-α-glicozidice, gradul de ramificare fiind însă mai mare decât al amilopectinei şi catenele mai scurte. Greutatea moleculară este de ordinul 10 6 u.a.m.. 3. eluloza În plante, celuloza se găseşte în pereţii celulelor vegetale şi sub formă de fibre (bumbac, in). Ea este amestecată cu cantităţi variabile de lignină, grăsimi, răşini, alte polizaharide şi cu substanţe minerale. ea mai pură celuloză este cea extrasă din bumbac (99.8%). Stabilirea structurii celulozei s-a făcut prin hidroliză cu acid clorhidric. În celuloză, resturile de D-glucoză sunt conţinute în forma piranozică şi sunt unite prin legături β-glicozidice 1,4 (prin atomi de oxigen) si rotite unul faţă de altul cu (aworth). u toate acestea, termenul de celuloză nu desemnează un compus unitar ci o categorie de compuşi cu macromolecule constituite după acelaşi principiu, dar variind prin mărimea lor. De exemplu, gradul de polimerizare al celuluozei naturale (fibrele de in, iută şi ramie) este de aproximativ Varietatea gradelor de polimerizare este explicată prin uşurinţa cu care se rup macromoleculele componente ale celulozei la hidroliza acidă, prin oxidare, sau chiar cu ultrasunete. Deşi prezintă aspect amorf, celuloza se comportă faţă de razele X ca o substanţă cristalină în care macromoleculele sunt aşezate aproximativ paralel (Sponsler şi Dore, 1926; Meyer, 1937). S-a constatat că celulozele din diferite plante au spectre de raze X identice Ο Structura celulozei (n 2)/2 eluloza are multiple aplicaţii industriale: - celuloza brută este albită cu hipoclorit de calciu sau cu clor. Din ea se fabrică hârtia. - mătasea artificială se obţine din celuloză prin procedeul vîscozei, care constă în sodarea celulozei şi transformarea ei cu S 2 în xantogenat de celuloză. Materia vîscoasă se filează apoi într-o baie acidă. - nitratul de celuloză (numit impropriu nitroceluloză) se foloseşte ca exploziv. 358 e-himie

25 ap.8 ompuşi cu două grupe funcţionale T.A.8.1. Se dă structura zaharului (Z) şi cea a 4 zaharuri A D are dintre formulele A-D este: A) Un anomer al structurii marcate: a) A; b) B; c) ; d) D; B) Un epimer al structurii (Z) (precizaţi la care dintre atomii de carbon se observă epimeria): a) A; b) B; c) ; d) D. 2 Z A B D T.A.8.2. Pentru formula deschisă a hexozei () desenaţi formulele perspectivice aworth (anomerii α şi β-) precum şi conformerul cel mai stabil. 2 T.A Desenaţi formula aciclică ce corespunde formulei perspectivice aworth a monozaharidei (A) de la exerciţiul 1. T.A.4. Scrieţi reacţiile glucozei, manozei şi galactozei cu fenilhidrazina (raport molar monozaharidă : fenilhidrazină = 1:3). Pe baza acestei reacţii comentaţi epimeria celor trei monozaharide. T.A.5.. Scrieţi reactivii şi condiţiile de reacţie pentru transformarea: 3 Pentru glicozida obţinută mai sus precizaţi caracterul reducător/nereducător, precum şi posibilitatea/imposibilitatea de a prezenta fenomen de mutarotaţie. e-himie 359

26 himie organică 360 e-himie