2. Előadás A szénhidrátok kémiai reakciói, szénhidrátszármazékok
Áttekintés
1. Redukció 2. Oxidáció 3. Észter képzés 4. Reakciók a karbonil C atomon 4.1. Ciklusos félacetál képzés 4.2. Reakció N-nukleofillel 5. Éterképzés 6. Epimerizáció 7. Keto-enol (endiol) átrendeződés
1. Redukció: oxo - alkohol (aldóz/ketóz a) H2/kat.
CHO H
OH
H HO HO
H
H
alditol)
O
CH2OH OH H
HO H
OH
H
OH
α-D-glükopiranóz
H
OH H
HO
H2/Ni
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
CH2OH
CH2OH
D-glucitol (D-szorbitol)
b) NaBH4 HO O H HO H
OH
HO OH
OH
CH2OH
H
α-D-fruktofuranóz
CH2OH
CH2OH
O
H
H
NaBH4 HO
OH
OH
H
H
HO
H
+
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
D-glucitol és D-mannitol
2. Oxidáció: oxo - karbonsav (aldóz/ketóz -CHO
COOH O
a)
és/vagy
(CHOH)n CH2OH
-CH2OH
COOH
CHO
OH C
Br2 H2O
aldonsav/aldársav)
H
H
OH
HO
H
H
OH
H
OH
aldonsav
COOH
HO
Br2 H2O
H
H
OH
H
OH
CH2OH
CHO
OH
CH2OH
glukonsav, [GlcA]
(CHOH)n CH2OH
CHO COOH
b) HNO3 (CHOH)n COOH
aldársav (cukorsav)
H HO
COOH
OH H
H HNO3
HO
OH H
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
CH2OH
COOH
glukársav
c) Tollens-reakció * CHO
COOH
OH
H HO HO
H
H
OH
HO
H OH
H
H
O
OH
Ag(NH3)2+ -OH HO bázikus! OH H OH H
H
H
OH
H
H
α-D-glükóz
H +Ag OH OH
CH2OH
CH2OH
glukonsav
HO
HO
H
H
OH
H
OH
H
H
OH
H
OH
H
D-fruktóz
De:
H
H
H
* Benedict-próba
OH CH2OH
acetál
OH
HO HO
OH
pozitív Tollens-teszt
aldózok keverék
endiol
H
H
H
CH2OH
CH2OH
CH2OH
HO Ag(NH3)2+ -OH H OH H OH
HO
H
+ Ag OH
H
CHOH
OH
O
COOH
CHO
HCOH
CH2OH
reagens:
O OCH3
Ag(NH3)2+ -OH
OH H
Cu2+/citrát/lúg Cu2+/tartarát/lúg
O
Cu2O
3. Észterképzés OH
H HO HO
H
H
O
O H OH
H
O Ac
H H3C
O O
C
C
CH3
piridin
OH
O
Ac O Ac O
H
H
H
H O Ac
OAc
penta-O-acetilα-D-glükopiranóz
α-D-glükopiranóz
4.1. Ciklusos félacetál képzés (nukleofil addició) a) γ-hidroxi aldehid H
γ
..O..
α
H
H+
..O..
H
C
C
.O. ..
.O.
CH2OH C
HCOH
H
O
H
C
...O. H
H
HO
OH O H HO
OH
H OH
H
O
OH
CH2OH
D-fruktóz
H
+ H+
HO H
C
. .. O.
H
H OH
H
...O.
+
OH
HOCH HCOH
H
HO
O
..
O+
β-D-fruktofuranóz
furán
b) δ-hidroxi aldehid H
δ
O
O
H
H
α CHO HCOH HOCH HCOH HCOH CH2OH
C
C
O
OH OH
OH OH
H H OH
H
H
HO
O H
H
H OH
H
HO
OH H
OH
OH
OH
α-D-glükopiranóz
D-glükóz O
pirán
Anomerek - Mutarotáció Anomer(pár): olyan epimerpár, amelynek tagjai egymástól a glikozidos C atomhoz (kapcsolódó OH csoport térállásában különböznek egymástól.
a)
anomer C atom
HO
OH
O H HO H
HO
H
H
OH
OH H OH
OH H
HO
OH H
H
H
α-D-fruktofuranóz b)
OH O H HO
OH H HO C OH
OH
HO
O
OH
α-D-glükopiranóz
H
OH
OH
β-D-fruktofuranóz
nyilt láncú forma CHO HCOH HOCH HCOH HCOH CH2OH
OH
H
OH H
H OH
O OH H
HO
H H
OH
β-D-glükopiranóz
Mutarotáció
OH
H
H O
HO H
HO
H C
H
OH
O
H
OH
H HO HO
H H
H
O
HO
H OH
H
HO
OH
H
O OH OH
H
α anomer
< 98 oC
OH
H
H
β anomer
kristályosítás vízből
kristályosítás vízből
tiszta α anomer op. 146 oC,[α]= + 112,2o
> 98 oC
tiszta β anomer op. 150 oC,[α]= + 18,7o H2O
H2O
[α]= + 52,6o egyensúlyi elegy (α + β)
4.2. Reakció N-nukleofillel (Nukleofil addició) Reakció hidroxil-aminnal CHO H
CH N-OH OH
HO
H
H2N-OH
H
OH
HO
H
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH CH2OH
CH2OH
D-glükóz
Reakció fenil-hidrazinnal CHO H HO
CH
OH H
H
OH
H
OH CH2OH
C6H5NHNH2 HOAc ∆
H HO
N-NHC6H5
CH
C N-NHC6H5
OH H
H
OH
H
OH
2 C6H5NHNH2
CH2OH
HOAc
N-NHC6H5
HO
H
H
OH
H
OH CH2OH
+ C6H5NH2 + NH3 + H2O
D-glükóz
D-glükóz fenilhidrazon
D-glükóz feniloszazon (sárga)
Fontos:
aldóz epimerek vagy ketóz is!
CHO H
C
OH
(CHOH)n CH2OH
vagy CH
CHO HO
C
H
Ph-NH-NH2 H+
C
N - NHC6H5 N - NHC6H5
(CHOH)n
(CHOH)n
CH2OH
CH2OH
vagy CH2OH C
O
(CHOH)n CH2OH
5. Éter (glikozid) képzés OH
H HO HO
H
H
CH3OH
O H OH
H
OH
H HO HO
H+
OH
∆
bármelyik anomer
H
O
H
OCH3 OH
H
H
1-metil-D-glükozid (keverék) (CH3)2SO4 (-OH) OCH3
H CH3O
Cl
H
CH3O H
H
O OCH3
CH3O
H
2,3,4,6-tetrametil-metil-D-glükozid tritil-klorid
Híg H+
O(C6H5)3
H
CH3O
O
HO H
HO H
H OH HO
OCH3
H
H
6-tritil-D-glükozid
H
CH3O H
H
O
CH3O
OH H
2,3,4,6-tetrametil-D-glükozid
Reaktivítási sorrend: glikozidos OH > primer OH > szekunder OH
6. Epimerizáció Katalizátor: Reakciócentrum:
H
O
.. .O .
C :C
OH
HO
H
..
.. O H HO: C ..
bázis C*
HO
H
C
OH
C
H
OH
HO
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
CH2OH
H
H
H
OH
H
OH
CH2OH CH2OH
D-glükóz
O
enolát
H
..
C :C HO
O
.. O ..
C
H
H
OH
H
OH
C
H C
OH HO
OH H
H
OH
H
OH
H
.. H-O-H .. OH
HO
H
HO
H
H
OH
H
OH CH2OH
CH2OH CH2OH
enolát
D-mannóz
7. Keto-enol (endiol) átrendeződés Katalizátor: Reakciócentrum: O
O
H
HO
H
OH
H C
OH
C
OH
HO
H C
C H
bázis C (karbonil) és Ca
HO
H
OH
C H2O
HO
H
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
CH2OH
CH2OH
enolát
D-glükóz
HO
HO
H
HO
OH H
H
OH
H
OH CH2OH
endiol
endiol H
H C
C C
CH2OH
C OH
HO
HO O H
H2O
HO
C
H
C
O H
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
CH2OH
enolát
CH2OH
D-fruktóz
A D-glükóz szerkezetének meghatározása Színtelen, kristályos, vizes oldata jobbra forgat Primer szerkezet összegképlet: C6H12O6
1)
Elemanalízis
2)
Funkciós csoport és váz meghatározás oxidáció (Br2/víz)
C6H12O6
C16H22O11
C6H12O7 kristályos, savas (D-glukonsav) 1 db COOH acetilezés
C16H22O12 kristályos 1 db CHO
acetilezés
redukció
C6H12O2 (hexánsav) egyenes lánc
kristályos 5 db OH
3. Wohl-Zemplén-lebontás 1
CH N-OH
C N
2
CH-OH
CH-OAc
CHO
CH-OH
H2N-OH CH-OH Ac2-O*
4
CH-OH
CH-OAc NaOCH3 CHCl3 CH-OAc
5
CH-OH
CH-OAc
6
CH2-OH
CH2-OAc
3
CH-OH CH-OH CH-OH CH2-OH
oxim
aldóz (glükóz) 2
CHO
3
NaOCH3 CHCl3
CH-OH
4
acetilezett aldonsav nitril 3
CHO
**
**
+ NaCN
CH-OH
5
CH-OH + CH3OH
6
CH2-OH
4
CH-OH
5
CH-OH
6
CH2-OH
tetróz
oxidáció HNO3
pentóz
4
COOH
5
*CH-OH *CH-OH
CHO CH-OH
6
CH2-OH
D-glicerinaldehid
COOH borkősav (nem forgat)
• Az OH csoportok acetilezése és az oxim csoport dehidratálása egyszerre megy végbe ** Bázis hatására (OCH ) hidrolizís és hasadás 3
Monoszacharid származékok 1. Cukor alkoholok, cukorsavak CH2OH
CH2OH
CH2OH H
OH
OH
H
H
H
OH
HO
H
HO
CH2OH
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
OH H
CH2OH
CH2OH
eritritol
D-mannitol
CHO H HO
D-glucitol (D-szorbitol) COOH
COOH OH H
H HO
OH H
H HO
OH H
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
COOH
[GlcUA] (méregtelenítés)
CH2OH
COOH
glukonsav [GlcA]
glukársav
2. Amino-szacharidok (amino-cukrok) (természetes poliszacharidokban)
OH
OH H
H
O OH
H OH
β-D-glükózamin vagy β-2-amino-2-dezoxi-D- HO -glükopiranóz [GlcN] H (kitin)
H
HO
H H
O OH
H OH
NH2
H
β-D-N-acetil-glükózamin [GlcNAc]
H NH C
O
CH3 OH
HO
H OH
OH
HO
H
H
H
H
OH H
H OH
O OH
CH3
H
H
H
N-acetilneuraminsav [sziálsav, Sia, NeuNAc]
muraminsav [Mur]
O OH H H
H O
COO
CHOH-CHOH-CH2OH
HO
NH2
O HC
OH
OH
H H
OH H
α-D-N-acetilgalaktózamin [GalNAc]
HO
H
H
O
OH H
O COO OH
CH3
α-D-galaktózamin [GalN]
H
HN
NH C
H
C
OH H
NH2
CH3
OH
O
OH
HC CH3
NH C
COO
CH3
O
N-acetilmuraminsav [MurNAc] (baktérium fal)
3. Foszfát-észterek (primer OH és/vagy szekunder OH származékok)
O
CHO
O P O
O
HC-OH
O
CH2OH O H HO
CH2 O-P-O H
O
OH
H
OH
D-glicerinaldehid-3-foszfát
α-D-fruktóz-6-foszfát
∆G0* = - 12 KJ/mol pKa1 = 2,10 pKa2 = 6,75
∆G0* = - 13,8 KJ/mol pKa1 = 0,97 pKa2 = 6,11
OH
O
O O
H H OH
H
HO
H H
P O O
OH
β-D-glükóz-1-foszfát
O O
P O O
H
H OH
O OH H
HO
H H
OH
β-D-glükóz-6-foszfát ∆G0* pKa1 pKa2
= - 20,9 KJ/mol = 1,10 = 6,13
∆G0* = - 13,8 KJ/mol pKa1 = 0,94 pKa2 = 6,11
*∆Go: az észetr kötés hidrolízisekor felszabaduló energia
4. Glikozidok
(glikozidos OH származékok)
Csoportosítás: - O-glikozidok - N-glikozidok - C-glikozidok 4.1 O-glikozidok (éterkötés)
O
HO
• Lásd: diszacharidok
OH
OH
H OH
H
H H
H H
H
OH
• Hidroxi-aminosavak (Ser, Thr)
HO
H OH
O
H
O OH
H
1(β)
OH
laktóz
OH O
RO
H
R’
R’= H (Ser) CH3 (Thr) R = oligoszacharid rész
HNAc
CH O C GalNAcα1-Ser/Thr CH
O
NH COOH
• Fenolos hidroxi-aminosav (Tyr) (méregtelenítés)
H
H OH
OO H
HO
H H
OH
β-D-glükuronsav-feniléter
O
• Szteránváz
O
Quabain enzimgátló Na+/K+ pumpa növényi, nyílvessző
HO HO
HO
CH3
CH2
H HO
OH
OO
CH3
H
OH
H H
H OH
OH
D-gülóz D-glükóz β
• Egyéb CH2OH H
H OH
OO
C
H
HO
H H H
CH2OH
OH
H OH
N
O O CH H
HO
H H
OH
Amigdalin keserű mandula magjából hidrolizísekor HCN szabadul fel
4.2 N-glikozidok (C – N amin kötés) • Glikozil-aminok OH
H HO HO
H
H
OH
H O
HO HO
OH
H
OH H
H
O NH2 OH H
H
β-D-glükóz
H
β-D-glükópiranozilamin
• Asn (aminosav) De: Gln (nem) OH O
RO HO
NH NHAc
CH2 C CH
C O
R: oligoszacharid rész O
NH
GlcNAcβ1-Asn
• Nukleozidok
NH 2 N
HO
N
5’ 4’
N
N
O H
H
H
1’ H
OH
OH
Adenozin
•Antibiotikumban (Streptomyces griseus) Streptomicin (1944) -antibiotikum -protozoa ellenes NH
HO HO HOCH2
CH3
O
HO O
N-metil-glükózamin
O
CH3 O HC O
Streptóz
4.3 C-glikozidok (C – C kötés)
NH
HN C
HO
OH OH
C
NH
NH2
H2N
Streptidin (ciklohexán gyűrű)
NH
