Cukorkémia = Szénhidrátkémia Cukrok fontossága: A Földön évente 200 milliárd tonna biomassza képződik, amelynek 75%-a szénhidrát, de ennek csak 3%-át hasznosítják.
Somsák, L.; Vágvölgyiné Tóth, M.: Az élet megfejtésre váró titkosírása, a szénhidrátkód. Magyar Kémikusok Lapja, LXIV. évf. 7-8. sz., 2009, 233-239.
Biológiai szerepük 1. Energiahordozók Növényekben: n CO2 + n H2O = (CH2O)n + n O2
fény hatására (fotoszintézis)
Az emberi szervezetben a glükóz lebontása a fő energiatermelő folyamat. (CH2O)6 + 6 O2 = 6 CO2 + 6H2O
+675 kcal
2. Vázanyagok polimer láncok: cellulóz a növényekben és a kitin az állatokban. 3. Biológiai információt hordoznak glikolipidek, glikoproteinek: sejtadhézió, sejtosztódás gátlása; vírusok, baktériumok, hormonok és toxinok sejtfelszínen történő megkötődése; immunválasz irányítása, ivarsejtek egymásra találása. DNS, RNS: genetikai információ hordozói, dezoxiribóz, ribóz 4. Királis vegyületek olcsó alapanyagok, kiindulási anyagok más természetes anyagok előállításához
A cukrok felépítése C:H:O = 1:2:1 arányban tartalmazzák – Cn(H2O)n szén hidrátjai (formálisan!) O n (CH 2O)
(CH 2O) n
n=1
H C H
formaldehid CH 2O + CH 2O
CHO + CH 2O
CHO
*CHOH CH2OH
aldehidcukor
CH2OH
+
CH 2O CH2OH CO CH2OH
ketocukor
Királis szénatom (*C), antipodok vagy enantiomerek A szénlánc hossza (n) szerint: trióz, tetróz, pentóz, hexóz, heptóz, stb.
Szénhidrátok (glikánok) = polihidroxi oxovegyületek • Oxocsoport minősége szerint: Aldózok Ketózok
• Cukoregységek száma szerint: 1.
Egyszerű cukrok: monoszacharidok, savas hidrolízissel nem bonthatók kisebb egységekre
2.
Összetett cukrok: oligoszacharidok és poliszacharidok, savas hidrolízissel kisebb egységekre bonthatók
• Szénlánc hossza szerint (n): Trióz (n=3), tetróz (n=4), pentóz (n=5), hexóz (n=6), stb.
A nyíltláncú cukrok konfigurációjának ábrázolása a Fischer-féle projekciós szabályok alapján a.)
d.)
c.)
b.)
CHO
1 CHO
C
H C OH
2C
CH2OH
3 CH2OH
(+), D
Az abszolút konfiguráció jelölése a Cahn, Ingold, Prelog nómenklatúra szerint 2
1
CHO
HO
CHO H
CH2OH
C OH
3
CH2OH
R
D
CHO HO C
1
2
O H
OHC
H
CH2OH L
CH2O 3 H S
Több sztereogén centrum (n) esetén a sztereoizomerek száma 2n, ezeket aszerint soroljuk a D- vagy az L-sorba, hogy az aldehidcsoporttól legtávolabb eső sztereogén centrumnak milyen az abszolút konfigurációja. CHO HCOH HOCH H COH H COH CH 2OH
CHO H OH HO H H OH H OH CH 2OH
CHO
CHO (R) ( S) (R) (R) CH 2OH
CH 2OH O
(S) (R) (S) (S) CH 2OH L-glükóz (L-Glc)
CH 2OH D-fr uktóz (D-Fr u)
D-glükóz (D-Glc) enantiomerek
abszolút konfiguráció
szerkezeti izomerek
A Fischer-féle ábrázolásmód következménye, hogy a kiralitás nem változik (retenció), ha bármelyik királis atomon páros számú szubsztituenscserét hajtunk végre, míg páratlan számú szubsztituenscsere esetén inverzió következik be.
A cukrok szerkezete
CHO H C OH HO C H H C OH
CHO H OH HO H H OH H OH H C OH CH 2OH CH 2OH D-glükóz (D-Glc)
CHO
CHO
CH 2OH
CH 2OH O HO H H OH H OH CH 2OH CH 2OH
CHO
CH 2OH L-Glükóz D-mannóz D-fr uktóz (L-Glc)
enantiomer ek epimer ek aldóz
szerkezeti izomerek
ketóz
Több királis centrum esetén a papír síkjába forgatott (cikk-cakk) alakban ábrázolhatjuk a szénláncot, ennek megfelelően a hidroxilcsoportok a sík elé vagy mögé kerülnek. CHO H COH HCOH CH 2OH H H
H
CHO OH H
HO
CH 2OH
HOCH2
H
HO CH 2OH
CHO HO
OH
H
HOCH2
CHO C OH C OH
(D-er itr óz)
OHC
OH H
OHC OH
H HO
CH 2OH
A Newman-féle ábrázolás H
CHO OH
A D-eritróz Newman-féle ábrázolása HO
H CH 2OH
B. G. Davis, A. J. Fairbanks: Carbohydrate Chemistry Oxford University Press 2002.
A gyűrűs szerkezetű cukrok ábrázolása OH R
R
CHO
CH
OH R
OH hidr át
OR´
CH
R CH
OR´ félacetál
OR´´ acetál
Aldózok és ketózok esetén ha van lehetőség r á, 5-vagy 6-tagú gyűr űs félacetálok keletkeznek. A
A CHOH OH HO OH O CH 2OH
D-glükopir anóz (Glcp) O
tetr ahidr opir án
CHO OH HO OH OH CH 2OH
CHOH OH HO O OH CH 2OH D-glükofur anóz (Glcf) O
tetr ahidr ofur án
Gyűrűzárás → új kiralitáscentrum A Fischer-féle konvenció értelmében az új királis centrumot (anomer szénatom) α-val jelöljük, ha az anomer (glikozidos) hidroxilcsoport a D (R) vagy L (S) konfigurációt meghatározó centrummal azonos térállású (ami a legnagyobb helyzetszámú királis C atom térállása), a másik anomert β-val jelöljük.
[ α ]20 D
= alfa anomer
>
béta anomer (a D sor ban): mutarotáció
Anomerek: diasztereomeria speciális esete
Gyűrűs szerkezetek ábrázolása β-D-glükopiranóz HO C
1
H
H HO
OH H
H
OH
H C O
HO C H H 2 OH HO 3 H H
4
6
4
OH
5
6
OH 3
HOH 2C C H
CH 2OH
CH 2OH OH 5 O OH 1 2
OH
O
Fischer 1892
Hawor th 1929 CH2OH O HO
OH HO
OH
Mills 1956
Természetben előforduló L konfigurációjú cukrok: L-fukóz, L-ramnóz és L-arabinóz.
D-ALDOHEXÓZOK O H
OH
+ CHOH
CH2OH D-(+)-glicerinaldehid
O
O
H
OH
HO
H
OH
H
H
CH2OH
CH2OH D-(-)-treóz
D-(-)-eritróz O
O
O
H
H
OH
HO
H
OH
H
OH
HO
H
OH
H
OH
H
H
O
OH
HO
H
H
HO
H
OH
H
CH2OH
CH2OH
CH2OH
D-(-)-ribóz
D-(-)-arabinóz
D-(+)-xilóz
O
O
O
O
H
OH
HO
H
OH
H
OH
HO
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
HO
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
H
H
CH2OH
CH2OH
D-(+)-allóz
D-(+)-altróz
TETRÓZOK
OH
H
OH
HO
H
H
H
HO
H
H
CH2OH D-(+)-glükóz
O
OH HO H OH
H OH
HO
H
OH
H
OH CH2OH D(-)-lixóz
O
H
PENTÓZOK
OH
O H
O
OH
HO
H
HO
H
HO
H
HO
H
HO
H
H
OH
H
HEXÓZOK
OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
D-(+)-mannóz
D-(-)-gülóz
D-(-)-idóz
D-(+)-galaktóz
D-(-)-talóz
A D-sorbeli cukrok „családfája” CHO H COH CH2OH D-Glicer inaldehid CHO HOCH H COH CH 2OH
CHO HCOH HCOH CH 2OH
D-Tr eóz CHO HOCH HOCH H COH CH2OH D-Lixóz
D-Er itr óz CHO HCOH HO CH HCOH CH2OH D-Xilóz
CHO HOCH
CHO HCOH
HCOH
HCOH
H COH CH2OH
H COH CH2OH
D-Ar abinóz
D-Ribóz
D-Xilóz
D-Lixóz
CHO HO CH
CHO HCOH
HO CH
HO CH
HO CH
HO CH
HCOH CH2 OH D-Talóz
H COH
CHO HOCH HCOH HO CH H COH
CHO HCOH HCOH HO CH HCOH
CH2 OH
CH2 OH
CH2 OH
D-Galaktóz
D-Idóz
D-Gulóz
CHO HCOH HOCH HOCH HCOH
6-dezoxi-D-galaktóz D-Fukóz
CH3
D-Ar abinóz
CHO HO CH HO CH
D-Ribóz
CHO H COH HOCH
CHO HO CH
CHO HCOH
HCOH
H COH
HCOH
HCOH
HCOH
H COH
H COH
H COH
H COH
H COH
CH2 OH
CH2 OH
CH2 OH
CH2 OH
CH 2OH CHO HO CH HOCH
D-Mannóz
D-Glükóz
D-Altr óz
D-Allóz
6-dezoxi-D-mannóz D-Ramnóz
HCOH HCOH CH 3
Néhány ketóz
D-Talóz
D-Galaktóz
D-Idóz
D-Gulóz
CH 2OH
CH 2OH
C=O
C=O
HOCH HOCH HCOH CH 2OH D-Tagatóz
HCOH HOCH HCOH CH 2OH D-Szor bóz
Néhány ketóz
D-Mannóz
D-Glükóz
D-Altr óz
D-Allóz
CH 2OH
CH 2OH
C=O
C=O
HOCH
HCOH
HCOH
HCOH
HCOH
HCOH
CH 2OH D-Fr uktóz
CH 2OH D-Pszikóz
α-D-Pentofuranózok HOCH2
HOCH2 O
OH OH
OH OH
HO
Ribf
HOCH2 O HO
HOCH 2
O OH
O OH HO
Lyxf
Xylf
OH
HO Ar af
α-D-pentopiranózok O
HO HO
O
HO HO
HO OH Ribp
HO HO
OH O
HO OH Xylp
HO OH
Lyxp
OH O HO
OH Ar ap
α-D-Hexofuranózok CH2OH HO O HO
CH2OH HO O OH OH
HO
OH HO Altf
Allf
O OH HO
O OH
OH
HOH2C
HOH2C Talf
Galf
OH
CH2OH HO O OH Glcf
Manf
OH
OH OH
O HO
O
OH OH
OH
CH2OH HO O OH HO
OH OH OH OH HOH2C Gulf
OH HOH2C
OH OH Idof
α-D-Hexopiranózok
HO
CH2OH O HO
HO HO
HO OH Allp
CH 2OH O
HOH 2C HO
HOH2C
OH O
HO Altp
HO HO
OH
OH O
HO
CH 2OH OH O
HO Manp
OH
HO CH 2OH HO CH 2OH O O HO HO OH HO OH HO HO OH Glcp Galp Gulp
Talp
OH
CH 2OH HO OH O OH
OH Idop
Monoszacharidok O C H H OH CH2OH D-glicerinaldehid
O C H H OH H OH H OH CH2OH D-ribóz
H HO H H
O C H HO H H OH CH2OH
O C H H OH H OH CH2OH D-eritróz
O C H OH H OH OH CH2OH D-glükóz
HO HO H H
D-treóz
O C H H H OH OH CH2OH
D-mannóz
O C H H OH HO H HO H H OH CH2OH D-galaktóz
Monoszacharidok
HOCH2
CH2OH
O HO OH
HO α-D-fruktóz
CH2OH O HO H OH H OH H CH2OH D-fruktóz
HOCH2
OH O HO CH2OH
HO β-D-fruktóz
A cukrok szerkezete
CHO H C OH HO C H H C OH
CHO H OH HO H H OH H OH H C OH CH 2OH CH 2OH D-glükóz (D-Glc)
CHO
CHO
CH 2OH
CH 2OH O HO H H OH H OH CH 2OH CH 2OH
CHO
CH 2OH L-Glükóz D-mannóz D-fr uktóz (L-Glc)
enantiomer ek epimer ek aldóz
szerkezeti izomerek
ketóz
Gyűrűs szerkezetek ábrázolása A Reeves-féle konformációk glükopiranóz gyűrű esetén
ekvator iális OH
axiális OH
5
H
OH OH
H
OH 1
O
4
H OH 1 4C
3
4
H 2
1
5
H
O
3
OH a
4
HO HO
2
5
O OH
2
3
OH
OH 4 1
B
1
C4
C = Chair (szék)
4
C1
B = Boat (kád)
4 1C
1
A D-glükóz egyensúlyi rendszere anomer izáció HOH 2C
(mutar otáció) HOH 2C
O
HO HO
OH α -D-Glcp
α OH
β OH
O
HO HO
OH β− D-Glcp HOH 2C OH
HO HO
CHO OH
CH2OH HO
CH2OH HO
O OH
α OH OH α -D-Glcf
anomer izáció
O
OH
OH OH β -D-Glcf
β
axiale OH Gruppe OH OH
5
H
H
OH 1
O 3
4
H OH
ekvator iale OH Gr uppe
4
H
H
2
4
1
5
HO HO
O
3
OH a
2
5
O OH
2
3
OH
OH 1
4C
4 1
B
1
C4
4
4 1C
C1
Konformeren Anomer isier ung
HOH 2C
H
HO HO
(Mutar otation)
O α H
H
OH
α -D-Glcp
HOH 2C
H
O
HO HO H
OH
β
OH H
β-D-Glcp
Konfigurationsisomeren
OH
1
HO O HO
OH
OH OH OH
HO HO
HO
O
O OH OH
azonosak
OH
OH
OH OH
HO O
HO
OH OH
HO 180o
Vízszintes tengely mentén történő elforgatás
anomer izáció
HOH 2C
H
HO HO H
O
OH
α H
(mutar otáció)
HOH 2C HO HO
OH
20
(36% 38%)
mutarotáció
β O OH
H
OH H β− D-Glcp
α -D-Glcp [α] D + 112o
H
20
egyensúly vizes oldatban
[α]
20 D
+ 53o
[α] D + 18o
62%) (64%
Néhány monoszacharid izomerjeinek vizes oldatban meghatározott egyensúlyi összetétele
Az egyensúly meghatározása 1H-NMR spektroszkópia segítségével δ: anomer H ~4.5 - 5.5 ppm,
J a,a~ 7 - 10 Hz (β)
δ He
δ Ha
J a,e ill. J e,e ~ 1-4 Hz
3.5Hz
(α)
7.5Hz
D-glükóz esetében a spektr umr észlet: 5.35 β−Η−1 (α− anomer )
α−Η−1 (β− anomer ) axiális ár nyékolt
Anomer effektus (Edward-Lemieux effektus)
O
O
X nincs átfedés
4.75
X van átfedés
p és σ* között
Anomer effektus (Edward-Lemieux effektus)
anomeric effect
O
O H
H
H H
O
O
H
sterical stericalhinderance hindrance (1,3-interactions) (1,3-interactions)
anomeric effect
H
anomeric effect
Anomer Effekt (Edward-Lemieux Effekt)
repulsions
repulsions
F
O
F
H H
H
H repulsions
H H
O O H
repulsions
H OH
antiperiplanar positions
attractive interactions
orbital interactions
H
Monoszacharidok kémiai tulajdonságai A karbonilcsoport reakciói Acetálképzés: O
OH
O
ROH
CHO OH
OR acetál (glikozid)
félacetál
ROH R'SH -H 2O R
CHO
SR' R
CdCO 3 HgCl2 +H 2O
CH SR'
ditioacetál
HgO + HgBr 2 OR ROH NBS
R
CH OR acetál
Redoxreakciók OH O
HO HO
OH D-glükóz Br 2/H 2O OH
OH NaBH 4
v. KMnO 4
v. LiAlH 4
CH2OH
O
HO HO
OH
O D-glükonsav-δ−lakton
Na/Hg v. DIBAL
DIBAL: diizobutil-alumínium-hidrid
PCC
=
NHCr O3 Cl
Piridínium-klorokromát
PCC CH2OH D-glucit (D-szor bit)
OH γ
δ
HO glükonsav (δ-lakton)
HO
O α
β
OH H2O
O
Br2 OH O
HO HO C H HO
OH
O H OH H
H
OH
H
OH CH2OH
OH C
D-glükóz HNO3 H2O, 100°C
H HO
O OH OH H
H
OH
H
OH O glükársav C
OH
Redukáló cukrokat onsavvá lehet oxidálni: Fehling-reagens: I.: vizes CuSO4 II.: lúgos K-Na-tartarát elegye: Cu2O Tollens-reagens: AgNO3 vizes ammóniás oldata: ezüsttükör
Laktonképzés COOH HO C H OHO
O OH
D-glükár sav-1,4-lakton
COOH H C OH OHO OH
1 COOH 2 OH HO 3 4 OH 5 OH 6 COOH
D-glükár sav-3,6-lakton
D-glükár sav
OH O O
O
O O OH
sav-1,4;-3,6-dilakton D-glükár D-glükársav-(1,4:3,6)-dilakton
Uronsavak – biológiai jelentőség COOH HO CH OHO
CHO O
Na(Hg)
HO HO
COOH O OH
HO
OH COOH D-glükár sav-1,4-lakton HO HO
D-glükur onsav
C OOH O HO
O
HN O O O P O P O CH 2 O N O O O
HO HO
C OOH O HO
OH
OH
UDP-glükur onsav
ROH
OR
RO-glükur onid
H HO
CH 2OH O OH
O OH
C-vitamin (L-aszkor binsav)
CH3 O C
OH HO HO
OH
CH3 O OH
Schutz gegen die Oxidation
O2 / Pt-C, H2O, 50oC O
HO HO
Oxidation O
OH
C
D-Glucose
H 3C O
OH H O
HO HO
O C H 3C
O HO HO
O CH3
O CH3 OH O OH
OH
D-Glucuronsäure
Gegen die Oxidation ist die C-1 halbacetale OH Gruppe mehr reaktiv (oxidierbar), als die C-6 primär-alkoholische OH Gruppe. Deshalb kann die selektive Oxidation von C-6 OH Gruppe erst nach den Schutz von C-1 Atom durchgeführt werden. (In den lebenden Körpern wird diese Oxidation durch enzymatischen Weg stattgefunden werden.)
Reakció fenil-hidrazinnal CH N
CHO H
C R
OH
Ph-NH-NH 2
H
C
NH P h Ph-NH-NH 2
OH
R
fenil-hidr azon
CH C
N
NH Ph +Ph-NH 2
O
+ NH 3
R
Ph-NH-NH 2 CHO C
O
R oszon (osulose)
CH N C
N
NH NH
R oszazon
Ph Ph
Feltételezett mechanizmus
A hidroxilcsoportok reakciói Reakciókészség: anomer OH > primer OH > szekunder OH (glikozidos OH)
CHOH
CHOR átalakítás
Célja: 1.) Átmeneti védelem eltávolítható csoporttal 2.) A hidroxilcsoportok aktiválása szubsztitúció céljából (inverzió!) 3.) Permanens csoportok bevitele (a végtermékben is szükség van rá). Greene, T. W.; Wuts, P. G. M. Protective Groups in Organic Synthesis, 3rd Ed.; John Wiley and Sons: New York, 1999; pp 219–229.
Észterek HOH 2C
Acetát
O
HO HO
Ac2O/NaOAc
Ac2O/ZnCl2
OH OH D-Glükóz
AcOH 2C AcO AcO
AcOH 2C
O
AcO AcO
OAc
OAc
O OAc
OAc penta-O-acetil-α−D glükopir anóz
penta-O-acetil-β−D glükopir anóz HBr AcOH
AcOH 2C AcO AcO
O OAc Br
Az acetilcsoportok eltávolítása (dezacetilezés): Zemplén szerint metanolban katalitikus Na-metanoláttal (alkoholízis)
O CHO
C
CH3
CH 3O
O CHO
C
CH3
OCH3 O CHO
C + CH3O
CH3
katalizátor CH3OH CH 3O
+ CHOH
Benzoátok
O CHOH
COCl
Py
CHO
C
-HCl (R-OBz) Eltávolítás:
O CHO
C
MeOH NaOMe
CHOH +
COOMe
Szulfonsavészterek előállítása Jól távozó csoportok Mezilátok CHOH + CH 3SO 2Cl
Py -HCl
CHO-SO 2-CH 3 (R-OMs)
Tozilátok Py -HCl
CHOH + TsCl
CHO-Ts (R-OTs)
Az aktivált csoport szubsztitúciós reakciója (SN2) során inverzió következik be.
H C
OMs +
Nu
Nu-: hlg-, RCOO-, N3-, RO-
Nu
C
H + MsO
Dezoxicukrok előállítása szulfonsavészterekből
SN + redukció
BnO
BnO O OCH3 BnO
OMs
Metil-3,5-di-O-benzil-3-O-mezil-D-ribofuranozid
O
LiAlH4
OCH3 BnO Metil-3,5-di-O-benzil-2-dezoxi-D-ribofuranozid
Éterek SN reakció
Metil CHOH
MeI v. Me2SO 4 Ag2O v.NaH/DMSO
CHOCH 3
(OMe)
Benzil
CHOH
Ph-CH 2-Hlg/OH H 2/Pd-C
CHO-CH 2-Ph
(OBn v. OBzl)
Allil pr okir ális centr um CHOH
CH 2=CH-CH 2-Hlg OH
CHO-CH 2-CH=CH 2 (OAll)
Az allil-csoport eltávolítása propenil-csoporttá való átrendeződéssel történik Pd/C jelenlétében.
CHO-CH 2-CH=CH 2
Pd/C CHO-CH=CH-CH 3 AcOH/H 2O
OH CHO
CH
CH2 CH3
CHOH + OCH-CH 2-CH 3
Tritil (Trifenil-metil) Mint nagy térkitöltésű csoport, alkalmas a primer OH szelektív védelmére. OH
OTr Ph 3CCl /Et 3N
O
HO HO
OH
kat./H 2 v. H
HO HO
O OH
OH 6-O-tr itil-D-glükopir anóz
OH D-glükopir anóz
t-Butil-dimetilszilil CH 2OH
TBDMS-Cl Py vagy
CH 2O-TBDMS ─TBDMS
CH3 CH3
CH2O Si CH3 CH3
Eltávolítás: savas hidr olízissel (H 2SO 4/MeOH), vagy Bu 4NF/THF CH3
Bifunkciós védőcsoportok A két hidroxil egyidejű védelmére aldehidekkel vagy ketonokkal képzett acetálokat használunk: R1
O H 2O +
CHOH
/ R 1=R 2=H O
CHOH
CHOH
R2
+
CHOH
dioxolán típus (5 tagú gyűr ű) a
R1 O
+
O
HO
R2
CH3
O
O
CH3
R 1 + H 2O
dioxán típus (6 tagú gyűr ű)
O
aceton:
H
a
/ 2=H R 1=R
benzaldehid:
HO
H O
Ph O
Izopropilidén Kondenzáció acetonnal vízkilépés közben Vicinális cisz-helyzetű hidr oxilcsopor t esetén CH 3 H3C CH3 CH3 C C -H + CHO H+ H CHOH CH3 CHO CHO + C O OH CHO CHOH CHOH CH3 -H 2O CHOH
CH3 CH3
Vízelvonó szerek: H2SO4, ZnCl2, CuSO4, FeCl3
(1,2:5,6)-di-Oizopropilidén-α-Dglükofuranóz
Az izopropilidén csoportok eltávolítása HO
O O
AcOH H 2O
OHO O
HO
O
O
(1,2:5,6)-di-O-ip-D-Glcf
HCl H 2O
OHO O
1,2-O-ip-D-Glcf
HO HO
CH2 OH O OH OH
D-Glcp
Benzilidén Kondenzáció benzaldehiddel
CHOH CHOH
+
-H 2O
CHO
+H 2O
CHO
CHO
OH
HO HO
O OMe
OH
PhCHO ZnCl2 ZnCl
* CH
O
Ph
O
O
OMe
HO
2
OH O
OH S O
Újabban: átacetálozás, PhC(OMe)2, p-TsOH,
H3C
Benzilidénacetálok reduktív és oxidatív gyűrűnyitása
O
Ph O
O OMe
HO OH
NBS/hν
LiAlH 4/AlCl3
Br
OH
PhCH 2O HO
O OMe
OH
PhCOO HO
O OMe
OH
Halogenidek
O
O
Hlg
R-OH
O O-R
X Hlg X lehet: OH, OMe, OAc (a leggyakrabban), OMs, OTs, O-Bz-p-NO2 Az acetobróm-cukrok Bárcai-Kőrösi (one-pot) szintézise: HOCH2 HO HO
O OH D-Glcp
Ac2O OH HClO 4
AcOCH 2 AcO AcO
O
P+Br 2 OAc H O 2
OAc Pentaacetil-glükopir anóz
Az anomer halogenidek az anomer effektus elsősorban axiális (C5-O-C1 n C1-Br σ∗ kölcsönhatás ) térállásúak.
AcOCH 2 AcO AcO
O Ac O
Br Acetobr óm-glükóz
Oxidációs reakciók OH csoportok oxidálása DMSO + vízelvonószer alkalmazásával
H C
OH
-H 2O
+ CH3-SO-CH 3
C
O + CH3-S-CH3
Ha a vízelvonószer ecetsavanhidrid: Ac2O + H2O = 2 AcOH H 3C S H 3C
O
+ Ac
CH3
H
H 3C S
OAc
R 2CHOH
R
H 3C
C R
O
S
C
OAc R
CH3
Moffat vízelvonószerként DCC-t alkalmazott:
O N C
N
+H 2O
NH
CH3
R
C
NH
(DCU)
O+ S CH3
Swern erre a célra oxalil-kloridot és trietil-amint használt.
H
C
OH + DMSO + (COCl)2 + Et 3N Cl
O C
O + DMS + CO + CO2 + Et3N HCl
C O
Cl
oxalil-klorid
Redukciós reakciók a) aldehid ill. ketocsoportok redukciója hidroxilcsoporttá:
CHO CHOH
NaBH4
CHOH
NaBH4
O
O O
CH2OH
O OH
ox. O O
D-glükóz-diacetonid
Diaceton-D-glükóz
r ed.
CH2OH CO
O
O
O O
ox. O O
O
O
r ed.
O HO O D-allóz-diacetonid
Glikozidok Intermolekuláris éterek Védőcsoportok távollétében izomer keverékek keletkeznek:
HO HO
CH2OH O OH D-Glc
AcO AcO
CH2OH HO MeOH OH H
O OH
OMe for r alás HO HO
OAc O
O
Ag2CO3 AcO + R-OH AcO - HBr
OAc Br
Védőcsoportok jelenlétében az anomer centrumot aktiváljuk. (Koenigs-Knorr-típusú glikozilezés)
OH
α : β = 66 : 33
OH
OAc
CH2OH O
OR OAc
NaOCH3 CH3OH OH HO HO
aglikon O OR OH
β-D-glükopiranozid
OMe
Glikozilezés különböző donorokkal O SR
RO
O
O
RO
NH
O
RO
CCl3 tioglikozid -40oC NIS-TfOH CH 2Cl2
O
O
tr iklór acetamidát
H 3C OR' or toészter
-45oC CH 2Cl2
-30oC TMSOTf CH 2Cl2
TMSOTf ROH O O
RO RO
O
OR'
O N
I
F 3C
S
α/β anomerkeverék
OR
O OH
O
F3C
S O
CH3 O
Si
CH3
CH3
O NIS N-Iodsuccinimid
TfOH Trifluormethansulfonsäure
TMSOTf Trifluormethansulfonsäuretrimethylsilylester
Diszacharidok Olyan glikozidok, amelyekben az aglikon is egy cukormolekula. Ha az aldóz anomer centruma szabad, akkor redukáló diszacharidról beszélünk. HOCH2 HOCH2 O O HO CH2OH HO O HO HO HO HO O HO O OH CH2OH HO HO O α-glikozid-kötés HO β-glikozid-kötés OH HOCH2 OH O α -D-Glcp-(1 4)-D-Glcp HO HO OH O HO O Maltóz CH2OH HO β-D-Glcp-(1 Cellobióz
4)-β-D-Glcp
Nem redukáló diszacharidban mindkét cukor az anomer szénatommal vesz részt az éterkötés kialakításában, pl.:
OHOCH2
O OH
HO OH O
OH
HOHO
α -Glcp-(1
CH2OH
2)- β -D-Fr uf
Szacharóz (Nád- vagy répacukor) Hidrolíziskor a forgatás +ból -ba vált át, mert: Szachar óz= +66o, Glükóz
= +53o,
Fr uktóz
= -92o,
" Inver tcukor " = -39o
Poliszacharidok Cellulóz: β-D-glükoporanozil-(1,4)-β-D-glükopiranóz Kitin: β-D-N-acetil-glükózamin β-(1,4)-kapcsolódású homopolimere Keményítő: α-D-glükóz egységekből épül fel, melyek az amilózban α-(1,4)-kötéssel kapcsolódnak össze. Helikális struktúra. Az amilopektinben az α-(1,4) kötések mellett 15-22 egységenként α-(1,6) kötések is vannak. A keményítő a növényi tartaléktápanyag. Az állati megfelelője a glikogén, aminek a felépítése megegyezik az amilopektinével.
A maltóz polimerje az amilóz (keményítő), mely spirálist képez:
O O O O O -α -Glcp-(1
O
4)- α -D-Glcp-(1
4)O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O -β -Glcp-(1
O 4)- β -D-Glcp-(1
A cellobióz polimerje a cellulóz, mely láncmolekulákat képez:
O 4)-
B. G. Davis, A. J. Fairbanks: Carbohydrate Chemistry Oxford University Press 2002.
Oligoszacharid szintézis • •
•
• •
A glikozidos kötés kialakítása két polifunkciós molekula SN reakciója sztereoszelektivitás biztosítása: a glikozil donor anomer hidroxilcsoportjának aktiválása megfelelő távozó csoport és reakciókörülmény alkalmazásával (C-2 szubsztituens, promóter). regioszelektivitás biztosítása: a glikozil akceptor hidroxil csoportjait megfelelő védőcsoporttal látjuk el a glikozilezni kívánt OH csoport kivételével. A donor molekula hidroxil csoportjait alkalmas módon szintén védeni kell. ortogonalitás: védőcsoportok kémiája, szelektíven eltávolítható egyik a másik mellől és fordítva. 1,2-transz (β-D-glüko) és 1,2-cisz glikozidok (α-D-glüko)
PGO OPG O PGO PGO
-LG
LG
PGO OPG O PGO OPG
PGO OPG O PGO PGO
PGO OPG O PGO PGO Nu
Nu
glikozílium kation
PGO OPG O PGO PGO
Nu
nagyobbrészt alfa
PGO OPG O PGO NGO
-LG
LG
PGO OPG O PGO O R O glikozílium kation
PGO OPG O PGO O R O
PGO OPG O PGO O O
PGO OPG O PGO O R
O
R aciloxónium kation
PG = protecting group (védőcsoport), LG = leaving group (távozó csoport), NG = neighbouring group (szomszéd csoport, pl. acil csoport)
Nu
PGO OPG O Nu PGO O R O
tisztán, ill. nagyobbrészt béta
Egy példa oligoszacharid szintézisre Heparán szulfát származék
CSA = kámforszulfonsav
1-naftil
O Cl
CA: klóracetil
K. Daragics, P. Fügedi Tetrahedron, 66 (2010) 8036-8046
S NH H2N
HDTC: hidrazin-ditiokarbonát SH
CAN: cérium-ammónium-nitrát
O F O S
F -
O F H3C + CH3 S S H3C
DMTST: dimetil(metiltio)szulfónium-triflát
Enzymatic disaccharide formation
B. G. Davis, A. J. Fairbanks: Carbohydrate Chemistry Oxford University Press 2002.
B. G. Davis, A. J. Fairbanks: Carbohydrate Chemistry Oxford University Press 2002.
B. G. Davis, A. J. Fairbanks: Carbohydrate Chemistry Oxford University Press 2002.
B. G. Davis, A. J. Fairbanks: Carbohydrate Chemistry Oxford University Press 2002.
Enantiomertiszta vegyületek előállításának kiindulási anyagai
A. Ortiz et al., Org. Biomol. Chem., 10, 2012, 5253-5257
Szénhidrátok jelentősége 1) Biokémiai folyamatok C-vitamin nukleinsavak dezoxicukrok: DNS HOCH2
O
2) Gyógyszermolekulák Antibiotikumok Vakcinák
OH
HO 2−dezoxi-D-r ibóz
dezoxi-aminocukrok HO
OH
O OH
HO NH 2
D-galaktózamin→heparin
Gyógyszermolekulák Digitoxin - (Digitalis purpurea) szívhatású glikozidok 3 D-digitoxóz + digitoxigenin aglikon
C-vitamin (L-aszkorbinsav)
Glikozid típusú antibiotikumok Nem polién típusú makrolid antibiotikumok Aglikonjuk makrociklusos laktongyűrűt tartalmazhat
eritromicin-A
Polién típusú makrolid antibiotikumok A nisztatin aglikonja a konjugált polién szerkezeti egység mellett egy gyűrűs ketál részt is tartalmaz. Gombaölő hatású, növeli a sejtfal permeabilitását, miután kötődik az ergoszterinhez, és ezért a gomba sejtplazmája kidiffundál → a gomba sejtjei feloldódnak.
nisztatin
Policiklusos antibiotikumok
Antraciklin-glikozid antibiotikumok – négy, lineárisan kondenzált (részben hidrált) aromás gyűrűt tartalmaz, amelyhez szénhidrát is kapcsolódik Rákellenes hatásúak, citotoxikusak
daunorubicin
doxorubicin
Szénhidrát vakcinák
B. G. Davis, A. J. Fairbanks: Carbohydrate Chemistry Oxford University Press 2002.
Ciklodextrinek
Ciklodextrinek alkalmazása
•
Anyagok védelme oxidáció és UV-degradáció ellen feldolgozás vagy tárolás során.
•
Illat/aromaanyagok, fűszerek stabilizálása.
•
Élelmiszer/gyógyszer keserűségének vagy kellemetlen illatának elfedése.
•
Vízoldhatóság növelése.
•
Szénhidrogének, szteroidok, zsírok, zsírsavak emulzifikálása.
•
Kémiai reakciók katalízise.
•
Kémiai reakciók közege.
•
Elválasztástechnika (kromatográfia, kapilláris elektroforézis).
