SACHARIDY (CUKRY) II....SACHARIDY (CUKRY) II. 1. 2 Reakcie monosacharidov –Oxidácie O HO HO OH OH...
Transcript of SACHARIDY (CUKRY) II....SACHARIDY (CUKRY) II. 1. 2 Reakcie monosacharidov –Oxidácie O HO HO OH OH...
-
SACHARIDY
(CUKRY)
II.
1
-
2
Reakcie monosacharidov – Oxidácie
OHO
HO
OH
OH
OH
D-glukóza
X2, H2O, pH 4-6
(X = Cl2, Br2, I2)
87%
OHO
HO
OH
OH
O
D-glukonolaktón
+ H2O
- H2O
OHHO
HO
HO
OH
O
Kyselina D-glukónová(Aldónová kyselina)
OH
OHO
HO
OH
OH
OH
D-glukóza
HNO3
CO2H
OH
HO
OH
OH
CO2H
Kyselina D-glukárová(Aldárová kyselina)
- H2O
+ H2OOH
OH
OHO
CO2H
O
OH
O
O
OH
HO
HO2C
1
2
3
4
5
6
12
3
4
5
6
1
2
345
6
(Alkoholy a ketóny nepodliehajú oxidácii X2!)
1,4-Laktón 6,3-Laktón
• 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.
• Silné oxidačné činidlá (HNO3) oxidujú okrem aldehydu aj primárne alkoholy za vzniku aldárových
kyselín. Z D-glukózy tak vzniká kyselina D-glukárová, ktorá in situ dehydratáciou poskytne laktóny.
-
3
Reakcie monosacharidov – Oxidácie – Využitie
OHO
HO
OH
OR
D-manóza (R=H)
[Ag(NH3)2]+ OH
HOHO
OH
O
Kyselina D-manónová
OH
HO HO
+ Ag0
"Strieborné zrkadlo"
(R Me)
Tollensovo činidlo: kvalitatívny dôkaz redukujúcich cukrov
O
HO
HO
OH
OR
D-galaktóza (R=H)
Cu2+
vínan draselný
OHHO
HO
OH
O
Kyselina D-galaktónová
OH
HO HO
+ Cu2O
(R Me)
Fehlingovo činidlo: klinický test diabetu - (ne)prítomnosť glukózy v moči
• Roztok CuSO4 (modrej skalice) v komplexe s vínanom (Fehling) resp. citrátom (Benedict) oxiduje
alifatické aldehydy na príslušné aldónové kyseliny za vzniku červeno-hnedého precipitátu Cu2O.
• Aldózy (ketózy ťažšie) poskytujú reakciou s Tollensovým činidlom príslušné aldónové kyseliny.
• Oxidantom je diamino-strieborný katión, ktorý sa redukuje na metalické striebro. Test všeobecne
dokazuje prítomnosť voľných -CHO skupín oxidovateľných na príslušné karboxylové kyseliny.
-
4
Reakcie monosacharidov – Oxidácie – Štiepenie diolov
OH
OH
NaIO4 O
OI
O-Na+
O
OH
OH
O
O+ NaIO3 H2O+
HO
HO
OH
OH
HO
OH
D-manitol
acetón
H2SO4
O
HO
OH
O
O
O
BisacetonidD-manitolu
NaIO4MeOH/H2O
0°C
O
O
O
BisacetonidD-glyceraldehydu
2 x
• Reakcia vicinálnych diolov s kyselinou jodistou (H5IO6) 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.
-
5
Reakcie monosacharidov – Redukcie
OH
HO
OH
OH
O
OH
NaBH4EtOH
(H2, Pd/C)
OH
HO
OH
OH
OH
OH
NaBH4
EtOH
D-glukóza(aldóza)
D-glucitol(alditol)
O
HO
OH
OH
OH
OH
NaBH4
EtOH
D-fruktóza(ketóza)
HO
OH
OH
OH
OH
D-manitol(alditol)
HO
• 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.
• Významným stereochemickým dôsledkom redukcie manózy na manitol je zmena symetrie produktu.
• Nakoľko D-manitol má oba konce reťazca identické (-CH2OH), vykazuje molekula C2-os symetrie.
-
6
Reakcie monosacharidov – Redukcie
furanose
-
7
Reakcie monosacharidov – Redukcie
-
8
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 baktérií čiastočne
metabolizujú, preto môže slúžiť ako zdroj energie. Väčšie
množstvá však majú na tráviaci systém laxatívny účinok.
-
9
Reakcie monosacharidov v bázickom prostredí –Zriedené roztoky
OH
HO
OH
OH
OH
O
D-glukóza(57%)
OH
HO
OH
OH
OH
OH
éndiol D-glukózy D-fruktózy D-manózy
0.035% NaOH
35°C, 100 h
O
HO
OH
OH
OH
OH
D-fruktóza(28%)
HO
OH
OH
OH
O
D-manóza(3%)
HO
Epimerizácia a aldózovo-ketózový prešmyk(Lobry de Bruin-van Ekensteinova reakcia)
• Aldózy (ale aj ketózy) podliehajú v zriedených bázických roztokoch epimerizačným prešmykom.
• D-glukóza v prítomnosti 0.035% NaOH poskytuje zmes D-fruktózy, D-manózy a pôvodnej D-glukózy.
• Interkonverzia D-glukóza D-manóza je epimerizáciou a kompletný prešmyk sa nazýva
Lobry de Bruin-van Ekensteinova reakcia. Kľúčovým krokom je enolizácia D-glukózy na éndiol,
ktorý následne „ketonizuje“ 3 rôznymi spôsobmi na finálnu D-fruktózu, D-manózu a D-glukózu.
-
10
Reakcie monosacharidov v bázickom prostredí –Koncentrované roztoky
OH
OH
OH
OH
O
D-allóza
1% Ca(OH)2
- H2O
OH
OH
OH
OH
O
OH H
O
OH
OH
OH
O
H
-OH
H
O
OH
OH
OH
O-
HH
OH
H
H+
CO2H
OH
OH
OH
OH
HH
Kyselina3-deoxy-allónová
H
• Koncentrovanejšie bázické roztoky transformujú aldózy na príslušné 3-deoxyaldónové kyseliny.
• Prvým krokom je priama b-eliminácia vody z voľného monosacharidu za vzniku 1,2-dikarbonylovejzlúčeniny. Nasleduje adícia HO- nukleofilu a hydridový prešmyk poskytne finálnu aldónovú kyselinu.
• Nakoľko v bázickom prostredí sú hydroxylové skupiny monosacharidov čiastočne deprotonované,
rýchlosť určujúcim (t. j. najpomalším) krokom celého mechanizmu je iniciálna b-eliminácia vody.
• Ako katalytická báza sa najčastejšie používa Ca(OH)2, nakoľko Ca2+ ióny efektívne komplexujú enol.
-
11
Reakcie monosacharidov v kyslom prostredí
D-glukóza
2M H2SO4
100°C
pomaly
polysacharid
2M H2SO4
100°C
rýchlo
DEGRADÁCIA
O
H
H
OHH
O
OH
OH
H
H
OH
O
OH
H+H+
O OH
OHO
O
OHO
5-hydroxymetyl-furán-2-karbaldehyd
(5-HMF)
- 2H2OALDO-aleboKETO-
HEXÓZA
H+
H
- H2O
Výroba a využitie HMF
• Kyslo-katalyzovaná dehydratácia (- 3 H2O) monosacharidov poskytuje 5-hydroxymetylfurfural (HMF).
-
12
Mechanizmus vzniku HMF z D-fruktózy
• D-fruktopyranóza (1) ekvilibruje na D-fruktofuranózu (2), ktorá iniciálnou dehydratáciou poskytuje
enol (3). Následnou dehydratáciou jeho oxo-formy vzniká a,b-nenasýtený aldehyd (4), ktorý podlieha
finálnej dehydratácii za vzniku 5-hydroxymetylfurfuralu (HMF) ako stabilného a konečného produktu.
• Nakoľko enolizácia je rýchlosť určujúci krok vzniku HMF, D-fruktóza reaguje rýchlejšie ako D-glukóza.
- H2O
1. enolizáci
a
1. Tautomerizácia
2. - H2O
- H2O
-
13
Mechanizmus vzniku HMF z D-glukózy
• Reaktivita D-glukózy (aldózy) je značne vyššia ako D-fruktózy (ketózy), čoho prejavom je oveľa menšie
zastúpenie acyklickej glukózy v porovnaní s rovnovážnou koncentráciou otvorenej formy D-fruktózy.
• Avšak nakoľko D-glukóza tvorí stabilné cyklické štruktúry, jej enolizácia je pomalšia ako u D-fruktózy.
• Alternatívnym mechanizmom je iniciálna izomerizácia D-glukózy na D-fruktózu, ktorá sa už následne
transformuje na finálny 5-hydroxymetylfurfural vyššie uvedenou kyslo-katalyzovanou transformáciou.
OHO
HO
OHOH
OH
OHHO
HO
OOH
OH
+ H+
- H+
OHHO
HO
OHOH
OH
- H+
+ H+
OHHO
HO
OHOH
OH
D-glukóza
Éndiol
OHHO
HO
OHO
OH
Hydroxyketón
OHO
HO
OH
D-fruktóza
HO
OH
-
1414
Využitie 5-hydroxymetylfurfuralu (HMF)
• 5-Hydroxymetylfurfural (HMF) je kľúčovým medziproduktom syntézy mnohých užitočných zlúčenín:
- biopaliva 2,5-dimetylfuránu (DMF) ako alternatívy k (bio)etanolu,
- fotosenzitizéru kyseliny levulínovej na fotodynamickú onkoterapiu,
- monoméru FDA ako alternatívy kyseliny tereftalovej na prípravu plastov.
-
Kyslo-katalyzovaná hydrolýza celulózy
• Kyslá hydrolýza celulózy na monosacharidy je známa od roku 1819 (Braconnot), pričom charakter
produktov závisí od typu a koncentrácie Brønstedovej kyseliny, rozpúšťadla, teploty a reakčného času.
• Zahrievanie celulózy v konc. roztoku H2SO4 pri ~100°C počas 5-7 h poskytne >80% výťažok D-glukózy.
15
• Intra- a intermolekulové vodíkové väzby spôsobujú extrémnu stabilitu a nerozpustnosť celulózy.
• Výzvou je selektívna a zároveň efektívna chemodegradácia celulózy na využiteľné monosacharidy.
-
Kyslo-katalyzovaná hydrolýza celulózy
16
• Významnou nevýhodou štandardného technického prevedenia hydrolýzy celulózy koncentrovanou
Brønstedovou kyselinou (napr. H2SO4) je korózia aparatúry a generovanie značne kyslého odpadu.
• Riešením je použitie imobilizovaného heterogénneho kyslého katalyzátora, ktorý je navyše ľahko
odstrániteľný z reakčnej zmesi po ukončení hydrolýzy - napr. vo forme magnetických nanočastíc.
• Katalyzátor pozostáva z polymérnej matrice na báze silánov obsahujúcich terminálne -SO3H skupiny.
Kombináciou polyméru s nanočasticami Fe3O4 sa získa tuhá magnetická kyselina s definovanou mezo-
poréznou mikroštruktúrou. Pripravený heterogénny katalyzátor je tepelne stabilný a recyklovateľný.
(Lai et al.: ChemSusChem 2011, 4, 55)
-
17
Katalytické „one-pot“ transformácie celulózy
17
-
18
Využitie lignocelulózy na výrobu chemikálií a palív
-
19
Reakcie monosacharidov – Degradácie – Ruff
OH
HO
OH
OH
OH
O O- (Ca2+)1/2
+ H2O2
Fe3+ O
HO
OH
OH
OH
+ CO2
D-Glukonát vápenatý(Hexóza)
D-Arabinóza(Pentóza)
Otto Ruff
(1871-1939)
• Ruffova degradácia využíva peroxid vodíka v prítomnosti železitanov na premenu vápenatých solí
hexónových kyselín na pentózy. Tentatívne sa predpokladá vznik komplexu cukor/Fe3+/H2O2.
• Mechanisticky predstavuje Ruffova degradácia dvojnásobnú (jedno)elektrónovú oxidáciu.
• V prvom kroku je aldonát (1) oxidovaný na acyloxy radikál (2), ktorý po eliminácii CO2 a
následnej oxidácii poskytne karbkatión (3). Ten je finálne atakovaný H2O za vzniku gem-diolu.
-
20
Reakcie monosacharidov – Degradácie – Hunsdiecker
OAc
AcO
OAc
OAc
OAc
O O-
Br2, CCl4
Ag+
80°C, 4 h
OAc
AcO
OAc
OAc
OAc
O O
- CO2
BrBr
OAc
AcO
OAc
OAc
OAc
AgOAc
OAc
OAc
AcO
OAc
OAc
OAc
D-gluko(Hexóza)
D-arabino(Pentóza)
• Hunsdieckerova degradácia zahŕňa bromáciu striebornej soli karboxylovej kyseliny s následnou
termickou dekarboxyláciou za vzniku o uhlík kratšieho alkylhalidu. Ten sa finálnou reakciou s
AgOAc prevedie na maskovaný aldehyd, ktorý sa izoluje vo forme diesteru terminálneho acetálu.
Heinz Hunsdiecker & Cläre Hunsdiecker
(1904-1981) (1903-1995)
University of Göttingen
-
21
Reakcie monosacharidov – Homologácie – Kiliani-Fischer
O
HO
OH
OH
OH
D-Arabinóza(Pentóza)
NaCN
H2O
pH 9
OH
HO
OH
OH
OH
CN
HO
OH
OH
OH
CN
+
Kyánhydríny(Hexózy)
HO
H+/H2O
H+/H2O
OH
HO
OH
OH
OH
CO2H
HO
OH
OH
OH
CO2H
+
HO
KyselinaD-glukónová
KyselinaD-manónová
• 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 sa finálne aldózy dajú pripraviť totálnou redukciou s LiAlH4.
-
22
(BIO)SYNTÉZA
MONOSACHARIDOV
-
Najdôležitejšia (bio)chemická reakcia na Zemi –Fotosyntéza
23
chlorofyl
380-720 nm
C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O6 CO2 + 12 H2O
(H = 2870 kJ/mol)
-
Formose reaction – Background • The self-condensation of formaldehyde is a one-pot reaction resulting in a complex mixture of sugars.
Usually, an alkaline environment (pH~11) and the presence of catalytically active species are required.
• The formose reaction was previously considered as a prebiotic source for carbohydrates generation.
However, due to the fast degradation of sugars and the missing selectivity, this hypothesis is doubtful.
24
Alexander Michailovič
Butlerov
(1828-1886)
-
Formose reaction – Mechanism • Formaldehyde usually does not react with itself establishing a C–C bond, so that the simplest sugar
glycolaldehyde is formed slowly. However, as soon as some condensation product is present, a cascade
of reactions is initiated, ultimately leading to the formation of various straight/branched carbohydrates.
• Elongation of the carbohydrate backbone occurs via base-catalysed aldol condensation with HCHO,
accompanied by isomerisations. In alkaline medium retro-aldol reactions take place as well, where-
upon both resulting fragments can act as initiators again, thus leading to an autocatalytic system.
• Due to their relative stability pentoses and hexoses are the main products. For prolonged reaction
times however they decompose, recognisable by the yellowing / darkening of the reaction mixture.
25
-
26
Hydrothermal formose reaction
• Habitats with superheated water are available in submarine areas with volcanic activity and such
hydrothermal vents with temperatures around 200°C at a pressure of 20 bar are present in oceans.
• In order to mimic such a demanding conditions, a continuous flow-reactor was designed and tested.
Thus, a 0.5 M formaldehyde solution was heated to 200°C under a pressure of 100 bar. (It should be
noted, however, that such a high concentration of HCHO is not along with prebiotic conditions.)
To vary the pH and to probe for the potential catalysis of simple ions (Na, K, Ca) salts were added.
• Contrary to the formose reaction at ambient temperatures, where hexoses are the main products,
here the shorter carbohydrates (tetroses and pentoses) are preferentially formed. Despite the high
stability that is in principle expected for hexoses, their amount is insignificant at 200°C. Thus, these
results do not show the formose reaction as a player in the prebiotic formation of carbohydrates.
(D. Kopetzki et al.: New J. Chem., 2011, 35, 1787)Hydrothermal vent
(Black smoker)
-
27
Biosyntéza kyseliny L-askorbovej
Esenciálny vitamín
Má antioxidačné vlastnosti
D-enantiomér je neaktívny
-
28
Biosyntéza kyseliny L-askorbovej
[O]