Mauro Tonellato CARBOIDRATI Indice: Definizioni e nomenclatura Carboidrati e semiacetali Proiezioni di Fischer Proiezioni di Haworth Trasformare una struttura di Fischer in una di Haworth Proiezioni conformazionali Trasformare una struttura conformazionale in una di Fischer Proiezioni non convenzionali Reazioni dei semiacetali Chimica del glucosio Mutarotazione Formazione di osazoni Accorciamento della catena: degradazione di Wohl Allungamento della catena: sintesi di Kiliani-Fischer Isomerizzazione alcalina Ossidazione in ambiente basico Ossidazione in ambiente acido con Br2 Ossidazione in ambiente acido con HNO3 Riduzione Acilazione e alchilazione dei gruppi idrossilici Ossidazione con acido periodico www.pianetachimica.it Definizioni e nomenclatura I carboidrati sono le biomolecole più abbondanti sulla Terra, sono una classe di molecole di formula generale Cn(H2O)m anche se è più corretto definirli poliidrossialdeidi o poliidrossichetoni. Possono esistere come monosaccaridi (zuccheri semplici) di formula C n(H2O)n , disaccaridi, oligosaccaridi o polisaccaridi. Alcuni carboidrati (amido e saccarosio) sono importanti per la nostra dieta, dall’ossidazione dei carboidrati (glucosio) ricaviamo l’energia per il nostro metabolismo. Altri carboidrati (ribosio e 2’-deossiribosio) sono costituenti fondamentali degli acidi nucleici e quindi a loro è affidato il nostro patrimonio genetico. Carboidrati più complessi costituiscono la cartilagine, lubrificano le articolazioni ossee, sono coinvolti nel riconoscimento e nell’adesione sulla superficie cellulare. Nelle piante i carboidrati hanno anche funzione strutturale (cellulosa) visto che costituiscono la parete cellulare delle cellule vegetali e il legno degli alberi. Per l’uomo il legno è stato uno dei più importanti materiali da costruzione e, trasformato in carta, è stato fondamentale per il diffondersi della cultura. Dato che i carboidrati sono aldeidi o chetoni con due o più gruppi idrossilici, i più piccoli carboidrati sono la gliceraldeide e l’1,3-diidrossiacetone che hanno tre atomi di carbonio. O H C H C CH2OH OH C CH2OH O CH2OH gliceraldeide 1,3-diidrossiacetone La gliceraldeide ha un centro stereogenico sul C-2 e quindi può esistere in due forme speculari, due enantiomeri chiamati D-gliceraldeide ed L-gliceraldeide. specchio C C H C O H O H HO OH C H CH2OH CH2OH (2R)-2,3-didrossipropanale (2S)-2,3-didrossipropanale D-gliceraldeide L-gliceraldeide La gliceraldeide è rappresentata qui sopra con le proiezioni di Fischer, nelle quali la molecola va disegnata con la catena verticale, con il carbonio più ossidato in alto e con i legami su ogni carbonio rappresentati a croce. Per convenzione, i legami verticali si intendono diretti sotto il foglio e quelli orizzontali si intendono rivolti sopra, verso chi guarda come nella figura seguente. specchio O H H C O H C C OH CH2OH D-gliceraldeide HO C H CH2OH L-gliceraldeide Il nome D-gliceraldeide è dato con la nomenclatura tradizionale, per gli zuccheri infatti si continua ad usare la nomenclatura introdotta da Emil Fischer nel 1850. Nella nomenclatura tradizionale si usano nomi di fantasia (come ad esempio glucosio) per individuare la particolare distribuzione dei gruppi OH nei centri chirali della catena di uno zucchero. L’inconveniente di questa tecnica, quindi, è che bisogna ricordare molti nomi, un nome per ogni coppia di enantiomeri. Se si usasse la nomenclatura sistematica, invece, si potrebbe usare un solo nome per indicare tutti gli zuccheri di una certa lunghezza (ad esempio aldoesoso), ma poi bisognerebbe indicare per ognuno la posizione di tutti gli OH nei centri chirali. In questo modo riconoscere uno zucchero dal suo nome sarebbe più difficile e richiederebbe la perfetta conoscenza della struttura di tutti i centri chirali e inoltre non si indicherebbero in modo chiaro le coppie di enantiomeri. Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova Chimica dei carboidrati 2 www.pianetachimica.it Infatti, con la nomenclatura tradizionale, quando diciamo D-glucosio pensiamo senza incertezze ad uno specifico zucchero, mentre con la nomenclatura sistematica dovremmo dire 2R,3S,4R,5R-aldoesoso, un nome meno immediato da capire, anche se più facile da disegnare. Con la nomenclatura tradizionale è facile anche capire che D-glucosio e L-glucosio sono enantiomeri, mentre bisogna per lo meno scrivere il nome su carta prima di capire che 2R,3S,4R,5R-aldoesoso è l’enantiomero di 2S,3R,4S,5S-aldoesoso. Per concludere, nella nomenclatura tradizionale la posizione dei gruppi OH nei centri stereogenici è definita in modo mnemonico dal nome. Le coppie di enantiomeri hanno lo stesso nome. Il prefisso D o L distingue i due enantiomeri, indica la posizione dell’OH sull’ultimo centro stereogenico in basso, il penultimo carbonio della catena, chiamato anche centro stereogenico principale. La molecola che ha l’OH principale rivolto a destra in Fischer viene denominata D. La figura qui sotto mostra la struttura e la nomenclatura di tutti gli aldosi della serie D, cioè con l’OH dell’ultimo centro chirale in basso rivolto verso DESTRA. I D-aldosi a catena più lunga si possono immaginare derivati dalla reazione di allungamento della D-gliceraldeide, quindi quello che segue è una specie di albero genealogico degli aldosi. H O C H OH CH 2OH D-gliceraldeide O H HO H C H H OH OH H OH CH 2OH CH 2OH D-eritrosio D-treosio O H H C H H HO H HO OH O O H OH H H HO H HO H H HO H HO H HO CH 2OH D-talosio H OH CH 2OH D-galattosio HO H H OH H OH H OH OH H OH H OH O O H OH HO H H OH H OH HO H HO CH2OH D-idosio H O H C H OH O H C H HO D-ribosio D-arabinosio C H CH2OH CH 2OH H C HO OH O H C H H D-xilosio C H HO O C C CH 2OH D-lixosio H O H OH H CH 2OH H O C HO H O H C OH HO O H C C H H OH H H OH H OH H H OH H OH H OH H OH OH H OH H OH H OH H OH CH 2OH D-gulosio CH2OH D-mannosio CH 2OH D-glucosio CH2OH D-altrosio CH2OH D-allosio Accanto a questi aldosi della serie D, esistono altrettanti aldosi della serie L, ciascuno è l’enentiomero di uno zucchero presente qui. Il numero totale di enantiomeri è 2 n con n = numero dei centri chirali. Esistono quindi 21 = 2 aldotriosi, 22 = 4 aldotetrosi, 23 = 8 aldopentosi, 24 = 16 aldoesosi. Il nome di tutti questi zuccheri, naturalmente, va imparato a memoria. Per ricordarli con più facilità qualche piccolo trucco mnemonico può aiutare. Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova Chimica dei carboidrati 3 www.pianetachimica.it Per ricordare che l’eritrosio ha gli OH dalla stessa parte, mentre il treosio li ha da parti opposte, basta osservare che nella parola er itro c’è la lettera i, simbolo di simmetria per inversione, mentre nella parola treo la lettera i non compare. Il Lixosio ha gli OH disposti a forma di L, mentre lo Xilosio li ha disposti quasi a forma di X. L’arabinosio è il precursore del glucosio e ha la stessa disposizione di OH del glucosio nella parte bassa. Il ribosio è lo zucchero dell’RNA e ha tutti gli OH dalla stessa parte. Il Talosio ha gli OH disposti a forma di piede quindi ricorda un Tallone. Il galattosio è l’epimero sul C-4 del glucosio. L’Idosio ha gli OH tutti da parti diverse, quasi avessero una forte personalità, un forte io, ID in tedesco. Il gulosio è il glucosio a testa in giù. Il mannosio è l’epimero sul C-2 del glucosio. Il Glucosio è famoso e si ricorda senza problemi, comunque ha gli OH disposti a G. L’altrosio ha tutti gli OH da una parte fuorchè l’ultimo in alto che è dall’ALTRA parte. L’Allosio ha tutti gli OH da una parte e tutti in tedesco si dice ALLES (Fischer era tedesco). La figura qui sotto mostra la struttura e la nomenclatura di tutti i chetosi della serie D, quelli che hanno l’OH dell’ultimo centro chirale in basso rivolto verso DESTRA come nella D-gliceraldeide. E’ una specie di albero genealogico dei chetosi. CH2OH C O CH2OH 1,3-diidrossiacetone CH2OH C H O OH CH2OH D-eritrulosio HO H CH2OH CH2OH C C O H H OH OH H OH CH2OH CH2OH D-xilulosio D-ribulosio CH2OH CH 2OH CH 2OH CH 2OH C C C C O HO H H HO H HO H O OH O OH H HO O O H H OH H H OH H OH OH H OH H OH CH2OH CH2OH CH 2OH CH 2OH D-tagatosio D-sorbosio D-fruttosio D-psicosio Il primo, 1,3-diidrossiacetone, è l’unico carboidrato privo di centri stereogenici. Per quanto riguarda gli altri chetosi, eritrulosio, xilulosio e ribulosio hanno nomi derivati direttamente dai rispettivi aldosi con la desinenza -osio cambiata in -ulosio. I più comuni sono fruttosio e ribulosio. Il fruttosio insieme al glucosio compone il saccarosio, il comune zucchero da tavola, mentre il ribulosio è un intermedio importante nella via dei pentoso fosfati. Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova Chimica dei carboidrati 4 www.pianetachimica.it Carboidrati e semiacetali Gli alcoli possono sommarsi reversibilmente alle aldeidi formando i semiacetali. OH O + CH3 C OH CH3 CH2 CH3 C H O CH2 CH3 H aldeide alcol semiacetale In generale, però, la formazione del semiacetale tra un alcol e un’aldeide è una reazione sfavorita ed è quindi spostata verso sinistra. Infatti, anche se i legami formati sono globalmente più stabili di quelli di partenza, la reazione è svantaggiosa in termini di disordine molecolare, cioè di entropia, dato che due molecole, l’alcol e l’aldeide, condensano per darne una, il semiacetale. I monosaccaridi costituiscono un’eccezione a questa regola, infatti possiedono contemporaneamente il gruppo aldeidico e quello alcolico nella stessa molecola e quindi possono formare un semiacetale ciclico per condensazione intramolecolare. Nel glucosio la formazione del legame semiacetalico porta alla chiusura di un anello a sei atomi privo di tensioni. Questa reazione risulta altamente favorita dato che non comporta diminuzione del numero di molecole e quindi l’entropia non è più sfavorevole. Il D-glucosio esiste, all’equilibrio, prevalentemente in forma ciclizzata nella quale l’ossidrile in posizione 5 ha reagito con il C-1 aldeidico formando un legame semiacetalico intramolecolare, mentre solo una piccola quantità, lo 0,02 %, resta nella forma aldeidica libera. Per maggior chiarezza, gli idrogeni legati all’anello verranno omessi, e il loro legame col carbonio verrà mostrato vuoto. H O O C CH2OH OH HO HO OH OH HO CH2OH HO H O + OH O pirano OH HO OH OH O CH2OH D (+) β-glucofuranosio D (+) β-glucopiranosio D (+) glucosio furano In linea di principio, tutti e cinque gli ossidrili possono sommarsi al gruppo carbonilico per formare semiacetali ciclici di diversa grandezza. In pratica, però, si formano solo gli anelli più stabili, cioè quelli a cinque o a sei atomi. L’anello a sei atomi viene chiamato piranosio, un nome derivato da pirano, l’etere ciclico a sei atomi mostrato in figura. Mentre l’anello a cinque atomi viene chiamato furanosio, da furano. Il nome dello zucchero in forma ciclica si ottiene sostituendo la desinenza –sio dello zucchero con piranosio o furanosio a seconda che si sia formato un anello a sei o a cinque atomi. Così il glucosio in forma ciclica viene chiamato glucopiranosio o glucofuranosio, ma il primo, l’anello a sei atomi, è la forma più stabile in soluzione. Il fruttosio diventa fruttopiranosio o fruttofuranosio, in questo caso, però le due forme hanno stabilità paragonabili tanto che, in soluzione, sono presenti nella proporzione 70 : 30. nuovo centro stereogenico CH2OH C O HO OH OH CH2OH D (-) fruttosio CH2OH O HO OH OH OH CH2OH D (-) β-fruttopiranosio 70% O OH + OH OH CH2OH D (-) β-fruttofuranosio 30% Si osservi che nella forma ciclizzata si è creato un nuovo centro stereogenico dato che il carbonio carbonilico sp2 planare viene trasformato in un carbonio semiacetalico asimmetrico sp 3. Dato che l’ossidrile può attaccare il carbonio aldeidico da sopra o da sotto il piano molecolare sp 2, si possono formare due diversi semiacetali isomeri chiamati anomeri α e β, il nuovo carbonio stereogenico viene chiamato anche carbonio anomerico. Nelle figure qui sopra sono state mostrate solo le forme β, nelle prossime pagine impareremo a riconoscere e a nominare entrambe le strutture. Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova Chimica dei carboidrati 5 www.pianetachimica.it Proiezioni di Fischer Le strutture cicliche di glucosio e fruttosio sono state disegnate nella pagina precedente usando le proiezioni conformazionali. Questo è il modo più moderno e corretto per rappresentarle, ma esistono altre due convenzioni accettate: le proiezioni di Fischer e di Haworth. Le proiezioni di Fischer delle strutture cicliche semiacetaliche offrono il vantaggio di essere facilmente correlabili alle strutture di Fischer aperte. Per convenzione la molecola va disegnata verticale nella forma completamente eclissata con il carbonio più ossidato verso l’alto. I carboni asimmetrici occupano il centro dei legami a croce, i legami verticali si intendono diretti sotto il piano del foglio, i legami orizzontali sono rivolti verso chi guarda. Per chiudere il ciclo si usa il solo legame semiacetalico che quindi assume una lunghezza e una forma anomale. trans β cis α carbonio anomerico O H OH C OH OH HO HO OH HO OH O + HO OH .. OH OH CH2OH destra D CH2OH α-D-glucopiranosio D-glucosio O CH2OH destra D β-D-glucopiranosio Si ottengono così i due anomeri α e β che differiscono solo per la configurazione sul carbonio anomerico e vengono chiamati α o β in base alla seguente definizione: nell’anomero α, l’OH anomerico è diretto dalla stessa parte dell’OH principale , quello che attribuisce la configurazione D o L alla molecola; nell’anomero β l’OH anomerico è diretto dalla parte opposta rispetto all’OH principale. Quindi, nell’anomero α, l’OH anomerico è diretto verso destra negli zuccheri della serie D, mentre è diretto verso sinistra negli zuccheri della serie L. Proiezioni di Haworth Le proiezioni di Haworth rispecchiano meglio la reale struttura tridimensionale degli zuccheri. Secondo questa convenzione l’etere ciclico deve essere rappresentato come un esagono o un pentagono con il carbonio anomerico a destra e l’ossigeno eterociclico in alto. I legami che escono dall’anello devono essere disegnati come trattini verticali. Anche qui per rendere più leggibili le molecole vengono sottointesi gli atomi di idrogeno legati all’anello. O H C CH2OH O OH HO carbonio anomerico + OH HO OH .. OH lato D CH2OH D-glucosio CH2OH O OH OH OH lato L β OH HO lato D α lato D α-D-glucopiranosio OH lato D carbonio anomerico β-D-glucopiranosio Capire la corrispondenza tra strutture ad esagono e strutture di Fischer aperte non è una cosa immediata. Se però si osserva che la struttura verticale dello zucchero (secondo Fischer) per diventare struttura ad esagono deve prima essere ruotata vero destra e sdraiata orizzontale, allora si capisce che il lato destro della struttura aperta, dopo la rotazione, si trova in basso nella struttura ciclica. Quindi il lato D (destro) nelle strutture cicliche secondo Haworth si trova in basso. Nel D-glucosio (nel quale l’OH principale è a destra), l’anomero α ha l’OH anomerico in basso (lato D), mentre l’anomero β ha l’OH in alto (lato L). Per capire meglio la relazione tra struttura di Fischer aperta e struttura di Haworth, nella prossima pagina è mostrata passo passo la trasformazione da una struttura all’altra. Si consiglia di seguire in modo particolare la posizione dell’OH principale, quello che determina la configurazione D o L della molecola, evidenziato con un cerchietto grigio. Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova Chimica dei carboidrati 6 www.pianetachimica.it Il primo passo della trasformazione è la rotazione della struttura di Fischer verso destra di 90 gradi, in questo modo le parti che si trovano a destra in Fischer vengono a trovarsi in basso nella struttura ruotata. Il lato L (sinistro) e il lato D (destro) si trovano quindi rispettivamente in alto e in basso nella struttura ruotata. H H O rotazione verso destra OH HO O HO-CH2 C lato D C OH C OH OH C HO CH2OH basso destra D destra D C C OH OH lato D D glucosio il lato destro ora è in basso La testa e la coda della molecola vengono ora avvicinate: la struttura ciclica comincia a prendere forma. Prima di poterla chiudere, però, è necessario ruotare il C-5 per portare nel piano dell’anello l’OH che deve reagire con il gruppo aldeidico, in questo caso l’OH principale. basso destra D l'OH principale non è più in basso (D) CH2OH HO CH2OH H OH C O OH OH rotazione sul C-5 HO C O OH OH chiusura dell'anello H OH lato D lato D La rotazione al C-5 ha tolto l’OH principale dalla sua posizione in basso (destra), mentre ha portato il CH 2OH terminale in alto (sinistra) dalla parte opposta a quella che spettava all’OH principale. La chiusura dell’anello porta alla formazione degli anomeri α e β. alto, quindi l'OH era in basso D basso lato D CH2OH O HO OH α + OH OH α-D-glucopiranosio alto, quindi l'OH era in basso D CH2OH O HO alto lato L β Lato L OH OH OH Lato D β-D-glucopiranosio Quando l’OH principale è coinvolto nel legame semiacetalico, come in questo caso, non può essere utilizzato per attribuire la configurazione assoluta perché si viene a trovare nel piano dell’anello e non è più diretto verso il basso (lato D). In questo caso la configurazione assoluta D o L può essere assegnata osservando che la posizione che spettava all’OH principale è sul lato opposto rispetto al CH2OH terminale. In questo caso il CH2OH terminale è in alto, quindi la posizione che spettava all’OH principale era in basso (lato D) e la configurazione è D. La configurazione α o β può essere attribuita osservando che l’OH dell’anomero α deve avere la stessa configurazione di quello principale. Quindi, negli zuccheri della serie D, l’anomero α ha l’OH anomerico rivolto in basso (lato D), mentre l’anomero β ha l’OH in alto (lato L) Riassumendo: il carbonio stereogenico principale in uno zucchero della serie D deve avere: 1) (in Fischer) l’OH rivolto verso destra; 2) (in Haworth) l’OH rivolto verso il basso (lato D), se non è impegnato nel chiudere l’anello; 3) (in Haworth) la posizione opposta al CH 2OH terminale verso il basso (lato D), se l’OH principale chiude l’anello; 4) configurazione R. il carbonio anomerico α nei furanosi e nei piranosi (sia D che L) deve avere: 1) (in Fischer) l’OH in cis rispetto all’OH principale. 2) (in Haworth) l’OH in basso (lato D) negli zuccheri D, l’OH in alto (lato L) negli zuccheri L. Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova Chimica dei carboidrati 7 www.pianetachimica.it Seguono alcuni esempi di monosaccaridi disegnati secondo la proiezione di Haworth. Le frecce indicano come si decide la configurazione D o L, α o β. D H L alto β basso D O O C H O C HO OH HO OH OH OH O CH2OH OH OH OH CH2OH D-eritrosio β-D-eritrofuranosio H basso D α-L-glucopiranosio L-glucosio D D C HOCH2 O OH OH OH CH2OH H alto β HO H HO HO OH OH OH CH2OH O OH basso α OH OH C4 a destra α-D-mannofuranosio CH2OH OH β-D-ribofuranosio D-ribosio D O C OH OH HO HO HO CH2OH O alto α alto L D-mannosio Trasformare una struttura di Fischer in una di Haworth Vogliamo trasformare il D-glucosio disegnato in proiezione aperta di Fischer, in β-piranosio secondo Haworth. 1) Numerare la catena del glucosio e identificare l’OH che chiude l’anello. In questo caso l’OH che chiude il ciclo a sei atomi è quello sul C-5, l’OH principale. H D O 1 C 2 OH che chiude il ciclo a 6 atomi OH 3 HO 4 OH OH 5 6 CH2OH D-glucosio 2) Disegnare l’anello di un piranosio generico secondo la proiezione di Haworth e numerare la catena di atomi di carbonio. 5 O 4 1 3 2 3) Trascrivere i gruppi OH dalla struttura di Fischer a quella di Haworth. Gli OH che si trovano a destra in Fischer vanno posti in basso (lato D) nella struttura di Haworth. L’OH principale sul C-5 non va trascritto, ne va solo marcata la posizione, dato che è stato ruotato per chiudere l’anello. Scrivere quindi solo gli OH sui carboni 2, 3 e 4. H 1 O Lato L C 2 HO OH 3 4 5 OH OH destra sinistra destra destra 6 destra destra 5 4 HO OH 3 sinistra CH2OH Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova O 1 2 OH Lato D destra Chimica dei carboidrati 8 www.pianetachimica.it 4) Scrivere ora il CH2OH terminale che va posto sul C-5 dalla parte opposta a quella che spettava all’OH principale, quindi verso l’alto. dalla parte opposta a quella che spettava all'OH principale CH2OH O 5 4 HO OH 3 1 2 OH 5) Infine va disegnato l’OH anomerico sul C-1, il nuovo centro asimmetrico. In questo caso, dato che vogliamo ottenere l’anomero β, l’OH va messo dalla parte opposta rispetto alla posizione che spettava all’OH principale, cioè va posto sopra, sul lato L della molecola. basso D CH2OH O alto lato L β OH OH HO OH β-D-glucopiranosio Proiezioni conformazionali Le proiezioni di Haworth descrivono meglio la struttura tridimensionale degli zuccheri rispetto a quelle di Fischer, ma sono in ogni caso una semplificazione. Per avere una rappresentazione più accurata si utilizzano le proiezioni conformazionali che rappresentano i piranosi con strutture a sedia e i furanosi con strutture a busta. In questo modo è possibile valutare meglio i dettagli strutturali distinguendo i legami assiali da quelli equatoriali. Le considerazioni fatte con le proiezioni di Haworth a proposito di forme D e L, anomeri α e β valgono anche per le proiezioni conformazionali. Per convenzione l’ossigeno semiacetalico va disegnato in alto e il carbonio anomerico a destra. carbonio anomerico D O H D α β C CH2OH OH HO HO CH2OH O HO + HO OH OH HO OH .. O OH OH OH CH2OH α-D-glucopiranosio D-glucosio β-D-glucopiranosio Seguono alcuni esempi di monosaccaridi disegnati con la proiezione conformazionale. D CH2OH D α C O O OH HO HO OH OH CH2OH O D β D O OH OH D-eritrosio O OH OH OH α-D-fruttofuranosio H O D OH OH OH β-D-eritrofuranosio Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova α D C C CH2OH α CH2OH α-D-fruttopiranosio D-fruttosio H + OH OH ciclo a 5 ciclo a 6 CH2OH HOCH2 OH OH OH CH2OH D-ribosio Chimica dei carboidrati HOCH2 O OH OH OH α-D-ribofuranosio 9 www.pianetachimica.it L H α L O C α L OH OH HO OHO OH HO HO HOCH2 OH CH2OH OH HO OH CH2OH L-α-glucopiranosio molti sostituenti equatoriali, più stabile L-α-glucopiranosio molti sostituenti assiali, meno stabile L-glucosio O HO Gli anomeri α e β non sono enantiomeri (cioè non sono speculari tra loro), ma sono diastereoisomeri, infatti differiscono nella configurazione di un solo centro asimmetrico ( α → β), mentre sono identici nel resto della molecola. L’enantiomero, cioè la molecola speculare, di α-D-glucopiranosio è α-L-glucopiranosio CH2OH HO O O HOCH2 OH HO OH OH HO OH OH specchio α-D-glucopiranosio α-L-glucopiranosio Trasformare una struttura conformazionale in una di Fischer Per riconoscere uno zucchero disegnato in proiezione di Haworth o conformazionale è opportuno trascriverlo in struttura di Fischer aperta nella quale la sequenza degli OH è più facilmente riconoscibile. Si procede così: 1) Identificare il carbonio semiacetalico osservando che è l’unico al quale sono legati contemporaneamente due ossigeni. Se la molecola è scritta in modo standard, questo deve essere il carbonio a destra. 2) Attribuire la numerazione alla catena principale assegnando il numero più basso possibile al carbonio semiacetalico. Se questo è il C-1, allora la molecola è un aldoso, se è il C-2 si tratta di un chetoso. Il seguente monosaccaride, per esempio, è un aldoso con 6 atomi di carbonio. OH CH OH 2 6 4 HO 5 3 carbonio semiacetalico O 2 1 OH OH 3) Disegnare la struttura di Fischer vuota, cioè senza gli OH sui carboni chirali. In questo caso, disegnare la struttura di un aldoso generico con 6 atomi di carbonio: un aldoesoso. H O C CH2OH 4) Trascrivere i gruppi OH dalla struttura conformazionale a quella di Fischer. Gli OH che si trovano in basso nella struttura conformazionale vanno posti a destra in quella di Fischer. La posizione che compete all’OH che ha chiuso l’anello sul C-5 è dalla parte opposta rispetto al CH 2OH terminale. L’OH sul C-1 non va trascritto perchè è l’ossigeno del carbonile. posizione che spetta all'OH che ha chiuso l'anello sul C-5 H OH CH OH 2 6 4 HO 5 3 1 O C 2 O 2 1 HO HO OH OH posizione dei 4 OH su C5, C4, C3, C2 (sotto = destra) Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova OH 3 4 5 OH 6 destra, sinistra, sinistra, destra 5 4 3 2 Chimica dei carboidrati CH2OH 10 www.pianetachimica.it 5) Attribuire i nomi alle due strutture ottenute. Dalla struttura lineare di Fischer è facile riconoscere Dgalattosio, quindi lo zucchero iniziale in proiezione conformazionale era β-D-galattopiranosio. β D OH CH OH 2 D H O C OH O HO HO OH HO OH OH CH2OH β-D-galattopiranosio D-galattosio Proiezioni non convenzionali Finora abbiamo considerato sempre piranosi e furanosi disegnati con proiezioni di Haworth o conformazionali di tipo standard, cioè con il carbonio anomerico a destra e l’ossigeno eterociclico in alto. Quando si incontrano proiezioni non convenzionali come quella nella figura seguente, può essere difficile riconoscere la struttura di un monosaccaride ed attribuire la configurazione D o L, α o β. In questi casi è necessario trasformare la proiezione non convenzionale in una proiezione standard e su questa poi riconoscere la configurazione D o L, α o β. Dato il seguente monosaccaride disegnato in proiezione non standard si procede come segue. OH OH HO O HOCH2 OH proiezione conformazionale non standard 1) Identificare il carbonio semiacetalico osservando che è l’unico al quale sono legati contemporaneamente due ossigeni. 2) Attribuire la numerazione alla catena principale assegnando il numero più basso possibile al carbonio semiacetalico. OH 6 HO HOCH2 4 O 5 OH 2 3 carbonio semiacetalico 1 OH 3) Disegnare un anello piranosidico standard senza sostituenti e numerare la catena di atomi di carbonio. 6 4 O 5 3 2 1 4) Confrontare la struttura non convenzionale con quella standard: verificare se la rotazione che si osserva passando dal C-1 al C-5 è la stessa nelle due molecole. OH HO 4 5 HOCH2 2 3 O OH O 4 5 3 1 2 1 OH 4 5 3 5 2 4 1 1 rotazione a sinistra Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova 3 2 rotazione a destra Chimica dei carboidrati 11 www.pianetachimica.it 5) Dato che le rotazioni osservate sono opposte, la molecola non convenzionale è disegnata capovolta rispetto a quella standard. Quindi, nella nuova struttura, si devono trascrivere i gruppi sostituenti dalla parte opposta rispetto al piano molecolare. Gli OH che si trovavano sotto vanno trascritti sopra e viceversa. (Se, invece avessimo ottenuto rotazioni identiche, i gruppi sostituenti dovevano essere trasferiti senza capovolgimenti). OH HO 4 HOCH2 4 HOCH2 1 3 OH OH OH sotto, sopra, sopra, sotto, sopra 2 1 2 3 OH 1 O 5 capovolgere 2 3 O 5 OH OH 4 sopra, sotto, sotto, sopra, sotto 5 1 2 3 4 5 6) La proiezione standard ottenuta va trasformata in proiezione di Fischer per assegnarle un nome: α L L H O C OH OH OH O HOCH2 HO HO OH OH OH CH2OH α-L-mannopiranisio L-mannosio I seguenti esempi possono chiarire ulteriormente il procedimento: CH2OH O OH CH2OH 5 OH OH HOCH2 3 OH CH2OH 4 2 rotazione a sinistra struttura da capovolgere 2 O OH OH OH OH OH CH2OH α 5 1 OH OH 2 3 CH2OH 5 HO 1 5 rotazione a destra struttura da non capovolgere Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova 5 4 3 2 O C O OH 2 3 D H OH 4 1 proiezione non standard 4 O CH2OH L-fruttosio furanosio standard OH CH OH 2 4 3 HO HO 2 3 D OH C O OH 5 3 5 2 OH OH 4 CH2OH 4 HO 2 L O 5 CH2OH O OH 3 1 4 CH2OH proiezione non standard α L 6 OH 1 piranosio standard Chimica dei carboidrati HO HO HO OH CH2OH D-talosio 12 www.pianetachimica.it Reazioni dei semiacetali Le reazioni più importanti dei semiacetali sono: A) idrolisi del semiacetale con scissione del legame etereo per tornare all’aldeide libera. B) disidratazione del gruppo alcolico e formazione dell’acetale per reazione con un altro alcol. OH O CH3 CH2 H + H − (OH ) CH3 C OH OH CH3 C O CH2 CH3 CH3 C + H H A aldeide O CH3 CH2 semiacetale CH2 CH3 O CH2 CH3 H B acetale Queste due reazioni avvengono facilmente in condizioni blande mentre sappiamo che eteri e alcoli sono molecole relativamente stabili. Gli eteri danno scissione solo se trattati con HI concentrato a 130 °C, Gli alcoli si disidratano formando gli eteri solo se trattati con H 2SO4 concentrato a 140 °C. La particolare facilità con cui avvengono invece queste reazioni nei semiacetali in ambiente acido è dovuta al fatto che i due ossigeni, alcolico ed etereo, sono presenti contemporaneamente sullo stesso atomo di carbonio e quindi ciascuno dei due può stabilizzare per risonanza il carbocatione intermedio che si forma quando l’altro esce come alcol o come acqua. In pratica ciascuno dei due facilita l’uscita dalla molecola dell’altro. Negli alcoli e negli eteri il carbocatione non è stabilizzato e questo spiega le differenze di reattività. Si osservi che l’idrolisi del legame etereo semiacetalico, che dà luogo all’aldeide libera, può avvenire anche con catalisi basica, dato che in ambiente basico può essere strappato l’H + del gruppo alcolico e l’O − che rimane spinge in modo più efficace fuori dalla molecola il gruppo RO − per riformare l’aldeide libera. D’altro canto né la formazione né l’idrolisi dell’acetale sono possibili in ambiente basico perché non ci sono H + da strappare sull’ossigeno etereo, è per questo che gli acetali sono labili agli acidi, ma sono stabili alle basi. A) Idrolisi del semiacetale 1) catalisi acida OH CH3 C .. O CH2 CH3 + :OH + H CH3 C H semiacetale H OH + CH3 C O CH2 CH3 H O CH3 C H H aldeide 2) catalisi basica CH3 C :O− − :OH OH O CH2 CH3 CH3 C H semiacetale O CH3 C O CH2 CH3 H H aldeide B) Disidratazione e formazione dell’acetale catalisi solo acida! .. OH CH3 C + H : OH + OH2 O CH2 CH3 C CH3 H semiacetale H O .. CH2 CH3 Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova CH2 CH3 + O CH2 CH3 CH3 C O CH2 CH3 C O CH2 H CH3 H CH3 acetale Chimica dei carboidrati 13 www.pianetachimica.it Chimica del glucosio La chimica del glucosio è caratterizzata dalla presenza del legame semiacetalico, infatti la maggior parte delle reazioni del glucosio avvengono o sull’aldeide libera, dopo apertura dell’anello, o per sostituzione dell’OH anomerico. 1) Reazioni sull’aldeide libera. Il glucosio, dopo l’apertura dell’anello, può dare le reazioni tipiche delle aldeidi. Tra queste ricordiamo le ossidazioni, le reazioni con fenilidrazina, gli allungamenti e gli accorciamenti di catena. L’apertura dell’anello con scissione del legame etereo semiacetalico può avvenire con catalisi sia acida che basica, di seguito sono illustrati i meccanismi. Catalisi acida H CH2OH HO H O: HO + HO OH CH2OH HO OH .. HO OH O C H CH2OH + O OH OH OH HO OH + OH HO C OH OH H CH2OH Catalisi basica H CH2OH HO O HO CH2OH HO OH O C .. − OH CH2OH O − O .. HO OH HO OH − O OH HO O HO OH C OH OH H CH2OH 2) Reazioni con sostituzione dell’OH anomerico. Queste reazioni possono avvenire dopo disidratazione del semiacetale. Tra queste ricordiamo le reazioni di formazione dei glicosidi. Si può avere l’ingresso di un gruppo alcolico come nei polisaccaridi o di un gruppo amminico come negli acidi nucleici. Il meccanismo della formazione del metil-glucopiranoside è il seguente e prevede la formazione di un carbocatione intermedio, stabilizzato per risonanza, a forma di mezza sedia. La catalisi è solo acida. CH2OH HO H O + HO .. OH HO CH2OH O: HO + OH2 HO OH CH2OH + O β C .. HOCH .. 3 H α HO OH OH intermedio carbocatione a mezza sedia D-glucopiranosio CH2OH HO CH2OH O HO OH HO OCH3 β-D-metilglucopiranoside + O HO OH OCH3 α-D-metilglucopiranoside Si è formata una miscela di α e β metilglucopiranoside dato che l’attacco al carbocatione intermedio può avvenire sia da sopra che da sotto il piano molecolare, anche se è più favorito il prodotto alfa che ha il sostituente OCH3 assiale (effetto anomerico). In natura, invece, queste reazioni non sono lasciate al caso, ma sono condotte da enzimi specifici. Per esempio, nella sintesi del glicogeno, l’UDP-glucosio (uridina glucosio difosfato) viene idrolizzato e trasformato nel carbocatione intermedio a mezza sedia, questo può reagire solo con il lato inferiore della molecola dato che si trova legato nel sito attivo dell’enzima che rende inaccessibile l’altra faccia. Così, per reazione con l’OH, legato al C-4 terminale di una catena di glicogeno in accrescimento, si ottengono solo legami di tipo alfa, come è illustrato nella figura seguente. Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova Chimica dei carboidrati 14 www.pianetachimica.it CH2OH HO sito attivo dell'enzima O: HO HO OH + AA-H CH2OH + O O C H HO O− OH −O P O P O U .. O sito attivo dell'enzima AA: O .. HO HO catena di glicogeno in accrescimento CH2OH O OH O HO CH2OH O OH L’amminoacido protonato AAH+ favorisce la formazione del carbocatione intermedio sul glucosio O L’amminoacido AA si riprotona e attiva l’ossigeno sul C-4 terminale del glicogeno che attacca da sotto il carbocatione intermedio Mutarotazione La mutarotazione è un fenomeno che si osserva al polarimetro quando si misura il potere rotatorio di uno zucchero appena sciolto in acqua. Il potere rotatorio continua a cambiare per circa un’ora dal momento di preparazione della soluzione fino a stabilizzarsi su un valore di equilibrio che rimane poi costante nel tempo. La mutarotazione può essere facilmente compresa considerando la struttura ciclica degli zuccheri. I due anomeri α e β di uno zucchero sono diastereoisomeri e quindi hanno proprietà chimico-fisiche diverse. Quando si cristallizza uno zucchero, per esempio glucosio, precipita uno solo dei due anomeri, quello che in quel solvente risulta meno solubile. Il glucosio commerciale viene cristallizzato da soluzioni acquose nelle quali l’anomero α è il meno solubile e quindi è costituito da α-D-glucopiranosio cristallino che ha potere rotatorio specifico +112° e punto di fusione 146 °C. Quando si prepara una soluzione di glucosio, in realtà si scioglie α-D-glucopiranosio puro, quindi si misura inizialmente un potere rotatorio specifico di +112°. Questo valore, però, non rimane costante, ma scende lentamente fino a +52,5°, caratteristico delle soluzioni di D-glucosio nelle quali sono presenti all’equilibrio i due anomeri α e β. La stessa cosa accade sciogliendo in acqua β-D-glucopiranosio puro (che si può cristallizzare da soluzioni di glucosio in etanolo ed acqua), cioè si osserva che il potere rotatorio specifico non rimane costante, ma aumenta lentamente da +18,7° (anomero β puro) fino a +52,5° α e β all’equilibrio). Questa variazione del potere rotatorio o mutarotazione è dovuta all’isomerizzazione dell’anomero puro che era stato sciolto inizialmente in acqua e che si trasforma lentamente in una miscela di anomeri α e β nella quale i due anomeri sono presenti all’equilibrio. La reazione può essere accelerata con catalisi acida o basica. Il fenomeno della mutarotazione dimostra che il legame etereo semiacetalico si idrolizza facilmente anche in acqua pura formando piccole quantità di aldeide libera. Quando l’anello si richiude, l’ossigeno del carbonile si può trovare rivolto in alto o in basso formando una miscela di α e β-D-glucopiranosio. La miscela di equilibrio contiene circa il 36 % di anomero α, il 64 % di anomero β e soltanto lo 0,02 % di aldeide libera. CH2OH HO CH2OH HO HO CH2OH H + O OH .. HO HO OH OH .. α 100 % glucosio appena sciolto α°= +112° Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova HO H + O H OH β OH .. 64 % +O OH C CH2OH H aldeide libera 0,02 % HO HO H + O OH α 36 % OH .. soluzione all’equilibrio α°= +52,5° Chimica dei carboidrati 15 www.pianetachimica.it Formazione di osazoni I monosaccaridi esistono prevalentemente nella forma ciclica semiacetalica, ma esiste sempre all’equilibrio una piccola percentuale di aldeide libera, come è dimostrato dalla mutarotazione, grazie alla facile scissione del legame etereo semiacetalico. Il gruppo aldeidico libero di un monosaccaride può reagire con i reagenti tipici del gruppo carbonilico come fenilidrazina, idrossilammina e acido cianidrico. Qui esaminiamo la reazione dei monosaccaridi con fenilidrazina. Se questa reazione viene condotta a freddo con una mole di fenilidrazina, si formano i fenilidrazoni, che però, essendo solubili in acqua, sono di scarso interesse ai fini della loro separazione e identificazione. Se invece i monosaccaridi vengono fatti reagire a 100 °C con un eccesso di fenilidrazina (3:1) si ottengono i difenilidrazoni chiamati osazoni che sono solidi cristallini, poco solubili in acqua fredda, con punti di fusione caratteristici. La reazione è interessante in quanto si assiste all’ossidazione dell’ossidrile adiacente al gruppo carbonilico e alla riduzione di una molecola di fenilidrazina ad ammoniaca e anilina. Consideriamo per esempio il D-glucosio. La reazione inizia con l’attacco della fenilidrazina al gruppo aldeidico libero che porta alla formazione del fenilidrazone. H .. C H HO H H N NH H O C NH2 NH OH H OH OH CH2OH H HO H H - H2O D-glucosio, forma aldeidica OH H OH OH CH2OH fenilidrazone del D-glucosio Questo, in presenza di un eccesso di fenilidrazina, può tautomerizzare producendo piccole quantità di una molecola simile all’enediolo. Quest’ultima, attraverso un arrangiamento ciclico a sei atomi, dà luogo ad una ossidoriduzione interna. Si ossida il C-2 formando un carbonile, mentre i due atomi di azoto vengono ridotti ed uno viene eliminato come anilina. H N NH H C H HO H H NH .. 2 NH OH H OH OH CH2OH HO NH C NH .. C C H C O NH2 O HO OH OH CH2OH OH OH CH2OH tautomeria fenilidrazone H NH + intermedio simile all’enediolo La molecola che si ottiene è un chetone sul C-2 e un’immina sul C-1 e può quindi reagire con altre due molecole di fenilidrazina portando all’osazone. H C C C N NH H NH + H O HO OH OH CH2OH + 2 NH2 NH C N NH HO OH OH CH2OH + H2O + NH3 osazone Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova Chimica dei carboidrati 16 www.pianetachimica.it Si noti che viene ossidato un solo gruppo ossidrilico, quello adiacente al carbonile, la fenilidrazina non è in grado di continuare l’ossidazione lungo la catena. La sintesi degli osazoni ha avuto una notevole importanza, dal punto di vista analitico, infatti gli osazoni sono composti facilmente cristallizzabili e purificabili con un punto di fusione caratteristico, mentre le soluzioni zuccherine tendono a formare degli sciroppi difficilmente purificabili per cristallizzazione. Dato che l’uso principale degli osazoni è l’identificazione dei monosaccaridi di partenza, essi presentano un inconveniente: il centro asimmetrico sul C-2 dello zucchero originale viene perduto. Riconoscere l’osazone di un aldoso sconosciuto, attraverso il suo punto di fusione, consente almeno di limitare il campo di indagine ai due soli aldosi epimeri sul C-2 che danno quell’osazone. (Per definizione due monosaccaridi che differiscono per la configurazione di un solo centro asimmetrico vengono chiamati epimeri). Due aldosi epimeri sul C-2, come D-glucosio e D-mannosio, danno quindi lo stesso osazone, con punto di fusione 205 °C, dato che hanno la stessa configurazione ai carboni C-3, C-4, C-5. H N NH H O H C C C OH HO N NH HO HO OH OH CH2OH glucosio CH2OH C O C HO OH OH CH2OH O osazone (p.f. 205 °C) HO OH OH CH2OH OH OH CH2OH D-mannosio D-fruttosio D- Anche un chetoesoso, il fruttosio, dà lo stesso osazone di glucosio e mannosio. Questo dimostra che il fruttosio ha la stessa configurazione al C-3, C-4, C-5 di glucosio e mannosio, inoltre dimostra che nel fruttosio, durante la sintesi dell’osazone, si ossida sempre il carbonio primario C-1 piuttosto di quello secondario C-3. Il carbonio primario, infatti, regge meglio la carica negativa nello stato di transizione per la formazione dell’enediolo. Accorciamento della catena: degradazione di Wohl Per accorciare la catena di atomi di carbonio di un aldoso, il metodo più usato è la degradazione di Wohl. Questa è costituita da una sequenza di 5 reazioni che qui vengono illustrate nel caso del D-glucosio. La degradazione inizia con la reazione del gruppo aldeidico libero del D-glucosio con idrossilammina per ottenere la corrispondente ossima. Questa viene poi disidratata a nitrile con anidride acetica. Non si può usare un disidratante troppo forte come SOCl 2 che trasformerebbe tutti gli ossidrili in cloruri alchilici distruggendo in modo irreversibile la molecola. Con anidride acetica gli ossidrili vengono acetilati, cioè convertiti in esteri dell’acido acetico che poi possono essere facilmente idrolizzati. + OH O H H O C N OH CH3 C O .. H C OH HO OH OH CH2OH D-glucosio NH2OH + H N O C CH3 C OH HO OH OH CH2OH ossima Ac2O + H C OAc calore AcO N OAc AcO OAc OAc CH2OAc ossima acetilata OAc OAc CH2OAc cianidrina acetilata Gli esteri acetici presenti nella cianidrina acetilata si devono idrolizzare in ambiente basico anidro con metossido di sodio in metanolo per evitare la contemporanea idrolisi del nitrile che avverrebbe facilmente in ambiente acquoso. La cianidrina ottenuta non è stabile in ambiente basico e tende ad eliminare il gruppo CN − dando luogo all’aldeide con un carbonio in meno. Questa reazione può essere spinta a completezza con Ag 2O dato che Ag+ sottrae all’equilibrio gli ioni CN − precipitando sotto forma di AgCN bianco. Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova Chimica dei carboidrati 17 www.pianetachimica.it C N OAc C CH3O- AcO OAc OAc CH2OAc N OH HO OH OH CH2OH CH3OH nidrina acetilata C CH3O- H N O .. C Ag2O HO O HO OH + AgCN OH CH2OH OH OH CH2OH CH3OH cianidrina cia D-arabinosio Si è ottenuto D-arabinosio un aldopentoso che ha un carbonio in meno nella catena rispetto al D-glucosio. Il C-1 del glucosio è stato perso sotto forma di acido cianidrico dalla cianidrina intermedia. La cianidrina è la molecola chiave della degradazione di Wohl in quanto dalla cianidrina è possibile ottenere l’aldeide con un carbonio in meno. E’ importante osservare che questo equilibrio, a seconda del pH, può essere spostato facilmente in una direzione o nell’altra tanto che la cianidrina è l’intermedio chiave sia nella degradazione che nella reazione opposta di allungamento di catena. H C O C + - C N H R N + H C C OR H OH N C OH R allungamento aldeide con un carbonio in meno cianidrina con un carbonio in più degradazione Allungamento della catena: sintesi di Kiliani-Fischer La sintesi di Kiliani-Fischer permette di allungare di una unità la catena di atomi di carbonio in un aldoso. La sintesi inizia con la reazione del gruppo aldeidico libero dell’aldoso con acido cianidrico per formare la cianidrina con un carbonio in più. Si ottengono le due cianidrine epimere sul C-2, infatti lo ione CN- che attacca l’aldeide può portare l’attacco da sopra o da sotto il piano molecolare sp 2 dando origine a due opposte configurazioni sul C-2. Le cianidrine vengono poi idrolizzate ai rispettivi acidi aldonici. Con il D-arabinosio avremo: O H O C HO OH OH CH2OH D-arabinosio .. C - N C H+ C N HO HO N OH HO OH OH CH2OH OH OH CH2OH cianidrine epimere OH O C H+ H2O HO HO OH C OH HO OH OH CH2OH OH OH CH2OH acido mannonico e gluconico C5 C6 C6 La riduzione controllata dell’acido carbossilico ad aldeide presenta delle difficoltà per la nota tendenza delle aldeidi a ridursi direttamente fino ad alcol. Dato che è impossibile trasformare gli acidi aldonici in cloruri acilici senza disidratare anche i gruppi ossidrilici, non si possono utilizzare le normali riduzioni selettive (come quella di Rosemund con H2 e palladio disattivato) che si applicano solo ai cloruri acilici, più reattivi delle aldeidi. Il problema è stato risolto da Fischer trattando, prima della riduzione, l’acido aldonico in ambiente acido ed evaporando il solvente. In questo modo l’acido aldonico si disidrata formando il γ-lattone, cioè l’estere ciclico con anello furanosidico. La riduzione del gruppo carbonilico del lattone non produce l’aldeide libera, ma il semiacetale e quindi la riduzione per il momento non può proseguire. La successiva riduzione fino ad alcol può essere evitata data la piccolissima percentuale di aldeide libera presente all’equilibrio, a patto di mantenere sempre molto bassa la concentrazione del riducente, NaBH 4, che viene aggiunto goccia a goccia. Per semplicità seguiamo la reazione per il solo acido mannonico. Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova Chimica dei carboidrati 18 www.pianetachimica.it O OH C HO HO H +- NaBH4 goccia a goccia CH2OH H2O HO C H OH OH CH2OH O CH2OH HO C H OH HO CH2OH O HO OH HO O OH HO OH OH O acido mannonico D-mannono-γ-lattone D-mannofuranosio D-mannopiranosio In conclusione, l’allungamento di catena di Kiliani-Fischer del D-arabinosio produce due esosi epimeri, D-glucopiranosio e D-mannopiranosio. Di ciascuno si ottengono i due anomeri α e β. H O H C CH2OH HO CH2OH O HO OH HO HO H H O + HO HO OH D-mannopiranosio OH OH D-glucopiranosio O C H H OH OH CH2OH H HO H + H D-mannosio OH H OH OH CH2OH D-glucosio Una variante moderna di questa reazione prevede che si riduca direttamente la cianidrina con H 2 e catalizzatore avvelenato. Si ottiene l’immina che subito idrolizza ad aldeide. In questo modo la reazione è più veloce e si ottengono rese sono migliori. H C HO H HO H H OH H OH NH H C N H2 / Pd HO H HO H BaSO4 H2 O HO OH HO H H OH H OH H OH H OH CH2OH CH2OH cianidrina O C CH2OH immina D-mannosio Isomerizzazione alcalina Aldosi ed esosi, trattati con basi forti, subiscono isomerizzazione e danno una miscela di monosaccaridi isomeri. Questa è una reazione generale a cui sottostanno tutte le alfa idrossi aldeidi e gli alfa idrossi chetoni. La reazione passa attraverso la formazione di un intermedio instabile chiamato enediolo, che ha due ossidrili legati allo stesso doppio legame. Il meccanismo è identico a quello di formazione dell’enolo nella tautomeria chetoenolica. Nel caso del D-glucosio si ha: H O HO HO O OH D-glucopiranosio OH H HO H H OH H OH OH CH2OH D-glucosio H .. OH - C OH C C C CH 2OH O .. H C OH H2O HO OH OH CH2OH anione dell’enediolo OH HO OH OH CH2OH enediolo Questa reazione non funziona in ambiente acido perché i due ossidrili dell’enediolo destabilizzano troppo il doppio legame per effetto induttivo e rendono la reazione troppo lenta. In ambiente basico invece si forma l’anione dell’enediolo e quindi l’effetto induttivo è minore. Si noti che nell’enediolo si è persa la stereochimica del C-2 tipica del glucosio. Quando l’enediolo continua la tautomeria cheto enolica, può formare uno qualunque dei tre composti idrossicarbonilici possibili: D-glucosio, D-mannosio e D-fruttosio. Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova Chimica dei carboidrati 19 www.pianetachimica.it Se il carbonile si forma sul C-2 si ottiene solo fruttosio, se il carbonile si forma sul C-1 si possono ottenere sia glucosio che mannosio perché l’H + si può legare sopra o sotto il piano molecolare sp 2 dell’enediolo. H O C attacco da sopra .. O- H H HO H H C C OH HO H H C OH HO OH H OH OH CH2OH attacco da sotto OH C C O HO HO H H H H OH OH CH2OH CH2OH C O HO H H OH H OH CH2OH - O.. H OH HO enediolo D-glucosio C OH OH CH2OH OH C H OH OH H OH OH CH2OH OH OH CH2OH D-mannosio D-fruttosio L’isomerizzazione alcalina del glucosio produce una miscela nella quale sono presenti glucosio, mannosio e fruttosio in equilibrio tra loro attraverso l’intermedio instabile enediolo. Proprio perché si tratta di un equilibrio, si ottiene sempre la stessa miscela finale partendo da uno qualunque di questi tre monosaccaridi. Anche qui, come nella reazione di preparazione degli osazoni, il fruttosio forma l’enediolo tra C-1 e C-2 piuttosto che tra C2 e C-3. Dato che lo stato di transizione per la formazione dell’enediolo ha carattere carbanionico, il carbonio primario C-1 regge meglio la parziale carica negativa rispetto al C-3 secondario. E’ interessante confrontare questa reazione, che avviene in soluzione alcalina, con la stessa reazione che avviene nella glicolisi catalizzata da un enzima. Nella cellula l’isomerizzazione del glucosio è condotta dall’ enzima glucosio-fruttosio isomerasi che catalizza l’isomerizzazione di glucosio e fruttosio senza la contemporanea formazione di mannosio. H C + His H O H H .. Lys C R C His .. R H O sito attivo dell'enzima H O.. C H enediolo R H O C OH D-glucosio + H Lys C OH H H D-glucosio C R = parte restante della molecola His = istidina Lys = lisina + His H O H H ..Lys C R O H enediolo Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova Chimica dei carboidrati R OH C C O D-fruttosio 20 www.pianetachimica.it Questo fatto può essere compreso osservando che nel sito attivo dell’enzima, che ospita la molecola del glucosio, è presente l’amminoacido istidina (His) che è in grado di guidare l’H+ fuori dal glucosio e poi verso l’enediolo sempre dalla stessa parte. In questo modo l’H+ non può mai entrare da dietro il piano molecolare dell’enediolo e quindi risulta impossibile la formazione di mannosio. Quando l’isomerizzazione avviene in soluzione alcalina, invece, le molecole sono orientate in modo casuale e quindi l’H + può entrare da sopra o da sotto il piano molecolare dell’enediolo con la stessa probabilità. In conclusione, le alfa idrossi aldeidi e gli alfa idrossi chetoni possono subire isomerizzazione alcalina perché il gruppo ossidrilico in posizione alfa rispetto al carbonile può dare tautomeria e formare l’enediolo. Esercizio: scrivere la reazione di isomerizzazione dell’1,3-diidrossiacetone. Ossidazione in ambiente basico L’ossidazione degli zuccheri può essere condotta sia in ambiente basico che in ambiente acido. Mentre l’ossidazione in ambiente alcalino è utilizzata solo per scopi analitici, quella in ambiente acido è utilizzata sia a scopo analitico che preparativo. Una blanda ossidazione degli aldosi produce i corrispondenti acidi carbossilici chiamati acidi aldonici, un’ossidazione più energica produce gli acidi dicarbossilici chiamati acidi aldarici. Infine una particolare reazione enzimatica può ossidare gli aldosi sul CH 2OH teminale formando gli acidi alduronici nei quali il gruppo aldeidico non è stato ossidato. Esistono tre diversi reattivi per operare l’ossidazione in ambiente basico degli aldosi e dei chetosi che vengono trasformati in acidi aldonici. Questi sono i reattivi di Fehling, Benedict e Tollens che vengono anche chiamati saggi degli zuccheri riducenti. 1) Reattivo di Fehling. E’ composto da due soluzioni A e B da mescolare al momento dell’uso. La soluzione A contiene CuSO4. La soluzione B contiene tartrato di sodio ed NaOH. Il tartrato ha la funzione di complessare il Cu2+ che altrimenti precipiterebbe come idrossido. La specie ossidante è il Cu 2+ che si riduce a Cu+ precipitando come ossidulo di rame Cu 2O rosso. O O C HO C 2- H OH Cu HO H OH O O HO HO C O C O O 2- Cu O C C O O O O O C O O C O Complesso [Cu(II) (tartrato) 2]2− coordinazione planare quadrata OH OH proiezione conformazionale 2) Reattivo di Benedict. E’ identico al Fehling con la differenza che usa lo ione citrato al posto del tartrato ed è composto da una sola soluzione stabile nel tempo. 3) Reattivo di Tollens. E’ composto da una soluzione ammoniacale di AgNO 3 che contiene il complesso Ag(NH3)2+. La specie ossidante è lo ione Ag+ che si riduce ad Ag metallico e precipita sotto forma di specchio sulla superficie interna della provetta. Questi tre reattivi permettono di eseguire dei saggi qualitativi (talora anche quantitativi) per determinare se un certo zucchero è ossidabile in condizioni basiche. Uno zucchero che reagisce positivamente a questi saggi viene definito zucchero riducente. Il gruppo aldeidico dello zucchero viene ossidato e si forma un acido carbossilico chiamato acido aldonico. Dato però che l’ossidazione avviene in ambiente basico, possono reagire anche molecole che non contengono inizialmente il gruppo aldeidico, ma che lo possono generare per isomerizzazione alcalina. Ecco perché possono reagire oltre alle aldeidi come il D-glucosio anche gli alfa-idrossichetoni come il fruttosio che viene prima isomerizzato a glucosio e mannosio e poi, sotto questa forma, può essere ossidato ad acido gluconico e mannonico. Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova Chimica dei carboidrati 21 www.pianetachimica.it Gli aldosi e i chetosi vengono ossidati anche se sono impegnati nel legame semiacetalico dato che questo viene idrolizzato velocemente in ambiente basico. Invece gli zuccheri impegnati in legami acetalici (glicosidici) non reagiscono perché gli acetali sono stabili alle basi e non liberano l’aldeide o il chetone e sono quindi chiamati zuccheri non riducenti. Riassumendo, sono zuccheri riducenti gli aldosi e i chetosi che possiedono semiacetali, reagiscono positivamente anche tutte le aldeidi e gli idrossimetichetoni. semiacetale O CH2OH O HO HO acetale HO CH OH 2 HO CH2OH HO β β β-D-glucopiranosio HO CH2OH acetale semiacetale CH2OH OH O O O OH HO CH2OH OH α-D-fruttofuranosio OH OH α α OH OH lattosio CH2OH O HO semiacetale OH O O OH OH OH semiacetale maltosio zuccheri riducenti CH 2OH acetale CH 2OH HO HO HO OH chetale OH HO O acetale O OH O OH O OCH3 CH2OH CH2OH β -D-metilglucopiranoside saccarosio acetale CH2OH H O O H O OH CH2OH OH O H O O O acetale acetale acetale O H O OH OH CH2OH OH H O O O CH2OH n cellulosa zuccheri non riducenti Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova Chimica dei carboidrati 22 www.pianetachimica.it Viene ora illustrata la reazione del fruttosio con il reattivo di Fehling: H O O C H HO H H C OH H OH OH CH2OH Cu H C CH2OH C O HO H H OH H OH CH2OH OH OH C HO OH OH CH2OH HO HO HO H H O O OH C H H OH OH CH2OH Cu HO HO 2+ OH OH CH2OH + Cu2O acido D-mannonico D-mannosio enediolo + Cu2O acido D-gluconico C OH OH OH OH CH2OH D-fruttosio OH 2+ D-glucosio H OH CH2OH HO H H C O H OH OH CH2OH Cu2+ non si ossida in queste condizioni D-fruttosio Ossidando il fruttosio si ottengono gli acidi gluconico e mannonico, gli stessi acidi che si sarebbero formati ossidando il glucosio oppure il mannosio. L’ossidazione in ambiente basico, a causa della isomerizzazione alcalina, fornisce sempre miscele di acidi aldonici e quindi non è utilizzabile per sintetizzare un particolare acido aldonico a partire dal corrispondente aldoso. Ossidazione in ambiente acido con Br2 Gli acidi aldonici possono essere preparati in modo pulito per ossidazione dei corrispondenti aldosi con acqua di bromo a pH 5. In queste condizioni i chetosi come il fruttosio non reagiscono dato che non c’è isomerizzazione. Questo permette di utilizzare la reazione con acqua di bromo anche a fini analitici per distinguere gli aldosi dai chetosi. L’acido aldonico, per evaporazione del solvente in ambiente acido, si disidrata e forma il γ-lattone, l’estere ciclico con anello furanosidico a 5 atomi che qui è mostrato sia in proiezione di Fischer che conformazionale. (i lattoni sono più stabili quando formano un ciclo a 5 termini piuttosto che a 6 come i semiacetali). H O O C H HO H H OH H OH OH CH2OH glucosio OH O C Br 2 CH2OH C OH - H2O HO OH OH CH2OH + calore / H acido D-gluconico OH HO O or HO C H HO OH CH2OH O OH O D- D-glucono- γ-lattone Il meccanismo della reazione vede il glucosio reagire nella forma chiusa semiacetalica. L’ossigeno anomerico attacca dapprima il Br 2 legandosi al Br+, in un secondo momento si ha eliminazione di HBr con formazione del δ-lattone, l’estere ciclico con anello a 6 atomi. Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova Chimica dei carboidrati 23 www.pianetachimica.it CH2OH HO O Br CH2OH Br HO .. HO OH OH O HO OH CH2OH Br E2 O .. Br - HO OH O D-glucono- δ -lattone H β -D-glucopiranosio O HO Il glucono-δ-lattone, instabile, si idrolizza liberando acido gluconico a catena aperta che, poi, può formare il glucono-γ-lattone più stabile. O OH C CH 2OH HO HO CH2OH OH HO O OH O D-glucono-δ-lattone HO C H - H2O OH OH CH2OH + calore / H acido D-gluconico HO O OH O D-glucono-γ-lattone Il meccanismo qui proposto permette di spiegare un curioso dato sperimentale: l’anomero β del glucosio viene ossidato ad una velocità 200 volte maggiore dell’anomero α. Durante la reazione, infatti, nel β-D-glucopiranosio (vedi figura in alto) gli atomi H e Br possono facilmente assumere la conformazione anti, necessaria per l’eliminazione E2. Nell’anomero α, invece, l’atomo di bromo non può ruotare liberamente attorno all’ossigeno a causa dell’ingombro sterico degli idrogeni assiali e quindi non può raggiungere facilmente la conformazione anti mostrata nella figura qui sotto. CH2OH HO HO O Br CH 2OH Br HO HO OH H OH .. H H OH Br CH 2OH .. Br - O E2 reazione molto lenta O O HO α-D-glucopiranosio HO OH O D-glucono-δ-lattone Ossidazione in ambiente acido con HNO 3 Ossidanti più forti, come HNO 3 diluito caldo, ossidano, oltre al gruppo aldeidico, anche il gruppo ossidrilico primario, più facilmente ossidabile di quelli secondari. Gli aldosi vengono ossidati ad acidi dicarbossilici chiamati acidi aldarici. Questi, per evaporazione del solvente in ambiente acido, possono formare i lattoni doppi. H O O H H OH OH CH2OH HNO3 dil. HO HO - H2O OH OH 60 °C OH O HO O or + calore / H O C HO D-mannosio C C C HO HO H H O OH O O OH OH C O acido D-mannarico Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova O O γ-lattone doppio dell’acido mannarico Chimica dei carboidrati 24 www.pianetachimica.it Riduzione Il gruppo carbonilico degli aldosi e dei chetosi può essere ridotto ad alcol con NaBH 4 per formare dei polialcoli chiamati alditoli. Questi hanno struttura aperta perchè non possono formare semiacetali ciclici. H O C CH2OH HO CH2OH HO OH HO HO O HO NaBH4 HO OH OH OH OH OH CH2OH CH2OH α-D-mannopiranosio D-mannosio mannitolo Dal glucosio si ottiene glucitolo chiamato anche sorbitolo. Dal D-fruttosio si ottiene una miscela di mannitolo e di glucitolo perchè la riduzione al C-2 forma un nuovo centro chirale che può avere configurazione D o L. Acilazione e alchilazione dei gruppi idrossilici I gruppi idrossilici dei carboidrati possono dare le reazioni di acilazione e alchilazione tipiche degli alcoli. Il glucosio, per reazione con anidride acetica, viene convertito in estere su tutti e cinque i suoi gruppi OH. CH2OH O HO CH3 C + HO CH2OAc O 5 O OH Ac O CH3 C OH O Ac O acetone OAc O O C CH3 O α-D-glucopiranosio anidride acetica 1,2,3,4,6-penta-O-acetil-α-D-glucopiranosio Il glucosio può essere convertito in etere su tutti e 5 i suoi OH con la reazione di Williamson, con un alogenuro alchilico in ambiente basico. In questa reazione si parte dal metil glucopiranoside che ha un anello stabile alle basi e si ottiene il glucosio pentalachilato. Le dimensioni dell’anello non vengono alterate dalla reazione. CH2OH CH2OCH3 O HO Ag2O + HO 4 CH3 I OH O H3C O CH3OH H3C O CH3 metil α-D-glucopiranoside O O CH3 O CH3 metil 2,3,4,6-tetra-O-metil-α-D-glucopiranoside Le dimensioni dell’anello possono essere individuate dopo idrolisi acida che rompe solo l’acetale senza toccare i gruppi eterei. H O C H3C O H3C O H CH2OCH3 CH2OCH3 O O CH3 O H2O / H+ H3C O CH3 O H3C O O CH3 OH CH3 O O CH3 H H O CH3 H OH CH2OCH3 2,3,4,6-tetra-O-metil-α-D-glucopiranosio L’OH sul C-5 che chiudeva l’anello è l’unico OH non metilato. Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova Chimica dei carboidrati 25 www.pianetachimica.it Ossidazione con acido periodico L’ossidazione con acido periodico è una tecnica analitica che consente di ottenere informazioni sulla struttura di uno zucchero misurando le moli di acido HIO 4 consumate e identificando i prodotti di reazione. Per capire come agisce l’acido periodico, consideriamo prima alcuni esempi. 1) due gruppi alcolici vicini: si consuma 1 mole di acido periodico e la molecola viene tagliata tra i due gruppi alcolici che si ossidano formando un legame in più con l’ossigeno e producendo due aldeidi. OH OH H3C C C H H O CH3 + HIO 4 H3C O + C H C + HIO 3 CH3 + H 2O H La reazione procede col seguente meccanismo: O .. OH OH H3C C C H H OH + I :OH O O CH3 O I OH2 + H3C O C C H H O O H3C CH3 O + C C H CH3 + HIO 3 H 2) un gruppo alcolico vicino a un carbonile: si consuma 1 mole di acido periodico e la molecola viene tagliata formando un acido carbossilico e un’aldeide. I carboni ossidati hanno un legame in più con l’ossigeno. H3C O OH C C O CH3 + HIO 4 H3C C H O C + OH + HIO 3 CH3 H 3) tre gruppi alcolici consecutivi: si consumano 2 moli di acido periodico e la molecola viene tagliata in due punti formando un’aldeide, acido formico e un’altra aldeide. I carboni ossidati hanno un legame in più con l’ossigeno per ogni taglio ossidativo che subiscono. L’alcol centrale viene ossidato a monte e a valle, quindi ha due legami extra con l’ossigeno diventando acido formico. OH OH OH H3C C C H H C O O CH3 + 2 HIO4 H3C H + C O C + C H CH3 OH H + 2 HIO3 H 4) i legami di acetali ed eteri non vengono attaccati dall’acido periodico. L’ossidazione del D-ribosio con acido periodico consuma 4 moli di acido periodico perchè nella molecola a struttura aperta del D-ribosio ci sono 4 siti di taglio: H HOCH2 O H OH H H H OH O C H OH H OH H OH 4 HIO4 CH2OH OH HCOOH acido formico HCOOH acido formico HCOOH acido formico HCOOH acido formico H2C O formaldeide E’ possibile determinare le dimensioni dell’anello del D-ribosio trasformandolo prima in acetale con metanolo. La reazione successiva con HIO 4 consuma una sola mole di acido perché gli acetali non reagiscono e l’anello resta chiuso durante la reazione. In un anello a 5 atomi, vi è quindi un solo sito di taglio. HOCH2 H O H HOCH2 O OH H CH3OH H HCl H H HOCH2 O CH3 OH H OH O CH3 HIO4 H H H OH O OH C C O O H H Se il ribosio avesse avuto un anello piranosidico a 6 atomi ci sarebbero stati, invece, 2 siti di taglio. Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova Chimica dei carboidrati 26