MONOSZACHARIDOK, OLIGO- ÉS POLISZACHARIDOK

Átírás

1 MNSZACAIDK, LIG- ÉS PLISZACAIDK Monoszacharidok nyíltláncú és laktol-gyűrűs szerkezete, mutarotáció. Aldóz-ketóz átalakulás. A monoszacharidok redukciója és oxidációja, cukoralkoholok és cukorsavak. Monoszacharidok felépítése, lebontása, reakciói. Az aszkorbinsav szerkezete, szerepe. ligoszacharidok szerkezete, előfordulása, szintézise. Ciklodextrinek. Poliszacharidok szerkezete, előfordulása. Bevezetés A szénhidrátok (szacharidok) olyan természetes polihidroxi-oxovegyületek és ezek kondenzált származékai, melyek jellemzően öt-, vagy hattagú gyűrűs tautomer (laktol) formában fordulnak elő. Az egyszerű cukrok (monoszacharidok) C n ( ) n képlettel írhatók le, ahol n>3. A monoszacharidok (egyszerű cukrok) hidrolízissel nem bonthatók kisebb szacharidegységekre. Az oligo- és poliszacharidok felosztása a bennük található cukoregységek száma alapján történik. Az oligoszacharidok -0 cukoregységből épülnek fel, míg a poliszacharidok nagy molekulatömegűek, és sok szacharidegységet tartalmaznak. A szénhidrátok közé tartoznak az egyszerű cukrok redukált (cukoralkoholok), oxidált (cukorsavak: aldonsavak, aldársavak, illetve uronsavak), dezoxi- és amino-származékai és ezekből képződő kondenzált oligo- és poliszacharidok is. Monoszacharidok Csoportosítás A monoszacharidokat több szempont szerint csoportosíthatjuk. Az ábrán csak a D- monoszacharidokat tüntettük fel, mivel elsősorban ezek fordulnak elő a természetben. A molekula nyílt láncú alakjában (ld. később) található oxocsoport helyzete szerint megkülönböztetünk aldózokat (-óz), illetve ketózokat (-ulóz). A szénatomszám szerint megkülönböztetünk tetrózokat/tetrulózokat (C 4 ), pentózokat/pentulózokat (C 5 ), hexózokat/hexulózokat (C 6 ), stb. Fontosabb képviselők A glükóz, másnéven szőlőcukor a legjelentősebb szacharid típusú energiaforrás a szervezetünkben. A legtöbb bevitt szacharid glükózként hasznosul. Elsősorban az agyműködéshez nélkülözhetetlen a vérben a megfelelő glükózkoncentráció, a tartósan magas vércukorszint azonban számos szövődményhez vezethet. A vércukorszint szabályozásának problémáival kapcsolatos betegség a diabétesz. A glükóz, valamint a fruktóz (gyümölcscukor) gyümölcsökben fordul elő. A mannóz növényekben (pl.: hagyma) fordul elő. A xilóz (más néven nyírfacukor) erőteljesen édes ízű, cukormentes élelmiszerekben használják édesítőszerként. A galaktóz a tejcukor hidrolízisének egyik terméke. A ribóz, és a -dezoxiribóz a nukleotidok építőkövei.

2 A D-aldózok nyílt láncú alakja D-glicerinaldehid - Nem szacharid, de szerkezetileg ebből levezethetőek a szacharidok - aszimmetriacentrum C C 3 Aldehidcsoport D-térállású csoport (A szénlánc utolsó aszimmetrikus szénatomján lévő térállása) Tetrózok ( aszimmetriacentrum nyíltláncú alakban) C D-eritróz 3 C 4 Eritro térállású csoportok A két egymás melletti aszimmetriacentrum csoportjainak térállása megegyezik. (e) D-térállású csoport C C D-treóz Treo térállású csoportok A két egymás melletti aszimmetriacentrum csoportjainak térállása ellentétes. (t) D-térállású csoport Pentózok (3 aszimmetriacentrum nyílt láncú formában) C C D-ribóz ibo: eritro+eritro C C D-arabinóz Arabino: eritro+treo C C D-xilóz Xilo: t+t C C D-lixóz Lixo: t+e exózok (4 aszimmeriacentrum nyíltláncú alakban C C D-allóz (e+e+e) C C D-altróz (e+e+t) C C D-mannóz (e+t+e) C C D-glükóz (e+t+t) C C D-gulóz (t+t+e) C C D-idóz (t+t+t) C C D-galaktóz (t+e+t) C C D-talóz (t+e+e) Tetrulózok ( aszimmetriacentrum A D-ketózok nyílt láncú alakja D-eritrulóz C 3 C Ketoncsoport D-térállású csoport Pentulózok ( aszimmetriacentrum nyíltláncú alakban) C C D-ribulóz e exulózok (3 aszimmetriacentrum nyíltláncú alakban) C C D-xilulóz t C C D-pszikóz e+e C C D-fruktóz e+t C C D-tagatóz t+e C C D-szorbóz t+t

3 Gyűrűzáródás: gyűrű lánc-tautoméria A δ- és γ-helyzetű hidroxilcsoportokat tartalmazó cukrok hajlamosak egyensúlyi reakcióban spontán gyűrűvé (laktol) záródni, mely során öttagú gyűrűs vegyület (furanóz), vagy hattagú gyűrűs vegyület (piranóz) keletkezhet. A folyamatot a D-glükóz példáján szemléltetjük, mely hattagú gyűrűvé záródik. A gyűrűzáródás kezdő lépése az 5-ös szénatomon lévő hidroxilcsoport nukleofil támadása a karbonil-szénatomra. A nukleofil addíció során az -es szénatom karbonilcsoportja hidroxilcsoporttá alakul (glikozidos hidroxilcsoport). Mivel a karbonilcsoportból hidroxilcsoport keletkezik, új aszimmetriacentrum jön létre a molekulában. A glükóz esetében a nyílt láncbéli négy aszimmetriacentrumhoz képest a gyűrűs formában már öt van. Ehhez az új aszimmetriacentrumhoz kapcsolódik tehát a glikozidos hidroxilcsoport, melynek térállása alapján megkülönböztetünk α- és β-diasztereomereket. A C5-ös csoportból lett az éteres oxigén : Itt alakul ki új aszimmetriacentrum Ad N Ad N 3 alfa-d-glükopiranóz A glikozidos csoport epimer viszony D-glükóz nyílt láncú forma 4 aszimmetriacentrum béta-d-glükopiranóz A hattagú gyűrű azért ilyen stabil, mert szék konformációt vesz fel. A két gyűrűs forma az α-, és a β-d-glükopiranóz (α-d-, illetve β-d-glcp) vizes oldatban a nyílt láncú formán keresztül könnyen egymásba alakulhat. A β-d-glcp esetén minden nagy térkitöltésű hidroxilcsoport ekvatoriális térállásban van, így ez a stabilabb forma. Az α-d-glcp esetén a glikozidos hidroxilcsoport axiális térállásban van, ami kevésbé stabil. Ennek megfelelően vizes oldatban legnagyobb részt (kb. 63,6%-ban) a β-d-glcp van jelen, az α-d-glcp pedig körülbelül 36,4%-ban. A nyílt láncú forma aránya kisebb, mint %. Az α-, és a β-d-glcp tehát diasztereomer viszonyban állnak (mivel csak egy aszimmetriacentrumuk térállása különbözik epimerek, és mivel tautomer egyensúlyban vannak egymással anomerek), amiből az következik, hogy eltérnek a fizikai és kémiai tulajdonságaik (pl: olvadáspont, oldhatóság). a D-glükózt kristályosítunk ecetsavas, illetve etanolos vizes oldatból akkor a savas oldatból az α-d-, az alkoholosból a β-d-glcp fog kristályosodni. A két diasztereomer optikai forgatóképessége is eltér, ez alapján könnyen megkülönböztethetőek ([α] β-d-glcp =8,7 ; [α] α-d- Glcp= ). a az α-, vagy a β-d-glcp-t tisztán oldjuk vizes oldatban, akkor az optikai forgatóképesség mindkét esetben lassan megváltozik, és beáll egy egyensúlyi értékre (5,7 ). 0,636 8,7 + 0,364 = 5,7 3

4 Az optikai forgatóképesség ily módon történő változását mutarotációnak nevezzük. A mutarotáció magyarázata a gyűrűs formák nyílt láncú formán keresztüli egymásba alakulása. Mielőtt továbbmennénk, kitérünk az előző ábrán is használt jelölésekre. A gyűrűvé záródott szacharidok 3D szerkezetének síkbeli megjelenítésére használt módszer a aworthprojekció. A projekció szabályai: A gyűrű vastagított kötései a síkból kifelé állnak. A gyűrűt úgy rajzoljuk fel, hogy a gyűrűben lévő oxigén hátul legyen, és felülről nézve helyzetszámuk tekintetében az óramutató járásának megfelelő sorrendbe kerüljenek a gyűrű szénatomjai. A Fischer-projekció szerinti jobboldali csoportok a gyűrűhöz képest alulra kerülnek, a baloldaliak felülre. A D-sorbeli cukrok láncvégi C csoportja mindig felül van, az L- sorbelieké pedig alul. Az α-d-cukrok glikozidos hidroxilcsoportja lefelé áll, a β-d-cukrok glikozidos hidroxilcsoportja felfelé, az L-sorbelieké pedig fordítva. A ribóz esetén öt- és hatszénatomos gyűrű is kialakulhat, de a β-d-ribopiranóz a legkedvezőbb forma. béta-d-ribopiranóz 56% C C Nyílt forma alfa-d-ribopiranóz 0% béta-d-ribofuranóz 8% alfa-d-ribofuranóz 6% A ketózok közül a fruktóz példáján mutatjuk be a gyűrűképződést. Ez esetben a -es szénatom az oxocsoport hordozója, így a glikozidos hidroxilcsoport a gyűrűben a -es szénatomon lesz. A fruktóz esetén a β-piranóz- és az α-furanózforma egyensúlya valósul meg. béta-d-fruktopiranóz C C Nyílt forma alfa-d-fruktofuranóz 4

5 Sztereoizoméria endszerezzük a monoszacharidok sztereoizomériájáról eddig tanultakat! Minden monoszacharidnak van legalább egy aszimmetriacentruma, szimmetriaeleme viszont nincs (hisz a lánc egyik végén (vagy a -es szénatomon) oxo-funkciós csoport van, a másik végén pedig hidroxilcsoport található). Az n szénatomos aldózok nyílt láncú formájának n, a ketózokénak n 3 aszimmetriacentruma van. A gyűrűzáródás következtében az aszimmetriacentrumok száma a nyílt láncú formáéhoz képest eggyel nő. Ez azt jelenti, hogy a hatszénatomos (gyűrűvé záródott) aldózoknak 4+ =3 sztereoizomerje van. A gyűrűs formában a glikozidos hidroxilcsoport térállása szerint megkülönböztetünk α-, és β-diasztereomereket. A hatszénatomos aldóz sztereoizomerek közül 6-ban α- és 6-ban β-térállású a glikozidos hidroxilcsoport. Az utolsó előtti szénatom hidroxilcsoportjának térállása szerint különböztetjük meg a D- és L-cukrokat. Ez azt jelenti, hogy a hatszénatomos aldóz diasztereomerek közül 6 L- és 6 D-diasztereomer. Mivel a cukrokat a hidroxilcsoportok relatív térhelyzete alapján nevezzük el, adott L- és D-cukor (pl.: α-l-glcp és α-d-glcp) egymással enantiomer viszonyban állnak. Az α-d-glcp és a β-d-glcp egymással diasztereomer viszonyban állnak (epimerek, egyensúlyban lévő anomerek). Aldóz-ketóz átalakulás Az aldózok híg lúgoldatban hajlamosak egyensúlyi mértékben ketózzá alakulni. Ezt a D-glükóz példáján szemlélteti az alábbi ábra. A folyamat kezdőlépése a glükóz α- szénatomjának deprotonálódása (a lúg hatására). Az újra-protonálódáskor (E)-, valamint (Z)- éndiol is keletkezhet. Előbbiből D-glükóz és D-mannóz, utóbbiból D-fruktóz keletkezhet. Fontos megjegyezni, hogy mint fentebb láthattuk, hogy a glükóz esetén kevesebb, mint % a nyílt láncú forma aránya. Azonban, ha a nyílt láncú forma tovább alakul, az eltolja a gyűrűképződési egyensúlyt a gyűrűfelnyílás irányába. Számos később bemutatott reakció esetén is hasonló a helyzet: általánosságban elmondható, hogy sokszor a nyílt láncú formákon mennek végbe az átalakulások, viszont a gyűrűs formák stabilabbak. C C = C D-glükóz C C D-mannóz - - (Z)-éndiolát C C C C (Z)-éndiol C C (E)-éndiol - - C C (E)-éndiolát C C D-fruktóz 5

6 A monoszacharidok felépítése és lebontása A monoszacharidok lánchosszabbítása: Kiliani Fischer-szintézis A monoszacharidok lánchosszabbítása a Kiliani Fischer-szintézissel lehetséges. A módszer lényege, hogy oxocsoportra történő CN-addícióval ciánhidrineket (aldonsav-nitril) képzünk, majd azok elegyének lúgos hidrolízisével egy szénatommal hosszabb aldonsavsókat állítunk elő. A reakciók a korábban meglévő aszimmetriacentrumok térállását nem befolyásolják. Az új hidroxilcsoport kialakulása során nincs sztereokontroll, a keletkező aszimmetriacentrum (második szénatom) kétféle térállású is lehet a termékben. Savanyítás hatására a karboxilcsoport részvételével laktongyűrűs alakok képződnek, amelyek frakcionált kristályosítással elválaszthatóak. A laktonokat külön-külön NaB 4 -del redukálhatjuk savas p-n a megfelelő aldózok gyűrűzárt alakjává. A redukció során keletkező furanóz-alak spontán piranóz-alakká izomerizálódik. C D-arabinóz CN CN C D-glükonsav-nitril CN C D-mannonsav-nitril Ba() melegítés C C D-glükonsav-só D-mannonsav-só +, frakcionált kristályosítás D-glükonsav-lakton D-mannonsav-lakton NaB 4 + NaB 4 + D-glükofuranóz D-mannofuranóz D-glükopiranóz D-mannopiranóz 6

7 A monoszacharidok lebontása: Wohl Zemplén-lebontás A cukrok szénláncának rövidítésére alkalmas módszer a Wohl Zemplén-lebontás. A folyamat a nyílt láncú alakon megy végbe. Az első lépés az oxocsoport reakciója a hidroxilaminnal vízkilépés közben (oximképzés), mely során egy cukor-oxim keletkezik. Ezt követi a nitrilcsoport vízelvonással történő kialakítása, majd eltávolítása. A folyamatot a D- glükóz példáján mutatjuk be. A D-glükóz-oximot ecetsav-anhidriddel kezelve megtörténik a víz-elimináció, de közben az összes hidroxilcsoport is acetileződik. A penta-acetilglükonsav-nitrilt nátrium-metoxid metanolos oldatával kezelve átésztereződés történik, a keletkezett metil-acetát gázként távozik. A glükonsav-nitril a bázikus közegben spontán CN eliminációval egy szénatommal rövidebb D-arabinózzá alakul. D-glükopiranóz nyílt láncú forma N N oxim N gyürüzárt forma Ac C D-arabinóz - CN CN C NaMe/ Me CN Ac Ac Ac Ac C Ac + 5 MeAc penta--acetilglükonsav-nitril A monoszacharidok redoxi reakciói Cukorsavak előállítása Aldonsavak előállítása: Aldózok enyhe oxidációja során aldonsavak keletkeznek. Ezekben a formilcsoport karboxilcsoporttá oxidálódik, de a hidroxilcsoportok közül egyik sem oxidálódik. Enyhe oxidációra az alábbi módokon van lehetőség: íg salétromsav Brómos víz Fehling-reakció: A lúgos közegben jelen lévő Cu + az oxidálószer. Ilyen körülmények között normális esetben a Cu + hidroxidcsapadékot képezne. Ennek elkerülésére Na-K-tartarát oldatot adnak az oldathoz. A folyamat során Cu, valamint Cu képződik, és a kezdetben kék oldatban vörös csapadék válik ki. Tollens-reakció: Ag + az oxidálószer lúgos környezetben. Mivel az Ag + lúgos közegben Ag csapadékot képezne, a lúgos közeget ammóniaoldattal kell biztosítani. Az ammónia ugyanis diamin-komplexet képez az ezüstionnal, ami megakadályozza a csapadékkiválást. A folyamat során elemi ezüst keletkezik, és tükörként kiválik a kémcső falára. A Tollens- és a Fehling-reakciókat szintetikus célokra nem használják, inkább a cukrok hagyományos módon történő kimutatásánál van jelentőségük. Az aldonsavak jellemzően laktongyűrűvé záródnak. A laktonok aldózzá történő redukálására például NaB 4 -del van lehetőség. 7

8 D-glükopiranóz nyíltláncú forma híg N 3 nyíltláncú forma D-glükonsav-lakton NaB 4 Uronsavak előállítása: Az uronsavak olyan cukorsavak, melyekben a cukrok C csoportjának helyén egy karboxilcsoport van. Előállításuk lehetséges glikozidos hidroxilcsoportjukon védett cukrok enyhe oxidációjával, vagy aldársav-laktonok (ld. később) redukciójával. Az uronsavak laktolgyűrűs alakban stabilizálódnak. a. Aldózokból enyhe oxidációval D-glükopiranóz C D-glükuronsav + C C + / + enyhe ox. /Pt/C b. Aldársavakból redukcióval C D-glükársav-lakton Na/g + C C D-glükuronsav Aldársavak előállítása: Tömény salétromsavval történő erélyes oxidáció során az aldózokból aldársavak keletkeznek. Ezek olyan dikarbonsavak, melyekben az aldóz mindkét végcsoportjának helyén kaboxilcsoport van. Kisebb szénatomszám esetén az aldársavak nyíltláncúak. Ilyen például a borkősav. A D- és L-eritrózból mezo-borkősav, míg az L-treózból L-borkősav, a D-treózból D-borkősav állítható elő. C ccn 3 C C C C ccn 3 C D-treóz D L L-treóz C D-eritróz ccn 3 C C mezo ccn 3 C L-eritróz 8

9 Nagyobb szénatomszám esetén (a γ-hidroxilcsoport részvételével) azonban már gyűrűvé záródnak, nyílt láncú alakban nem fordulnak elő. Az aldársavaknak két monolakton és egy dilakton formája is létezik. D-glükopiranóz D-glükonsav-lakton szazon képzés C C cc N 3 C C C L-gulársav-lakton A monoszacharidok nyílt láncú alakja egy mól fenilhidrazinnal fenilhidrazont, fölös mennyiségű fenilhidrazinnal éles olvadáspontú színes oszazont képez, amely savasan hidrolizálva oszonná alakul. D-glükopiranóz NNPh - N N Ph fenilhidrazon stabilizáló hidrogén-híd N Ph N NNPh - PhN B N Ph N p ~ 5 N Ph N D-glükoszon + NPh N N N Ph D-glükoszazon PhNN - - N 3 N N Izotópjelzéses kísérlettel igazolták, hogy az -es helyzetű hidrogénatom megtalálható a termékekben is, míg az első fenilhidrazin láncvégi aminocsoportja ammóniaként távozik. Cukoralkoholok A cukrok redukciója során az oxocsoport hidroxilcsoporttá redukálódik, és cukoralkoholok (-it) keletkeznek. A leggyakrabban alkalmazott redukálószer a NaB 4. A termékben megjelenhet S szimmetriaelem (pl. eritróz, ribóz és galaktóz redukciója). Ekkor függetlenül attól, hogy D-, vagy L-aldózból indultunk ki, ugyanazt a mezoizomert (eritrit, ribit, galaktit) fogjuk kapni. a a termékben C szimemtriaelem található (pl. treóz és mannóz redukciója), akkor a D-aldózból D-cukoralkohol, az L-aldózból L-cukoralkohol (treit, mannit) fog keletkezni. Egyéb esetekben két eltérő aldózból keletkezik ugyanaz a cukorlakohol (pl. D- glükózból és L-gulózból is D-glucit (szorbit) keletkezik. 9

10 C NaB 4 C C C C NaB 4 C D-treóz D-treit L-treóz L-treit C D-eritróz NaB 4 C C eritrit Mezoizomer NaB 4 C L-eritróz C D-ribóz C D-galaktóz NaB 4 NaB 4 C C ribit Mezoizomer C C galaktit = dulcit Mezoizomer NaB 4 NaB 4 C L-ribóz C L-galaktóz C C NaB 4 NaB 4 C C C C D-mannóz D-mannit L-mannit L-mannóz C NaB 4 C C NaB 4 C C D-glükóz D-glucit = szorbit L-gulóz Ketózok redukciója két különböző cukoralkoholt eredményez, hiszen ez esetben egy új aszimmetriacentrum keletkezik a -es szénatomon. Ugyanaz a cukoralkohol, pl. D-glucit 0

11 (szorbit), két eltérő ketóz (ez esetben D-fruktóz és L-szorbóz) termékelegyében is megtalálható. C C NaB 4 C C C C D-fruktóz D-glucit D-mannit C C NaB 4 C C C C L-szorbóz A C-vitamin, bio- és ipari szintézise szorbit A C-vitamin, más néven L-aszkorbinsav szervezetünk egyik legfontosabb vízoldható vitaminja. A főemlősök nem képesek szintetizálni, így számukra esszenciális. iánybetegsége a skorbut. engeteg redoxi biokémiai folyamatban tölt be kulcsszerepet a szervezetünkben. A növényekben bioszintézise D-glükózból indul. C D-glükóz C NADP NADP L-idit C 5 NADP - C L-gulonsav NADP NADP D-glükuronsav NADP Átalakulás redoxireakcióban +/- e - ; +/- + L-aszkorbinsav A C-vitamin ipari szintézise is D-glükózból indul.

12 C C /Ni C C mikrobiológiai oxidáció C C D-glükóz szorbit L-szorbóz C C KMn 4 C C -oxo-l-gulonsav ekv. aceton + gulonsav számozás glükóznak megfelelõ számozás +/- + / - 6 C C glükóznak megfelelõ számozás L-aszkorbinsav Az 934-ben kidolgozott eljárás szerint a D-glükózt katalitikusan szorbittá redukálják, majd mikrobiológiai oxidációval L-szorbózt állítanak elő. Az L-szorbóz gyűrűzárt alakját ekvivalens acetonnal reagáltatva védőcsoportokat alakítanak ki (lásd a hidroxilcsoportreaktivitással foglalkozó részt) majd a szabadon maradt hidroximetil-csoportot karbonsavvá oxidálják. A védőcsoportokat eltávolítva -oxo-l-gulonsavhoz jutnak, amely savas közegben lejátszódó enolképződés és gyűrűzáródás során L-aszkorbinsavvá alakul. A monoszacharidok hidroxilcsoportjainak reaktivitása A monoszacharidok gyűrűs alakjában reaktivitás szempontjából háromféle hidroxilcsoport található. Glikozidos hidroxilcsoport: a legreaktívabb. Primer alkoholos hidroxilcsoport: reaktivitása a glikozidos és a szekunder alkoholos hidroxilcsoport között van. Nagy térkitöltésű csoportot tartalmazó reagenssel csak ez a csoport tud reagálni. Szekunder alkoholos hidroxilcsoport: a legkevésbé reaktív. A reaktivitásbeli különbségek lehetővé teszik a hidroxilcsoportok szelektív védését.. Glikozidos hidroxilcsoport védése Védés: Glikozidképzés metanollal. Savkatalizált egyensúlyi reakció. Védőcsoport eltávolítás: Savas hidrolízis. Az α-izomert az ún. anomer-effektus (a gyűrűben lévő oxigén axiális helyzetű magányos elektronpárja és a C-Me σ-kötéshez tartozó lazító pálya közötti elektronikus kölcsönhatás) a β-izomert a sztérikus hatások stabilizálják.

13 + - Me Me + Me - + Me metil- -D-glükopiranozid és metil- -D-glükopiranozid lúgos közegben stabilak. Acetálképzés a) Acetonnal Védés: Savkatalizált egyensúlyi reakció. Védőcsoport eltávolítás: Savas hidrolízis. Eredmény: Piranóz-gyűrűben két-két szomszédos szénatomon (, és 3,4) lévő ciszhelyzetű hidroxilcsoportok védése, 6-os helyzet marad szabadon. D-galaktopiranóz + / + a a piranóz-gyűrűben nincs kétszerkettő cisz-helyzetű hidroxilcsoport a furanózgyűrű védése valósul meg, és a 3-as helyzet marad szabadon. Az 5-ös és 6-os helyzetű hidroxilcsoportokról a védőcsoport savas közegben gyorsabban hidrolizál, így megoldható az,-helyzet szelektív védése is. D-glükopiranóz + + / + / b) Benzaldehiddel Védés: Lewis-sav által katalizált reakció. Védőcsoport eltávolítás: Katalitikus hidrogénezés, vagy savas hidrolízis. Eredmény: 4-es és 6-os helyzet szelektív védése. 3

14 PhC ZnCl - + / 3. Észteresítés a) Ecetsav-anhidriddel Ph /Pd/C Me Védés: Pufferelt, vagy Lewis-sav által katalizált reakció. Védőcsoport eltávolítás: Zemplén-dezacetilezés (NaMe/Me). Eredmény: Mindegyik hidroxilcsoport védése. Ph Ph + Penta--acetil-α-D-Glcp szelektív előállítása: ZnCl /0 C Anomer-effektus által vezérelt kinetikus kontroll. Penta--acetil-β-D-Glcp szelektív előállítása: Puffer, melegítés Sztérikus hatások által vezérelt termodinamikus kontroll. 5 Ac NaAc melegítés ZnCl 0 C Ac Ac Ac Ac Ac Ac Ac Ac Ac Ac penta--acetil- -D-Glcp penta--acetil- -D-Glcp Ac Ac Ac Ac Ac NaMe/Me + 5 MeAc b) Benzoil-kloriddal (Bz-Cl) Védés: Bázikus közegű acilezés. Védőcsoport eltávolítás: Ammóniával. Eredmény: Mindegyik hidroxilcsoport védése. Sztérikus okok miatt szelektíven penta--benzoil-β-d-glcp izomer keletkezik. A védőcsoport eltávolítása során mutarotáló β-d-glcp izomer keletkezik. 4

15 Cl Bz Py Bz Bz Bz Bz N 3-5 BzN 4. Éter- szililéter-képzés a) Metil-jodiddal vagy dimetil-szulfáttal Cél: GC-elemzéshez forráspont csökkentése. Védés: Első lépésben metil-glikozid képzés, majd bázikus közegű metilezés. Védőcsoport eltávolítás: Az éterkötések nem hasíthatóak, csak a metil-glikozid hidrolizálható. Me/ + Me MeI / Ag vagy Me S 4 / Na Me Me Me Me Me Me + / Me Me Me b) Trimetilszilil-klorid-dal (TMS-Cl) Cél: GC-elemzéshez forráspont csökkentése Védés: Bázikus közegű szililezés. Védőcsoport eltávolítás: Savas hidrolízis Eredmény: Mindegyik hidroxilcsoport védése. 5 Me 3 SiCl TEA c) Benzil-kloriddal (Bn-Cl) Védés: Bázikus közegű alkilezés. TMS TMS TMS TMS TMS Védőcsoport eltávolítás: Katalitikus hidrogénezés. + / Eredmény: Mindegyik alkoholos hidroxilcsoport védése. A védőcsoport savas és bázikus közegben is stabil. Me 4 BnCl K C 3 Bn Bn Bn Bn /Pd/C Me Me 5

16 d) Tritil-kloriddal (Tr-Cl) Védés: Bázikus közegű alkilezés. Védőcsoport eltávolítás: Savas hidrolízis (lúggal szemben ellenálló) Eredmény: Láncvégi helyzet szelektív védése (sztérikus gátlás) Cl =TrCl Ph 3 C + / TEA TrCl TEA Tr + / e) Tetraizopropil-diklórdisziloxánnal Védés: Bázikus közegű szililezés. Védőcsoport eltávolítás: Fluorid-ion tartalmú reagenssel (NaF, Bu 4 NF) Eredmény: Pentofuranóz gyűrűkben a 3-as és 5-ös helyzet szelektív védése. N Pr i Pr i SiCl SiCl Pr i Pr i Et 3 N Pr i Si Pr i Si Pr i Pr i N Bu 4 N F N 5. Glikozil-halogenidek előállítása aktiválás A védett cukorszármazék glikozidos hidroxilcsoportját jobb kilépő csoporttá alakítva glikozidképzésre aktiválhatjuk azt. Az erős anomer-effektus [az oxigénatom magányos elektronpárja (M) és a C-X kötéshez tartozó lazító pálya (LUM) közötti kölcsönhatás] miatt az S N típusú reakcióban minden esetben az α-anomer keletkezik. A dietilaminokéntrifluorid (DAST) alkalmazása során a keletkező F-ot a reagensből felszabaduló dietilamin megköti (semleges p-n végbemenő reakció). 6

17 Ac Ac Ac Ac alfa vagy béta Ac Br Ac Ac Ac Ac F Et N F S Bz F Bz Bz DAST Bz Bz dietilaminokéntrifluorid Bz Bz Bz F alfa alfa Br Ac S Et N F Ac Ac Ac Br piros: M kék: LUM anomer-effektus 6. Glikozid-képzés idroxilcsoportot tartalmazó vegyületek és szénhidrátok glikozidos hidroxilcsoportja közötti reakció eredményeképp keletkező vegyes acetálokat glikozidoknak nevezzük. A glikozidok képzése három mechanizmus szerint játszódhat le: Ac Ac Ac Ac Br alfa Ag C 3 Ac Ac Ac Ac béta,-transz Ph Ac Ac Ac C 3 C Ph Ac Ac Ac Ac Br g(ac) Ac Ac Ac Ac Ph szomszédcsoporthatás alfa alfa,-cisz Ac Ac Ac Ac alfa Br Ac Ac Na C 3 Ac Ac S N béta Az ezüst-karbonáttal kiváltott S N típusú reakcióban szomszédcsoport-hatás miatt,- transz, azaz glükóz esetén β-anomer keletkezik. A Lewis-sav higany-acetát által katalizált reakció terméke az,-cisz, azaz glükóz esetén α-anomer. Bázikus közegben a reakció S N mechanizmus szerint inverzióval játszódik le. Ph 7

18 Az oligoszacharidok Az oligo- és poliszacharidok monoszacharidokból polikondenzációval keletkező szénhidrátok, melyek hidrolízissel visszaalakíthatók monoszacharidokká. A monoszacharidok gyűrűs formái kapcsolódnak össze egy-egy hidroxilcsoportjukból történő vízkilépés közben. A két kapcsolódó hidroxilcsoport közül legalább az egyik egy glikozidos hidroxilcsoport. edukáló diszacharidok: fej-láb (pl. 4) kapcsolódás esetén a keletkező diszacharid azon gyűrűje, amelyiknek van szabad glikozidos hidroxilcsoportja, képes felnyílni. Mivel lehetőség van a felnyílásra, a nyílt láncú alakban lévő oxocsoport révén ezek a cukrok adják az ezüsttükör-próbát. Nem redukáló diszacharidok: fej-fej (pl. ) kapcsolódás esetén mindkét monoszacharid a glikozidos hidroxilcsoportja révén kapcsolódik, tehát nincs lehetőség gyűrűfelnyílásra. Emiatt ezek nem redukáló cukrok, nem adják az ezüsttükör-próbát. Fontosabb képviselők A fontosabb diszacharidok szerkezetét az alábbi ábrán foglaltuk össze. 4 4 Maltóz Cellobióz Laktóz 4 Szacharóz A maltóz édes ízű diszacharid. Szerkezete: α-d-glcp( 4)D-Glcp, azaz két D- glükopiranóz kapcsolódik benne össze az - illetve a 4-hidroxilcsoportjukon keresztül α- térállással. A keményítő hidrolízisének intermediere. Az axiális helyzetű glikozidos kapcsolat miatt a két gyűrű síkja szöget zár be egymással. A cellobióz, β-d-glcp( 4)D-Glcp, esetében az ekvatoriális β-térállás miatt a két gyűrű nagyjából egy síkba esik. A cellobióz a cellulóz hidrolízisének köztiterméke. A tejcukor (laktóz), β-d-galp( 4)D-Glcp, egy galaktóz- és egy glükóz-egységből épül fel. A lebontására szolgáló laktáz-enzim hiányos működésével kapcsolatos probléma a tejcukorérzékenység. A répacukor (nádcukor), más néven szacharóz a közönséges kristálycukor alkotója. Szerkezete α-d-glcp( )β-d-fruf, azaz fruktofuranóz-egység kapcsolódik a glükopiranózegységhez. Ez esetben mindkét kapcsolódó hidroxilcsoport glikozidos, tehát a szacharóz egyik gyűrűje sem képes felnyílni, így nem redukáló cukor. 8

19 Diszacharidok előállítása A szintézisstratégia lényege, hogy az előzőekben ismertetett módszerekkel védjük mindegyik hidroxilcsoportot, kivéve azt, amelyikkel kapcsolni szeretnénk. A glikozidos hidroxilcsoportot glikozil-halogenidként aktiváljuk. A kapcsolás után pedig eltávolítjuk a védőcsoportokat.. Monoszacharidok előkészítése Ac / NaAc Ac Ac Ac Ac Ac Br Ac Ac Ac Ac Br penta--acetil-béta-d-glcp -es helyzetben aktivált. ZnCl /Ac, 0 C. Pd/C/ 3. TrCl, Et 3 N Tr Ac Ac Ac PhC ZnCl Ph 4-es helyzetben kapcsolható Tr Ac Ac Ac NaAc melegítés Ac Ph Ac Ac TrCl Et 3 N Ac Ac Ac Pd/C/ Ac TrCl / Et 3 N Tr Ac / NaAc Tr Ac Ac Ac + Ac Ac Ac Ac Ac 6-os helyzetben kapcsolható C 3 CC as helyzetben kapcsolható További reakciókkal a -es és az 5-ös helyzetű kapcsolásra is elő lehet készíteni a D-glükózt. Analóg reakciókkal más cukrok kapcsolását is meg lehet valósítani. 9

20 . Kapcsolás, védőcsoport eltávolítás Az oligoszacharidok előállítását a cellobióz, a gencióbióz és a maltóz példáján ismertetjük. Ac Ac Ac Ac Br -es helyzetben aktivált Tr Ac Ac Ac 4-es helyzetben kapcsolható Ag C 3 Ac Ac Ac Ac Tr Ac Ac Ac NaMe/Me Cellobióz + Tr Ac Ac Ac Ac Br -es helyzetben aktivált Tr Ac Ac Ac 4-es helyzetben kapcsolható. g(ac). NaMe/Me 3. + Maltóz Ac Ac Ac Ac Br -es helyzetben aktivált Ac Ac Ac 6-os helyzetben kapcsolható Ac. Ag C 3. NaMe/Me 3. + Genciobióz Ciklodextrinek A ciklodextrinek olyan makrociklusos oligoszacharidok, amelyek hat nyolc ( 4) glikozid kötéssel kapcsolódó α-d-glükóz egységet tartalmaznak, és a keményítő enzimatikus átalakításnak termékei. Az α-ciklodextrin a hattagú ciklodextrin neve, a β-ciklodextrin a héttagúé, míg a γ-ciklodextrin a nyolctagúé. Fizikai és kémia tulajdonságaikat a gyűrű tagszáma határozza meg. Minél kisebb a gyűrű tagszáma, a ciklodextrin annál kevésbé érzékeny enzimatikus hidrolízisre. A jellegzetes csonka kúp szerkezetükből adódóan az alkoholos hidroxilcsoportok a peremeken találhatók, az üreg belső része ezzel szemben kevesebb poláris csoportot tartalmaz, így viszonylag apoláris. A ciklodextrinek képesek zárvány komplexeket képezni olyan molekulákkal, amelyek megfelelő méretűek ahhoz, hogy elférjenek az üregükben. 0

21 α-ciklodextrin β-ciklodextrin γ-ciklodextrin Poliszacharidok A poliszacharidok monoszacharid egységből épülnek fel. Biológiai funkcióikat tekintve leggyakrabban tartalék tápanyagok, vagy vázanyagok. Cellulóz A cellulóz [β-d-glcp( 4)β-D-Glcp] egységekből áll. A láncokat -kötések tartják össze. Mivel a β-d-glcp glikozidos hidroxilcsoportja ekvatoriális térállású, az egymás melletti monoszacharid egységek gyűrűi nagyjából egy síkban vannak. Emiatt a cellulóz fonalas szerkezetű. Növényi vázanyag, az ember számára emészthetetlen.

22 Keményítő és glikogén A keményítő és a glikogén amilózt és amilopektint tartalmaz. Az amilóz [α-d- Glcp( 4)α-D-Glcp] egységekből áll. Mivel az α-d-glcp glikozidos hidroxilcsoportja axiális helyzetű, az egymás melletti két monoszacharid egység gyűrűi szöget zárnak be egymással. Ennek eredménye, hogy az amilóz szerkezete intramolekuláris -kötések által stabilizált nem elágazó hélix. Az amilopektin elágazó α( 4) kapcsolódású hélix szerkezetű. Az elágazásnál az α( 4) kapcsolódás mellett α( 6) kapcsolattal indul az új hélix-lánc. A keményítő tartaléktápanyagként funkcionál a növényekben. Kimutatására alkoholos jódoldattal van lehetőség, mely sötétkék színnel jelzi a keményítő jelenlétét. A nagyobb számú elágazást tartalmazó glikogén az állati sejtek tartalék tápanyaga. Egyéb poliszacharidok További fontos poliszacharid pl. az N-acetilglükózamin polimerje a kitin, mely rovarok vázanyaga; valamint az N-acetilglükózamin és glükuronsav tartalmú hialuronsav, mely jellemzően a kötőszövetekben fordul elő. * N Ac Kitin 4 Ac N * n C * 3 N Ac ialuronsav * n