6. Előadás. Oxovegyületek. Szénhidrátok: monoszacharidok. Szénhidrátszármazékok.

Átírás

1 6. Előadás xovegyületek. Szénhidrátok: monoszacharidok. Szénhidrátszármazékok.

2 23. xovegyületek ALDEIDEK, KETNK - származtatás aldehid keton Nomenklatura Típusnév: alkánal alkénal alkinal Típusnév: alkánon alkénon alkinon soport név: formil oxo acil

3 Példák: metanal acetaldehid * propanon, dimetil keton, aceton * 3-buténal ciklohexán karbaldehid benzaldehid ciklohexanon pentin-2-on etándial, glioxál * 3-hidroxi-2-butanon oxo-hexánal 3 11-cisz-retinal

4 A szerkezet Kötésmód (sp 2 ) (sp 2 ) koplanáris s (p) p (p) Kötéshossz: Kötésszög: 1,43 Å 1,21 Å 1,33 Å 121,7 o 123,9 o 118,6 o 121,4 o ,5 117,5 117,2 formaldehid acetaldehid aceton Dipólusmomentum: atárszerkezetek: 1,7 2,7 0,3 d d

5 Fizikai tulajdonságok 1. Forráspont Mt Fp ( o ) ldékonyság g/100 ml 2 Fp ( o ) = = v 97 A. asszociációs képesség (m) B. akceptor sajátság, -híd Kémiai reakciók Reakció a karbonil -atomon d d d a Reakció az a--atomon 1. Bázikus jelleg 2. xidáció-redukció 3. Addició (Ad N ) 1. Savas jelleg 2. alogénezés 3. Aldol addició (Ad N )

6 Reakció az a--atomon 1. Savi jelleg [- sav] + :B.. enolát anion + B Példa 2 3 aceton [keto] NaN propen-2-ol [enol] pk a (oxo) =20 99,99975 % pk a (enol) =14,4 0,00025 % Lásd még: keto-enol tautoméria

7 2. alogénezés g b a b a a a) Monohalogénezés: oldatban, sav/bázis katalízis l l + l klóracetaldehid l l + l Mechanizmus: 1. :B + B + enol 2. l-l + + l Bizonyíték: a reakció első részében a sebesség független a halogén koncentrációtól l

8 b) Polihalogénezés: ALFRM reakció (jodoform, kloroform) I 2 I K I 3 + jodoform K -- 3 Mechanizmus: (lúg katalizis) R + :B.. R X-X X R + X X R + :B X : R X-X X X R...

9 3. Aldol addició/ aldol dimerizáció híg lúg hidroxi-butánal (aldol) Mechanizmus: a -.. lúg R : R D = - 16,75 kj/mol d D = + 83,7 kj/mol a.. a Megjegyzések: 1. Az aldehidek reakcióképesebbek, mint a ketonok. 2. Feltétel: legyen hidrogén az a -atomon.

10 Reakció a karbonil -atomon 1. Bázikus jelleg ( protonálódás) Az alkoholoknál gyengébb bázisok. 2. Redukció-oxidáció a) Redukció: 2 oxo alkohol i) Katalitikus, Pt, Pd/, Raney-Ni primer alkohol szekunder alkohol telítetlen oxovegyület nincs szelektívitás

11 ii) Komplex fémhidridek, Li Al 4, Na B B Na B 3 Na 3 3 szelektív redukció! alkohol iii) Naszcens hidrogén lemmensen redukció savra nem érzékeny oxovegyületek Zn/g + l + 4, forró cc. l Kizsnyer-Wolff redukció lúgra nem érzékeny oxovegyületek N 2 -N 2 K hidrazin N 2

12 b) xidáció KMn 4 i) 3 - v. krómsav 3 - Tollens-próba aldehid karbonsav [Ag(N 3 ) 2 ] 3 N N Ag (fém) Fehling-próba u 2+ + Na tartarát ii) 3 Na u keton c) annizzaro reakció (oxido-redukció) (keto-enol) lánchasadás : ,2 dimetil-propanal karbonsav alkohol Feltétel: Az a--atomon nincs vagy nincs a--atom. Példák: benzaldehid formaldehid

13 3. Nukleofil addició d Y : d Y Y nukleofil reagens (sp 2 ) (sp 3 ) adduktum Felosztás: a) Reakció -nukleofilekkel nukleofil (N, R-Mg-X..) nukleofil ( 2, R-..) N nukleofil (N 3, R-N 2..) i) N bázis! N cianohidrin + 2, hidrolízis N 2-ciano-2-butén a-hidroxi karbonsav

14 ii) - R-- alkinol R-- + Q-Mg-Br - + MgBr R--Q 2 R--Q Q = alkil, alkenil R aldol-addició b) Reakció -nukleofilekkel szekunder alkohol b a R--- R b-hidroxi aldehid i) geminális diol ii) polimerizáció paraformaldehid

15 iii) acetaldehid hemiacetál (félacetál) acetaldehid dimetil acetál 2 3 ( 2 ) etán-1,2-diol (etilén-glikol) 3 ( 2 ) benzol (- 2 ) 2 l 3 ( 2 ) heptil-2-metil-1,3 dioxalan Jelentősége: karbonil csoport átmeneti védelme Egy speciális eset: ( 2 S 4 ) Tetramer: metaldehid, szilárd, éghető 3 3 paraaldehid /kellemes illat/ 3 tábori főzőkészülék

16 c) Reakció N-nukleofilekkel i) 3 -- Példa + :N N 2 a-hidroxiamin 4 N N hexametilén tetraamin N Felhasználás: műanyagipar, gyógyászat (urotropin) N N N N-atom piramisos, N (kötésszög) 109 o ii) N 2 -Q + kat N 2 -Q imin (Schiff-bázis) N-Q - Felhasználás: E. Fischer, 1887, szerkezetvizsgálat N 2 -N- fenil-hidrazin - 2 N-N - -- D-glükóz D-glükóz-fenil-hidrazon

17 Szénhidrátok (Saccharum, cukor) Legnagyobb mennyiségben előforduló szénvegyület: a cellulóz Fotoszintézis: Funkciók soportosítás 1. Üzemanyagok: energiafelszabadulás 2. Energiatárolás: glikogén, keményítő 3. Vázanyagok: sejtfal növények sejtmembrán állatvilág 4. Alkotórészek: nukleinsavak antibiotikumok alkaloidok 5. Kommunikáció: - sejt sejt pl. adhéziós molekulák - virus sejt pl. influenza virus Keton vagy aldehid funkció jelenléte. A atomok száma. A karbonil csoporttól legtávolabb eső kiralitás centrum.

18 1. Aldózok (polihidroxi aldehidek: aldotrióz, aldotetróz.) D-glicerin aldehid 2 D-eritróz D-treóz D-ribóz (Rib) D-arabinóz (Ara) D-xilóz (Xyl) D-lixóz (Lyx) D-allóz D-altróz D-glükóz (Glc) D-mannóz (Man) D-gulóz D-idóz D-galaktóz D-talóz

19 2. Ketózok (polihidroxi-ketonok) 2 dihidroxiaceton 2 2 * 2 2 D-eritrulóz 2 D-ribulóz D-xilulóz D-pszikóz D-fruktóz (Fru) D-szorbóz D-tagatóz

20 SZTEREIZMÉRIA TPUSAI - Geometriai izoméria (cisz transz) - ptikai izoméria - Konformációs izoméria ALAPFGALMAK ENANTIMEREK : lyan optikai izomerek, amelyekben egy vagy több királis szénatom van és az összes királis szénatomra nézve tükörképi viszony áll fenn. 3 3 * * (R)-2-butanol (S)-2-butanol * * * * 2 2 D-eritróz L-eritróz Fizikai tulajdonságok azonosak.

21 DIASZTEREMEREK: lyan enantiomerek (optikai izomerek), amelyekben több királis szénatom van és ezek közül egy vagy több királis szénatomra nézve tükörképi viszony áll fenn. * * * * * * * * L-(+)-lixóz D-(-)-lixóz D-(-)-arabinóz D-(-)-ribóz Példa (további): D/L-konfiguráció: diasztereo izomer pár D-glükóz L-glükóz 2 2 Fizikai tulajdonságok eltérnek.

22 EPIMEREK : lyan diasztereomerek (optikai izomerek), amelyekben egy vagy több királis szénatom van és ezek közül csak egy királis szénatomra nézve tükörképi viszony áll fenn. 2 epimer 4 epimer D-mannóz D-glükóz D-galaktóz ANMEREK : lyan epimerek (optikai izomerek), amelyekben egy vagy több királis szénatom van és ezek közül csak egy, a glikozidos (királis) szénatomra nézve tükörképi viszony áll fenn. a-d-glükópiranóz b-d-glükópiranóz

23 Nomenklatura glicerin aldehid (2R/2S)-2,3- dihidroxi propanal * * 2 2 (+) = D (+) M. A. Rosanoff (1996) (-) = L (-) = R (+) ahn-ingold-prelog = S (-) D-glükóz (2R, 3S, 4R, 5R)-2,3,4,5,6- pentahidroxi hexanal Új kiralitás centrum, glikozidos : a-b nomenklatura a agyományos elnevezés: * b * D-sorozatban: Erősebben jobbra fogató izomer L-sorozatban: Erősebben jobbra fogató izomer a b Új elnevezés láncvégi ( n ) 2 és glikozidos térállása egyezik láncvégi ( n ) 2 és glikozidos térállása ellentétes b a

24 Ábrázolás Fischerprojekció N.B.: Minden cukorképletnek térszerkezeti információt kell tartalmaznia! Fischer projekció (E. Fischer ) vízszintes vonalak: függőleges vonalak: a papir síkjától az olvasó felé a papri síkjától a sík mögé

25 Szénhidrátok ciklofélacetál képzése: gyűrűs szerkezet + katalízis 5-ös, 6-os gyűrűk különösen stabilak * * D-glükóz <1.5> D-glükóz <1.4>

26 ogyan kell a gyűrűt megszerkeszteni? kétszeres szubsztituens csere fent lent 2 kell hozzá: - egy kevés térlátás - sok gyakorlat, nagyon sok (!)

27 Aldohexóz sztereoizomerek - I * királítás centrum fel le * * * * * * * Epimer-pár: pl. 1 2, 1-3, 1 5, 8-20 stb. Anomer-pár: pl. 1 2, 5 9, stb.

28 Aldohexóz sztereoizomerek - II * királítás centrum fel le Epimer-pár: pl Enantiomer-párok :

29 A gyűrű téralkata a-d-glükóz valóságban W. N. aworth leírás Sache Mohr leírás ekvatoriális helyzet axiális helyzet

30 W. N. aworth leírás (1926, Nd 1937 with Paul Karrer University of Birmingham a-d-glükopiranóz a-d-fruktofuranóz b-d-glükopiranóz b-d-fruktofuranóz a-d-glükopiranóz Sache Mohr leírás b-d-glükopiranóz

31 Konformáció analizis (lásd metil-ciklohexán) nyílt lánc * 2 a-d-glükopiranóz - van ötös, hatos és hetes gyűrű is - esetenként akár a kád is lehet stabil 2 D-glükóz nyílt lánc * 2 b-d-glükopiranóz Egyensúly egy aldóz vizes oldatában Definició 1 1 a 1 konformerek 1 a konfiguráció konstitució b 1 konformerek 1 b piranóz furanóz

32 Egy példa: D-altróz a 1 3,85 0,42 27% 3,32 0,50 1 3,65 0,58 a 20% b 1 5,35 0,03 40% 3,33 0,50 1 3,35 0,97 b 13% piranóz furanóz Esetenként egy monoszacharid többféle szerkezeti izomerje (lineáris, különböző tagszámú gyűrűs) is lehet stabil, létezhet kristályos állapotban. A szerkezeti izomerek protikus oldószerben (pl. víz) egymásba átalakulnak. Az átalakulás egyensúlyra vezető folyamat. Vizes oldatban (p < 7 és p = 7) csak a glikozidos szénatomhoz kapcsolódó csoport térállása változik. A szék-kád, 1 1 izoméria nemcsak oldatban, hanem kristályos állapotban is lejátszódik (IR). Aldóz-ketóz átalakulás csak lúgos oldatban megy végbe.

33 A szénhidrátok kémiai reakciói. 1. Redukció 2. xidáció 3. Észter képzés 4. a karbonil atomon 4.1. iklusos félacetál képzés 4.2. Reakció N-nukleofillel 5. Éterképzés 6. Epimerizáció 7. Keto-enol átrendeződés 1. Redukció: oxo - alkohol (aldóz/ketóz alditol) a) 2 /kat /Ni addició a-d-glükopiranóz 2 2 D-glucitol (D-szorbitol) b) NaB a-d-fruktofuranóz 1 NaB 4 addició D-glucitol és D-mannitol

34 2. xidáció: oxo - karbonsav (aldóz/ketóz aldonsav/aldársav) - és/vagy - 2 a) Br 2 2 () n 2 Br 2 2 aldonsav 2 2 glukonsav [GlcA] () n 2 b) N 3 () n N 3 aldársav 2 (cukorsav) glükóz glukársav

35 c) Tollens-reakció * a-d-glükóz 2 Ag(N 3 ) bázikus! + Ag 2 glukonsav 2 Ag(N 3 ) Ag D-fruktóz endiol (keto enol tautoméria) aldózok keverék pozitív Tollens-teszt De: acetál 3 Ag(N 3 ) * Benedict-próba reagens: u 2+ /citrát/lúg (oldat) u 2+ /tartarát/lúg (oldat) u 2 csapadék

36 a-d-glükopiranóz 3. Észterképzés 3 3 ecetsavanhidrid (piridin) Szubsztitució ( - acilezés) Ac Ac Ac Ac Ac penta--acetila-d-glükopiranóz 4.1. iklusos félacetál képzés (intramolekuláris nukleofil addició) Mutarotáció jelensége a - anomer nyilt gyűrűs b - anomer < 98 o kristályosítás kristályosítás vízből vízből > 98 o tiszta a - anomer op. 146 o,[a]= + 112,2 o tiszta b - anomer op. 150 o,[a]= + 18,7 o 2 2 [a]= + 52,6 o egyensúlyi elegy (a + b)

37 exózból 5 tagú gyűrű kialakulása anomer atom a-d-fruktofuranóz nyilt láncú forma b-d-fruktofuranóz exózból 6 tagú gyűrű kialakulása 1 a-d-glükopiranóz 5 2 b-d-glükopiranóz

38 Értelmezés 1 + katalízis + katalízis 4 g 5 d 2 * * 1 1 D-glükóz <1.5> D-glükóz <1.4>

39 a) g-hidroxi aldehid: 5 tagű gyűrű g a D-fruktóz furán b-d-fruktofuranóz b) d-hidroxi aldehid: hat tagú gyűrű 2 D-glükóz d a pirán a-d-glükopiranóz

40 4.2. Reakció N - nukleofillel Reakció hidroxil-aminnal (Nukleofil addició) N- 2 N- 2 2 D-glükóz oxim származék Reakció fenil-hidrazinnal N-N 6 5 N-N NN 2 Ac D NN 2 * Ac N-N N 2 + N D-glükóz D-glükóz fenilhidrazon *a 2. fenil-hidrazin molekula redukál D-glükóz feniloszazon (sárga)

41 Fontos: aldóz epimerek vagy ketóz is! () n 2 vagy N - N 6 5 () n Ph-N-N 2 + N - N 6 5 () n 2 2 vagy 2 N N 2 () n 2

42 bármelyik anomer 5. Éter (glikozid) képzés 3 D + 1-metil-D-glükozid (keverék) 3 ( 3 ) 2 S 4 ( - ) l tritil-klorid 2,3,4,6-tetrametil-metil- -D-glükozid íg + ( 6 5 ) tritil-D-glükozid Reaktivítási sorrend: 2,3,4,6-tetrametil- -D-glükozid glikozidos > primer > szekunder

43 6. Epimerizáció Katalizátor: bázis ( - ) Reakciócentrum: királis *.. :.. 2 : 2 2 D-glükóz enolát (tautomeria) : enolát D-mannóz

44 7. Keto-enol (endiol) átrendeződés Katalizátor: Reakciócentrum: bázis (- ) (karbonil) és a D-glükóz enolát endiol endiol enolát D-fruktóz

45 A D-glükóz szerkezetének meghatározása Színtelen, kristályos, vizes oldata jobbra forgat Primer szerkezet 1) Elemanalízis összegképlet: ) Funkciós csoport és váz meghatározás oxidáció (Br 2 /víz) acetilezés kristályos, savas (D-glukonsav) 1 db kristályos 5 db acetilezés redukció kristályos 1 db (hexánsav) egyenes lánc

46 3. Wohl - Zemplén-lebontás N- N- - Ac * N -Ac -Ac -Ac -Ac 2 -Ac Na ** l 3 aldóz (glükóz) oxim acetilezett aldonsav nitril Na ** l pentóz NaN + 3 D-glicerinaldehid 2. ciklus 3. ciklus Az csoportok acetilezése és az oxim csoport dehidratálása egyszerre megy végbe ** Bázis hatására ( 3 ) hidrolizís és hasadás tetróz * * oxidáció N borkősav (nem forgat)

47 A szénhidrát (monoszacharid) származékok 1. ukor alkoholok, cukorsavak eritritol 2 D-xilitol ( nyirfa cukor ) 2 D-mannitol 2 D-glucitol (D-szorbitol) 2 [GlcUA] (méregtelenítés) glukonsav [GlcA] glukársav

48 2. Amino-szacharidok (amino-cukrok) (természetes poliszacharidokban) N 2 b-d-glükózamin vagy b-2-amino-2-dezoxi-d- -glükopiranóz [GlcN] (kitin) N b-d-n-acetil- -glükózamin [GlcNAc] 3 N 2 N 2 a-d-galaktózamin [GalN] muraminsav [Mur] N 3 a-d-n-acetilgalaktózamin [GalNAc] 3 N N -- 2 N-acetilneuraminsav [sziálsav, Sia, NeuNAc] N-acetilmuraminsav [MurNAc] (baktérium fal)

49 3. Foszfát-észterek (primer és/vagy szekunder származékok) P- D-glicerinaldehid-3-foszfát P a-d-fruktóz-6-foszfát DG 0 * = - 12 kj/mol pk a1 = 2,10 pk a2 = 6,75 DG 0 * = - 13,8 kj/mol pk a1 = 0,97 pk a2 = 6,11 P b-d-glükóz-1-foszfát DG 0 * = - 20,9 kj/mol pk a1 = 1,10 pk a2 = 6,13 P b-d-glükóz-6-foszfát DG 0 * = - 13,8 kj/mol pk a1 = 0,94 pk a2 = 6,11 *DG o : az észter kötés hidrolízisekor felszabaduló energia

50 4. Glikozidok (glikozidos származékok) soportosítás: - -glikozidok - N-glikozidok - -glikozidok 4.1 -glikozidok (éterkötés) Lásd: diszacharidok 1(b) idroxi-aminosavak (Ser, Thr) laktóz R NAc GalNAca1-Ser/Thr R R = (Ser) 3 (Thr) R = oligoszacharid rész N Fenolos hidroxi-aminosav (Tyr) (méregtelenítés) b-d-glükuronsav-feniléter

51 Glikozid szteroidok A. Szívre ható glikozidok szívizomserkentők növényi eredet Digitalis fajok (gyűszűvirág) Strophantus félék Alapváz: 5b,14b-androsztán 3 b 3 b 17 3 b 3 14 b b b 5 b digitoxigenin aglikon sztrofantidin Térszerkezet: Glikozid kötés: 3b, 5b, 14b -csoport 17b butenolid-gyűrű 3b -glikozid mono-, di-, tri- vagy tetraszacharid

52 Digitalis lanata Digitoxóz Digitoxigenin (aglikon) D-glükóz Digitoxóz acetát Lanatozid Stophanthus gratus L-ramnóz G-sztrofantidin (aglikon) Quabain enzimgátló Na + /K + pumpa növényi, nyílvessző

53 B. Szaponinok hemolizáló hatás növényi eredet, ivarhormonok alapanyaga aglikon: szapogeninek Példa: dioszgenin (Dioscoraceae faj) R Szaponin R = mono/oligoszacharid ,17-spiroketál gyűrű dioszgenin 1. acetilezés 2. r 3 3. hidrolízis Ac 5 5,16-pregnadién-b-ol-20-on

54 - Amigdalin (keserű mandula magjából, hidrolizísekor N szabadul fel) 2 gentobióz 2 N benzaldehid 4.2 N - glikozidok ( N amin kötés) Glikozil-aminok b-d-glükóz N 2 b-d-glükópiranozilamin Asn (aminosav) De: Gln (nem) R NAc GlcNAcb1-Asn N 2 N R: oligoszacharid rész Nukleozidok N N 2 N 5 N N 4 1 Adenozin

55 Antibiotikumban (Streptomyces griseus) 2 N metil - glükózamin Streptomicin (1944) N 3 3 N N N 2 -antibiotikum -protozoa ellenes N N 2 N Streptóz Streptidin (ciklohexán gyűrű) glikozidok ( kötés) 2-b-D-glükopiranozil- -1,3,6,7-tetrahidroxixanten-9-on (Mangiferin) gyümölcs, pl mangó héjában (Mangifera indica L ) Peroxiszóma Proliferátor Aktivátor Receptor (PPAR) 5-b-D-ribofuranoziluracil (Pszeudouridin) (trns-ből) DE: Minden más glikozid hidrolizálható, a "-glikozidok" - kötése általában nem. (glikoziloxi előtag)

56 6-b-D-glükopiranozil-4',5,7-trihidroxi-8-a-Lramnopiranozil-flavon (violantin) áromszínű árvácska (Violaceae, European Wild Pansy) atása: köptető, enyhe vízhajtó, nyálkaoldó. * (10S)-10-b-D-glükopiranozil-1,8-dihidroxi-3-(hidroximetil) antracen-9(10)-on; (triviális nevek: aloin A, (10S)-barbaloin) Aloé, Aloe vera vizből kristályos, sárga, keserű anyag, atása: erősen hashajtó

57 -vitamin (L-aszkorbinsav) felfedezés: 1928 izolálás: Szentgyörgyi (1932) 1 skorbut = 2