SACHARIDY

(CUKRY)

II.

1

2

Reakcie monosacharidov – Oxidácie

OHO

HO

OH

OH

OH

D-glukóza

X2, H2O, pH 4-6

(X = Cl2, Br2, I2)

87%

OHO

HO

OH

OH

O

D-glukonolaktón

+ H2O

- H2O

OHHO

HO

HO

OH

O

Kyselina D-glukónová(Aldónová kyselina)

OH

OHO

HO

OH

OH

OH

D-glukóza

HNO3

CO2H

OH

HO

OH

OH

CO2H

Kyselina D-glukárová(Aldárová kyselina)

- H2O

+ H2OOH

OH

OHO

CO2H

O

OH

O

O

OH

HO

HO2C

1

2

3

4

5

6

12

3

4

5

6

1

2

345

6

(Alkoholy a ketóny nepodliehajú oxidácii X2!)

1,4-Laktón 6,3-Laktón

• Alifatické aldehydy v miernych podmienkach ľahko oxidujú na karboxylové kyseliny, zatiaľ čo ketóny

sú rezistentné. Slabo kyslé vodné roztoky halogénov transformujú aldózy na aldónové kyseliny.

• Ich izolácia je však problematická, lebo dehydratáciou okamžite cyklizujú na príslušné aldonolaktóny.

Vo vodných roztokoch sa ustáli medzi laktónom a kyselinou rovnováha v závislosti od štruktúry a pH.

• Silné oxidačné činidlá (HNO3) oxidujú okrem aldehydu aj primárne alkoholy za vzniku aldárových

kyselín. Z D-glukózy tak vzniká kyselina D-glukárová, ktorá in situ dehydratáciou poskytne laktóny.

3

Reakcie monosacharidov – Oxidácie – Využitie

OHO

HO

OH

OR

D-manóza (R=H)

[Ag(NH3)2]+ OH

HOHO

OH

O

Kyselina D-manónová

OH

HO HO

+ Ag0

"Strieborné zrkadlo"

(R Me)

Tollensovo činidlo: kvalitatívny dôkaz redukujúcich cukrov

O

HO

HO

OH

OR

D-galaktóza (R=H)

Cu2+

vínan draselný

OHHO

HO

OH

O

Kyselina D-galaktónová

OH

HO HO

+ Cu2O

(R Me)

Fehlingovo činidlo: klinický test diabetu - (ne)prítomnosť glukózy v moči

• Roztok CuSO4 (modrej skalice) v komplexe s vínanom (Fehling) resp. citrátom (Benedict) oxiduje

alifatické aldehydy na príslušné aldónové kyseliny za vzniku červeno-hnedého precipitátu Cu2O.

• Aldózy (ketózy ťažšie) poskytujú reakciou s Tollensovým činidlom príslušné aldónové kyseliny.

• Oxidantom je diamino-strieborný katión, ktorý sa redukuje na metalické striebro. Test všeobecne

dokazuje prítomnosť voľných -CHO skupín oxidovateľných na príslušné karboxylové kyseliny.

4

Reakcie monosacharidov – Oxidácie – Štiepenie diolov

OH

OH

NaIO4 O

OI

O-Na+

O

OH

OH

O

O+ NaIO3 H2O+

HO

HO

OH

OH

HO

OH

D-manitol

acetón

H2SO4

O

HO

OH

O

O

O

BisacetonidD-manitolu

NaIO4MeOH/H2O

0°C

O

O

O

BisacetonidD-glyceraldehydu

2 x

• Reakcia vicinálnych diolov s kyselinou jodistou (H5IO6) alebo jej soľami poskytne cyklický esterový

intermediát, ktorý sa štiepi za vzniku dvoch molekúl aldehydu. Tento typ oxidácie monosacharidov

sa často využíva ako analyticky, tak aj synteticky. Napríklad z ochráneného D-manitolu sa oxidáciou

s jodistanom sodným pripravuje bisacetonid D-glyceraldehydu ako užitočný chirálny medziprodukt.

5

Reakcie monosacharidov – Redukcie

OH

HO

OH

OH

O

OH

NaBH4EtOH

(H2, Pd/C)

OH

HO

OH

OH

OH

OH

NaBH4

EtOH

D-glukóza(aldóza)

D-glucitol(alditol)

O

HO

OH

OH

OH

OH

NaBH4

EtOH

D-fruktóza(ketóza)

HO

OH

OH

OH

OH

D-manitol(alditol)

HO

• Aldózy a ketózy sú hydridmi redukovateľné na príslušné alditoly za vzniku novej hydroxyskupiny.

• Zatiaľ čo aldóza poskytuje redukciou 1 produkt (glukóza glucitol), ketóza dáva diastereomérne

alditoly (fruktóza glucitol + manitol). Dôvodom je diastereotopia karbonylovej skupiny ketóz.

• Významným stereochemickým dôsledkom redukcie manózy na manitol je zmena symetrie produktu.

• Nakoľko D-manitol má oba konce reťazca identické (-CH2OH), vykazuje molekula C2-os symetrie.

6

Reakcie monosacharidov – Redukcie

furanose

7

Reakcie monosacharidov – Redukcie

8

Reakcie monosacharidov – Redukcie – Alditoly ako sladidlá• Redukciou niektorých cukrov sa dajú pripraviť achirálne alditoly, nakoľko majú rovinu symetrie.

• Xylóza poskytuje redukciou alkohol xylitol, ktorý napriek prítomnosti 3 stereogénnych centier

neotáča rovinu polarizovaného svetla. Ide o tzv. mezo-zlúčeninu, ktorá je zrkadlovo symetrická.

• Xylitol je približne rovnako sladký ako sacharóza, pričom

nesladká xylóza sa extrahuje v značných množstvách z

rastlinného odpadu ako sú piliny alebo kukuričné šúľky.

• Xylitol sa používa ako relatívne lacné sladidlo, navyše

nespôsobuje zubný kaz, nakoľko mliečne baktérie ho

nie sú schopné metabolizovať na príslušné kyseliny.

• Cicavce však xylitol na rozdiel od baktérií čiastočne

metabolizujú, preto môže slúžiť ako zdroj energie. Väčšie

množstvá však majú na tráviaci systém laxatívny účinok.

9

Reakcie monosacharidov v bázickom prostredí –Zriedené roztoky

OH

HO

OH

OH

OH

O

D-glukóza(57%)

OH

HO

OH

OH

OH

OH

éndiol D-glukózy D-fruktózy D-manózy

0.035% NaOH

35°C, 100 h

O

HO

OH

OH

OH

OH

D-fruktóza(28%)

HO

OH

OH

OH

O

D-manóza(3%)

HO

Epimerizácia a aldózovo-ketózový prešmyk(Lobry de Bruin-van Ekensteinova reakcia)

• Aldózy (ale aj ketózy) podliehajú v zriedených bázických roztokoch epimerizačným prešmykom.

• D-glukóza v prítomnosti 0.035% NaOH poskytuje zmes D-fruktózy, D-manózy a pôvodnej D-glukózy.

• Interkonverzia D-glukóza D-manóza je epimerizáciou a kompletný prešmyk sa nazýva

Lobry de Bruin-van Ekensteinova reakcia. Kľúčovým krokom je enolizácia D-glukózy na éndiol,

ktorý následne „ketonizuje“ 3 rôznymi spôsobmi na finálnu D-fruktózu, D-manózu a D-glukózu.

10

Reakcie monosacharidov v bázickom prostredí –Koncentrované roztoky

OH

OH

OH

OH

O

D-allóza

1% Ca(OH)2

- H2O

OH

OH

OH

OH

O

OH H

O

OH

OH

OH

O

H

-OH

H

O

OH

OH

OH

O-

HH

OH

H

H+

CO2H

OH

OH

OH

OH

HH

Kyselina3-deoxy-allónová

H

• Koncentrovanejšie bázické roztoky transformujú aldózy na príslušné 3-deoxyaldónové kyseliny.

• Prvým krokom je priama b-eliminácia vody z voľného monosacharidu za vzniku 1,2-dikarbonylovejzlúčeniny. Nasleduje adícia HO- nukleofilu a hydridový prešmyk poskytne finálnu aldónovú kyselinu.

• Nakoľko v bázickom prostredí sú hydroxylové skupiny monosacharidov čiastočne deprotonované,

rýchlosť určujúcim (t. j. najpomalším) krokom celého mechanizmu je iniciálna b-eliminácia vody.

• Ako katalytická báza sa najčastejšie používa Ca(OH)2, nakoľko Ca2+ ióny efektívne komplexujú enol.

11

Reakcie monosacharidov v kyslom prostredí

D-glukóza

2M H2SO4

100°C

pomaly

polysacharid

2M H2SO4

100°C

rýchlo

DEGRADÁCIA

O

H

H

OHH

O

OH

OH

H

H

OH

O

OH

H+H+

O OH

OHO

O

OHO

5-hydroxymetyl-furán-2-karbaldehyd

(5-HMF)

- 2H2OALDO-aleboKETO-

HEXÓZA

H+

H

- H2O

Výroba a využitie HMF

• Kyslo-katalyzovaná dehydratácia (- 3 H2O) monosacharidov poskytuje 5-hydroxymetylfurfural (HMF).

12

Mechanizmus vzniku HMF z D-fruktózy

• D-fruktopyranóza (1) ekvilibruje na D-fruktofuranózu (2), ktorá iniciálnou dehydratáciou poskytuje

enol (3). Následnou dehydratáciou jeho oxo-formy vzniká a,b-nenasýtený aldehyd (4), ktorý podlieha

finálnej dehydratácii za vzniku 5-hydroxymetylfurfuralu (HMF) ako stabilného a konečného produktu.

• Nakoľko enolizácia je rýchlosť určujúci krok vzniku HMF, D-fruktóza reaguje rýchlejšie ako D-glukóza.

- H2O

1. enolizáci

a

1. Tautomerizácia

2. - H2O

- H2O

13

Mechanizmus vzniku HMF z D-glukózy

• Reaktivita D-glukózy (aldózy) je značne vyššia ako D-fruktózy (ketózy), čoho prejavom je oveľa menšie

zastúpenie acyklickej glukózy v porovnaní s rovnovážnou koncentráciou otvorenej formy D-fruktózy.

• Avšak nakoľko D-glukóza tvorí stabilné cyklické štruktúry, jej enolizácia je pomalšia ako u D-fruktózy.

• Alternatívnym mechanizmom je iniciálna izomerizácia D-glukózy na D-fruktózu, ktorá sa už následne

transformuje na finálny 5-hydroxymetylfurfural vyššie uvedenou kyslo-katalyzovanou transformáciou.

OHO

HO

OHOH

OH

OHHO

HO

OOH

OH

+ H+

- H+

OHHO

HO

OHOH

OH

- H+

+ H+

OHHO

HO

OHOH

OH

D-glukóza

Éndiol

OHHO

HO

OHO

OH

Hydroxyketón

OHO

HO

OH

D-fruktóza

HO

OH

1414

Využitie 5-hydroxymetylfurfuralu (HMF)

• 5-Hydroxymetylfurfural (HMF) je kľúčovým medziproduktom syntézy mnohých užitočných zlúčenín:

- biopaliva 2,5-dimetylfuránu (DMF) ako alternatívy k (bio)etanolu,

- fotosenzitizéru kyseliny levulínovej na fotodynamickú onkoterapiu,

- monoméru FDA ako alternatívy kyseliny tereftalovej na prípravu plastov.

Kyslo-katalyzovaná hydrolýza celulózy

• Kyslá hydrolýza celulózy na monosacharidy je známa od roku 1819 (Braconnot), pričom charakter

produktov závisí od typu a koncentrácie Brønstedovej kyseliny, rozpúšťadla, teploty a reakčného času.

• Zahrievanie celulózy v konc. roztoku H2SO4 pri ~100°C počas 5-7 h poskytne >80% výťažok D-glukózy.

15

• Intra- a intermolekulové vodíkové väzby spôsobujú extrémnu stabilitu a nerozpustnosť celulózy.

• Výzvou je selektívna a zároveň efektívna chemodegradácia celulózy na využiteľné monosacharidy.

Kyslo-katalyzovaná hydrolýza celulózy

16

• Významnou nevýhodou štandardného technického prevedenia hydrolýzy celulózy koncentrovanou

Brønstedovou kyselinou (napr. H2SO4) je korózia aparatúry a generovanie značne kyslého odpadu.

• Riešením je použitie imobilizovaného heterogénneho kyslého katalyzátora, ktorý je navyše ľahko

odstrániteľný z reakčnej zmesi po ukončení hydrolýzy - napr. vo forme magnetických nanočastíc.

• Katalyzátor pozostáva z polymérnej matrice na báze silánov obsahujúcich terminálne -SO3H skupiny.

Kombináciou polyméru s nanočasticami Fe3O4 sa získa tuhá magnetická kyselina s definovanou mezo-

poréznou mikroštruktúrou. Pripravený heterogénny katalyzátor je tepelne stabilný a recyklovateľný.

(Lai et al.: ChemSusChem 2011, 4, 55)

17

Katalytické „one-pot“ transformácie celulózy

17

18

Využitie lignocelulózy na výrobu chemikálií a palív

19

Reakcie monosacharidov – Degradácie – Ruff

OH

HO

OH

OH

OH

O O- (Ca2+)1/2

+ H2O2

Fe3+ O

HO

OH

OH

OH

+ CO2

D-Glukonát vápenatý(Hexóza)

D-Arabinóza(Pentóza)

Otto Ruff

(1871-1939)

• Ruffova degradácia využíva peroxid vodíka v prítomnosti železitanov na premenu vápenatých solí

hexónových kyselín na pentózy. Tentatívne sa predpokladá vznik komplexu cukor/Fe3+/H2O2.

• Mechanisticky predstavuje Ruffova degradácia dvojnásobnú (jedno)elektrónovú oxidáciu.

• V prvom kroku je aldonát (1) oxidovaný na acyloxy radikál (2), ktorý po eliminácii CO2 a

následnej oxidácii poskytne karbkatión (3). Ten je finálne atakovaný H2O za vzniku gem-diolu.

20

Reakcie monosacharidov – Degradácie – Hunsdiecker

OAc

AcO

OAc

OAc

OAc

O O-

Br2, CCl4

Ag+

80°C, 4 h

OAc

AcO

OAc

OAc

OAc

O O

- CO2

BrBr

OAc

AcO

OAc

OAc

OAc

AgOAc

OAc

OAc

AcO

OAc

OAc

OAc

D-gluko(Hexóza)

D-arabino(Pentóza)

• Hunsdieckerova degradácia zahŕňa bromáciu striebornej soli karboxylovej kyseliny s následnou

termickou dekarboxyláciou za vzniku o uhlík kratšieho alkylhalidu. Ten sa finálnou reakciou s

AgOAc prevedie na maskovaný aldehyd, ktorý sa izoluje vo forme diesteru terminálneho acetálu.

Heinz Hunsdiecker & Cläre Hunsdiecker

(1904-1981) (1903-1995)

University of Göttingen

21

Reakcie monosacharidov – Homologácie – Kiliani-Fischer

O

HO

OH

OH

OH

D-Arabinóza(Pentóza)

NaCN

H2O

pH 9

OH

HO

OH

OH

OH

CN

HO

OH

OH

OH

CN

+

Kyánhydríny(Hexózy)

HO

H+/H2O

H+/H2O

OH

HO

OH

OH

OH

CO2H

HO

OH

OH

OH

CO2H

+

HO

KyselinaD-glukónová

KyselinaD-manónová

• Kyanidový anión reprezentuje dostupnú formu nukleofilného uhlíka, ktorý reaguje s aldehydmi

a ketónmi za vzniku kyánhydrínov. Tie obvykle nie sú izolované, ale priamo hydrolyzované na

príslušné aldónové kyseliny. Z nich sa finálne aldózy dajú pripraviť totálnou redukciou s LiAlH4.

22

(BIO)SYNTÉZA

MONOSACHARIDOV

Najdôležitejšia (bio)chemická reakcia na Zemi –Fotosyntéza

23

chlorofyl

380-720 nm

C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O6 CO2 + 12 H2O

(H = 2870 kJ/mol)

Formose reaction – Background • The self-condensation of formaldehyde is a one-pot reaction resulting in a complex mixture of sugars.

Usually, an alkaline environment (pH~11) and the presence of catalytically active species are required.

• The formose reaction was previously considered as a prebiotic source for carbohydrates generation.

However, due to the fast degradation of sugars and the missing selectivity, this hypothesis is doubtful.

24

Alexander Michailovič

Butlerov

(1828-1886)

Formose reaction – Mechanism • Formaldehyde usually does not react with itself establishing a C–C bond, so that the simplest sugar

glycolaldehyde is formed slowly. However, as soon as some condensation product is present, a cascade

of reactions is initiated, ultimately leading to the formation of various straight/branched carbohydrates.

• Elongation of the carbohydrate backbone occurs via base-catalysed aldol condensation with HCHO,

accompanied by isomerisations. In alkaline medium retro-aldol reactions take place as well, where-

upon both resulting fragments can act as initiators again, thus leading to an autocatalytic system.

• Due to their relative stability pentoses and hexoses are the main products. For prolonged reaction

times however they decompose, recognisable by the yellowing / darkening of the reaction mixture.

25

26

Hydrothermal formose reaction

• Habitats with superheated water are available in submarine areas with volcanic activity and such

hydrothermal vents with temperatures around 200°C at a pressure of 20 bar are present in oceans.

• In order to mimic such a demanding conditions, a continuous flow-reactor was designed and tested.

Thus, a 0.5 M formaldehyde solution was heated to 200°C under a pressure of 100 bar. (It should be

noted, however, that such a high concentration of HCHO is not along with prebiotic conditions.)

To vary the pH and to probe for the potential catalysis of simple ions (Na, K, Ca) salts were added.

• Contrary to the formose reaction at ambient temperatures, where hexoses are the main products,

here the shorter carbohydrates (tetroses and pentoses) are preferentially formed. Despite the high

stability that is in principle expected for hexoses, their amount is insignificant at 200°C. Thus, these

results do not show the formose reaction as a player in the prebiotic formation of carbohydrates.

(D. Kopetzki et al.: New J. Chem., 2011, 35, 1787)Hydrothermal vent

(Black smoker)

27

Biosyntéza kyseliny L-askorbovej

Esenciálny vitamín

Má antioxidačné vlastnosti

D-enantiomér je neaktívny

28

Biosyntéza kyseliny L-askorbovej

[O]