CARBOIDRATI B.J.Kakos  MONOSACCARIDI SINTESI DI KILIANI‐FISCHER DEGRADAZIONE DI RUFF e di WOHL DISSACCARIDI FORMULE DI HOWARTH 

NOZIONI DI CARBOIDRATI PER GLI STUDENTI DI FARMACIA 

2

CARBOIDRATI I carboidrati costituiscono una classe di composti dei quali si riscontrano in tutti gli organismi viventi. Il nome trae origine dall’osservazione fatta originariamente che molti composti di questa classe sono caraterizzati da formule del tipo Cn(H2O)n. (Oggi non lo si adopera più con tale limitazione di significato). Tutti i carboidrati sono poliidrossialdeidi o poliidrossichetoni o molecole che per idrolisi portano a queste classi di composti. I gruupi funzionali caratteristici di un carboidrato sono: gruppo carbonilico gruppo ossimetilenico gruppo alcoolico terminale 1° I carboidrati assumono con il gruppo carbonilico e con il gruppo ossimetilenico struttura emiacetalica (aldeide) ed emichetalica (chetone). (Vedi addizione di alcooli ad aldeidi e chetoni) I carboidrati si dividono in: 1. monosaccaridi (o monosi o zuccheri semplici o saccaridi) 2. oligosaccaridi (λέξις ελληνική, ολίγος) 3. polisaccaridi (λέξις ελληνική, πολύς) Tutti i carboidrati che riducono i reattivi di Tollens, Benedict e Fehling sono detti zuccheri riducenti MONOSACCARIDI I monosaccaridi sono carboidrati che hanno la molecola più ridotta possibile e comprendono gli zuccheri da 3 a 6 atomi di carbonio. (si conoscono per la verità tra i prodotti naturali zuccheri semplici anche con 7,8 atomi di carbonio etc, ma si tratta di sostanze assai più rare). I monosaccaridi che possegono come gruppo carbossilico la funzione aldeidica vengono chiamati aldosi, quelli che possegono come gruppo carbossilico la funzione chetonica vengono chiamati chetosi. La formula molecolare più semplice dei monosaccaridi corrisponde a tre triossi isomeri: C3(H2O)3: (fig.1) L’aldeide D- ed L-glicerica sono due enantiomeri che si possono considerare come I prototipi di due serie di zucheri enantiomeri, gli Aldosi, derivabili schematicamente dall’ uno o dall’altro composto rispettivamente, mediante l’introduzione di uno o più gruppi ossimetilenici (H-C-OH) tra la funzione aldeidica ed il gruppo chirale adiacente. Analogamente il diossiacetone è il prototipo di una serie di zuccheri detti Chetosi, caratterizzati dalla presenza di un un gruppo carbonile chetonico. Come per gli aldosi, nei chetosi, gli zuccheri derivabili dal diossiacetone si ottengono mediante l’introduzione di uno o più gruppi ossimetilenici (H-C-OH) tra la funzione chetonica ed il gruppo alcoolico terminale primario. Il diossiacetone non presenta centri chirali, nei chetosi, la introduzione di gruppi ossimetilenici (assimetrici), crea nuovi centri chirali, producendo chetosi della serie D- ed L-. Ricordiamo che: Una molecola che possiede un centro assimetrico è una molecola chirale se la sua immagine speculare non è sovrapponibile. Due strutture che sono immagini speculari non sovrapponibili di una stessa molecola vengono definite enantiomeri.

O

H OH

OH

O

HOH

OH

O

OH

OH

aldeide D-glicerica D-aldotriosio

aldeide L-glicerica L-aldotriosio

2,3-diidrossipropanale

fig.1

3

Una coppia di enantiomeri possiede le stesse caratteristiche chimiche e fisiche, tranne che ruotano il piano della luce polarizzata in direzioni opposte della stessa quantità. Una miscela equimolecolare di due enantiomeri viene denominata miscela racemica che non fa ruotare il piano della luce polarizzata. I due enantiomeri della gliceraldeide sono stati chiamati D (dexter) ed L (laevus) in modo arbitrario. In seguito è stato osservato che la configurazione D ruota il piano della luce polarizzata in senso orario (+) mentre la configurazione L ruota il piano della luce polarizzata in senso antiorario (-). I gruppi funzionali caratteristici di un carboidrato sono: 1. il gruppo carbonilico (aldeidico o chetonico) 2. il gruppo alcoolico I carboidrati assumono con questi gruppi la struttura emiacetalica o emichetalica In fig2 ricordiamo l’addizione degli alcooli ad aldeidi e chetoni. L’emiacetale reagisce con una seconda molecola di alcool e forma un acetale, come indica la fig.3,4 e 5. D-Glucosio Il D-glucosio è uno degli zuccheri più abbondanti in natura. I carboidrati (pentosi,esosi) non sono strutture a catena aperta, glucofuranosio oppure gluco-piranosio, espressioni che derivano dai nomi dei composti furano e pirano (fig.5) ma sono dotati di strutture cicliche, nelle quali la funzione carbonilica non si presenta libera, bensì sotto forma di emiacetale, in seguito alla combinazione con uno degli ossidrili presenti nella stessa molecola. Questo tipo di combinazione intramolecolare dà origine di norma solo ad anelli a 5 o 6 termini, che si designano con le espressioni glucofuranosio oppure gluco-piranosio (fig.6), espressioni che derivano dai nomi dei composti furano e pirano. La combinazione descritta ha come effetto la insaturazione di un nuovo elemento di asimmetria, precisamente nell’atomo di carbonio carbonilico, ciò rende possibile l’esistenza di due emiacetali. Di conseguenza esistono due forme cicliche del glucosio come indica la fig.7. I due isomeri ciclici del glucosio differiscono solamente per la stereochimica al C1; questi due isomeri sono chiamati anomeri ed il carbonio acetalico (o chetalico per chetosi ciclici) è chiamato carbonio anomerico. I due anomeri si chiameranno α e β; l’anomero è quello in cui l’-OH in C1 ed il CH2OH in C5 sono in cis. L’α-D-glucosio puro ha un potere ottico rotatorio [α]D = +112° mentre l’anomero β ha [α]D = +18.7°. Entrambi questi anomeri sono stati isolati allo stato puro cristallino. Se uno dei due anomeri viene sciolto in acqua, il potere rotatorio della soluzione lentamente cambia fino a raggiungere il valore costante di +52.7°. Questo fenomeno è dovuto alla interconversione dei due anomeri ed è chiamato mutarotazione (fig.8).

R

O

H

R1 O

HR

OH

OR1

H+

fig.2

R1 O

HR

OH

O R1

H+

R

O

O R1

R1

OH2

fig.3

R

R

OR OH

H+

R

R

OH

O

R1

R1 OH

H+

R

R

O

O R1

R1

OH2

fig.4

CH2OH

H OH

OH H

H OH

H

H O

O

H CH2OH

H OH

OH H

H O

H

H O

OHH

fig.5

O1

HH

HH

OHOH

H OH

OH

OH

carbonio emiacetalico anomerico

Piranosio

1

O H

OH

OH

OH

H

H

OH

OH

H

fig.6

4

All’equilibrio la soluzione contiene il 63.6% dell’anomero β più stabile ed il 36.4% dell’anomero α. L’interconversione dei due anomeri è catalizzata sia da acidi sia da basi ed avviene con lo stesso meccanismo di formazione dell’idrolisi degli emiacetali ed emichetali.

4 5 O

12

3

OHOH

HH

H

H

HOHOH

6OH

4 5 O

123

HOH

HH

H

H

OHOHOH

6OH

α-D-Glucopyranose

b-D-Glucopyranose

[a]D=+112°

[a]D=+18.7°

p.f.=142°C

p.f.=150°C

fig.7

4 5 OH

123

OOH

HH

H

H

HOHOH

OH

O

OHOH

HH

H

H

HOHOH

OH

O

HOH

HH

H

H

OHOHOH

OH

36.4% 63.6%

α β

fig.8

5

Reazioni del Glucosio Quando un aldoso viene sciolto in un alcool e la soluzione è trattata con un catalizzatore acido, si forma un acetale ciclico chiamato glicoside (fig.9). Il glicoside derivato dal glucosio è un glucoside. Il glicoside derivato dal mannosio è un mannoside, etc. In ambiente acido la reazione è reversibile, si ha idrolisi e formazione della forma emiacetalica; naturalmente si ottiene una miscela di anomeri. I gruppi ossidrilici del glucosio possono subire normalmente l’acilazione mediante reazione con le anidridi e secondo le condizioni impiegate si possono ottenere due pentacetil-derivati anomeri (fig.10). In tutti questi composti il gruppo acilico legato al C1 viene staccato facilmente per idrolisi, essendo la sua reattività quella di un derivato emiacetalico, mentre gli altri gruppi acilati manifestano la reattività tipica degli esteri. Il glucosio con acido solforico a caldo produce carbone. Glucosio + ac. Solforico → 6C + 6H2O Il glucosio non dà la reazione di Schiff caratteristica delle aldeidi: ciò è dovuto alla ridottissima concentrazione di aldeide libera in soluzione (la reazione avviene quando si effettua con soluzioni molto concentrate).

O

HOH

HH

H

H

OHOHOH

OH

O

HOH

HH

H

H

OOHOH

OH

CH3

CH3 OH

OH2 H+

glucosio (emiacetale)

glucoside (acetale)fig.9

OCH3

CH3

O

O

5 O1

23

4

OHH

HH

OHOH

H OH

H

6 OH

5 O1

23

4

OCOCH3

HH

H

OCOCH3

OCOCH3

H OCOCH3

H

6 OCOCH3

fig.10

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

PhNHNH2N NH

Ph

(CHOH)4HOH2C

1. HCN

2. H2O

3. HI,Q

HOOCCH2

(H2C)4CH3

Br2/H2O HOOC(CHOH)4

HOH2Cacido gliconico

lattone

HNO3 HOOC(CHOH)4COOH

acido glicarico

Ac2OCHO

(HCOAc)4CH3

H2,Ni or NaBH4

Penta-O-acetil glucosio

HOH2C(CHOH)4

HOH2C

HI, QCH3

CHI(H2C)3

CH3

2-iodoesano

acido eptanoico

6

Reazione di Schiff (Saggio con fucsina) Le aldeidi ripristinano il colore rosa delle soluzioni di fucsinammonio, quando vengono decolorate con H2SO3 come indica la fig.11. Aggiungendo un’aldeide alla fucsina decolorata si ha il ripristino della chinoide ottenendo una colorazione rosso-violetta come indica la fig. 12.

N+

H H

NH2 NH2

NH

N+

O

SOOH

SO

OH

NHSO

OH

H

HH

Cl-

S

OH

O

OH

OH22

Rosa

fig.11

NH

N+

O

SOOH

SO

OH

NHSO

OH

H

HH

Cl-

O

R

H H+

N+

H H

NH NHS

O

OOH

HR

SO

O

HR

OH

Incolore

Rosso-Violetto

fig.12

7

Riducendo il glucosio si perviene all’alcool corrispondente, il sorbitolo, mentre per ossidazione si ottiene l’acido D-gluconico e successivamente l’acido D-glucosaccarico (fig.13). Questi acidi carbossilici poliossidrilati si trasformano agevolmente in lattoni. Anche se in linea di principio, si possono formare lattoni a 5 o a 6 termini, i più stabili sono quelli a 5 termini come indica la fig. 14. La facile ossidabilità degli aldosi è sfruttata nei metodi di analisi degli zuccheri Nella reazione di Fehling, in cui l’ossidante è lo ione Cu++, la presenza del gruppo aldeidico è testimoniata dalla formazione di un precipitato rosso-mattone di Cu2O (ossido rameoso). Così pure nel saggio di Tollens, in cui l’ossidante è lo ione Ag+, si forma argento metallico che forma uno specchio sulle pareti della provetta (fig.15). Quando lo zucchero è sotto forma di glicoside, il carbonio anomerico risulta protetto, per lo meno in ambiente basico, e lo zucchero non viene ossidato: questi zuccheri sono definiti non riducenti.(fig.16)

OH

O

H OHOH HH OHH OH

OH

OH

H OHOH HH OHH OH

D-Glucose D-Sorbitolo

amalgama di Na/H2O

oppure NaBH4

OH

O

H OHOH HH OHH OH

OH

OH

O

H OHOH HH OHH OH

OH

(O)

ac.D-gluconico ac.D-glucosaccarico

fig.13

1

23

4

5 O

O

6OH

H

H

HH

OH

OH

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

OH

1

23

4

5

CH3 6

O

O

H

H

H H

OH

OH

OHs-lattone

ac.D-gluconico γ-lattone

fig.14

O

HOH

HH

H

H

OHOHOH

OH

β-D-GlucopyranoseOH

O-

H OH

OH H

H OH

H OH

Cu(OH)2

Fehling Cu2O

Ag+

Tollens + Ag

fig.15

O

HOH

HH

H

H

OOHOH

OH

CH3

Metil−β-D-Glucopyranose

Fehling o

Tollensnon si ha reazione

Glicosidefig.16

8

Come tutti i dioli vicinali, anche gli zuccheri sono scissi dall’acido periodico (HIO4); il meccanismo dell’ossidazione comporta la formazione di un diestere ciclico che si decompone in frammenti carbonilici con acido iodico (HIO3), (fig.17). Il glucosio dà luogo a 5 equivalenti di ac. Formico ed 1 equivalente di aldeide formica che deriva dal C6 (fig.18). Negli zuccheri non sostituiti, poichè l’ossidazione avviene nella forma aperta, la reazione porta alla demolizione della molecola. Il metil-β-D-glucopiranoside, un acetale, non esiste nella forma aperta, poichè l’ossidrile legato al carbonio anomerico è impegnato (fig.19). L’ossidazione con il perossiacido riportata in fig.20 è stata impiegata per determinare la struttura furanosidica o piranosidica di glicosidi.

O

O

H

H

I

O

O

O

OH

O

O+

HH

I

OH

O

OO

-

O

O

IO

OOH

CH2O

CH2O

IO

OHO

fig.17

CH2OH

OH

H OH

OH H

H

H OH

OH

I

O

OH

O

O

OH

CH2

O

5 5

fig.18

4 5 O

12

3

HOH

HH

H

H

OOHOH

6OH

CH3

45 O

123

HOH

HH

H

H

OOO

6OH

CH3

45 O

12

HO

HH

H

OO

6OH

CH3

O

OH

HIO4

HIO4

fig.19

4O

1

23 H

OHH

5

H

O

OH

H CH3

OH

6 OH

4 O1

2

3

O

5

O

O

O

H

H

H

H

HH

HH

CH2

O

HIO4

fig.20

9

Fenil-idrazoni ed osazoni Nel 1884 Emil Fischer introdusse l’uso della fenilidrazina come reattivo nello studio degli zuccheri. Fischer trovò che un monosaccaride reagisce nella sua forma aperta con fenilidrazina in HAc formando un fenilidrazone e successivamente un fenilosazone (fig.21).

Gli osazoni sono composti cristallini gialli che hanno punti di fusione netti. Nella formazione del fenilosazone del glucosio la chiralità al C2, cosicchè il D-mannosio dà lo stesso fenilosazone del D-glucosio ed anche il D-fruttosio, un chetoesoso forma lo stesso fenilosazone. Quest’ osservazione prova che gli zuccheri di questo tipo hanno la stessa configurazione assoluta a C3, C4 e C5. Gli zuccheri che differiscono solo per la configurazione del C2 si chiamano epimeri. MECCANISMO DI FORMAZIONE DEL FENIL-OSAZONE (secondo Amadori) In fig.22 viene riportato il meccanismo di formazione di un fenil-osazone.

3

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

1

3

OH

N

H OH

OH H

H OH

H OH

NHC6H5

12

3

OH

N

N

OH H

H OH

H OH

NH

C6H5

NHC6H5

NH NH2

HAcNH NH2

2

HAc

fig.21

D-Glucose Fenilidrazone Fenilosazone

OH

OHH

H

OH

N

NH2

O

H

H NHNH2

O

NHNH2

NH

NH2

OH

NH NH2

H

NH

NH2

NH

NH2

NNH2

NH

N

NH

NH2

NH2

NNH2

NNH2

NH2 NH2

NH2 NH2

H2O

NH2 NH2 -NH3

fig.22

10

SINTESI DI KILIANI-FISCHER (allungamento di catena) Gli aldosi sommano ac. Cianidrico (HCN) formando due cianidrine epimere, per formazione di un nuovo centro chirale in C2 (ex carbonio carbonilico).Il procedimento è riportatoin fig.23.

Per idrolisi delle due cianidrine si formano gli acidi aldonici, e per riduzione con (Na-Hg/H2O; pH=3-5) si ottiene aldoso con un atomo di carbonio in più rispetto a quello di partenza. DEGRADAZIONE DI RUFF e di WOHL (accorciamento della catena) Degradazione di Ruff Ruff notò che i sali di calcio degli acidi aldonici sono ossidati dall’acqua ossigenata in presenza di sali ferrici. Nella reazione si ha scissione del legame tra C1 e C2 e formazione dell’aldoso inferiore (fig.24). Poichè si nota assimetria al C2, la degradazione di Ruff applicata a due aldosi che differiscono solo per la configurazione al C2 (epimeri), formano lo stesso aldoso. La degradazi0one di Wohl permette di associare la catena mediante eliminazione del C1. La degradazione di Wohl è essenzialmente l’inverso della sintesi di Killiano-Fischer. L’aldoso viene convertito in ossima con NH2OH e successivamente con Ac2O/AcONa nella cianidrina acetilata. Per successiva saponificazione con CH3ONa/CHCl3, la cianidrina dà l’aldeide. Tutto questo è riportato in fig.25.

3

O

H OH

OH H

1

2

3

4

N

H OH

H OH

OH H

1

2

3

4

N

OH H

H OH

OH H

1

2

3

4

H OH

H OH

OH H

OHO1

2

3

4

OH H

H OH

OH H

OHO

CH2OH

CH2OH CH2OH

CH2OH

HCN

1) Ba(OH)2 2) H3O+

cianidrine diastereomere

idrolisi

aldoso

fig.23

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

D-GlucoseOH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

O-Ca

2+

OH

O

OH H

H OH

H OH

OH

O

OH H

OH H

H OH

H OH

D-Mannose D-Arabinose

1) Br2/H2O

2) Ca(OH)2

H2O2

Fe3+

1) Br2/H2O

2) Ca(OH)2

H2O2

Fe3+

fig.24

11

Demolizione di Wohl Il metodo di Wohl costituisce un altro modo di accorciamento di catena mediante eliminazione del C1. Questo metodo è essenzialmente lòinverso della sintesi di Killiani-Fischer. All’inizio l’eldoso viene convertito in ossima la quale successivamente viene trattata a caldo con anidride acetica e acetato di sodio. In queste condizioni tutti i gruppi OH vengono acetilati mentre il gruppo ossimico subisce deidratazi0one a gruppo ciano. Si ottiene in questo modo una cianidrica acetilata che per trattamento con una base si converte in aldeide. La resa non è particolarmente elevata.

NH2 OH

OH

O

H OH

H OH

H OH

D-RibosioOH

N

H OHH OHH OH

OH

Ac2O

NaOAc

OAc

N

H OAc

H OAc

H OAc

NaOCH3

CHCl3

OH

N

H OH

H OH

H OH

NaOCH3

OH

H O

H OH

H OH

D-Eritrosio

12

D-Fruttosio Non tutti gli zuccheri sono aldeidi.. Il fruttosio un importante zucchero isomero del glucosio, è un chetone, è un chetoesoso. Come il glucosio anche il fruttosio esiste in prevalenza sotto forma di emichetale ciclico. (fig.26). Allo stato cristallino il fruttosio si trova interamente come piranosio. Al pari del glucosio, le soluzioni del fruttosio presentano il fenomeno della mutarotazione, la miscela degli anomeri α e β in equilibrio ha [α]D= -92.4°.

D-Glucose

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

OH

N

H OH

OH H

H OH

H OH

OH

AcO

N

H OAc

AcO H

H OAc

H OAc

OH

N

H OH

OH H

H OH

H OH

OH

O

OH H

H OH

H OH

NH2 OH

Ac2O

AcO

Na

1) H+

2) CH3ONa

CHCl3

CH

3ON

a

Na+ C- N

CH3 OH

D-Arabinosefig.25

2

3

4

5

6

OH

O

OH H

H OH

H OH

1

OH

2

3

4

5

6

H

OH H

H OH

H OH

1

OH

OH

H

O

2

3

4

5

6

H

OH H

H OH

H OH

1

OH

OH

H

O

oppure

6 O

2

34

5

1

OHHH

OH

H

OH H

OH

H

OH

β-D-Fructopyranose

4 3

2

O5

OH

1

H

OH

OH

H

6

H

OH

OH

β-D-Fructofuranose

emia

chet

ali

fig.26

13

Reazioni del fruttosio Per molti versi le reazioni del fruttosio rassomigliano a quelle del glucosio. Il fruttosio sciolto in ambiente acido forma un chetale (fig.27).

2

3

4

5

6OH

O

OH H

H OH

H OH

1

OH

2

3

4

5

6OH

N

OH H

H OH

H OH

1H

NNH

C6H5

NHC6H5

C6H5NHNH2

fig.29

2

3

4

5

6OH

O

OH H

H OH

H OH

1

OH

23

4

5

6OH

OH H

H OH

H OH

1OH

OHH 23

4

5

6OH

OH H

H OH

H OH

1OH

OH H

NaBH4

D-Fructose D-Sorbitolo D-Mannitolo

Fig.28 Per riduzione del D-fruttosio si perviene a due polialcoli epimeri, poichè il nuovo gruppo ossimetilenico formatosi, proveniente dalla funzione chetonica, costituisce un nuovo elemento di assimetria (fig.28). Il D-sorbitolo si identifica con il composto derivabile dalla riduzione del D-glucosio, il D-mannosio, con il composto derivabile dal D-mannosio. Questa relazione stecchiometrica tra D-fruttosio, D-glucosio e D-mannosio, emerge anche nella formazione del glucosazone per trattamento del D-fruttosio con fenilidrazina come riportato in fig. 29. L’ossidazione del fruttosio, effettuata con mezzi energici (KMnO4 o CrO3) a caldo, determina la demolizione del chetone e la formazione di una miscela di acidi carbossilici con il Fehling (Cu++) o con il Tollens (Ag+/NH3), il fruttosio, un α-ossichetone, subisce ossidazione ad α,α-dichetone (fig.30). Una reazione che si osserva in ambiete alcalino è la demolizione dei monosaccaridi in unità di minori dimensioni, reazione che può considerarsi come inversa della condensazione aldolica. Il meccanismo di questa reazione è riportato in fig. 31.

6 O

2

34

5

1

OHHH

OH

H

OH H

OH

H

OH

6 O

2

34

5

1

OHHH

OH

H

OH H

O

H

OH

CH3

CH

3 OH

/H

+

fruttoside

(chetale)

fig.27

2

3

4

5

6

OH

O

OH H

H OH

H OH

1

OH

2

3

4

5

6

OH

O

O

H OH

H OH

1

OH

OX

fig.30

14

Efetto delle basi

O

CH

OH

HOHC OH

H OH

CHO

OHH

Epimerizzazione

endioloaldoso aldoso

HOH2C O

H OH

OHOH

OHendiolochetoso

L’effetto della base come si capisce porta alla formazione dell’epimero. Gli epimeri si differiscono tra di loro dalla disposizione del gruppo –OH al secondo atomo di Carbonio.

2

3

4

5

6

OH

O

OH H

H OH

H OH

1

OH1

23 O

-OH

H

OH

4O

5

6OHH

OHH

OH-

32

1

OH

O

OH

H+

2,3-diossipropanale

1,3-diossipropanone

D-Fructose

fig.31

2

3

4

5

6

OH

O

OH H

H OH

H OH

1

OH

HCN

OH

OH H

H OH

H OH

NCHOC

OH

2

H2O

OH

OH H

H OH

H OH

COHCOOH

OH

HI,Q

OH

OH H

H OH

H OH

CHCOOH

OH

acido a-metilcapronico

15

Scissione ossidrilica con acido periodico

CH2

H2C

OH

OHethylene glycol

+ IO4- 2 CHO

CH3

OH

OH

+ IO4- CH2O + CH3

O

OH

OH

OH

+ 2IO4-

CH2O

HCOOH

CH2O

O H

HO-HCCH2OH

+ 2IO4-

HCOOH

HCOOH

CH2O

HOH2C

HOH2C

O + 2IO4-

CH2O

CO2

CH2O

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

+ 5IO4-

D-glucosio

CH2O + 5 HCOOH + 5IO3-

OH

H OH

Cu2+/OH-,H2O

Cu2O +COOH

OHHA

g+(N

H3 )

OH O

OHH zuccheri r

iducenti

16

Dissaccaridi Abbiamo visto che gli acetali del glucosio si formano per reazione del glucosio con alcooli in ambiente acido; da essi per idrolisi acida si riottiene il glucosio. Alcuni carboidrati, chiamati dissaccaridi, sono formati dalla condensazione, con perdita di una molecola di acqua, di due molecole di monossaccaride. Formalmente le sintesi si può considerare come la trasformazione della funzione emiacetalica di uno zucchero semplice in funzione acetalica, per combinazione con uno degli ossidrili di una seconda molecola di zucchero. Così come la trasformazione del glucosio in metilglucoside dà luogo a due prodotti anomeri, anche il ponte di ossigeno tra due diversi residui zuccherini può presentare differenti caratteri stereochimici. Il maltosio (prodotto di demolizione enzimatica dell’amido) e il cellobiosio (prodotto di demolizione chimica della cellulosa) sono due disaccaridi costituiti dalla combinazione di due molecole di D-glucosio. Entrambi i residui si presentano sotto forma piranosidica e sono legati l’uno all’altro dalla combinazione tra il gruppo emiacetalico del primo e l’ossidrile in C4 del secondo. Lo schema della fig.32 pag 14 indica la struttura del cellobiosio e del maltosio. Sia nel maltosio che nel cellobiosio la funzione emiacetalica della seconda molecola di glucosio non è impegnata in alcun legame, questi disaccaridi presentano il fenomeno della mutarotazione e riducono si ail Fehling che il Tollens. (quindi sono zuccheri riducenti). Il comportamento tra Maltosio e Cellobiosio può valere a chiarire l’importanza che hanno in biologia le caratteristiche stereochimiche del legami tra i residui zuccherini nei polisaccaridi. Il Maltosio subisce l’idrolisi ad opera della maltasi, un enzima che provoca idrolisi di molti derivati dell’α-D-glucosio. La maltasi non ha effetto idrolitico sul cellobiosio, il cui enzima idrolitico sul cellobiosio,è l’emulsina (β-glucosidasi), specifico per i β-glucosidi, ed incapace di idrolizzare il Maltosio e gli altri α-glucossidi: fenomeno della stereospecificità. (Il legame glucosidico è di tipo 1,4 -β-glucosidico) (fig.33, pag.14) Le mandole dolci contengono emulsina. Le mandorle amare contengono amigdalina, un β-glucoside della cianidrina dell’aldeide benzoica; per idrolisi dà HCN velenoso.

4 5 O

123

HOH

HH

H

H

OOH

OH6

OH

45 O

12

3

HOH

HH

H

H

OHOH

6

OH

β-D-Glucopyranoseβ-D-Glucopyranose

Cellobiosio (anomero β)

h-0-β-D-glucopiranosil-D-glucosio

4 5 O

12

3

OOH

HH

H

H

OHOH

6OH

4 5 O

123

OHOH

HH

H

HOH

6OH

HH

α-D-Glucopyranose

α-D-Glucopyranose

Maltosio (anomero a)

h-0-α-D-glucopiranosil-D-glucosio

legame α glucosidico

fig.32

O

H

OHH

H

H

H

O

OH

OH

OH

N

amigdalina

glucosio

acqua

emulsina

O

D-glucosio + HCN +

fig.33

17

Saccarosio Il saccarosio è costituito da una molecola di D-glucosio e una di D-fruttosio unite mediante un legame acetalico tra i due carboni anomeri (fig.36). Il glucosio è una forma piranosidica mentre il fruttosio è una forma furanosidica. Poichè entrambi i carboni anomeri sono impegnati nella formazione del legame acetalico. Il saccarosio è uno zucchero non riducente. L’idrolisi acida del saccarosio dà luogo ad una miscela equimolecolare di D-glucosio e D- fruttosio. Il saccarosio è destrogiro ed ha un potere ottico rotatorio [α]D= +66°. Il D-glucosio è destrogiro e la miscela degli anomeri α e β in equilibrio ha [α]D = +52.7°. Il D-fruttosio è fortemente levogiro e la miscela degli anomeri α e β in equilibrio ha [α]D = -92.4°. Per idrolisi, la soluzione di saccarosio, destrogira, diventa levogira a causa di una miscela equimolecolare di D-glucosio e D-fruttosio che ha: [α]D = -20°. saccarosio + H3O+ → α e β D-glucosio + α e β D-fruttosio [α]D= +66° [α]D = +52.7° [α]D = -92.4° [α]D = -20° Questa miscela viene chiamata zucchero invertito. Poichè il legame glucosidico impegna le funzioni emiacetaliche di entrambi i monosaccaridi, sono possibili 4 diversi stereoisomeri:

Glucosio 1α ----------2α Fruttosio Glucosio 1β----------2α Fruttosio Glucosio 1α----------2β Fruttosio Glucosio 1β----------2β Fruttosio

Dall’idrolisi del saccarosio ad opera degli enzimi dei quali è nota la stereospecificità si è potuto dessumere che si tratta di un α-glucoside e di un β-fruttoside.

45O

1 2 3

O OH

HH

H

H

H OHOH

6OH

4 5 O

123OH

HH

H

H

HOHOH

6OH

legami α−glucosidici

fig.35

α-D-Glucopyranose

5

6

O

2

3

4

1

HOH

H

H

OH

O

HOH

H

OH

4 5 O

12

3

OH

HH

H

H

HOHOH

6OH

β-D-Fructopyranose

fig.36

45 O

12

3

HOH

HH

OH

H

OH

H

6

OH

4

5

O

1

2

3

H

OH

H

H

H

H

OH

OH

O

6

OH

β-D-Galactopyranose

β-D-Glucopyranose

fig.37

18

Lattosio Il lattosio (fig. 37) è un disaccaride presente nel latte che risulta da una molecola di D-galattosio e da una di D-glucosio, unite da un legame β-galattosidico. Non subisce l’idrolisi nè ad opera della maltasi nè dell’emulsina; il suo enzima idrolitico è la galattosidasi. E’ un disaccaride riducente e presenta il fenomeno della mutarotazione poichè il gruppo emiacetalico del D-glucosio non è impegnato. Con l’emulsina si scinde in galattosio e glucosio Per capire che il lattosio è un galattoside e non un glucoside si eseguono le seguenti reazioni:

O

HOH

HH

OH

H

OOH

H

OH

O

HOH

HH

H

H

OHOH

OH

β-D-Galactopyranose

β-D-Glucopyranose

lattosio

Br2/H2O O

HOH

HH

OH

H

OOH

H

OH

OH

COOHOH

HH

H

H

OH

OH

3PhNH

NH

2

O

HOH

HH

OH

H

OOH

H

OH

OHC=NNHPh

C=NNHPh

HH

H

H

OH

OH

H2 O

/H+

O

HOH

HH

OH

H

OHOH

H

OH

β-D-Galactopyranose

OH

COOHOH

HH

H

H

OH

OH

OH

acido D(-)gluconico

H2 O

/H+

β-D-Galactopyranose

+

+

H

12

3

4

5

CH2OH6

NNHPh

NNHPh

OH H

OH

OHH

D-glucosazone

O

HOH

HH

OH

H

OHOH

H

OH

19

Cellulosa ed Amido I polisaccaridi sono composti formati da molte (centinaia o persino migliaia) unità di monosaccaridi per molecola, tramite insieme, come nei disaccaridi, da legami glicosidici, che si possono scindere per idrolisi. Nei polisaccaridi, le unità di monosaccaridi, possono essere unite le une alle altre formando catene lineari, ramificate intrecciate o cicliche.I polisaccaridi più importanti che si incontrano nelle piante superiori sono la cellulosa e l’amido, tutti e due fabbricati da CO2 e H2O con il processo della fotosintesi e tutti e due (guarda caso...) formati da unità di D(+) glucosio.La cellulosa forma il principale materiale di sostegno delle piante, fornendo loro rigidità e forma.L’amido è la riserva alimentare delle piante e si trova in granuli principalmente nei semi.Generalmente l’amido contiene circa 20% di una frazione idrosolubile, chiamata amilosio e circa 80% di una frazione insolubile in acqua, chiamata amilopectina. Struttura della cellulosa La cellulosa, come abbiamo visto, è il principale componente del legno e delle fibre vegetali (il cotone ad esempio è cellulosa quasi pura) è insolubile in acqua ed è un carboidrato non riducente.L’idrolisi acida totale fornisce come unico monosaccaride il D(+) glucosio, unito con legami 1β-4.(fig.38). Una parziale idrolisi enzimatica porta alla formazione del disaccaride cellobiosio. Benchè gli animali superiori non abbiano enzimi capaci di catalizzare la degradazione della cellulosa a glucosi, questi enzimi (cellulasi) sono molto comuni e diffusi nei microorganismi,. Ad esempio le cellulasi prodotte dalla microflora che staziona nei tratti digestivi deli animali erbivori permettono a questi di utilizzare la cellulosa come cibo. Reazioni della cellulosa Ogni unità di glucosio nella cellulosa contiene tre gruppi OH liberi (C2, C3, C6); questi gruppi sono posizioni reattive. La cellulosa come tutti gli alcooli forma degli esteri; così per trattamento con HNO3/H2SO4 si forma la nitrocellulosa (fig.39). L’acetato di cellulosa che si prepara per acetilazione della cellulosa viene usato per preparare il rayon. Se si tratta un alcoolo con CS2 e NaOH in soluzione acq., si ottine un composto chiamato xantato o xantogenato, come indica la fig.40. La cellulosa dà una reazione analoga formando lo xantato di cellulosa, che si scioglie in alcali per dare una dispersione viscosa colloidale chiamata “viscosa”. Facendo passare la viscosa attraverso una filiera in un bagno acido, si rigenera la cellulosa in filamenti fini, che formano una fibra tessile nota con il nome di rayon; se la viscosa viene laminata ed ammorbidita con glicerina si ottiene il cellofan.

4

O

1 H

OHH

H

H

H

OHO

OH

1

O

4 H

OHH

H

H

H

O

OHO

OH

4

O

1 H

OHH

H

H

H

O

OH

OH

3000 unitΰ di glucosio

fig.38

R OH

S

S

CH3

O

S

SNa

NaOH

H+

fig.40

20

Struttura dell’amido Come abbiamo detto l’amido naturale può essere preparato in due forme principali chiamate amilosio ed amilopectina. L’amilosio è un polimero lineare mentre l’amilopectina è altamente ramificata. Le unità di D(+)glucosio sono unite attraverso il gruppo OH del C4, come nella cellulosa, ma il legame glucosidico ha configurazione α. Per parziale idrolisi dell’amido si ottiene maltosio. La struttura dell’amilosio è riportatta in fig.41. Si pensa che la catena sia avvolta su se stessa in una struttura elicoidale contenete circa 6 residui di glucosio per spira. Amilopectina E’ un polisaccaride a catena ramificata nel quale esistono brevi catene di circa 25 residui di glucosio legati 1α-4,che sono tenute insieme da legami 1α-6 (fig.42).

O4O

1

HOH

HH

H

H

O OH

OH

O4O

1

H O

HH

H

H

O O

O

N+ O-O

N+

O-O

N+ O-

O

O4O

1

H O

HH

H

H

O O

O

OCH3

O

CH3

OCH3

HNO3

H2SO4

Ac

2 O/H

2 SO

4

fig.39triacetato di celluosa "Rayon"

4

O

1 O

OHH

H

H

H

H

OHO

OH

4

O

1

OHH

H

H

H

H

OHO

OH

4

O

1

OHH

H

H

H

H

OHO

OH

4

O

1

OHH

H

H

H

H

OHO

OH

fig.41

4

O

1

OH

HH

H

H

H

OHO

OH

4

O

1

OH

HH

H

H

H

OHOH

OH

4

O

1

OOH

HH

H

H

H

OHO

4

H

O+4

O

1

OH

HH

H

H

H

OHO

OH

4

O

1

OH

HH

H

H

H

OHO

OH

fig.42

21

D-Mannosio In una soluzione debolmente alcalina, il glucosio subisce una trasposizione che dà origine ad una miscela di esosi diversi nella quale predominano il D-glucosio, il D-mannosio ed il D-fruttosio. E’ più che probabile che lo stadio intermedio decisivo di questo processo sia costituito dall’enolizzazione e che quindi lo zucchero reagisce nella sua struttura a catena aperta. Se il C2 del D-glucosio cede un protone si forma un anione enolato, come indica la fig.43. Questo anione enolato può essere nuovamente protonato sullo stesso atomo di carbonio, dando origine sia al D-glucosio che al D-mannosio; ciò dipende dalla direzione secondo la quale si verifica l’attacco del protone all’enolato. Alternativamente, l’enolato derivante dal glucosio può subire la protonazione all’aossigeno, così da formare un endiolo, il quale prendendo a sua volta il protone dell’ossidrile legato al C2 fornisce ancora un enolato, ma derivante in questo caso dal D-fruttosio. L’endiolo che si forma nel corso di questo processo è in realtà la forma enolica tanto del D-glucosio e del D-mannosio, quanto del D-fruttosio e la trasformazione reciproca di tali zuccheri non è che un caso particolare del processo di racemizzazione di enantiomeri aventi un centro assimetrico adiacente al gruppo carbonilico. In modo analogo il D-fruttosio può essere convertito nel suo epimero D-allulosio. D-Galattosio Il D(+)galattosio è un monosaccaride che è ottenuto dallo zucchero del latte, il lattosio. Nella forma aperta è rappresentato nella fig.44. Il L(-)galattosio entra nella struttura di un polisaccaride isolato dalle lumache della specie helix pomatia.

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

C-

OH

O

OH

H

H OH

H OH

OH

OH

O-

OH

OH H

H OH

H OH

D-Glucose anione enolato

A B

C-

OH

O

OH

H

H OH

H OH

OH

OH

O

OH

H

H OH

H OH

OH

H

OH

O

H

H

H OH

H OH

OH

OH

H+

OH

OH

H

H OH

H OH

OH

O-

H+

OH

OH

H

H OH

H OH

OH

OH

H+

H+

OH

O-

H

H OH

H OH

OH

OH

C-

OH

O

H

H OH

H OH

OH

OH

H

H+

H+

OH

O

HH

OHH

OH

OH

OH

H

H

anione enolato

endiolo

D-Glucose

anione enolato

D-Fructose anione enolato

D-MannoseEPIMERI

fig.43

OH

O

H OH

OH H

OH H

H OH

D-Galactose

fig.44

22

Maltosio Il maltosio deriva dall’idrolisi parziale dell’amido. E’ uno zucchero riducente che forma un ossazone e si ossida con acqua di bromo. Esiste in due forme anomere α=+168° , β=+112°, presenta quindi mutarotazione. All’equilibrio α=+136°. L’enzima maltasi lo scinde in due molecole di D(+)-Glucosio. Da notare che questo enzima scinde solo i legami di tipo α (nome IUPAC: 4-O-α-D-Glucopiranosil-D-Glucopiranoside)

O

1O

OH

HH

H

H

OH

OH

OH

4

O

OH

OH

HHH

H

OH

OH

O

1

OOH

HH

H

H

OHOH

OH

4 O

OHOH

HH

H

HOH

OH

Br2 /H2 O

O

1

OOH

HH

H

H

OHOH

OH

4 OH

OH

HH

H

OH

OH

O

OH

(CH

3 )2 SO4

NaO

H

O

OOH

HH

H

H

OHOH

OH

OCH3

COOHOCH3

HH

H

H3CO

CH2OCH3

H2 O

/H+

O

OHOCH3

HH

H

H

HH3COH3CO

CH2OCH3

+

OCH3

COOH1OCH3

HH

H

H

H3COOH

H3COH2C

2,3,4,6tetra-O-metil-D-glucopiranosio

Acido 2,3,5,6tetra-O-metil-D-gluconico

23

Formule di Haworth delle due sturutture emiacetaliche del D-(+)-glucosio e loro relazione con la forma poliossialdeidica a catena aperta. Seguendo questo metodo è facile creare le strutture chiuse (Haworth)

questo gruppo -OH si addiziona al C=O per formare la struttura ciclica semiacetalica

1

2

3

4

5

6OH

O

H OHOH HH OHH OH

D-Glucose

(formula proiettiva)

orientiamo la formula proiettiva nel modo seguente

5

O123

4

HH

OHH

OHOH

H OH

6 OHH

ruotiamo il gruppo CHOH-CH2OH intorno al C-4

OHH

H

OHOH

H OH

OH

OH

H

α-D-Glucopyranosel'OH asteriscato e' l'ossidrile emiacetalico che neloo zucchero e' dalla parte opposta a quella del gruppo CH2OH legato al C-5 rispetto al piano dell'anello

5 O1

23

4OH

HH

OHOH

H OH

6 OH H

forma aperta del D-glucosio

O

HH

HH

OHOH

H OH

OH

OH

β-D-Glucopyranose

24

OH O

H

OH

H

OH

H

OH

H

OH

OH O

OH

H

H

OH

H

OH

H

OH

OH O

H

OH

OH

H

H

OH

H

OH

OH O

OH

H

OH

H

H

OH

H

OH

OH O

H

OH

H

OH

OH

H

H

OH

OH O

OH

H

H

OH

OH

H

H

OH

OH O

H

OH

OH

H

OH

H

H

OH

OH O

OH

H

OH

H

OH

H

H

OH

OH O

H

OH

H

OH

H

OH

OH O

OH

H

H

OH

H

OH

OH O

H

OH

OH

H

H

OH

OH O

OH

H

OH

H

H

OH

OOH H

OH

H

OH

OH O

OH

H

H

OH

CHOHOH2C

H

OH

allungamento

ac c or ci ame n to

a cc o rc ia men to

allungamento

D-A

ltroseD

-Allose

D-G

lucoseD

-Mannose

D-G

uloseD

-IdoseD

-Galactose

D-Talose

D-R

iboseD

-Arabinose

D-X

yloseD

-Lyxose

D-Erythrose

D-Threose

D-(+)-G

liceraldeide

ALD

OESO

SI

ALD

OPEN

TOSI

ALD

OTETR

OSI

ALD

OTR

IOSIO

25

Lo schema seguente segue il metodo di Jackson e Hudson per la determinazione delle dimensioni d’anello nei glicosidi. Il composto di partenza è generico α-metil-D-esopiranoside. (Le configurazioni del C-2,C-3 e C-4 non sono specifiche).

Due formule di struttura del (+)-saccarosio (α-D-glucopiranosil-β-D-fruttofuranoside)

1

CHOH2HOHC

3CHOH45

CH2OH

OCH3H

HO

1

CHO

H OCH3

CHO5

CH2OH

H

O + HCOOH

1H OCH3

O-

O

5CH2OH

OO-

H

OSr2+

metilpiranoside della serie

degli a-D-esosi

configurazione D

acido formico

2 Dialdeide

Br2-H2O / SrCO3

I sali di Sr sono identici, indipendentemente dalla configurazione del C-2,C-3 e C-4

5 O

1

23

4

O

HH

H

OHOH

H OH

H

6 OH

3 4

5O

2

6

H

OH

OH

H

OH

1OH

legame a-glucosidico legame beta-fruttosidico

unita' di

D-glucosio

unita' di

D-fruttosio

O

OHOH

OH

OHO

OOH

HH

H

H

H

OHOH

OH

26

Due rappresentazioni della struttura del β anomero del (+)-maltosio, il 4-O-(α-D-glucopiranosil)-β-D-glucopiranosio

5 O

1

23

4

O

HH

H

OHOH

H OH

H

6 OH

O

OHH

HH

OH

H OH

H

OH

legame alfa glucosidico

O

OH

HH

H

H

OHOH

OH

O O

HOH

HH

H

H

OHOH

OH

27

Lipidi: Grassi , Oli, Cere Il termine generico di lipidi viene attribuito sia ai grassi che agli oli. I grassi e gli oli sia di origine animale che di origine vegetale sono tutti esteri formati da acidi carbossilici alifatici a catena piuttosto lunga e dal triolo glicerina. Gli acidi trovati in natura come esteri della glicerina vengono chiamati acidi grassi; essi possono essere saturi o insaturi e in quest’ultimo caso i doppi legami sono in configurazione cis. Quasi tutti gli acidi grassi esistenti in natura sono a catena continua ed hanno un numero pari di atomi di carbonio. Nei lipidi naturali di solito i tre acidi che esterificano una molecola di glicerina sono diversi l’uno dall’altro ed il triestere si chiama trigliceride misto; nel caso in cui i tre residui acidi legati alla glicerina siano uguali si ha un trigliceride semplice. Le posizioni terminali della molecola di glicerina in un gliceride sono chiamate posizioni α e quella di mezzo posizione β. (fig.44). Tra gli acidi grassi insoliti scoperti di recente l’acido malvilico, presente in piccole quantità nell’olio di semi di cotone e l’acido sterculico, che si trova nell’olio dei semi di un albero dell’India, hanno l’anello del ciclopropene estremamente distorto e reazttivo (fig.44). I grassi sono solidi mentre gli oli sono liquidi. Di regola gli esteri di acidi a catena corta hanno punti di fusioe più bassi di quelli a catena lunga e lo stesso rapporto esiste tra gli esteri di acidi grassi insaturi e quelli di acidi saturi. Riducendo chimicamente i doppi legami, si realizza la trasformazione di un olio in un grasso. Oggi si è dimostrato che i trigliceridi insaturi vengono metabolizzati meglio di quelli saturi e diminuiscono la quantità di colesterolo nel sangue. I grassi a causa del loro carattere di composti saturi, sono tra i composti organici più stabili. Le molecole insature si ossidano più facilmente di quelle sature; per questo motivo gli oli si irrangidiscono per ossidazione dell’aria più facilmente dei grassi. La tendenza degli oli a reagire con ossigeno dell’aria viene sfruttata nel caso degli oli siccativi che sono usati nei colori, nelle vernici e nelle lacche. I linoleum è un polimero di esteri insaturi che vengono mescolati, prima della polimerizzazione, con sostanze che danno consistenza (leganti). La riduzione di acido porta alla formazione di un alcool, mentre per riduzione se ne ottengono due . Gli alcooli grassi provenienti dalla riduzione dei grassi e degli oli sono usati per la preparazione di detergenti sintetici e si trovano in natura come costituenti delle cere. Sebbene le cere siano solitamente miscele complesse di composti tra i più importanti costituenti ci sono sempre degli esteri formati da acidi grassi e da alcooli grassi a catena lunga. Sapone e detergenti sintetici I saponi ed i detergenti sono composti da molecole che posseggono un gruppo idrcarbonico sifficientemete grabìnde (la parte idrofobica) ed uno o più gruppi polari (la parte idrofilica). La parte non polare di queste molecole si scioglie nei grassi e negli oli, mentre la parte polare è solubile in acua. I sali degli acidi rassi a catena lunga si chiamano saponi. Questi si ottengono, insieme a glicerina, dall’idrolisi con alcali dei grassi o degli oli (fig.45 e 46).