Aleksander Kołodziejczyk

1. Aleksander Kołodziejczyk C U K R Y - S A C H A R Y D Y Gdańsk 2013

2. Cukrami (sacharydami) nazywane są polihydroksyaldehydy i polihydroksyketony oraz niektóre ich pochodne, zwane są one również węglowodanami z uwagi na sumaryczny wzór –[C(H2O)]n. Nazwa ta jest jednakniezalecana, ponieważ do tego wzoru nie pasuje konstytucja:dicukrów, oligocukrów, policukrów, dezoksycukrów, aminocukrów i innych pochodnych cukrów. Rozpowszechnienie w przyrodzie Cukry stanowią 80% suchej masy roślin jako: -polisacharydy (celuloza, skrobia, gumy roślinne, pektyny ...); - oligocukry (cukroza, laktoza, maltoza...); - cukry proste (glukoza, fruktoza...); - analogi cukrów (glukozoamina...); - pochodne cukrów (glikozydy). W świecie zwierząt: - ryboza i dezoksyrybozasą składnikamiRNA i DNA; -glukoza stanowi główne paliwo mózgu; aATPjest magazynem energii chemicznej. Cukry znajdują się też wglikoproteinach, glikolipidach, determinantachgrup krwi ... - magazyn energii, - materiał budulcowy, - substancje zapasowe, - magazyn i przenośniki informacji, - substancje znakujące (determinanty, kwas sjalowy) Funkcja cukrów:

3. Związkami o najmniejszej MM, które spełniają definicjęcukrów to dihydroksyaceton aldehyd glicerynowy W nazwach cukrów pojawia się charakterystyczna końcówka – oza, np. glukoza, aldoza, ryboza ... Podział cukrów Ze względu rodzaj grupy karbonylowej wyróżniamy aldozy – homologi aldehydu glicerynowegoiketozy – homologi dihydroksyacetonu Ze względu na zawartość atomów węgla w cząsteczce cukru, dzielą się na: triozy, tetrozy, pentozy, heksozyiheptozy. Sacharydy proste–cukry, które nie ulegająhydrolizie. Sacharydy złożone –ichhydroliza prowadzi do cukrów prostych skrobia, celuloza, pektyny ... np. laktoza, maltoza, cukroza, policukry dicukry Przed nazwami cukrów stawia się znaczki (+) lub (-) (dawniej d lub l). Oznaczają one kierunek kąta skręcalności właściwej [a], np. D(+)-glukoza czy D(-)-fruktoza oznacza, że D(+)-glukoza jest prawoskrętna, a D(-)-fruktoza lewoskrętna.

4. Stereochemia cukrów Cukry mogą należeć do szeregu D lub L. Przynależność do odpowiedniego szeregu wynika z konfiguracjiostatniego chiralnego atomu węgla. Do szeregu D należą te homologi aldehydu D-glicerynowego lub dihydroksyacetonu, w których grupa -OH przy ostatnim chiralnym atomie C znajduje się po prawej stronie we wzorze wg projekcji Fischera. aldehyd glicerynowy (gliceroza) S R D L w projekcji Fischera w projekcji Newmana

5. Przykłady cukrów prostych – szereg D-aldoz cztery D-aldopentozy

6. Szereg D-ketoz Cztery D-ketoheksozy

7. Właściwości fizykochemiczne i fizjologiczne Rozpuszczalność Aldehyd glicerynowy (gliceroza) jest syropem, który łatwo dimeryzuje. Dimer glicerozy jest krystaliczny, trudno rozpuszczalny w wodzie, dobrze w EtOH i (Et)2O. Dihydroksyaceton występuje jako krystaliczny dimer, dobrze rozpusz-czalny w wodzie, a trudno w zimnym EtOH i (Et)2O. Erytroza jest syropem dobrze rozpuszczalnym w wodzie i w EtOH. Pentozy i heksozy są związkami krystalicznymi, dobrze rozpuszczalnymi w wodzie, trudno w EtOH. Cukry często trudno krystalizują (tworzą syropy) z uwagi na ich tendencję do izomeryzacji i tworzenia mieszanin. Temperatura topnienia Krystaliczne, bezwodne cukry topnieją w wysokich temperaturach, często z rozkładem. Przyczyną wysokich t.t. jest duża liczba wiązań wodorowych pomiędzy grupami OH. Cukry często są higroskopijne, co nie tylko obniża ich t.t., ale również utrudnia ich krystalizację.

8. Higroskopijność Niektóre krystaliczne monocukry i oligocukryzlepiają się, zbrylają, a nawet rozpły-wają się na powietrzu. Zjawisko to jest spowodowane higroskopijnością, czyli chłonieniem wody z otoczenia i rozpuszczaniu się w niej. Powinowactwo substancji do wody wynika z jej natury, a wzmacniane jest często zanieczyszczeniami. Cukry chłoną wodę, dzięki temu, że cząsteczki HOH tworzą wiązania wodorowe z grupami OH znajdującymi się w cząsteczkach cukru. Jeżeli wiązania wodorowe wewnątrzcząsteczkowe i międzycząsteczkowe pomiędzy grupami OHcukru są słabsze niż grup OH z wodą, cukier pochłania wodę z otoczenia. Zanieczyszczenia osłabiają wiązania pomiędzy grupami OHcukru, przez co rośnie jego powinowactwo do wody, a tym samym higroskopijnośćcukru zanieczyszczonego zwiększa się. Wewnątrzcząsteczkowe wiązania wodorowebardzo zmniejszają właściwości higroskopijne.

9. Cukrysłabo higroskopijne: cukroza, laktoza, glukoza i maltoza średnio higroskopijne: fruktoza i rafinoza silnie higroskopijne: cukier inwertowany i syropy skrobiowe (mieszaniny cukrów). Cukry o różnej higroskopijności mają różne zastosowanie. Smak Większość mono- i oligocukrów ma słodki smak. Do wyjątków należą: b-D-mannoza (słodko-gorzka) i gencjobioza, która jest gorzka. Policukry, np. celuloza czy skrobia są zwykle bez smaku, ponieważ nie rozpuszczają się w wodzie. Smak, szczególnie intensywność jego odczuwania jest subiektywny. Odczucie słodkościcukrów dotyczy nie tylko intensywności, ale również jakości smaku. Większość ludzi uważa cukrozę za substancję o najprzyjemniejszym słodkim smaku – zachowuje przyjemny, słodki smak nawet w dużych stężeniach. Smak odczuwa się za pomocą receptorów (sensorów) smakowych, które w postaci kubków smakowych (substancji białkowych) rozmieszczone są w jamie ustnej. W największym stężeniu występują na języku, również na podniebieniu. Odczuwanie jakości i intensywności smakuzależy nie tylko od cech wrodzonych (liczby kubków smakowych), ale również od pH, temperatury i elektrolitów znajdujących się w pożywieniu.

10. Pośród popularnych cukrów najsłodsza jest D-fruktoza.Jej słodki smak wyczuwa się już przy stężeniu 0,24% (próg wyczuwania słodkości). cukier Próg wyczuwania słodkości [%] D-fruktoza 0,24 D-glukoza 0,8 cukroza 1,2 D-maltoza 1,4 laktoza 2,6 Próg wyczuwania słodkości Słodkie są też alditole (cukry zredukowane do polialkoholi), w tym glicerol. Słodkie są niektóre AA: Gly, Ala i peptydy– dipeptydaspartam – jest 200x słodszy od cukrozy Właściwości słodkie są niektóre terpeny (hernandulcyna), białka (monelina, taumatyna), glikozydy (glicyrhizyna, stewiozyd) i inne, np. sacharyna (zw. aromatyczny). Niektóre substancje słodkie są toksyczne, np. glikol. Pytanie: dlaczego miód jest znacznie słodszy od cukrozy?

11. Stereochemia cukrów II Mutarotacja i anomeryzacja Cukry mają tendencje do tworzenia cyklicznychukładów hemiacetalowych, w wyniku czego powstają nowe centra chiralne. nowe centrum chiralne nowe centrum chiralne W trakcie zamykania pierścienia hemiacetalowego pojawiają się dwa stereoizomery nazywane anomerami.

12. C1 grupa OH przy C1 znajduje się nad płaszczyzną pierścienia C1 grupa OH przy C1 znajduje się pod płaszczyzną pierścienia Anomery są trwałe w stanie krystalicznym, w roztworze zaś dochodzi do przemiany jednego w drugi doosiągnięcia stanu równowagi. [a]D = 18,7 [a]D = 112o Po rozpuszczeniu w wodzie anomerua lub b ustala się równowaga między nimi i [a]D osiąga wartość równowagową równą 52,5o.

13. Można wyliczyć, że w stanie równowagi jest 38% anomeru a i 62% anomeru b Anomery różnią się właściwościami, np. t.t. czy rozpuszczalnością. Sygnał H1 w NMR dla anomerua to charakterystyczny dublet przy d = 5,12, a dla anomerubd = 4,53.Anomery – cykliczne formy cukrów są hemiacetalami. Jak można otrzymać czyste anomery, jeżeli w roztworze występują w postaci mieszaniny? Wykorzystuje się ich różne właściwości, np. a-D-glukopiranoza jest trudniej rozpuszczalna w wodzie. Dodanie kryształka a-D-glukopiranoza do stężonego roztworu glukozy zapoczątkowuje krystalizacje tego anomeru. Równowaga w roztworze zostaje zaburzona, wobec czego część anomerub ulega przekształceniu w a, który nadal krystalizuje. W ten sposób prawie cały anomerb izomeryzuje do a i ten drugi izoluje się w postaci krystalicznej. W kwasie octowym i w pirydynie trudniej rozpuszczalna jest b-D-glukopiranoza. Zmiana wartości skręcalności właściwej [a] spowodowana przemianą jednego anomeru w drugi nazywana jest mutarotacją. Mutarotację katalizują zarówno kwasy, jak i zasady. W roztworze obojętnym szybkośćmutarotacji jest bardzo mała. Kwasy i zasady zwiększają stężenie formy aldehydowej (otwartej) cząsteczek cukru, a tym samym katalizują mutarotację. W roztworze obojętnym stężenie glukozy w formie aldehydowej c = 0,02% jest tak małe, że nie wykryć obecności grupy karbonylowej >C=O za pomocą UV. Po zakwaszeniu stężenie glukozy w formie aldehydowej wzrasta ponad stukrotnie.

14. W roztworach cukrów znajduje się mieszanina złożona nie tylko z anomerów i formy aldehydowej, ale również z izomerów różniących się rozmiarami pierścienia. W wodnym roztworze D-glukozy w stanie równowagi znaleziono 7 odmian tego cukru: b-piranozę (prawie 62%), a-piranozę (około 35%), b-furanozę (0,14%), a-furanozę, formę aldehydową, septanozę (7-członowy pierścień) i oksetanozę (8-członowy pierścień). Ponadto powstają epimeryglukozy: mannoza i fruktoza Mutarotacja katalizowana kwasami Mutarotacja katalizowana zasadami Hemiacetale innych cukrów, np. wolnej fruktozy, występują najczęściej w postaci pierścienia pięcioczłonowego – furazynowego (od furanu). furan D-fruktoza a-D-fruktofuranoza

15. Przekształcanie wzorów łańcuchowych w pierścieniowe b-D-glukopiranoza a-D-glukopiranoza wzory Haworth’a Często cząsteczki cukrów przedstawiane są za pomocą wzorów krzesełkowych, pokazujących konformację pierścieniasześcioczłonowego. Ułatwiają one identyfikację wiązań aksjalnych i ekwatorialnych. Atomy H związane z atomami Csą zwykle pomijane. Można również pogrubić frontową część pierścienia. Przekształcenie wzoru otwartego fruktozy w zamknięty fruktofuranozy. a-D-fruktofuranoza b-D-fruktofuranoza D-fruktoza

16. Epimeryzacja Cukry mają tendencje do przekształcania się w izomery (inne cukry), różniące się konstytucją lub tylko sterycznie przy C1 lub/i C2. To zjawisko nazywa się epimeryzacją, a tworzące się izomery noszą nazwę epimerów. epimery D-glukozaD-mannoza D-fruktoza Epimery przekształcają się wzajemnie poprzeztautomerię ienolizację (utworzenie wiązaniapodwójnego pomiędzy C1 oraz C2) wspólna forma enolowa dla D-mannozy, D-glukozyi D-fruktozy

17. Właściwości chemiczne cukrów wynikają z obecności grup hydroksylowych i karbonylowej. Acylowanie - tworzenie estrów Najdogodniejszymi odczynnikami do acylowaniacukrów są bezwodniki.W zależności od warunków reakcji otrzymuje się a- lub b-anomery. 1,2,3,4,6-pentaacetylo- -a-D-glukopiranoza 1,2,3,4,6-pentaacetylo- -b-D-glukopiranoza D-glukopiranoza Grupy acylowe można łatwo usunąć za pomocą hydrolizy kwaśnej lub zasadowej. Zalecana jest procedura Zemplena – zasadowa metanoliza. D-glukopiranoza pentaacetylo-D-glukopiranoza

18. Acylowanie często służy do czasowej osłony grup -OH. Do popularnych pochodnych acylowych należą benzoesany, borany, węglany i fosforany Węglany otrzymuje się za pomocą fosgenu; zdarza się, że powstające estry wymuszają zmianę wielkości pierścienia hemiacetylowego. diwęglan 1,2:5,6- -D-glukofuranozy D-glukopiranoza diwęglan 2,3:5,6- -D-mannofuranozy D-mannopiranoza W tak chronionych cukrach wolne grupy -OH można poddać określonej reakcji, a potem osłony usunąć.

19. Otrzymywanie eterów - eteryfikacja Etery metylowe cukrów powstają w wyniku metylowania ich grup hydroksylowych, np. za pomocą jodku metylu. 2,3,4,6-tetrametylo-a- -metylo-D-glukopiranozyd a-D-glukopiranoza Pochodne zawierające resztę alkilową lub arylową na anomerycznej grupieOH (C1 w aldozach albo C2 w ketozach) nazywają się glikozydami. Grupy OHcukrów są na tyle kwaśne, że można je metylować za pomocą diazometanu. Glikozydy glikozyd Grupa OH przy C1 dla aldoz i C2 dla ketoz jest najbardziej reaktywną grupą hydroksylową w cukrach. Ulega alkilowaniualkoholami w obecności silnych kwasów. Produkty tych reakcji nazywają się glikozydami i odpowiednio atom węgla, do którego przyłączona jest reszta OR – glikozydowym atomem węgla. glikozydowy atom węgla

20. Glikozydy jako pełne acetalenie ulegają mutarotacji i są odporne na działanie utleniaczy oraz odczynników reagujących z grupą karbonylową. Otrzymywanie glikozydu metylowego Reszta alkilowa lub arylowa przyłączona do glikozydowego atomu tlenu nazywana jest aglikonem. aglikon a-D-glukopiranoza a-metylo-D-glukopiranozyd glukozyd Zastosowanie kwasowych żywic jonowymiennych, zamiast kwasów jako katalizatorów reakcji glikozydowania ułatwiło oczyszczanie produktu. Glikozydy benzylowe powstają w warunkach bezwodnych w reakcji cukrów z alkoholem benzylowym w obecności chlorowodoru. D-glukopiranoza b-benzylo-D-glukopiranozyd

21. Glikozydy łatwo hydrolizują w środowisku kwaśnym. Można je również hydroli-zować enzymatycznie. a-Glikozydaza z drożdży i maltaza ze słodu hydrolizująa-glikozydy, a emulsyna (b-glikozydaza) z gorzkich migdałów – b-glikozydy. Lizozym rozkłada oba izomery. N- i S- glikozydy N-glikozydy tworzą się w reakcji cukrów z aminami D-glukopiranoza N-fenylo-D-glukopiranozyd N-glikozydy powstają, np. w reakcji cukrów z aminokwasami w procesie pieczenie; nadają świeżemu pieczywu przyjemny zapach. Również tioglikozydy są rozpowszechnione w przyrodzie. W glikoproteinachcukry połączone są z białkiem za pomocą wiązania O-glikozydowego (z Ser i Thr), N-glikozydowego (z Asn i Gln) oraz S-glikozydowych (z Cys).

22. Utlenianie Łagodne utleniacze, np. woda chlorowa czy bromowa, a także odczynniki Tollensa i Fehlingautleniająaldozy do kwasów onowych (kwasów aldonowych) – z grupy aldehydowej powstaje karboksylowa. aldoza kwas onowy (aldonowy) lakton kwasu onowego W wyniku utlenianiaglukozy powstaje kwas glukonowy. Występuje on głównie w postaci laktonu 1,4. lakton-1,5 kwasuD-glukonowego D-glukoza kwas D-glukonowy Sól wapniowakwasuD-glukonowego służy jako lek stanowiący źródło wapnia;stosowana jest, np. w chorobach alergicznych i w leczeniu osteoporozy.

23. Kwasy onowe powstają z aldoz również pod wpływem utleniającego działania soli srebra Ag+ lub soli miedzi Cu+2. Reakcje tezwane testami Tollensa lub Fehlinga zostały wykorzystane wykrywaniaaldoz;warto pamiętać, że podobnie reagują aldehydy. Test Tollensa Odczynnikiem Tollensa jest amoniakalny roztwór AgNO3 aldoza + Ag+Ag + kwas glikonowe lustro srebrowe Szybkie tworzenie się lustra srebrowego jest dowodem na obecność aldozy (aldehydu). Ketozy też reagują z odczynniem Tollensa, ale Ag zaczyna wydzielać się znacznie później, dopiero po przekształceniu ketozy w epimeryczne aldozy. Test Fehlinga polega na utlenianualdoz solą Cu(II) w zasadowym roztworze winianu sodowo-potasowego.Aldoza utlenia się do kwasu onowego, a jonyCu(II) redukują się do Cu(I) i w środowisku zasadowym wypadają w postaci pomarańczowego osadu Cu2O. W reakcji z ketozami osad Cu2Ozaczyna sięwolno wytrącać, pojawia się dopiero po kilku minutach.

24. Utlenienie do kwasów uronowych Kwasy uronowe są pochodnymi cukrów, w których reszta -CH2OHprzy ostatnim atomieCzostałautleniona do grupy –COOH.Z aldoz można je otrzymać po ochronie grupy aldehydowej, np. przekształcając je w glikozydy. Można do tego celu wykorzystać 1,2,3,4-tetraacetylo-D-glukopiranozę, ale jest ona trudna w syntezie. Dobrym surowcem do produkcji kwasu glukuronowego jest skrobia. Nazwa kwasów uronowych pochodzi od uryny (ang. urine), gdyż z moczu po raz pierwszy wyizolowano kwas D-glukuronowy. Znajduje się on również we krwi. Organizmy wykorzystują kwas D-glukuronowy do usuwania niektórych toksyn – po związaniu ich glikozydowo stają się lepiej rozpuszczalne w wodzie i zostają wydalone z moczem. Tak jest usuwany, np. fenol, zarówno egzogenny, jak i endogenny, który powstaje m.i. podczas oksydacyjnego rozkładubiałek. Kwasy uronowe ulegają mutarotacji, tworzą glikozydy i zachowują właściwości redukujące.

25. Występowanie. Kwas D-glukuronowy występuje w gumie arabskiej i ksantanach. Kwas D-galakturonowy stanowi główny składnik agaru i pektyn. Kwasy L-guluronowy i D-mannurowy znajdują się w alginianach brunatnych glonów. Utlenianie do kwasów arowych Utlenianiealdoz silnym utleniaczem, np. HNO3 prowadzi do kwasów polihydroksy-a,w-dikarboksylowych, zwanych kwasami arowymi (dawniej kwasami cukrowymi). ZD-glukozy powstaje kwasD-glukarowy. Kwasy arowe tworzą laktony z uwagi na zawartość dwóch grup -COOHznane są3 różnelaktony kwasów arowych. laktonykwasu D-glukarowego lakton 63 lakton 14 dilakton 14:63 Kwas D-galaktarowy (kw. śluzowy) powstaje z D-galaktozy; występuje w postaci 4 laktonów: 2 mono- i 2 dilaktonów. kwas śluzowy jest trudno rozpuszczalny w wodzie.

26. Kwas nadjodowy, podobnie jaktetraoctan ołowiuutleniaglikolewicinalne (1,2-glikole), dochodzi przy tym do rozerwania wiązania C-C i utworzenia dwóch grup karbonylowych. D-glukopiranoza Wiązanie glikozydowe jest odporne na utleniające działanie kwasu nadjodowego, a produkty utleniania glikozydów zależą od wielkości utlenianego pierścienia glikozydowego, tzn. od tego czy występuje on w formie piranozowej czy furanozowej. metylo-b-D-glukopiranozyd Z formy furanozowej powstaje tylko jeden produkt. Dawniej, utlenianiecukrówza pomocąHIO4 było głównym sposobem określania wielkości pierścienia hemiacetalowego.Obecnie, służą do tego metody spektralne. metylo-b-D-fruktofuranozyd

27. Redukcjacukrów Redukcjaaldoz i ketoz prowadzi do polioli (polihydroksyalkanów), zwanych alditolami. Warto zwrócić uwagę na to, że ten sam alditol powstaje w wyniku redukcji dwóch różnych aldoz. L-guloza D-glukoza D-glucitol (sorbitol) Nazwę alditolutworzy się się zamieniając w nazwie aldozy końcówkę -oza na -itol, np. mannozamannitol. Wykorzystuje się nazwę popularniejszej aldozy; stąd jestD-glucitol i D-mannitol, chociaż oba te alditole powstają również w redukcjiD-fruktozy i odpowiednich innychaldoz.Niektóre alditole mają nazwy zwyczajowe, np. sorbitol (D-glucitol). sorbitol

28. Z ketoz tworzą się dwa alditole, ponieważ pojawia się nowe centrum chiralne. W laboratorium do redukcji cukrówużywa się tetrahydroboranu sodu. W przemyśle do tego celu stosuje się wodór pod zwiększonym ciśnieniem, w obecności katalizatora niklowego.

29. Alditole są słodkie;cukrozyjest dwa razy słodsza odD-glucitolu . Najbardziej znanym alditolem jest glicerol. D-Glucitol stanowi do10% suchej masy niektórych owoców (np. jarzębiny górskiej, Sorbus aucuparia). W małych ilościach występuje też w jabłkach, morelach, gruszkach ... D-Glucitol Nie stanowi pożywki dla bakterii i nie ulega fermentacji.Ma niską wartość kaloryczną,mogą go spożywać diabetycy. Służy jako wypełniacz niektórych leków, kosmetyków i wyrobów papierniczych. Alditole są wykorzystywane do produkcji polieterów i detergentów niejonowych. D-Ksylitolsłuży jako słodzik do gum do żucia, nie przyczynia się do rozwoju próchnicy zębów. D-Mannitol jest często spotykany w naturze, np. w oliwkach, glonach morskich czy cebuli. D-Galaktitol jest szkodliwy;zaburzenie metabolizmugalaktozy u niemowląt prowadzące do nagromadzenie się galaktitolu wywołuje galaktozemię. Nieleczona galaktozemia powoduje niedorozwój umysłowy i w końcu śmierć.Galaktitol w oku wywołuje zaćmę.

30. Azotowe pochodne cukrów Cukry, podobnie jak i inne związki karbonylowe w reakcji z fenylohydrazyną tworzą fenylohydrazony. Fenylohydrazyna użyta w nadmiarze w reakcji z cukrami daje specyficzne produkty – 1,2-difenylohydrazony, zwane osazonami. Z epimerów powstają takie same osazony. epimery osazon ten sam dla wszystkich epimerów.

31. Skracanie i przedłużanie łańcucha węglowego cukrów Cząsteczki cukrów można rozbudowywać, tak żeby np. z pentoz otrzymać heksozy, można je degradować, np. heksozy do pentoz a pentozy do tetroz. Aldozy można przekształcać w ketozy i odwrotnie Na dużą skalę przemysłową D-glukozajestw procesie enzymatycznej izomeryzacji przekształcana wD-fruktozę.D-Glukozędo tego celu pozyskuje się hydrolizując taniąskrobię(kukurydzianą lub ziemniaczaną). D-Fruktozasłuży do słodzenia, głównie napojów lub wyrobów cukierniczych. D-fruktoza D-Fruktoza pozwalana znaczneobniżeniekaloryczności pokarmów, ponieważ jest 5xsłodsza od cukrozy.