Stereoizomerija

1. Stereoizomerija • Šta je izomerija? • Postojanje dva ili više jedinjenja koja imaju isti broj, iste vrste atoma i istu molekulsku masu • Koje vrste izomerija postoje? • Strukturna • skeletna • položajna • funkcionalna

2. Vrste izomerije • Stereoizomerija – postojanje izomera koji se međusobno razlikuju samo po tome kako su im atomi smešteni u prostoru (ali su međusobno vezani na isti način) • geometrijska • optička (supstance zakreću ravan planarno polarizovane svetlosti za određeni ugao – optička rotacija – optički aktivne supstance) • 1874. utvrđeno je da optički aktivne supstance imaju bar 1 asimetričan (hiralan) C-atom (vezan za 4 različite grupe):

3. Stereoizomerija • Par izomera koji imaju istu vrednost ugla rotacije polarizovane svetlosti, a razlikuju se samo u znaku, zovu se enantiomeri, enantiomorfi ili optički antipodi. • Odnose se kao predmet i lik u ogledalu • Za optičku aktivnost nije uslov asimetrični C-atom, već odsustvo bilo kog elementa simetrije (ravan, osa ili centar simetrije). • Optički izomeri koji se ne odnose kao predmet i lik u ogledalu nazivaju se diastereoizomeri.

4. Enantiomeri i diastereoizomeri • Primeri enantiomera i diastereoizomera: • Enantiomeri imaju identične fizičke i hemijske osobine, osim prema optički aktivnim reagensima • Diastereoizomeri se ne odnose kao predmet i lik u ogledalu. Razlikuju im se i fizičke i hemijske osobine • Broj mogućih stereoizomera se izračunava po formuli 2n, gde je n broj različitih asimetričnih C-atoma

5. Mezo-oblici • Ukoliko u molekulu ima dva ili više identičnih asimetričnih C-atoma, broj mogućih stereoizomera se smanjuje. • Mezo-oblici – optički inaktivni, iako sadrže asimetrične C-atome

6. Racemske smeše • Smeša jednakih količina dva enantiomera je optički inaktivna – racemska smeša • Za razliku od diastereoizomera, racemati se mogu razdvojiti na sledeće načine: • mehaničkim razdvajanjem pod mikroskopom kristalnih enantiomera na osnovu razlika u hemiedarskim pljosnima (Pasterova metoda) • aktivnošću određenih mikroorganizama • pretvaranje enantiomera u dijastereoizomere

7. Racemske smeše

8. Saharidi • Saharidi (ugljeni hidrati) su polihidroksilni aldehidi ili polihidroksilni ketoni, ili supstance koje daju takva jedinjenja pri hidrolizi • “Ugljeni hidrati” • Nomenklatura i klasifikacija • Prosti ugljeni hidrati obično se nazivaju šećeri ili saharidi • Završetak za šećere je oza, npr. glukoza, maltoza, itd. • Postoji više klasifikacija saharida: • prema broju C-atoma • trioze, tetroze, pentoze, heksoze... • prema tome da li sadrže aldehidnu ili keto grupu • aldoze • ketoze

9. Klasifikacija saharida - nastavak • Saharidi se mogu podeliti i na sledeći način: • A. Monosaharidi. Ugljeni hidrati koji ne hidrolizuju • B.Oligosaharidi. Ugljeni hidrati koji pri hidrolizi daju nekoliko molekula monosaharida. • 1. Disaharidi. Jedan molekul daje dva molekula monosaharida pri hidrolizi. • a) Redukujući disaharidi. Disaharidi koji redukuju Felingov rastvor. • b) Neredukujući disaharidi. Disaharidi koji ne redukuju Felingov rastvor. • 2.Trisaharidi. Jedan molekul daje tri molekula monosaharida pri hidrolizi. • 3.Tetra, penta i heksasaharidi. • C. Polisaharidi. Ugljeni hidrati koji daju veći broj molekula monosaharida pri hidrolizi. • 1. Homopolisaharidi. Polisaharidi koji daju samo jednu vrstu monosaharida pri hidrolizi. • 2. Heteropolisaharidi. Polisaharidi koji daju više od jedne vrste monosaharida pri hidrolizi.

10. Monosaharidi. Aldoze • Najvažnija aldoheksoza je (+)-glukoza(dekstroza, grožđani šećer) • U prirodi se uvek javlja samo (+)-glukoza • Najlakše se dobija hidrolizom skroba i celuloze • Ona se nalazi slobodna, zajedno sa fruktozom i saharozom, u biljnim sokovima. Med sadrži uglavnom glukozu i fruktozu. • Aldoheksoze koje se ne račvaju imaju četiri različita asimetrična C-atoma i stoga 16 optičkih izomera. Od tih 16 izomera samo dva pored (+)-glukoze su uobičajeni, a to su (+)-manoza i (+)-galaktoza.

11. Monosaharidi. Aldoze

12. Monosaharidi. Aldoze • Postoji 8 aldopentoza sa normalnim nizom. Najvažnije aldopentoze su:

13. Konfiguraciona nomenklatura saharida • Fišerova D, L-konfiguracija • Opšti sistem obeležavanja – apsolutna R, S- konfiguracija • Glukoza: 2R, 3S, 4R,5R-2,3,4,5,6-pentahidroksiheksanalili 2R, 3S, 4R,5R-aldoheksoza

16. Odredjivanje apsolutne konfiguracije • Postupak određivanja apsolutne konfiguracije nekog jedinjenja ima dva koraka: • 1. korak: primenom sekvencijalnih pravila odrediti prioritete grupa vezanih za hiralni centar. • 2. korak: posle određivanja prioriteta, molekul treba orijentisati tako da se grupa sa najnižim prioritetom nalazi suprotno od posmatrača (ispod ravni papira) i zatim posmatrati raspored preostale tri grupe. Ako, polazeći od grupe sa najvećim prioritetom, preko one sa nižim do grupe najnižeg prioriteta od te tri, naš pogled prati smer kazaljke na satu, za konfiguraciju se kaže da je R (latinski: rectus, desno). U suprotnom, konfiguracija se obeležava sa S(latinski: sinister, levo).

18. Sekvencijalna pravila • Sekvencijalno pravilo 1: • Ako su sva četiri atoma ili atomske grupe vezane za hiralni centar različite, prioritet zavisi od atomskog broja, pri čemu atom sa najvećim atomskim brojem ima najveći prioritet • Ako su dva atoma izotopi istog elementa, atom sa većim masenim brojem ima prioritet.

19. Sekvencijalno pravilo 2: • Ako relativni prioritet dva atoma ne može da se odredi primenom Pravila 1, onda treba na isti način uporediti atome vezane za svaki od ta dva atoma (i nastaviti i dalje, ako je neophodno, upoređujući atome sve dalje od hiralnog centra).

20. Sekvencijalno pravilo 3: • Ako je prisutna dvoguba ili troguba veza, oba atoma smatraju se udvostručenim ili utrostručenim, odnosno:

21. Gliceraldehid: • (R)-1-brom-1-deuteroetan(S)-brom-hlor-jodmetan

22. Monosaharidi. Ketoze • Izomerne su sa aldozama sa istim brojem C-atoma • Na C-2 imaju karbonilnu grupu • Ako se D-glicerol-aldehid može smatrati prvim članom aldoza, dihidroksi-aceton je prvi član ketoza

23. Monosaharidi. Ketoze • Prvi član ketoza je ustvari D-glicerotetruloza • Ketozama pripada i fruktoza, najslađi od svih šećera. Ima je u voćnom soku i medu, a glavni je sastojak polisaharida inulina

24. Fruktoza. Dokaz strukture • Pokazuje uobičajene reakcije karbonilnih jedinjenja • Ne oksiduje se vodenim rastvorom broma u monokarboksilnu kiselinu i stoga je ona ketoza, a ne aldoza • Oksiduje se Felingovim rastvorom • U reakciji sa fenilhidrazinom gradi ozazon, koji je identičan sa onim koji se dobiva iz D(+)-glukoze. Stoga se i karbonilna grupa mora nalaziti na C-2, a konfiguracija ostatka molekula mora biti identična sa D(+)-glukozom. Zbog toga (-)-fruktoza mora pripadati D-seriji.

25. Fruktoza. Dokaz strukture • Reakcija sa fenilhidrazinom:

26. Reakcije monosaharida • Oksidacija Cu(II) jonom u rastvoru • Cu(OH)2 je slabo rastvoran u razblaženim alkalijama, pa je ova reakcija spora • Brzina reakcije se uveliko povećava kada se bakar drži u rastvoru građenjem kompleksne soli sa tartaratnim jonom (Felingov rastvor) ili citratnim jonom (Benediktov rastvor) • Dokaz za redukciju je građenje crvenog bakar(I)-oksida, koji se taloži zato što Cu(I) jon ne gradi komplekse sa tartaratima ili citratima. RCHO + 2Cu(OH)2 RCOOH + Cu2O + 2H2O

27. Reakcije monosaharida (nastavak) • Dejstvo alkalija • izomerizacija • rezultat enolizujućeg dejstva razblaženih alkalija na sobnoj temperaturi • fragmentaciona degradacija • saharidi u prisustvu alkalija podležu fragmentacionim reakcijama kidanjem veze između - i  C-atoma • intramolekulske oksidacije i redukcije

28. Izomerizacija • kada se glukoza rastvori u vodenom rastvoru Ca(OH)2 i ostavi da stoji nekoliko dana, gradi se smeša iz koje su izolovane sledeće komponente: • glukoza- 63,5% • fruktoza - 21% • manoza- 2,5% • nefermentirajuće ketoze 10% i • ostale supstance 3%

29. Fragmentaciona degradacija • monosaharidi imaju hidroksilnu grupu u -položaju u odnosu na karbonilnu grupu i stoga su im aldolne reakcije reverzibilne • u prisustvu alkalija podležu fragmentacionim reakcijama raskidanjem veze između - i  C-atoma • Mlečna kiselina u obliku laktatnog jona je uobičajeni proizvod dejstva alkalija na saharide • verovatno nastaje premeštanjem glicerolaldehida nagrađenog fragmentacijom

30. Reakcije monosaharida. Fragmentacija

31. Oksidacija u šećerne kiseline • Kada se aldoze oksiduju pomoću HNO3 i aldehidna i primarna alkoholna grupa se pretvaraju u karboksilne grupe. Ovako dobijene dikarboksilne kiseline su poznate kao šećerne kiseline.

32. Građenje ozazona • Tok građenja ozazona nije poznat sa sigurnošću • Najverovatniji predloženi mehanizam obuhvata enamin i imino-keto-intermedijer

33. Građenje glikozida • Aldehidi adiraju alkohole gradeći poluacetale i acetale • U reakciji glukoze i metanola: • izolovana su dva proizvoda i kod oba je uvedena samo jedna metoksi grupa • eliminisan je molekul vode • nastala jedinjenja ne redukuju Felingov rastvor niti grade ozazone.

34. Građenje glikozida (nastavak) • Nastajanje intramolekulskog cikličnog hemiacetala • Ovakvi acetali se nazivaju glikozidi • Anomerni C-atom -  i izomeri (anomeri)

35. Mutarotacija • Mutarotacija je promena ugla rotacije optički aktivnih supstanci u rastvoru s vremenom. • Postoji i kod glukoze, a objašnjava se ravnotežom između otvorene i cikličnih struktura ( i -oblika)u rastvoru

36. Predstavljanje strukture prstena i konformacija • Hawort-ove perspektivne formule

37. piranski i furanski prstenovi

38. Mutarotacija • Mnoga optički aktivna jedinjenja daju rastvore čija se rotacija menja s vremenom • pojava se naziva se mutarotacija • Mutarotacija glukoze prvi put je opisana 1846. godine • Sveže spravljen rastvor -oblika glukoze ima = +112 • -Oblik ima specifičnu rotaciju +18,7. • Stajanjem  i -oblici podležu mutarotaciji i svaki oblik na kraju daje rastvor sa optičkom rotacijom od +52,7. • treći oblik je ravnotežna smeša  i -oblika • mutarotacija se objašnjava međusobnim pretvaranjem- i -cikličnih poluacetalnih struktura preko ravnoteže u kojoj se nalaze sa otvorenom strukturom

39. Oligosaharidi • Disaharidi. Redukujući disaharidi. Maltoza • Dobija se enzimskom hidrolizom skroba • Kiselom ili enzimskom hidrolizom maltoze dobijaju se dva molekula glukoze.

40. Maltoza (nastavak) • Maltoza se odlikuje sledećim osobinama: • redukuje Felingov rastvor • gradi ozazon • podleže mutarotaciji • gradi oktaacetate i oktametil derivate • To znači da njena struktura ima: • potencijalnu aldehidnu grupu • 8 hidroksilnih grupa • hemiacetalni prsten

41. Struktura maltoze

42. Celobioza • Disaharid dobijen iz celuloze, koji hidrolizom daje, kao i maltoza, dva molekula glukoze • Razlika je samo u tome što je veza među molekulima glukoze b

43. Laktoza • Mlečni šećer, prisutan u mleku skoro svih sisara • Industrijski se dobija pri proizvodnji sira, kao sporedni proizvod • Ispitivanja strukture pokazala su da je laktoza: • redukujući šećer • gradi ozazon • postoji u a i b-obliku, koji podležu mutarotaciji • pod uticajem emulsina (raskida samo b-veze) hidrolizuje i daje jednake količine glukoze i galaktoze • Koja je od ove dve monosaharidne jedinice redukujuća? • hidroliza laktozazona daje D-(+)-galaktozu i D-glukozazon • hidroliza laktobionske kiseline daje D-glukonsku kiselinu i D-(+)-galaktozu • struktura laktoze, prema tome, mora biti 4-O-(-D-galaktopiranozil)-D-glukopiranoza

45. Neredukujući disaharidi. Saharoza • Dobija se iz šećerne trske ili šećerne repe • Ne redukuje Felingov rastvor, ne gradi ozazon, ne podleže mutarotaciji i ne gradi metilglikozide • Hidrolizom daje po jedan molekul glukoze i fruktoze • Prema tome glukoza i fruktoza su vezane preko dva anomerna ugljenikova atoma

46. Trisaharidi. Rafinoza

47. Polisaharidi • Homopolisaharidi • Skrob • Kukuruz, krompir i žito su glavni industrijski izvori za dobijanje skroba. Granule skroba iz različitih izvora se razlikuju po izgledu i veličini • U sastav skroba ulaze amiloza i amilopektin • Obe frakcije daju samo glukozu pri potpunoj hidrolizi kiselinama

48. Skrob • Amiloza se sastoji od jedinica glukoze vezanih -glukozidnom vezom preko 1,4 položaja dajući linearan polimer, ali takođe postoje i bočni ogranci sa nekoliko jednostavnih -glukozidnih jedinica • molekulska masa je između 17.000 i 225.000

49. Skrob (nastavak) • Amilopektinje vrlo račvast molekul. Grane se sastoje od 20-25 jedinica glukoze vezanih 1,4--vezama i sa svoje strane su vezane za druge grane vezama 1,6. • Račvanje se smatra pre da je nepravilno nego da sledi pravilan red • Određivanjem molekulske mase amilopektina iz merenja osmotskog pritiska dobija se vrednost od 1-6 miliona (60.000-370.000 C6 jedinica), a 400 miliona (2,5106 C6 jedinica) iz refrakcije svetlosti

50. Glikogen • Kiselom hidrolizom daje samo glukozu • Molekulska masa varira od 3-15 miliona (određena osmotskim pritiskom) • Mala dužina niza i velika molekulska masa ukazuju da je glikogen više račvast od amilopektina, ali inače ima sličnu strukturu