Stereohemija Biomolekuli Heterociklina hemija

Ugljeni hidrati

Ugljeni hidratiOpta formula monosaharida (osnovne gradivne jedinice ugljenih hidrata):

Rasprostranjenost i ulogaeerna trska je iz Polinezije preneena u Indiju, a zatim u Persiju (510 BC, Darius) the reed which gives honey withouth bees 642 AD, arapski osvajaki ratovi utiu na dalju ekspanziju korienja eerne trske (severna Afrika, panija) XI vek, Evropa dobija eer zahvaljujui krstakim ratovima (1099. Engleska). 1319., cena eera je bila sadanjih ~100US$ za kilogram.eer je bio privilegija bogatih, siromani su koristili med. Zarade od prodaje eera su bile toliko velike da su ga nazvali belo zlato. otkriem Amerike eerna trska se prenosi i u ovaj deo sveta eerna repa se koristi za proizvodnju eera od 1747. Godinja proizvodnja ~120 miliona tona

Cn(H2O)nNalaze se u biljkama, vani i za ivotinjski svet Gradivne jedinice za mnoge biomolekule (npr. nukleinske kiseline, ATP, masti) Ulaze u sastav mnogih prirodnih proizvoda eer se koristi vie od 2500 godina

Rasprostranjenost i ulogaosnove organske hemije ugljenih hidrata postavio je Emil Fischer (19. vek) - Nobelova nagrada 1902.Unfortunately, the experimental difficulties in this group are so great, that a single experiment takes more time in weeks than other classes of compounds take in hours, so only very rarely is a student found who can be used for this work Fisher-ovo pismo Baeyer-u od 12.01.1889. godine.

Monosaharidi Aldoze (trioze, tetroze, pentoze, heksoze...)CHO H HO H H OH H OH OH CH2OH

Glukoza (heksoza, optiki aktivna, 4 hiralna C-atoma)

Ketoze (trioze, tetroze, pentoze, heksoze...)CH2OH O HO H OH OH CH2OH H H

period 1925 1950, Hawort (Nobelova nagrada 1937), Hudson od sredine pedesetih - Ray Lemieux (sinteza saharoze, teorija anomernog efekta, primena NMR tehnika...)

Fruktoza (heksoza, optiki aktivna, 3 hiralna C-atoma)

Monosaharidi AldozeCHO CHO HO H CHO H OH CH2OH glicerinaldehid H H CHO OH OH CH2OH eritroza H HO H CHO OH H OH CH2OH ksiloza HO HO H CHO H H OH CH2OH liksoza H H HO H treoza H OH CH2OH CHO H H H OH OH OH CH2OH riboza HO H H CHO H OH OH CH2OH arabinoza H H H H aloza CHO OH OH OH OH HO H HO H OH OH OH OH CH2OH HO H H H CHO H OH OH OH CH2OH altroza CHO H OH H OH CH2OH idoza H HO HO H H HO H H CHO OH H OH OH HO HO H H CHO H H OH OH

Monosaharidi KetozeCH2OH CH2OH O H CH2OH O CH2OH 1,3-dihidroksipropanon CH2OH O H OH CH2OH tetruloza (eritruloza) O HO H H OH CH2OH ksiluloza H OH OH CH2OH ribuloza CH2OH O H H H OH OH OH CH2OH psikoza CH2OH O H HO H OH H OH CH2OH sorboza O HO HO H H H OH CH2OH tagatoza O HO H H H OH OH CH2OH fruktoza CH2OH CH2OH

CH2OH glukoza CHO OH H H OH CH2OH galaktoza

CH2OH manoza CHO HO HO HO H H H H OH CH2OH taloza

CH2OH guloza

23=8 izomera

24=16 izomera

Konfiguracija monosaharidaNajvei broj prirodnih eera pripada D-seriji. Pripadnost D- ili Lseriji odreuje se na osnovu konfiguracije na poslednjem hiralnom C-atomu.CH2OH CH2OH O O HO OH OH CH2OH H H H OH OH CH2OH H HO H H CHO OH H OH OH CH2OH

Konfiguracija monosaharidaKonfiguracija na svakom hiralnom C-atomu moe da se odredi iuz korienje CIP pravila. RH H

CHO OH OH CH2OH

SHO H

CHO H OH CH2OH

D-serija

H H

ribuloza

fruktoza

glukozaCHO HO H OH H H CH2OH H HO HO

R

R

eritroza

treoza

CH2OH CH2OH O O H H H CH2OH HO HO OH H H CH2OH

L-serija

HO HO

ribuloza

fruktoza

glukoza

Cikline struktureCHO H HO H H OH H OH OH CH2OH HO OH OH OH CHO OH

Cikline strukture Piranozni obliciO O

piran1 CHO 2 OH 3 HO H 4 H OH 5 H OH H 6 CH OH 2 6 CH2OH 5 4O4 5

tetrahidropiran6 CH2OHO OH OH 3 1 OH 2 OH

glukozaCH2OH O OH OH OH OHHOCH2 HO HO O OH OH

6 CH2OH 4O 1 OH 3 OH 2 OH OH

OH OH 3 1 OH 2 OH

5

Haworth-ove formule

-Stvaranje poluacetala generie novi hiralni C-atom C(1), koji se zove anomerni C-atom. - i anomeri imaju razliitu konfiguraciju na C(1) atomu.

Cikline strukture Furanozni oblicifuran1 CHO 2 H OH 3 HO H 4 H OH 5 H OH 6 CH OH 2 6 CH2OH HO 4 3 5O OH

Cikline struktureO

O

Prevoenje Fischer-ovih u Hawort-ove formuleDesno u Fisher-ovoj = ispod ravni prstena u Hawort-ovoj formuli Levo u Fisher-ovoj = iznad ravni prstena u Hawort-ovoj formuli

tetrahidrofuran

1 CHO 2 H OH 3 HO H 4 H OH 5 H OH 6 CH OH 2

6 CH OH 2 4O OH OH 3 1 OH 2 OH

5

1 OH

OH

HO H HO H H 5 OH H OH O HOCH2 5 O

2

H

CH2OH

rotacija tri supstituenta

Poloaj grupa na C5 se definie korienjem dozvoljenih operacija sa Fischer-ovim formulama

Cikline struktureKonformacije monosaharida piranozni oblici4

Cikline struktureKonformacije monosaharida piranozni oblici4 51

5

2

O1 4

5 3

1

O2

3 4 5

2O4C

1

3O

2

3 4C 1

(C1)

1C 4

(1C)

1

ili

1C

4

?

Atom iznad ravni 4 C

1 Atom ispod ravni

Oznaka za konformaciju (C chair)

Molekul se posmatra sa strane ravni prstena tako da su C-atomi obeleeni u smeru kretanja kazaljke na satu. 4C 1 1C 4

Cikline struktureKonformacije monosaharidaCHO H HO H H OH H OH OH CH2OH HOCH2 HO HO OH CH2OH

Cikline struktureKonformacije monosaharidaOH OH

OOH OH

OOH

Sve aldoheksoze, osim idoze, su stabilnije u C1 konformaciji D-altroza i D-taloza su podjednako zastupljene i u 1C i C1 konformciji.

C1

1C

glukozaCHO HO H HO H H OH H OH CH2OH OH OH OH HOCH2 OH O HO CH2OH O OH OH OH

idoza

C1

1C

Cikline struktureAnomerni efekatHOCH2 HO HO OH O X HOCH2 HO HO O

Cikline struktureAnomerni efekatDuina C-Cl veze:OX

OH

a, C - Cl 1.819ACl Cl

X OH OMe OAc Cl 64 33 14 6

% 36 67 86 94

O

e

e, C - Cl 1.781A a

Cikline struktureAnomerni efekatHOCH2 HO HO OH O X HOCH2 HO HO OHOCH2

Cikline struktureAnomerni efekat5 2O X OH HOCH2 HO HO

5 2

O

OH X

HO HO

1

OH X

1

..2

..X2

CH

C X

H

HOCH2 HO HO

O

+

5

C

.

.

5

C

.

.

OH X

-

Preklapaju se O-orbitala sa e-parom i * CX orbitala

Kod ekvatorijalnog izomera posteje destabilizujue interakcije dipola

Nomenklatura ciklinih oblikaCH2OH O OH OH OH OHHO CH2OHO OH

eeri u vodenoj srediniMutarotacijaOptika aktivnost glukoze, odmah nakon rastvaranja u vodi, je []D25o =112o i opada vremenom do []D25o =52.7o

OH OH

-D-glukopiranoza

-D-glukofuranoza

-orijentacija na anomernom C-atomu -D ili L serija -monosaharid (konfiguracija na asimetrinim C-atomima) -veliina prstena

eeri u vodenoj srediniMutarotacijaCH2OH O CH2OH O OH OH OH OH OH OH

eeri u vodenoj srediniMutarotacija

OH

CHO H HO H OH H OH OH CH2OHHO

OH

Riboza U ravnotei:-piranozni -furanozni piranozni 21.5 6.5 58.5 13.5 0.05

Idoza38.5 11.5 36 14 0.2

CH2OH HO

H

CH2OH O OH OH

O OH

OHOH

glukoza-piranozni 38% -furanozni 0% piranozni 62% furanozni 0.14% aldehidni oblik 0.02%

OH

furanozni aldehidni oblik

U ravnotei:

Neke reakcije eera Reakcije oksidacijeCu2+ , OH-, H2O CHO H HO H H OH H OH OH CH2OH Br2, H2O

Neke reakcije eera Reakcije oksidacijeCHO H OH H OH OH CH2OH COOH HNO3, H2O, H HO H H OH H OH OH COOH

Fehling-ov reagensAg+, NH4OH, H2O H HO H H

COOH OH H OH OH CH2OH

HO H H

Tollens-ov reagens

D-glukoza

D-glukarna kiselina (aldarna ili eerna kiselina)

D-glukoza

D-glukonska kiselina (Aldonska kiselina)

Neke reakcije eera Reakcije oksidacijeCHO H HO H H OH H OH OH CH2OH H HO H H CHO OH H OH OH COOH

Neke reakcije eera Reakcije oksidacijeCHO H HO H H OH H OH OH CH2OH 5 HJO4 5 H O OH + H O H

iz C(1) - C(5)

iz C(6)

D-glukozaCH2OH O HO H H H OH OH CH2OH 5 HJO4 3 H O + OH 2 H O + H CO2 iz C(2)

D-glukoza

D-glukuronska kiselina (uronska kiselina)

iz C(3) - C(5)

iz C(1) i C(6)

D-fruktoza

Neke reakcije eera Reakcije oksidacije

Neke reakcije eera Reakcije redukcijeCHO NaBH4, MeOH CH2OH H HO Ni/H2 Na/Hg H H OH H OH OH CH2OH

OH OH

HO I O

O O

O O

I O

OH O

2 O

+

HIO3

H HO H H

OH H OH OH CH2OH

Slina oksidacija je mogua i sa Pb(OAc)4

D-glukoza

glucitol (alditol)

Neke reakcije eera Reakcije sa derivatima amonijakaCHO H HO H H OH H OH OH CH2OH R NH2 H H HO H H N RH HO H H

Neke reakcije eera Reakcije sa fenilhidrazinomCHO OH H OH OH CH2OH NH2NHPh EtOH H H HO H H N N H OH Ph 2 NH2NHPh EtOH HO H H H N N N H Ph Ph

OH H OH OH CH2OH

H OH OH CH2OH

N H H OH OH CH2OH

D-glukoza

fenilhidrazon

D-glukoza

fenilozazon

Epimerni eeri (razlikuju se po konfiguraciji na C(2) atomu) daju iste ozazone

Neke reakcije eera Dobijanje estaraAcOCH2 AcO AcO O OAc OAc Ac2O ZnCl2 100oC HOCH2 HO HO O OHN

Neke reakcije eera Dobijanje etaraHOCH2 HO HO O OH (CH3)2SO4 NaOH MeOCH2 MeO MeO OMe O OMe MeOCH2 8%HCl MeO MeO OMe O OH

D-glukozaO O O AcOCH2 AcO AcO OAc O OAc

OH

HOCH2 HO HO

O OH OH

0.25%HCl MeOH

HOCH2 HO HO

O OMe OH

D-glukozaAc2O

OH

D-glukoza

NaOAc 100oC

AcOCH2 AcO AcO

O OAc OAc

Kao alkilujui reagensi mogu se koristiti R-J/Ag+ ili R-J/ NaH

Neke reakcije eera Dobijanje glikozida - derivati kod kojih je anomerna OH grupa zamenjena nekomdrugom grupomHOCH2 HO HO OH HOCH2 HO HO OH O X

Neke reakcije eera Dobijanje glikozida - Fisher-ova metodaHOCH2 HO HO OH HOCH2 O OH HCl, MeOH HO HO OH O OMe

Smesa i oblikaH+ HOCH2 O + O H H HO HO OH

HOCH2 HO HO

O + OMe H

O OR

OH

HOCH2 HO HO

O + OH

HOCH2 HO HO

+ O

HOMe

Oligosaharidi i polisaharidi su glikozidi

OH

Neke reakcije eera Dobijanje glikozida - Fisher-ova metoda

Nomenklatura glikozida

CH2OH

U zavisnosti od uslova postoji mogunost dobijanja smese furanoznih i piranoznih glikozidaHO

O OMe OH OH

Metil -D-glukozid

Produenje niza kod eera Kiliani-Fisher-ova sintezaCN HO HO CHO HO H H H OH OH CH2OH H HO H H HCN H H H H OH OH CH2OH CN OH H OH OH CH2OH H+

Skraenje niza kod eera Wohl-ova degradacija

COOH H+

O HO HO H H H H O OH CH2OH O H HO H H OH H O OH CH2OH Na/Hg Na/Hg HO HO H H

CHO H H OH OH CH2OH CHO OH H OH OH CH2OH

HO HO H H

H H OH OH CH2OH COOH

CHO H HO H H OH H OH OH CH2OH NH2OH H HO H H

NOH OH H OH OH CH2OH Ac2O NaOAc H AcO H H

CN OAc H OAc OAc CH2OAc - OMe CHO HO H H H OH OH CH2OH

D-manozaH HO H H

D-arabinoza

H HO H H

OH H OH OH CH2OH

D-glukoza

D-arabinoza

D-glukoza

Skraenje niza kod eera Mehanizam Wohl-ove degradacijeMeO CHO H HO H H OH H OH OH CH2OH NH2OH H HO H H NOH OH H OH OH CH2OH MeO _ Ac2O NaOAc H H AcO H H N OAc H HO H H O CN O H H OH OH CH2OH - OMe OAc H OAc OAc CH2O

Skraenje niza kod eera Ruff-ova degradacijaIz Ca(II) soli aldonskih kiselina se dobija aldoza sa jednim C-atomom manje, oksidacijom pomou H2O2 i Fe (III)

D-glukoza

CHO HO H H H OH OH CH2OH

D-arabinoza

eeri u kiseloj srediniU kiseloj sredini monosaharidi (heksoze i pentoze) daju derivate furanaCHO H HO H H OH H OH OH CH2OH

eeri u kiseloj sredini

H+ - H2O

Testovi koji se koriste za kolorimetrijska odreivanja eera se zasnivaju na degradaciji ovih jedinjenja u kiseloj sredini i stvaranju obojenih proizvoda sa aromatinim jedinjenjima. Molisch-ov test: -naftol + koncentrovana H2SO4 (ljubiasta boja, pentoze, heksoze) Seliwanoff-ov test: rezorcinol + 1M HCl (za razlikovanje ketoza i aldoza crvena boja se bre pojavljuje u sluaju ketoza)

HO

O O

H

CHO HO H H H OH OH CH2OH

H+ - H2O

H O O

eeri u baznoj sredini

eeri u baznoj srediniIzomerizacija katalizovana bazama

IzomerizacijaCHO CHO

Degradacija

H HO H H

OH H OH OH CH2OH

CH2OH O H

CHO OH H OH OH CH2OH

0.035% NaOH

HO HO H H

H H OH OH CH2OH

+

HO H H

H OH OH CH2OH

+

HO H H

D-glukoza

D-manoza

D-fruktoza

D-glukoza

3%

28%

57%

eeri u baznoj srediniMehanizam bazne izomerizacijeCHO H HO H H OH H OH OH CH2OH HO H H H _ O OH H OH OH CH2OH HO H H H O _ H OH OH HO H H H OH OH CH2OH

eeri u baznoj srediniEpimerizacijaCHO H HO H H OH H OH OH CH2OH Br2 H2O H HO H H COOH OH H OH OH CH2OHN

O COOH HO HO H H H H OH OH CH2OH HO HO H H OH CH2OH H H O

OH H OH OH CH2OH

Na/Hg

Izomerizacija se deava preko endiolnog oblika koji procesom tautomerije daje izomerne oblike polaznom monosaharidu

COOH HO HO H H H H OH OH CH2OH

eeri u baznoj srediniReakcija stvaranja formozeO H H

Disaharidi Disaharidi

baza

CHO CH2OH H

CHO OH CH2OH

formozaSmesa glikolaldehida, trioza, tetroza, pentoza, heksoza

RedukujuiHO HOO HO O

glikolaldehid

O OH

Imaju slobodnu poluacetalnu grupu; 1,X-glikozidna veza

O H H

?

_

O H

NeredukujuiHOO O

O

OH OH

Najverovatniji nain nastanka eera

Nemaju slobodnu poluacetalnu Grupu; 1,1-glikozidna veza

HO

Disaharidi SaharozaCH2OH O OH HO HO

Disaharidi TrehalozaOHO OH HO HO

-dobija se iz eerne trske i eerne repe; proizvede se godinje oko 108 tona -ne redukuje Tollens-ov i Fehling-ov reagens -hidrolizom pod blagim kiselim uslovima (ili invertazom) dolazi do nastanka invertnog eera (ekvimolarna koliina glukoze i fruktoze). Inverzija saharoze - smer skretanja ravni polarizovanog svetla se menja od (+) ka (-), tokom hidrolize pod blagim kiselim uslovima

OH OH OH O O

-D-glukopiranozil--D-glukopiranozid OH

O

CH2OH

O

HO CH2OH OH

-D-glukopiranozil--D-fruktofuranozid -D-fruktofuranozil--D-glukopiranozid

- naena u gljivicama, nekim insektima - ne redukuje Tollens-ov i Fehling-ov reagens - neotrehaloza ima , vezu - izotrehaloza ima , vezu

Disaharidi MaltozaOHO OH HO HO OH

Disaharidi LaktozaOH

OHOHOOH OO OH

O

OH

OH

HO

OHO

HO

4-O-( (-D-galaktopiranozil)-D-glukopiranoza (

4-O-( (-D-glukopiranozil)-D-glukopiranoza (HO

- dobija se parcijalnom hidrolizom skroba - redukuje Tollens-ov i Fehling-ov reagens - pokazuje mutarotaciju

- ima je u mleku - redukuje Tollens-ov i Fehling-ov reagens - pokazuje mutarotaciju

Neki glikozidiO OH

Neki glikozidiO OH OH

O

OH OO OH HO HOHO

OH

OH

OO OH OH HO HO HO OO

PhOMe O OH O Me OH NH2 O

OHMe HO OO NMe2 OH O

OH O O OMe Me O

CN

ArbutinRedukciono sredstvo; hidrolizom daje dihidrohinon.Moe da depigmentie kou (inhibie stvaranje melanina). Ima i antibakterijsko dejstvo.

AmigdalinIzolovan iz semena Rosaceae; Emulzin hidrolizuje amigdalin dajui HCN, glukozu i PhCHO

Adriamicin

Antikancerozna aktivnost. OH Inhibie topoizomerazu, koja Eritromicin A je odgovorna za privremeno Inhibie bakterijsku sintezu proteina odvajanje i kasnije spajanje lanaca DNK.

Polisaharidi Skrob- biljni polisaharid

Polisaharidi Amiloza-hidrolizom daje maltozu/glukozu - glikozidna veza je -1,4 tipa -sadri i vie od 1000 molekula glukoze -lanci amiloze su u obliku heliksa, koji stvara plavo kompleksno jedinjenje sa jodom

- ima ulogu rezervne hranljive komponente - gradivna komponenta je glukoza - sastoji se od amiloze (20%) i amilopektina (80%)

Polisaharidi Amilopektin-hidrolizom daje maltozu/glukozu - poseduje glikozidne veze -1,4 i -1,6 tipa -sadri i vie od 1000 molekula glukoze

Polisaharidi Celuloza -biljni gradivni polisaharid-hidrolizom daje glukozu -poseduje glikozidne veze -1,4 tipa -sadri vie od 1500 molekula glukoze; vie takvih lanaca meusobno interaguje stvarajui vodonine veze

Polisaharidi Glikogen -rezervni polisaharid ivotinjskog porekla-hidrolizom daje glukozu -slian amilopektinu, ali je vie razgranat

Nomenklatura-Imena se zasnivaju na trivijalnim imenima, ali samo do heksoza. -Nastavak oza oznaava aldoze -Viim eerima se daju imena definiui konfiguraciju na hiralnim C-atomima, uporeivanjem sa triozama, tetrozama, pentozama, heksozama. Prefiksi se zasnivaju na trivijalnim imenima.CHO H HO H H H OH H OH OH OH CH2OH

Kao kod D-glukoze D-gluko

Kao kod D-glicerinaldehida D-glicero

D-glicero-D-gluko-heptoza

Nomenklatura-Kod ketoza, trivijalna imena su dozvoljena za trioze, tetroze, pentoze i heksoze. Pravilnije ime ribuloze je D-eritro-pentuloza (jer ribo podrazumeva tri hiralna C-atoma). -Nastavak uloza oznaava ketoze, a poloaj C=O grupe mora da se oznai u sistematskim imenima -Veliina prstena se definie terminima piran ili furanCHO H HO H H OH H OH OH CHO

NomenklaturaCHO CH2OH O HO H H OH O CH2OH H H HO HO H H H OH O OH OH CH2OH

D-gluko-heksodialdoza D-treo-hekso-2,5-diuloza

D-glicero-D-mano-oktoz-5-uloza

NomenklaturaDerivati sa zamenjenom OH grupom -prefiks deoksi (dezoksi)Me HO OH NH2 O OH HO Br OH O OH Cl OH

NomenklaturaSupstituisani derivati -imenuje se supstituent vezan za kiseonik uz prefiks OOH O OH Me O Me O OH

2-amino-2,6-dideoksi-D-galaktopiranoza 2-bromo-2-hloro-2-deoksi-D-glukopiranoza

2,4-di-O-metil-D-glukopiranoza