Chemistry | High school » Labancz István - Szénhidrátok, szacharidok

D:HONLAPszénhidrátok.doc 3.6 Szénidrátok – szacharidok – általános összegképlet: Cn(H2O)m ––> a „szén hidrátjai” – elsődleges szerves anyagok mert az élő sejt minden más szerves anyagot a szénhidrátok további átalakításával állít elő (ld. fotoszintézis) – a legnagyobb mennyiségben előforduló szerves vegyületek (cellulóz) – hétköznapi anyagaink: cukrok, vatta, keményítő, cellulóz – funkcióik az élő szervezetekben: – energiaforrás – tartalék tápanyag – vázanyag – biomolekulák részei – funkciós csoportjaik: – alkoholos hidroxilcsoportok (polihidroxi vegyületek) – oxocsoport (karbonilcsoportot képez az első vagy a második szénatomon ––> ld. csoportosítás) – éterkötésű oxigén (gyűrűs formában, valamint a di- és poliszacharidokban) – csoportosítás a szerkezetük alapján: – monoszacharidok – diszacharidok – poliszacharidok 3.61 Monoszacharidok (3=< n >=7) –

általános összegképletük: Cn(H2O)n vagy CnH2nOn – csoportosítás az oxocsoport helyzete alapján: – láncvégi oxocsoport (aldehid) ––> aldózok – láncközi* oxocsoport (keton) ––> ketózok * mindig a 2. szénatomon van – csoportosítás a szénatomok száma alapján: – trióz, tetróz, pentóz, hexóz 1 D:HONLAPszénhidrátok.doc ALDÓZOK KETÓZOK 1. ábra: Az aldózok és ketózok összefoglaló táblázata – a fentiek közül ismerni kell a glicerinaldehid, a ribóz, a 2-dezoxi-ribóz, a glükóz, a dihidroxi-aceton és a fruktóz képletét és tulajdonságait Karikázd be az ábrán ezek neveit, ill. rajzold le a 2-dezoxi-ribózt! – konstitúció ––> kiralitás – előfordulhatnak nyílt láncú és gyűrűs formában – nyílt láncú formában az aldózokban az oxocsoport láncvégi helyzetben van (––> a számozás erről a szénatomról kezdődik) a ketózokban az oxocsoport mindig a lánc 2. szénatomjához

kapcsolódik (––> a számozás a molekula ezzel szomszédos láncvégén kezdődik) – a többi szénatomon általában 1-1 –OH csoport van – emlékeztető: királis a C-atom akkor, ha mind a négy liganduma eltérő, a kiralitás következménye az optikai izoméria megjelenése (kapcsolódó fogalmak: királis szénatom, királis molekula, enantiomerpár, diasztereomerpár) – a láncközi H–C–OH részlet C-atomjai (mivel a molekula két vége eltérő) kiralitáscentrumok ––> kiralitáscentrumok száma a nyílt láncú aldózok esetén (n-2), nyílt láncú ketózok esetén (n-3) /n=szénatomszám/ – lehetséges optikai izomerek száma 2(n–2), ill. 2(n–3) A fentieket ellenőrizd az 1. ábrán! Jelöld a királis szénatomokat! – a monoszacharidok utolsó előtti (= az oxocsoportttal ellentétes végétől számított második = az utolsó királis) C-atomja határozza meg, hogy D vagy L konfigurációjú-e, azaz melyik glicerinaldehidből szármarik

Nézd meg az 1. ábra D-sorozatú aldózait! –mindegyik utolsó királis C-atomjának konfigurációja megegyezik a D-glicerinaldehid királis Catomjának konfigurációjával 2 D:HONLAPszénhidrátok.doc – a gyűrűvé záródás: – a formaldehid vizes oldatban 1,1-diollá alakul az alábbi egyenlet szerint: – a vízhez hasonlóan reagálnak az alkoholok is oxovegyületekkel: – ha egy molekulában aldehidcsoport (vagy ketoncsoport) és hidroxilcsoport egyaránt előfordul, ezek a molekulán belül is reagálhatnak egymással, s így gyűrűs éter képződik: – gyűrűs éterek csak akkor képződnek könnyen, ha a gyűrű 5 vagy 6 tagú lesz – a fentiek a szőlőcukor példáján: – látható, hogy a gyűrűvé záródáskor az egyik –OH csoport éterkötésű oxigénné alakul, s a gyűrű egyik tagja lesz, az oxocsoportból pedig –OH csoport lesz, melyet glikozidos hidroxilcsoportnak nevezünk – a gyűrűvé záródás során a királis szénatomok

száma egyel nő Ellenőrizd ezt a fenti egyenlet segítségével! – a kristályos pentózok és hexózok csak gyűrűs molekulákból állnak – tulajdonságaik – fehér, szilárd halmazállapotú, vízben oldható vegyületek <–– H-kötés – az aldózok redukáló hatásúak a formilcsoport jelenléte miatt – pozitív ezüsttükörpróbát adnak Írd le az egyenletet! – pozitív Fehling-próbát adnak Írd le az egyenletet! – a nyílt láncú és a gyűrűs molekulák között a vizes oldatban egyensúly áll fönn (lásd később!), ezért a nyílt szénláncú molekulák oxidációja miatt eltolódó egyensúly következtében a gyűrűs molekulák is felbomlanak, vagyis a monoszacharid teljes mennyisége átalakítható 3 D:HONLAPszénhidrátok.doc – az oxocsoport melletti hidroxilcsoport lehetővé teszi a ketózok molekulán belüli átrendeződését aldózzá (izomerizálódás), pl. a fruktóz glükózza (a szervezetben enzim hatására)

––> ezért – a ketonoktól eltérően – a ketózok is pozitív ezüsttükörpróbát és Fehling-reakciót adnak – melegítés hatására fokozatos vízvesztéssel karamellizálódnak, majd elszenesednek – alkoholos hidroxilcsoportjaik észteresíthetők, ennek jelentősége: – a nukleinsavak alapváza a ribóz és a 2-dezoxi-ribóz poli(foszforsav-diészter) lánca – fontos biokémiai folyamatok köztes vegyületei a cukrok foszfátészterei – sósavas közegben a rezorcin a ketózokkal gyorsabban lép reakcióba (vörös színű termék), ezért ezzel megkülönböztethetők az aldózoktól 3.611 glicerinaldehid – összegképlet: – konstitúciós képlet: – optikai izomerei: – a D-glicerinaldehid-3-foszfát a biológiai cukorlebontás és cukorszintézis köztiterméke 3.612 1,3-dihidroxi-aceton – összegképlet: – konstitúciós képlet: – optikai izomerei: – monofoszfátja a szénhidrátok bomlásának köztiterméke 3.613 ribóz és

2-dezoxi-ribóz – összegképlet ribóz: 2-dezoxi-ribóz: – a nukleinsavak poli(foszforsav-diészter) láncának cukor részei 4 D:HONLAPszénhidrátok.doc 3.614 glükóz – összegképlet: C6H12O6 – konstitúció: – aldohexóz (polihidroxialdehid) – a nyílt láncú forma konstitúciós képlete: – a kristályos szőlőcukor minden molekulája gyűrűs, konstitúciós képlete: – vizes oldatban a gyűrűk (<1%-a) felnyílik ––> megjelenik az oxocsoport (ld. fent!) ––> adja az ezüsttükör- és Fehling-próbát – konfiguráció: Jelöld a gyűrűs forma konstitúciós képletén a királis szénatomokat! – 5 királis C-atom ––> 25 = 32 térizomer lehetséges, ezek szerkezetét mutatja a 2. ábra 2. ábra: A 32 lehetséges térizomer szerkezete Keresd meg a 32 lehetséges izomerből az enentiomerpárokat! Milyen viszonyban van egymással az a két izomer, amelyek egymásnak nem enantimerpárjai? 5 D:HONLAPszénhidrátok.doc –

az izomerek osztályozása (a fenti nézet alapján): – ha az 5. C-atom CH2OH-csoportja a molekula síkja felett ––> D-sorozat alatt ––> L-sorozat – ha a glikozidos OH-csoport az 5. C-atom CH2OH-csoportjával azonos térfélen ––> β-izomer ellenkező térfélen ––> α-izomer – azaz az 5 kiralitáscentrum közül kettőt szimbólumokkal (D vagy L és β vagy α) különböztetünk meg egymástól, a maradék 3 kiralitáscentrum 23=8 féle lehetőséget takar ––> még 8 név szükséges, hogy mind a 32 lehetséges térizomert meg tudjuk különböztetni egymástól (lásd az 3. ábrát!) 3. ábra: Az aldohexóz 32 lehetséges térizomerének nevei 6 D:HONLAPszénhidrátok.doc – konformáció: – a szőlőcukor gyűrűs formája szék konformációjú, mint a ciklohexán – szék konformációban a ligandumok lehetnek axiálisak és ekvatoriálisak – energetikailag kedvezőbb, ha a nagy térkitöltésű csoportok (–OH és –CH2OH)

ekvatoriális helyzetűek Építsük meg a legstabilabb szerkezetű izomert pálcikamodellből! Melyik ez az izomer? Adjuk meg a nevét! – az enantimerpárja, a elő csak a D-sorozatú cukrok ugyanolyan stabil, de a természetben nem fordulnak Építsük meg és ellenőrizzük! – a β-D-glükóz molekula „felső” és „alsó” térfele nem egyenértékű, mert a „felső” térfélen 2 axiális helyzetű, az „alsó” térfélen 3 axiális helyzetű ligandum van ––> ezért az –OH csoport, ha axiális helyzetbe kerül, akkor energetikailag kedvezőbb, ha a „felső” térfélre kerül, azaz ha a 2. és 4 szénatomon cserél helyet a –H és az –OH Keressük meg ezeket a szerkezeteket a 32 lehetséges izomer között! Majd nevezzük el ezeket! – ezért a természetben a glükóz után a legelterjedtebb cukrok a és a 7 D:HONLAPszénhidrátok.doc Építsük meg a β-D-glükózból kiindulva legkedvezőtlenebb térállású aldohexóz gyűrűs

alakját! – ebben minden nagy térkitöltésű csoport axiális állásba került, mert a legkedvezőbb energetikájú β-Dglülóz minden királis C-atomján ellentétesre változtattuk a konfigurációt ––> ez a konformer így nem stabil, átbillen a másik szék konformációba – az így kapott izomer nem más, mint a , a β-D-glükóz izomerizációja vízben: – a szőlőcukor vízben jól oldódik, oka: H-kötések – vízből nehezen kristályosítható ki, ezért kicsapószert szoktak alkalmazni – a kicsapószer lehet etil-alkohol, vagy ecetsav, de ezek hatására kétféle kristályos szőlőcukor válik ki az egyik forgatóképessége +19°, a másik forgatóképessége +112° – ezek közül bármelyikből vagy bármilyen arányú elegyükből oldatot készítünk, annak az oldatnak a forgatóképessége néhány nap alatt 53°-ra áll be – ez a jelenség a szőlőcukor izomerizációja vizes oldatban, vagy mutarotációja (mutáció=változás, rotáció=

forgás) – a jelenség oka: – a gyűrűzáródáskor új kiralitáscentrum jön létre, melynek kétféle lehet a konfigurációja––> a nyíltláncú D-glükózból 2 gyűrűs szerkezet alakul ki – az α-D-glükóz és a β-D-glükóz diasztereomerek – a szőlőcukor vizes oldata háromféle molekula egyensúlyi elegye: kb. 63% β-D-glükóz, kb 37% α-D-glükóz és jóval kevesebb mint 1% a nyílt láncú forma Miért ez az arány a β -D-glükóz és az α-D-glükóz között? – kristályos állapotban minden 5 vagy 6 C-atom számú cukor gyűrűs szerkezetű, és a mutarotáció jelensége mindegyiknél megfigyelhető 8 D:HONLAPszénhidrátok.doc 3.62 Diszacharidok – két monoszacharidból származtathatók vízelvonással R–OH + HO–Q ––> R–O–Q + H2O – savas hidrolízissel két monoszacharidra bonthatók – a két monoszacharidot összekapcsoló éterkötés kialakításában legalább az egyik monoszacharid a glikozidos

hidroxilcsoportjával vesz részt, ezért ezt glikozidkötésnek nevezzük – ha a glikozidkötés két glikozidos hidroxilcsoportból alakul ki, akkor vizes oldatban nem tud egyik gyűrű sem felnyílni ––> nem jelenhet meg a formilcsoport ––> nem adja az ezüsttükörpróbát, ezek a nem redukáló diszacharidok Összegképlet: Egyéb nevek: Alkotórészeik: 3.621 Maltóz C12H22O11 malátacukor α-D-glükóz és a α -D-glükóz 3.622 Cellobióz C12H22O11 β-D-glükóz és a β-D-glükóz 1(a) – 4(e) 1(e) – 4(e) 3.623 Szacharóz C12H22O11 répacukor, nádcukor α -D-glükóz és a β-D-fruktóz Molekulaszerkezet: Glikozidkötés: Térszerkezet: Tulajdonságok: Előfordulás: 1(a) – 2 mindkettő glikozidos –OH a két gyűrű egyenlítői síkja a két gyűrű egyenlítői síkja szöget zár be egymással többé-kevésbé egybeesik a molekula szerkezetét a gyűrűk közti hidrogénkötések stabilizálják fehérek, szilárd halmazállapotúak,

édesek, vízben jól oldódnak vizes oldata nem adja az ezüsttükörpróbát vizes oldatuk adja az ezüsttükörpróbát (redukáló), mert az egyik gyűrű glikozidos –OH-ja szabad (nem redukáló) savas hidrolízis után redukál a keményítő hidrolízisének a cellulóz hidrolízisének gyümölcsökben, köztiterméke köztiterméke a cukorrépában, a cukornádban fordul elő nagy mennyiségben 9 D:HONLAPszénhidrátok.doc 3.63 Poliszacharidok – savas vagy enzimes hidrolízissel több monoszacharidra bonthatók Építőegységei: Általános képlet: Glükózegységek molekulánként: Monoszacharidok kapcsolódása: Lánckonformáció: A konformációt stabilizáló kötések: Fizikai tulajdonságok: Kémiai tulajdonságok: Biológiai jelentőség, felhasználás: 3.631 Cellulóz β -D-glükóz 3.632 Keményítő α-D-glükóz (C6H10O5)n (C6H10O5)n hozzávetőlegesen igaz amilóz amilopektin n=x*103 n=x*102 n=x*102 1(a) – 4(e) (mint a maltóznál) 1(e) – 4(e)

1(a) – 4(e) + 20–25 egységenként (mint a cellobióznál) (mint a maltóznál) elágazások (a 6. és az 1 szénatomok között glikozidkötés) fonalszerű molekula spirális lefutású (hélix) helyenként spirális, az (ld. az ábrát lent) molekula elágazások miatt ágas(ld. az ábrát lent) bogas (ld. az ábrát lent) hidrogénkötésok az egymás után következő glükózegységek között + a hélixen belül a csavarmenetek között + a láncok között(––> (a molekulák között jóval kevesebb) kötegekbe rendeződés) fehér színű, íztelen, szilárd anyagok vízben gyakorlatilag hideg vízben nem, meleg vízben kolloid rendszert oldhatatlan képez nem redukálnak keményítővel kék színreakciót ad növényi vázanyag a növények raktározott tápanyaga (sejtfal), papír- és textilipari nyersanyag, filmek, lakkok, műszálak gyártása 10