1 - CARBOHIDRATOS
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-1- CARBOHIDRATOS 1.-DEFINICIÓN Los carbohidratos son sustancias naturales compuestas de carbono, hidrógeno y oxígeno. Antiguamente se les conocía como “hidratos de carbono”. Cn(H2O)n H C6H12O6 O C6(H2O)6 CHO CHO C H H C OH HO C H H C OH H H C OH H HO H C OH HO C H OH H C OH OH H C OH OH H CH2OH CH2OH CH2OH D-glucosa En la década de 1880 se reconoció que dicho concepto era erroneo, ya que los estudios estructurales de estos compuestos revelaron que no eran hidratos, pues no contenían moléculas intactas de agua. Además, otros compuestos naturales (carbohidratos) tenían fórmulas moleculares diferentes a las anteriores. CHO CHO CHO CH2 CH2 CH2 H C OH H OH H C OH H C OH H OH H C OH CH2OH CH2OH CH2OH 2-Desoxi-D-ribosa En la actualidad los carbohidratos se definen como aldehídos o cetonas polihidroxilados, o bien, derivados de ellos. -2COOH CH2OH CHO O H C OH H HO C H H OH HO H OH H OH H C OH H OH H OH H C OH CH2OH CH2OH CH2OH D-Ribosa D-Fructosa Ácido D-Glucónico Polihidroxi aldehído Polihidroxi cetona Polihidroxi ácido 2.-ORIGEN La glucosa es el carbohidrato más abundante en la naturaleza. También se le conoce como azúcar sanguinea, azúcar de uva, o dextrosa. Los animales obtienen glucosa al comer plantas o al comer alimentos que la contienen. Las plantas obtienen glucosa por un proceso llamado fotosíntesis. Fotosíntesis 6 CO2 + 6 H2O + C6H12O6 Energía Oxidación + 6 O2 Glucosa Los mamíferos pueden convertir la sacarosa (azúcar de mesa), lactosa (azúcar de la leche), maltosa y almidón en glucosa, la cual es oxidada para obtener energía, o la almacenan como glucógeno (un polisacarido). Cuando el organismo necesita energía, el glucógeno es convertido de nuevo a glucosa. La glucosa puede convertirse a grasas, colesterol y otros esteroides, así como a proteínas. Las plantas convierten el exceso de glucosa en un polímero llamado almidón (el equivalente al glucógeno), o celulosa, el principal polímero estructural. -3Glucógeno Grasas Glucosa CH3CO Celulosa Almidón Proteínas Grupo acetilo de la Acetilcoenzima A Colesterol 3.-CLASIFICACIÓN A.-Monosacáridos o Azúcares Simples: no pueden ser hidrolizados a moléculas más pequeñas. Todos ellos son azúcares reductores, ejemplos: CH2OH CHO H CHO O CH2OH OH HO O OH HO H OH H OH H OH H OH H OH H OH H OH H OH CH2OH CH2OH D-Glucosa D-Ribulosa D-Fructosa Una aldohexosa Una cetopentosa Una cetohexosa CH2OH D-Ribosa Una aldopentosa H H H Aldosas CH2OH Cetosas Azúcares reductores El sufijo –osa se emplea en la nomenclatura sistemática de los carbohidratos para designar un azúcar reductor, que es un azúcar que tiene un grupo aldehído o un grupo αhidroxicetona. PROBLEMA DE ESTUDIO No.1 Clasifica cada uno de los siguientes monosacáridos según el sistema de las aldosas y cetosas (aldohexosa, cetohexosa...etc.) (a) D-Manosa (b) D-Xilosa (c) D-Treosa (d) D-Gliceraldehído (c) D-Gulosa -4B.-Oligosacáridos (del griego oligo, pocos): Contienen de dos hasta diez unidades de monosacáridos. B1.-Disacáridos: producen dos moléculas de monosacáridos por hidrólisis. (a).-Reductores: reducen el Fehling, Benedic, o Tollens. (b).-No reductores: no reducen a los reactivos anteriores. B2.-Trisacáridos: producen tres moléculas de monosácaridos por hidrólisis. B3.-Tetra-.........Decasacáridos: producen cuatro........a diez moléculas de monosacáridos por hidrólisis C.-Polisacáridos: producen más de diez moléculas de monosacáridos por hidrólisis. (a).-Homopolisacáridos: producen un solo monosacárido por hidrólisis. (b).-Heteropolisacáridos: producen más de una clase de monosacáridos por hidrólisis. MONOSACÁRIDOS 4.-PROYECCIONES DE FISCHER Atrás del plano H CHO 45° H HO HO ---------------------------- ---------------------------- Eje imaginario Atrás del plano CH3 Adelante del plano H Adelante del plano CH2OH Proyección de cuñas CHO CHO OH H OH CH2OH 90° (R)-Gliceraldehído CH2OH CH2OH Proyección de Fischer -5CHO HO H H CHO HO HO CH2OH H H OH HO H CHO OH H H OH HO H H OH H OH H OH H OH CH2OH CH2OH D-Glucosa (El grupo carbonilo en la parte superior) Movimientos (a) Se puede girar 180º sobre el plano y se tiene la misma estructura. CHO CHO OH H CH2OH HO OH H CH2OH Rotación de 180° sobre el plano HO H CHO CH2OH R CH2OH R H CHO R R (b) Si se gira 90º se tiene una estructura diferente, enantiómero de la primera. El compuesto es el mismo, pero está mal representado CHO CHO OH H H Giro de 90° OH H La representación de los sustituyentes horizontales y verticales en proyección de Fischer es la siguiente: HOCH2 H CHO HOCH2 CHO CH2OH CH2OH OH OH R R R S (c) Si se intercambian dos grupos se obtiene el enantiómero. CHO OH H CH2OH R CHO H HO CH2OH S CH2OH CHO OH H CH2OH R OH H CHO S -6PROBLEMA DE ESTUDIO No.2 ¿Cuáles de las siguientes proyecciones de Fischer del gliceraldehído representan al mismo enantiómero? CHO HO H OH H HOCH2 H HO CH2OH CH2OH H CHO CH2OH CHO CHO OH A B C D PROBLEMA DE ESTUDIO No. 3 Convierta en representaciones tetraédricas las proyecciones de Fischer dadas y asigne la estereoquímica S o R a cada una CHO COOH (a) H2N (b) H H OH (c) H CHO CH3 CH3 COOH CH3 H (d) OH CH2OH CH2CH3 5.-AZÚCARES D, L Por convención, un azúcar pertenece a la “Familia D” si su penúltimo grupo OH está orientado a la derecha y a la “Familia L” cuando dicho grupo está orientado a la izquierda. Esta denominación es independiente de la rotación óptica del compuesto. Observar que un azúcar de la Familia D es enantiómero o imagen especular del azúcar de la Familia L. Plano espejo CHO Plano espejo CHO H OH CH2OH CHO HO H CH2OH D-(+)-Gliceraldehído L-(-)-Gliceraldehído (R)-(+)-Gliceraldehído (S)-(-)-Gliceraldehído H HO OH H CHO HO H H OH H OH HO H H OH HO H CH2OH CH2OH D-Glucosa L-Glucosa -7PROBLEMA DE ESTUDIO No. 4 Trace la proyección de Fischer de la L-Fructosa CH2OH O HO H H OH H OH D-Fructosa CH2OH PROBLEMA DE ESTUDIO No. 5 Asigne la configuración R o S a cada átomo de carbono quiral en los siguientes azúcares y diga para cada una si es de la Familia D o L. CHO H CHO HO H HO H CH2OH OH HO H H OH CH2OH CH2OH (a) (b) CH3 O H HO O COOH OH H CH2OH (c) H OH HO H H OH CH3 CH2OH (d) (e) PROBLEMA DE ESTUDIO No. 6 La (+)-arabinosa, una aldopentosa ampliamente distribuida en las plantas, puede nombrarse sistemáticamente como (2R,3S,4S)-2,3,4,5-tetrahidroxipentanal. Trace una proyección de Fischer de la (+)-arabinosa e identifíquela como un azúcar D o L. 6.-SÍNTESIS DE KILLIANI-FISCHER -8H H O OH CH2OH D-(+)-Gliceraldehído Heinrich Kiliani HCN 1886 H NH H OH C H OH CN H2, Pd/BaSO4 Emil Fischer 1890 H H CH2OH Imina H H OH HO OH H CH2OH C H OH H2, Pd/BaSO4 HO Emil Fischer 1890 H + C OH Imina H3 O + H OH HO OH H CH2OH D-(-)-Eritrosa H CH2OH O C NH CH2OH Cianohidrinas estereoisoméricas H 3O H C H CN O C H OH CH2OH D-(-)-Treosa PROBLEMA DE ESTUDIO No. 7 Partiendo del L-(-)-gliceraldehído, ¿qué azúcares se producirían en la secuencia anterior? -97.-CONFIGURACION RELATIVA DE LAS ALDOSAS CN CN H OH H OH CHO HCN H HO HCN OH H CH2OH D-(+)-Gliceraldehído CH2OH CH2OH [R] CHO CHO H OH HO H OH H CH2OH CHO H H OH HO H OH H OH HO H OH H OH H H D-(-)-Arabinosa CHO CHO CHO H H OH H OH HO H OH H OH H OH H OH HO H OH H OH H OH H OH H D-(+)-Alosa D-(+)-Altrosa HO H H HO H H OH CHO OH HO CH2OH OH D-(-)-Lixosa CHO CHO OH HO H H OH HO H H H H OH OH HO H HO CH2OH HO CH2OH H H HO OH CH2OH D-(+)-Glucosa D-(+)-Manosa D-(-)-Gulosa H OH CH2OH D-(+)-Xilosa H H CHO CH2OH CH2OH CH2OH OH CH2OH CHO D-(-)-Ribosa H D-(-)-Treosa CHO CH2OH OH [R] D-(-)-Eritrosa CHO H OH CH2OH D-(-)-Idosa H H CHO OH HO H H HO H H HO OH CH2OH H H OH CH2OH D-(+)-Galactosa D-(+)-Talosa PROBLEMA DE ESTUDIO No. 8 ¿Cuántas aldoheptosas existen? ¿Cuántas son D-azúcares y cuántas L-azúcares? PROBLEMA DE ESTUDIO No. 9 Trace proyecciones de Fischer de las dos aldoheptosas cuya estereoquímica en C3, C4, C5 y C6 corresponda a la de la glucosa en C2, C3, C4 y C5. 8.-ANILLOS DE FURANOSA Y PIRANOSA La posición de los grupos funcionales y estereoquímica de las pentosas y hexosas permite reacciones intramoleculares que dan anillos de 5 ó 6 miembros. En el equilibrio se favorece entrópicamente la formación de los hemiacetales, a partir de las aldosas, y hemicetales, a - 10 partir de las cetosas. Debido a que las formas cíclicas de los azúcares de 6 miembros guardan una relación con el 4H-pirano, se les llamó piranosas; y a los azúcares de 5 miembros furanosas, por su relación con el furano. HO 6 1 CHO H HO H H 2 3 4 5 OH HO 5 OH OH OH 1 2OH O HO 4H-Pirano 6 5 D-Glucosa, forma piranosa -D-glucopiranosa D-Glucosa O OH H HO OH Carbono anomérico H HO 6 H 1 OH OH 6 CH O OH 5 D-Glucosa, forma piranosa -D-glucopiranosa O H 1 OH Carbono anomérico OH HO OH OH 1 CH2OH 2 HO H H 3 4 5 D-Fructosa, forma furanosa -D-fructofuranosa O OH O 2 HO 5 Carbono anomérico 1 OH H OH 6 1 .. CH2OH OH .. HO 5 2 OH 6 OH D-Fructosa O O OH 6 CH2OH OH OH D-Fructosa, forma furanosa -D-Fructofuranosa O HO 5 OH 1 2 Furano Carbono anomérico OH OH 9.-CARBONO ANOMÉRICO Y ANÓMEROS El carbono anomérico en los azúcares es el carbono del hemiacetal o hemicetal; esto es, el carbono No. 1 ó 2, respectivamente. Se forma durante la reacción de ciclación de un grupo OH con el grupo carbonilo en el carbono 1 ó 2. Los anómeros son epímeros en el carbono anomérico 1 ó 2. Si el OH sobre el carbono anomérico en la proyección de Fischer de un azúcar D se encuentra hacia la izquierda, se trata del anómero ; por el contrario, si está a la derecha, se trata del anómero - 11 carbono anomérico 1 HO H HO H H 1 CHO OH H H O OH H -D-Glucopiranosa OH H HO 3 H H 4 OH H OH H H 6 CH2OH 2 carbono anomérico 1 H 5 6 CH2OH Forma abierta de la D-Glucosa HO OH OH H O OH 6 CH2OH -D-Glucopiranosa PROBLEMA DE ESTUDIO No. 10 Escriba la ecuación de la ciclación de la 2-desoxi-D-ribosa. Utilice proyecciones de Fischer y muestre la formación de los hemiacetales cíclicos de 5 y 6 miembros CHO CH 2 H OH H OH CH 2 OH 2-Desoxi-D-ribosa PROBLEMA DE ESTUDIO No. 11 Escriba las proyecciones de Fischer de los anómeros de la D-Ribofuranosa y catalogue cada uno de ellos como o . CHO H OH H OH H OH CH2OH D-Ribosa - 12 10.-FÓRMULAS DE HAWORTH Las fórmulas de Haworth son las representaciones cíclicas de los azúcares como piranosas o furanosas H 1 OH H 2 OH HO 3 H H 6 O H 4 OH 5 -D-Glucopiranosa 4 HO OH O OH 3 1 2 OH OH 5 Haworth 6 CH2OH Fischer Observe que cada grupo OH que está a la derecha en la proyección de Fischer, está hacia abajo en la proyección de Haworth. De igual modo, cualquier grupo OH situado a la izquierda en la proyección de Fischer, está hacia arriba en la proyección de Haworth. El grupo CH2OH en la posición 5 está hacia arriba en los compuestos de la Familia D. Hacia arriba el CH2OH CH2OH CH2OH O O OH Fam. D OH Anómero Anómero -------------------------------------------------------------------Hacia abajo el CH2OH O CH2OH Fam. L O OH CH2OH OH Anómero Anómero Carbono anomérico HO H H O H Carbono No 5 CH2OH D-Azúcar, anómero OH H HO OH O O H CH2OH L-Azúcar, anómero H CH2OH D-Azúcar, anómero H O H CH2OH L-Azúcar, anómero - 13 11.-CONFORMACIONES DE SILLA OH OH O -D-Glucopiranosa O HO HO OH HO OH OH OH Fórmula conformacional Fórmula de Haworth OH OH O OH O HO OH -D-Glucopiranosa OH HO OH OH HO OH Fórmula conformacional Fórmula de Haworth PROBLEMA DE ESTUDIO No. 12 La D- manosa es el epímero en C2 de la D-glucosa. Trace las proyecciones de Haworth α y β de la D-manosa, así como las fórmulas conformacionales en su forma de piranosa. PROBLEMA DE ESTUDIO No. 13 Dibuje una fórmula conformacional para la α-D-glucopiranosa en la cual el grupo CH2OH ocupe una posición axial. PROBLEMA DE ESTUDIO No. 14 Trace las fórmulas de Haworth para las α y β-D-gulopiranosas. 12.-MUTAROTACIÓN OH OH OH H OH O O HO OH D-Glucosa OH Trans O OH + OH HO Cis OH OH -D-Glucopiranosa (36%) (anómero alfa; OH y CH2OH están en trans) Pf = 146 °C []D = + 112.2° OH HO OH -D-Glucopiranosa (64%) (anómero beta; OH y CH2OH están en cis) Pf = 148 - 155 °C []D = + 18.7° - 14 PROBLEMA DE ESTUDIO No. 15 Sabiendo que la rotación específica de la -D-glucopiranosa pura es de +112.2° y que la propia de la -D-glucopiranosa es de +18.7°, indique cómo pueden calcularse los porcentajes de los anómeros alfa y beta en el equilibrio a partir de la rotación específica de de la solución de +52°. PROBLEMA DE ESTUDIO No. 16 Además de la glucosa, muchos otros azúcares presentan mutarrotación. Por ejemplo, la -D-galactopiranosa tiene []D = +150.7°, y la -D-galactopiranosa tiene []D = +52.8°. Si cualquiera de los dos isómeros se disuelve en agua y se le permite que alcance el equilibrio, la rotación específica de la solución es de +80.2°. ¿Cuáles son los porcentajes de cada anómero en el equilibrio? Trace las formas piranosa de ambos anómeros usando las proyecciones de Haworth. 13.-REACCIONES DE LOS MONOSACARIDOS 13.1.-ALARGAMIENTO DE LA CADENA: SÍNTESIS DE KILIANI-FISCHER H CN H C HO H HO H H C O OH H C H H O HO OH H H OH H OH H OH H OH H OH HCN Cianohidrinas Heinrich Kiliani 1886 D-Arabinosa HO OH C OH CH2OH CH2OH C H H NH H H OH OH C HO C Iminas H Emil Fischer 1890 CN HO CH2OH H2, Pd/BaSO4 como catalizador H HO H HO H 3O CH2OH + D-Glucosa H C NH C H HO H HO C O C H H H OH H OH H OH H OH H OH H OH CH2OH CH2OH CH2OH D-Manosa PROBLEMA DE ESTUDIO No. 17 ¿Qué producto o productos se esperarían de la reacción Kiliani-Fischer de la D-ribosa? PROBLEMA DE ESTUDIO No. 18 - 15 ¿Cuál aldopentosa produciría una mezcla de L-gulosa y L-idosa por medio del alargamineto de cadena de Kiliani-Fischer? 13.2.-ACORTAMIENTO DE LA CADENA: DEGRADACIÓN DE WOHL La degradación de Wohl es casi exactamente lo opuesto de la secuencia de Kiliani-Fischer. El grupo carbonilo aldehídico de la aldosa es convertido primeramente en un grupo nitrilo, la cianohidrina que resulta pierde HCN en condiciones básicas (una reacción de retroadición nucleofílica). O H H NHOH CN O H H OH HO H HO H H H H2NOH OH HO H HO H OH H CH2OH H (CH3CO)2O CH3CO2Na HO H HO H OH H CH2OH D-Galactosa OH CH3ONa HO H HO H OH H CH2OH Oxima de la D-Galactosa OH CH2OH Una Cianohidrina D-Lixosa (37%) PROBLEMA DE ESTUDIO No. 19 ¿Cuáles son las dos aldopentosas que producen D-treosa por medio de la degradación de Wohl? 13.3.-REDUCCIÓN DE MONOSACÁRIDOS La reducción suave del grupo carbonilo de los monosacáridos (aldosas y cetosas) produce alditoles. CHO H OH HO HO O HO OH OH -D-Glucopiranosa CH2OH OH H H OH H OH CH2OH D-Glucosa H 1) NaBH4 2) H2O HO OH H H OH H OH CH2OH D-Glucitol ( D- Sorbitol), un alditol - 16 PROBLEMA DE ESTUDIO No. 20 ¿Cómo puede explicarse el hecho de que la reducción de la D-galactosa con NaBH4 forma un alditol ópticamente inactivo? PROBLEMA DE ESTUDIO No. 21 La reducción de la L-gulosa forma el mismo alditol (D-glucitol) que la reducción de la Dglucosa. Explique 13.4.-OXIDACIÓN DE MONOSACÁRIDOS 13.4.1.-ÁCIDOS ALDÓNICOS La oxidación suave de los azúcares reductores produce ácidos aldónicos. CHO H HO COOH H OH H H OH H OH CH 2OH D-Glucosa OH Br2, H2O HO H pH = 6 H OH H OH CH 2OH Ácido D-Glucónico (un ácido aldónico) Lo mismo sucede cuando un monosacárido se trata con los siguientes reactivos: Sustrato Reactivo Productos Monosacárido Prueba positiva Azúcar reductor Tollens (Ag+, en NH4OH) Ag0, en forma Ácido aldónico de espejo brillante Azúcar reductor Benedict ( Cu2+, de citrato de sodio Cu2O, Ácido aldónico acuoso) Azúcar reductor rojizo 2+ Fehling (Cu , de tartrato de sodio acuoso) precipitado Cu2O, Ácido aldónico precipitado rojizo - 17 - La fructosa da prueba positiva de Tollens (azúcar reductor) debido al equilibrio tautomérico ceto-enol catalizado por base, lo que da por resultado su conversión en una aldohexosa. OH CH2OH OH O HO CHO H H H NaOH, H2O HO H OH Tautomería ceto-enol H OH H OH H OH H OH HO NaOH, H2O Tautomería ceto-enol H H OH H OH CH2OH CH2OH D-Fructosa CH2OH Un enodiol Una aldohexosa CO2H CH2OH H O HO H H OH H OH Ag NO3, NH4OH Tollens OH HO H H OH H OH CH2OH CH2OH Azúcar reductor Ácido aldónico PROBLEMA DE ESTUDIO No. 22 Prediga el producto, si lo hay, de la oxidación con bromo de cada uno de los siguientes compuestos: CHO H OH CH2OH (a) CH2OH O H H OCH3 CH2OH O H H OH H H H H OH OH (b) OCH3 OH (c) CH2OH O H H OH H HO H OH CH2OH H OH H H OH OH H OH O (d) - 18 La mayoría de los ácidos aldónicos poseen grupos hidroxilos en posiciones y y pueden formar ésteres cíclicos de 5 ( lactona) y 6 miembros ( lactona). CO2H H HO H H OH H H - H2O HO OH CH2OH O H OH OH H HO O H o Ácido D- Glucónico H OH O O Anillo de 5 miembros lactona CH2OH CH2OH OH H H OH H Proyección de Fischer de la lactona 13.4.2-ÁCIDOS ALDÁRICOS El tratamiento de los monosacáridos con agentes oxidantes fuertes (HNO3) produce ácidos aldáricos. CO 2H CHO H HO H OH H HNO3 H OH calor H OH CH2OH D-Glucosa HO OH H Oxidado H OH H OH CO 2H Ácido D-Glucárico un ácido aldárico PROBLEMA DE ESTUDIOS No. 23 ¿Cuál de las aldohexosas forma ácidos meso-aldáricos al oxidarse con ácido nítrico? 13.4.3.-ÁCIDOS URÓNICOS La oxidación biológica del CH2OH terminal de los azúcares produce ácidos urónicos. - 19 - CH2OH CO2H O H OH H OH H HO H O H [O] OH Enzimas H OH H o HO OH OH H OH HO H H H D-Glucosa H O OH H OH CO2H Ácido D- Glucurónico Proyección de Fischer Ácido D-Glucurónico un ácido urónico 13.4.4.-OXIDACIÓN CON PERYODATO (OXIDACIÓN CON RUPTURA) O H HCO2H HIO4 HCO2H HIO4 H HCO2H HIO4 HO HCO2H HIO4 H OH HCO2H HIO4 H OH H2CO OH H 5 HIO4 H2CO + 5 HCO2H + 5 HIO3 CH2OH PROBLEMA DE ESTUDIO No. 24 Además de fragmentar los 1,2-dioles, el peryodato rompe también los α-hidroxialdehídos, las α-dicetonas, los α-hidroxiácidos y los β-aminoalcoholes. ¿Qué productos se obtendrían en la degradción con ácido peryódico de (a) D-manosa, (b) D-xilosa y (c) D-fructosa? PROBLEMA DE ESTUDIO No. 25 Escriba el mecanismo de reacción de H3CCH(OH)CH(OH)CH3 con HIO4 13.5.-FORMACIÓN DE ÉSTERES Y ÉTERES 13.5.1.-FORMACIÓN DE ACETATOS - 20 OCOCH3 OH O HO (CH3CO)2O HO Piridina 0 °C OH O H3COCO H3COCO OCOCH3 OCOCH3 o OH (CH3CO)2O -D-Glucopiranosa CH3CO2Na 1,2,3,4,6-Penta-O-acetil- -D-glucopiranosa (91%) 13.5.2.-FORMACIÓN DE ÉTERES 13.5.2.1.-Con yoduro de metilo y óxido de plata OCH3 OH O HO HO Ag2O CH3I OH O H3CO H3CO OCH3 OCH3 OH 2,3,4,6-Tetra-O-metil--D-glucopiranósido de metilo (85%) -D-Glucopiranosa 13.5.2.2.-Con metanol y ácido se forma un glucósido (acetal o cetal) OH OH CH3OH, H+ O HO HO HO OH OH O HO OH D-Glucopiranosa OCH3 D-Glucopiranósido de metilo (un acetal) 13.5.2.3.-Con sulfato de dimetilo y sosa OCH3 OH HO (CH3)2SO4 O HO OCH3 OH -D-Glucopiranósido de metilo PROBLEMA DE ESTUDIO No. 26 NaOH H3CO O H3CO OCH3 OCH3 2,3,4,6-Tetra-O-metil--D-glucopiranósido de metilo - 21 Trace el producto que se obtendría de la reacción de -D-ribofuranosa con: (a) CH3I, Ag2O; (b) (CH3CO)2O, piridina. HO OH O H H H H OH OH -D-Ribofuranosa PROBLEMA DE ESTUDIO No. 27 Dé la estructura de los productos resultantes del tratamiento del 2-desoxi-α-D-ribofuranósido de metilo con: (a) anhídrido acético y (b) disolución alcalina de sulfato de dimetilo. 13.6.-FORMACIÓN DE GLICÓSIDOS Los acetales de los carbohidratos se llaman glicósidos. Los de la glucosa, glucósidos. La parte azucarada se llama Glicona y la parte no azucarada se llama Aglicona. R O R´OH R R´O R´´OH HCl H OR´´ R´O HCl Un hemiacetal OH HO OH H -D-Galactopiranosa (un hemiacetal) H3O+ OH O CH3OH, HCl OH H2O Un acetal HO O + H H Un aldehído HO R OH HO OCH3 + H2O OH H -D-Galactopiranósido de metilo (un galactósido y acetal) PROBLEMA DE ESTUDIO No. 28 Escriba un mecanismo que explique la formación del acetal dimetílico del gliceraldehido. - 22 H OCH3 O H + OH H+ 2 CH3OH H OCH3 H OH + H2O CH2OH CH2OH 13.6.1.-ALGUNOS GLICÓSIDOS NATURALES O O H3C La Glicona está formada por tres moles de digitoxosa H3C H3C HO HO HO H3C H3C O O H O O OH O La Aglicona está formada por el esteroide digitoxigenina H O HO HOH2C HO H3CO O O HO OH Digitoxina (cardiotónico) (extraida de la planta Digitalis purpurea) H HOH2C HO CHO O HO OH H Glucovainillina (Su hidrólisis produce la vainillina) H3CO O CH=CHCH2OH H Coníferina Glucósido principal de las coníferas.También se encuentra en el betavel y los espárragos. La hidrólisis con -emulsina produce D-glucosa y el alcohol coniferílico; es fuente industrial de vainillina. 13.7.-REACCIÓN CON LA FENILHIDRAZINA - 23 Los azúcares reductores reaccionan con la fenilhidrazina (3 equivalentes) produciendo fenilhidrazonas, derivados sólidos cristalinos con punto de fusión bien definidos. Los subproductos son anilina y amoníaco. CHO CHOH CH=NNHC6H5 3 C6H5NHNH2 3 C6H5NHNH2 C=NNHC6H5 (C6H5NH2, NH3) CHO CHOH (C6H5NH2, NH3) R R D-(+)-Glucosa D-(+)-Manosa R D-(-)-Fructosa Osazona glucosazona, manosazona, fructosazona PROBLEMA DE ESTUDIO No. 29 Escriba un mecanismo razonable para la formación de la glucosazona anterior. 14.- DETERMINACIÓN DEL TAMAÑO DEL ANILLO Para la determinar el tamaño del anillo de un azúcar, éste se metila, se oxida y después se hidroliza. El producto resultante se identifica y con esto se deduce el tamaño del anillo. 6 6 HOCH2 5 H OH O H 4 OH HOCH2 2 OH 3 H CH3OH/HCl 5 H CH2OH 1 - o -D-Fructosa (- o - D-Fructofuranosa) 4 OH 6 OCH3 O OH 3 2 CH2OH 1 H NaIO4 H2O 1 CH2OH CH2OH OHC 4 CH O 5 C 2 CHO 3 OCH3 D-Fructofuranósido de metilo PROBLEMA DE ESTUDIO No. 30 Los y -D-manopiranósidos de metilo conducen por degradación con peryodato a dos estereoisómeros diferentes de un dialdehído Utilice fórmulas de proyección de Fischer para ilustrar la estereoquímica en cada caso. - 24 OH O OH HO HO HO HO OCH3 -D-Manopiranósido de metilo H HO HO H H OH H H H O OH OCH3 H H -D-Manopiranósido de metilo CH3O HO HO H H OCH3 H O H OH H H O H OH CH2OH CH2OH PROBLEMA DE ESTUDIO No. 31 La metilación de la glucosa con CH3I, Ag2O y posterior hidrólisis del glucósido formado conduce a un éter tetrametílico de la glucosa. Escriba la secuencia de reacciones anteriores y los posibles productos generados a partir de una glucopiranosa o de una glucofuranosa. PROBLEMA DE ESTUDIO No. 32 El D-glucofuranósido de metilo pude obtenerse en ciertos casos. Indique cómo puede utilizarse la secuencia de metilación-oxidación con ácido nítrico para demostrar la presencia del anillo de cinco miembros. DISACÁRIDOS Los disacáridos producen dos moléculas de monosacáridos cuando se hidrolizan. Pueden existir como tales en la naturaleza, como la sacarosa o azúcar de mesa; o bien, obtenerse por hidrólisis parcial de algún polímero más complejo. Por lo general, el enlace glicosídico puede ser del tipo alfa o beta en el azúcar del que deriva el glicósido, el cual se une al OH en C4´ o C6´ de la otra unidad de azúcar que forma el glicósido o acetal, o cetal. - 25 A. Enlace glicosídico 1,4´ O H 4' H O 1 4' O O o O = O O H enlace no fijo O O enlace fijo 1 B. Enlace glicosídico 1,6´ OH H 4' 4' H 2O enlace fijo 1 O H enlace no fijo 4' CHO O O o H Enlace 1,4´- (Haworth) Enlace 1,4´- (Conformacional) HO 1 OH H OH H 2O O O HO enlace fijo 1 - 26 O O 1 Un enlace 1,6'- (Conformacional) O O H2C 6' O 1 Un enlace 1,6'- (Conformacional) CH2 o 6' o O OH OH C. Enlace glicosídico 1,2´ ó 2,1´ 15.1. SACAROSA CH2OH CH2OH O 1 OH -Glucopiranosa HO O HO HO OH OH O O -Fructofuranosa CH2OH O HO 1 2' CH2OH OH CH2OH H H HO CH2OH HO HO CH2OH O 1 OH 2' CH2OH OH O O HO 2' O CH2OH OH H -D-Fructofuranosil- -D-glucofuranósido [2-O-(-D-Glucopranosil)- -D-fructofuranósido] Azúcar Invertido Cuando la sacarosa se hidroliza con : La enzima -D-Glucosidasa (hidroliza los enlaces -D glucosídicos) La enzima invertasa (hidroliza los enlaces -D-fructosídicos) H3O+ Se produce la mezcla de -D-glucosa y -D-fructosa conocida como azúcar invertido. - 27 CH2OH O CH2OH OH O HO Hidrólisis OH CH2OH O + OH O HO CH2OH O HO CH2OH OH OH OH HO CH2OH OH -D-Glucosa -D-Fructosa OH Sacarosa Azúcar invertido PROBLEMA DE ESTUDIO No. 33 El nombre de azúcar invertido para una mezcla de D-glucosa y D-fructosa se originó de la observación experimental de que el signo de la rotación óptica de la mezcla de reacción cambia de (+) a (-) al hidrolizar la sacarosa. La rotación específica de la sacarosa es de +66.5°, mientras que las rotaciones de la D-glucosa y la D-fructosa son, respectivamente, de +52.7° y -92.4°. Prediga el valor de la rotación específica del azúcar invertido. Cuando la sacarosa se metila y después se hidroliza produce la 2,3,4,6-tetra-O-metil-Dglucopiranosa y correspondientes la 1,3,4,6-Tetra-O-metil-D-fructofuranosa quedando libres los oxidrilos de los carbonos anoméricos; lo que indica que la unión glucosídica está entre estos dos carbonos. - 28 CH 2 OH Carbono del hemiacetal O HO CH 2 OCH 3 CH 2 OH 1 HO 2' (CH 3 )2 SO 4/NaOH/H2O HO OH O H 3 CO H 3 CO O OCH 3 CH 2 OH O CH 2 OCH 3 O CH 3 O CH 2 OCH 3 O OH OCH 3 Carbono del cetal Los carbonos anoméricos no están libres La sacarosa no es un azúcar reductor CH 2 OCH 3 O H 3CO H 3CO H OCH 3 + CH 2OCH 3 O CH 3 O HO OH 2,3,4,6-Tetra-O-metil-D-Glucopiranosa CH 2OCH 3 OCH 3 1,3,4,6-Tetra-O-metil-D-fructofuranosa PROBLEMA DE ESTUDIO No. 34 Indique el curso de la ruptura oxidativa de la sacarosa con peryodato. 15.2. LACTOSA Se encuentra en la leche de los mamíferos. HO CH2OH O HO 4' 1 O OH -Galactopiranosido HO CH2OH O HO CH2OH O Hidrólisis OH OH HO OH -Glucopiranosa Lactosa, un 1,4'--glicósido [4-O-(-D-Galactopiranosil)--D-glucopiranosa] [4´-O-(-D-Glucopiranosil)--D-galactopiranósido] OH -D-Galactosa + HOHO CH2OH O OH OH -D-Glucosa PROBLEMA DE ESTUDIO No. 35 Para determinar la estructura de la lactosa, se utilizaron los siguientes datos experimentales. Utilice esta información para establecer su estructura a) La hidrólisis de la lactosa mediante la enzima emulsina o ácido diluido produce cantidades equivalentes de D-galactosa y D-glucosa. - 29 b) La lactosa es un azúcar reductor. c) La metilación de la lactosa con sulfato de dimetilo seguido de hidrólisis produce una mezcla de 2,3,4,6-tetra-O-metil-D-galactosa y 2,3,6-tri-O-metil-D-glucosa. d) La oxidación suave de la lactosa con agua de bromo seguida de metilación e hidrólisis conduce a ácido 2,3,5,6-tetra-O-metil-D-glucónico y a 2,3,4,6-tetra-O-metilD-galactosa 15.3. MALTOSA Se produce en un 80% por la hidrólisis del almidón por acción de la maltasa (αglucosidasa). H2O Almidón HO HO CH2OH O OH -glucosidasa 1 H 4' O H2O Maltosa D-Glucosa -glucosidasa CH2OH CH2OH O HO H OH Hidrólisis O 2 HO HO OH OH Maltosa, un 1,4'--glicósido [4´-O-(-D-glucopiranosil)- -D-glucopiranosa] OH -D-Glucosa PROBLEMA DE ESTUDIO No.36 Dé la estructura del producto de cada una de las siguientes reacciones. (a ) -Maltosa H2O, H+ (b) -Maltosa Br2, H2O Ácido maltobiónico - 30 - (c) CH2OH O HO HO 1 H 4' OH O 1.- (CH3))2SO4, NaOH 2.- H3O+ CH2OH O HO 2 Piranosas H OH OH 15.4. CELOBIOSA No se encuentra libre en la naturaleza. Se obtiene por hidrólisis del algodón o del hidrolizado enzimático de la celulosa. CH2OH 4' O HO 1 O HO OH CH2OH CH2OH O HO H OH OH Emulsina -glucosidasa) O HO 2 OH HO OH H H -D-glucosa Celobiosa, un 1,4'--glicósido [4´-O-( -D-glucopiranosil)--D-glucopiranosa Los disacáridos reductores como la maltosa y la celobiosa sufren también el fenómeno de la mutarrotación en el carbono anomérico libre. CH2OH O GLUCOSA CH2OH CH2OH O O HO OH OH OH GLUCOSA HO OH H Maltosa o celobiosa (anómeros ) Maltosa o celobiosa (aldehídos) O O CHO GLUCOSA HO H OH OH Maltosa o celobiosa (anómeros ) PROBLEMA DE ESTUDIO No. 37 Indique los productos que se obtendrían de la reacción de la celobiosa con los siguientes reactivos: (a) NaBH4; (b) Br2, H2O; (c) CH3COCl - 31 PROBLEMA DE ESTUDIO No. 38 Complete las siguientes reacciones: a) -celobiosa b) -celobiosa c) -celobiosa d) -celobiosa e) -celobiosa H2O, H+ Br2, H2O -glucosidasa H2O, H+ Reactivo de Tollens POLISACÁRIDOS Los polisacáridos son polímeros ampliamente distribuidos en la naturaleza. Los principales son: 1.-CELULOSA Es un homopolímero de la D-glucosa sumamente insoluble. Sus enlaces glucosídicos del acetal son beta, lo que pone a todos los sustituyentes en posición ecuatorial, dando como resultado un polímero muy estable. Forma parte de la madera y del algodón. La acetilación parcial de la celulosa produce el acetato (de rayón), utilizado como fibra sintética. - 32 CH 2 OAc O CH 2 OH O OH CH 2 OH O O O OH H 3C OAc O O CH 2 OAc O O CH3 CH 2 OH O O OAc OAc OH CH 2 OAc O O Enlaces OH Enlaces OAc OAc OH O O OH Un segmento de celulosa OAc Un segmento de acetato de celulosa OH OH O HO HO OH OH O O OH OH O O HO O O O HO OH OH Celulosa, un polímero 1,4´-O-(-D-glucopiranósido) O H3C O O CH3 CH2OAc CH2OAc O AcO AcO OAc O Ac = H3C CH2OAc O O OAc O O AcO CH2OAc O O AcO OAc Un segmento de acetato de celulosa O OAc 2.-ALMIDÓN El almidón es una mezcla de dos polímeros: la amilopectina (80%), insoluble en agua y la amilosa (20%), soluble en agua. En ambos casos, también es un homopolímero de la Dglucosa. Los enlaces glucosídicos son α-1,4´ en su mayoría y α-1,6´ en menor proporción. - 33 OH O O OH HO OH O O HO OH O HO OH O OH O Enlace -1,6´-glicosídico O H 2C O OH HO OH Enlace -1,4´-glicosídico O O OH HO OH O O HO Enlace -1,4´-glicosídico OH Amilopectina Glicógeno Amilosa. Soluble en agua - 34 - Un enlace α-1,4’-glicosídico PROBLEMA DE ESTUDIO No. 39 (a) Indique de qué manera los tres fragmentos de polimetil glucosa obtenidos por metilación e hidrólisis de la amilopectina apoyan la estructura propuesta. (b) ¿En qué diferirían los productos de un tratamiento similar de la amilosa? PROBLEMA DE ESTUDIO No. 40 ¿Cómo podrían las diferencias estructurales generales entre la amilosa y la amilopectina justificar la marcada diferencia entre las solubilidades en agua de los dos compuestos? PROBLEMAS SUPLEMENTARIOS - 35 1. Correlaciona las estructuras de los siguientes azúcares con los nombres proporconados. (a) Un hexulosa HOCH2 (c) Una pentofuranosa (b) Una pentopiranosa (1) HO HOCH2 OH O O (2) (3) OCH3 OH OH OH (d) Un pentofuranósido OH HOCH2 OH OH CH2OH O (4) O OH OH OH 2. Clasifique cada una de las estructuras del problema anterior como D o L. 3. La siguiente estructura cíclica corresponde a la gulosa. ¿Se trata de una forma furanosa o de una piranosa? ¿Es un anómero o uno β? ¿Es un azúcar D o L? CH2 OH HO O OH OH HO Gulosa 4. Extienda la gulosa y trácela en su forma de cadena abierta. 5. Dibuje las proyecciones de Fischer de los siguientes monosacáridos: OH HO (a) HO O (c) (b) OH CH2OH N(CH 3 ) 2 O O HO OH CH3CO2 OH OH OH NH2 OH 6. Dibuje las fórmulas de Haworth de los siguientes monosacáridos: HOH2 C H H O (a) H OH OH O H CH2 OH (b) HO HO H HO H H H OH O H CH2 OH 7. ¿Cuáles de los siguientes compuestos no darían mutarrotación? OH HO (c) H HO H H H O OH H OH - 36 (a) HO O (b) OH O (c) O HO (d) OH HO OH CH 2OH OH CH2OH (f) 6-O-(-D-galactopiranosil)- -D-glucopiranosa OH OH CH 2OCH 3 HO HO H 3CO OH (e) O H 3CO OCH 3 OCH 3 OH O HO O O OH OH OH OH OH (g) -D-glucopiranosil -D-glucopiranósido 8. Trace las estructuras de los productos que se esperaría obtener de la reacción de la β-Dtalopiranosa con cada uno de los siguientes reactivos: (a) NaBH4 en H2O (d) CH3CH2OH, HCl piridina (b) HNO3 diluido caliente (e) CH3I, Ag2O (c) Br2, H2O (f) (CH3CO)2O, 9. Una D-2-cetopentosa dio, por degradación oxidante, ácido tartárico óptimamente activo. ¿Cuál es la estructura de la cetopentosa? 10. Fischer obtuvo de la siguiente manera la L-gulosa necesaria para la prueba de la estructura de la glucosa. Oxidó D-glucosa para formar ácido D-glucárico, el cual puede producir dos lactonas con anillo de seis miembros. Éstas fueron separadas y reducidas con amalgama de sodio para obtener D-glucosa y L-gulosa. ¿Cuáles son las estructuras de las dos lactonas, y cuál es la que se reduce para formar la L-gulosa? 11. Dos D-aldohexosas diferentes de la glucosa dieron por oxidación el mismo ácido aldárico. La degradación de las aldohexosas a sus aldopentosas seguida de oxidación dio dos ácidos aldáricos diferentes de cinco átomos de carbono, uno de los cuales era óptimamente activo y el otro inactivo. Ambas aldohexosas se convirtieron en sus glicopiranósidos de metilo, los cuales, cuando se oxidaron con peryodato, dieron el mismo compuesto que se obtiene mediante un tratamiento similar de la D-glucosa. Dé formulas estructurales para las dos aldohexosas y escriba las anteriores reacciones. 12. ¿Cómo se podría distinguir químicamente entre: a) maltosa y sacarosa; b) D-lixosa y Dxilosa? 13. Proponga un mecanismo para explicar el hecho de que el ácido D-glucurónico y el ácido D-manónico se interconvierten cuando cualquiera de ellos se calienta en piridina como disolvente. 14. El compuesto A es una aldopentosa que puede oxidarse para formar un ácido aldárico óptimamente activo, el compuesto B. Por alargamiento de la cadena de Killiani-Fischer, A se convierte en los compuestos C y D. El compuesto C puede oxidarse con HNO3 a un ácido aldárico óptimamente activo, E, pero D se oxida a un ácido aldárico óptimamente inactivo, F. ¿Cuáles son las estructuras de los compuestos A a F? - 37 15. La trehalosa es un disacárido no reductor que al ser hidrolizado con ácido acuoso produce dos equivalentes de D-glucosa. La metilación seguida de hidrólisis ácida produce dos equivalentes de 2,3,4,6-tetra-O-metilglucosa. ¿Cuántas estructuras son posibles para la trehalosa? 16. Considerando los hechos del problema anterior y que la trehalosa se rompe con enzimas que hidrolizan los α-glicósidos, pero no con enzimas que hidrolizan los β-glicósidos, ¿Cuál es la estructura y el nombre sistemático de la trehalosa? 17. El carbohidrato genciobiosa, C12H22O11, da prueba positiva con el reactivo de Benedict, forma una osazona y experimenta mutarrotación. Su hidrólisis mediante ácido acuoso o por la enzima emulsina produce sólo D-glucosa. La metilación de la genciobiosa produce un derivado octametilado, el cual, por hidrólisis ácida, conduce a 2,3,4,6-tetra-O-metil-Dglucosa y 2,3,4-tri-O-metil-D-glucosa. ¿Cuál es la estructura de la genciobiosa? 18. La melibiosa, un disacárido reductor, C12H22O11, conduce por metilación con sulfato de dimetilo y base a octametilmelibiosa, C20H38O11. La hidrólisis de este azúcar octametilado suministra dos productos, uno de los cuales puede demostrarse que es la 2,3,4,6-tetra-Ometil-D-galactosa y el otro 2,3,4-tri-O-metil-D-glucosa. Sugiera una estructura para la melibiosa. ¿Definen estos datos una estructura única? 19. La rafinosa es un trisacárido que se encuentra en la remolacha. La hidrólisis total de la rafinosa produce D-fructosa, D-glucosa y D-galactosa. La hidrólisis enzimática parcial de la rafinosa con invertasa produce D-fructosa y el disacárido melibiosa. La hidrólisis parcial de la rafinosa con una - glucosidasa produce D-galactosa y sacarosa. La metilación de la rafinosa seguida de hidrólisis produce 2,3,4,6-tetra-O-metilgalactosa; 2,3,4-tri-O-metilglucosa y 1,3,4,6-tetra-O-metil fructosa. ¿Cuáles son las estructuras de la rafinosa y melibiosa? 20. Se trató un carbohidrato A (C12H22O11), primero con CH3OH, H+ y luego con exceso de yoduro de metilo y Ag2O. El producto B se hidrolizó para dar 2,3,4,6-tetra-O-metil-Dgalactosa y 2,3,6-tri-O-metil-D-glucosa. Al tratar A con ácido acuoso, se obtuvieron Dgalactosa y D-glucosa en cantidades equimoleculares. Haciendo reaccionar A con agua de bromo se obtuvo un ácido carboxílico C, cuya hidrólisis (HCl acuoso) dio ácido-D-glucónico como único producto ácido. ¿Cuáles son las estructuras de A, B y C?
