Unidad 5 (Parte 2) Carbohidratos (cont.) Reacciones de Monosacáridos: Anoméria y Mutarrotación: Cuando un monosacárido de cadena abierta se cicla a forma piranosa (aldosa) y furanosa (cetosa), se genera una quiralidad en el carbono que estaba como carbonilo. Los dos diasteroisómeros producidos se llaman Anómeros, y el átomo de carbono hemiacetal ó hemicetal se denomina centro anomérico. Lic. Walter de la Roca Cuéllar

En el caso de la glucosa existe dos formas cristalinas α y β D-Glucopiranosa, en solución acuosa la glucosa se cicla reversiblemente a una mezcla de 36:64 de los dos anómeros. El anómero en menor proporción, que tiene el grupo –OH de C1 trans- respecto al -CH2OH en C5 se llama anómero α (ó axial) α-D-glucopiranosa. Lic. Walter de la Roca Cuéllar

El anómero en mayor proporción, que tiene el grupo –OH en C1 cis respecto al sustituyente –CH2OH en C5, se llama anómero β; su nombre completo es β-D-glucopiranosa (ó ecuatorial). La α-D-glucopiranosa tiene un punto de fusión de 146°C y una rotación específica, [α] D, de +112.2°; la β-D-glucopiranosa pura tiene un punto de fusión de 148-155°C y rotación específica de [α] D, + 18.7°. Lic. Walter de la Roca Cuéllar

Sin embargo cuando una muestra de alguno de los anómeros puros se disuelve en agua su rotación específica cambia despacio y llega a un valor constante de +52.6°. La rotación específica de la solución del anómero α disminuye de +112.2° a + 52.6°, en tanto que la rotación específica de las solución del anómero β se incrementa de +18.7° a +52.6°. Este cambio en la rotación óptica se llama mutarrotación y se debe a la lenta conversión de los anómeros puros en una mezcla 36:64 en equilibrio. Lic. Walter de la Roca Cuéllar

Formación e hidrólisis de hemiacetales y cetales Como mencionamos anteriormente los aldehídos y cetonas tienen una adición nucleofílica reversible, muy rápida con los alcoholes para formar hemiacetales o hemicetales y si reacciona con otra molécula de alcohol llegaría acetales o cetales catalizada en medio ácido. Si los grupos carbonilo e hidroxilo están en la misma molécula, se puede llevar a cabo una adición nucleofílica intramolecular, que da origen a un hemiacetal cíclico. Los hemiacetales cíclicos de cinco y seis miembros son muy estables, por lo que hay muchos carbohidratos en equilibrio entre las formas de cadena abierta y de cadena cíclica. Se les nombra como piranosa a los ciclos de seis miembros y furanosa a los ciclos de cinco miembros. Lic. Walter de la Roca Cuéllar

Hemiacetal y Hemicetal: Lic. Walter de la Roca Cuéllar

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Acetales y Cetales: Lic. Walter de la Roca Cuéllar

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Enlace glicosídico: Anteriormente vimos que un hemiacetal con un alcohol y un catalizador ácido producen un acetal: Los acetales de los carbohidratos se llaman Glicósidos. En su nomenclatura, primero se cita el grupo alquilo y la terminación –osa del azúcar se sustituye con –ósido. Como todos los acetales, los Glicósidos son estables en agua neutra. No están en equilibrio con una forma de cadena abierta ni presentan mutarrotación. Sin embargo, pueden convertirse de nuevo en el monosacárido libre por hidrólisis con ácido acuoso. Lic. Walter de la Roca Cuéllar

Ejemplo en la naturaleza: Los glicósidos son muy comunes en toda la naturaleza y muchas moléculas biológicamente importantes contienen enlaces glicósido. Ejemplo en la naturaleza: Glicósido que se encuentra en algunas hojas de perales: Muchas plantas como el albaricoque, el almendro, el ciruelo contienen en la corteza, hojas y frutos contienen grandes cantidades de un glicósido de la genciobiosa, que es el precursor del aceite de almendras amargas. Lic. Walter de la Roca Cuéllar

Los glicósidos abundan en la naturaleza y muchas moléculas importantes contienen enlaces glicosídicos; por ejemplo, la digitoxina, el componente activo de las preparaciones de digitales utilizadas para el tratamiento de enfermedades cardiacas, es un glicósido que consiste de un alcohol esteroidal unido a un trisacárido. Lic. Walter de la Roca Cuéllar

Disacáridos: Maltosa y Celobiosa: La maltosa y celobiosa son azucares reductores, sufren de mutarrotación, pues poseen en una de sus miembros hidroxilo α ó β. La celobiosa no puede ser digerida por los humanos y no puede ser fermentada por levaduras. La maltosa sin embargo se digiere sin dificultad y se fermenta rápidamente. La celobiosa es fermentada por la enzima emulsina (de almendras amargas, para uniones β-glucosídicas), y la maltosa por la enzima maltasa (para uniones α-glucosídicas) Lic. Walter de la Roca Cuéllar

Lactosa: Se encuentra en la leche humana y en la de vaca. Es un azúcar reductor, presenta mutarrotación debido a que la molécula de glucopiranósido tiene un –OH β. Esta unida por un enlace glicosídico-β entre el C1 de la galactosa y el C4 de la glucosa. Por hidrólisis ácido produce D-Galactosa y D-Glucosa Lic. Walter de la Roca Cuéllar

Sacarosa: Azúcar de mesa, los compuestos químicos puros más abundantes en el mundo y es uno de los más conocidos por quienes no son químicos. Sea azúcar de caña (20% en peso) ó azúcar de remolacha (15% en peso) y que este refinada o no, toda el azúcar de mesa es sacarosa. Por hidrólisis produce una molécula de glucosa y otra de fructosa. La mezcla 1:1 de glucosa y fructosa con frecuencia se le llama azúcar invertida, ya que cambia el signo de rotación óptica (se invierte) durante la hidrólisis de sacarosa ([α] D = +66.5°) a una mezcla de glucosa (+ [α] D =52.5)/fructosa ([α] D = -92.4°) total ([α] D = -22.0°). Algunos insectos como las abejas, tienen enzimas llamadas invertasas que catalizan la hidrólisis de sacarosa a una mezcla de glucosa + fructosa. En efecto, la miel es principalmente una mezcla de glucosa, fructosa y sacarosa. No es un azúcar reductor y no presenta mutarrotación, debido a su estructura (analizar) Lic. Walter de la Roca Cuéllar

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La síntesis en el laboratorio de los glicósidos puede ser difícil debido a los numerosos grupos -OH en la molécula de azúcar. Un método que es particularmente adecuado para la preparación de -glicósidos de glucosa involucra el tratamiento de pentaacetato de glucosa con HBr, seguido por la adición de alcohol apropiado en la presencia de óxido de plata. Llamada reacción de Koenigs- Knorr, la secuencia involucra la formación de un bromuro de piranosilo, seguida por la sustitución nucleofílica; por ejemplo, la metilarbutina, un glicósido de las peras, ha sido preparada por la reacción de bromuro de tetracetil--D-glucopiranosilo con p-metoxifenol Lic. Walter de la Roca Cuéllar

Formación biológica de ésteres: fosforilación En los organismos vivos, los carbohidratos no sólo se encuentran en forma libre, sino también unidos a través de sus centros anoméricos a otras moléculas como lípidos (glicolípidos) o proteínas (glicoproteínas). Lic. Walter de la Roca Cuéllar

Oxidaciones de carbohidratos: Oxidación con Agua de Bromo: (Ácidos Aldónicos) Aunque las reacciones de Tollens y de Fehling sirven como pruebas útiles de azúcares reductores, no dan buenos rendimientos cuando se trata de producir ácidos aldónicos, ya que las condiciones alcalinas descomponen el carbohidrato Lic. Walter de la Roca Cuéllar

Oxidación con ácido nítrico diluido en caliente: (Ácidos Aldáricos) La reacción es específica para las aldosas; el Br2 acuoso no oxida a cetosas. Oxidación con ácido nítrico diluido en caliente: (Ácidos Aldáricos) Si se utiliza un agente oxidante más poderoso, como lo sería HNO3 diluido en caliente, las aldosas se oxidan hasta ácidos dicarboxílicos, llamados ácidos aldáricos. Ambos grupos, el –CHO en C1 y -CH2OH terminal, se oxidan en esta reacción. Lic. Walter de la Roca Cuéllar

Análisis: Reactivo de Tollens, Benedict y Fehling El D-glucitol, el alditol de la D-glucosa, es una sustancia que se encuentra natural en muchos frutos. Se utiliza con el nombre alterno de D-Sorbitol como endulzante artificial y sustituto del azúcar en los alimentos Análisis: Reactivo de Tollens, Benedict y Fehling Como otros aldehídos, las aldosas se oxidan con facilidad y producen los ácidos carboxílicos correspondientes, que se denominan ácidos aldónicos. Las aldosas reaccionan con el reactivo de Tollens (Ag+ en NH3 acuoso), con el reactivo de Fehling (Cu+2 en tartrato de sodio medio acuoso básico) o con el reactivo de Benedict (Cu+2 en citrato de sodio acuoso) y producen azúcar oxidada y el ion metálico reducido. Las tres reacciones sirven como pruebas químicas sencillas de los azúcares reductores (reductor porque el azúcar reduce al oxidante) Lic. Walter de la Roca Cuéllar

Reacción de Tollens Lic. Walter de la Roca Cuéllar

Reacción de Fehling Reacción de Benedict Lic. Walter de la Roca Cuéllar

Fructosa (Azúcar reductora, a pesar de ser cetosa) La reducción ocurre debido a que la fructosa se isomériza fácilmente a una aldosa en una disolución básica por una serie de desplazamientos tautoméricos ceto-enólicos Lic. Walter de la Roca Cuéllar

Reducción de monosacáridos: Al tratar un monosacárido con NaBH4, se reduce a un polialcohol que recibe el nombre de Alditol. La reducción tiene lugar en la forma de cadena abierta presente en equilibrio del hemiacetal del aldehído/cetona. Aunque en cualquier momento sólo hay una cantidad pequeña de la forma de cadena abierta, por el equilibrio químico, según desaparezca el abierto, se abrirá más cíclica. Lic. Walter de la Roca Cuéllar

Formación de Ozasonas: Como todo aldehído las aldosas reaccionan con fenilhidracina para generar fenilhidrazonas. Si se emplea un exceso de fenilhidracina, la reacción continúa hasta dar productos conocidos como osazonas que contienen dos residuos de fenilhidracina por molécula, mientras que una tercera molécula del reactivo se convierte en anilina y amoniaco (no esta claro como se oxida el grupo –OH) Formación de Osona (Liberación de fenilhidracinas) Lic. Walter de la Roca Cuéllar

Fischer descubrió que la formación de osazonas no sólo era útil para la identificación de carbohidratos, sino también para la determinación de sus configuraciones, lo que es mucho más importante. Así podemos hacer reaccionar epímeros con fenilhidracina y nos tendría que generar la misma osazona, debido a que la reacción solamente modifica el carbono 1 y 2, todos los demás los deja iguales. Entonces la (+)-glucosa y el (+)-manosa nos darían la misma osazona. Solo varía la posición del hidróxilo del carbono 2 Lic. Walter de la Roca Cuéllar

¿Qué aprendimos en la presentación? Anomería y mutarrotación. Formación e hidrólisis de hemiacetales y cetales. Enlace Glicosídico. Disacaridos. Oxidación de Carbohidratos Con H2O de Bromo Con HNO3 diluido y calor Con reactivo de Tollens Con reactivo de Benedict y Fehling Reducción de Carbhidratos Formación de Ozasonas Lic. Walter de la Roca Cuéllar

Bibliografía: McMurry, John (2008) Química Orgánica, 7ma Edición Cengage Learning Editores, S.A. Capitulo 25. Páginas 973 a 1015 Morrison, R. y Body R (1990) Química Orgánica, 5ta Edición. Addison-Wesley Iberoamerica, S.A. Capitulo 38 y 39. Páginas 1257 a 1319. Lic. Walter de la Roca Cuéllar