T12 - Apuntes 12 PDF

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Apuntes del profesor con muchos ejemplos...

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Tema 12: Carbohidratos

1. Definición y clasificación Hablamos de polihidroxialdehídos (glucosa) y polihidroxicetonas (fructosa). La fórmula molecular de todos ellos es C m(H2O)n Los carbohidratos pueden ser simples, que son los monosacáridos, y complejos que pueden ser disacáridos, oligosacáridos (3-10 unidades) y polisacáridos Un ejemplo de disacárido es la sacarosa: H+, H2O Sacarosa (M1-M2) ------------------> Glucosa (M1) + Fructosa (M2).

2. Monosacáridos: estructura ➢ Clasificación: Los monosacáridos se clasifican, atendiendo a la naturaleza de su grupo carbonilo, en polihidroxialdehídos, que reciben el nombre de aldosas, y polihidroxicetonas, denominadas cetosas (osa es el sufijo que indica que la estructura es un azúcar). Por otra parte, tanto unas como otras se clasifican según el número de átomos de carbono, por ejemplo, triosas, tetrosas, pentosas, hexosas, heptosas. Ambas clasificaciones pueden usarse independientemente o utilizarse en un mismo nombre.

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➢ Quiralidad (nomenclatura): Proyecciones de Fischer y notación D/L En química de carbohidratos se ha utilizado ampliamente la proyección de Fischer, en la que la cadena carbonada más larga se representa de manera vertical en el papel, mientras que los sustituyentes de los diferentes centros quirales se representan horizontalmente. Por convenio, estos sustituyentes están dirigidos hacia adelante (hacia el espectador), mientras que la cadena vertical está dirigida hacia la parte posterior del papel.

Fischer asignó arbitrariamente la configuración que hoy llamamos (R) al isómero dextrorrotatorio (propiedad que hoy indicamos como (+)), y lo denominó D. De manera complementaria, a su enantiómero levorrotatorio, de configuración (S) lo denominó L. Esta nomenclatura D/L se sigue utilizando hoy en día para los carbohidratos y los aminoácidos por lo que conviene conocerla. En el caso de un monosacárido, éste se dibuja en proyección de Fischer (cadena carbonada vericalmente) y colocando el grupo carbonilo en la parte superior (aldosas) o tan cerca de ella como sea posible (cetosas). Si el último carbono asimétrico (contando desde la parte superior) posee el grupo OH a la derecha en esta representación, el azúcar es de la serie D; si lo tiene a la izquierda es

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L. Casi todos los azúcares naturales son D (y poseen configuración R en dicho centro quiral).

El número de estereosiómeros de cada molécula es = 2n siendo n el número de carbonos antisimétricos. Centrándonos en las aldosas, las aldotetrosas tiene dos carbonos asimétricos, por lo que poseen cuatro estereoisómeros (dos de la serie D, diasterómeros entre sí, y sus enantiómeros L). Por su parte, las aldopentosas poseen ocho (23) estereoisómeros (de los cuales, cuatro son de la serie D) y las aldohexosas presentan dieciséis (24) estereoisómeros (la mitad de los cuales son de la serie D).

El número de estereosiómeros de cada molécula es = 2n siendo n el número de carbonos antisimétricos. Centrándonos en las aldosas, las aldotetrosas tiene dos carbonos asimétricos, por lo que poseen cuatro estereoisómeros (dos de la serie D, diasterómeros entre sí, y sus enantiómeros L). Por su parte, las aldopentosas poseen ocho (23) estereoisómeros (de los cuales, cuatro son de la serie D) y las aldohexosas presentan dieciséis (24) estereoisómeros (la mitad de los cuales son de la serie D).

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Resulta útil recordar aquí la definición de un término usado en estereoquímica: los diastereómeros que difieren en la configuración de un solo carbono asimétrico se llaman epímeros. A continuación se muestran las cetosas:

➢ Los monosacáridos forman hemiacetales cíclicos. Los hemiacetales de cadena abierta son compuestos poco estables formados por ataque reversible de un alcohol a un aldehído o cetona, proceso que puede estar catalizado por ácidos o bases. El medio ácido acelera la formación del hemiacetal haciendo más electrófilo al carbonilo y, por tanto, más susceptible al ataque del alcohol; pero el ácido también acelera la descomposición del hemiacetal a los productos de partida, ya que dicho compuesto es esencialmente un intermedio tetraédrico con un buen grupo saliente (el grupo alcoxi protonado). Esta es la razón de la inestabilidad de los hemiacetales. 142

La situación es, sin embargo, diferente cuando se trata de hemiacetales cíclicos, es decir, de los formados por ataque intramolecular de un alcohol a un grupo carbonilo.

El hemiacetal cíclico es más estable que su análogo de cadena abierta. ¿Por qué? La entropía es uno de los factores que intervienen: en la reacción intermolecular dos moléculas (carbonilo + alcohol) dan lugar a una (hemiacetal), mientras que en la intramolecular no hay disminución del número de moléculas (una de hidroxialdehído da lugar a una de hemiacetal); la mayor disminución de entropía en el proceso intermolecular lo desfavorece frente al intramolecular (ΔG0 = ΔH0 – TΔS0). Además, la estabilidad del hemiacetal puede medirse por la constante de equilibrio (K) de la siguiente reacción:

Si dicha constante es pequeña el hemiacetal está favorecido en el equilibrio. Dada la relación entre K y las constantes de velocidad del proceso de apertura y de cierre, es claro que un aumento de kcierre favorece la forma cíclica, y en el proceso intramolecular la reacción de cierre es rápida ya que el grupo OH siempre se encuentra próximo al grupo carbonilo. Esto es especialmente cierto cuando el hemiacetal formado es de 5 ó 6 miembros, ya que estos tamaños de anillo están favorecidos tanto por factores cinéticos (proximidad y geometría favorable de ataque) como termodinámicos (estabilidad). No se observa, en cambio, la formación de hemiacetales cíclicos de 3 ó 4 miembros, ya que se encuentran muy tensionados. Con todos estos antecedentes, no puede sorprender que los carbohidratos, que son compuestos polihidroxicarbonílicos, sean capaces de formar reversiblemente hemiacetales cíclicos de cinco o seis miembros por ataque intramolecular de alguno de sus grupos OH al C=O presente. De hecho, las pentosas y hexosas existen en disolución como una mezcla en equilibrio entre la forma abierta diferentes formas hemiacetálicas cíclicas que predominan mucho en el equilibrio; en el sólido, la forma hemiacetálica suele ser la única presente. Las estructuras cíclicas de 5 miembros reciben en general el nombre de furanosas y las de 6 miembros el de piranosas. 143

Si tomamos, por ejemplo, la D-glucosa el ataque del OH que se encuentra en C5 sobre el grupo aldehído debería conducir a un hemiacetal de seis miembros . . Si partimos de la proyección de Fischer el proceso se puede visualizar así:

La estructura [B] corresponde a una representación más realista de la proyección de Fischer [A], como muestran los modelos moleculares. Un simple giro de 90 lleva a la disposición [C], en la que el OH en C5 no está a la distancia adecuada para atacar al aldehído; sin embargo, un giro alrededor del enlace C4–C5 lleva a la conformación [D] en la que, a la vez que el CH2OH se sitúa en la parte superior, dicho ataque es posible y conduce al hemiacetal cíclico [E], que es una piranosa. Dado que proviene de la Dglucosa, recibe el nombre de D-glucopiranosa. La forma en la que está dibujada [E] se denomina proyección de Haworth. Puede observarse que la estereoquímica de [E] no está definida en el carbono que originalmente correspondía al grupo –CHO. Ello se debe a que el grupo OH en C5 puede atacar al aldehído por una u otra de sus dos caras:

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Estos ataques dan lugar a la formación de un nuevo centro quiral (C1) y, por tanto, la formación de hemiacetales conduce a dos nuevos diastereómeros (ya que hay otros centros quirales) que difieren en la configuración del carbono hemiacetálico. El nuevo centro quiral se denomina carbono anomérico y los dos diastereómeros así formados se llaman anómeros. Los anómeros son, pues, epímeros en el carbono anomérico, el cual es fácil de reconocer ya que es el único que está unido a dos átomos de oxígeno. El primer anómero representado se denomina por convenio β, lo que indica que el OH anomérico se encuentra en cis al CH2OH terminal (en la serie D ello implica que el carbono anomérico tiene configuración R). El anómero que posee el OH anomérico en trans al CH2OH terminal se llama α. En los esquemas anteriores hemos representado las formas cíclicas en la llamada proyección de Haworth. En ella: a) el ciclo está aproximadamente perpendicular al plano del papel y se ve ligeramente desde arriba; b) el oxígeno del ciclo se encuentra en la parte superior (anillos de 5) o superior derecha (anillos de 6); y c) el carbono anomérico se encuentra a la derecha:

Para completar estas proyecciones ya sólo falta colocar los sustituyentes en los carbonos del anillo respetando, claro está, su estereoquímica. Para facilitar el paso de

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la proyección de Fischer a la de Haworth puede recurrirse a modificar ligeramente la primera, de manera que todos los átomos que vayan a formar parte del anillo (incluido el oxígeno) se sitúen en la misma línea vertical. Por ejemplo, para dibujar la Dglucopiranosa partiendo de la proyección de Fischer de la D-glucosa: Así, es preciso colocar el OH de C5 en el trazo vertical; esto es equivalente a un giro alrededor del enlace C 4–C5, por lo que deben permutarse las posiciones de los sustituyentes de C5 (esto es equivalente a un número par de intercambios de los grupos unidos a dicho centro quiral, lo que mantiene intacta su configuración). Una vez obtenida esta proyección de Fischer modificada puede observarse que los grupos situados a la derecha se encuentran abajo en proyección de Haworth; inversamente, los grupos a la izquierda en proyección de Fischer están arriba en proyección de Haworth. Para las D-aldohexosas en forma piranosa esto da lugar a que C6 quede siempre por encima del plano del anillo. Con este procedimiento aún falta especificar la estereoquímica del carbono anomérico. En general, en el anómero α el OH anomérico está en trans respecto al CH2OH terminal (esta regla es aplicable a azúcares D y L y también a las formas furanosa, siempre que exista dicho CH2OH):

Las aldohexosas son piranosas mayoritariamente, el porcentaje de atacar al C4 es muy pequeño.

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La cetohexosa más común es la D-fructosa. En este caso, el ataque del OH en C6 al carbonilo cetónico (C2) da lugar a un anillo de 6 miembros (D-fructopiranosa), y el ataque del OH en C5 da lugar a un anillo de 5 miembros (D-fructofuranosa), presentando tanto uno como otro anómeros α y β. En el siguiente esquema se muestran estos procesos junto con los porcentajes en el equilibrio de las diversas estructuras:

➢ Conformación silla de las piranosas

La proyección de Haworth es muy útil pero no tiene en cuenta un aspecto importante: los anillos de piranosa no son planos. (Los de furanosa tampoco lo son y, al igual que el ciclopentano, adoptan una geometría con forma de sobre, pero este aspecto no es relevante para nosotros). De acuerdo con lo que cabe esperar para un anillo de seis miembros, las piranosas adoptan generalmente una conformación de tipo silla como la siguiente, en la que simplemente indicamos la dirección de los sustituyentes axiales y ecuatoriales:

El paso de la proyección de Haworth a esta conformación es muy simple, ya que el átomo de oxígeno del ciclo está situado en la misma posición en ambas estructuras. Así, si queremos representar la α-D-glucopiranosa basta con colocar en cada uno de los carbonos del anillo los sustituyentes en la parte superior o inferior, según corresponda, y ateniéndonos a su dirección axial o ecuatorial:

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En el anómero α el grupo OH anomérico ocupa una posición axial en esta conformación. El anómero β, el hidroxilo anomérico se encuentra en ecuatorial; de hecho, la β-Dglucopiranosa es la única aldohexosa en la que todos los sustituyentes se encuentran en posición ecuatorial, y es más estable que la α-D-glucopiranosa y que todas las demás aldohexosas, por lo que no es sorprendente que sea el azúcar más abundante en la Naturaleza. Es fácil ver por qué la conformación C1 es generalmente la favorecida en las aldohexosas: en ella el sustituyente más voluminoso (CH2OH) se coloca en posición ecuatorial. En la otra silla posible (llamada C 4 ) todos o la mayoría de los sustituyentes se encuentran en axial. Por ejemplo, para la α-D-glucopiranosa:

Quizá el procedimiento más sencillo sea el siguiente: recordar que todos los grupos están en ecuatorial en la β-D-glucopiranosa y después realizar los cambios de configuración que procedan. Por ejemplo, supongamos que hay que representar la αD-galactosa. Su proyección de Fischer revela que la galactosa es el epímero en C 4 de la glucosa, así que lo único que hay que hacer es tener en cuenta de qué anómero se trata (α en este caso, por tanto OH en C1 en axial) y realizar el cambio de configuración en C4:

Para finalizar, conviene saber cómo representar las piranosas de los azúcares L ya que, aunque son menos frecuentes, hay procedimientos muy sencillos. Uno de ellos consiste simplemente en dibujar la D-piranosa correspondiente y luego su imagen especular. Por ejemplo, si hay que representar la β-L-gulopiranosa dibujamos primero

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la β-D-gulopiranosa, y para ello se aplica el procedimiento anterior (la D-gulosa difiere de la D-glucosa en la configuración de C3 y C4):

Alternativamente, puede dibujarse la β-D-gulosa e invertir la configuración de cada centro quiral (lo que supone intercambiar los grupos axiales y ecuatoriales); finalmente se invierte la silla para dejar el CH2OH en ecuatorial:

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➢ Mutarrotación

Cuando se disuelve α-D-glucopiranosa en agua y se mide inmediatamente la rotación óptica de la disolución a temperatura ambiente se obtiene un valor [α]D = +112º. Sin embargo, este valor decrece con el tiempo hasta alcanzar +52,7º. Análogamente, si se disuelve el anómero β puro, [α]D aumenta desde +18,7º hasta +52,7º, es decir, se llega a la misma composición en el equilibrio en ambos casos. Este fenómeno se debe a la interconversión que ocurre entre los anómeros α y β en disolución, y que ocurre a través de una pequeña cantidad de la forma abierta. Como se recordará, la formación de hemiacetales es una reacción reversible, que está catalizada tanto en medio ácido como en medio básico (y es lenta a pH = 7), por lo que el anómero α se equilibra con el polihidroxialdehído, que a su vez puede ciclar para generar de nuevo el anómero α o el β. El cambio observado en la rotación óptica cuando un azúcar se equilibra con su anómero se denomina mutarrotación y es una propiedad general de los azúcares que pueden existir como hemiacetales cíclicos. En el caso de la D-glucosa se observa que en el equilibrio predomina el anómero β, que es más estable que el α. Aunque este hecho parece razonable, dada la disposición ecuatorial de todos los sustituyentes, veremos más adelante que, en realidad, se trata de una excepción.

3. Reactividad Los monosacáridos son moléculas polifuncionales que poseen un grupo carbonilo (aldehído o cetona) y varios grupos OH, por lo que muestran la reactividad propia de estos grupos. Así, el grupo carbonilo puede ser atacado por nucleófilos típicos, tales como alcoholes, tioles, hidroxilamina, fenilhidracina o cianuro de hidrógeno, y también puede oxidarse o reducirse. Por otra parte, los grupos OH pueden tratarse, entre otros, con agentes alquilantes y acilantes para dar éteres y ésteres, respectivamente. 150

El equilibrio entre las formas abierta y cerrada hace que el carbono carbonílico soporte en las formas hemiacetálicas un grupo hidroxilo, por lo que la posición anomérica (C1 en las aldosas) puede mostrar reacciones del grupo carbonilo o del grupo OH. Además, debe tenerse en cuenta que aunque la forma abierta sea muy minoritaria en el equilibrio ello no impide que en algunas reacciones el monosacárido se comporte como si todo él se encontrara en dicha forma ya que, si ésta reacciona para dar un nuevo derivado, el equilibrio entre las formas cerradas y abierta se desplaza para generar más de esta última.

➢ En medio básico a) Epimerización

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b) Reordenamiento eno-diol

➢ Reacciones redox a) Reducción

El grupo carbonilo de las aldosas y cetosas se puede reducir a alcohol con borohidruro de sodio (o también con H2/Ni), de manera que esta reducción conduce a polioles llamados en general alditoles, que se nombran anteponiendo la raíz del nombre del azúcar correspondiente al sufijo “itol”. La reacción ocurre sobre la forma abierta, la única en la que está presente el grupo carbonilo, y su reducción va desplazando el equilibrio entre las formas hemiacetálicas y la acíclica. Por ejemplo, el D-glucitol, un compuesto natural presente en muchas frutas, puede obtenerse fácilmente por reducción de D-glucosa.

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Conviene darse cuenta de que la reducción de cetosas origina un nuevo carbono asimétrico, por lo que en su reducción se forman dos alditoles epímeros:

b) Oxidación Por otra parte, el grupo –CHO de las aldosas se puede oxidar con facilidad a –COOH, y los ácidos monocarboxílicos así formados se denominan ácidos aldónicos. Esta oxidación ha tenido una gran importancia desde un punto de vista diagnóstico, ya que se ha empleado en pruebas muy sencillas (de tipo “tubo de ensayo”) que permiten determinar si un azúcar es reductor o no (en seguida se comprenderá el significado de esta expresión). Todos estos ensayos se basan en la aparición de un precipitado característico que se forma al oxidar una aldosa con un reactivo. Por ejemplo, uno de los más conocidos es el reactivo de Tollens (una disolución de AgNO3 en amoniaco acuoso): al tratar un aldehído (como el presente en una aldosa) con este reactivo, aquél se oxida y el catión Ag+ se reduce a plata elemental, que aparece en forma de un espejo metálico (“espejo de plata”) que recubre las paredes del tubo de ensayo o matraz.

También han sido muy utilizados los reactivos de Fehling (una disolución de Cu 2+ en tartrato de sodio acuoso) y de Benedict (una disolución de Cu 2+ en citrato de sodio acuoso). En ambos casos se produce la oxidación del aldehído, acompañada por la reducción del Cu2+, que da lugar a la aparición de un precipitado de Cu2O de color rojo ladrillo. En todas estos casos se produce la reducción del reactivo, por lo que un resultado positivo en estos ensayos indica que estamos en presencia de un azúcar reductor. Así, todas las aldosas son azúcares reductores porque tiene un grupo –CHO. Lo que resulta sorprendente es que algunas cetosas también sean azúcares reductores (sabemos que las cetonas son muy difíciles de oxidar). Este fenómeno se debe a una de

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las reacciones secundarias que puede experimentar un carbohidrato en medio básico, por la que el grupo carbonilo de la cadena puede cambiar de posición:

En efecto, la reacción no es más que una enolización inducida por base que comienza arrancando alguno de los hidrógenos en α del carbonilo. El tautómero resultante después de la protonación presenta un grupo enodiol, y una nueva transferencia de protón conduce a un nuevo α- hidroxicarbonilo en el que los grupos –OH y –C=O han intercambiado sus posiciones. El resultado neto es que la fructosa en medio básico está en equilibrio con dos aldosas, que dan positivo en el ensayo de Tollens o de Fehling, por lo que la fructosa es reductora. La lección principal a extraer de este resultado es que cuando se trabaja con azúcares deben evitarse medios fuertemente básicos, ya que dan lugar a mezclas complejas de productos a través de la transposición enodiol aquí estudiada o de otras reacciones secundarias, tales como la epimerización; por ejemplo, en estos medios la D-glucosa epimeriza a D-manosa, ya que el enolato correspondiente se protona (en diferente extensión) por sus dos caras, obteniéndose una mezcla de epímeros en C2:

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Una segunda consecuencia de lo que acab...