Hidratii de carbon - clasificarea, structura monozaharidelor

Hidratii de carbon

Hidratii de carbon sint produsi naturali de importanta vitala pentru plante si animale. Plantele, in acelasi timp si arborii, sintetizeaza hidrati de carbon din CO₂ si H₂O. Reactia este catalizata de clorofila si necesita energie solara:

Denumirea de hidrati de carbon provine inca de pe vremea cind structura lor nu era cunoscuta, datorita faptului ca la primii compusi izolati in stare pura s-a gasit acelasi raport intre oxigen si hidrogen ca si in molecula de apa. Aceasta denumire s-a dovedit ca este improprie pentru ca ulterior s-au descoperit hidrati de carbon in care raportul dintre hidrogen si oxigen este diferit de cel din apa, de exemplu desoxiriboza are compozitia: C₅H₁₀O₄. Comisia internationala pentru nomenclatura in chimie a propus denumirea de glucide, de la glucoza, care este unul dintre reprezentantii cei mai importanti ai acestei clase de compusi. Aceasta denumire este utilizata mai mult in biochimie, datorita faptului ca glucoza joaca un rol important in procesele biochimice. In chimie se mentine in continuare termenul de hidrati de carbon, fiind folosita si denumirea de zaharuri, mai ales in industria prelucratoare, care provine de la zaharoza, de asemenea un reprezentant important al acestei clase.

1.1.  Clasificarea

Hidratii de carbon se impart in monozaharide, oligozaharide si polizaharide. Oligo- si polizaharidele hidrolizeaza sub actiunea acizilor minerali sau a unor enzime, transformindu-se in monozaharide. Monozaharidele nu hidrolizaza la componente mai simple. Ele constituie unitatile de baza ale oligo- si polizaharidelor. Oligozaharidele dau la hidroliza doua pina la sase molecule de monozaharide (oligos- putin), pe cind polizaharidele sint compuse dintr-un numar mare de resturi de monozaharide. Atit in oligo- cit si in polizaharide, monozaharidele se leaga intre ele prin eliminarea unei molecule de apa de la doua grupari hidroxilice. Astfel resturile de monozaharide se unesc prin intermediul unui atom de oxigen.

Monozaharidele au in compozitia moleculei sale grupa carbonil >C O. Ea poate fi aldehidica CH O sau cetonica R CO R. Dupa cum gruparea carbonilica este aldehidica sau cetonica, monozaharidele se clasifica in aldoze si cetoze. In functie de numarul atomilor de carbon din molecula ele pot fi trioze, tetroze, pentoze, hexoze etc. In acest mod se disting:

cu C₃ - aldotrioze si cetotrioze;

cu C₄ - aldotetroze si cetotetroze;

cu C₅ - aldopentoze si cetopentoze;

cu C₆ - aldohexoze si cetohexoze, etc.

Cind se alcatuesc denumirile derivatilor, numerotarea atomilor de carbon se face in asa fel ca gruparea carbonilica sa aiba cifra cea mai mica. Cele mai raspindite monozaharide sint pentozele si hexozele, care se gasesc in natura libere sau combinate si au denumiri nesistematice.

1.2. Structura monozaharidelor

Pe baza analizei elementare cantitative si a masei moleculare s-a stabilit ca pentozele au formula moleculara C₅H₁₀O₅, iar hexozele C₆H₁₂O_6. Ele contin o catena normala, ceea ce s-a dovedit prin reducerea lor cu HI. La temperaturi ridicate din hexoze prin reducere se obtine (CH₃‑CH₂‑CH₂‑CH₂‑CHI‑CH₃) 2-iodohexan - substanta cu catena normala, neramificata.

Existenta grupelor hidroxilice si numarul lor s-a determinat prin reactii de esterificare si eterificare. La tratarea hexozelor cu anhidrida acetica sau clorura de acetil a rezultat un derivat pentaacetilat, ceea ce a pus in evidenta prezenta a cinci grupe OH:

C₆H₁₂O₆  5 (CH₃CO)₂O C₆H₇O(OCOCH₃)₅    5CH₃COOH

Existenta celor cinci grupe OH in hexoze s-a confirmat si prin metilarea acestora, in mediu alcalin, cind s-a obtinut un derivat pentametilat. Fiecare hidroxil din molecula hidratului de carbon este legat cu cite un atom de carbon, nu pot exista doua grupe OH la acelasi carbon (regula Erlenmeyer).

Faptul ca pentozele si hexozele aditioneaza acid cianhidric, dau oxime, fenilhidrazone si sint oxidate de solutia Fehling si oxidul de argint amoniacal (reactivul Tollens) a condus la concluzia ca acestea contin o grupare carbonilica

Emil Fischer a propus pentru monozaharide o structura aciclica, pentru ca acestea dau aproape toate reactiile specifice gruparii carbonilice:

Dupa cum putem observa, intr-o molecula de monozaharida sint prezente grupa carbonil si grupe hidroxil. Acestea, fiind la distanta apropiata una de alta, pot reactiona, formind semiacetal, conform schemei:

In cazul monozaharidelor, odata cu formarea semiacetalului, ia nastere o noua legatura chimica C-O, care inchide un ciclu din 6 sau 5 atomi (cicluri stabile):

In structura ciclica gruparea carbonil este mascata, in locul ei apare o grupare OH, denumita hidroxil semiacetalic sau glicozidic.

De obicei monozaharidele inchid un ciclu din sase sau cinci atomi (respectiv 5 atomi de carbon si unul de oxigen sau 4 de carbon si unul de oxigen). Ciclul din sase atomi este denumit piranozic, denumirea provine de la heterociclul piran, iar cel din cinci atomi este denumit furanozic, de la heterociclul furan:

In solutia unei hexoze sau pentoze exista un echilibru intre forma furanozica si cea piranozica, trecerea de la o forma la alta facindu-se prin intermediul formei carbonilice. Echilibrul este deplasat spre forma piranozica, concentratia formei carbonilice fiind foarte mica.

In stare cristalina monozaharidele au o structura ciclica, forma piranozica fiind de multe ori mai stabila decit cea furanozica. De mentionat ca fructoza in compusii sai naturali este prezenta in forma sa furanozica

Pentru a intelege varietatea hidratilor de carbon este necesar sa luam cunostinta de fenomenul izomerie.