Química Orgánica III (Q)1 Clase 12: Carbohidratos, Glucósidos y Nucleótidos Mario Manuel Rodas Morán Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de

Química Orgánica III (Q) 1

Clase 12: Carbohidratos, Glucósidos y Nucleótidos

Mario Manuel Rodas MoránUniversidad de San Carlos de GuatemalaFacultad de Ciencias Químicas y Farmacia

Departamento de Química Orgánica.


Sobre los carbohidratos.• El término carbohídrato, hidrato de carbono,

azúcar, sacárido son sinónimos (el termino sacárido es usado ya que significa azúcar en muchos idiomas: sarkara en Sánscrito, sakcharon en Griego, y saccharum en Latin.

• Hay dos clases los sacáridos simples y los complejos.

• Se dividen entre aldosas y cetosas.


Estereoquímica en Carbohidratos• Los carbohidratos tienen una estructura de

Cn(H2O)n.

• Es la primer biomolécula que se estudiará en Q.O. (una biomolécula es una molécula orgánica que es fundamental en sistemas biológicos).

• Para química orgánica estos son polihidroxicetonas o polihidroxialdehidos y su nombre IUPAC sería complicado.


Asignando D y L

CHO

H OH

CH2OH

D-(+)-glyceraldehyde

COOH

H2N H

CH2CH2COOH

L-(+)-glutamic acid

*

CHO

H OH

HO H

H OH

H OH

CH2OHD-(+)-glucose

*



Configuración de Aldosas• Ya en las pentosas y hexosas, existen una especie de

diasterómeros que se conocen como epímeros, los cuales solamente difieren en un carbono, por ejemplo la D-arbinosa y la D-Ribosa.




Estereoquímica

• Recordemos las aldohexosas con un juego de Asociación “All Altruist Gladly make gum in gallon Tanks” (Lois Fieser y Mary Fieser, Universidad de Harvard) :


Desoxiazúcares:• Cuando a un ázucar le falta un oxígeno,

decimos que se tiene un desoxiazúcares.


Tópico Interesante• Los carbohidratos son importantes en el

reconocimiento celular:


Formación de hemiacetales cíclicos

• Desde tiempos de Fisher, se sabía que la Glucosa cambia de acuerdo al medio, y en medio ácido puede existir en 3 formas: Cadena Abierta, y dos cíclicas.


Ciclación de Monosacáridos



Proyección de Haworth

• La proyección de Fisher no es la mejor forma de representar una fórmula cíclica, para esto existe una mejor forma, la de Haworth.


Es lo mismo con la Glucosa


Es decir se está formando un nuevo carbono quiral.

(diastereomeros)

Proyección de Haworth


Mutorrotación• Estos se interconvierten constantemente:


Y la Fructosa ???• La Fructosa una cetohexosa:


Formación de Acetales de la Glucosa

• La Fructosa es un sacárido importante:

Qué Anómero es?


La mutorrotación inside en la actividad óptica

• Incluso es una prueba para pureza de azúcar:


Epimerización• Este fenómeno se da en medio ácido, pues

hay hidrógenos alfa a carbonilos.


Enoles• Estos enolatos no sólo forman epímeros, sino

pueden cambiar la identidad de los azúcares.


Epimerización Enzimática• Las enzimas pueden ayudarnos a isomerisar

principalmente en alimentos. La gran mayoría del jarabe de maíz producido, se realiza por este método:


Formación de Glicósidos (Acetales)

• En la naturaleza muchos compuestos están en forma de glicósidos:


Glicósidos (concepto)

• Un glicósido es un acetal o cetal mixto de un azucar. La porción carbohidrato de un glicósido se denomina glicona y la porción no-carbohidrato es una aglicona:


Cuál es la Aglicona• Encuentre en los siguientes glicósidos la Aglicona:


Mecanismo


Efecto Anomérico• No olvide el Efecto anomérico, extraño pero que fue

descubierto gracias a los glicósidos. Es bastante interesante, y tiene aplicaciones en síntesis diasteroespecífica


Mecanismo utilizando grupos vecinos

• Recuerde que es una SN1 por lo que los grupos vecinos (recuerde el gas mostaza) pueden estabilizar el carbocatión intermediario:


N-Glicósidos• Esto se logran al hacer reaccionar una amina:


S-Glicósidos• También los de Azufre son importantes dentro de la química

de carbohidratos, especialmente en la química de la vida. Pero también útiles en síntesis.


X-Glicósidos• No son naturales pero son muy útiles en síntesis,

buenos grupos salientes, la síntesis es específica.


Formación de Acetales:• Como grupos protectores, con tantos OH no será

difícil encontrar donde se añade un acetal


Solo un ejemplo antes de QOIV



Formación de ozasonas• Los sacáridos pueden formar ozasonas estables.

Interesante estás son sólidas y muchos monosacáridos son mieles:

FenilhidrazinaFenilhidrazina


Formación de Ozasonas• Un mismo azucar puede dar la misma ozasona, por

ello hay que tener cuidado al dar una respuesta o al identificar azúcares por este método.


Y las cetosas queeee….• Las cetosas también dan ozasonas entre carbono 1

y carbono 2 por lo que pueden también dar la misma ozasona que algunas aldosas:


Fisher-Kiliani• La síntesis clásica es la

siguiente, ahora hay otras pero siguen teniendo el nombre clásico, ya que gracias a esta síntesis se logró la elucidación de todos los monosacáridos:

Cianohidrina

Hidrólisis

Lactona

Reducción


Fisher Kiliani• Ahora con un poco más de química desarrollada

hemos tenido 112 años para desarrollar otras rutas:


Y las síntesis contrarias?• También podemos degradar el monosacárido de un carbono

en un carbono… interesante pero reacción muy poco útil, aunque quizá más adelante encontremos más aplicaciones. La siguiente es la degradación de Wohl, totalmente inversa a Fischer-Kiliani


Degradación de Ruff• Un poco diferente, pero más elegante:


Otras Degradaciones elegantes• Algunos ejemplos usando química:


Hablando de Dioles• Solo recordando con ácido periódico se pueden romper:

HCO2H

HCO2HHCO2H

HCO2HHCO2H

H2COCH2OH

CHO

HOOHOH

OH

D-glucoseCH2OH

HOOHOH

CH2OH

HO

D-mannitol

H2CO

HCO2HHCO2HHCO2HHCO2H

H2CO

H2CO

HCO2HHCO2HHCO2H

H2CO

CO2

HOOHOH

CH2OH

O

OH

D-fructose


A manera de Resumen:OHOHOH

CH2OH

CHO

OHOHOH

HO

CN

CH2OH

CN

OHOHOHOH

CH2OH

HCN

Fischer-Kiliani Synthesis

HCN

Fischer-Kiliani Synthesis

Pd/BaSO4

pH 4.5, H2

Pd/BaSO4

pH 4.5, H2

CHO

OHOHOHOH

CH2OH

HO

CHO

OHOHOH

CH2OH

Fe+++

H2O2

Ruff Degradation

CO2Ca1/2

OHOHOHOH

CH2OH

HOOHOHOH

CH2OH

CO2Ca1/2

Br2/H2O Br2/H2O

Aldonic acid as Ca salt


Reducciones • Qué grupos funcionales tienen los carbohídratos?• Debido a que los sacaridos contienen alcoholes y

carbonilos, las reacciones son una extención de lo ya aprendido.

• Reducción


Reducciones• Las reducciones llevan a alditoles (polialcoholes)• Estos pueden ser productos de varios azúcares. Las

cetosas pueden dar dos alditoles distintos.


Más de reducciones

• El reductor por excelencia es la hidrogenación catalítica, que también produce alditoles:


Tópico interesante

• Los Alditoles son usados en edulcorantes para chicles libres de azúcar.


Oxidación con ácido NítricoLa oxidación con ácido nítrico logra oxidar el alcohol y el Aldehído


Síntesis de Ácidos Urónicos• Los ácidos urónicos son aldosas en las que el grupo

–CH2OH terminal es oxidado a ácido carboxílico, a continuación una síntesis que aparece en el libro de Pine:

CHO

OHH

HHO

OHH

OHH

CH2OH

acetona

medioácido

HC

OH

HHO

OHH

OHH

CH2OH

OH

OC(CH3)2

O3

Pt-C

HC

OH

HHO

OHH

OHH

COOH

OH

OC(CH3)2

H3O+

CHO

OHH

HHO

OHH

OHH

COOHácido Glucurónico


Oxidación con Bromuro• Cuando se usa bromo y agua se logra oxidar al

aldehído, no a los alcoholes:


Más de Oxidación con Bromo• Este pierde el color rojo del bromo:• Importante las cetosas no se oxidan con Br2/H2O,

pues no poseen la función aldehído


Tollens• Otra forma de oxidar es con el reacctivo de Tollens:


Otras formas de Oxidar• Pruebas carácterísticas son Bennedict y

Felhing:


Pruebas Analíticas• Con Felhing o con Benedict, se puede determinar si

se tiene un azucar reductor:



Método Enzimático

El método enzimático es la forma en el que el organismo puede tener energía o empezar el metabolismo de la glucosa.


Azúcares reductores

• Los que tienen “comprometido” el carbono anomérico (acetal):

NEGATIVOPOSITIVO


Disacaridos:

• Son los que tienen dos unidades de azucar:• Existen 3 enlaces naturales:• 1-4’: El carbono anómerico está enlazado al

oxígeno en carbono 4.• 1-6’: El carbono anómerico está enlazado al

oxígeno 6.• 1-1’: El Carbono anomérico está enlazado al

oxígeno 1.


Abreviaciones a tener en cuenta


Un disacárido no es más que:

• La unión de dos monosacáridos:



Celobiosa• Dos unidades de glucosa unido 1,4.


Maltosa• Enlace 1,4 dos unidades de glucosa.


Lactosa• Enlace 1,4 galactosa y glucosa.


Tópico Interesante• La intolerancia a la lactosa se da por la pérdida de la

enzima lactasa


Gentiobiosa• Enlace 1,6. Dos unidades de glucosa.


Sacarosa

• Es enlace 1,1.


Polisacáridos• Estás son unidades interminables de sacáridos:


Otra Clasificación


Celulosa

• Son enlaces Beta 1,4 algunos mamíferos tienen la β-glucosidasa.


Celulosa

• Esta se encuentra en las plantas.• Forma Fibras


Amilosa (almidon)• Son enlaces α-1,4 de glucosa, los mamíferos

que tienen la α-glucosidasa pueden comerlos.


Prueba con yodo• La amilosa forma como espirales, las cuales

pueden acomplejar al yodo.




Tópico Interesante• Si leen con atención las etiquetas de muchos

productos edulcorados, verán “Jarabe de Maíz de alta fructosa”


Amilopectina• Es la de las jaleas.


Amilopectina

• Esto hace que sea una amilosa con “brazos”.


Quitina• Es un aminoazúcar, es la que recubre el

exoesqueleto de muchos organismos:


Agarosa• Es un polisacárido con uniones alfa-galactosídicas.


Reacciones

• Formación de éteres:


Más de Metilaciones:

O

H

HO

H

HO

H

H

OHH

OH

HO

CH3OH

dry HCl

O

H

HO

H

HO

H

H

OHH

OCH3

HO

Methyl D glucoside

(CH3O)2SO2,NaOH

O

H

H3CO

H

H3CO

H

H

OCH3H

OCH3

H3CO

Se puede usar sulfato de metilo en medio Básico para lograr acetilar todas las posiciones de un monosacárido.


Formación de ésteres• En está reacción se utiliza anhídrido acético y

piridina:


Xantatos

• Los Xantatos se utilizan mucho en la industria textil sobre telas de algodón:


Listos para un…• Problema: Un compuesto A es un Trisacárido el cual se encuentra

principalmente en la semilla de algodón. Éste no reacciona con Benedict ni con Fehling. La hidrólisis catalizada por ácido da lugar a tres diferentes D-hexosas. B, C y D. El compuesto B y C dan lugar a la misma osazona (ver abajo) cuando reaccionan con un exceso ácido con fenilhidrazina. El compuesto D, reacciona con ácido nítrico para dar un compuesto E que es opticamente inactivo. Sin embargo se demostró que D, no es la D-Alosa. Cuando B es tratada con ácido nitríco produce un compuesto ópticamente activo. Y se sabe que B puede reaccionar con Br2/H2O, a diferencia de C, que no reacciona con este reactivo. B es epímero de D. La metilación de A y posterior hidrólisis da lugar una: 2,3,4-tri-O-metil-D-hexosa (derivado de B) a 1,2,3,4,6-tetra-O-metil-D-hexosa (derivado de C) y 2,3,4,6-tetra-O-metil-D-hexosa (derivado de D)


Encontrando tamaño del anillo

CH3OO

OH

CH3OCH3O

OCH3

CH3O

CH3O

O

CH3O

OCH3

CO2H

OCH3

OCH3

CO2H

CO2H

CH3O

OCH3

CO2H

CO2H

CH3O

HNO3

HNO3

HNO3


Más sobre el Tamaño del anillo

HOHO

HO

OHO

OCH3

OHO

OCH3

OHC

OHCHCO2H

HIO4

H3O+

OH

OH

CHO

+ OHCCHO + CH3OH

D-glyceraldehyde

glyoxal


Hetero-polisacáridos Glicosaminoglicanos(Unidades repetitivas de disacáridos)

Sulfato de 6-crondroitina:-D-ácido glucorónico-( 13)-N-acetil-D-galactosamina-6-sulfato-( 14)-

Sulfato de Keratina:-D-galactosa-( 14)--acetil-D-glucosamina-6-sulfato-( 13)-


Ésteres de Fósfato:• Se da por la reacción entre el ácido fosfórico y

un azúcar:

OH

H

H

H OH

HO H

O

H

HOHO H3PO4

OPO3H2

H

H

H OPO3H2

H2O3PO H

O

H

H2O3POH2O3PO


sugar base

sugar base

phosphate

sugar base

phosphate

sugar base

phosphate

sugar base

phosphate

nucleoside nucleotides

nucleic acids

Nucleosidos, nucleotidos y ácidos nucleicos

Note la química de estos tres grupos


N

N N

NN

H

H

R

Adenina

N

N

NH2

OR

Citosina

N

N N

N

N

O

H

H

HR

G uanina

N

N

O

O

CH3

R

H

T imina

N

N

O

O

CH3

R

H

N

N N

NN

H

H

R

AdeninaT imina

N

N

N

OR

H

H

N

N N

N

N

O

H

H

HR

G uaninaC itosina


Ácido Nucléico

• Es un poliazucar de ribosa, solo que con algunas muy peculiares características.


Nucleósidos:

• Estos pueden ser sintetizados:


Al colocarle un fosfato tenemos

• Un Nucleótido


Algunas cosas interesantes de los nucleótidos

+ HPO4 2-O N

N

NN

NH2

HO OH

OPO

O

O

P

O

O

O

PO

O

O

ATP

H2O O N

N

NN

NH2

HO OH

OPO

O

O

P

O

O

O

ADP

+ ~31 KJ/mol (7.4 Kcal/mol)


Estructura del ARN


1. Nucleación

2. Propagación

Estructura helicoidal? Apilamiento π-π

Fármacos anti-cancer o pigmentos para ácidos nucleícos?

Especies aromáticas nitrogenadas, capaces de intercalarse firmemente


Otros Tautómeros, errados!!!

N

N

NN

N

H

dR

N

N

NN

N

H

dR

HN

N

dR

OH

O

N

N

dR

OH

O

purine - purine pyrimidine - pyrimidine

N

N

dR

NH

O

N

N

dR

NH

O

H

N

N

NN

O

N

H

dR

N

N

NN

O

H

dR

HH

H

NH

H

H

O

OR

RON

N

N

O

H

H

O

OR

RO

N

N N

NO

N

H

H

HHydrogen Bond

Donor

Hydrogen BondDonor

Hydrogen BondAcceptor


3'

5'


Hydrogen BondDonor

5'

O2

N4 O6

3'

Antiparallel C-G Pair

N3 N1

N 2

O

OR

RON

N

O

O

O

OR

RO

N

N N

NN

H

H

H

5'

3'

3'

5'

Hydrogen BondDonorN6


Hydrogen BondAcceptor O4

Hydrogen BondDonor

Antiparallel T-A Pair

N1N3


ADN como plantilla para catalizar reacciones orgánicas

AABB


Pero así es el temprando en el organismo?

aminoacyl t-RNA

TC loop

D loop

variable loop

Pues si, pero un poco diferente, un tanto más elegante…


P site

U G U AA U C U CG U U

3'5'

A site

A CU

OO

HN

SCH3

OHC


3'5'

A CU

OO

HN

SCH3

OHC

U AA

OO

H2N

OH


3'5'

U AA

OO

HN

OHONH

CH3S

A CU

OH

OHC


3'5'

U AA

OO

HN

OHONH

CH3S

A CU

OH

OHC


3'5'

U AA

OO

HN

OHONH

CH3S

A CU

OH

OHC

E siteE site


3'5'

U AA

OO

HN

OHONH

CH3S

OHC

G AC

O O

CH3H2N


3'5'

O

HN

OH

O

HN

G AC

O O

CH3HN

SCH3

U AA

OH

OJHC


3'5'

O

HN

OH

O

HN

G AC

O O

CH3HN

SCH3

U AA

OH

OHC


3'5'

O

HN

OH

O

HN

G AC

O O

CH3HN

SCH3

U AA

OH

OHC

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