Transcript Mutarotácia zahrňuje anomerizáciu a tautomerizáciu

Mutarotácia
je všeobecne acidobázicky katalyzovaná
vzájomná premena anomérno-tautomérnych
foriem redukujúceho sacharidu cez jeho
acyklickú formu prebiehajúca v čerstvom roztoku
sacharidu až do ustálenia rovnováhy. Táto
premena sa navonok prejavuje ako časová
zmena optickej otáčavosti []D z počiatočnej do
rovnovážnej hodnoty a schématicky sa označuje
vodorovnou šípkou (napr. pre -anomér
D-glukózy []D +111º  +53º (voda)).
Mutarotácia zahrňuje anomerizáciu a tautomerizáciu
α-D-glukopyranóza
β-D-glukopyranóza
Zdroj: Monosaccharides. Their Chemistry and Their Roles in Natural Products,
P.M. Collins, R.J. Ferrier, Wiley, Chichester, 1995.
Mutarotácia zahrňuje anomerizáciu a tautomerizáciu
α-D-glukopyranóza
β-D-glukopyranóza
38 %
62 %
A
aaaaldehydoα-D-glukofuranóza
0,05 %
aaaD-glukózahydrát
glukaaaa+aaaaaa
aaa aldehydoaaaD-glukóza
0,02 %
β-D-glukofuranóza
0,14 %
Zdroj: Monosaccharides. Their Chemistry and Their Roles in Natural Products, P.M.
Collins, R.J. Ferrier, Wiley, Chichester, 1995.
Prejav mutarotácie v 500 MHz 1H NMR spektre α-D-glukopyranózy: a) ihneď po rozpustení v D2O; b) po
dosiahnutí rovnováhy v D2O. Zdroj: Monosaccharides. Their Chemistry and Their Roles in Natural Products,
P.M. Collins, R.J. Ferrier, Wiley, Chichester, 1995.
20 MHz 13C NMR spektrum
mutarotačnej rovnováhy α- a β-Dglukopyranózy vo vode. Zdroj:
Monosaccharides. Their Chemistry
and Their Roles in Natural Products,
P.M. Collins, R.J. Ferrier, Wiley,
Chichester, 1995.
Lobry de Bruyn – Alberda van Ekensteinova reakcia (1900)
aldóza
epialdóza
1,2-endiol
ketóza
Lobry de Bruyn-Alberda van Ekensteinova reakcia bázicky katalyzovaná nerovnovážna izomerizačnoepimerizačná vzájomná premena dvojice epimérnych
aldóz a odpovedajúcej ketózy prebiehajúca cez
endiolový intermediát. Reakcia sa v preparatívnom
meradle využíva na prípravu ketóz z aldóz; výťažky
epimérnej aldózy sú nízke. V závislosti na
podmienkach môže táto reakcia prebiehať po celom
reťazci a jej výsledkom je potom zložitá zmes aldóz a
ketóz. Namiesto vodných roztokov alkalických zemín,
ktoré katalyzujú aj ďalšie reakcie, sa ako reakčné
prostredie obvykle používa vlhký pyridín.
epimerizácia - vo všeobecnosti reakcia, ktorou
sa dosahuje vzájomná premena epimérnych
sacharidov.
Na prípravu epimérnych aldóz sa najvýhodnejšie
využíva Bílikova reakcia. Epimerizácia aldóz a
ketóz sa v menšom rozsahu vyskytuje v Lobry
de Bruyn-Alberda van Ekensteinovej reakcii.
Epimerizácii v bázickom prostredí podliehajú aj
kyseliny aldónové.
Bílikova reakcia - všeobecná vnútromolekulová reakcia aldóz prebiehajúca vo
vodných roztokoch v prítomnosti katalytického množstva kyseliny molybdénovej,
v dôsledku ktorej vzniká v priebehu 2 až 8 hodín pri teplote 70 až 90oC
rovnovážna zmes dvojice epimérnych aldóz. Zloženie rovnovážnych zmesí je
pre dvojice epimérnych D-aldóz:
D-treóza
D-arabinóza
D-xylóza
D-glukóza
D-galaktóza
D-alóza
atď.
:
:
:
:
:
:
D-erytróza
D-ribóza
D-lyxóza
D-manóza
D-talóza
D-altróza
4
2
7
3
4
3
:
:
:
:
:
:
3
1
5
1
1
2
Rovnovážne pomery sú rovnaké aj pre epimérne dvojice L-aldóz.
Reakcia má veľký preparatívny význam; využíva sa na výrobu resp. prípravu
mnohých aldóz (napr. D-manózy, D-talózy, D-lyxózy, D-ribózy, L-ribózy, atď.
Všeobecná schéma Bílikovej reakcie
aldóza
epialdóza
Túto reakciu objavil a v roku 1972 publikoval slovenský chemik Vojtech Bílik
(1929-1994).
Stereoselektívna hydroxylácia glykálov
OH
HO
O
OH
H2O2
OH
HO
O
OH HO
MoO3
OH
O
HO
OH
+
OH
OH
OH
D-galaktál
D-talóza
95 %
D-galaktóza
5%
Objavu Bílikovej reakcie predchádzal objav inej reakcie sacharidov katalyzovanej
molybdénanovými iónmi, stereoselektívnej hydroxylácie glykálov, ktorú V. Bílik
opísal v roku 1970.
Všobecné podmienky C-2 epimerizácie aldóz
katalyzovanej molybdénanovými iónmi
• 10-20 % vodný roztok aldózy (0,06-1,1 mol/L)
v 0,1 % vodnej kyseline molybdénovej (0,006 mol/L)
• pH 2,9, 80-95 ºC
D-glukóza
90 ºC
2h
90 ºC
D-glukóza + D-manóza
73 %
27 %
D-manóza
10 h
C-2 epimerizácia D-glukózy a D-manózy
katalyzovaná kyselinou molybdénovou
OH
O
OH
OH
O
OH HO
H2MoO4
OH
HO
OH
D-glukóza
73 %
H2O
HO
D-manóza
27 %
OH
Rovnovážne pomery epimérnych aldóz v Bílikovej reakcii
Predstava mechanizmu Bílikovej reakcie v r. 1975
Bílikova reakcia je molekulový prešmyk aldóz, pri ktorom dochádza
k zániku väzby C-2C-3 za súčasného vzniku väzby C-1C-3, čo
bolo dokázané nasledovnými premenami:
D-[1-13C]-manóza
D-[2-13C]-glukóza
D-[1-13C]-glukóza
D-[2-13C]-manóza
D-[1-13C]-talóza
D-[2-13C]-galaktóza
D-[1-13C]-xylóza
D-[2-13C]-lyxóza
D-[1-13C]-arabinóza
D-[2-13C]-ribóza
D-[1-13C;2H]-manóza
D-[1,3-13C;3-2H]-manóza
D-[2-13C;2H]-glukóza
D-[2,3-13C;3-2H]-glukóza
Zdroj: Hayes ML, Pennings NJ, Serianni AS, Barker R (1982) J Am Chem Soc 104:6764
Mechanizmus Bílikovej rekcie
2-
+ 2 H+
Aldose + Molybdic acid
- 2 H+
-2
2-
+ 2 H+
Epialdose + Molybdic acid
- 2 H+
R = H, CH3, CH2OH, (CHOH)n-CH2OH, etc.
Využitie Bílikovej reakcie na vzájomnú premenu
2-ketóz a 2-C-hydroxymetyl-aldóz
R=H
CH2OH
CHOH-CH2OH
etc.
Molybdic acid
H2O
2-ketóza
2-C-hydroxymetyl-aldóza
H2O
D-fruktóza
D-arabino-hex-2-ulóza
D-hamamelóza
2-C-hydroxymetyl-D-ribóza
2-C-hydroxymetyl-D-ribo-hexóza
2-
Petrus L, Petrusova M, Hricoviniova Z,
Topics in Current Chemistry 215: 15-41 2001
+ 2 H+
2-Ketose + Molybdic acid
- 2 H+
2-
2-
+ 2 H+
2-C-Hydroxymethyl-aldose + Molybdic acid
- 2 H+
R = H, CH3, CH2OH, (CHOH)n-CH2OH, etc.
Schématické znázornenie molekulového prešmyku aldózového reťazca,
ku ktorému dochádza v Bílikovej reakcii v dôsledku naviazania aldózy do
tetradentátneho binukleárneho molybdénanového komplexu, ktorý je
znázornený dvojicou spriahnutých tetragonálnych bipyramíd.
Štruktúra molybdénanového komplexu erytritolu
Štruktúra molybdénanového komplexu D-lyxózy
Ostatné známe katalytické systémy
pre C-1-C-2 transpozičnú
C-2 “epimerizáciu” aldóz
D-[1-13C]glukóza
-
D-[2-13C]manóza
Ni(II) – N-alkylovaný etyléndiamín1
Co(II) – N-alkylovaný etyléndiamín2
Ca(OH)2, čiastočne Sr(OH)2ref. 3
La(OAc)3 vo vodnom NaOHref. 4
Molekulový prešmyk charakterizujúci Bílikovu reakcia sa vyskytuje aj v prírode.
Nemelanovátovú (non-mevalonate) metabolickú syntézu izoprenoidov, ktorá
zahrňuje NADPH-závislý prešmyk a redukciu 1-deoxy-D-xylulóza-5-fosfátu na
2-C-metyl-D-erytritol-4-fosfát, katalyzuje Mn2+-metaloenzým 1-deoxy-D-xylulóza5-fosfát-reduktoizomeráza (DXR). Tento enzým okrem prešmyku aj redukuje
prechodne vznikajúcu C-2 vetvenú aldózu, ktorej termodynamická rovnováha
s nevetvenou ketózou je silno posunutá v prospech tejto ketózy.
CH3
C O
HO C H
HC O
DXR
H2C OH
H3C C OH
H3C C OH
CHOH
CHOH
CHOH
CH2OPO3H2
CH2OPO3H2
CH2OPO3H2
J. Biol. Chem. 282, 2007, 19905-19916.
Bílikova reakcia
X
Z
C O
HO C Z
CHOH
C O
H2MoO4
H2O
X C OH
CHOH
CHOH
CHOH
R
R
X = Z = H, CH3, CH2OH, CH2O-glykozyl
R = H, CH3, CH2OH, CHOH-CH2OH, ...
CHOH-CH2O-glykozyl
Topics Curr. Chem. 215, 2001, 15-41
Katalýza transpozičného prešmyku redukujúcich sacharidov bola
pozorovaná len s komplexami prvkov (kovov), ktoré majú d-orbitály.
Tieto d-orbitály sú pravdepodobne nevyhnutné na priebeh tohto
prešmyku, ktorý zrejme spočíva v delokalizácii karbonylovej skupiny
redukujúceho sacharidu na atóm uhlíka susediaci s jeho karbonylovou
skupinou, a to prostredníctvom interakcie d-orbitálov katalytického prvku
s p-orbitálmi zúčastnených atómov uhlíka a kyslíka redukujúceho cukru.