АНОМЕРЕН ВЪГЛЕРОД: ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПРИМЕРИ - ХИМИЯ - 2025

В аномерен въглерод е стереоцентър присъства в цикличните структури на въглехидрати (моно- или полизахариди). Като стереоцентър, по-точно епимер, от него се извличат два диастереоизомера, обозначени с буквите α и β; това са аномерите и са част от обширната номенклатура в света на захарите.

Всеки аномер, а или р, се различава в позицията на ОН групата на аномерния въглерод по отношение на пръстена; но и в двете, аномерният въглерод е един и същ и се намира на едно и също място в молекулата. Аномерите са циклични хемиацетали, продукт на вътремолекулна реакция в отворената верига захари; са алдози (алдехиди) или кетози (кетони).

Конформация на стола за β-D-глюкопираноза. Източник: Commons Wikimedia.

Горното изображение показва конформацията на стола за β-D-глюкопираноза. Както се вижда, той се състои от шестчленен пръстен, включващ кислороден атом между въглерод 5 и 1; последният, или по-скоро първият, е аномерният въглерод, който образува две единични връзки с два кислородни атома.

Ако погледнем внимателно, ОН група, прикрепена към въглероден 1 е ориентирана над шестоъгълна пръстен, както прави CH ₂ ОН група (въглерод 6). Това е β аномерът. А аномерът, от друга страна, би се различавал само в тази ОН група, която би била разположена надолу по пръстена, сякаш беше трансдиастереомер.

Полуацетали

Необходимо е да се задълбочим малко по-дълбоко в концепцията за хемиацеталите, за да разберем по-добре и да разграничим аномерния въглерод. Хемиацеталите са продукт на химическа реакция между алкохол и алдехид (алдози) или кетон (кетози).

Тази реакция може да бъде представена със следното общо химично уравнение:

ROH + R'CHO => ROCH (OH) R '

Както се вижда, алкохол реагира с алдехид, за да образува хемиацетала. Какво би се случило, ако и R, и R 'принадлежат на една и съща верига? В този случай бихте имали цикличен хемиацетал и единственият възможен начин той да се формира е, че и двете функционални групи, -OH и -CHO, присъстват в молекулната структура.

В допълнение, структурата трябва да се състои от гъвкава верига и с връзки, способни да улесняват нуклеофилната атака на ОН към карбонилния въглерод от СНО групата. Когато това се случи, структурата се затваря в пет- или шестчленен пръстен.

Цикличен хемиацетал

Циклично образуване на хемиацетал. Източник: Алехандро Порто

Пример за образуването на цикличен хемиацетал за глюкозен монозахарид е показан на изображението по-горе. Може да се види, че се състои от алдоза, с алдехидна група CHO (въглерод 1). Това е атакувано от ОН групата на въглерод 5, както е посочено от червената стрелка.

Структурата преминава от отворена верига (глюкоза), до пиранов пръстен (глюкопираноза). В началото може да няма връзка между тази реакция и тази, която току-що е обяснена за хемиацетална; но ако се наблюдава внимателно пръстена, по-специално в С ⁵ -ОС ¹ (ОН) -С ^{2 раздел}, ще бъде оценено, че да отговаря на очакваното скелета за полуацетал.

Въглеродните атоми 5 и 2 идват да представляват съответно R и R 'от общото уравнение. Тъй като те са част от една и съща структура, тогава той е цикличен хемиацетал (и пръстенът е достатъчен, за да бъде очевиден).

Характеристики на аномерен въглерод и как да го разпознаем

Къде е аномерният въглерод? В глюкозата това е СНО групата, която може да бъде подложена на нуклеофилна атака от ОН или под, или отгоре. В зависимост от ориентацията на атаката се образуват два различни аномера: α и β, както вече беше споменато.

Следователно, първа характеристика, която този въглерод притежава е, че в отворената верига на захарта той е този, който претърпява нуклеофилната атака; това означава, че е група СНО, за алдози, или R ₂ С = О група, за кетози. Въпреки това, след като се образува цикличният хемиацетал или пръстен, този въглерод може да изглежда, че е изчезнал.

Тук се намират други по-специфични характеристики, които го намират във всеки пиранов или фуранозен пръстен от всички въглехидрати:

-Аномерният въглерод винаги е вдясно или вляво от кислородния атом, който представлява пръстена.

-Even по-важно, това е свързано не само за този кислороден атом, но също така и към групата ОН, от СНО или R ₂ С = О.

-Тя е асиметрична, тоест има четири различни заместители.

С тези четири характеристики е лесно да разпознаете аномерен въглерод, като погледнете всяка „сладка структура“.

Примери

Пример 1

β-D-фруктофураноза. Източник: NEUROtiker (беседа • принос)

По-горе е β-D-фруктофураноза, цикличен хемиацетал с петчленен пръстен.

За да идентифицираме аномерния въглерод, първо трябва да разгледаме въглените от лявата и дясната страна на кислородния атом, който представлява пръстена. Тогава този, който е свързан с OH групата, е аномерният въглерод; която в случая вече е кръгла в червено.

Това е β аномер защото ОН на аномерен въглерод е над пръстена, както е СН ₂ ОН група.

Пример 2

Захароза. Източник: NEUROtiker чрез Wikipedia.

Сега се опитваме да обясним какви са аномерните въглероди в структурата на захарозата. Както се вижда, той се състои от два монозахарида, ковалентно свързани с гликозидна връзка, -O-.

Пръстенът вдясно е точно същият, който току-що споменахме: β-D-фруктофураноза, само че е „обърнат“ вляво. Аномерният въглерод остава същият за предишния случай и отговаря на всички характеристики, които биха се очаквали от него.

От друга страна, пръстенът вляво е α-D-глюкопираноза.

Повтаряйки същата процедура за аномерно разпознаване на въглерод, като се разгледат двата карбона от лявата и дясната страна на кислородния атом, се установява, че десният въглерод е този, който е свързан с OH групата; който участва в глюкозидната връзка.

Следователно, и двата аномерни въглерода са свързани чрез -O-връзката и следователно са затворени в червени кръгове.

Пример 3

Целулоза. Източник: NEUROtiker

Накрая се предлага да се идентифицират аномерните въглеродни атоми на две глюкозни единици в целулозата. Отново се наблюдават въглеродните атоми около кислорода в пръстена и се установява, че в глюкозния пръстен отляво аномерният въглерод участва в гликозидната връзка (затворена в червения кръг).

В глюкозния пръстен вдясно, обаче, аномерният въглерод е отдясно на кислорода и лесно се идентифицира, тъй като е свързан с кислорода на гликозидната връзка. По този начин и двата аномерни въглерода са напълно идентифицирани.

Препратки

1. Morrison, RT и Boyd, R, N. (1987). Органична химия. 5 ^та издание. Редакция Addison-Wesley Interamericana.
2. Кери Ф. (2008). Органична химия. (Шесто издание). Mc Graw Hill.
3. Греъм Соломон TW, Craig B. Fryhle. (2011 г.). Органична химия. Амини. (10 ^-то издание.) Wiley Plus.
4. Рендина Г. (1974). Приложни техники за биохимия. Интерамерикана, Мексико.
5. Чанг С. (втори). Ръководство за аномерния въглерод: Какво е аномен въглерод?, Възстановена от: chem.ucla.edu
6. Гунавардена Г. (13 март 2018 г.). Аномерни въглища. Химия LibreTexts. Възстановено от: chem.libretexts.org
7. Foist L. (2019). Аномерен въглерод: Определение и преглед. Изследване. Възстановено от: study.com