Izomeria optyczna i cukry

Izomeria optyczna

1. Polaryzacja światła

Izomery to związki o identycznym wzorze sumarycznym, ale innych wzorach strukturalnych i przestrzennych.
a) konstytucyjna (strukturalna) - związana z budową płaską cząsteczki (np. izomeria łańcuchowa)
b) stereoizomeria - rozmieszczenie podstawników w przestrzeni (np. izomeria cis-trans, enancjomery)

Światło spolaryzowane to wiązka fal, które drgają w tej samej płaszczyźnie.

Związek optycznie czynny to związek skręcający płaszczyznę światła spolaryzowanego.

Polarymetr służy do badania związków czynnych optycznie (do pomiaru skręcenia płaszczyzny światła spolaryzowanego). Kierunek skręcenia płaszczyzny światła spolaryzowanego zaznacza się w nazwie związku za pomocą znaku (+) dla cząsteczek prawoskrętnych i (-) dla lewoskrętnych.

Budowa polarymetru:
• źródło światła
• polaryzator
• przezroczyste naczynie zawierające daną substancję
• drugi polaryzator (analizator)
• okular

Cząsteczki prawoskrętne (+) skręcają światło spolaryzowane w prawo.
Cząsteczki lewoskrętne (-) skręcają światło spolaryzowane w lewo.

Np.: wynik pomiaru -2,34° oznacza, że substancja zawarta w badanej próbce jest lewoskrętna (bo minus).

Polaryzator to przykład substancji, która powoduje polaryzację przechodzącego przez nią światła.

2. Enancjomery

Enancjomery są to związki które są wzajemnymi lustrzanymi odbiciami, wykazują one czynność optyczną, jeden z enancjomerów powoduje skręcenie płaszczyzny światła spolaryzowanego w prawo, a drugi w lewo.

Przedmioty chiralne to obiekty, których odbicia lustrzane nie są z nimi identyczne, a jedynie symetryczne (np. but, rękawiczka - ponieważ nie posiadają płaszczyzny symetrii - kiedy przedzielimy je osią symetrii, połówki nie będą takie same - co jest kryterium chiralności danego przedmiotu).

Przedmioty achiralne posiadają przynajmniej jedną płaszczyznę symetrii (np. piłka, butelka - jeśli przedzielimy je osią symetrii, to obie połówki będą identyczne).

Asymetryczny atom węgla to atom węgla połączony z czterema różnymi podstawnikami. Cząsteczki zawierające asymetryczny atom węgla są chiralne. Zaznacza się je za pomocą gwiazdki (*) stawianej przy atomie węgla.



Metan i bromometan mają cząsteczki achiralne (symetryczne). Metan - wokół węgla są cztery wodory, jeśli przetniemy postać strukturalną osią symetrii otrzymamy lustrzane odbicia.

Cząsteczki chiralne posiadają zdolność skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego (są czynne optycznie), w przeciwieństwie do cząsteczek achiralnych.

Wartość skręcalności płaszczyzny światła spolaryzowanego dla metanolu wynosi O°, dlatego że metanol ma cząsteczkę achiralną (symetryczną), czyli nie posiada zdolności skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego (cząsteczki achiralne nie są czynne optycznie).

Mieszanina racemiczna (racemat) zawiera jednakową liczbę moli enancjomerów prawoskrętnych i lewoskrętnych i nie wykazuje czynności optycznej (jej skręcalność wynosi zawsze 0°).

We wzorach przestrzennych:
linią przerywaną zaznacza się wiązania biegnące przed lub za płaszczyznę
zaciemnionym trójkątem wiązania wychodzące przed lub za płaszczyznę

Cukry

Cukry są zaliczane do związków wielofunkcyjnych, ponieważ w swojej strukturze mają dwie grupy funkcyjne: aldehydową lub ketonową oraz liczne grupy hydroksylowe.

Podział cukrów ze względu na budowę:
• cukry proste
• dwucukry składające się z dwóch połączonych ze sobą cukrów prostych
• oligosacharydy składające się z kilku połączonych ze sobą cukrów prostych
• polisacharydy (cukry wielocząsteczkowe) są to ogromne łańcuchy połączonych ze sobą cząsteczek tego samego cukru prostego, najważniejszym cukrem budującym polisacharydy jest glukoza

Cukry Proste

Podział cukrów prostych
 ze względu na położenie w cząsteczce grupy karbonylowej :
• aldozy - grupa położona jest na końcu łańcucha
• ketozy - grupa położona jest w środku cząsteczki
 ze względu na długość łańcucha węglowego (np. tetroza, pentoza, heksoza)

Najpopularniejsze cukry proste to glukoza, fruktoza oraz ryboza.

Wszystkie cząsteczki cukrów są czynne optycznie (skręcają światło spolaryzowane), polarymetry stosowane tylko do pomiaru kąta skręcania wiązki światła w cukrach nazywamy sacharymetrami.

W nazwach cukrów pojawia się litera D lub L. Jest to związane z położeniem przedostatniej grupy OH w cząsteczce. Jeśli występuje ona po prawej stronie cukier określamy jako D, jeśli po lewej - L (zapisujemy ją wówczas jako HO, ponieważ z węglem musi łączyć się wówczas tlen). W przyrodzie występują cukry D.

Cząsteczki aldehydów reagują z alkoholem tworząc związki zwane hemiacetalami. Formę cykliczną cukru nazywa się formą hemiacetalową.

W przyrodzie cukry najczęściej tworzą pierścienie piranozowe (6 ścianek) oraz furanozowe (5 ścianek).

Wzór glukozy określa się sposobem Fischera (pionowo) lub Hawortha (w postaci pierścienia).

Mutarotacja - zjawisko zmiany kąta skręcania światła spolaryzowanego na skutek przejścia anomeru α w odmianę β.

Postaci endiolowe - cząsteczki z przemieszczonym wiązaniem podwójnym, powstają na skutek przemieszczania się wiązania podwójnego leżącego w grupie aldehydowej między pierwszy a drugi atom węgla.

Reakcje cukrów prostych
 ulegają próbom redukcyjnym
• glukoza ponieważ zawiera grupę aldehydową
• fruktoza ponieważ może się przekształcić w glukozę poprzez formę endiolową
 glukoza utlenia się do kwasu glukonowego
 ulegają redukcji do alkoholi wielowodorotlenowych, z glukozy powstaje sorbitol
 estryfikacja - cukry zawierają liczne grupy OH i mogą reagować z kwasami organicznymi i nieorganicznymi, tak jak reagują alkohole
 tworzenie wiązań glikozydowych

Glukoza stanowi składnik wielu dwucukrów oraz polisacharydów (np. skrobia i celuloza). Występuje w owocach, miodzie. Zastosowanie: przemysł cukierniczy i włókienniczy.

Fruktoza - wchodzi w skład sacharozy, jest jednym z najsłodszych cukrów, występuje w miodzie i słodkich owocach.

Dwucukry (disacharydy)

Maltoza powstaje w wyniku reakcji skrobii z wodą. Jest zbudowana z dwóch cząsteczek glukozy połączonych wiązaniem 1,4-α-glikozydowym. Struktura cząsteczki maltozy świadczy o zachowaniu przez nią właściwości redukcyjnych. W obecności kwasu lub enzymów ulega hydrolizie czyli reaguje z wodą, tworząc dwie cząsteczki glukozy.

Sacharoza występuje w wielu roślinach. Jest zbudowana z α-glukozy i β-fruktozy powiązanych wiązaniem 1,2-glikozydowym. Nie posiada właściwości redukujących, nie podlega zjawisku mutarotacji.

Polisacharydy

Skrobia, odmiany: amyloza i amylopektyna - występują w roślinach np. ziemniakach, glikogen (skrobia zwierzęca) - cukier zapasowy, magazynowany zazwyczaj w wątrobie. Próba jodoskrobiowa umożliwia wykrycie skrobi w żywności. Polega ona na dodaniu do żywności kilku kropel jodyny lub płynu Lugola - na obecność skrobi wskazuje granatowe zabarwienie.
Celuloza (błonnik) to główny składnik budulcowy roślin, zastosowanie: przemysł włókienniczy (len, bawełna), wytwarzanie papieru (celulozę otrzymuje się głównie z drewna).