HÓA HỮU CƠ 2. GS.TSKH NGÔ THI THUẬN- ĐẶNG NHƯ TẠI

học không phù họp với cấu trúc mạch hở của monosacarit như đã nói ở trên. D o tính bền nhiệt động tương đối cao, nhất ỉà của vòng 6 cạnh no, và do hiệu ứng anome có tác dụng bền hóa nên hem iaxetal vòng bền vững hơn hợp chất cacbonyl mạch hở. N hóm lactol (nhóm hiđroxyl anomeric) là bộ phận của tổ hợp hem iaxetal và vì vậy có nhiều tính chất khác với các nhóm OH còn lại của monosacarit. Thí dụ, nguyên tử o c ủa nhóm lactol là nguyên tử duy nhất bị trao đổi chậm bởi nguyên tử 180 khi bảo quản trong 18O H 2. M onosacarit c ó nhiều nhóm chức khác nhau, dưới đây chỉ xét một số phản ứng cụ thể của nhóm hiđroxyl hemiaxetal, của các nhóm hiđroxyl còn lại, của nhóm cacbonyl và các phản ứng liên quan đến mạch cacbon. 16.3.1 Phản ứng tạo glycozit (phản ứng của nhóm hiđroxyl hemiaxetal) Khi ch o m ột lượng nhỏ khí HC1 đi qua dung dịch D -glucozơ trong rnetanol sẽ xảy ra phản ứng tạo axetal hỗn hợp. Axetal của cacbohiđrat được gọi là glycozit. v ề hình thức, các glycozit được tạo thành bằng cách thay thế một nguyên tử hiđro của nhóm hiđroxyl hem iaxetal (nhóm lactol) bằng một gốc ankyl hoặc aryl. Hợp phần không chứa đường của glycozit được gọi là aglicon. Theo quan điểm hóa học, các glycozit là các axetal hỗn tạp của các dạng vòng của anđozơ hoặc xetozơ. Tên gọi glycozit bao gồm tên gọi cacbohiđrat nguyên thủy với việc thay thế tiếp vĩ ngữ -ozơ bằng -ozit và dẫn ra tất cả các ký hiệu cấu hình và kích thước vòng. Tên gọi riêng của từng glycozit được đật theo tên của đường tương ứng. Thí dụ, axetal của glucozơ được gọi là glucozit và từ a-D -glucopyranozơ với m etanol ta c ó m etyl a-D -glu cop yran ozit và metyl Ị3-D -glucopyranozit: C H 2O H C H ?O H c h 2o h — ) — Ov ỌCH3 OH > + C H 3OH HO M-------- f OH OH OH OH Metyl a-D-gIucopyranozit Metyl p-D-glucopyranozit a-D-Glucopyranozơ Tương tự như thế, axetal của ribozơ là ribozit và nếu nó là vòng 5 cạnh thì được gọi là ribofuranozit, axetal của mannozơ là mannozit, axetal của fructozơ là fructozit... Phương pháp diều ch ế glycozit nêu trên rất đơn giản (phương pháp Fisơ) nhưng luôn nhận được hỗn hợp glycozit anome và lượng furanozit được tạo thành đáng kể, nhất là ở giai đoạn đầu của phản ứng. Thành phần hỗn hợp glycozit sinh ra được kiểm soát bằng yếu tố cấu dạng và nhiệt động học cũng như phụ thuộc vào hóa học lập thể của monosacarit cụ thể. Chỉ trong những trường hợp thuận lợi riêng biệt mới xuất hiện ưu tiên m ột đồng phân và có thể tách riêng được đễ dàng. Thí dụ, phản ứng của D-mannozơ với metanol hầu như chỉ tạo ra m ột sản phẩm là cc-pyranozit (bảng 16.2). 484

B ảng 16.2 Thành phần cân bằng (%) của các glycozit được tạo thành trong phản ứng với metanol khi có mặt 1% HCI ở 35°c M onosacarit Pyranozit Furanozit ap ap D-31ucozơ 66 33 <1 <1 D-Galactozơ 58 20 6 16 D -M annozơ 94 5 <1 0 D-Ribozơ 12 66 5 17 D -X y lo zơ 65 30 21 D-Fructozơ 3 46 25 26 V ề cơ c h ế hình thành m etyl glucozit (bắt đầu với Ị3-D-gl ucopyranozơ) được trình bày như sau : C H 2O H c h 2o h c h 2o h |3-D-Glucopyranozơ tấn công của oxi vào 2 phía (a) HO -H A ) CH2OH + HA OCH3 OH Metyl P-D-glucopyranozit c h 2o h -H A c h 2o h + HA H C rV ^^Q ho^ ^ - Q . hoV ^ ^ a (b) OHI òhI ỎCH ò ch 3 c Metyl a-D-glucopyranozit H :A Như vậy, glycozit là các dẫn xuất dạng vòng của các đường, được hình thành do nhóm lactol tác dụng với m ột nhóm nucleophin của một phân tử khác và tách đi m ột phân tử nước. N ếu tác nhân nucleophin là nhóm hiđroxyl của một phân tử đường khác thì ta gọi glycozit là holozit, nếu phân tử đường tạo liên kết glycozit với một thành phần không phải là đường, tức aglycon hay genin thì gọi là heterozit. Tên gọi của một heterozit được hình thành như sau : tên aglycon - cấu hình ở cacbon anomeric - dãy D hay L - tên gọ i của đường - kích thước vòng của đường. Thí dụ : 485

c h 2o h c h 2o h OH OCH3 OH 4-Hiđroxiphenyl p-D-glucopyranozit Metyl a-D-glucofuranozit G lycozit là các hợp chất kết tinh tốt, tan trong nước. Các glycozit vòng 5 cạnh xuất hiện phổ biến hơn là chính các monosacarit. Thí dụ, fructozơ và ribozơ tồn tại ở dạng pyranozơ, song các fructozit và ribozit lại có cấu trúc furanozit. G lycozit bền đối với bazơ, nhưng dễ bị phân cắt thủy phân bởi các axit vô cơ loãng thành đường và aglycon. Khi bị thủy phân thì pyranozit bền hơn furanozit. Sự thủy phân glycozit bởi axit là sự đảo chiều của sự tổng hợp glycozit theo Fisơ. CH2OH .. ----------- 7. )V 7—---C-H-- 3 O—H> OCH3 <----------- HO V * * \\ 7^1+ UH h o A ^ ^ - \\ C ò c h ■;3 + CH3OH Metyl p-D-glucopyranozit OH P-D-glucopyranozơ H c h 2o h c h 2o h (b) ~ h2Q òh| ÓH ÒHI+ + h 2o a-D-glucopyranozơ :O r-H p H ;Ỗ -H H Sự phân cắt glycozit được thuận lợi nhờ sự tạo thành một ion glycozyli được bền hóa bởi sự cộng hưởng. Đ iều này cũng giúp giải thích vì sao các xetozit dễ bị thủy phân hơn nhiều so với các anđozit. Các xetozit tạo cation từ m ột nguyên tử cacbon bậc ba, do đó bền hơn cation từ cacbon bậc hai của anđozit. Thông thường m ột nhóm hiđroxyl có mặt ở C2 gây ra do hiệu ứng cảm ứng của nó m ột tác dụng kìm hãm mạnh đến sự thủy phân glycoxit. Các enzym khác nhau cũng thủy phân glycozit m ột cách chọn lọc. Thí dụ : a-glucoziđase là enzym chỉ thủy phân các a - g lu c o z it ; trong khi m ột enzym khác, P-glucoziđase từ hạnh nhân chỉ xúc tác cho sự thủy phân các P -g lu c o zit; hoặc a - và p-galactoziđase chỉ xúc tác một cách đặc hiệu cho sự thủy phân các a-galactozit và P-galactozit tương ứng. Do tính đặc hiệu này mà các enzym rất có giá trị trong việc xác định hóa lập thể của các liên kết glycozit ở các oligosacarit và polisacarit. 486

G Iycozit không có khả năng tự đổi quay và anome hóa bới vì quá trình này xảy ra qua gi.ai đoạn m ở vòng. Tuy nhiên, trong m ôi trường khổng nước, khi có mặt axit Liuyt các anome ankylglycozit (chứ không phải arylglycozit) và đặc biệt là este thì nó có thể chuyển hóa thuận nghịch cho nhau. OAc OAc Metyl 2,3 A 6 -tetra-ớ-axetyl- Metyl 2,3,4,6-tetra-ỡ-axetyl- P-D-glucopyranozit a-D-glucopyranozit Phản ứng tạo thành hỗn hợp anom e của glycozit và tỉ lệ của chúng được xác định bằng y ếu tố nhiệt động học. Ư u th ế là các anome với nhóm ankoxi ở vị trí axial, nghĩa là a -D -g lu co zit. T hí dụ, người ta đã chứng minh rằng, đối với glucozit thì phản ứng xảy ra theo c ơ c h ế đơn phân tử và nội phân tử. Trong thiên nhiên, các gly co zit xuất hiện hết sức phong phú, đặc biệt là trong thực v ậ t; aglycon của chúng thuộc nhiều lớp chất khác nhau. Nhiều thuốc chữa bệnh quan trọng là các glycozit. V anillozit (vanillin-P-D-glucopyranozit) có mặt trong quả tươi của cây vani vói hàm lượng khoảng 2%, am ygđalin (có trong hạt hạnh đắng Prunus amygDaLus) và linamarin (trong củ sắn) là các ơ -glycozit. OH OCH3 Amygđalin Vanillozit ch3 Linamarin Tùy theo nguyên tử liên kết, ngoài ỡ -glycozit vừa nêu, còn có N -glycozit như ở các n u c le o z it; S-glycozit như ở các hợp chất thio tương ứng. Ađenosin, 9-(P-D-ribofuranozyl)- ađenin, là một thí dụ của hợp chất N -glycozit. Các N -glycozit có vai trò hết sức quan trọng, vì chúng là các đơn vị cấu trúc trong các coenzym , nucleotit, axit n u c le ic ,... 487

nh2 h o c h 2 ,0 0H ch2- c h = ch2 hN ^ h H( OH n - 0 - s c >3 Sinigrin V ị cay đặc trưng của bột mù tạc đen là do alyl isothioxianat đượcsinh ra khi thủy phân chất S-glycozit sinigrin bởi enzym myrosinase. m vrosinase Sinigrin - — ----- > CH2 = C H - C H 2 - N = C = s + K H SO 4 + C6H !20 6 Các C -glycozit cần được tách thành một loại riêng vì nó không bị thủyphân. C-glycozit được hình thành bởi sự glycozyl hóa các aren giàu electron. OH Mangiíerin 16.3.2 Phản ứng của nhóm hiđroxyl ancolic M onosacarit và glycozit là các poliol sẽ tham gia tất cả các phản ứng đặc trưng cho ancol. Tuy nhiên, do có sự kết hợp của một vài nhóm chức ancol và nhóm cacbonyl làm cho nhóm - OH của m onosacarit thể hiện một vài đặc tính riêng. Thí dụ nhóm hiđroxyl của monosacarit có tính axit mạnh hơn (so với ancol và glycol) và có khả năng tạo thành ancolat với kiềm và kim loại kiềm thổ và tạo phức với hiđroxylamin của các kim loại ấy. Giống như các ancol thông thường, các phản ứng của nhóm hiđroxyl của đường có thể chia làm ba loại (tất nhiên cũng không thể phân chia m ột cách rõ ràng và chọn lọc đ ư ợ c ): • Phản ứng xảy ra với sự đứt liên kết o - H ; • Phản ứng xảy ra với sự đứt liên kết c - o ; • Phản ứng oxi hóa. Loại phản ứng thứ nhất xảy ra với sự tạo thành dẫn xuất của nhóm hiđroxylmà quan trọng là este của axit hữu cơ và axit vô cơ ; là ete cũng như axetal vòng nhờcác cấu phần điol của đường. Loại phản ứng thứ hai làm thay thế nhóm hiđroxyl este hóa bằng nhóm nucleophin khác kèm theo sự thay đổi cấu hình nguyên tử cacbon mà ở đó xảy ra sự thế. Loại phản ứng thứ ba đòi hỏi bảo vệ tất cả các nhóm hiđroxyl còn lại trừ nhóm cần được oxi hóa. 488

Este Trong cơ thể sống, este của monosacarit và axit photphoric đóng vai trò quan trọng. Từ este của axit ca cb o x y lic, thường gặp là axetat có trong thành phần của các glycozit trợ tim và một vài chất kháng sinh. Trong thiên nhiên, phổ biến là tanin, đó là este của glucozơ (cấu tử ancol) với axit galic và axit đigalic. HO ^o COOH COOH H O Ỷ— V Ỉ -c 0 - / Ì HO HO OH OR Axit M-đigaiic Tanin (R là gốc axit galic hoặc đigalic) A xetyl hóa m onosacarit và glycozit được thực hiện bằng tác dụng của anhiđrit axetic hoặc axetyl clorua trong pyriđin ở 0 - 10°c, cũng như đun nóng với anhiđrit axetic khi có mặt axetat natri hoặc xúc tác axit (axit sunfuric hoặc axit Liuyt). Tùy thuộc vào điều kiện phản ứng sẽ thu được axetat ở vị trí a hoặc p. Chất xúc tác có ảnh hưởng quyết định đến loại anom e hình thành ưu tiên ; với natri axetat khan, các D-monosacarit cho chủ yếu p-anom e, còn với các axit mạnh như axit sunfuric hoặc axit pecloric thì dạng a được ưu tiên tạo thành. Thí dụ : OAc OH OAc o AcO 0A c Ac20 H o\\— Ac20 AcO —\" Qy AcO \\ ÒAc ZnC12 Ac 0 AcO 1 VaOAc OH OAc D-Glucozơ (dạng a, P) P-D-Glucopyranozơpentaaxetat a-D-Glucopyranozơpentaaxetat Thành phần anom e của phản ứng cũng phụ thuộc vào bản chất của monosacarit. Thí dụ đối với D -glucozơ ta có : AcONa, 100°c CH2O A c ỉ - 5 AcÔh > / ° \\ ? Ac O H + 5 A c 20 OH Anhiđrit axetic OAc a - hoặc P-D-glucozơ Penta-0-axetyl-p-D-glucopyranozơ Nhóm axetoxi cũng là một trong các nhóm bảo vệ thông dụng nhất của hóa học cacbohiđrat. Cũng giống như các este nói chung, este của monosacarit bị thủy phân trong m ôi trường axit cũng như trong m ôi trường bazơ để giải phóng nhóm hiđroxyl tự do. Tuy vậy, người ta không dùng phương pháp thủy phân này để loại bỏ nhóm axetyl. Thuận tiện nhất là dùng phương pháp transeste hóa bằng ancol thấp (thường dùng m etanol), ancol này cũng dùng làm dung m ôi. Phản ứng xảy ra toàn lượng ở nhiệt độ phòng khi có mặt xúc tác ancolat hoặc trietylamin : 489

CH3OH, CH3ONa - AcOCH3 Penta-ỡ-axetyl-D-glucopyranozơ D-glucozơ Trong hóa học cacbohiđrat người ta sử dụng rộng rãi m onoeste của axit suníonic. Hay được dùng nhất là este của axit /?-toluensunfonic (tosylat) và axit metansuníbnic (mesylat). Khác với các este của axit cacboxylic về vị trí phân cắt, ở các este suníonic liên kết c - o bị phân cắt bởi sự tấn công nucleophin : Ọ Ọ vĩ H — c(-—o — S — R H — C — OV—)/) c — R o Este của axit cacboxylic Este của axit suníonic 1 / _____ _ 1 H—c1(\\—0 S 0 2R + Nu ------> H - ệI- N u + RS03 N hờ sự chuyển hóa như thế mà có thể thực hiện thế nhóm hiđroxyl bằng nguyên tử halogen, bằng nhóm azit N 3 để chuyển thành nhóm amino, ... — CH2OTs KF/DMF -> — c h 2f Nal/axeton ■> - c h 2i N a N 3/D M F CH2N 3 H2’ > - c h 2n h 2 Đặc biệt là sự th ế xảy ra theo cơ ch ế SN2 với sự quay cấu hình : H— — OAc AcONa 1T1ĩ UAC + CH3S 0 3Na H — — o s o 2c h AArc nu \" \" TT H— OAc 1T1T UAC Cấu hình D-ribo Natri axetat Cấu hình D-xylo Sự tạo thành metyl ete Trong phản ứng tạo thành glycozit, các nhóm hiđroxyl khác không bị tấn công. Các nhóm hiđroxyl này có thể chuyển thành metyl ete bằng cách cho glycozit tương tác với đim etyl sunfat khi c ó mặt bazơ mạnh, thí dụ natri hiđrua N aH (phương pháp U yliêm xơn). Trong phản ứng này, vai trò của NaH là chuyển m ỗi nhóm -O H (tính nucleophin yếu) thành - O (tính nucleophin mạnh), sau đó ion này tham gia phản ứng SN2 tấn côn g vào cacbon của đim etyl suníat và thế chỗ cho ion sunfat (nhóm đi ra tốt). Lưu ý rằng, dạng anđehit tự do của anđozơ không bền trong các điều kiện bazơ mạnh nên ta thường chuyển các đường thành m etyl glycozit trước khi tiến hành ete hóa. 490

OH c h 2o h V -0 OCH c h 3^ o s o 3c h 3 M etyl glycozit OCH metyl hóa CH30 OCH CH3 O tiếp tục Dẫn xuất pentametyl Cũng có thể nhận được metyl ete từ monosacarit tự do bằng tác dụng của metyl iođua dư khi có mặt bari oxit là chất nhận hiđro iođua, nhưng chú ý rằng trong trường hợp này có thể có phản ứng phụ : CH2OCH 5CH3I BaO OH OCH OH CH3 O a-D -G lucopyranozơ OCH3 M etyl 2 ,3 -4 ,6 -te tr a -ơ -m e ty l-D -g lu c o p y r a n o z it Bởi vì tất cả các nhóm OH trong monosacarit được chuyển thành OCH3 , quá trình này được gọi là pemetyl hóa (metyl hóa tất cả). Các nhóm metoxi trong phân tử sản phẩm ở C2 , c 3. c 4 và c 6 của dẫn xuất pentametyl là nhóm thuộc ete điển hình, có tên gọi là nhóm O-metyl. Các nhóm này rất bền trong axit loãng (để phân hủy ete cần đun nóng với HBr hoặc HI đặc). Nhóm metoxi ở Cj anđozơ lại khác với ete vì nó là một phần của liên kết axetal (thuộc về glycozit) có khả năng bị thủy phân trong môi trường axit. Thật vậy, khi xử lý dẫn xuất pentametyl bằng dung dịch axit loãng sễ thii được 2,3,4,6-tetra-ớ-metyl-D-glucozơ. CHO H— — 0 CH3 nTỊ CH3 O H3 O* CH3 O LH3 U CH3 O OCH h 20 c h 30 nĩ ĩ UClt3 ĩĩ OU lĩiĩ 11 Dẫn xuất pentam etyl (:h 2 o c h 3 2,3,4,6-Tetra-0-metyl-D-glucozơ Sự metyl hóa là một phương pháp có giá trị để xác định kích thước vòng axetal trong một glycozit, đặc biệt quan trọng đối với việc xác định cấu trúc các oligo- và polisacarit. Việc kết hợp phản ứng metyl hóa và thủy phân với sự phân tích tiếp theo sản phẩm thủy phân mang tên gọi phương pháp metyỉ hóa. Bằng phương pháp này mà Hauôt lần đầu tiên đã chỉ ra rằng monosacarit có cấu tạo pyranozơ. Sản phẩm metyl hóa và thủy phân D-glucopyranozơ rồi oxi hóa chuyển thành dẫn xuất của axit glutaric không quang hoạt. 491

Nếu là D-glucofuranozơ thì sẽ tạo thành 2,3,5,6-tetra-ơ-m etyl-D -glucofuranozơ, sau khi oxi hóa sẽ thu được dẫn xuất của axit tactric quang hoạt. CHO H— 0 CH3 COOH n\\^1ĩÌ3 nW ĩĩ [0] H— — OCH ỊnT TỊ 11 nU Umrlì CH 3O — H n ĩ ĩ H— — OCH c: h 2o c h 3 COOH Axit tri-ơ-metylglutaric 2,3,4,6-Tetra-ỡ-metyl-D-glucozơ COOH H- - OCH3 C H ,0- -H COOH Axit đi-ơ-metyl-L-tactric Benzyl ete và trityl ete là rất lý thú đối với hóa học tổng hợp cacbohiđrat để làm nhóm bảo vệ. Cho benzyl bromua và bazơ tác dụng với monosacarit ta nhận được benzyl ete. Trong phản ứng này nhóm ancol bậc một phản ứng nhanh hơn nhiều so với nhóm ancol bâc hai, chúng bền trong điều kiện thủy phân nên có thể được dùng làm nhóm bảo vệ và dề dàng bị loại bỏ để chuyển thành nhóm hiđroxyl khi hiđro hóa xúc tác. 1 BaO I H + C6H 5CH3 C H - O H + C6H 5CH2Br — c h - o c h 2c 6h 5 Pd > C H - O H hoặc NaH I Hiđroxyl ancol Benzyl bromua Benzyl ete Hiđroxyl tái tạo Sự khác nhau về khả năng phản ứng giữa các nhóm hiđroxyl bậc một và bậc hai còn rõ rệt hơn trong phản ứng tạo trityl ete giữa monosacarit và trityl clorua (triphenyl metyl clorua) trong pyriđin ở nhiệt độ phòng. Gốc trityl lại cũng dễ bị phân cắt bằng cách hiđro hóa xúc -tác hoặc thủy phân bằng axit yếu (đun nóng với axit axetic loãng), trong khi đó các nhổm bảo vệ khác vẫn được bảo toàn. Trityl ete là nhóm bảo vệ quan trọng cho các nhóm hiđroxyl bậc m ộ t: C H 2O T r C H 2O T r C H 2O H pyriđin (CH3C 0 )20 h 2o , CH3COOH AcO - TrOH Anđohexozơ Tr = - C ( C 6H5) 3 Các trimetyl silyl (TMS) ete cũng là các dẫn xuất cacbohiđrat dể bay hơi mà không bị phân hủy, được dùng rộng rãi trong phân tích monosacarit bằng phương pháp sắc ký khí và khối phổ. Chúng được điều ch ế bằng cách cho monosacarit tác dụng với tác nhân silyl hóa khác nhau như trim etylclosilan (CH3)3SiCl hoặc hexam etylđisilylazan (CH3)3SiNH Si(CH 3 )3 . 492

CHoOTMS + (CH3)3SiCl TMSO OTMS TMS = - Si(CH3)3 OTMS Sự tạo thành axetal vòng và xetal vòng Tương tự 1,2-đ iol hoặc 1 ,3-điol, các c/s-điol của monosacarit hoặc các dẫn xuất của chúng c ó thể tác dụng với hợp chất cacbonyl cho axetal hoặc xetal vòng, được gọi là dẫn xuất ankyỉiđen. N ếu các 1,2-điol tham gia phản ứng sẽ tạo thành axetal vòng 5 cạnh (các 1,3-đioxolan) ; với sự tham gia của 1 ,3-điol thì sẽ tạo thành axetal vòng 6 cạnh (các 1 ,3 -đ io x a n ): ------- > H- 0\\ CK 1o1 OH H- nH O H OH T11T O H H- Mảnh monosacarit + 0 =c H+ Vòng 1,3-đioxolan N - h 20 Anđehit ------- > H- °\\ hoậc xeton H- OH^C \\ H cr Vòng 1,3-đioxan Hợp chất cacbonyl thường được dùng là axeton và benzanđehit. Vấn đề được quan tâm nhất là khi nào tạo thành axetal vòng 5 cạnh và khi nào tạo thành vòng 6 cạnh. Người ta nhận thấy rằng với axeton thì nhận được các axetal vòng 5 cạnh, còn benzanđehit cho vòng 6 cạnh. Thí dụ D -glucozơ phản ứng ở dạng furanõzỡ cố thể tậở thành hai nhóm axetal: c h 2o h aw o - CHỐ H ,sa X O H + 2(C H 3)2CO l,2:5,6-đi-ỡ-isopropyliđen-a-D-glucofuranozơ (58%) Sở dĩ không tạo thành vòng 6 vì ở vòng đioxan của axetal xuất hiện tương tác 1 ,3 -đ ia x ia l: H O -\\ c h 3c o c h ; H+ Òr o r 493

Với anđehit thì gốc phenyl có thể định hướng equatoriaỉ nên sinh ra được vòng đioxan bền vững : H c h 2o h o o i2 c — —ch 2 ỵ 7 ir ° \\< 0 1 1 > + g , h íc h o - -2 > c „ h ,c h / o h> c-ìHí h o V ^ t A H Ó >------- f ỏ C H 3 X Ó NI------- Ị OCH3 ^ H 0CH OH OH 3 Metyl a-D-glucopyranozit Metyl 4,6-ớ-benzyliđen-a-D-glucopyranozit (60%) Nhóm isopropyliđen là nhóm bảo vệ hầu như lý tưởng cho hai hoặc bốn nhóm hiđroxyl ở các đường khử. Các nhóm axetal khá bền trong điều kiện trung tính hoặc bazơ, chúng được loại bỏ bằng cách thủy phân trong điều kiện axit nhẹ. N hóm benzyliđen cũng là nhóm bảo vệ thông dụng cho hóa học cacbohiđrat, nó có thể được loại bỏ bằng cách thủy phân, hiđro phân, khử hóa hoặc oxi hóa. Phản ứng với Cu(OH) 2 tạo thành hợp chất phức Tương tự poliancol, các m onosacarit phản ứng với Cu(O H )2 trong m ỏi trường kiềm ở nhiệt độ phòng cho dung dịch hợp chất phức màu xanh lam. Phản ứng tạo ete nội phân tử Sự tách nước nội phân tử dẫn đến sự tạo thành các anhiđrit đường (do nhóm hiđroxyl ancolic và nhóm hiđroxyl glycoziđic) hoặc các đường anhiđro (đường khan, do hai nhóm hiđroxyl an colic). Đ ại diện quen biết nhất của anhiđrit đường là chất 1.6-anhiđro-D -glucopyranozơ được hình thành khi chưng cất khan tinh bột hoặc xenlulozơ. Đường anhiđro có thể tồn tại ở dạng vòng ba cạnh hoặc năm cạnh, thí dụ gốc 3 .6 -a n h iđ ro -L -g a la cto zơ : CH2----o HÓn ------- ( Gốc 3,6-anhiđro-L-galactozơ OH 1,6 -Anhiđro-D-glucopyranozơ Phản ứng oxi hóa ở monosacarit, nhóm hem iaxetal dễ bị oxi hóa nhất, vì vậy để tiến hành oxi hóa nhóm hiđroxyl ancolic cần phải xuất phát từ glycozit hoặc các đẫn xuất khác với sự bảo vệ trung tâm anom eric. Chỉ có nhóm CH2OH của glycozit chịu o x i hóa xúc tác chọn lọc để tạo thành dẫn xuất của axit uronic, từ đó sinh ra axit uronic mà trong dung dịch sẽ nằm cân bằng với lacton của nó.

OH OH OH OH phenyl a-D-gluco- Phenyl a-D-gluco- Axit D-glucuronic D-glucurono-6,3-lacton pyranozit pyranurrozit Các chất oxi hóa còn lại tác dụng không chọn lọc và khi muốn oxi hóa nguyên tử cacbon xác định nào đó thì cần phải bảo vệ các nhóm hiđroxyl còn lại. Trong sơ đồ điều ch ế vitam in c, để oxi hóa nhóm CH2OH bên cạnh nhóm c = o của L -socbozơ thì phải khóa các nhóm OH ở C2 - C3và c 5 - c 6 (hình. 16.9). C H 2O H OH ĩ r C H 2O H 2(CH3)2CO co ĩl iĨuO H T1T1 OH HO H H H OH VJ HO H c h 2o h L-Socbofuranozơ c h 2o h L-Socbozơ COOH V... 2 c h 2o h \\ COOH 1 = 0 \\ uH c nỊ 1 O x un H HO — — H H+ \\nJ HV C H 3 1ĩ 1ĩ Ị Ỵ1 uO nĩ ĩ Í T11Ị n Ĩl Ĩi Ou .0 CH, c: h 2o h (II) (III) (I) o=c o=c C H 2O H Axit L-ascocbic TH4O0 c=o 1 1Ị1T H HO —c ĩ TO o ĩ H HO —c H- - o - c h 2o h H O - -H CH2OH Hình 16.9 Sơ đồ tổng hợp axit ascocbic (vitamin C) 33- H H C T 2 495

16.3.3 Phản ứng của nhóm cacbonyl Phản ứng tạo osazon Phản ứng của các monosacarit với phenylhiđrazin đã từng là m ột trong những phản ứng quan trọng nhất của hóa học cacbohiđrat (Fisơ, 1884). Đầu tiên nhóm cacbonvl phản ứng như bình thường với một phân tử phenylhiđrazin để cho phenylhiđrazon. Trong dung dịch axit yếu (axit axetic), phản ứng chạy tiếp với phenylhiđrazin dư để cho sản phẩm gọi là osazon. Tổng cộng 3 mol phenylhiđrazin phản ứng với một mol monosacarit theo một tiến trình như sau (V âygan (W eygand), 1940): H H /H 1 1 cl C= N -N H -P h C = N — N H — Ph 10 + H2N —NH— Ph I + H2N —N H —Ph I H -C -O H - PhNH2, - NH 3 „ „ > H -C -O H c=o R - h 20 I D-Glucozơ 1 R R Phenylhiđrazon Ozonhiđrazon H N H -P h ĩ ì C= N -N H -P h N. + H2N -NH_ p h I HC H -------- —------- > C = N —N H — Ph II - H 20 I cN R RN Ph Osazon Cấu trúc chelat R = CHOH - CHOH - CHOH - CH2OH Cơ chế phản ứng tạo osazon : (H^A HH rĩc h = n - n h - c 6h 5 I J -C 6H , C H t-N t N Ai H -C OH tautome hóa c 6h 5n h 2 C -0 -H 1 ^-:A Hợp chất được tạo thành từ anđozơ CH=NH + 2C6H5NHNH c h = n n h c 6h 5 ĩ c= 0 c = n n h c 6h 5 + n h 3 + h 20 i Phản ứng trên dừng ở giai đoạn tạo osazon, tức là m ột bis(phenylhiđrazon), mà không tiếp diễn với các nhóm - CHOH - tiếp theo vì dưới dạng chelat, osazon được bền hóa bởi cầu hiđro nội phân tử. Các osazon được đùng vào việc đặc trưng và nhận dạng các đường, thông qua nhiệt độ phân hủy và dạng tinh thể của chúng. Sự tạo thành osazon đã làm biến mất trung tâm bất đối C2 trong anđozơ, do đó các m onosacarit epime như D-glucozơ, D-mannozơ và D-fructozơ cho cùng một osazon. V iệc tạo thành osazon còn giúp ích cho việc xác định cấu hình của các đường. 496

Khi cho phenylosazon tác dụng với benzanđehit ta được hợp chất 2-xetoanđozơ gọi là oson. Thí dụ : CH = N — NHPh CHO I I = 0 C = N -N H P h c HO -H + 2C6H5CHO HO - H H -O H - 2PhCH = NNHPh H -O H H -O H H -O H C H 2O H c h 2o h D-Glucozơ oson D-Glucozơ phenylosazon Phản ứng oxi hóa Ở anđozơ, nhóm anđehit là vị trí nhạy cảm nhất. Khi dùng các chất oxi hóa yếu như brom trong dung dịch đệm có pH từ 5 4- 6, sản phẩm là các axit anđonic, thí dụ D -glucozơ cho axit D-gluconic : CHO c:o o h H — — OH 1ĩ1T Ou nĩĩ ỊnJ uf \\ nỊ_r [0] Ĩrl4v0J 11 ỴnỴ UO nĩ ĩ TT vnJĩi1ĩ ĩnĩ - UnỈu1 H — — OH (:h 2o h c:h 2o h D-Glucozơ Axit D-gluconic Tương tự các axit Ỵ- và ỗ-hiđroxicacboxylic, các axit onic nêu trên dễ tách nước để tạo thành các y- hoặc S-lacton với sự ưu tiên tạo thành Ỵ-lacton : COOH H OH HO H H OH H OH C H 2O H Ỵ-Lacton của axit D-gluconic Axit D-gluconic Sự dễ bị oxi hóa của các anđozơ đã được sử dụng cho nhiều phương pháp phân tích đường cổ điển được áp dụng trước đây, như thuốc thử Tolen, thuốc thử Felinh. Dung dịch Tolen chứa ion phức bạc amoniacat, thuốc thử này cho kết tủa A g khi o x i hóa anđozơ. CHO COOH -O H H -O H -H - H Ag(NH3) ĩ OH H O -O H + A gị -OH OH (thuốc thử Tolen) H OH H C H iO H C H 2O H 497

Phản ứng này cũng dùng cho các xetozơ vì thuốc thử có m ôi trường kiềm loãng, trong môi trường này xetozơ được chuyển thành anđozơ và cho phản ứng với Tolen : H OH Ho 0’ CH2OH OH. cc C -O H 1 OH, I Ag(NH3)2OH I H C -O H c= 0 > H -C -O H + A gị R I Enđiol R R Anđozơ R Xetozơ Dung dịch Felinh chứa ion phức của đồng tactrat, thuốc thử này cho kết tủa màu đỏ gạch của Cu20 khi oxi hóa anđozơ và xetozơ. Các cacbohiđrat khử được thuốc thử T olen được gọi là đường khử. Các axit anđonic cũng là các hợp chất đầu quan trọng để tổng hợp các xetozơ cao hơn cũng như để thoái biến thành các anđozơ thấp hơn. Trong trường hợp nhóm chức anđehit được bảo vệ, chẳng hạn như trong các g ly co zit thì có khả năng xảy ra sự oxi hóa chọn lọc nhóm chức ancol bậc một và sản phẩm tạo thành sẽ là các axit uronic. Sự oxi hóa có thể được thực hiện bởi đinitơtetroxit, hoặc bởi oxi và platin làm chất xúc tác. Thí dụ : CHO OCH H+ H — — OH HO OCH ĨrĨiOu on OH H ,0 T1T1 - OU Iĩ ĩ1 un rvmjn Metyl D-glucozit c:o o h Axit D-glucuronic Các axit này có ý nghĩa lớn trong các quá trình giải độc ở các động vật có máu nóng. Các chất lạ đối với cơ thể liên kết với axit glucoronic ở C] dưới dạng các glucozit (ancol, phenol, thiol hoặc amin thơm) hoặc este (các axit thơm), hoặc ở c 6 dưới dạng este (phenol) rồi được thải ra trong nước tiểu. Các axit uronic còn là thành phần của nhiều polisacarit như các glycuronan và các mucopolisacarit. Với các tác nhân oxi hóa mạnh hơn, thí dụ axit nitric đậm đặc, thì ở anđozơ không chỉ nhóm anđehit mà cả nhóm ancol bậc một cũng bị oxi hóa thành nhóm cacboxyl. Sản phẩm là các axit anđaric, thí dụ D-glucozơ cho axit D-glucaric, D-mannozơ -» axit mannuric và D -galactozơ —> axit galactaric. COOH COOH c:o o h H OH HO H ĩĩ un HO H HO H 11 n H OH H OH ĩnĩ H OH H OH nU - un nu ĩĩn 1 11 COOH COOH c:o o h Axit D-glucaric Axit D-mannaric Axit galactaric (m eso) 498

G iống như các axit anđonic, các axit anđaric cũng dề dàng tạo vòng lacton, thậm chí thông thường chúng tồn tại dưới dạng các đilacton, như trường hợp 1,4 : 3,6-đilacton của axit glucaric. o OH 0^ 1 U0 H„ l 0 o V. H- OH H11 J1 1,4 : 3,6-Đilacton HO- H 2Ho của axit D-glucaric OH 3 uO nĩ ĩ H- OH í lI iI ‘ H o o u5 HO' 1 11 6^ 0 Các axit anđaric chứng tỏ là hữu ích trong việc giải cấu trúc của các anđozơ. V ì hai đầu của mạch cacbon là các nhóm cacboxyl đồng nhất, nên với cấu hình tương đối được xếp đặt phù hợp của các trung tâm lập thể thì có thể tồn tại các hợp chất meso. Thí dụ axit galactaric là m ột hợp chất m eso, điều này giới hạn số cấu trúc cần xem xét xuống còn 4 trong số 16 anđohexozơ có thể có. ở các điều kiện thích hợp có thể xảy ra sự oxi hóa chọn lọc m ột nhóm hiđroxyl bậc hai của m onosacarit và nhóm hiđroxyl axiaL có thể bị oxi hóa trước nhóm hiđroxyl equaĩorial. Thí dụ khi o x i hóa m etyl a-L-arabinopyranozit bằng P t/0 2 ta thu được xeton sau : HO Pt/02 OCH OCH ÒH Metyl a-L-arabinopyranozit òh Phản ứng khử hóa Khi khử nhóm cacbonyl của monosacarit ta nhận được poliancol, còn được gọi là ancol đường. Tác nhân khử hóa là hỗn hống natri trong dung dịch axit loãng, natri bo hiđrua hay hiđro với chất xúc tác platin. Tên của các hợp chất loại này có đuôi itoL. Thí dụ D-glucozơ và L -gulozơ bị khử hóa thành D-socbitol, D-m annozơ thành D-mannitol và D-galactozơ thành dulxitol. CHO C H 2O H C H 2O H H — — OH HO — — H H OH H OH H -O H HO — — H HO H HO H HO - H H — — OH H OH H OH H -O H H OH H OH H -O H C H 2O H c h 2o h CHO c h 2o h D-Glucozơ D-Socbitol D-Gulozơ Dulcitol (m eso) 499

Khi khử nhóm cacbonyl của xetozơ thì hình thành một nguyên tử cacbon bất đối xứng mới và do đó có m ột cặp đồng phân lập thể không đối quang, thí dụ từ fructozơ ta sẽ nhận được D -socbitol và D-mannitol : Rn Ou c:h 2o h + 2H CHoOH + 2H C H 2O H nu Ti lĩ cĩ= o H OH 1T1Ị 1Ị HO H un HO - H n H OH H -O H H OH Oĩĩ H -O H U íl c:h 2o h c h 2o h c h 2o h D-Mannitol D-Fructozơ D-Socbitol D -S ocb itol xuất hiện với hàm lượng cao trong quả thanh trà. N ó được điều chế công nghiệp bằng cách hiđro hóa xúc tác hoặc khử hóa điện phân D -glucozơ. Socbitol được dùng làm chất ngọt cho người bị bệnh đái tháo đường, làm thuốc nhuận tràng nhẹ và là một thành phần của các dịch rửa dùng trong khoa niệu. N ó còn là nguyên liệu đầu để tổng hợp axit ascocbic (vitam in C) và điều c h ế 1,5-anhiđro-D -socbitol, một nguyên liệu để sản xuất các chất làm ẩm và nhũ hóa. D-Mannitol xuất hiện trong nấm, rong tảo, được điều chế bằng cách epime hóa D-g]ucozơ trong môi trường kiềm rồi khử hóa xúc tác hoặc điện phân. N ó cũng có thể được điềư chế bằng cách hiđro hóa D-fructozơ và kết tinh phân đoạn hai hexitol được tạo thành. Mannitol cũng được dùng làm thuốc lợi tiểu để chữa chứng vô niệu là một tác dụng phụ của phẫu thuật. meso-Xylitol được điều chế bằng cách hiđro hóa xúc tác D-xylozơ, sản phẩm thủy phân của xylan (lõi ngô, bã mía ...)• Do không gây sâu răng, ttỉé^o-xylitol được dùng rộng rãi trong kẹo cao su. Phản ứng tạo azometin Các đường khử phản ứng với arylamin (A rN H 2) thành các azom etin, các chất này là các dạng hỗ biến của các N -glycozit tương ứng. Dưới tác dụng của axit, chúng chịu sự chuyển vị Am ađori, tương ứng với sự chuyển vị của các đường tự do trong m ôi trường bazơ để thành các arylaminohexulozơ : CHO H -C = N -A r H -C -N H -A r CH2— NH—Ar H- - O H H- OH H- OH cL=0_ H *H O - H HO H H2N - Ar^ HO OH OH h; ho -H OH H -O H H OH - H20 H H H -O H H H OH H C H 2O H c h 2o h c h 2o h c h 2o h Ở nhiệt độ cao, các đường khử cũng phản ứng với các a-am ino axit, thí dụ với lysin, làm cho am ino axit thiết yếu này bị mất giá trị bởi phản ứng Maya. Trong tiến trình của phản ứng M aya này một số sản phẩm có màu nâu được tạo thành, gây ra màu và mùi của nhiều thực phẩm, thí dụ mùi của bánh m ì vừa nướng. Phản ứng M aya cũng đóng một vai trò trong sự làm đục thủy tinh thể ở bệnh nhài quạt. 500

16.3.4 Các phản ứng liên quan đến mạch cacbon Phản ứng nôi dài mạch cacbon V iệc tổng hợp nối mạch (tăng mạch) các monosacarit được đề cập ỏ đây là sự cộng hợp axit xianhiđric để tạo thành xianhiđrin, sau đó qua một dãy chuyển hóa thu được m onosacarit tãng thêm một nguyên tử cacbon. Phương pháp này được biết đến dưới tên gọi tổng hợp Kiliani - Fisơ (Kiliani - Fischer). Thí dụ, D-arabinozơ cộng hợp HCN để cho xianhiđrin tương ứng. Ở đây hình thành hai đồng phân lập thể không đối quang chỉ phân biệt nhau bởi cấu hình ở C2, tức ở trung tâm lập thể mới, với các lượng không bằng nhau (trong m ôi trường axit hình thành chủ yếu nitrin của axit D -m annonic, trong m ôi trường kiềm thì tạo thành nitrin của axit gluconic). Theo phương pháp kinh điển, xianhiđrin được thủy phân rồi lacton hóa, nói chung là tạo y-lacton, sauđó khử bằng hỗn hống natri ở pH = 3, trong thí dụ này ta nhận được D -glucozơ và D-mannozơ. H iện nay xianhiđrin được khử trong dung dịch nước, trên chất xúc tác palađi (sơ đồ ở hình 16.10), hoặc các boran thế hoặc điisobutylalanat (DIBAH). C— N C =N COOH COOH CH =0 H OH HO H H OH HO H HO H HO H HCN HO H HO H H,0 + HO H H OH H OH > H OH H OH H OH H OH H OH H OH H OH H OH C H 2O H c h 2o h c h 2o h c h 2o h c h 2o h D-Arabinozơ Hai xianohiđrin Hai axit anđonic H2O ị Pd/H2S 0 4 t ° ị h 2o o o% CH=NH C H = NH H OH HO -H H OH o HO H o HJ HJH OH H -O H HO H HO - H HO + HO H o— H o— H OH H -O H H OH H OH C H 2O H c h 2o h c h 2o h c h 2o h Hai imin CHO Hai Ỵ-lacton H-,0+ |____ I Na/Hg ị CHO H OH HO H HO H HO H + H H OH OH H OH H OH C H 2OH C H2OH D-Glucozơ D-Mannozơ Hinh 16.10 Tổng hợp glucozơ và mannozơ từ arabinozơ 501

Như vậy, từ một anđozơ hình thành một cặp anđozơ epim e mới với khung cacbon dược nối thêm một nguyên tử cacbon so với hợp chất đầu. Sự tổng hợp xianhiđrin là thí dụ đầu tiên cho sự tổng hợp bất đối xứng có định hướng. Ngày nay phương pháp này vẫn còn là một trong các phương pháp thích hợp nhất để tổng hợp các monosacarit từ monosacarit, đặc biệt là để tổng hợp các chất có cacbon đánh dấu bằng 14c đều được thực hiện bằng con đường tổng hợp xianhiđrin với HI4 CN. Các phản ứng làm giảm mạch cacbon Mạch cacbon của monosacarit có thể được cắt ngắn theo một số phương pháp sau : Thoái biến R uff Trong phương pháp này phải oxi hóa anđozơ cần thoái biến thành axit anđonic bằng nước brom, sau đó m uối canxi của axit này phản ứng với H20 2 trong sự có mặt của sắt (III) axetat thu được a-xetoaxit, axit này dễ bị đecacboxyl hóa tạo thành anđozơ có ít hơn một nguyên tử cacbon so với anđozơ ban đầu, thí dụ từ D -glucozơ sinh ra D-arabinozơ. Vì tính bất đối xứng của C2 bị mất đi do sự oxi hóa nhóm hiđroxyl thành nhóm cacbonyl, nên hai epim e cho cùng một sản phẩm thoái biến, nghĩa là D-mannozơ cũng bị chuyển thành D-arabinozơ (hình 16.11). CHO C O C f]2Ca2+ H — — OH Br- CaCO H — — OH h 20 2 HO — — H nĩ 1u0 1T1Ị F e(C H ,C O O ), ĩ11Ị OUTI 1ĩ H — — OH ỉ1 1ĩ Plĩ Ị1 H— — OH COOH I (:h 2o h CH2OH HO c= o HO CHO —> H -H D-Glucozơ Cunxi D-gluconat -H C02 H -O H H -O H H -O H CHO C O O ~ ]2Ca2 + -O H HO H HO — — H h 20 2 CH2OH c h 2o h HO H Br- HO— — H Fc(C H 3C O O )3 D-Arabinozư H OH H 2o H — — OH H OH H — — OH c h 2o h c h 2o h D -M annozơ Canxi D-mannonai Hình 16.11 Thoái biến glucozơ và mannozơ theo phương pháp Ruff Thoái biên Vôn (Wohl) Thoái biến Vôn là sự đảo chiều của phương pháp tổng hợp K iliani - Fisơ. Dưới tác dụng của hiđroxylam in, các anđozơ chuyến thành anđoxim ; khi đun nóng với anhiđrit axetic anđoxim chuyển thành anđonitrin bị axetyl hóa hoàn toàn. Khi bị đun ấm với một dung dịch bạc oxit trong amoniac, các anđonitrin này phân cắt axit xianhiđric cùng với sự thủy phân các nhóm axetyl. dẫn tới sự tạo thành một anđozơ có ít hơn một nguyên tử cacbon. Thí dụ, từ D -ribozơ (anđopentozơ) chuyển thành D-erythrozơ (anđotetrozơ) được dẫn ra ở hình 16.12. 502

CHO CH=NOíI C —N C —N O H N I l2OH -O H 4Ac20 O A c CHi0Na OH CH,ONa CHO -O H .. ......—? O A c — -------> OH OH -O H OAc CHC1’ OH OH h 2o OH OH c h 2o h CH2O Ac CH2OH_ CH2OH CH2OH D-Ribozơ D-Erythrozơ Hình 16.12 Thoái biến ribozơ theo phương pháp Vôn Như vậy, phương pháp thoái biến Vôn được áp dụng để cắt ngắn mạch cacbon cho cả anđohexozơ và anđopentozơ ; còn phương pháp thoái biến Ruff ít được áp dụng để chuyển anđopentozơ thành anđotetrozơ vì hiệu suất thấp. Cách cải biến của Zemplen là tiến hành phân cắ t nhóm nitrin bằng natri metylat trong clorofom đã cho hiệu suất cao hon (60 - 70%). Thoái biến Verơinan (Weermann) Phương pháp thoái biến Verơman (thoái biến amit của axit anđonic) là một biến thể của sự thoái biến các amit của axit cacboxylic theo Hopman. Amit của axit anđonic được thoái biến nhờ axit hipoclorơ. Thí dụ từ D-glucozơ, thông qua sự thoái biến của D-gluconamit ta nhận được D -arabinozơ : o N=c=0 \\ nh2 H— —O H - HNCO CHO ĩ ĨO H OH ỉTỉ1 HO H HO H HOC1 ĩr lT H OH nU il lĩ H OH Na2CO T11ĩ H OH UO ĩl lĩ CII2OII H OH (:h2oh D-Arabinozơ ch2oh D-Gluconamit Phản ứng oxi hóa cắt mạch cacbon bằng axit peiođic O xi hóa bằng axit peiođic dùng để xác định cấu trúc của cacbohiđrat, đặc biệt là để xác định kích thước của vòng glycozit. Hãy nhớ lại rằng, axit peiođic cắt liên kết cacbon - cacbon của glycol trong phản ứng là do tạo thành este peiodic vòng. Trong phản ứng này iođ hóa trị VII của axit peiođic bị khử xuống iođ hóa trị V của axit iođic : -C -O H OH OH c=0 -C -O H HO o -C -O s 'J>0 c = o + h3io4 1,2-Điol + iC H2° > —c - o Ị OH Axit iođic HO , j OH OH 1 OH Axit peiođic Este peiođic vòng Axit peiođic cũng cắt liên kết cacbon - cacbon của a-hiđroxixeton và a-hiđroxianđehit th eo cơ ch ế tương tự. T hí dụ : 503

ọ ỌH H5I 0 6 OH^ axit cacboxylic R —c11 R - C - O HI 1{ + h 3i o 4 1 + h 20 <— =± 1 R -C = 0 R-C-OH H-C-OH R -C = 0 1 1 K anđehit H R a-Hiđroxi xeton Hợp chất trung gian hiđrat hóa H H H c fomanđehit 1 + H 3I 0 4 H -C -O H I i 1 H -C -O H h 5I0 6 H -C = 0 c=0 + H 20 < = > 1 H 0-C=0 HO-C-OH R R axit cacboxylic a-Hiđroxi xeton Hợp chất trung gian hiđrat hóa ọ ỌH OH axit fomic + H 3I 0 4 H - Cĩ H - C - O H1 h 5i o 6 1K 1 + h 20 <= »ĩ H -C = 0 H-C-OH H-C-OH H -C = 0 1 1 anđehit R R a-Hiđroxi anđehit Hợp chất trung gian hiđrat hóa Khi sử dụng phản ứng này cho hóa học cacbohiđrat, ta thấy rằng sự oxi hóa metyl P-D -glucozit tiêu tốn 2 m ol axit peiođic và sinh ra một phân tử axit fom ic. Sự hình thành axit fom ic chỉ xảy ra khi có 3 nhóm O H đính với 3 nguyên tử c liền nhau như thí dụ sau : 1u1 1 H I = 0 o T1T1 O Ĩ T H -C = 0 -C 1Ị J1 u n H-C = 0 ĩ * + H -C -O -H ĩ H-C = 0 H -C -O H 1 Đ iều này chứng tỏ rằng m etyl ị3-D-glucozit tồn tại ở dạng pyranozit. Axit peiođic 2 H 5I O , H OCH tấn công vào OCH I CHoOH hai liên kết này /OH o 504

M etyl (3-D-fructozit chỉ tiêu tốn l mol axit peiođic và không tạo thành íòmanđehit cũng như axit ío m ic. Như vậy, những nhóm có khả năng bị oxi hóa tồn tại ở các nguyên tử cacbon liền kề nhau chỉ ở m ột vị trí trong phân tử. D o đó fructozit phải có vòng 5 cạnh (fructofuranozit). Axit peiođic chỉ phân cắt liên kết này H O C H A cv OCH3 H O C H ^ .0 ^ OCH3 H N- — / c h 2o h ợT ìts H c c CH2OH ìì 00 Phản ứng lên men Dưới tác dụng của các enzym khác nhau, phân tử glucozơ tham gia vào một số phản ứng lên men tạo thành các sản phẩm cuối cùng như etanol, axit butyric, axit lactic, axit xitric... Thí dụ : - Lên men rượu : enzym 2 C 2H 5O H + 2C02 c 6h 12o 6 > - Lên men butyric : enzym CH3CH2CH2COOH + 2 C 0 2 + 2H 2 c 6h 12o 6 > - Lên men lactic : enzym 2CH3-C H O H -C O O H c 6h 12o 6 enzym Axit lactic - Lên men xitric > c 6h 12o 6 ỌH 1 H O O C -C H 2- C - C H 2- C O O H + 2H 2o COOH Axit xitric 16.4 Một vài m onosacarit thiên nhiên Đa số các cacbohiđrat thiên nhiên đều có cấu hình D, còn L-m onosacarit ít thấy trong tự nhiên, m ặc dù người ta cũng có gặp các đơn vị L-arabinozơ, L-galactozơ trong nhiều polisacarit. Cũng thật kỳ lạ là 20 amino axit tự nhiên lại có cấu hình L, ngược với monosacarit. Trong dung dịch nước, hầu hết các đường hiện diện ở dạng pyranozơ, nhưng nếu kết hợp với một hợp chất sinh học thì thấy đường hay ở dạng furanozơ. 505

16.4.1 Các pentozơ Trong số 8 đồng phân của anđopentozơ, ta cũng chỉ gặp trong thiên nhiên bốn đồng phân, còn trong số bốn đồng phân của xetopentozơ, trong thiên nhiên người ta cũng chỉ gặp hai đồng phân. Các pentozơ có trong thiên nhiên thường tồn tại trong thành phần cấu tạo của polisacarit (C 5H 80 4)n có tên chung là pentozan. Khi thủy phân pentozan bằng cách đun nóng trong m ôi trường axit sẽ thu được pentozơ : (C5H g 0 4)n + nH20 > nC5H 10O 5 Pentozan Pentozơ Các pentozơ được đặc trưng bằng sự tạo thành fufural khi đun nóng với axit vô cơ loãng, dưới đây ta xét m ột số anđopentozơ. D -(-)-R ib ozơ (độ ngọt bằng 0,33 sacarozơ) 31°c,Trong dung dịch nước D-ribozơ hiện diện 21,5% ở dạng a-pyranozơ ; 58,5% P-pyranozơ ; 6,5% a-furanozơ và 13,5% P\"furanozơ. D -R ibozơ là thành phần cơ bản của axit nucleic và các nucleotit của tất cả các tế bào sống. Trong các axit nucleic, D -(-)-rib o zơ ở dạng furanozơ liên kết glycozit với một số dẫn xuất của các dị vòng pyrimiđin, purin và với axit photphoric. N ó có thể được điều ch ế bằng cách thủy phân axit nucleic bằng axit loãng. Trong axit của các tế bào não, người ta tìm thấy m ột sản phẩm khử của ribozơ là 2-đeoxi-D-ribozơ. Ị3-D-Ribofuranozơ P-2-Đeoxi-D-ribofuranozơ OH HO OH cc-D-Ribopyranozơ D -X ylozơ (độ ngọt bằng 0,26 sacarozơ) 31°c,Trong dung dịch nước D -xylozơ hiện diện 36,5% ở dạng a-pyranozơ ; 63% Ị3-pyranozơ ; < 1% a-furanozơ và p-furanozơ. D -X y lo zơ còn được gọi là đường gỗ (có trong thân và lõi bắp n gô, trong rơm rạ và trấ u ...), góp phần tạo ra các m ô nâng đỡ trong thực vật, nó cũng hiện diện m ột lượng rất nhỏ trong cơ bắp của tim và trong nước tiểu. o OH OH > OH ÒH p-D-Xylopyranozơ L-Arabinozơ (độ ngọt bằng 0,37 sacarozơ) Trong dung dịch nước 31°c, D-arabinozơ hiện diện 21,5% ở dạng a-pyranozơ ; 58,5% P-pyranozơ ; 6,5% a-furanozơ và 13,5% p-furanozơ. D-Arabinozơ có trong polisacarit của trực khuẩn Bacillus ; được cô lập từ nhiều loại cây của chi Aloe. 506

-------0 . __ OH HO-V-— \" ° \\ K HV .. 1! HO3 ^ -------- ^ Ò H OAHlt OH OH a-D-Arabinopyranozơ HO ^ OH HO OH OH HC OH HO OH OH OH 1 a-L-Arabinopyranozơ L -A rabinozơ đóng vai trò quan trọng trong thực vật : ở dạng tự do trong lõi các cây tùng bách, là m ột trong các thành phần thường gập của các loại polisacarit phức tạp như hem ixenlulozơ (xyloglucan, glucuronoxylan, arabinoxylan, glucuronoarabinoxylan) ; các loại chất nhầy ; polim e của các dịch tiết thực vật (gôm arabic). 16.4.2 Các hexozơ D -(+)-G Iucozơ (độ ngọt bằng 0,37 sacarozơ) D -G lucozơ còn có tên là đextrozơ (do làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực sang phải), đường nho (do có nhiều trong quả nho chín), đường bắp, đường huyết. Ở trạng thái tự do hoặc kết hợp, D -glucozơ có nhiều trong thiên nhiên, trong thực vật cũng như động vật. G lucozơ là nguồn dinh dưỡng chính của hầu hết các loại tế bào. Trong máu người luôn có hàm lượng D-glucozơ dạng tự do khoảng 0,9 - 1,0 g/Ịịt, nếu cao hơn hàm lượng đó sẽ bị mắc bệnh tiểu đường, nếu thấp hơn sẽ làm cơ thể suy nhược. Trong nước tiểu của người mắc bệnh tiểu đường cũng có glucozơ. Kết tinh D -glucozơ trong nước thu được a -D -glu cozơ . Tùy theo điều kiện tiến hành kết tinh, D -glu cozơ có thể ngậm một phân tử nước (tnc 83°C) khi kết tinh lại trong dung dịch nước ở dưới 30°c hoặc D -glu cozơ dạng khan (tnc 146°C) khi kết tinh lại trong nước ở trên 30°c. Khi kết tinh lại trong đung dịch axit axetic loãng thu được P -D -glucozơ kết tinh (tnc 150°C). Trong tế bào động vật glucozơ được este hóa thành glucozơ-l-photphat, glucozơ-6-photphat hoặc g lu co zơ -l,2-điphotphat và nó có thể tồn trữ dưới dạng glucogen. o a-D-G lucozơ-1-photphat 507

D -(+ )-G alactozơ , tnc 167°c (độ ngọt bằng 0,33 sacarozơ) Trong dung dịch nước 31°c, D-galactozơ hiện diện 30% ở dạng a-pyranozơ ; 64% P-pyranozơ ; 2,5% a-furanozơ và 3,5% p-furanozơ. D -galactozơ ít gặp ở trạng thái tự do trong thiên nhiên, chỉ có trong vài loại trái cây, thường hay gặp trong thành phần cấu tạo của các đisacarit như lactozơ (đường sữa), trisacarit như rafinozơ, heterosacarit như aga-aga, hem ixenlulozơ. D -G alactozơ là m ột trong rất ít loại đường được tìm thấy trong giới động vật : là thành phần thường gặp của glycoprotein và galactan của phổi bò, trứng ếch, ốc sên ; được điểu chế cùng với D -glucozơ bằng cách đun nóng lactozơ với axit sunfuric 2%. Trong cơ thể người và động vật, D-glucozơ đồng phân hóa thành D-galactozơ. L -(-)-G aIactozơ , m ột trong số ít cacbohiđrat dãy L gặp trong thiên nhiên dưới dạng polisacarit, trong alactogen của ốc sên, trong aga và trong các polisacarit khác được phân lập từ tảo biển. Khi thủy phân polisacarit, trong nhiều trường hợp cũng nhận được D -galactozơ. Đ ể loại D -galactozơ, người ta cho hỗn hợp lên m en và chỉ có D -galactozơ bị tác dụng mà thôi. D -(-)-F r u c to z ơ , tnc 102 - 104°c (còn gọi là levulozơ vì quay mặt phẳng ánh sáng phân cực sang trái), độ ngọt của fructozơ bằng 0 ,8 4 sacarozơ, đôi khi được cho là ngọt hơn sacarozơ. D -Fructozơ là m ột xetozơ rất phổ biến trong thực vật, cả ở trạng thái tự do (trong mật ong, trong quả chín ngọt) và trạng thái liên kết trong phân tử đisacarit như sacarozơ, trisacarit như rafinozơ, genxianozơ ; tetrasacarit (stachiozơ) và polisacarit như inulin, fructozan, levan. N ó được điều ch ế dễ dàng hơn cả bằng cách thủy phân polisacarit inulin (trong củ thược dược, củ cải đ ắ n g ...)- Ở trạng thái tự do, D -fructozơ ở dạng pyranoz«. Trong các oligosacarit và polisacarit nó tồn tại ở dạng furanozơ. Mặc dầu ở dạng mạch hở D-fructozơ không có nhóm chức anđehit nhưng vẫn cho phản ứng với thuốc thử Fehlinh, bởi vì trong môi trường kiềm, D-fructozơ đã đồng phân hóa thành D -glucozơ và D -m annozơ qua dạng trung gian enđiol đã nói đến ở trên. D-(+)-Mannozơ Trong dung dịch nước 36°c, D -m annozơ hiện diện 63,7% ở dạng a-pyranozơ ; 35,5% P-pyranozơ ; 0,6% a-furanozơ và 0,2% P'furanozơ. D -m annozơ được tìm thấy trong thực vật khi thủy phân D-m annan của loại cây cọ Nam M ỹ, rong đỏ, m en bia và nó là thành phần của globulin huyết thanh máu. OLICOSACARIT Oligosacarit thuộc loại hợp chất thấp phân tử, cấu trúc của chúng có thể xác định tường tận bằng các phương pháp thông thường của hóa học hữu cơ. O ligosacarit có trong tự nhiên ở dạng tự do cũng như ở dạng hợp chất. Các oligosacarit được tạo thành bởi hai (đisacarit), ba (trisacarit) cho đến khoảng tám đơn vị monosacarit cùng loại hoặc khác loại liên kết với nhau bằng liên kết glycozit (axetal). Đơn giản nhất và phổ biến nhất của 508

oligosacarit ở dạng tự do là đisacarit. Chính vì thế trong phần này được trình bày chủ yếu về đisacarit, và chúng cũng đại diện cho oligosacarit. 16.5 Cấu trúc và danh pháp Hai phân tử m onosacarit liên kết với nhau theo kiểu glycozit, nghĩa là có sự tham gia của nhóm hiđroxyl glycoziđ ic (nhóm hiđroxyl hemiaxetal) của một phân tử monosacarit ở một trong các dạng pyranozơ hay furanozơ, với cấu hình a - hoặc Tùy thuộc vào nhóm hiđroxyl nào của phân tử m onosacarit thứ hai tham gia tạo liên kết glycozit mà ta có thể chia đisacarit làm hai loại. • Đ isacarìt có tính khử, phản ứng loại nước xảy ra giữa một nhóm hiđroxyl glycoziđic và một nhóm hiđroxyl ancolic tạo thành liên kết monocacbony!, trong trường hợp này một nhóm hem iaxetal vẫn được bảo tồn nên vẫn còn tính khử. • Đ isacarit không có tính khử, phản ứng loại nước xảy ra giữa hai nhóm hiđroxyl glycoziđ ic tạo thành liên kết đicacbonyl, trong trường hợp này cả hai monosacarit đều mang nhóm axetal nên không còn khả năng mở vòng do đó không có tính khử. vòng không khử vòng khử Đisacarit khử Đisacarit không khử D o có nhiều kiểu liên kết glycozit và sự đa dạng của hợp phần monosacarit mà sản sinh ra m ột lượng lớn các cấu trúc oligosacarit tự nhiên vầ tổng hợp. T hí dụ, từ hai phân tử D -glu cozơ có thể tạo nên 8 cấu trúc đisacarit khử và tất cả chúng đều đã được tìm thấy và tách ra từ thiên nhiên. Đ isacarit khử phổ biến nhất là lactozơ được cấu tạo từ cấu phần P-D -galactozyl liên kết với nhóm hiđ roxyl c 4 của cấu phần D-glucozơ. Đặc trưng của liên kết này được ký hiệu là p (1 - » 4), trong đ ó con sô' chỉ vị trí của nhóm hiđroxyl tạo thành liên kết còn chữ p là cấu hình của liên kết ấy. cấu phần D -glucozơ C H ,O H CH?OH / liên kết glycozit p (1 —> 4) Lactozơ 509

Đisacarit không khử điển hình là sacarozơ gồm cấu phần glycozit của D-glucopyranozơ và D -fructozơ ở dạng furanozơ. Có thể biểu diễn công thức của sacarozơ theo hai cách sau : c h 2o h /— o OH ĩ -*— liên kết a (1 —>2 ) H Oẩ ÓH c h 2o h c h 2o h /(X CH2O H 0 —o c h 2o h / ỌH 2 OH H <O 5vl /O . — liên kết [3 (2 —M ) \\ HỌ/ 2 OH Y _ / c h 2o h 16.5.1 Danh pháp oligosacarit Đ ố i với nhiều đisacarit thiên nhiên, người ta dùng phổ biến danh pháp truyền thống như lactozơ, mantozơ, xenlobiozơ, sacarozơ... Theo danh pháp hệ thống, đisacarit khử được gọi theo nguyên tắc “glycozyl-glycozơ”, nghĩa là vòng không khử được dùng làm nhóm thế của nguyên tử hiđro của nhóm OH thuộc vòng khử. Thí dụ, mantozơ được gọi là 4-ớ-(a-D -glucopyranozyl)-D -glucopyranozơ. M ột số đisacarit gặp trong thành phần của glycozit ílavonoit được gọi như dưới đây : OH OH OH OH OH OH 2-ơ-Ị3-D-GlucopyranozyI 6 -ơ-a-L-Ramnopyranozyl 2-ỡ-a-L-Ramnopyranozyl D-glucopyranozơ D-glucopyranozơ D-glucopyranozơ Đường không khử được gọi là “glycozyl-glycozyl” và sacarozơ có tên gọi là : a-D -glucopyranozyl- p-D-fruc tofuranozy1. Đisacarit cũng có thể được gọi bằng cách ghi tên các phần monosacarit (phần không khử là gốc) và vị trí của liên kết glycozit giữa chúng. Phương pháp này đặc biệt thuận lợi đối với các cấu trúc phức tạp hơn đisacarit. Thí dụ : 510

3< o T ^ rxo ^ r ^ c OH OH OHI 0-P-DD--GGlluuccooppyyrraanozyl-(l —» 4)-a-D-glucopyranozơ (a-xenlobiozơ) o ớ-a-D-G lucopyranozyl-(l —> 4)-ỡ-a-D-glucopyranozyl-(l —>4)- D-glucopyranozơ (mantotriozơ) Tên gọi các dẫn xuất của oligosacarit (glycozit, ete, e ste ...) có thể dùng tên hệ thống hoặc tên thông thường. Trong trường hợp gọi tên thông thường thì nguyên tử cacbon của vòng khử được đánh số bình thường, còn của vòng không khử thì con số phải thêm dấu phẩy (thí dụ 2 ’). C H 2O H 1 — 0. ọch3 OH o Metyl 4-ỡ-a-D-glucopyranozyl-Ị3-D-glucopyranozit (metyl p-mantozit) OAc l,2,3,6-ỡ-axetyl-4-0-(2'-0-axetyl-Ị3-D-galactopyranozyl)-a-D-glucopyranozơ hoặc 1,2,2’3,6-penta-ỡ-axetyl-a-lactozơ Tên gọi của các oligosacarit cao hơn sẽ phức tạp hơn, cho nên người ta hay sử dụng tên gọi ngắn, theo đó tên của monosacarit được rút gọn thành ba chữ cái (bảng 16.3), độ lớn của vòng được chỉ rõ bởi chữ cái p (pyranozơ) và / (furanozơ), các vị trí kết nối được đặc trưng bằng các chữ số và các liên kết glycozit bởi a hoặc p. 34- HHCT2 511

Bảng 16.3 Ký hiệu của một số monosacarit quan trọng nhất theo IUPAC-IUB M onosacarit Ký hiệu Monosacarit K ý hiệu Glucozơ Glc Fructozơ Fru Galactozơ Gal Ramnozơ Rha Mannozơ Man G lu cozam in G lcN Ribozơ Rib N -axetylglu cozam in G lcN A c X y lo zơ Xyl Axit glucuronic G lcU M ột số thí dụ về công thức ngắn của các hợp c h ấ t : Mantozơ là a -D -g lu co p y ra n o zy l-(l —>4)-D -glucopyranozơ. Công thức ngắn là a -D -G lc p -(l —» 4)-D -G lcp. a-Lactozơ : Ị3-D-Galp-( 1 ->•4 )-a -D -G lcp R u tin ozơ : a-L-Rha/?-( 1 -» 6)-D-Glcp Sacarozơ : a-D -G lcp-(l 2)-P-D-Fru/ Mantotriozơ : a-D -G lcp-(l 4)- a-D -G lc/?-(l-» 4)-D-Glcp 16.5.2 Tautome hóa Các đisacarit khử tồn tại ở dạng anom e a - và (3-, các dạng này có khả nãng chuyển đổi lẫn nhau qua dạng mở, chính dạng này thể hiện tính chất khử. Đ ối với đisacarit có liên kết glycozit-(l -> 4) thì không thể tạo thành dạng furanozơ. a-Lactozơ P-Lactozơ V /i Dạng mở Sacarozơ và các đisacarit không khử khác không bị tautome hóa vì không có nhóm hiđroxyl hem iaxetal. Trong dung dịch chúng không đổi quay, còn đisacarit khử thì có khả năng đổi quay. 512

16.5.3 Cấu dạng Tính chất cấu dạng của oligosacarit xuất phát từ cấu dạng g h ế của monosacarit (4Cj) được xác định bằng sự phân bố không gian tư(*ng đối của các g ố c liên kết. Đ iều này chủ yếu phụ thuộc vào cấu hình của liên kết glycozit, được thấy rõ khi so sánh xenlobiozơ và mantozơ. Trong xenlobiozơ, liên kết |3-glycozit được phân bố equatorial, còn trong mantozơ thì là axial. Liên kết hiđro nội phân tử giữa nguyên tử oxi của vòng với nhóm OH ở c 3 của vòng kia trong phân tử xenlobiozơ được bền hóa bởi cấu trúc thẳng, trong khi đó phân tử mantozơ có khuynh hướng “đẩy ra” . Dưới đây đẫn ra một trong các cấu dạng có thể của mantozơ, trong khi đó cấu dạng cứng nhắc của xenlobiozơ đã được chứng minh bằng thực nghiệm. a-Mantozơ ỉiên kết equatorial P-Xenlobiozơ 16.6 Giới thiệu m ột số oligosacarit Sự kết hợp 1,4 giữa hai phân tử D-glucozơ (liên kết m onocacbonyl) dẫn đến hai đisacarit anom eric, đó là mantozơ với cấu trúc a -g ly co zit và xenIobiozơ với cấu trúc Ị3-glycozit, đó là những đồng phân lập thể không đối quang, chúng khác nhau về cấu hình ở nguyên tử cacbon anom eric. 16.6.1 Mantozơ Mantozơ (đường m ạch nha), 4-ỡ-(a-D -glucopyranozyl)-P -D -glucopyranozơ là một đisacarit có tính khử vì gốc glucozơ thứ hai còn nhóm - OH hem iaxetal tự do nên có khả năng m ở vòng tạo ra nhóm cacbonyl, cho phản ứng dương tính với thuốc thử Fehling, B eaeđict và T ollens. Trước đây người ta cho rằng mantozơ chỉ được tạo thành khi thủy phan tinh bột, nhưng nhiều công trình nghiên cứu gần đây cho thấy mantozơ có trong thành phần của nhiều cơ quan thực vật bậc cao, đặc biệt là trong rễ cây. Trong dung dịch nước, mantozơ tồn tại đồng thời hai đồng phân a-m antozơ có độ quay cực riêng [a ]D = +168° và P-mantozơ [a ] D = + 1 1 2 ° , hai đồng phân này chuyển hóa lẫn nhau theo m ột cân bằng và đạt đến giá trị [ a ] D = + 136°. M antozơ xuất hiện trong các hạt ngũ cố c đang nảy mầm, thí dụ trong nha đại mạch và là sản phẩm trung gian tan trong nước khi thoái biến hóa sinh tinh bột. Dưới tác dụng của axit loãng hoặc enzym a-glucosiđase, mantozơ bị phân cắt thánh hai phân tử D -glu cozơ. M antozơ tác dụng với nước brom cho axit m antonic : 513

c h 2o h c h 2o h ) — — OH (X Mantozơ Axit mantonic Mantozơ phản ứng với phenylhiđrazin tạo thành phenylosazon (m antosazon ): C H 2O H c h 2o h c h 2o h c h 2o h (X -------OH /------ o . ỵ ------ cx OH <------> f(O H HO OH Mantozơ + 3C6H5NHNH2 - Q H 5NH2 - n h 3, - h 20 OH Mantosazon 16.6.2 XenIobiozơ Xenlobiozơ, 4-ỡ-(P-D -glucopyranozyl)-(i-D -glucopyranozơ, là một sản phẩm thoái biến của xenlulozơ, hợp bởi hai phân tử D -glucozơ, là chất p-glucozit tương ứng, có tính khử và có tính quay quang. Khi axeto phân xenlulozơ tinh khiết bằng anhiđrit axetic với sự có mặt của axit sunfuric đặc sẽ nhận được octaaxetat của xenlobiozơ, chất này bị thủy phân bởi kali hiđroxit hoặc natri metylat để cho xenlobiozơ. Dưới tác dụng của enzym em ulsin (P-glucosiđase), xenlobiozơ bị phân cắt thành hai phân tử D -glucozơ. Trong dung dịch nước tồn tại cân bằng a -x e n lo b io z ơ <=> P-xenỉobiozơ ; tương tự m antozơ, xenlobiozơ có tính khử. M ặc dù có cấu trúc gần giống m antozơ nhưng hoạt tính sinh học hoàn toàn khác hẳn nhau : con người không thể tiêu hóa được xenlobiozơ và xenlobiozơ không thể được lên men bằng men rượu, trong khi đó mantozơ được con người tiêu hóa dễ dàng và có thể được lên men bằng enzym. 16.6.3 Lactozơ Lactozơ, 4-ơ-(P-D -galactopyranozyl)-P-D -glucopyranozơ là đisacarit có trong sữa người, sữa bò và hầu hết trong sữa của các loài động vật có vú khác, được sử dụng làm nguồn năng lượng nuôi dưỡng. Hàm lượng lactozơ trong sữa khoảng 2 - 8% tùy vào nguồn 514

nguyên liệu. Trong m ột lít sữa bò có 50 g lactozư. Trong màng ruột có enzym là lactose sẩn sàng thủy phân lactozơ thành glucozơ và galactozơ. Enzym này hoạt động rất mạnh ở trẻ cm , nhưng ở người càng trưởng thành thì hoạt tính của nó càng giảm , biểu hiện qua việc nhiều người lớn tuổi khó hấp thu được sữa, có thể bị tiêu chảy khi uống sữa. Gần đây đã phát hiện ra lactozơ có trong hoa của cây Forsythia suspensa, hàm lượng lactozơ tự do trong hoa này chiếm khoảng 25% chất khô. Lactozơ là đường khử, có tính quay quang và tồn tại ở hai dạng anom e a/|3, độ quay cực riêng của dung dịch lactozơ khi đạt tới trạng thái cân bằng là [o.]q0 = +52,6°. L actozơ cũng là nguồn nguyên liệu để sản xuất phomat, nó được tạo ra trong quá trình lên m en axit lactic bởi vi khuẩn Lactobacille. 16.6.4 Sacarozơ Sacarozơ (đường mía), a-D -glucopyranozyl-P-D -fructofuranozit (hay P-D-fructo- furanozyl-a-D -glucopyranozit) là đisacarit không có tính khử, hợp bởi một phân tử ot-D'glucopyranozơ và một phân tử P-D-fructofuranozơ liên kết với nhau nhờ liên kết <x-l,2-glycozit. Sacarozơ là đường ăn hàng ngày, xuất hiện phổ biến nhất của giới thực vật. N ó có trong hầu hết các trái cây và nước ép của cây (20% trong m ía ; 16 - 17% trong củ cải đường). Sacarozơ bị enzym sucrase thủy phân thành D -glucozơ và D-fructozơ. Enzym investase c ó trong thực vật cũng thủy phân được sacarozơ. V ì fructozơ quay trái (fructozơ có [o.]q° = - 9 2 ,4 °) mạnh hơn glu cozơ quay phải ( [(x]q° = + 52,6°), nên sau khi thủy phân sự quay phải của sacarozơ ( [a]p° = + 66,5°) chuyển thành quay trái, hỗn hợp đường sinh ra được gọi là đường nghịch đảo. Mật ong là đường nghịch đảo tự nhiên. 6 1 Công thức Hauôt và cấu dạng của sacarozơ (sucrozơ) hay là (a-D-glucopyranozyl)-Ị3-D-fructofuranozit 16.6.5 Rafinozơ R a fin o zơ là trisacarit không có tính khử, xuất hiện trong củ cải đường, được cấu thành từ ba đơn vị monosacarit là a-D-galactopyranozơ, a-D -glucopyranozơ và P-D-fructofuranozơ bởi các liên kết a - l , 6-glycozit và a -l,2 -g ly co z it. Rafinozơ có trong nhiều loài thực vật và đặc biệt là trong củ cải đường cùng với sacarozơ. 515

a-Glucopyranozơ P-Fructofuranozơ V._-_-_-_-__-_-_-_-__-_-_-__-_-_-_-__-_-_-_-__-_-_-__-_-_-_-__-_-_-_-__-_-_-__-_-_-_-___y__-_-_-__-_-_-_-__-_-_-_-__-_-_-_-__-_-_-__-_-_-_-__-_-_-__-_-_-_-__-_-_-_-__-_-_-__-_ J Melibiozơ Công thức Hauôt và cấu dạng của rafinozơ hay là a-D-galactopyranozyl(l —> 6 )-a-D-glucopyranozyl P-D-fructofuranozit 16.6.6 O ligosacarit vòng Khi gelatin phân tinh bột bằng enzym xiclođextrin glycosyltransíerase người ta sẽ thu được oligosacarit vòng với tên gọi là a-xiclođextrin (có cấu trúc gồm 6 đơn vị glucozơ) hoặc p-xiclođextrin (có cấu trúc gồm 7 đơn vị glucozơ) hoặc y, ô ... Người ta cũng đã tổng họp được xiclom antođextrin với cấu trúc bao gồm từ 10 đến 13 đơn vị glucozơ. Các xiclođextrin có cấu trúc dạng cầu với khoảng trống bên trong có kích thước khác nhau và tương đối rắn chắc. Các nhóm hiđroxyl của mỗi đơn vị glucozơ hướng ra phía ngoài phân tử, khiến cho mặt ngoài của phân tử có tính ưa nước. N gược lại, lỗ rỗng bên trong của xiclođextrin chứa các nguyên tử oxi glycozic, các nguyên tử cacbon và hiđro làm cho vùng này có mật độ điện tử cao và có tính kị nước. Các xiclođextrin với số chẵn đơn vị glucozơ có tính tan vào nước tốt hơn các xiclođextrin với số lẻ đơn vị glucozơ. 516

HO p OH ó °H oC-lo a-Xiclođextrin p-Xiclođextrin 16.6.7 Các chất ngọt tổng hợp Các đường phân biệt nhau về độ ngọt. Độ ngọt tương đối của glucozơ là 1,00 thì độ ngọt của sacarozơ là 1,45 và độ ngọt của fructozơ, chất ngọt nhất trong số các đường thiên nhiên là 1,65. V iệc phất triển các chất đường tổng hợp cần phải xem xét nhiều yếu tố như độ độc, độ bền rìhiệt, vấn đề giá cả... Sacarin, chất ngọt tổng hợp đầu tiên được nhà hóa học Hoa Kỳ R em sen (Ira Rem sen, 1846 - 1927) điều c h ế năm 1878. Sacarin có độ ngọt gấp 500 lần sacarozơ, 11Ó không có giá trị dinh dưỡng nên được dùng cho người mắc bệnh tiểu đường. Cũng cần chú ý rằng, mặc dầu có tên là sacarin nhưng nó không phải là một sacarit. Sacarin được tổng hợp từ toluen theo sơ đồ các phản ứng sau đây : CH3 CH HSO,CI C S 0 2C1 ^ n r — > f r c) NH >0 s o 2n h 2 s o 2n h 2 H2° so2 Toluen ơ-Toluensunfoclorua ỡ-Toluensunfamit Ỡ-Sunfamit Sacarin (và đồng phân para) của axit benzoic Thường trong thực tế người ta dùng dẫn xuất natri của sacarin, điều chế bằng cách cho sacarin tác dụng với kiềm , vì sacarin có tính axit. Dẫn xuất này rất dễ tan trong nước. Dulcin là chất ngọt tổng hợp thứ hai được phát hiện vào năm 1884. Dulcin được bán trên thị trường m ột thời gian và đến năm 1951 thì ngừng bán vì nó có tính độc. Xiclam at (có độ ngọt gấp 30 lần sacarozơ) và sacarin được dùng ở dạng m uối natri hoặc canxi đã là những chất ngọt được dùng phổ biến một thời (1950). Dùng hỗn hợp xiclamat và sacarin theo tỷ lệ 10 : 1 cho vị ngọt dễ chịu hơn khi dùng từng chất riêng biệt. Tuy nhiên, về sau người ta phát hiện ra rằng hỗn hợp xiclam at và sacarin gây ung thư ở chuột. Vì vậy nhiều nước đã cấm sử dụng xiclam at từ 1970. 517

A spactam là m etyl este của một đipeptit của axit aspactic và phenylalanin, có độ ngọt gấp 100 lần sacarozơ. Aspactam được dùng rộng rãi từ 1980, nhưng có nhược điểm là khi đun nóng nó bị thủy phân chậm thành axit phenylpyruvic. V iệc tích lũy axit phenylpyruvic rất có hại, đặc biệt là đối với trẻ em. Alitam là hợp chất có quan hệ gần gũi với aspactam, nhưng lại có nhiều ưu điểm hơn. N ó ngọt gấp 2 0 0 0 lần so với sacarozơ và bền hơn aspactam. o ọ o NHSOì Na' 1 NH c h 3c h 2o —y ị n h c n h 2 A oo Sacarin Dưlcin Natri xiclamat o oo c o 2h OCCH2CH CNH CH CO CH 3 Ti 1 NH, Aspactam Alitam Sucralozơ Sucralozơ là dẫn xuất triclo của sacarozơ, cũng là một chất ngọt tổng hợp. Giống như aspactam, nó được Cục quản lý thuốc và thực phẩm H oa K ỳ chấp thuận dùng trong thực phẩm. Sucralozơ ngọt gấp 600 lần sacarozơ và có nhiều đặc tính m ong muốn đối với một chất ngọt tổng hợp. Sucralozơ, về bề ngoài và mùi vị giống sacarozơ, bền ở nhiệt độ cao khi đun nấu và nướng ở lò bánh. POLISACARIT Polisacarit là các biopolim e, còn gọi là glycan, bao gồm hàng chục, hàng trăm hoặc hàng ngàn đơn vị monosacarit nối lại với nhau bằng liên kết glycozit, tạo thành mạch phân tử không nhánh hoặc c ó nhánh. Khi tạo thành chuỗi, nhóm hiđroxyl g ly co zit của phân tử này tương tác với nhóm hiđroxyl ancol (thường là ở nguyên tử cacbon số 4, hiếm hơn là ở cacbon số 6 và rất hiếm là ở nguyên tử cacbon sô' 3) của phân tử kia. Như vậy, trong polisacarit các gốc m onozơ được nối với nhau bằng liên kết g ly co zit-g ly co zit; do đó nó có thể được xem là các p oliglycozit. Tương tự các glycozit (các axetal), p oliglycozit có thể bị thủy phân bằng axit hoặc enzym thành các đường đơn giản hơn, đến các m onozơ ban đầu. Các polisacarit được tạo thành từ một loại monosacarit được gọi là homopolisacarit, các polisacarit được tạo thành từ hai hoặc nhiều loại m onosacarit khác nhau và khi thủy phân đến cùng có thể sinh ra những chất phi cacbohiđrat được gọi là heteropolisacarit. Với sự 518

tham gia của pentozơ sẽ tạo thành pentozan như araban từ arahinozơ ; xylan từ xylozơ... Còn khi c ó sự tham gia của h exozơ sẽ tạo thành hexozan ; tinh bột, g ly co g en , xen lu lozơ từ glucozơ ; inulin từ fructozơ. H om opolisacarit tiêu biểu và quan trọng là xenlulozơ, tinh bột, g lycogen ... Heteropolisacarit thường gặp là hemixenlulozơ, aga-aga, pectin... 16.7 Các P-D-glucan 16.7.1 XenIulozơ, poli(l,4-ỡ-P-D-glucopyranozit) X en lu lozơ (C6H 10O 5)n là polisacarit không phân nhánh gồm các gốc p -D -l,4 -g lu c o - pyranozơ liên kết với nhau nhờ liên kết p -(l-> 4 )-g ly co zit; xenlulozơ là p-l,4-glu can . 6 Một đoạn của chuỗi xen!ulozơ X enlulozơ là thành phần chính của thành tế bào thực vật và là cacbohiđrat xuất hiện phổ biến nhất trên trái đất. Nhờ có xenlulozơ mà Gác mô thực vật có tính bền cơ học, tính đàn hồi và tạo thành bộ xương cho tất cả các loại cây. Trong thiên nhiên, xenlulozơ ở dưới dạng sợi nhỏ, được kết hợp chặt lại thành từng bó nhờ liên kết hiđro giữa vô vàn nhóm - OH của các vòng glucopyranozơ. Bông loại tốt là xenlulozơ gần nguyên chất, chứa trên 90% xenlulozơ. G ỗ là xenlulozơ tổ hợp với một số thành phần khác như lignin, hem ixenlulozơ, pentozan... có chứa khoảng 40 - 50% xen lu lozơ và trong thân các cây tre, nứa, trong sợi đay, g a i... Hàng năm, trên trái đất có khoảng 5 .1 0 11 tấn xenlulozơ được sinh tổng hợp và bị phân hủy. Số các mắt xích m onosacarit (đôi khi được gọi là mức độ polim e hóa) đạt đến 1 0 - 1 4 nghìn, ứng với khối lượng phân tử 1,5 - 2 triệu amu (đvC). Các gốc P -D -l,4-glu cop yran ozơ trong phân tử xen lu lozơ nằm ở dạng ghế. X enlulozơ được đặc trưng bởi cấu dạng m ạch đài của cao phân tử, được giữ chặt bởi các liên kết hiđro nội phân tử, tương tự như đã dẫn ra đối với xenlobiozơ, nghĩa là giữa nguyên tử oxi trong vòng của gốc P-D -glucopyranozơ này với nhóm OH của nguyên tử cacbon của g ốc ị3-D-glucozơ kề bên tạo ra liên kết hiđro nội phân tử. N goài ra, các cao phân tử mạch dài khi sắp xếp song song tạo ra các liên kết hiđro liên phân tử, dẫn đến cấu trúc rắn chắc của cá c tinh thể. 519

M ỗi mắt xích C6H 10O 5 có chứa ba nhóm OH tự do, vì vậy côn g thức của xenlulozơ còn có thể được viết là [C6H70 2( 0 H ) 3]. Người và động vật không có enzym P-glucoziđase dùng để thủy phân xenlulozơ, do đó xenlulozơ không được dùng làm thức ăn. Nhưng ở loài mối và động vật nhai lại, trong dạ dày và ruột của chúng có chứa enzym thủy phân xenlulozơ, vì vậy chúng có thể dùng xenlulozơ làm thức ăn. Cùng với các phần tinh thể, trong phân tử xenlulozơ còn giữ được một số phần vô định hình (15 - 30% trong sợi bông, 25 - 35% trong xenlulozơ của gỗ). Sự có mặt của các bộ phận tinh thể làm cho xenlulozơ có tính bền cơ học cao và không tan, trong khi đó các bộ phận vô định hình đảm bảo cho sự trương phồng nhỏ và khả năng phản ứng của xenlulozơ nhờ sự thấm vào dễ dàng hơn của tác nhân hóa học. X enlulozơ có ý nghĩa thực tiễn to lớn. M ọi người đều biết đến vai trò của nó trong công nghiệp dệt (vải bông, lanh), công nghiệp giấy. Các dẫn xuất của xenlulozơ cũng có ứng dụng rộng rãi. X en lu lo zơ không tan trong nước và các dung m ôi hữu cơ thông thường, tan trong axit clohiđric, axit photphoric, axit sunfuric 72%, dung dịch hợp chất phức đồng (II)- amoniac (nước Svayde), đồng (Il)-etylenđiamin, dung dịch tetrametylamoni hiđroxit... X enlulozơ không có khả nãng tham gia phản ứng tráng bạc và khử Fehlinh, bị thủy phân hoàn toàn bởi dung dịch axit vô cơ loãng hoặc xúc tác enzym xenlulase cho sản phẩm cuối cùng là D -glucozơ. V iệc biến tính hóa học xenlulozơ chủ yếu là chuyển nó thành ete và este. Ete được điều chế theo phương pháp Uyliem xơn, trong đó sự ankyl hóa đi qua “xenlulozơ kiềm ” , đó là phức tinh thể của xenlulozơ, kiềm và nước. Phức này được tạo thành khi cho dung dịch kiềm đặc trong nước tác dụng với xenlulozơ và có thể viết nó như một ancolat. Thành phần hợp thức của phức phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ của kiềm. Trong phản ứng ankyl hóa, được thực hiện trong m ôi trường kiềm (thực ra là với xenlulozơ kiềm ), nhóm hiđroxyl ở C2 là hoạt động nhất, kém nhất là ở c 3. Trong m ôi trường axit, hiđroxyl có khả năng phản ứng mạnh nhất là ở c6do có sự thuận lợi về mặt không gian. a) M etyIxenIulozơ Ete này của xen lu lozơ có thể viết dưới dạng tổng quát [C6H 7(O H )3_x(O CH 3)x]n, ở đây X là mức độ thế, tức là số nhóm metyl đi vào một mắt xích. Các ete được dùng nhiểu nhất có mức độ th ế 1,5 - 2 và phân tử khối là 250 - 300 nghìn, và có thể được biểu diễn bằng cấu trúc (đối với mức độ thế 1,5): 520

c h 2o h Í— -A ' ” ° N J \\ l _____ 0 CH3 OCH3 Metylxenlulozơ M etylxen lu lozơ là chất vô định hình, không màu, tan trong nước lạnh, glyxerin và không tan trong đa s ố các dung m ôi hữu cơ. ở nhiệt độ trên 55°c, dung dịch nước được chuyển thành gel, khi làm lạnh gel này bị phân hủy. Các dung dịch m etylxenlulozơ có tính chất hoạt động bề mặt, khi làm khô dung dịch sẽ tạo thành màng mỏng. M etylxenlulozơ có ứng dụng rộng rãi như làm chất tạo đông đặc, chất tạo nhũ tương, làm chất ổn định cho các vật liệu khác nhau kể cả dùng làm thành phần của thuốc. b) C a cb o x y m ety lx en lu lo zơ viết tắt là CMC, nó khác m etylxenlulozơ bởi sự có mặt nhóm cacboxyl trong nhóm thế metyl [C6H7(OH)3_x(OCH2COOH)x]n, ở đây X = 0,1 - 1,5. N ó được điều ch ế bằng cách cho axit cloaxetic hoặc muối natri của nó tác dụng với xenlulozơ kiềm, thí dụ : + C1CH2C 0 0 H 80 - 100°c ------- — — > Xenlulozơ kiềm Cacboxymetylxenlulozơ CMC không tan trong nước, còn m uối natri của nó (ở nhóm ca cb o x y l) tan tốt với sự tạo thành dung dịch trong, nhớt. Natri CMC có công dụng giống như metylxenlulozơ. CMC có mức độ th ế thấp (x = 0,1 - 0,2) được dùng làm cationit nhờ khả năng trao đổi proton của nhóm cacb oxyl bằng các cation khác. Một ete khác là đietylam inoetylxenlulozơ (D E A E -xenlulozơ) được dùng như m ột ionit có thể trao đổi anion. ■2 Một mắt xích hoạt động của DEAE-xenlulozơ c) Este của xenlu!ozơ Trong số các este của xenlulozơ, quan trọng nhất là axetat [C6H 7(O H )3_x(O A c)x]n và nitrat [C6H7( 0 H ) 3_x( 0 N 0 2)x]n. Axetat xenlulozơ là một trong những vật liệu tổng hợp đầu tiên được dùng để điều chế tơ sợi tổng hợp, thí dụ tơ axetat. V ới tơ axetat thì phải có polime nhiều lần thế, thí dụ triaxetat (mức độ thế thực là 2,8 - 2,9) và sản phẩm thủy phân một phần của nó (x = 2,4 - 2,5) được 521

gọi là axetat bậc hai. Khi cho các nhóm hiđroxyl của xenlulozơ phản ứng với anhiđrit axetic có xúc tác axit suníuric sẽ nhận được xenlulozơ triaxetat (còn gọi là triaxetyl xenlulozơ). C H 2O H C H 2O A c OH OAc Xenlulozơ Triaxetat xenlulozơ Trong công nghiệp, xenlulozơ axetat được dùng để sản xuất tơ axetat bằng cách nén dung dịch axeton của xenlulozơ axetat qua ống có lỗ nhỏ rồi cho bay hơi dung môi, làm phim ảnh, vecni, đầu lọc thuốc lá, màng cách điện, chúng cũng được dùng trong sản xuất thuốc thành phẩm. Các nhóm hiđroxyl của xenlulozơ phản ứng với axit nitric đặc nóng có axit suníuric làm xúc tác sẽ tạo ra hỗn hợp xenlulozơ trinitrat và xenlulozơ đ in itra t: OH o n o 2 Tỷ lệ hai sản phẩm xenlulozơ trinitrat và xenlulozơ đinitrat phụ thuộc vào tỷ lệ H N O 3 : H 2S 0 4 và thời gian phản ứng. Hầu như toàn bộ xen lu lozơ th ế (x = 2,8) có tên pyroxilin là những chất nổ được dùng sản xuất thuốc súng không khói, nếu hàm lượng nitơ thấp hơn (khoảng 1,8 - 2, 1 ), có tên colloxilin được dùng để sản xuất chất dẻo, xenluloit và sơn. Khi chế hóa xenlulozơ kiềm với cacbon đisuníua, thu được xenlulozơ xantogenat tan được trong dung dịch N aOH loãng tạo thành dung dịch rất nhớt (từ đ ó có tên “visco”). Thủy phân xen lu lozơ xantogenat bằng dung dịch H 2S 0 4 thu được xenỉulozơ hiđrat (xenlulozơ phục h ồ i): s c h 2o h CH20 — C — SNa C H 2O H CS2 OH OH OH X en lu lozơ hiđrat có công thức hóa học tương tự xenlulozơ nhưng m ạch phân tử ngắn hơn, độ bền hóa học kém hơn, háo nước hơn. C ông nghiệp dệt đã sử dụng xenlulozơ hiđrat để sản xuất tơ hóa học, gọi là tơ visco. Nếu nén visco qua khe hẹp, thì xenIulozơ hiđrat ở dạng m àng m ỏng, sau khi hóa dẻo bằng glyxerin được dùng rộng rãi làm bao gói (giấy bóng kính). X enlulozơ phản ứng với dung dịch hợp chât phức đồng (Il)-amoniac [C u(N H 3)4](O H )2 cho dung dịch nhớt, do tạo thành hợp chất phức giữa xenlulozơ với ion 522

đồng. Dung dịch này được nén qua ống có lỗ nhỏ vào thùng đựng nước ấm pha axit sunfuric loãng, hợp chất phức chuyển thành xenlulozơ hiđrat đùng để sản xuất tơ hóa học (tơ đồng-am oniac). 16.7.2 C hitin, p o li(l,4 ’-0-P-2-axetam iđo-2-đeoxi-D -gỉucopyranozit) Polim e sinh học phổ biến thứ hai trong thiên nhiên sau xenlulozơ là chitin. N ó là hợp phần chống đỡ của thành tế bào của nhiều loại nấm, vỏ bọc ngoài của côn trùng và giáp xác (tôm , cua...). Polisacarit m ạch dài này được cấu tạo từ các gốc N -axetyl-D -glucozam in liên kết P -(l 4 )-g ly co zit. V ề cấu trúc, chitin rất gần với xenlobiozơ và chỉ khác do có mặt ở C2 nhóm axetvlam ino ( - N H C O C H 3) thay cho nhóm h iđ r o x y l: R = Ac : chitin R = H : chitosan NHR NHR Sự giống nhau về cấu tạo của chitin và xenlulozơ dẫn đến sự giống nhau về tính chất hóa lý của chúng, nhờ đó cả hai polisacarit đều thực hiện các chức năng sinh học gần gũi nhau. Khi đun nóng, chitin bị đeaxetyl hóa (các nhóm - NHCOCH3 chuyển thành các nhóm - N H 2) để tạo thành chitosan có nhiều ứng dụng trong thực tiễn. Trong nông nghiệp và công nghiệp thực phẩm, chitosan được dùng làm chất điều hòa sinh trưởng thực vật, chất bảo quản thực phẩm tươi sống và rau quả tươi ; trong y học, chitosan và m ột số dẫn xuất của nó được dùng làm thuốc chữa bỏng, thuốc chống đông máu. Chitin và chitosan còn được dùng để làm sạch nước thải công nghiệp. 16.8 Các a-D -glucan Các polisacarit quan trọng nhất được cấu tạo từ các gốc của a-D -glu cop yran ozơ là tinh bột, glycogen và đextran. 16.8.1 Tinh bột Tinh bột là tên g ọ i của polisacarit dự trữ chính của cơ thể thực vật, được tích luỹ trong quá trình quang hợp, chủ yếu trong hạt, củ và quả. Gạo chứa nhiều tinh bột nhất (khoảng 80% ), m ì chứa khoảng 70% , khoai tây chứa 20% , các loại củ và quả khác chứa ít tinh bột hơn. Tinh bột là chất bột vô định hình, không màu, không tan trong nước lạnh, trong etanol và trong các dung m ôi hữu cơ. Trong nước nóng tinh bột trương phồng lên tạo hổ tinh bột và khi đó bị tan m ôt phần nhỏ. Về thành phần, tinh bột không đồng nhất, là một hỗn hợp của hai polisacarit : am ylozơ và amylopectin, được cấu tạo từ các gốc a-D -glucopyranozơ. Tỷ lệ am ylozơ và am ylopectin phụ thuộc vào từng loại thực vật, trung bình là 1 : 4, m ặc dầu người ta cũng biết có loại ngô không chứa am ylozơ và m ột số đậu chứa amylozơ đến 75% khối lượng tinh bột.

a) Amylozơ, poli(l,4’-ơ-a-D-glucopyranozit) A m yloiơ là polisacarit không phân nhánh với các liên kết a - ( l —> 4 )-g ly eo z il, tan trong nước nóng. Phân tử khối của am ylozơ phụ thuộc vào nguồn g ố c xuất xứ, dao dộng từ 150 nghìn (tinh bột ngô và gạo) đến 500 nghìn (tinh bột khoai tây), ứng với 1 và 3 nghìn mắt xích. OH D o cấu hình a của liên kết glycozit, các a-glucan không xuất hiện dưới dạng sợi, mạch polisacarit của am ylozơ có thể có cấu dạng xoắn theo kiểu lò xo. Đ iều này đã được chứng minh bằng phân tích Rơnghen các phức chất tinh thể, có tên là hợp chất bọc, tạo amylozơ với iođ và một số ancol. M ỗi vòng xoắn ốc bao bọc 6 mắt xích m onosacarit, còn phân tử iođ hoặc chất tạo phức khác được phân bố dọc theo đường xoắn ốc. Phức của am ylozơ với iođ có màu xanh đậm. Sự khác nhau tinh vi về hóa lập thể giữa ! \\^ /ậ xenlulozơ và am ilozơ dẫn đến có sự khác nhau V1- - , S / rõ rệt về tính chất vật lý. Cấu trúc xoắn của am ylozơ tăng cường thêm liên kết hiđro với nước Hình 16.13 Phức chuyển điện tích của và điều này giúp am ylozơ tan mạnh trong nước, còn xenlulozơ thì không tan. Liên kết amylozơ với iođ có màu xanh a - ( l -> 4)-glycozit có thể bị thủy phân dễ dàng bởi enzym a-glucoziđase có trong cơ thể động vật. Khả nãng tạo phức của amylozơ (và toàn bộ tinh bột) được dùng trong phân tích để phát hiện tinh bột cũng như iođ và được gọi là thuốc thử iođ hồ tinh bột (hình 16.13). 524

Bởi vì trong phân tử am ylozơ, nhóm hiđroxyl hem iaxetal chỉ bảo toàn ở mắt xích glucơzơ cuối mạch nên chúng không khử được các oxit kím loại. b) A m ylopectin Am ylopectin là thành phần chính của tinh bột, có cấu trúc phân tử phức tạp hơn amylozơ, có cấu tạo phân nhánh, gồm một số mạch amylozơ nối với nhau nhờ liên kết a - ( l —> 6)-glycozit. Phân tử khối tương đối của am ylopectin vào khoảng 1 triệu hoặc cao hơn, cấu tạo từ khoảng 4 0 0 0 đơn vị glucozơ và 0,4% axit photphoric. Chuỗi mạch am ylozơ trung tâm dài nhất chứa khoảng 6 0 đơn vị glucozơ, còn trung bình có khoảng 20 - 25 đơn vị glucozơ. A m ylopectin không tan trong nước nóng, nhưng trương nở mạnh và tạo thành hồ tinh bột, cho màu tím với dung dịch iođ và cũng không khử oxit kim loại. T ÒH . I 6c h 2 ỏ- Các polisacarit của tinh bột đểu làm quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực phẳng sang phải bởi vì chúng được tạo thành từ D-(+)-glucozơ. Khi đun nóng với axit, tinh bột bị thủy phân ở liên kết glucozit cho lần lượt đextrin, mantozơ và cuối cùng là glucozơ. 525

16.8.2 Glycogen G lycogen (còn gọi là tinh bột động vật), là polisacarit dự trữ của cơ thể động vật, tập trung chủ yếu ở gan (tới 18% khối lượng của gan) và cơ bắp. v ề mặt cấu tạo, glycogen tương tự am ylopectin, tuy nhiên các chuỗi còn phân nhánh nhiều hơn, các m ạch ngắn hơn và phân tử lớn hơn. Phân tử khối tương đối của glycogen trong các cơ quan khác nhau dao động trong khoảng 107 - 108. G lycogen là chất bột rắn trắng, tan trong nước nóng, cho màu đỏ tím hoặc đỏ nâu với iođ. 16.8.3 Đextran Đextran là hom opolisacarit có cấu tạo phân nhánh, gồm các gốc a-D -glucopyranozơ liên kết với nhau nhờ liên kết a - ( l —> 6)-g ly co zit ở đoạn m ạch không phân nhánh và liên kết a -( l -» 3)-glycozit hoặc a - ( l -> 4)-glycozit ở mạch nhánh. mạch chính a - (l —>4) mạch nhánh OH Phân tử khối của đextran rất lớn, khoảng 107 - 108. Có thể dùng đextran để thay thế huyết tương. Đextran sunfat có khả năng chống đông máu và cũng có thể dùng để thay heparin khi truyền máu. 16.9 Một số heteropolisacarỉt 16.9.1 Hemixenlulozơ H em ixenlulozơ là heteropolisacarit loại không đều đặn, là nguyên liệu cấu tạo nên vách tế bào của thực vật bậc cao, có trong gỗ, rơm rạ, trấu, lõi ngô... cùng với xenlulozơ. Gồ chứa khoảng 40 - 50% xenlulozơ, 17 - 43% hem ixenlulozơ. Phân tử hem ixenlulozơ được cấu tạo bởi các gốc pentozơ (D -xylozơ, D-arabinozơ) và các gốc hexozơ (D-galactozơ, D-mannozơ, D-glucozơ). Phân tử khối của hem ixenlulozơ không lớn, khoảng 30.000 amu (đvC). 16.9.2 Pectin Pectin cũng là heteropolisacarit, là thành phần chính của hầu hết thành tế bào các loài thực vật bậc cao, có trong phần cùi trắng của quả cam , chanh, quýt, bưởi và một số loài rong biển, tảo nước ngọt. Phân tử pectin được cấu tạo chủ yếu bởi các gốc axit 526

a-D -galacturonic nhờ các liên kết a - ( l - » 4)-glycozit như được dẫn ra ở đây, vì thế trong thời gian dài người ta cho rằng pectin là homopolisacarit. COOH COOH J d - ( 1 —^4) OH ÓH M ột số nhóm cacb oxyl ở dạng m etyl este vì thế ta có pectin độ este cao (thường là 55 - 75% este và được ký hiệu là H M -pectin) và pectin độ este thấp (20 - 40% , LM -pectin). Trong thực tế, phân tử pectin còn c ó các nhóm OH tạo ra cầu nối với các mạch bên cạnh phân nhánh được cấu tạo từ D -galactozơ, D-xylozơ, L-arabinozơ và L-ramnozơ. Phân tử khối của pectin dao động trong khoảng từ 20.000đến200.000 amu(đvC).Pectin được dùng trong công nghiệp bánh kẹo và đồ hộp. 16.9.3 Aga-aga A ga-aga (thạch) có trong m ột số loài rong biển (rau câu). A ga-aga chứa hai cấu tử chính là agarozơ (khoảng 50 - 80%) và agaropectin. Agarozơ là polisacarit mạch thẳng, ít bị suníat hóa do p-D-galactopyranozơ một phần nào bị m etyl hóa và 3,6-anhiđro-a-L-galactopyranozơ nối vớinhau một cách luân phiên bằng liên kết P -(l —> 4) và p*(l —» 3 ): 3,6-Anhiđro-a-galactopyranozơ V--------------- Y--------------- ' P-D-Galactopyranozơ Agaropectin được cấu tạo bởi các gốc D-galactopyranozơ chứa một, hai nhóm sunfonic ở các vị trí 2 và 6 , các g ốc này nối với nhau bằng liên kết P '(l - » 4 ) : A ga-aga ở trạng thái vô định hình, không tan trong nước lạnh, dễ tan trong nước sôi. Khi làm lạnh dung dịch nước chứa 0,5 - 1,5% aga-aga đến 35 - 40°c thu được khối keo đông đặc, keo này sẽ bị phân rã khi nhiệt độ nâng lên đến 80 - 85°c. Aga-aga được dùng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm, làm m ôi trường nuôi cấy vi sinh vật... 35- HHCT2 527

16.9.4 Heparin Phân tử heparin được cấu tạo luân phiên bởi các gốc a-D -glucozam in và axit P-D-glucuronic (hoặc axit a-L-iđuronic) nhờ các liên kết a - ( l -> 4)-glycozit và p -(l -> 4)- glycozit, các nhóm - N H 2 và - OH ở Q và c 6 của glucozamin và C2 của axit iđuronic được suníat hóa. n h s o 3h oh NHAc oh N H S O 3H OSO3H (I) (III) (V) (VI) (II) (IV ) Heparin có trong máu, gan, phổi, cơ. Phân tử khối của heparin dao động trong khoảng từ 10.000 đến 20.000 amu (đvC). Heparin có tác dụng chống đông máu. 528

MỘT SỐ PHẢN ÚNG CHÍNH CỦA GLUCOZƠ --------B--r-2-/--H--2-0------> COOH I (CHOH)n I c h 2o h Axit anđonic hno3 COOH I /V (CH O H )n I COOH Axit anđaric CHO I V/ (CHOH )n I COOH Axit uronic CHO c h 2o h I (CHOH)n NaBH4 ) (CHOH)n I I c h 2o h c h 2o h Anđitol PhNH - NH2 CH = N — NHPh V/ ci = N — NHPh I (CHOH )n_, 1 c h 2o h Phenylhiđrazon CHO thoái biến y ! (CH O H )n_! Ruff I c h 2o h CN COOH CHO í I HCN (CHOH)n+1 H-ịO+ I _ Fischer > (CH OH )n+1 ---------- — ---------> c h 2o h — > (CHOH)n+i = I c h 2o h c h 2o h 529

h 20 h o OH OH ^ / 0H NaOH, R'X OH ROH, HC1 HO OR hoặc R'2S0 4 > HO R 2NH ho / 0H OH NR. Br2 ,H 20 OH HO \" V ^ ° \\ OH o NaOH, H20 h o OCOR (RC0)20 k RCOO , . 1\\ A OCOR OCOR 530

Chương 17 AMINO AXIT, PEPTIT VÀ PROTEIN Peptit và protein được xếp vào nhóm các polime sinh học quan trọng. Chúng là những bộ phận không thể tách rời của tế bào của tất cả các dạng vật thể sống như vi sinh vật, thực vật, động vật và con người. Protein là một trong những thành phần chủ yếu của thức ăn nuôi sống người. Các protein chiếm không dưới 50% khối lượng khô các hợp chất hữu cơ của tế bào động v ậ t ; không phải ngẫu nhiên mà protein được gọi là các phân tử của sự sống. Các peptit và protein bảo đảm nhiều quá trình thiết yếu của hoạt động sống của cơ thể người và hoàn thành vô vàn chức năng sinh học Các peptit và protein sẵn có một phổ rộng hoạt tính sinh học, cho nên một số lớn trong chúng được dùng làm thuốc chữa bệnh. Các peptit và protein c ó vai trò quan trọng trong chẩn đoán bệnh : hàng trăm hộ thống thử nghiệm được thiết lập dựa trên cơ sở các protein, nhờ đó người ta c ó thể chẩn đoán được các bệnh nhiễm trùng, nhiễm khuẩn, các bệnh dị ứng, ... Các protein c ó giá trị to lớn cả trong lĩnh vực dự phòng bệnh nhiễm trùng, nhiễm khuẩn, bởi vì nhiều vacxin và huyết thanh có bản chất protein. Thuật ngữ protein (xuất phát từ tiếng H y Lạp proteios c ó nghĩa là thứ nhất, quan trọng nhất) phản ánh vai trò quan trọng đặc biệt của protein trong cấu tạo nên vật thể sống. Đ ặc tính vật chất của peptit và protein là khác nhau và chức năng của chúng cũng khác nhau. Protein của trứng gà, các bộ phận của khớp và xương, bắp thịt, tóc, da, sừng m óng, mai rùa đểu là những dạng khác nhau của protein. Mặc dầu các peptit và protein đa dạng và không thuần nhất, chúng ít khác nhau về thành phần nguyên tố. Chúng có chứa c, s50 - 52% 6,8 - 7,7% N , 15 - 18% H2, 0,5 - 2,5% ; trong một số protein có chứa một lượng nhỏ các nguyên tố khác, như photpho, sắt, đồng. Peptit và protein là những hợp chất được cấu tạo nên từ các g ố c của ot-amino axit, chúng được nối với nhau bằng liên kết peptit - c o - NH Về hình thức, các phân tử peptit và protein có thể được xem như là sản phẩm của sự đa trùng ngưng các a-am in o axit. 531

A. a-AMINO AXIT Cùng với các a-am in o axit trong thành phần của protein, cơ thể sống thường c ó miột lượng dự trữ a-a m in o axit tự do chứa trong m ô và dịch tế bào. a -A m in o axit cần thiết không chỉ để sinh tổng hợp peptit và protein mà còn để tổng hợp photpholipit, bazơ nucleic, các hợp chất porphyrin cũng như để hoàn thành các nhiệm vụ đặc biệt, như mang nhớm amino, nhóm metyl, chuyển vị guaniđin... a-A m ino axit nhận được bằng con đường tổng hợp hoặc bằng cách thủy phân protein có trong sừng, m óng, tóc, sữa, m áu... a -A m in o axit có trong nhiều thực vật làm thuốc, thí dụ trong củ và rễ mẫu đơn (Rhizoma et radicis Paeoniae anomalae) có leuxin, threonin, tryptophan, phenylalanin ; trong nấm cựa gà (Secale cornutum) có valin và leuxin. Trong số 20 amino axit thường gặp trong phân tử protein có một số amino axit mà cơ thể người và động vật không tự tổng hợp được, phải đưa từ ngoài vào qua thức ăn, gọi là amino axit không thay thế. Những amino axit dưới đây thuộc loại không thay t h ế : Valin Threonin Phenylalanin Isoleuxin M ethionin Tryptophan Leuxin Lysin Đ ể cơ thể trẻ em được phát triển bình thường, nhất thiết phải đưa vào cơ thể thêm hai a-am ino axit là arginin và histiđin, mặc dầu ở người lớn chúng được tổng hợp với lượng vừa đủ. Các a-am ino axit này được xếp vào loại thay thế được một phần. Đ ể tổng hợp tyrosin và cystein cần có các a-am ino axit không thay thế. Bởi vậy hai axit này gọi là thay thế (lược có điều kiện. Tyrosin được tổng hợp trong cơ thể bằng cách hyđroxyl hóa phenylalanin còn để điều chế cystein cần thiết phải có methionin. N guồn chủ yếu các a-am ino axit đối với người và động vật là protein của thực phẩm. Tùy thuộc vào hàm lượng các a-am in o axit không thay thế của protein, người ta chia thành protein có giá trị đẩy đủ và protein không có giá trị đầy đủ. Thí dụ protein của các sản phẩm từ sữa, cá, thịt, một số hải sản (cua, cáy) ; trứng và một số protein có nguồn gốc thực vật (các loại đậu) là những protein có giá trị đầy đủ vì chúng có chứa tất cả c á c a-am ino axit không thay thế ở tỷ lệ cần thiết, ở các nhóm thực phẩm chính, trong số các am ino axit không thay thế, leuxin và lysin chiếm ưu thế, hàm lượng của chúng dao động từ 7 đến 11% của tổng số các a-am ino axit. Hàm lượng tương đối nhỏ trong thực phẩm là tryptophan (không lớn hơn 2%) và methionin (từ 1,5 đến 3,5%). Các a-am ino axit được dùng rộng rãi trong y tế, trong thú y, trong công nghiệp thực phẩm, công nghiệp vũ trụ. Chẳng hạn như glyxin có tác dụng làm giảm đau, có ảnh hưởng tốt lên quá trình trao đ ổ i chất trong mô não, axit glutamic được dùng để chữa các bệnh của hệ thần kinh trung ương, m ethionin và histiđin dùng phòng và điều trị các bệnh về gan, eystein dùng chữa đau mắt, ... 532

17.1 Phân loại, đồng phân và danh pháp 17.1.1 Phân loại Tùy theo vị trí tương đối của các nhóm chức trong mạch cacbon mà ta có CX-, Ị3-, y- và ô-amino axit... Thí du : Prolin (a-amino axit) H p_ a Axit 3-aminopropanoic H2NCH2CH2COOH (P-amino axit) Yp a Axit 4-aminobutanoic (y-amino axit) H2NCH 2CH2CH 2COOH Các amino axit thiên nhiên (trừ glyxin) đều có tính quang hoạt và có cấu hình L. Tuy vậy, một số D-amino axit không có trong protein cũng được tìm thấy trong cơ thể sống. Chẳng hạn, axit D-glutamic có trong vách tế bào của nhiều vi khuẩn, D-serin có trong giun đất. Người ta cũng gặp trong thiên nhiên một vài amino axit không phải là a-amino axit. Thí dụ axit y-aminobutyric có vai trò truyền xung thần kinh trong não và P-alanin là một cấu phần của vitamin axit pantotenic. COOH H------- NH2 H------- NH2 CH2 - CH2- C H 2 - COOH CH2 - CH2 - COOH CH2CH2COOH CH2OH n h 2 nh2 Axit D-glutamic D-Serin A xit y-aminobutyric P-Alanin 17.1.2 Đồng phân a) Đồng phân cấu tạo Tương tự hiđroxi axit, các amino axit có đồng phân cấu tạo : - Đồng phân về vị trí nhóm chức. Thí dụ : a pa CH3 -C H -C O O H H2N -C H 2 - C H 2 - COOH XNH2 Axit 2-aminopropanoic Axit 3-aminopropanoic Axit a-aminopropionic Axit P-aminopropionic (a-Alanin) ((3-Alanin) 533