Węglowodany są substancjami o ogromnym znaczeniu dla życia. Są zarówno uniwersalnym i świetnie przyswajalnym źródłem energii jak i budulcem oraz nośnikiem informacji w formie kwasów nukleinowych.

Stuktury węglowodanów (stąd ich nazwa) zawierają powtarzające się fragmenty hydroksymetylenowe (-CHOH-) i karbonylowe (-CO-) dające w rezultacie ogólny wzór węglowodanów Cm(H2O)n gdzie n jest równe m dla węglowodanów prostych i n jest mniejsze od m o jeden dla węglowodanów złożonych. Stosunek wodoru do tlenu jest więc w nich taki sam jak w wodzie.

Przyjrzyjmy się strukturom węglowodanów. Dla węglowodanów prostych wzór możemy zapisać jako (CH2O)n. Identyczny wzór ma paraformaldehyd- polimer aldehydu mrówkowego. Istotnie węglowodany można otrzymać w tak zwanej reakcji formozowej z formaldehydu w obecności obecności zasad i witaminy B1 (tiaminy) chociaż w organizmach żywych proces ten przebiega zupełnie inaczej dając wyłącznie jeden produkt (w uproszczeniu).

uproszczony schemat reakcji formozowej

 

Reakcje pomiędzy cząsteczkami aldehydu mrówkowego mogą dawać produkty o różnej długości łańcucha. Wszystkie węglowodany to jednocześnie polialkohole i ketony albo aldehydy. Chociaż najprostsze cząsteczki spełniające wspomnianą regułę to aldehyd mrówkowy i aldehyd glikolowy to za cukry uznaje się cząsteczki zawierające co najmniej trzy atomy węgla.

(hydroksy)aldehydy nie będące cukrami

Najdłuższe cząsteczki cukrów prostych mają 7 atomów węgla. Ze względu na długość łańcucha węglowodany dzielimy na triozy, tetrozy, pentozy, heksozy i heptozy. Jak widać nazewnictwo odnosi się wprost do liczby atomów w łańcuchu. W powszechnym użyciu są jednak nazwy zwyczajowe.

Pomimo zaledwie trzech pierwiastków składowych węglowodany dają bogactwo struktur. Dzieje się tak ze względu na różnorakie izomerie czyli występowanie substancji o tym samym składzie pierwiastkowym ale różnej strukturze chemicznej.

Pierwszym rodzajem izomerii jest izomeria aldehydowo-ketonowa. Grupa karbonylowa może znajdować się na końcu łańcucha jak w aldehydach lub na drugim atomie od końca łańcucha jak w ketonach. W ten sposób cukry możemy podzielić na aldozy (z grupą aldehydową) i ketozy (z grupą karbonylową na wewnątrz łańcucha). Najbardziej znane cukry czyli glukoza i fruktoza są swoimi izomerami- glukoza jest aldozą, a fruktoza jest ketozą.

wzory ogólne: aldehydy, alkohole, ketozy

Przestrzenna struktura wiązań między atomami węgla odpowiada z kolei za stereoizomerię. Atom węgla łączący się z czterema różnymi grupami atomów jest tak zwanym atomem asymetrycznym pozwalającym na stworzenie dwóch lustrzanych nie nakładających się układów wiązań. Jeżeli łańcuch zawiera wiele atomów asymetrycznych to niektóre ze struktur są w całości swoimi odbiciami lustrzanymi i takie pary zwane są enancjomerami bądź w ogólności izomerami optycznymi ze względu na właściwości optyczne. Każde przedłużenie łańcucha o jeden asymetryczny atom węgla daje dwukrotne zwiększenie możliwych kształtów cząsteczek. Poniżej znajdują się wszystkie struktury węglowodanów i jak widać dla ketotriozy istnieje tylko jedna możliwa struktura, dla aldotriozy dwie, a dla heksoz sumarycznie aż 24 struktury. Jak widać ketozy mają dwa razy mniej struktur niż aldozy o takiej samej długości łańcucha ze względu na mniejszą liczbę asymetrycznych atomów węgla.

 

aldotriozy

jedyna ketotrioza

aldotetrozy

ketotetrozy

aldopentozy

ketopentozy

aldoheksozy

ketoheksozy

ketoheptozy

 

Najwięcej struktur mają heksozy i jest to granica długości, powyżej której przyroda jest mniej chętna do działania. Znamy obecnie tylko kilka węglowodanów o dłuższym łańcuchu. Pomimo tego, że zwykle rysuje się węglowodany w postaci łańcuchowej to w rzeczywistości większość występuje w formie cyklicznej czyli pierścieniowej. Za ten stan rzeczy odpowiada ich wysoka reaktywność i reakcja cyklizacji do hemiacetalu (lub hemiketalu). Forma łańcuchowa jest po prostu łatwiejsza do zapamiętania w przypadku gdy nie mamy potrzeby odwzorowywać struktury a jedynie narysować cząsteczkę poglądowo i to najczęściej ona ulega reakcji np. w reakcji utleniania glukozy do kwasu glukonowego. 

reakcja hemiacetalowa- grupa karbonylowa reaguje z hydroksylową

Jakby tego było mało niektóre węglowodany o dłuższych łańcuchach mogą tworzyć pierścienie pięcio- lub sześcioczłonowe zwane odpowiednio furanozami i piranozami. Nazwy biorą się od najprostszych eterów pierścieniowych- furanu i piranu. Ponieważ reakcja cyklizacji wewnątrz cząsteczki może dawać różne struktury mamy kolejny rodzaj izomerii przestrzennej zwanej anomerią.

cykliczne formy D-glukozy, anomery alfa i beta piranoz i furanoz glukozy

ułożenie atomów podczas cyklizacji

możliwe struktury

 

Kolejnymi ciekawym rodzajami izomerii są diastereoizomeria i epimeria. Diasteroizomeria to izomeria cząsteczek nie będących swoimi odbiciami lustrzanymi (enancjomerami). Epimeria z kolei dotyczy cząsteczek które się różnią położeniem wiązań na tylko jednym asymetrycznym atomie węgla.

enancjomeria, epimeria i diastereoizomeria

 

Jak widać węglowodany proste mają bardzo rozbudowaną izomerię. Na szczęście w większości eksperymentów będzie nam niezbędna wyłącznie wiedza o długości łańcucha, charakterze grupy karbonylowej czy jej blokadzie w hemiacetalu. Celowo z tego względu pominąłem również wzory Fischera i opis rzutowania form cyklicznych. Ten artykuł to jedynie krótki wstęp aby zaznajomić się z rodzajami izomerii, których tutaj jest bez liku i odwoływać się do niego przy tłumaczeniu wyników doświadczeń z zastosowaniem cukrów prostych i złożonych.