Τι είναι η χημεία των υδατανθράκων;

Η χημεία των υδατανθράκων περιγράφει τη δομή, τις ιδιότητες και τις αντιδράσεις των ενώσεων άνθρακα, υδρογόνου και οξυγόνου γνωστού ως υδατάνθρακες.Αυτές οι ενώσεις έχουν τον γενικό τύπο C (H ₂ o) _n , όπου n μπορεί να είναι οποιοσδήποτε αριθμός από τρία προς τα πάνω.Μπορεί να φανεί ότι οι υδατάνθρακες περιέχουν πάντα υδρογόνο και οξυγόνο στις αναλογίες του νερού (h ₂ o), εξ ου και το τμήμα "ένυδρου" του ονόματος.Οι υδατάνθρακες περιλαμβάνουν σάκχαρα, άμυλο, κυτταρίνη και πολλές άλλες κοινές ουσίες.Κατασκευάζονται από το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό με φωτοσύνθεση σε φυτά και αποτελούν βασική πηγή ενέργειας στις δίαιτες όλων των ζώων.

Οι απλούστεροι υδατάνθρακες είναι τρίματα, με μόνο τρία άτομα άνθρακα.Ωστόσο, η χημεία των υδατανθράκων μπορεί να είναι αρκετά περίπλοκη, καθώς οι αριθμοί των μικρών μορίων υδατανθράκων μπορούν να ενωθούν για να σχηματίσουν πολύ μεγαλύτερες δομές.Οι απλοί υδατάνθρακες, όπως η γλυκόζη, είναι γνωστοί ως μονοσακχαρίτες.Η χημεία των υδατανθράκων προχώρησε σημαντικά όταν οι λεπτομερείς δομές πολλών μονοσακχαριτών διευκρινίστηκαν για πρώτη φορά από τον Emil Fischer, γερμανικό χημικό, στα τέλη του 19ου αιώνα.Οι σύνθετοι υδατάνθρακες αποτελούνται από μονάδες μονοσακχαρίτη που συνδέονται μεταξύ τους. Τα μόρια που αποτελούνται από δύο μονοσακχαρίτες είναι γνωστά ως δισακχαρίτες.Ένα κοινό παράδειγμα είναι το Sucrose mdash;Καλύτερα γνωστή ως επιτραπέζια ζάχαρη mdash;που αποτελείται από τη γλυκόζη και τη φρουκτόζη μονοσακχαρίτη.Οι ολιγοσακχαρίτες έχουν αρκετές μονάδες μονοσακχαρίτη και οι πολυσακχαρίτες αποτελούνται από μεγάλες αλυσίδες αυτών των μονάδων, μερικές φορές αριθμούν χιλιάδες.Παραδείγματα είναι άμυλο στις διάφορες μορφές και την κυτταρίνη.Κάθε μοριακή μονάδα στην αλυσίδα συνδέεται με τον γείτονά της με έναν γλυκοσιδικό δεσμό, ο οποίος σχηματίζεται από την απομάκρυνση των ομάδων υδρογόνου (Η) και υδροξυλίου (OH) MDASH.σχηματίζοντας νερό mdash;Από τα γειτονικά μόρια μονοσακχαριτών. Οι δομές υδατανθράκων είναι τέτοια ώστε διαφορετικά μόρια να μπορούν να έχουν τον ίδιο συνολικό τύπο, με τα άτομα να διατεθούν διαφορετικά.Οι μονοσακχαρίτες, για παράδειγμα, μπορούν να χωριστούν σε Aldoses, οι οποίες έχουν και ομάδα αλδεΰδης, και κετοζές, οι οποίες έχουν μια ομάδα Keto mdash;Ένας διπλός δεσμός άνθρακα-οξυγόνου επίσης γνωστός ως ομάδα καρβονυλίου.Αν και η γλυκόζη και η φρουκτόζη έχουν τον ίδιο χημικό τύπο (C

6

H

12

o ₆ ), είναι διαφορετικά δομημένες: η γλυκόζη είναι αλδόζη και η φρουκτόζη είναι κετόζη.Αυτό είναι ένα κοινό χαρακτηριστικό της χημείας υδατανθράκων. Είναι επίσης δυνατό να υπάρχει ένας τύπος υδατανθράκων σε διαφορετικές μορφές.Η γλυκόζη μπορεί να πάρει μια γραμμική μορφή, με τα έξι άτομα άνθρακα να σχηματίζουν μια σύντομη αλυσίδα.Τα άτομα άνθρακα μπορούν να αριθμούνται C1-C6, με το C1 να σχηματίζει την ομάδα αλδεΰδης και το C6, στο άλλο άκρο, συνδεδεμένο με δύο άτομα υδρογόνου και μια ομάδα υδροξυλίου.Τα τέσσερα άτομα άνθρακα μεταξύ του καθένα έχουν ένα άτομο υδρογόνου στη μία πλευρά και μια ομάδα υδροξυλίου από την άλλη.Υπάρχουν δύο μορφές γλυκόζης, D-γλυκόζη και L-γλυκόζη, που διαφέρουν μόνο από το ότι ο πρώτος έχει μόνο μία από τις ομάδες υδροξυλίου της στην ίδια πλευρά του μορίου με το οξυγόνο από την ομάδα αλδεΰδης, ενώ στο τελευταίο αυτό, αυτόΗ ρύθμιση αντιστρέφεται ακριβώς.Αυτό ισχύει για πολλούς μονοσακχαρίτες, με τις μορφές "D" να κυριαρχούν μεταξύ των φυσικών σακχάρων. Σε διάλυμα, η D-γλυκόζη τείνει να σχηματίζει μια δομή δακτυλίου, με C6 να ωθείται προς τη μία πλευρά και στην υδροξυλική ομάδα στο C5 να αντιδρά με την ομάδα αλδεΰδηςC1 με τέτοιο τρόπο ώστε ένας δακτύλιος έξι ατόμων να σχηματίζεται με 5 άτομα άνθρακα και ένα άτομο οξυγόνου.Αυτό είναι γνωστό ως δακτύλιο γλυκοπυρανόζης.Ο δακτύλιος μπορεί να πάρει δύο διαφορετικές μορφές, ανάλογα με τη θέση της ομάδας υδροξυλίου στο C1.Εάν είναι στο ίδιο επίπεδο με το δακτύλιο, η ένωση είναι γνωστή ως beta.D-γλυκοπυρανόζη, αλλά αν βρίσκεται κάθετα στο επίπεδο του δακτυλίου, είναι γνωστό ως άλφα.D-γλυκοπυρανόζη.Οι δύο διαφορετικές μορφές είναι γνωστές ως ανωέρτες και το άτομο άνθρακα C1 είναι γνωστό ως ο ανωμαλικός άνθρακας.Η μορφή φαίνεται πιο δομικά σταθερή και στην περίπτωση της D-Glucopyranose ITείναι, αλλά σε μερικούς μονοσακχαρίτες, το alpha.Η φόρμα είναι πιο κοινή.Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι σε αυτές τις ενώσεις, η ηλεκτροστατική απόρριψη μεταξύ των ζεύγους ηλεκτρονίων στην ανωμική υδροξυλομάδα και εκείνων από το άτομο οξυγόνου στο δακτύλιο μπορεί να ξεπεράσει τη μεγαλύτερη δομική σταθερότητα του βήτα.Μορφή, ένα φαινόμενο γνωστό ως ανωμικό αποτέλεσμα.Η μορφή που είναι πιο σταθερή εξαρτάται όχι μόνο από την ένωση, αλλά και από τον διαλύτη και τη θερμοκρασία.Οι υδατάνθρακες αποτελούν τη βάση πολλών άλλων βιολογικά σημαντικών ενώσεων.Για παράδειγμα, η ριβόζη και η δεοξυριβόζη, μια σχετική ένωση, είναι οι θεμελιώδεις μονάδες από τις οποίες σχηματίζονται το DNA και το RNA νουκλεϊνών οξέων.Οι γλυκοσίδες σχηματίζονται από υδατάνθρακες και αλκοόλες.Η γλυκοσίδωση του Fischer, που ονομάστηκε από τον Emil Fischer, περιλαμβάνει τη χρήση καταλύτη για τη σχηματισμό του γλυκοσιδίου μεθυλοφλουζίδη από τη γλυκόζη και τη μεθανόλη.Μια άλλη διαδρομή προς την παραγωγή γλυκοζίδη είναι η αντίδραση Koenigs-Knorr, η οποία συνδυάζει ένα γλυκαζυλαλογονικό άλας με αλκοόλ για να σχηματίσει το γλυκοσίδη.