một số vấn đề về cacbohidrat trong bồi dưỡng học sinh giỏi

Các nội dung kiến thức được lựa chọn không những đáp ứng được yêu cầu của nền giáo dục phổ thông mà còn nhằm phát huy được tối đa khả năng, rèn luyện tư duy cho các em, kích thích sự sán

CÁC NỘI DUNG Trang Phần A MỞ ĐẦU

Phần B NỘI DUNG

A MONOSACCARIT

I Biễu diễn cấu trúc monosaccarit

2

Phần A MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Việc phát hiện và bồi dưỡng nhân tài luôn là mối quan tâm lớn của mỗi quốc gia Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kĩ thuật và kinh

tế xã hội, việc phát hiện và bồi dưỡng nhân tài, phục vụ cho sự phát triển của

1

quốc gia đang là quốc sách hàng đầu không chỉ của các nước phát triển mà còn ở

cả nhứng nước đang phát triển trên toàn cầu.

Ở nước ta, từ những năm 60 của thế kỉ XX, các trường THPT chuyên đã được thành lập với nhiệm vụ bồi dưỡng nhân tài cho đất nước Học sinh ở các lớp như vậy được tuyển chọn và có chế độ đào tạo riêng Đối với học sinh

chuyên Hóa, ngoài việc học các nội dung theo chương trình quy định, các em còn phải học các chuyên đề đặc biệt, những nội dung kiến thức chuyên sâu và được tiếp cận với những thí nghiệm hiện đại Các nội dung kiến thức được lựa chọn không những đáp ứng được yêu cầu của nền giáo dục phổ thông mà còn nhằm phát huy được tối đa khả năng, rèn luyện tư duy cho các em, kích thích sự sáng tạo, tạo dựng niềm say mê đối với Hóa học

Với kinh nghiệm dạy chuyên tôi nhận thấy rằng HS chuyên hóa cần phải

có kĩ năng tổng hợp lý thuyết hiểu sâu sắc để giải quyết các bài tập từ đơn giản đến phức tạp trong các kì thi HSG, đặc biệt phần hóa học Gluxit luôn là một vấn

đề khó và phức tạp Vì vậy, tôi chọn đề tài “một số vấn đề về cacbohidrat trong bồi dưỡng học sinh giỏi” để trao đổi với đồng nghiệp và học sinh các trường TPHT nói chung và THPT Chuyên nói riêng.

2 Mục đích của đề tài

- Hệ thống hóa các kiến thức lý thuyết liên quan đến cacbohidrat:

+ Cấu trúc, đồng phân, danh pháp

+ Cách bảo vệ nhóm chức trong cacbohidrat

+ Các phản ứng hóa học của cacbohidrat

- Các bài tập lý thuyết và tự luận từ đơn giản đến phức tạp dành cho HSG

-Phần B NỘI DUNG

A MONOSACCARIT

I Biễu diễn cấu trúc monosaccarit

1 Công thức hình chiếu Fisơ

• Giao điểm của 2 đường vuông góc là C*

• Nhóm bị oxi hóa nhiều hơn hoặc bé hơn nằm đỉnh trục bắc-nam

• Thường dùng các đường thẳng đậm để chỉ các liên kết hướng ra phía trước mặt phẳng giấy.

• Glyxerandehit được biễu diễn như sau:

Dãy D,L

• Xét cấu hình của nguyên tử cacbon bất đối (chiral) cách xa nhóm >C=O nhất.

• So sánh với cấu hình của glyxerandehit (tức là chỉ tham chiếu với mạch hở)

• Hầu hết các monosaccarit thiên nhiên đều thuộc dãy D.

Ä Nhóm –OH ở C* xa nhất nằm ở bên phải.

Ä Cấu hình R ( theo CIP ).

• Các monosaccarit dãy L:

Ä Nhóm –OH ở C* xa nhất nằm ở bên trái.

Ä Cấu hình S.

Ví dụ: D- Apiozơ

CHO OH H

CH2OH

CH 2 OH HO

2 3

2 Công thức Tollens

• Đối với nhiều monosaccarit, hemiaxetal là dạng phổ biến nhất

• Phản ứng của andehit hoặc xeton với ancol:

• Nguyên tử C-1 trở thành tâm bất đối mới:

Ä cặp đồng phân anomer (a, b).

Ä chúng là 2 đồng phân lập thể không phải đối quang (dia).

• Công thức Tollens biễu diễn monosaccarit ở dạng vòng furanozit (5 cạnh) hoặc

piranozit (6 cạnh) phẳng

Dãy D

• Đồng phân a khi C1-OH nằm bên phải (cùng hướng với C5-OH hay ngược hướng với HOCH2C-6)

• Đồng phân b khi C1-OH nằm bên trái.

Đối với dãy L

• Sự sắp xếp nhóm OH ngược lại:

Ä Đồng phân a - anome: -OH nằm bên trái;

Ä Đồng phân b - anome: -OH nằm bên phải.

3

R

R' C O

R R' + R" OH

OR"

OH C

C

O

HO-CH 2

C

H OH C

HO H C

H OH

C H

C

O

HOCH2

H OH

C

H OH C

HO H C

H OH

C H

C

H

H

C

H OH C

HO H C

H OH C

CH 2 OH

O

OH

D-Glucozo (=dang andehit)

• Dẫn ra công thức ?

Lưu ý:

Ä Đồng phân epimer: hai đồng phân chỉ có một nguyên tố cacbon khác nhau về

cấu hình, thường là C2 (VD: Glucozơ và Mannozơ là 2 đồng phân epimer C2)

3 Công thức Haworth

Dãy D:

CH2OH nằm ở trên mặt phẳng vòng;

Ä a-OH nằm dưới mặt phẳng vòng (trans với CH2OH)

Ä b- OH nằm trên mặt phăng vòng (cis với CH2OH)

Dãy L: (ngược lại với dãy D)

CH2OH nằm dưới mặt phẳng vòng.

Ä a-OH nằm trên mặt phẳng vòng (trans với CH2OH)

Ä b-OH nằm dưới mặt phăng vòng (cis với CH2OH)

Ví dụ với xetohexozơ:

4 Công thức cấu dạng Reeves

• Cấu dạng ghế bền khi có nhiều nhóm thế ở vị trí equatoriral (e).

• Đồng phân b có cấu dạng bền hơn vì nhóm OH-C1 ở vị trí e

Ä 64%; [a]D=+ 18,70.

• Đồng phân a có cấu dạng kém bền hơn vì nhóm OH-C1 ở vị trí axial (a)

Ä 36%; [a]D=+ 112,20.

• Trong dung dịch nước đồng phân a chuyển dần thành đồng phân b và hỗn hợp cân bằng có

[a]D=+ 52,70

Ä Hiện tượng đổi quay (mutarotation)

• Trong dung dịch kiềm hiện tượng đổi quay xẩy ra nhanh hơn (cũng xẩy ra cả trong dd axit)

Ä Dạng vòng và dạng mạch hở dễ dàng chuyển hóa lẫn nhau.

• Nhóm OH anome trong

Ä a-D-glucose là axial;

Ä β-D-glucose là equatorial.

-II Bảo vệ nhóm chức

• Mục đích:

Ä Chuyển hóa giữa các monosaccarit.

Ä Xác định cấu trúc của monosaccarit.

• Loại nhóm bảo vệ bằng xử lí với axit hoặc khử hóa

1 Bảo vệ nhóm >C=O

• Phản ứng với HO-CH2CH2-OH hoặc

HS-CH2CH2-SH

2 Bảo vệ nhóm OH-anome

• Phản ứng với ancol, có mặt xúc tác axit

Ä Metanol, CH3OH

Không bền trong môi trường axit, bazơ

3 Bảo vệ nhóm OH

• Phản ứng axyl hóa

Tác nhân: Ac2O+ AcONa,

• Phản ứng tạo ete với CH3I/ Ag2O hoặc DMS/ OH

-5

CHO

HO-CH 2 CH 2 -OH

HC

O O Phan ung chuyên hóa H+

Loai nhóm bao vê

O

OH + MeOH H

+

O OMe + H 2 O

AcOH + HBr O

Br

O

OH MeOH/ H

OMe AcONaAc2O

O OMe AcO

AcO

OAc

AcO

O

OH MeI/ Ag2O

O OMe OMe

MeO MeO

• Bền với axit và với kiềm

• Phản ứng tạo ete với Trityl clorua, Ar3CCl (cho nhóm OH bậc1):

• Phản ứng tạo axetal với axeton/H+: (dễ bị thuỷ phân lại với axit loãng)

Ä Phù hợp với cis-diol.

Ä a-Andohexopiranozơ phản ứng với axeton theo đương lượng 1:1,

• a-Andohexofuranozơ phản ứng với axeton theo đương lượng 1:2,

Ä 1,2:5,6-di-O-isopropyliden-D-glucofuranozơ hay

Ä diaxeton-a-D-glucozơ.

-III Phản ứng của nhóm cacbonyl

Phản ứng ôxi hóa và phản ứng với phenylhidrazin

1 Ôxi hóa nhóm CHO  COOH : cho axit andonic

Ä Tác nhân: nước brôm, thuốc thử Tolenx (Ag+/NH3), Fehlinh hoặc Benedict (Cu++/OH-) Các

andozơ cho axit andonic; Các xeton không bị oxi hóa bởi tác nhân này Tuy nhiên, đối với các

xetozơ, trong môi trường kiềm nhóm –OH bậc 2 nằm cạnh nhóm oxo (của các xetozơ) rất hoạt động chúng chuyển qua bước endiol, rồi sau đó thành andozơ

Ä Sử dụng thuốc thử có tính kiềm như Tolenx (Ag+/NH3), Fehlinh hoặc Benedict (Cu++/OH-) Fructozơ cũng bị oxi hóa chậm

Ä Nước brôm được dùng để phân biệt các andozơ với xetozơ

Ä Tác nhân: HNO3: cả CHO và CH2OH  COOH : cho axit andaric

Ä Các axit dễ bị mất nước (khi đun nóng) cho các -lacton (6 cạnh) và thuận tiện hơn thành -lacton (5 cạnh)

Ä Nếu chỉ có nhóm –CH2OH ở C6 bị oxi hóa thành COOH  axit uronic

MeOH/ H +

O OMe

O OMe HO

Ar 3 CO

OH

HO

HO

HO HO

OH Ar3CCl

Me2CO/ H +

O HO

HO HO

OH OH

O HO

HO

O OH O

Ví dụ, D-glucozơ cho axit D-glucuronic

2 Tạo ozazon

Với 3 mol PhNH-NH2 cho ozazon kết tủa màu vàng; đun với benzandehit dư hoặc với axit đặc cho ozon (a-xetoandehit); ứng dụng để nhận dạng đường và chuyển andozơ thành xetozơ

Ví dụ: D-Glucozơ (andozơ)  Glucophenylhidrazon  ozonphenylhydrazon  ozazon (kết tủa

màu vàng, được bền hóa dưới dạng chelat)  (tác dụng của axit đặc hoặc benzandehit dư)  ozon

(RCO-CHO, a- oxoandehit)  xetozơ.

3 Chuyển hóa giữa các monosaccarit có cùng số nguyên tử cacbon

Andozơ → andozơ

Andozơ → xetozơ

Xetozơ → andozơ

1 Đồng phân hóa

a Trong môi trường kiềm, qua bước tạo thành endiol

andozơ  xetozơ; xetozơ  2 epime andozơ

b Qua bước tạo thành ozon

andozơ  xetozơ

c Qua bước tạo thành axit andonic, tiếp theo đồng phân hóa trong pyridin (tách ra dưới dạng lacton,

sau đó khử với Na/Hg, pH=3-5; có thể dùng NaBH4 ?)

andozơ  2 epime andozơ

2 Qua bước tạo thành dẫn xuất isopropyliden, thay đổi cấu hình C3

glucozơ  allozơ và glucozơ

4 Chuyển hóa thành các monosaccarit có số nguyên tử cacbon tăng hoặc gỉam

Hexozơ → heptozơ

Hexozơ → pentozơ,…

a Phương pháp xyanohidrin (Kiliani-Fisher)

1) HCN; 2) H3O+ ; 3) khử lacton với Na/Hg

b Phương pháp nitrometan

1) CH2NO2Na; 2) phản ứng Nef (nhờ dd axit)

2 Cắt mạch cacbon (mất 1C*)

a Phương pháp Ruff

1) [O]; 2) Ca+2, H2O2/Fe+3; 3) -CO2

b Phương pháp Wohl

1) NH2OH; 2) (Ac)2O chuyển thành hc nitril; 3) Ag2O/NH3 loại HCN;

c Phương pháp thoái biến amit

7

1) chuyển thành amit của axit andonic; 2) HOCl/Na2CO3 ; 3) loại nhóm HN=C=O (có thể viết qua bước loại CO2 thành amin bậc 1, sau đó loại tiếp NH3)

IV Xác định kích thước vòng

1 Xác định kích thước vòng của monosaccarit

Sử dụng HJO4 hay NaJO4 xẩy ra phân cắt ở 2C có 2 nhóm OH hay có OH và CHO nằm cạnh nhau

>CHOH và -CHO  COOH

CH2OH  CHO ; còn >CO  CO2

Từ những dữ kiện sau hãy xác định cấu trúc vòng của các gluxit sau:

Số HIO 4 Số HCO 2 H Số HCHO

a Metyl-a-D-mannozit 2 1 0

b Metyl-a-D-ribozơ 1

c Metylglycozit andohexozơ 3 2 0

d Metylglycozit andohexozơ 2 0 1

 a pyranozit b furanozit c vòng 7 d vòng 5 2 Xác định kích thước vòng của glycozit a Chuyển thành metyl glycozit b HIO4 cắt -CHOH-CHOH-

c Br2.H2O oxi hoá CHO thành COOH d H3O+ thuỷ phân liên kết bán axetal Vòng pyranozit: CH 2 OH OCH3 HO O OH OH HJO4 + HCOOH OCH3 O CHO CH2OH CHO 1 Br2 2 H 3 O+ { HOOC-CH(OH)2 } HOOC-CHO a Glyoxylic HOOC-CHOH-CH2OH a Glyxeric

Vòng furanozit CH2OH OCH3 OH OH HJO4 + HCOOH OCH 3 O CHO CHO CHO 1 Br2 2 H 3 O+ { HOOC-CH(OH)2 } HOOC-CHO a Glyoxylic { HOOC-CHOH-COOH } a Glycolic O OH CH 2 OH-COOH

3 Xác định vị trí đóng vòng

Thực hiện các bước chuyển hoá sau:

1) CH3OH/HCl ; 2) DMS/HO- hay CH3J/Ag2O ; 3) H+

4) HNO3 (hoặc axit cromic axit)  axit 2,3,4-trimetoxiglutarric

(cú thể cú axit 2,3-dimetoxisucxinic) : vị trớ C 1 -C 5

Pyranozit:

O

CH 2 OH

OMe OMe

OH MeO

1 MeOH/H+

2 DMSO/OH

-3 H 3 O+

HNO3

CH COOH

OMe OMe OMe

Ome

OMe COOH

Furanozit:

Nếu cho  axit 2,3-dimetoxisucxinic (cú thể cú axit metoximalonic và

một lượng nhỏ axit dimetoxiglyxeric, MeOCH2CHOH-COOH: vị trớ C 2 -C 5

1 MeOH/H+

2 DMSO/OH

-3 H3O+

O

OMe

MeO

OH

CH2OH

HOCH2

HNO3 HOOC-CHOMe-CHOMe-COOH

HOOC-CHOMe-COOH HOOC-CHOMe-CH2OMe + CO2

B OLIGOSACARIT

6 thông tin sau cần có để xác định cấu trúc của oligo- và polisaccarit:

1 Loại monosaccarit tham gia liên kết (có thể cho biết trớc, hoặc suy từ một monosaccarit đã

cho hoặc cho biết cấu hình; ví dụ, D-Glu có 2R, 3S, 4R và 5R).

2 Số lợng monosaccarit tham gia liên kết (có thể suy ra từ công thức phân tử)

3 Vị trí liên kết của các monosaccarit (thông qua bớc metyl hóa rồi thủy phân axit)

4 Thứ tự liên kết (phân cắt không hoàn toàn)

5 Kích thớc vòng của các monosaccarit

6 Cấu hình của liên kết glycozit (cấu hình nguyên tử anome, a hay b)

Sử dụng enzym:

Maltaza = a-glucozidaza

Emulssin = β-glucosidaza

Invertaza = saccharaza= β-fructosidaza (= α-maltaza) thủy phõn sucrozơ

Lactaza = β-galactaza

1 Đờng không khử

Thông tin dới một trong số các dạng sau: gluxit này

 không phản ứng với thuốc thử Tolenx (AgNO3/NH3), Fehlinh (CuSO4/Na-tartrat), hoặc

Benedict (CuSO4/xitrat-NaOH)

 không phản ứng với nớc brôm

 không thể “đổi quay”(cõn bằng giữa mạch hở và mạch vũng).

Các monosaccarit liên kết qua C 1 - C 1 (andozơ-andozơ) hoặc C 1 - C 2 (andozơ-xetozơ)

Vớ dụ:

(+)-Saccarozơ (sucrozơ, đờng mía) là đờng không khử; nó là đồng phân quay phải, khi thuỷ phân

nhận đợc một hỗn hợp quay trái là do fructozơ có độ quay cực trái lớn hơn độ quay cực của glucozơ

quay phải Hiện tợng này gọi là đảo quay đờng

Saccarozơ: C 1 -C 2 , D-Glucozơ + D- Fructozơ

b-D-fructofuranosyl-a-D-glucopyranozi t hay a-D-glucopyranosyl-b-D-fructofuranozit

9

(+)-Trehalozơ là đờng không khử (có trong nấm).

C 1 -C 1 , D-Glucozơ + D- Glucozơ

a-D-glucopyranosyl-a-D-glucopyranozơ

2 Đờng khử

Thông tin dới một trong số các dạng sau: gluxit này

 phản ứng với thuốc thử Tolenx, Fehlinh, hoặc Benedict

 có thể đổi quay”.

 phản ứng với nớc brôm (andozơ) hoặc không phản ứng (xetozơ)

Các monosaccarit thờng liên kết qua C 1 - C 4 hoặc C 1 - C 6

Ví dụ:

(+)-Mantozơ (đờng mạch nha) có trong mầm ngũ cốc Nó đợc điều chế bằng cách thuỷ phân tinh

bột nhờ enzym diastaza Mantozơ là 4-O-(a-D-glucopyranosyl)-D-glucopyranoz.

Mantozơ: C 1 -C 4, D-Glucozơ + D- Glucozơ

4-O-(a-D-glucopyranosyl)-D-glucopyranozơ

(+)-Lactozơ (đờng sữa) cùng với (+)-allolactozơ tìm thấy trong sữa Nó chiếm 5-7% trong sữa ngời,

và 4-5% trong sữa bò Nó bị thuỷ phân bởi axit hay enzym lactaza (b-galactosidaza) Lactozơ có cấu

trúc 4-O-( b –D-galactopyranosyl)-D-glucopyranozơD-galactopyranosyl)-D-glucopyranozơ

Lactozơ: C 1 -C 4, D-Galactozơ + D-Glucozơ

4-O-(b-D-galactopyranosyl)-D-glucopyranozơ

Gentiobiozơ: C 1 -C 6, D-Glucozơ + D- Glucozơ

6-O-(b-D-glucopyranosyl)- b-D-glucopyranozơ

c Polisaccarit (Glycan)

Các polisaccarit quan trọng nhất là tinh bột, xenlulzơ và glycogen mà đợc kết cấu từ những

đơn vị D-glucozơ, và đợc nối với nhau bằng liên kết giữa các nhóm OH ở C1 và nhóm OH ancol ở C4

của đơn vị glucozơ tiếp theo, kèm theo mất nớc đối với mỗi liên kết Công thức chung của polisaccarit là (C6H10O5)n

1 Tinh bột (Amylum)

Tinh bột là hỗn hợp của 2 thành phần, amilozơ và amilopectin

Amilozơ có mạch phân tử không phân nhánh và KLPT khoảng 200.000 đv C Phân tử

amilozơ gồm các gốc a-glucozơ nối với nhau bằng liên kết a-(1,4)-glucozit (a-1,4-glucan) ở ng.tử

C1 của gốc này với ng tử C4 của gốc kia qua một ng tử oxi

Amylozơ (14)-a-D-Glucopyranan

Amilopectin là thành phần chính của tinh bột Nó có mạch phân tử phân nhánh và KLPT

khoảng 1.000.000 đv C Phân tử amilopectin đợc cấu tạo bởi 1 số phân tử amilozơ chỉ gồm 20-25

đơn vị Các phân tử amilozơ này nối với nhau bằng liên kết a (1,6)-glucozit ở ng tử C1 và ng tử C6

qua 1 ng tử oxi

Amilopectin: (14)a- và (16)a-glucozit

Thuỷ phân TB trong dd axit vô cơ cho D-glucozơ Trong cơ thể động vật TB đợc thuỷ phân nhờ các men khác nhau

a-amilaza b-amilaza maltaza

(C6H10O5)n - (C6H10O5)m - C12H22O11 - C6H12O6

Tinh bột Dextrin Manntozơ Glucozơ

Hồ tinh bột (dạng amilozơ) tạo với iot màu xanh lam do giữ I2 vào trong cấu trúc hình xoắn tạo ra một phức chuyển điện tích có màu xanh Khi đun nóng cấu trúc xoắn bị giản ra màu xanh lam biến mất, chuyển sang màu nâu đỏ, để nguội cấu xoắn trở lại, màu xanh lại hiện ra Phản ứng này dùng

để phát hiện tinh bột hay ngợc lại để phát hiện iot Dạng amilopectin với iot cho màu nâu đỏ

2 Xenluloz¬

Xenluloz¬ cÊu t¹o tõ nhiÒu gèc b-glucoz¬ kÕt hîp víi nhau b»ng liªn kÕt glycozit b (1,4), (b-1,4-glucan) gi÷a ng tö C1 cña gèc nµy víi ng tö C4 cña gèc kia

Xenluloz¬ (14) b-D-glucopyranan

Kh¸c víi tinh bét, ph©n tö Xen cã cÊu t¹o kh«ng ph©n nh¸nh vµ cã KLPT lín h¬n, kho¶ng 1-2 triÖu ®v C Mçi gèc glucoz¬ cña Xen cã 3 nhãm OH tù do, nªn cã thÓ viÕt [C6H7O2(OH)3]n

Glycogen (14)a-D-glucopyranan, nhng nhiÒu liªn kÕt chÐo h¬n amyloz¬.

D BÀI TẬP

Bài 1.

Vẽ cấu trúc Mạch hở - Harworth – Cấu dạng

v Vẽ công thức Fisơ cho phân tử sau, và cho biết cấu hình theo R/S của mỗi tâm bất đối

a

b

O

H

OH

OH OH

OH

CHO

CH2OH

c

d

O HO

OH

OH

OH OH

CHO

CH2OH

e.Vẽ công thức Haworth và hình chiếu Fisơ cho monosacarit sau:

11

OH

OH OH

OH

H

O

C

CH 2 OH

CHO S S R

HO

HO HO OH

OH

Công thuc Haworth ?

O

CHO

CH2OH

O

HO

H

H

OH H OH

CHO

CH 2 OH