4: CEL I PARTIM ORGANISCHE CHEMIE 25-26-pages-4.pdf

# Oxidatie- en reductiereacties in de organische chemie Dit onderwerp behandelt de concepten van oxidatie en reductie in organische moleculen, inclusief hun definities gebaseerd op zuurstof- en elektronenrijkdom, en de striktere definitie via oxidatiegetallen, met specifieke aandacht voor de oxidatie van alcoholen [1](#page=1). ### 1.1 Algemene concepten van oxidatie en reductie Oxidatie en reductie zijn fundamentele transformaties in de organische chemie, die vaak uit meerdere stappen bestaan en soms reeds bekende reactietypes zoals zuur-base reacties, substitutie-, additie- of eliminatiereacties omvatten. Soms worden individuele elektronen getransfereerd [1](#page=1). Een organische molecule wordt als geoxideerd beschouwd wanneer deze "rijker" wordt aan zuurstof, en als gereduceerd wanneer deze "rijker" wordt aan elektronen. Formeel gaan oxidatie en reductie altijd hand in hand: de oxidatie van de ene reactant gaat gepaard met de reductie van een andere reactant. Meestal focust de interesse echter op één van de reactanten, waarbij de transformatie wordt gedefinieerd als oxidatie of reductie afhankelijk van de verandering van het organische substraat [1](#page=1). #### 1.1.1 Definitie via oxidatiegetallen Een striktere definitie van oxidatie en reductie is gebaseerd op de verandering van het oxidatiegetal van de betrokken C-atomen. Per conventie wordt het oxidatiegetal van een C-atoom bepaald door de relatieve elektronegativiteit van de elementen waaraan het gebonden is. Een binding met een meer elektronegatief element verhoogt het oxidatiegetal met +1, terwijl een binding met een minder elektronegatief element (inclusief waterstof) het oxidatiegetal met -1 verlaagt [1](#page=1) [2](#page=2). * **Oxidatie:** De som van de oxidatiegetallen van de betrokken C-atomen stijgt [2](#page=2). * **Reductie:** De som van de oxidatiegetallen van de betrokken C-atomen daalt [2](#page=2). De additie van water aan een alkeen is bijvoorbeeld geen oxidatieproces, omdat er rekening gehouden moet worden met alle C-atomen van het substraat. Het is belangrijk te onthouden dat C-atomen hier geen formele ladingen dragen; de toekenning van oxidatiegetallen is een conventie die specifiek voor dit doel nuttig is [2](#page=2). ### 1.2 Oxidatiereacties van alcoholen Bij de oxidatie van alcoholen worden sterke oxiderende reagentia gebruikt, zoals kaliumpermanganaat ($\text{KMnO}_4$) en chroomtrioxide ($\text{CrO}_3$), dat in situ wordt gevormd uit $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ en $\text{K}_2\text{CrO}_4$ in oplossing (het "Jones" reagens). Het resultaat van de oxidatie hangt af van de substitutiegraad van het alcohol: primair, secundair of tertiair [2](#page=2) [3](#page=3). #### 1.2.1 Oxidatie van primaire alcoholen Primaire alcoholen kunnen geoxideerd worden tot aldehyden. Dit proces kan gezien worden als de onttrekking van een $\text{H}^+$ en een $\text{H}^-$ uit de C-OH binding, wat resulteert in de vorming van $\text{H}_2$. Aldehyden kunnen vervolgens verder geoxideerd worden tot carbonzuren. Om de synthese van aldehyden te bewerkstelligen, kan het vluchtige aldehyde uit het reactiemengsel worden verwijderd door destillatie om verdere oxidatie te voorkomen [3](#page=3) [4](#page=4) [6](#page=6). > **Tip:** Omdat aldehyden vluchtiger zijn dan zowel de uitgangsalcohol als het gevormde carbonzuur, kan destillatie effectief worden ingezet om het aldehyde te isoleren en verdere reactie te minimaliseren [4](#page=4). #### 1.2.2 Oxidatie van secundaire alcoholen Secundaire alcoholen worden door oxidatie omgezet in ketonen. In het geval van isopropanol, dat een secundair alcohol is, evolueert het koolstofatoom met oxidatiegetal 0 naar een oxidatiegetal van +2 in aceton. Het chroomtrioxide-reactieproces in zuur milieu illustreert de stappen [3](#page=3) [4](#page=4): * De eerste stap omvat de vorming van $\text{H}_2\text{CrO}_3$ uit chroomzuur ($\text{CrO}_3$ in zuur waterig milieu), waarbij het oxidatiegetal van chroom van +6 naar +4 gaat [3](#page=3) [4](#page=4). * De tweede stap toont gelijkenis met een $\text{E}_2$-eliminatiereactie [4](#page=4). #### 1.2.3 Oxidatie van tertiaire alcoholen Tertiaire alcoholen kunnen niet geoxideerd worden met de gebruikelijke oxiderende reagentia. Dit komt doordat het koolstofatoom waaraan de hydroxylgroep is gebonden, geen $\text{C-H}$ binding meer bezit die kan worden afgestaan in het oxidatieproces [3](#page=3). #### 1.2.4 Biologische oxidatie van alcoholen In biologische systemen vinden eveneens oxidaties van alcoholen plaats, vaak gekatalyseerd door enzymen. Ethanol wordt in de lever door het enzym alcoholdehydrogenase geoxideerd tot acetaldehyde [4](#page=4). $$ \text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH} \xrightarrow{\text{alcoholdehydrogenase}} \text{CH}_3\text{CHO} $$ De snelheid van deze oxidatie is constant, ongeacht de ethanolconcentratie, wat kan leiden tot intoxicatie wanneer de opname sneller verloopt dan de afbraak. Acetaldehyde wordt vervolgens door aldehyde-dehydrogenase geoxideerd tot acetaat, een bouwsteen voor vetzuren en cholesterol [4](#page=4). Methanol wordt door alcoholdehydrogenase geoxideerd tot formaldehyde, wat toxische effecten heeft, met name op het netvlies, en kan leiden tot permanente blindheid. Formaldehyde wordt verder omgezet in formiaat door aldehyde-dehydrogenase. Formiaat accumuleert in het bloed als mierenzuur, wat kan leiden tot acidosis en een fatale toestand [5](#page=5). > **Tip:** Bij methanolvergiftiging wordt ethanol toegediend omdat zowel methanol als ethanol door alcoholdehydrogenase worden geoxideerd. Ethanol concurreert met methanol voor het enzym, waardoor de vorming van toxisch formaldehyde wordt vertraagd [5](#page=5). Een belangrijke oxidator in biologische processen is nicotinamideadenine dinucleotide ($\text{NAD}^+$). Het reactieve deel, de nicotineamidegroep, neemt twee elektronen en één $\text{H}^+$ op, waarbij $\text{NAD}^+$ wordt omgezet tot $\text{NADH} + \text{H}^+$ [5](#page=5). Voorbeelden van $\text{NAD}^+$-betrokken oxidaties zijn: * Oxidatie van melkzuur tot pyrodruivenzuur [6](#page=6). * Oxidatie van isocitroenzuur tot oxalobarnsteenzuur [6](#page=6). ### 1.3 Oxidatie van primaire alcoholen en aldehyden Zoals eerder vermeld, worden primaire alcoholen eerst geoxideerd tot aldehyden. Deze aldehyden worden gemakkelijk verder geoxideerd tot carbonzuren, tenzij ze door destillatie uit het reactiemengsel worden verwijderd. De oxidatie van aldehyden tot carbonzuren kan worden bewerkstelligd met oxidanten zoals $\text{KMnO}_4$ of $\text{CrO}_3$ [6](#page=6). ### 1.4 Reductie van carbonylfunctie De reductie van een carbonylfunctie beoogt het omgekeerde van de oxidatiereacties van alcoholen; hierbij wordt een alcohol verkregen uit een overeenkomstig aldehyde of keton met behulp van een reductans. Een veelgebruikte methode is katalytische hydrogenatie met $\text{H}_2$-gas en een katalysator zoals $\text{Pt}$, $\text{Ni}$ of $\text{Pd}$ onder matige druk, vergelijkbaar met de hydrogenatie van alkenen [7](#page=7). Aldehyden worden hierdoor gereduceerd tot primaire alcoholen, en ketonen tot secundaire alcoholen. Tertiaire alcoholen kunnen op deze wijze niet worden verkregen [7](#page=7). $$ \text{R}_1\text{COR}_2 + \text{H}_2 \xrightarrow{\text{katalysator}} \text{R}_1\text{CH(OH)R}_2 $$ --- # Structuur en indeling van suikers (sachariden) Dit deel introduceert suikers (sachariden of koolhydraten), hun natuurlijke voorkomen en biologische rol, en beschrijft hun classificatie in monosachariden, oligosachariden en polysachariden, evenals hun basisstructuren zoals aldosen en ketosen. ### 2.1 Inleiding tot suikers Suikers, ook wel sachariden of koolhydraten genoemd, zijn de meest voorkomende organische moleculen in de natuur en spelen diverse cruciale rollen, waaronder als energiebron (bv. glucose, zetmeel) en voor stevigheid (bv. cellulose). Ze zijn bouwstenen in celwanden van bacteriën, komen voor op het oppervlak van eiwitten en zijn betrokken bij cel-cel interacties. Bovendien zijn specifieke suikermoleculen integrale onderdelen van nucleïnezuren, die erfelijk materiaal vormen [8](#page=8). Suikers worden gevormd door fotosynthese in planten, waarbij zonlicht de omzetting van $H_2O$ en $CO_2$ in eenvoudige suikermoleculen aandrijft. De algemene reactievergelijking is [8](#page=8): $$6 \text{ CO}_2 + 6 \text{ H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{Zonlicht}} \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6 \text{ O}_2$$ [8](#page=8). De zonne-energie die in suikermoleculen wordt opgeslagen, voornamelijk als glucose, wordt door planten vrijgegeven voor hun metabolisme. Mensen en dieren zijn eveneens afhankelijk van glucose voor hun energiehuishouding door het consumeren van planten, direct of indirect. Dit hoofdstuk richt zich op de chemische structuur, eigenschappen, indeling, nomenclatuur en biologische/biomedische rol van verschillende soorten suikers [8](#page=8). ### 2.2 Definitie en indeling van suikers De term 'koolhydraat' stamt uit de 19e eeuw, toen werd aangenomen dat de brutoformule van veel suikermoleculen de vorm $(CH_2O)_n$ had, wat de indruk gaf van 'hydraten van koolstof'. De term 'sacharide' is afgeleid van het Latijnse woord voor suiker (saccharum), wat oorspronkelijk 'zoet zand' betekende [9](#page=9). 'Suikers' is een verzamelnaam voor verbindingen die opgebouwd zijn uit één of meerdere monosachariden [9](#page=9). #### 2.2.1 Monosachariden Monosachariden zijn de kleinste moleculen die alle karakteristieke suikereigenschappen bezitten, waaronder een zoete smaak. Ze zijn ofwel aldosen (polyhydroxyaldehyden) ofwel ketosen (polyhydroxyketonen). Met uitzondering van het carbonylkoolstofatoom, is elk koolstofatoom doorgaans gebonden aan één hydroxylgroep. Op basis van het aantal koolstofatomen in de keten worden ze geclassificeerd als triosen ($C_3$), tetrosen ($C_4$), pentosen ($C_5$), hexosen ($C_6$) en heptosen ($C_7$) [9](#page=9). Voorbeelden van structuren: * Aldose: Bevat een aldehydegroep (CHO) [9](#page=9). * Ketose: Bevat een ketongroep (C=O) [9](#page=9). De naamgeving, zoals aldohexose of ketotetrose, geeft de aard van de carbonylgroep en de lengte van de koolstofketen aan. De meest voorkomende suikers zijn hexosen en pentosen. Bekende monosachariden zijn ribose, glucose en fructose [10](#page=10) [9](#page=9). #### 2.2.2 Oligosachariden Oligosachariden bestaan uit een beperkt aantal (2 tot 10) monosachariden die chemisch aan elkaar verbonden zijn. Disachariden en trisachariden komen het meest voor. Voorbeelden van disachariden zijn sucrose en lactose [10](#page=10). #### 2.2.3 Polysachariden Polysachariden zijn opgebouwd uit 10 of meer aan elkaar verbonden monosachariden. Zowel oligosachariden als polysachariden kunnen homogeen zijn (bestaan uit één type monosacharide, bv. cellulose, chitine) of heterogeen (bestaan uit verschillende soorten monosachariden, bv. zetmeel). De grote diversiteit in monosachariden maakt de vorming van zeer complexe moleculen mogelijk [10](#page=10). #### 2.2.4 Gefunctionaliseerde suikers Sachariden kunnen ook gefunctionaliseerd zijn, wat betekent dat andere functionele groepen dan hydroxylgroepen, zoals amines of carbonzuurfuncties, aanwezig zijn op het koolstofskelet [10](#page=10). #### 2.2.5 Deoxysuikers Deoxysuikers worden gekenmerkt door de vervanging van een hydroxylgroep door een waterstofatoom op één koolstofatoom. Ribose is een bouwsteen van RNA, terwijl de deoxyvorm, deoxyribose, wordt gebruikt in DNA [10](#page=10). ### 2.3 Monosachariden #### 2.3.1 Chemische structuur van monosachariden: aldosen Het eenvoudigste aldose is glyceraldehyde, een triose. Het centrale koolstofatoom in glyceraldehyde is stereogeen, wat leidt tot twee enantiomeren (spiegelbeelden) [10](#page=10) [11](#page=11). > **Tip:** De D, L-nomenclatuur, ontwikkeld door Emil Fischer, wordt nog steeds gebruikt voor suikers en aminozuren, ondanks de latere ontwikkeling van de R,S-nomenclatuur. D staat voor 'dextro' (rechts) en L voor 'levo' (links) [11](#page=11). De D-vorm van glyceraldehyde heeft de hydroxylgroep rechts in de Fisher-projectie, en de L-vorm heeft deze links [11](#page=11). Voor tetrosen, pentosen en hexosen met respectievelijk 2, 3 en 4 stereogene koolstofatomen, kunnen er 4, 8 en 16 verschillende stereoisomeren onderscheiden worden [11](#page=11). De D-aldosen en aldohexosen worden gekenmerkt doordat de -OH groep van het stereochemisch centrum dat het verst van de carbonylgroep ligt, rechts van de hoofdketen staat in de Fisher-projectie. Alle stereoisomeren van monosachariden worden ingedeeld in een D- en L-familie op basis van de configuratie van het voorlaatste koolstofatoom (geteld vanaf de carbonylfunctie). De familie van D-suikers kan afgeleid worden uit D-glyceraldehyde via een stamboomstructuur (Figuur 12.1) [12](#page=12). De structuur van elke suiker wordt verkregen door een nieuwe H-C-OH 'eenheid' toe te voegen tussen het carbonylkoolstof en bestaande eenheden. Aangezien elke toegevoegde CHOH-eenheid een stereogeen koolstofatoom is, kan dit op twee manieren: H-C-OH of HO-C-H, wat het aantal monosachariden verdubbelt per toegevoegd koolstofatoom. Vanuit D-glyceraldehyde ontstaan zo twee D-aldotetrosen, die elk leiden tot twee D-aldopentosen, en vervolgens tot twee D-aldohexosen. In totaal kunnen acht verschillende D-aldohexosen worden afgeleid van D-glyceraldehyde. Een analoge stamboom voor L-glyceraldehyde kan worden opgesteld door de spiegelbeelden te nemen [13](#page=13). De hexosen die uit glyceraldehyde ontstaan, hebben triviale namen die de status van systematische namen hebben verkregen: Allose, Altrose, Glucose, Mannose, Gulose, Idose, Galactose en Talose [13](#page=13). > **Definitie:** **Epimeren** zijn twee monosachariden die slechts verschillen in de configuratie rond één stereogeen centrum. Bijvoorbeeld D-glucose en L-idose, of D-gulose en D-idose zijn epimeren [15](#page=15). Het wijzigen van de configuratie van het voorlaatste koolstofatoom resulteert in de omzetting van een D-monosacharide naar een L-monosacharide en een ander diastereomeer met een nieuwe naam. Een wijziging aan een ander stereogeen centrum dan het voorlaatste behoudt de D- of L-configuratie, maar genereert een ander diastereomeer [15](#page=15). In de natuur komt overwegend de D-vorm van monosachariden voor, met enkele uitzonderingen [15](#page=15). Voorbeelden van structuren: * D-glyceraldehyde [14](#page=14). * L-glyceraldehyde [14](#page=14). * D-glucose [14](#page=14). * L-glucose [14](#page=14). * D-erytrose [14](#page=14). * D-treose [14](#page=14). * D-allose [14](#page=14). * D-glucose (vergelijking met L-idose) [15](#page=15). #### 2.3.2 Chemische structuur van monosachariden: ketosen Hoewel minder algemeen dan aldosen, hebben ketosen belangrijke vertegenwoordigers. Ketosen zijn intermediairen in sleutelprocessen van biochemische suikersynthese en metabolisme [16](#page=16). De eenvoudigste ketose is dihydroxyaceton, een isomeer van glyceraldehyde. Dihydroxyaceton heeft geen stereogeen centrum, dus geen D, L-vorm [16](#page=16). * Dihydroxyaceton structuur [16](#page=16). De belangrijkste ketosen hebben de carbonylfunctie op C2. Ze kunnen worden afgeleid van dihydroxyaceton door de invoeging van een H-C-OH eenheid tussen de carbonylgroep en de terminale CH2OH eenheid. Elk ingevoegd stereogeen koolstofatoom leidt tot verschillende stereo-isomeren [16](#page=16). Wanneer een H-C-OH eenheid aan dihydroxyaceton wordt toegevoegd, ontstaat erythrulose, dat in twee enantiomere vormen voorkomt (één stereogeen centrum). Ook bij erythrulose kan men onderscheid maken tussen een D-vorm en een L-vorm, gebaseerd op de positie van de hydroxylgroep op het voorlaatste koolstofatoom in de Fisher-projectie [16](#page=16). De D-ketosen bestaan uit 3 tot 6 koolstofatomen. De -OH groep van het stereochemisch centrum dat het verst van de carbonylgroep ligt, is steeds rechts gelegen ten opzichte van de hoofdketen. Elke opgesplitste pijl in Figuur 12.2 verwijst naar twee ketosen met dezelfde configuratie, behalve op C3 [17](#page=17). --- # Cyclische structuren en representaties van monosachariden Dit onderwerp verkent de cyclische vormen van monosachariden, de methoden om ze weer te geven, en de bijbehorende isomerie. ### 3.1 Mutarotatie en cyclische vormen Monosachariden zoals D-glucose kunnen in verschillende vormen voorkomen, die onderscheiden worden door hun specifieke rotatie. De vorm met een specifieke rotatie van $+113$ graden wordt aangeduid als $\alpha$-D-glucose, terwijl de vorm met $+19$ graden bekend staat als $\beta$-D-glucose. De specifieke rotatie van een zuivere oplossing van $\alpha$-D-glucose of $\beta$-D-glucose is niet stabiel en verandert in de loop van de tijd, om uiteindelijk een constante waarde van $+52$ graden te bereiken [18](#page=18). Dit fenomeen, waarbij de specifieke rotatie van een verse oplossing van een zuiver sacharide met de tijd verandert, wordt **mutarotatie** genoemd. Mutarotatie treedt op bij aldohexosen, aldopentosen (zoals D-Ribose) en sommige ketohexosen (zoals D-fructose) [18](#page=18). De oorzaak van mutarotatie ligt in het feit dat deze suikers, naast een lineaire vorm, ook in een cyclische vorm kunnen voorkomen. Deze cyclische vorm ontstaat door **inwendige hemiacetalvorming** (bij aldehyden) of **hemiketalvorming** (bij ketonen). Door deze cyclisatie ontstaat een nieuw stereogeen koolstofatoom, wat leidt tot de vorming van twee mogelijke stereoisomeren [18](#page=18). Wanneer men uitgaat van de zuivere $\alpha$-vorm, vertoont de oplossing aanvankelijk de specifieke rotatie van dit isomeer. In aanwezigheid van zure katalyse kan het $\alpha$-isomeer terugkeren naar de lineaire vorm. Aangezien het stereogene koolstofatoom hierbij verdwijnt, kan bij hernieuwde hemiacetalvorming zowel het $\alpha$- als het $\beta$-isomeer ontstaan. Dit verklaart de mutarotatie. De uiteindelijke verhouding tussen de $\alpha$- en $\beta$-isomeren, en dus de uiteindelijke specifieke rotatie, wordt bepaald door de relatieve stabiliteit van de aanwezige vormen; de lineaire vorm is doorgaans slechts in zeer geringe mate aanwezig [19](#page=19). > **Tip:** Begrijpen dat mutarotatie het gevolg is van een dynamisch evenwicht tussen lineaire en cyclische vormen is cruciaal voor het begrijpen van sacharidenchemie. ### 3.2 Definities, representaties en soorten cyclische monosachariden #### 3.2.1 Furanose- en pyranosevormen Aldopentosen en aldohexosen kunnen aanleiding geven tot het vormen van vijfringen (furanose) of zesringen (pyranose). Deze cyclische vormen worden vaak aangeduid met de uitgang "pyranose" of "furanose", bijvoorbeeld $\alpha$-D-glucopyranose of $\alpha$-D-ribofuranose, hoewel dit vaak wordt weggelaten als er geen ambiguïteit is [20](#page=20). #### 3.2.2 Fisherprojectie van cyclische vormen De Fisherprojectie van de cyclische $\alpha$- en $\beta$-pyranosevormen kan worden afgeleid uit de Fisherprojectie van de lineaire structuur door hemiacetalvorming tussen de eindstandige aldehyde en de C5-OH groep [20](#page=20). Bij D-suikers bevindt het hemiacetale zuurstofatoom in de ring zich rechts in de Fisherprojectie, waardoor deze cyclische representaties nog steeds als D-vormen kunnen worden herkend. De toekenning van de $\alpha$- en $\beta$-vorm gebeurt op basis van de positie van de hydroxylgroep op C1 (de glycosidische hydroxylgroep) ten opzichte van de C5-OH groep in de Fisherprojectie. Indien de C1-OH zich aan dezelfde zijde bevindt als de C5-OH, is het de $\alpha$-vorm; aan tegengestelde zijden is het de $\beta$-vorm [20](#page=20) [21](#page=21). > **Tip:** De Fisherprojectie van cyclische suikers kan verwarrend zijn omdat het de driedimensionale structuur niet goed weergeeft. Andere representaties zijn daarom nuttiger. #### 3.2.3 Haworthprojectie De Haworthprojectie is een meer praktische weergave van cyclische monosachariden, afgeleid van de Fisherprojectie. Het proces omvat [21](#page=21): 1. Cyclische permutatie van de substituenten op het onderste koolstofatoom in de Fisherprojectie [22](#page=22). 2. 90 graden draaien van de gemanipuleerde Fisherprojectie [22](#page=22). 3. Tekenen van een platte representatie van de pyranose/furanose vorm, waarbij bindingen die naar de waarnemer toe wijzen vetgedrukt worden [22](#page=22). 4. Verticaal plaatsen van de hydroxylsubstituenten boven of onder het vlak van de platte weergave [22](#page=22). Bij D-sachariden is de glycosidische hydroxylgroep naar onder gericht in de $\alpha$-vorm en naar boven gericht in de $\beta$-vorm in Haworthprojecties, waarbij de zesring als vlak wordt verondersteld [23](#page=23). > **Voorbeeld:** De Haworthprojectie van $\alpha$-D-glucopyranose en $\beta$-D-galactopyranose. #### 3.2.4 Stoelprojectie De stoelprojectie is een meer accurate weergave van de cyclische zesring, omdat het rekening houdt met de niet-vlakke aard ervan. Deze kan worden verkregen uit de Haworthprojectie door [23](#page=23): * De stoelvorm zo te tekenen dat C1 naar beneden en C4 naar boven wijst. * De substituenten die in de Haworthprojectie naar boven of onder gericht zijn, op de stoelvorm op gelijke wijze boven of onder het vlak te plaatsen [23](#page=23). #### 3.2.5 Anomeer koolstofatoom en glycosidische hydroxylgroep Het **anomeer koolstofatoom** is het koolstofatoom in de ring dat verbonden is met twee zuurstofatomen. Het correspondeert met het carbonylkoolstofatoom in de lineaire vorm en is het nieuw gevormde stereogene koolstofatoom. De hydroxylgroep die aan het anomeer koolstofatoom gebonden is, wordt de **glycosidische hydroxylgroep** genoemd. Deze hydroxylgroep is afwezig in de lineaire vorm en vertoont afwijkende chemische eigenschappen vergeleken met reguliere hydroxylgroepen [24](#page=24) [25](#page=25). > **Tip:** Het anomeer koolstofatoom is cruciaal voor de vorming van glycosidische bindingen en daarmee voor de opbouw van polysachariden. ### 3.3 Pyranose en furanose vormen van aldohexosen Aldohexosen kunnen zowel in een pyranosevorm (zesring) als in een furanosevorm (vijfring) voorkomen. De pyranosevorm is bij aldohexosen de meest voorkomende [25](#page=25). Voor D-glucose wordt in water een verdeling gevonden van ongeveer 36% in de $\alpha$-D-vorm, 64% in de $\beta$-D-vorm, en slechts 0,01% in de lineaire vorm. De dominantie van de $\beta$-D-vorm over de $\alpha$-D-vorm kan verklaard worden door de equatoriale positie van de glycosidische OH in de $\beta$-vorm ten opzichte van de axiale positie in de $\alpha$-vorm op de zesring [25](#page=25). > **Tip:** De stabiliteit van cyclische suikers hangt sterk af van de stereochemische positie van substituenten, met equatoriale posities die energetisch gunstiger zijn dan axiale posities. De Haworthprojecties van D-mannose en D-galactose kunnen worden afgeleid uit hun Fisherprojecties. Door deze om te zetten naar stoelconformaties kan worden aangetoond dat $\beta$-D-glucose de meest energetisch stabiele pyranosevorm is van alle aldohexosen [26](#page=26). De furanosevorm van D-glucose, D-mannose en D-galactose is energetisch minder gunstig dan de pyranosevorm vanwege ongunstige eclipsinteracties in de vijfring. Furanosevormen komen daarom slechts in geringe percentages voor in waterige oplossingen (<1%), maar kunnen wel voorkomen als onderdeel van grotere sachariden [26](#page=26). ### 3.4 Cyclische vorm van aldopentosen: D-Ribose Bij aldopentosen ontstaan furanosederivaten door hemiacetalvorming met de C4-OH groep. Pyranosederivaten kunnen ook ontstaan wanneer de hemiacetalvorming plaatsvindt met de C5-OH groep, wat leidt tot $\alpha$- en $\beta$-D-ribopyranose. Deze pyranosevormen zijn energetisch minder gunstig door de aanwezigheid van axiale hydroxylgroepen, waardoor de zesring stoelvormen minder stabiel zijn dan de vijfring furanosevormen [27](#page=27). ### 3.5 Cyclische vorm van ketohexosen: D-Fructose Bij ketohexosen zoals D-fructose ontstaat de cyclische vorm door hemiketalvorming tussen de C6-OH en de ketonfunctie op C2 (vorming van een pyranose) of tussen de C5-OH en de ketonfunctie op C2 (vorming van een furanose) [28](#page=28). Een oplossing van D-fructose in water bestaat uit een mengsel van deze isomeren, waarbij de open vorm slechts voor 0,25% aanwezig is [28](#page=28). ### 3.6 Chemische reactiviteit van cyclische monosachariden Monosachariden die cyclische ringen kunnen vormen, komen voor meer dan 99% in deze gesloten vormen voor, met slechts kleine concentraties van de open, lineaire vorm. Omdat het evenwicht tussen lineaire en cyclische vormen snel verloopt, kunnen monosachariden zowel de karakteristieke reacties van hemiacetalen/hemiketale n als van aldehyden/ketonen vertonen, naast die van alcoholen. De chemie van monosachariden wordt dus bepaald door deze drie functionele groepen [28](#page=28). --- # Reacties van sachariden Dit deel behandelt de chemische reacties van suikers, specifiek hun reductie tot polyalcoholen en de oxidatie van aldosen tot carbonzuren, wat de basis vormt voor de classificatie van reducerende suikers [29](#page=29) [30](#page=30). ### 4.1 Reductie van suikers Ketosen en aldosen kunnen gereduceerd worden tot polyalcoholen. De gereduceerde suikers die hierdoor ontstaan, krijgen een naam door de uitgang –ose te vervangen door –itol. De verbindingen die ontstaan uit de reductie van aldohexosen en ketohexosen worden hexitolen genoemd en komen in de natuur voor, met name in veel planten [29](#page=29). * Uit D-mannose ontstaat mannitol [29](#page=29). * Uit D-galactose ontstaat galactitol [29](#page=29). * Het reductieproduct van D-glucose staat bekend als sorbitol (in plaats van glucitol). Sorbitol smaakt zoeter dan gewoon suiker, maar is minder schadelijk voor het gebit omdat het niet door mondbacteriën kan worden omgezet [29](#page=29). De reductie van D-glucose naar sorbitol kan als volgt worden weergegeven: $$ \text{D-glucose} \xrightarrow{H_2, Pt} \text{sorbitol} $$ [29](#page=29). De aanwezigheid van de ketogroep in D-fructose leidt tot de vorming van twee mogelijke diastereomeren, sorbitol en mannitol, na reductie [30](#page=30). > **Tip:** De namen van de gereduceerde suikers eindigen altijd op "-itol". ### 4.2 Oxidatie van suikers Suikers met een aldehyde groep zijn gemakkelijk te oxideren, waardoor ze gedetecteerd kunnen worden met behulp van de Tollens- en Fehlings-test voor aldehyden. Bij deze oxidatie ontstaat een carbonzuurfunctie. De naam van de carbonzuurderivaten wordt afgeleid van de naam van het suikermolecuul door de uitgang –ose te vervangen door –onzuur [30](#page=30). De oxidatie van D-glucose tot D-gluconzuur kan als volgt worden weergegeven: $$ \text{D-glucose} \xrightarrow{\text{oxidatie}} \text{D-gluconzuur} $$ [30](#page=30). Suikers die deze oxidatiereactie vertonen, worden reducerende suikers genoemd [30](#page=30). > **Tip:** De classificatie van suikers als "reducerend" is direct gekoppeld aan hun vermogen om geoxideerd te worden, wat typisch is voor aldehyden. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Oxidatiegetal | Een getal dat de mate van oxidatie van een atoom in een molecuul of ion aangeeft, gebaseerd op een conventioneel systeem waarbij elektronen aan het meest elektronegatieve atoom worden toegewezen. | | Oxiderend reagens | Een stof die een andere stof oxideert, waarbij het zelf wordt gereduceerd. | | Reductiemiddel | Een stof die een andere stof reduceert, waarbij het zelf wordt geoxideerd. | | Monosacharide | De eenvoudigste vorm van suiker die niet verder gehydrolyseerd kan worden tot kleinere eenheden; het is een polyhydroxyaldehyde (aldose) of polyhydroxyketon (ketose). | | Oligosacharide | Een koolhydraat dat bestaat uit een klein aantal (meestal 2 tot 10) monosacharide-eenheden die met elkaar verbonden zijn door glycosidische bindingen. | | Polysacharide | Een complex koolhydraat dat bestaat uit een groot aantal (meer dan 10) monosacharide-eenheden die met elkaar verbonden zijn door glycosidische bindingen. | | Aldose | Een monosacharide dat een aldehyde-functionele groep bevat. | | Ketose | Een monosacharide dat een keton-functionele groep bevat. | | Stereochemie | Het onderdeel van de chemie dat zich bezighoudt met de driedimensionale structuur van moleculen en hoe deze structuur de chemische eigenschappen beïnvloedt. | | Enantiomeren | Stereoisomeren die elkaars spiegelbeelden zijn en niet op elkaar superponeerbaar zijn. | | Diastereomeren | Stereoisomeren die geen spiegelbeelden van elkaar zijn en niet op elkaar superponeerbaar zijn. | | Epimeren | Twee monosachariden die in configuratie verschillen rond slechts één stereogeen centrum. | | Mutarotatie | Het fenomeen waarbij de specifieke rotatie van een oplossing van een zuiver suiker in de tijd verandert totdat een evenwicht is bereikt, veroorzaakt door de cyclisatie en de vorming van anomeren. | | Hemiacetal | Een functionele groep gevormd door de reactie van een aldehyde of keton met een alcohol. In suikers ontstaat dit door reactie van de carbonylgroep met een hydroxylgroep binnen hetzelfde molecuul, leidend tot cyclisatie. | | Hemiketal | Een functionele groep gevormd door de reactie van een keton met een alcohol. In suikers ontstaat dit door reactie van de ketongroep met een hydroxylgroep binnen hetzelfde molecuul, leidend tot cyclisatie. | | Anomeer koolstofatoom | Het koolstofatoom in een cyclische suiker dat oorspronkelijk de carbonylkoolstof was in de lineaire vorm en dat nu gebonden is aan twee zuurstofatomen (één in de ring en de glycosidische zuurstof). | | Glycosidische hydroxylfunctie | De hydroxylgroep die gebonden is aan het anomere koolstofatoom in een cyclische suiker. | | Pyranose | Een cyclische vorm van een suiker die een zesring (vijf koolstofatomen en één zuurstofatoom) bevat. | | Furanose | Een cyclische vorm van een suiker die een vijfring (vier koolstofatomen en één zuurstofatoom) bevat. | | Haworth projectie | Een manier om de cyclische structuur van suikers weer te geven, waarbij de ring als plat wordt voorgesteld en de substituenten boven of onder het vlak van de ring worden geplaatst. | | Stoelconformatie | Een driedimensionale weergave van een zesringige structuur (zoals een pyranose) waarbij de ring de vorm van een stoel aanneemt om de energetisch meest stabiele configuratie weer te geven. | | Reducerende suiker | Een suiker die in staat is om een reducerende agent te reduceren, wat vaak het geval is bij suikers met een vrije aldehyde- of ketongroep (of die in evenwicht zijn met hun open ketenvorm). |