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

# Organische oxidatie en reductie reacties Dit hoofdstuk behandelt organische oxidatie- en reductiereacties, met een focus op de transformaties van alcoholen naar carbonylverbindingen en vice versa, gedefinieerd door veranderingen in zuurstofgehalte en oxidatiegetallen [1](#page=1). ### 1.1 Algemene concepten van oxidatie en reductie Oxidatie en reductie zijn fundamentele transformaties in de organische chemie die vaak meerdere stappen omvatten, waarbij bekende reactietypes zoals zuur-base reacties, substituties, addities of eliminaties een rol spelen, en soms ook individuele elektronentransfers plaatsvinden [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. Oxidatie en reductie zijn altijd aan elkaar gekoppeld; de oxidatie van het ene reactant gaat gepaard met de reductie van een ander reactant [1](#page=1). Een striktere definitie is gebaseerd op de verandering van het oxidatiegetal van de betrokken koolstofatomen. Per conventie wordt het oxidatiegetal van een koolstofatoom bepaald door de relatieve elektronegativiteit van de gebonden elementen [1](#page=1). * Een binding met een meer elektronegatief element verhoogt het oxidatiegetal met +1 [1](#page=1). * Een binding met een minder elektronegatief element (inclusief waterstof) verlaagt het oxidatiegetal met -1 [1](#page=1). Bij oxidatie stijgt de som van de oxidatiegetallen van de betrokken C-atomen, terwijl deze bij reductie daalt. Het is belangrijk op te merken dat de additie van water aan een alkeen bijvoorbeeld geen oxidatieproces is, omdat er rekening gehouden moet worden met alle C-atomen op het substraat. Het toekennen van oxidatiegetallen is een conventie die enkel nut heeft voor dit specifieke gebruik [2](#page=2). ### 1.2 Oxidatiereacties van alcoholen De oxidatie van alcoholen vereist sterke oxiderende reagentia zoals kaliumpermanganaat ($KMnO_4$) of chroomtrioxide ($CrO_3$), dat in situ wordt gevormd uit kaliumdichromaat ($K_2Cr_2O_7$) of kaliumchromaat ($K_2CrO_4$) 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). > **Tip:** De oxidatie van alcoholen kan worden gezien als de onttrekking van een $H^+$ en een $H^-$ uit de C-OH binding, resulterend in de vorming van $H_2$ [3](#page=3). Tertiaire alcoholen kunnen niet worden geoxideerd omdat er geen C-H binding aanwezig is op het koolstofatoom waaraan de hydroxylgroep is gebonden [3](#page=3). #### 1.2.1 Oxidatie van secundaire alcoholen Secundaire alcoholen worden geoxideerd tot ketonen. Bijvoorbeeld, isopropanol wordt geoxideerd tot aceton [2](#page=2) [4](#page=4). #### 1.2.2 Oxidatie van primaire alcoholen Primaire alcoholen worden eerst geoxideerd tot aldehyden. Aldehyden kunnen vervolgens verder worden geoxideerd tot de corresponderende carbonzuren door het oxiderende reagens. Dit maakt de reactie met deze reagentia minder geschikt voor de synthese van aldehyden, tenzij het aldehyde uit het reactiemengsel wordt verwijderd door destillatie, aangezien aldehyden vluchtiger zijn dan de carbonzuren [2](#page=2) [4](#page=4) [6](#page=6). > **Tip:** Om verdere oxidatie van het aldehyde tot carbonzuur te voorkomen, kan het aldehyde uit het reactiemengsel worden afgedestilleerd zodra het gevormd is [4](#page=4). #### 1.2.3 Biologische oxidatie van alcoholen De oxidatie van alcoholen tot carbonylverbindingen en de omgekeerde reductie van carbonylverbindingen tot alcoholen komen ook voor in biologische systemen. Ethanol wordt in de lever geoxideerd tot acetaldehyde door het enzym alcoholdehydrogenase [4](#page=4). $CH_3CH_2OH \xrightarrow{alcoholdehydrogenase} CH_3CHO$ [4](#page=4). De snelheid van deze oxidatie is constant in het menselijk lichaam, onafhankelijk van de ethanolconcentratie. Acetaldehyde wordt vervolgens verder geoxideerd tot acetaat door aldehyde-dehydrogenase [4](#page=4). $CH_3CHO \xrightarrow{aldehyde-dehydrogenase} CH_3COO^-$ [4](#page=4). ##### 1.2.3.1 Rol van NAD+ $NAD^+$ (nicotinamide adenine dinucleotide) speelt een cruciale rol in vele enzymatische oxidatiereacties, waarbij het wordt gereduceerd tot $NADH$ [6](#page=6). Voorbeelden van $NAD^+$ betrokken reacties: * Oxidatie van een secundaire alcohol tot een keton: $$ \underset{\text{secundair alcohol}}{R_1CH(OH)R_2} + NAD^+ \rightleftharpoons \underset{\text{keton}}{R_1C(=O)R_2} + NADH + H^+ $$ * Oxidatie van melkzuur tot pyrodruivenzuur: $$ \underset{\text{melkzuur}}{CH_3CH(OH)COOH} + NAD^+ \rightleftharpoons \underset{\text{pyrodruivenzuur}}{CH_3C(=O)COOH} + NADH + H^+ $$ * Oxidatie van isocitroenzuur tot oxalobarnsteenzuur (onderdeel van de citroenzuurcyclus): $$ \underset{\text{isocitroenzuur}}{\text{citraat}} + NAD^+ \rightarrow \underset{\text{oxalobarnsteenzuur}}{\alpha\text{-ketoglutaraat}} + NADH + H^+ + CO_2 $$ ### 1.3 Oxidatie van primaire alcoholen en aldehyden De oxidatie van primaire alcoholen leidt initieel tot de vorming van een aldehyde. Dit aldehyde wordt echter gemakkelijk verder geoxideerd tot het corresponderende carbonzuur, tenzij het wordt verwijderd door destillatie uit het reactiemengsel. Oxidatiemiddelen zoals $KMnO_4$ of $CrO_3$ kunnen worden gebruikt voor deze omzetting [6](#page=6). ### 1.4 Reductie van carbonylfunctie De reductie van een carbonylfunctie behelst de omgekeerde transformatie van de oxidatiereacties. Aldehyden of ketonen worden gereduceerd tot de overeenkomstige alcoholen met behulp van geschikte reductiemiddelen [7](#page=7). Een veelgebruikte methode is katalytische hydrogenatie met waterstofgas ($H_2$) in aanwezigheid van een katalysator zoals platina (Pt), nikkel (Ni) of palladium (Pd), onder gematigde druk. Dit proces is vergelijkbaar met de katalytische hydrogenatie van alkenen en verloopt op een analoge manier [7](#page=7). $$ \underset{\text{aldehyde/keton}}{R_1C(=O)R_2} + H_2 \xrightarrow{\text{katalysator (Pt, Ni, Pd)}} \underset{\text{alcohol}}{R_1CH(OH)R_2} $$ Hierbij ontstaan uit aldehyden primaire alcoholen en uit ketonen secundaire alcoholen. Tertiaire alcoholen kunnen op deze wijze niet worden verkregen [7](#page=7). --- # Biologische aspecten van oxidatie en reductie Dit onderwerp verkent de rol van oxidatie- en reductiereacties in biologische systemen, met specifieke aandacht voor de afbraak van alcoholen zoals ethanol en methanol, en de functie van cofactoren zoals NAD+. ### 2.1 Oxidatie van alcoholen in biologische systemen Talrijke chemische transformaties die in laboratoria worden uitgevoerd, hebben biologische tegenhangers in levende organismen. De oxidatie van alcoholen tot carbonylverbindingen, of de omgekeerde reactie, de reductie van carbonylverbindingen tot alcoholen, is hier een prominent voorbeeld van. Deze reacties komen voor in diverse biologische processen [4](#page=4). #### 2.1.1 De afbraak van ethanol Ethanol (CH₃CH₂OH) wordt in de lever geoxideerd tot aceetaldehyde. Dit proces wordt gekatalyseerd door het enzym alcoholdehydrogenase [4](#page=4). De reactie kan als volgt worden weergegeven: $$ \text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH} \xrightarrow{\text{alcoholdehydrogenase}} \text{CH}_3\text{CHO} $$ De snelheid van deze oxidatie in het menselijk lichaam is constant en onafhankelijk van de ethanolconcentratie. Wanneer de opname van ethanol uit alcoholische dranken sneller plaatsvindt dan de afbraak ervan, accumuleert ethanol in de bloedbaan, wat leidt tot intoxicatie [4](#page=4). Aceetaldehyde wordt vervolgens verder geoxideerd tot acetaat door het enzym aldehyde-dehydrogenase [4](#page=4). De reactie hiervan is: $$ \text{CH}_3\text{CHO} \xrightarrow{\text{aldehyde-dehydrogenase}} \text{CH}_3\text{COO}^- $$ Het resulterende acetaat dient in het lichaam als bouwsteen voor de synthese van vetzuren en cholesterol [5](#page=5). #### 2.1.2 De afbraak van methanol Methanol wordt in het lichaam door hetzelfde enzym, alcoholdehydrogenase, geoxideerd tot formaldehyde [5](#page=5). De reactie is: $$ \text{CH}_3\text{OH} \xrightarrow{\text{alcoholdehydrogenase}} \text{HCHO} $$ Formaldehyde is toxisch voor de cellen van het netvlies, wat verklaart waarom methanol kan leiden tot permanente blindheid [5](#page=5). Vervolgens oxideert het aldehyde-dehydrogenase formaldehyde tot formiaat [5](#page=5). Deze reactie is: $$ \text{HCHO} \xrightarrow{\text{aldehyde-dehydrogenase}} \text{HCOO}^- $$ Formiaat wordt niet verder benut in het lichaam en accumuleert in het bloed als mierenzuur. Dit leidt tot een daling van de pH in het bloed onder het fysiologisch normale peil, wat resulteert in een levensbedreigende toestand genaamd acidose [5](#page=5). > **Tip:** Een behandelingsstrategie voor methanolvergiftiging maakt gebruik van het competitieve effect op het enzym alcoholdehydrogenase. Door ethanol toe te dienen, wordt het enzym verzadigd met het minder toxische ethanol, waardoor de oxidatie van methanol tot het schadelijke formaldehyde wordt vertraagd [5](#page=5). ### 2.2 De rol van NAD+ in biologische oxidaties Een van de belangrijkste oxidatoren in biologische processen is het nicotineamideadenine dinucleotide, afgekort als NAD+. Het reactieve deel van dit molecuul is de nicotineamidegroep, die in staat is twee elektronen en één proton (H⁺) op te nemen. Hierbij wordt NAD+ omgezet in NADH + H⁺ [5](#page=5). Het oxidatiegetal van een atoom is een theoretische lading die wordt toegekend aan een atoom in een molecuul of ion, uitgaande van de hypothese dat alle bindingen volledig polair zijn. Bij de oxidatie van isopropanol naar aceton evolueert het oxidatiegetal van het secundaire koolstofatoom van 0 naar +2 [4](#page=4). Aldehyden, die ontstaan door oxidatie van primaire alcoholen, kunnen verder geoxideerd worden tot carbonzuren. Dit maakt de synthese van aldehyden via deze methode minder efficiënt. Aangezien aldehyden vluchtiger zijn dan alcoholen en carbonzuren, kan destillatie worden gebruikt om het aldehyde uit het reactiemengsel te verwijderen en verdere reactie te voorkomen [4](#page=4). --- # Structuur en chemie van suikers (sachariden) Dit onderwerp introduceert suikers (sachariden of koolhydraten) en hun diverse rollen in de natuur, met een focus op hun classificatie, structuur en chemische eigenschappen. ### 3.1 Inleiding Suikers, ook wel sachariden of koolhydraten genoemd, zijn wijdverbreide organische moleculen in de natuur die fungeren als energiebronnen (glucose, zetmeel) en structurele componenten (cellulose). Ze spelen ook een rol in cel-cel interacties en zijn bouwstenen in nucleïnezuren. Suikers worden gevormd door fotosynthese, waarbij CO2 en H2O worden omgezet in eenvoudige suikermoleculen met behulp van zonlicht. De algemene reactievergelijking voor fotosynthese 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, is essentieel voor het metabolisme van planten, mens en dier [8](#page=8). ### 3.2 Suikers: definities en indeling De term 'koolhydraat' stamt uit de 19e eeuw en verwijst naar de oorspronkelijke observatie dat veel suikermoleculen een brutoformule hadden van de vorm $(CH_2O)_n$, wat de indruk wekte van hydraten van koolstof. 'Sacharide' is afgeleid van het Latijnse woord voor suiker [9](#page=9). Suikers zijn chemische verbindingen die opgebouwd zijn uit één of meerdere monosachariden [9](#page=9). #### 3.2.1 Monosachariden Monosachariden zijn de kleinste moleculen die de kenmerkende eigenschappen van een suiker bezitten, zoals een zoete smaak. Ze zijn hetzij aldosen (polyhydroxyaldehyden) of ketosen (polyhydroxyketonen). Elk koolstofatoom, met uitzondering van het carbonylkoolstof, is doorgaans verbonden aan één hydroxylfunctie [9](#page=9). Monosachariden worden geclassificeerd op basis van het aantal koolstofatomen in hun keten: * Triosen (C3) * Tetrosen (C4) * Pentosen (C5) * Hexosen (C6) * Heptosen (C7) [9](#page=9). De naamgeving van monosachariden, 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 voorbeelden zijn ribose, glucose en fructose [10](#page=10) [9](#page=9). #### 3.2.2 Oligosachariden Oligosachariden bestaan uit een beperkt aantal (2 tot 10) monosachariden die chemisch aan elkaar verbonden zijn. Disachariden en trisachariden komen het meest voor, met sucrose en lactose als voorbeelden van disachariden [10](#page=10). #### 3.2.3 Polysachariden Polysachariden zijn opgebouwd uit 10 of meer met elkaar verbonden monosachariden. Zowel oligosachariden als polysachariden kunnen homogeen zijn (één soort monosacharide, bv. cellulose) of heterogeen (verschillende soorten monosachariden, bv. zetmeel) [10](#page=10). #### 3.2.4 Gefunctionaliseerde sachariden Sachariden kunnen gefunctionaliseerd zijn, wat betekent dat er andere functionele groepen dan hydroxylgroepen (zoals amine of carbonzuur) aanwezig zijn op het koolstofskelet. Deoxysuikers hebben een hydroxylgroep die vervangen is door een waterstofatoom, zoals deoxyribose in DNA, in tegenstelling tot ribose in RNA [10](#page=10). ### 3.3 Monosachariden: structuur en stereochemie #### 3.3.1 Chemische structuur van monosachariden: aldosen Het eenvoudigste aldose is glyceraldehyde (een triose). Glyceraldehyde heeft een stereogeen koolstofatoom, wat leidt tot twee enantiomeren: D-glyceraldehyde en L-glyceraldehyde [10](#page=10) [11](#page=11). ##### 3.3.1.1 D, L-nomenclatuur Vanwege de historische ontwikkeling van de stereochemie van suikers, wordt nog steeds het D, L-nomenclatuursysteem van Emil Fischer gebruikt. In dit systeem wordt de rechtsdraaiende vorm D-vorm genoemd (van dextro) en de linksdraaiende vorm L-vorm (van levo). De D-vorm komt overeen met de Fisher-voorstelling waarin de hydroxylgroep rechts staat, en de L-vorm met de hydroxylgroep links [11](#page=11). ##### 3.3.1.2 Stereoisomeren van aldosen Het aantal stereoisomeren neemt exponentieel toe met het aantal koolstofatomen: * Tetrosen (2 stereogene koolstofatomen): 4 stereoisomeren * Pentosen (3 stereogene koolstofatomen): 8 stereoisomeren * Hexosen (4 stereogene koolstofatomen): 16 stereoisomeren [11](#page=11). De D-familie van suikers wordt afgeleid van D-glyceraldehyde. De configuratie van het voorlaatste koolstofatoom (geteld vanaf de carbonylgroep) bepaalt of een suiker tot de D- of L-familie behoort. De Fisher-projecties tonen de ruimtelijke verdeling van hydroxylsubstituenten rondom elk koolstofatoom [12](#page=12). De structuur van een suiker wordt verkregen door een H–C–OH eenheid toe te voegen tussen het carbonylkoolstof en de bestaande eenheden. Elk toegevoegd CHOH-segment introduceert een nieuw stereogeen koolstofatoom, wat leidt tot twee mogelijke configuraties (H–C–OH of HO–C–H) en dus tot een verdubbeling van het aantal stereoisomeren per toegevoegd koolstofatoom [13](#page=13). Vanuit D-glyceraldehyde ontstaan aldus: * Twee D-aldotetrosen * Vier D-aldopentosen * Acht D-aldohexosen [13](#page=13). Een analoge stamboom kan worden opgesteld voor de L-isomeren. De specifieke rotatie is onafhankelijk van het D- of L-statuut [13](#page=13) [14](#page=14). Triviale namen zijn de gangbare benamingen voor deze suikers, met acht bekende D-hexosen: Allose, Altrose, Glucose, Mannose, Gulose, Idose, Galactose en Talose [13](#page=13). ##### 3.3.1.3 Epimeren Twee monosachariden die enkel in configuratie rond één stereogeen centrum verschillen, worden epimeren genoemd. Bijvoorbeeld, D-glucose en L-idose verschillen in alle stereogene centra, terwijl D-gulose en D-idose epimeren zijn [15](#page=15). * Het wijzigen van de configuratie aan het voorlaatste koolstofatoom leidt tot een omzetting van een D-monosacharide naar een L-monosacharide en een ander diastereomeer met een andere naam [15](#page=15). * Het wijzigen van de configuratie aan een ander stereogeen centrum dan het voorlaatste behoudt het D- of L-statuut, maar resulteert in een ander diastereomeer [15](#page=15). In de natuur komen voornamelijk de D-vormen van monosachariden voor [15](#page=15). #### 3.3.2 Chemische structuur van monosachariden: ketosen Ketosen zijn ook belangrijke verbindingen, hoewel minder algemeen voorkomend dan aldosen. Ze zijn intermediairen in biochemische suikersynthese en metabolisme [15](#page=15) [16](#page=16). Het eenvoudigste ketose is dihydroxyaceton, een isomeer van glyceraldehyde. Dihydroxyaceton heeft geen stereogeen centrum en dus geen D- of L-vorm [16](#page=16). De belangrijkste ketosen hebben de carbonylfunctie op C2. Ze worden afgeleid van dihydroxyaceton door insertie van een H–C–OH eenheid tussen de carbonylgroep en de terminale CH2OH. Hierbij wordt telkens een stereogeen koolstofatoom geïntroduceerd, wat leidt tot verschillende stereo-isomeren [16](#page=16). Bij toevoeging van een H–C–OH eenheid aan dihydroxyaceton ontstaat erythrulose, dat voorkomt in twee enantiomere vormen (1 stereogeen centrum). Erythrulose kan ook worden onderverdeeld in een D- en L-vorm, afhankelijk van de positie van de hydroxylgroep op het voorlaatste koolstofatoom in de Fisher-projectie. Figuur 12.2 toont de D-ketosen met 3 tot 6 koolstofatomen, waarbij de -OH groep van het stereochemisch centrum dat het verst van de carbonylgroep ligt, steeds rechts is gelegen [16](#page=16) [17](#page=17). --- # Cyclische structuren en stereochemie van monosachariden Dit gedeelte behandelt de cyclische vormen van monosachariden, zoals pyranose en furanose, en de bijbehorende stereochemie. Concepten als mutarotatie, anomeer koolstofatoom en de D,L-nomenclatuur worden gedetailleerd uitgelegd met behulp van Fisher-, Haworth- en stoelprojecties. ### 4.1 Lineaire structuren en stereochemie van monosachariden #### 4.1.1 Algemene principes en nomenclaturen Monosachariden zijn de eenvoudigste koolhydraten en bestaan uit aldehyden (aldosen) of ketonen (ketosen) met meerdere hydroxylgroepen. De kleinste monosachariden zijn triosen, zoals glyceraldehyde [10](#page=10). ##### 4.1.1.1 D,L-nomenclatuur Vanwege de historische ontwikkeling van de stereochemie van suikers, wordt nog steeds het D,L-nomenclatuursysteem van Emil Fischer gebruikt, in plaats van het R,S-systeem. Fisher benoemde de rechtsdraaiende vorm D (van *dextro*) en de linksdraaiende vorm L (van *levo*). Hij associeerde de D-vorm met de Fisherprojectie waarin de hydroxylgroep rechts staat, en de L-vorm met de hydroxylgroep links op het voorlaatste koolstofatoom. Deze aanname bleek correct [11](#page=11). * **D-glyceraldehyde** [11](#page=11) [14](#page=14). * **L-glyceraldehyde** [11](#page=11) [14](#page=14). Het aantal stereoisomeren neemt exponentieel toe met het aantal koolstofatomen: triosen hebben 2 stereoisomeren, tetrosen 4, pentosen 8 en hexosen 16. De D-familie van monosachariden wordt afgeleid van D-glyceraldehyde, en de configuratie van het voorlaatste koolstofatoom bepaalt of een suiker tot de D- of L-familie behoort [11](#page=11) [12](#page=12). > **Tip:** De D,L-nomenclatuur is gebaseerd op de configuratie van het stereogeen koolstofatoom dat het verst van de carbonylgroep verwijderd is. Bij D-suikers staat de hydroxylgroep van dit centrum rechts in de Fisherprojectie [12](#page=12). ##### 4.1.1.2 Epimeren Monosachariden die slechts in één stereogeen centrum verschillen, worden epimeren genoemd. Bijvoorbeeld, D-glucose en L-idose zijn epimeren, net als D-gulose en D-idose [15](#page=15). #### 4.1.2 Aldosen Aldosen bevatten een aldehyde functionele groep. De Fisherprojectie van glyceraldehyde illustreert de stereochemie van de eenvoudigste aldose. Bij het afleiden van langere aldosen uit glyceraldehyde door toevoeging van CHOH-eenheden, verdubbelt het aantal mogelijke stereoisomeren per toegevoegd koolstofatoom [10](#page=10) [11](#page=11) [13](#page=13). De acht D-aldohexosen zijn: Allose, Altrose, Glucose, Mannose, Gulose, Idose, Galactose en Talose [13](#page=13). * **D-glucose** [14](#page=14) [15](#page=15). * **L-glucose** [14](#page=14). * **D-erytrose** [14](#page=14). * **D-treose** [14](#page=14). * **D-allose** [14](#page=14). Het wijzigen van de configuratie op het voorlaatste koolstofatoom van een D-monosacharide resulteert in een L-monosacharide en een ander diastereomeer. Het wijzigen van de configuratie op andere stereogene centra binnen een familie behoudt de D- of L-status, maar creëert een ander diastereomeer. In de natuur komen voornamelijk D-vormen van monosachariden voor [15](#page=15). #### 4.1.3 Ketosen Ketosen bevatten een keton functionele groep. Dihydroxyaceton is de eenvoudigste ketose en een isomeer van glyceraldehyde. Omdat dihydroxyaceton geen stereogeen centrum heeft, kent het geen D- of L-vorm [15](#page=15) [16](#page=16). De belangrijkste ketosen hebben de carbonylgroep op C2. Ze kunnen worden afgeleid van dihydroxyaceton door de insertie van een H–C–OH eenheid [16](#page=16). * **Dihydroxyaceton** [16](#page=16). * **D-erythrulose** [16](#page=16). Net als bij aldosen, ontstaan bij ketosen verschillende stereo-isomeren wanneer een stereogeen koolstofatoom wordt geïntroduceerd. De D-vormen van ketosen met 3 tot 6 koolstofatomen worden weergegeven in Figuur 12.2 [16](#page=16) [17](#page=17). ### 4.2 Cyclische structuren van monosachariden Monosachariden kunnen, naast hun lineaire vorm, ook cyclische vormen aannemen door inwendige hemiacetal- of hemiketalvorming. Deze cyclisatie introduceert een nieuw stereogeen koolstofatoom, het anomeer koolstofatoom, wat leidt tot de vorming van twee diastereomere cyclische vormen: de $\alpha$- en $\beta$-anomeren [18](#page=18). #### 4.2.1 Mutarotatie Mutarotatie is het fenomeen waarbij de specifieke rotatie van een vers bereide oplossing van een zuiver cyclisch monosacharide in de tijd verandert, totdat een evenwichtstoestand wordt bereikt. Dit wordt veroorzaakt door de reversibele opening van de cyclische ring naar de lineaire vorm, gevolgd door hernieuwde cyclisatie, waarbij beide anomeren gevormd kunnen worden. De uiteindelijke verhouding van de anomeren wordt bepaald door hun relatieve stabiliteit [18](#page=18) [19](#page=19). > **Tip:** De lineaire vorm van monosachariden is doorgaans slechts in zeer lage concentraties aanwezig in de evenwichtsoplossing [19](#page=19). #### 4.2.2 Definities en voorstellingswijzen ##### 4.2.2.1 Pyranose- en Furanosevormen Aldopentosen en aldohexosen kunnen vijfringen (furanosevorm) of zesringen (pyranosevorm) vormen. De pyranosevorm is bij aldohexosen doorgaans de meest voorkomende [20](#page=20) [25](#page=25). * **Pyranosevorm:** Ontstaat door hemiacetalvorming tussen de aldehydefunctie (C1) en de hydroxylgroep op C5 [20](#page=20). * **Furanosevorm:** Ontstaat door hemiacetalvorming tussen de aldehydefunctie (C1) en de hydroxylgroep op C4 [20](#page=20). ##### 4.2.2.2 Anomeer koolstofatoom en glycosidische hydroxylfunctie Het **anomeer koolstofatoom** is het koolstofatoom in de ring dat verbonden is met twee zuurstofatomen. Het correspondeert met het oorspronkelijke carbonylkoolstofatoom in de lineaire vorm en is het nieuw gevormde stereogene centrum [24](#page=24). De **glycosidische hydroxylgroep** is de hydroxylgroep die gebonden is aan het anomeer koolstofatoom. Deze groep vertoont afwijkende chemische eigenschappen ten opzichte van reguliere hydroxylgroepen [24](#page=24) [25](#page=25). ##### 4.2.2.3 Fisher-, Haworth- en stoelprojecties * **Fisherprojectie:** Beperkt nuttig voor cyclische structuren; de hydroxylgroep op C5 en C1 worden naast elkaar geplaatst om de cyclisatie aan te geven [20](#page=20). * **Haworthprojectie:** Een vlakke voorstelling van de cyclische structuur, waarbij substituenten boven of onder het vlak worden weergegeven [22](#page=22) [23](#page=23). * Bij D-sachariden is de glycosidische hydroxylgroep in de $\alpha$-vorm naar beneden gericht en in de $\beta$-vorm naar boven gericht in de Haworthprojectie [23](#page=23). * **Stoelprojectie:** Een meer realistische weergave van de cyclische zesring, die de ruimtelijke conformatie toont. Hierbij worden substituenten in axiale of equatoriale posities geplaatst [23](#page=23). > **Tip:** De stoelprojectie geeft een beter inzicht in de energetische stabiliteit van cyclische monosachariden dan de Haworthprojectie [23](#page=23) [26](#page=26). #### 4.2.3 Cyclische vormen van specifieke monosachariden ##### 4.2.3.1 Alexosen * **D-glucose:** In waterige oplossing komt D-glucose voor als een mengsel van $\alpha$-D-glucopyranose (36%), $\beta$-D-glucopyranose (64%) en een zeer kleine hoeveelheid lineaire D-glucose (0.01%). De dominantie van de $\beta$-vorm wordt verklaard door de equatoriale positie van de glycosidische OH-groep. De furanosevormen van D-glucose zijn energetisch minder gunstig en komen in geringe percentages (<1%) voor in waterige oplossingen, maar kunnen deel uitmaken van grotere sacchariden [25](#page=25) [26](#page=26). * $\alpha$-D-glucopyranose [23](#page=23) [25](#page=25). * $\beta$-D-glucopyranose [23](#page=23) [25](#page=25). * $\alpha$-D-glucofuranose [26](#page=26). * $\beta$-D-glucofuranose [26](#page=26). * **D-mannose en D-galactose:** De Haworthprojecties van D-mannose en D-galactose worden weergegeven. $\beta$-D-glucose blijkt de meest energetisch stabiele pyranosevorm te hebben van alle aldohexosen [26](#page=26). ##### 4.2.3.2 Aldopentosen (D-Ribose) Bij aldopentosen, zoals D-ribose, ontstaan door hemiacetalvorming met C4-OH furanosederivaten. Pyranosederivaten kunnen ook ontstaan door hemiacetalvorming met C5-OH, maar deze zijn energetisch minder gunstig door de aanwezigheid van axiale hydroxylgroepen [27](#page=27). * $\alpha$-D-ribofuranose [27](#page=27). * $\beta$-D-ribofuranose [27](#page=27). ##### 4.2.3.3 Ketohexosen (D-Fructose) Bij ketohexosen, zoals D-fructose, ontstaat de cyclische vorm door hemiketalvorming. Dit kan gebeuren tussen [28](#page=28): * Het eindstandige C6-OH en de ketonfunctie op C2, met vorming van een pyranosevorm [28](#page=28). * De C5-OH en de ketonfunctie op C2, met vorming van de furanosevorm [28](#page=28). Een oplossing van D-fructose in water bestaat uit een mengsel van deze isomeren, met slechts 0,25% van de open vorm. De furanosevorm wordt vaker aangetroffen in complexere sacchariden dan de pyranosevorm [28](#page=28). #### 4.2.4 Reactiviteit van cyclische monosachariden Monosachariden die cyclische vormen kunnen aannemen, komen voor meer dan 99% in deze gesloten vormen voor. Door de snelle evenwichtsinstelling tussen lineaire en cyclische vormen, kunnen monosachariden reacties vertonen die karakteristiek zijn voor hemiacetalen/hemiketalen en aldehyden/ketonen, naast de reacties van alcoholen. De chemie van monosachariden wordt dus bepaald door deze drie functionaliteiten [28](#page=28). --- # Reacties van sachariden Dit hoofdstuk beschrijft de chemische reacties die sachariden kunnen ondergaan, met name reductie en oxidatie, en de detectie van reducerende suikers [29](#page=29) [30](#page=30). ### 5.1 Reductie van suikers Ketosen en aldosen kunnen gereduceerd worden tot polyalcoholen, ook wel polyolen genoemd. De naamgeving van deze gereduceerde suikers wordt gevormd door de uitgang "-ose" van de oorspronkelijke suiker te vervangen door "-itol". De producten die ontstaan uit de reductie van aldohexosen en ketohexosen worden hexitolen genoemd, en deze komen ook in de natuur voor, met name in fruit [29](#page=29). * **Voorbeelden van reductieproducten:** * Uit D-mannose ontstaat mannitol [29](#page=29). * Uit galactose ontstaat galactitol [29](#page=29). * Het reductieproduct van D-glucose staat bekend als sorbitol in plaats van glucitol [29](#page=29). > **Tip:** Sorbitol is zoeter dan gewoon suiker, maar minder schadelijk voor het gebit omdat mondbacteriën het niet kunnen omzetten [29](#page=29). De reductie van D-mannose tot mannitol kan als volgt worden weergegeven: ```latex \documentclass{article} \usepackage{chemfig} \begin{document} \chemfig{ [@{a,1.5}]CH_2OH- [@{b,1.5}]CHOH- [@{c,1.5}]CHOH- [@{d,1.5}]CHOH- [@{e,1.5}]CHOH- [@{f,1.5}]CH_2OH } \arrow{->[H_2, Pt][D-mannose]}[a,b \arrow{->[H_2, Pt][mannitol]}[b,f \end{document} ``` De reductie van D-glucose tot sorbitol wordt weergegeven als: ```latex \documentclass{article} \usepackage{chemfig} \begin{document} \chemfig{ [@{a,1.5}]CHO- [@{b,1.5}]CHOH- [@{c,1.5}]CHOH- [@{d,1.5}]CHOH- [@{e,1.5}]CHOH- [@{f,1.5}]CH_2OH } \arrow{->[H_2, Pt][D-glucose]}[a,b \arrow{->[H_2, Pt][sorbitol]}[b,f \end{document} ``` De aanwezigheid van een ketogroep, zoals in D-fructose, kan leiden tot de vorming van twee mogelijke diastereomeren na reductie. Bij de reductie van D-fructose ontstaan zowel sorbitol als mannitol [30](#page=30). Het reductieproces van D-fructose naar sorbitol en mannitol kan schematisch worden weergegeven: ```latex \documentclass{article} \usepackage{chemfig} \begin{document} \chemfig{ [@{a,1.5}]CH_2OH- [@{b,1.5}]C(=O)- [@{c,1.5}]CHOH- [@{d,1.5}]CHOH- [@{e,1.5}]CHOH- [@{f,1.5}]CH_2OH } \arrow{->[H_2, Pt][D-fructose]}[a,b \arrow{->[H_2, Pt][sorbitol]}[b,f \arrow{->[H_2, Pt][mannitol]}[b,f % Let op: beide producten komen uit D-fructose na reductie. \end{document} ``` ### 5.2 Oxidatie van suikers Suikers die een aldehydegroep bezitten, zijn gevoelig voor oxidatie. Deze reactie kan gebruikt worden voor detectie met behulp van testen zoals de Tollens- en Fehlings-test, die specifiek zijn voor aldehyden. Bij oxidatie ontstaat een carbonzuurfunctie. De naamgeving van deze carbonzuurderivaten wordt afgeleid door de uitgang "-ose" van het oorspronkelijke suikermolecuul te vervangen door "-onzuur" [30](#page=30). * **Voorbeeld van oxidatie:** De oxidatie van D-glucose tot D-gluconzuur verloopt als volgt: ```latex \documentclass{article} \usepackage{chemfig} \begin{document} \chemfig{ [@{a,1.5}]CHO- [@{b,1.5}]CHOH- [@{c,1.5}]CHOH- [@{d,1.5}]CHOH- [@{e,1.5}]CHOH- [@{f,1.5}]CH_2OH } \arrow{->[oxidatie][D-glucose]}[a,b \chemfig{ [@{a',1.5}]COOH- [@{b',1.5}]CHOH- [@{c',1.5}]CHOH- [@{d',1.5}]CHOH- [@{e',1.5}]CHOH- [@{f',1.5}]CH_2OH } \arrow{->[D-gluconzuur]}[b',f' \end{document} ``` Suikers die deze oxidatiereactie vertonen, worden **reducerende suikers** genoemd. Dit komt doordat ze een reducerende werking hebben op de reagentia die gebruikt worden bij de detectietests, zoals Tollens en Fehling [30](#page=30). --- ## 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 formeel getal dat de oxidatietoestand van een atoom in een chemische verbinding aangeeft, gebaseerd op de conventie van relatieve elektronegativiteit van gebonden atomen. | | Aldehydes | Organische verbindingen die een carbonylgroep (C=O) bevatten aan het einde van een koolstofketen, met de algemene formule R-CHO. | | Carbonzuur | Organische verbindingen die een carboxylgroep (-COOH) bevatten, gekenmerkt door een koolstofatoom dubbel gebonden aan een zuurstofatoom en enkel gebonden aan een hydroxylgroep. | | Alcoholen | Organische verbindingen die een hydroxylgroep (-OH) gebonden aan een verzadigd koolstofatoom bevatten. | | Primaire alcohol | Een alcohol waarbij de hydroxylgroep gebonden is aan een primair koolstofatoom, dat op zijn beurt gebonden is aan maximaal één ander koolstofatoom. | | Secundaire alcohol | Een alcohol waarbij de hydroxylgroep gebonden is aan een secundair koolstofatoom, dat op zijn beurt gebonden is aan twee andere koolstofatomen. | | Tertiaire alcohol | Een alcohol waarbij de hydroxylgroep gebonden is aan een tertiair koolstofatoom, dat op zijn beurt gebonden is aan drie andere koolstofatomen. | | Reductiereagens | Een stof die een andere stof kan reduceren door elektronen af te staan of waterstof toe te voegen. | | Oxiderend reagens | Een stof die een andere stof kan oxideren door elektronen op te nemen of zuurstof toe te voegen. | | Katalytische hydrogenatie | Een chemische reactie waarbij waterstofgas (H2) wordt toegevoegd aan een onverzadigde verbinding, gekatalyseerd door metalen zoals platina (Pt), nikkel (Ni) of palladium (Pd). | | Sachariden | Een algemene term voor suikers, ook wel koolhydraten genoemd, die de meest verspreide organische moleculen in de natuur zijn. | | Monosachariden | De eenvoudigste koolhydraten die niet verder gehydrolyseerd kunnen worden tot kleinere suikereenheden, zoals glucose en fructose. | | Oligosachariden | Koolhydraten die zijn opgebouwd uit een beperkt aantal (2 tot 10) monosacharide-eenheden, chemisch aan elkaar verbonden. | | Polysachariden | Koolhydraten die zijn opgebouwd uit tien of meer monosacharide-eenheden, zoals cellulose en zetmeel. | | Aldosen | Monosachariden die een aldehydegroep (-CHO) bevatten. | | Ketosen | Monosachariden die een ketongroep (C=O) bevatten. | | Stereochemie | De studie van de ruimtelijke structuur van moleculen en de relatie tussen structuur en reactiviteit. | | Stereogeen centrum | Een atoom (meestal koolstof) dat gebonden is aan vier verschillende groepen, waardoor het chirale eigenschappen kan vertonen. | | Enantiomeren | Stereoisomeren die elkaars spiegelbeeld zijn en niet op elkaar te superponeren zijn. | | Diastereomeren | Stereoisomeren die geen spiegelbeeld van elkaar zijn en zich onderscheiden in de configuratie van ten minste twee stereogene centra. | | D, L-nomenclatuur | Een systeem voor het classificeren van enantiomeren, met name gebruikt voor suikers en aminozuren, gebaseerd op de relatie met glyceraldehyde. | | Fisher-projectie | Een tweedimensionale weergave van een chirale molecuul, waarbij horizontale lijnen substituenten voor het vlak en verticale lijnen substituenten achter het vlak voorstellen. | | Mutarotatie | Het verschijnsel waarbij de specifieke rotatie van een vers bereide oplossing van een zuiver sacharide met de tijd verandert als gevolg van cyclisatie en evenwichtsinstelling. | | Hemiacetaal | Een functionele groep die wordt gevormd door de reactie van een aldehyde of keton met een alcohol, waarbij een hydroxylgroep en een alkoxygroep aan hetzelfde koolstofatoom gebonden zijn. | | Pyranose | Een cyclische vorm van een monosacharide die een zesring (bestaande uit vijf koolstofatomen en één zuurstofatoom) vormt. | | Furanose | Een cyclische vorm van een monosacharide die een vijfring (bestaande uit vier koolstofatomen en één zuurstofatoom) vormt. | | Anomeer koolstofatoom | Het koolstofatoom in de cyclische vorm van een suiker dat oorspronkelijk de carbonylgroep was; het is gebonden aan zowel een hydroxylgroep (of alkoxygroep) als een zuurstofatoom van de ring. | | Glycosidische hydroxylfunctie | De hydroxylgroep die gebonden is aan het anomere koolstofatoom in de cyclische vorm van een suiker; deze is reactiever dan reguliere hydroxylgroepen. | | Haworth-voorstelling | Een vereenvoudigde manier om de cyclische structuur van suikers weer te geven, waarbij de ring als plat wordt voorgesteld met substituenten boven of onder het vlak. | | Stoelconformatie | Een meer realistische weergave van de ruimtelijke structuur van een zesring, zoals de pyranose ring van suikers, die de energe tisch meest stabiele vorm weergeeft. | | Reducerende suiker | Een koolhydraat dat de eigenschap heeft om metalen zoals zilver of koper te reduceren in alkalische oplossingen, wat aangeeft dat het een vrije aldehydefunctie of een openende ketonfunctie kan vormen. |