Karbonhidrat Kimyası Nedir?

Karbonhidrat kimyası, karbonhidrat olarak bilinen karbon, hidrojen ve oksijen bileşiklerinin yapısını, özelliklerini ve reaksiyonlarını tanımlar. Bu bileşikler, genel olarak C (H20) _n formülüne sahiptir; buradaki n, üçten yukarı herhangi bir sayı olabilir. Karbonhidratların her zaman su (H ₂ O) oranlarında hidrojen ve oksijen içerdiği, dolayısıyla adın “hidrat” kısmı olduğu görülebilir. Karbonhidratlar şeker, nişasta, selüloz ve diğer birçok ortak maddeyi içerir. Bitkilerde fotosentez yoluyla karbondioksit ve sudan üretilirler ve tüm hayvanların diyetlerinde önemli bir enerji kaynağıdırlar.

En basit karbonhidratlar, üç karbon atomu olan üçlülerdir. Bununla birlikte, karbonhidrat kimyası çok daha karmaşık olabilir, çünkü çok daha küçük yapılar oluşturmak için küçük karbonhidrat moleküllerinin sayısı birleştirilebilir. Glikoz gibi basit karbonhidratlar monosakaritler olarak bilinir. Karbonhidrat kimyası, birçok monosakkaritin ayrıntılı yapıları ilk olarak 19. yüzyılın sonlarında Alman bir kimyager olan Emil Fischer tarafından netleştirildiğinde önemli ölçüde ilerlemiştir. Kompleks karbonhidratlar, birbirine bağlanmış monosakarit birimlerinden oluşur.

İki monosakaritten oluşan moleküller disakaritler olarak bilinir; Yaygın bir örnek, monosakaritler glikoz ve fruktozdan oluşan, daha iyi sofra şekeri olarak bilinen sakarozdur. Oligosakaritler, birkaç monosakarit ünitesine sahiptir ve polisakaritler, bu birimlerin uzun zincirlerinden, bazen binlerce numaradan oluşur; örnekler çeşitli formlarda nişasta ve selülozdur. Zincirdeki her bir moleküler birim, komşu monosakarit moleküllerinden hidrojen oluşturan (H) ve hidroksil (OH) gruplarının - su oluşturan - hidrojeni (OH) gruplarının uzaklaştırılmasıyla oluşturulan bir glikosidik bağ ile birleştirilir.

Karbonhidrat yapıları, farklı moleküllerin, farklı düzenlenmiş atomlarla aynı genel formüle sahip olacağı şekildedir. Örneğin, monosakaritler, aldehit gruba sahip aldozlara ve aldehit grubuna ve bir karbonil grubu olarak da bilinen bir karbon-oksijen çift bağı olan bir keto grubuna sahip ketozlara ayrılabilir. Glikoz ve fruktoz aynı kimyasal formüle sahip olsa da (C6H12O6), farklı şekilde yapılandırılmışlardır: glukoz bir aldozdur ve fruktoz bir ketozdur. Bu karbonhidrat kimyasının ortak bir özelliğidir.

Bir çeşit karbonhidratın farklı formlarda bulunması da mümkündür. Glikoz, kısa bir zincir oluşturan altı karbon atomu ile doğrusal bir şekilde olabilir; karbon atomları C1-C6 olarak numaralandırılabilir, C1, aldehit grubunu ve C6'yı oluşturur, diğer ucunda iki hidrojen atomuna ve bir hidroksil grubuna bağlanır. Aralarındaki dört karbon atomu, bir tarafta bir hidrojen atomuna ve diğer tarafta bir hidroksil grubuna sahiptir. İki glikoz, D-glikoz ve L-glikoz formları vardır; bunlar sadece birincisinin, aldehit grubundan gelen oksijenle molekülün aynı tarafında hidroksil gruplarından sadece birine sahip olması durumunda, ikincisi ise, düzenleme tam olarak tersine çevrilmiştir. Bu, doğal şekerler arasında baskın olan “D” formları ile, birçok monosakarid için geçerlidir.

Solüsyonda, D-glikoz bir halka yapısı oluşturma eğilimindedir, C6 bir tarafa itilir ve C5 üzerindeki hidroksil grubu, C1 üzerindeki aldehit grubuyla reaksiyona girer, böylece altı atomlu bir halka 5 karbon atomu ve biri oksijen atomu. Bu bir glikopiranoz halkası olarak bilinir. Halka, hidroksil grubunun C1 üzerindeki pozisyonuna bağlı olarak iki farklı form alabilir. Halka ile aynı düzlemdeyse, bileşik β D-glikopiranoz olarak bilinir, ancak halka düzlemine dik durursa, a D-glikopiranoz olarak bilinir. İki farklı form anomerler olarak bilinir ve C1 karbon atomu anomerik karbon olarak bilinir.

Β formu yapısal olarak daha stabil görünür ve D-glikopiranoz durumunda öyledir, ancak bazı monosakaritlerde a formu daha yaygındır. Bunun nedeni, bu bileşiklerde, anomerik hidroksil grubundaki elektron çiftleri ile halkadaki oksijen atomundan olanlar arasındaki elektrostatik itmenin, anomerik etki olarak bilinen bir fenomen olan β formunun daha yüksek yapısal stabilitesinin üstesinden gelebilmesidir. Hangi formun daha stabil olduğu sadece bileşiğe değil aynı zamanda çözücüye ve sıcaklığa da bağlıdır.

Karbonhidratlardaki hidroksil, aldehit ve keto grupları, çok çeşitli reaksiyonlara izin veren diğer gruplarla değiştirilebilir. Karbonhidratlar, biyolojik olarak diğer birçok önemli bileşiğin temelini oluşturur. Örneğin, ilgili bir bileşik olan riboz ve deoksiriboz, DNA ve RNA'nın nükleik asitlerinin oluştuğu temel ünitelerdir. Glikozitler, karbonhidratlardan ve alkollerden oluşur; Emil Fischer adını taşıyan Fischer glikozidasyonu, glikoz ve metanolden glikozit metil glükozit oluşturmak için bir katalizörün kullanılmasını içerir. Glikozit üretimine bir başka yol, glikosidi oluşturmak için bir glikosil halojenürü bir alkol ile birleştiren Koenigs-Knorr reaksiyonudur.