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CHIMIE DES GLUCIDES
Master Recherche 2013-2014
CHIMIE DES GLUCIDES
Master Recherche 2013-2014
CHAPITRE I - STRUCTURE DES GLUCIDES
1 - Vue générale
1.1 - Définition
1.2 - Origine
1.3 - Importance des glucides
1.4 - Les grandes divisions des glucides
2 - Les monosaccharides et leurs dérivés
2.1 - Les sucres simples
2.2 - Structure cyclique des oses
2.3 - Glycosides, oligo et polysaccharides
3 - Conformations des oses
3.1 - Les pyranoses
3.2 - Les furanoses
4 - L’effet anomérique
4.1 - Effet anomérique et conformations
4.2 - Effet exo-anomérique
5 - Quelques éléments sur la biosynthèse des glucides
1 - VUE GÉNÉRALE
1.1 - Définition
Les glucides ou sucres sont des composés naturels qui correspondent
généralement à la formule brute Cn(H2O)n, c’est la raison pour laquelle on les
appelle parfois hydrates de carbone (carbohydrate en anglais).
1.2 - Origine
1.3 - Importance des glucides
Ces composés sont impliqués dans de nombreux processus
biologiques (ADN, groupe sanguins…)
Ce sont des composés chiraux facilement accessibles qui
induisent une chimie stéréospécifique indispensable en
particulier dans l’industrie pharmaceutique ou l’industrie de
produits phytosanitaires.
La cellulose et l’amidon sont des composés de base de
nombreuses industries telles que l’industrie du papier, des
textiles, des épaississants, des cosmétiques ainsi que
l’industrie agroalimentaire…
Les sucres sont soit en surproduction, soit présents sous
forme de co- produits non utilisés d’où la nécessité de les
modifier chimiquement afin de les valoriser.
1.4 - Les grandes divisions des glucides
Les glucides peuvent être divisés en quatre grandes classes :
Les monosaccharides ou oses ou sucres simples qui sont des unités
polyhydroxylées comprenant entre 3 et 10 atomes de carbone.
Les oligosaccharides ou osides constitués d’une soudure de sucres
simples (deux ou plus) par la fonction cétal de l’un et un groupe hydroxyle de
l’autre. Deux sucres simples ainsi combinés forment un disaccharide, trois un
trisaccharide… Un tel enchaînement est un enchaînement glycosidique.
Les polysaccharides - Ce sont de grands osides comprenant un
enchaînement important de monosaccharides identiques ou non.
Les hétérosides ou glycosides - Ce sont des oses ou des dérivés d’oses
qui contiennent un enchaînement glycosidique lié à une partie non glucidique
appelée aglycone.
2 - LES MONOSACCHARIDES ET LEURS DÉRIVÉS
2.1 - Les sucres simples
Un monosaccharide ou ose est un composé polyhydroxylé comprenant de
trois à dix atomes de carbone. Les sucres simples présentent soit une
fonction aldéhyde (on parle alors d’aldose) soit une fonction cétone (on
parle alors de cétose).
a - Les aldoses
Définition
La structure générale des aldoses est de la forme HOH2C-(CHOH)m-CHO.
Le glycéraldéhyde
Les tétroses
D-érythrose L-érythrose D-thréose L-thréose
I II III IV
I II
III IV
E
E
DD
D
D D
E énantiomères
diastéréoisomères
Les pentoses
D-ribose D-arabinose D-xylose D-lyxose
2-désoxyribose
Les hexoses
D-allose D-altrose D-glucose D-mannose
D-gulose D-idose D-galactose D-talose
L-arabinose L-fucose L-rhamnose
(6-désoxy-L-galactose) (6-désoxy-L-mannose)
Représentation symbolique de quelques
glucides
b – Les cétoses
Les cétoses qui
constituent
l’autre grande
famille de
glucides sont
des composés
polyhydroxylés
qui présentent
une fonction
cétone au niveau
du second
carbone.
c - Quelques exemples de glucides et dérivés
dérivés de sucre du type : A-(CHOH)n-B.
A B NOM GENERAL EXEMPLES
-CHO -CH2OH aldose glucose
-CH2OH -CH2OH glycitol ou
alditol
sorbitol (glucitol) 1
glycérol 2
mannitol 3
-COOH -CH2OH acide glyconique ou
acide aldonique
acide –D-gluconique 4
-COOH -COOH acide glycarique ou
acide aldarique
Acide-D-glucarique 5
-CHO -COOH Acide uronique Acide-D-glucuronique 6
Acide-L-iduronique 7
1 2 3 4 5 6 7
d - Quelques éléments de nomenclature
le préfixe « gly » est un terme général qui désigne un glucide dont on ne précise
pas la nature.
Aldoses
Le nom du sucre est établi à partir du nombre total d’atomes de carbone suivi
du suffixe ose ; ensuite en comptant 5 carbones à partir de l’aldéhyde on
nommera l’hexose correspondant en indiquant la configuration D ou L. Enfin la
partie restante sera nommée toujours avec la configuration D ou L et
constituera le préfixe.
D-glycéro-D-manno-heptose D-érythro-L-manno-octose
L- arabino- L- gulo-nonose D- altro-L- ido- décose
Sucres désoxygénés
CHO
HH
OHH
OHH
CH2OH
1
2
3
4
5
2-désoxy-D-érythro-pentose
au lieu de désoxyribose
CHO
HH
OHH
OHH
OHH
CH3
1
2
3
4
5
6
2,6-didésoxy-D-ribo-hexose
au lieu de digitoxose (digitaline)
CHO
OHH
HH
OHH
HHO
HH
OHH
OHH
OH
CH3
H
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
3,6,10-tridésoxy-D-érythro-D-gulo-décose
Sucres ramifiés
CHO
OHH
OHHOH2C
CH2OH
1
3
2
4
3C hydroxyméthyl -D- glycéro- tétrose
= apiose
Cétoses
HH
OHH
HHO
HHO
OHH
OHH
CH2OH
O
CH2OH
D-érythro-L-gluco- nonulose
Acides uroniques
CHO
OHH
HHO
OHH
OHH
COOH
l’acide glucuronique
Dérivés de sucres
COOH
OHH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
COOH
OHH
HHO
OHH
OHH
COOH
OHH
HHO
HHO
OHH
OHH
CH2OH
HH
O
COOH
l’acide gluconique l’acide glucarique
Acide-3-désoxy-D-manno-octulosonique ou Kdo
des dérivés d’alcools de glucides
2.2 - Structure cyclique des oses
a - Analyse du phénomène
Une forme cyclique du glucose
R= H (aldose, acides uroniques) ou R= CH2OH (cétose)
= Mutarotation
Soit le cas des aldoses en C6 comme le glucose en solution dans l’eau.
A l’équilibre dans l’eau il existe deux formes cycliques : les pyranoses (cycles
à 6 chainons) et les furanoses (cycles à 5 chainons) selon que ce soit
l’hydroxyle fixé sur le carbone C5 ou sur le carbone C4 qui réagit sur la
fonction aldéhyde.
Création d’un nouveau carbone asymétrique appelé carbone anomère ou
anomérique (carbone C1) qui est soit b soit a défini par sa position dans la
représentation de Haworth selon les conventions ci-dessous :
Le cycle est représenté comme plan et les hydroxyles verticalement, le carbone
anomérique à droite et l’oxygène hétérocyclique en second plan dans le cas des
monosaccharides. Le carbone primaire, quand il existe, est placé :
au-dessus du cycle pour les glucides de série D
en dessous du cycle pour les glucides de série L.
Pour la série D si le substituant anomérique est au-dessous
du plan moyen du cycle on dira que l’on a l’anomère a ; si ce
substituant est au-dessus du cycle on aura l’anomère b.
Pour la série L c’est le contraire c'est-à-dire que si le substituant
anomérique est au-dessus du plan moyen du cycle on a
l’anomère a ; si ce substituant est au-dessous du cycle on aura
l’anomère b.
les deux anomères du L-glucopyranose :
anomère a anomère b
Composition anomérique du D-glucose dans l’eau.
Composition anomérique du ribose en solution
dans l’eau.
Composition anomérique du fructose dans l’eau.
Liaison hydrogène intramoléculaire
montrant la prédominance de la forme b.
b - Distinction des anomères a et b par RMN
Peut-on distinguer par RMN les deux anomères d’un glucide ?
H1a
(anomère a)
H1b
(anomère b)
Signaux RMN du proton des anomère a et b du glucose
en solution dans D2O.
Deux signaux sont observés sous forme de doublets le premier à 5,25
ppm avec une constante de couplage de 4Hz et le second à 4,66 ppm
avec cette fois ci une constante de couplage de 8Hz.
anomère a anomère b
Représentation de Newman du glucose le long de la liaison C1-C2
c - Quelques éléments relatifs à la nomenclature des glucides
dans leur forme cyclique
β- D- ribofuranose α- D - glucopyranose
2.3 - Glycosides, oligo et polysaccharides
a) Les glycosides (ou hétérosides)
Les glycosides sont des composés qui contiennent une partie
glucidique et une partie non glucidique appelée aglycone fixée au
niveau du carbone anomérique.
coniférine (dans la sève des conifères) thymidine (dans l’ADN)
méthyl-b-D-glucopyranoside méthyl-a-D- glucopyranoside
Exemples de glycosides naturels:
Sous l’action d’un acide ou d’une enzyme spécifique
appelée hydrolase on observe la reformation du glucide
Une telle réaction porte le nom d’hydrolyse
D’où vient ce phénomène ?
En milieu acide plus fort, on a la réaction inverse et selon la force de
l’acide on s’arrête à l’hémicétal ou au cétal. Avec les glycosides, on est
exactement dans la même situation
b - Les di, oligo et polysaccharides
Saccharose (disaccharide formé d’une unité glucose et d’une unité fructose).
Cellulose (polysaccharide formé en moyenne de 10000 unités de glucose)
Exemples :
3 - CONFORMATIONS DES OSES
Nous allons nous intéresser dans ce paragraphe aux formes cycliques
pyranose et furanose ainsi qu’aux O-glycosides.
3.1 - Les pyranoses
Ces cycles étant formés de six chainons, on retrouve toutes les formes
transitoires ou intermédiaires vues pour le cyclohexane. Les formes
thermodynamiquement les plus stables sont les formes chaises ; les
principales autres formes (formes bateau et demi chaises) sont
représentées dans l’exemple de la vue suivante
On écrit le carbone anomérique à droite et on place
l’oxygène derrière ;
On désigne par C, B ou S respectivement les formes
chaise, bateau et demi-chaise (Skew) ;
Les atomes au-dessus du plan moyen du cycle sont
placés avant la lettre et sont en exposant, ceux situés
en dessous de ce plan moyen sont placés après la
lettre et sont en indice.
3.2 - Les furanoses
Il est connu que géométriquement les glucides sous la
forme furanose devraient être plan, l’angle du pentagone
étant de 108° (presque les 109 degrés du tétraèdre).
Principales conformations d’un furanose.
Une telle conformation impliquerait des substituants en
position éclipsée, thermodynamiquement instable. C’est
la raison pour laquelle ces molécules adoptent une
conformation «enveloppe» ou une conformation
«twist»
La forme « twist », qui est la forme
thermodynamiquement la plus stable peut elle-même se
présenter sous deux conformations nommées
conformation « nord » et conformation « sud » :
4 - L’EFFET ANOMÉRIQUE
4.1 - Effet anomérique et conformations
a - Description du phénomène
OR
OR
Forme axiale (A) Forme équatoriale (E)
Mineur Majeur
La forme axiale (A) est défavorisée par rapport à la forme équatoriale (E) en raison
d’abord
des interactions 1,3 diaxiales :
un cyclohexane monosubstitué sera thermodynamiquement favorisé dans la
conformation où le substituant est en position équatoriale.
des interactions gauche
Soit l’équilibre entre deux anomères du éthoxypyrane :
Anomère axial (A) Anomère équatorial (E)
Majeur Mineur
On observe une stabilisation par un substituant
anomérique axial ; les autres substituants quant à eux
apporteront comme dans le cyclohexane un gain de
stabilisation lorsqu’ils seront en position équatoriale.
b - Interprétation du phénomène
Modèle de l’effet anomérique basé sur la théorie des orbitales frontières.
c - Que se passe-t-il en série glucidique ?
Sur un glycoside isolé il y aura deux facteurs de stabilisation :
•L’effet anomérique c'est-à-dire la stabilisation du substituant
anomérique en conformation axiale ;
•La conformation équatoriale des autres substituants dans le cas des
pyranose.
Ainsi l’anomère a du méthylglucopyranoside :
est thermodynamiquement favorisé par rapport
à son anomère b :
L’exemple de l’arabinose per-acétylé comparé à son équivalent cyclohexanique
montre qu’un substituant anomérique en position axiale autorise dans un glucide la
présence non négligeable (23%) de quatre autres substituants axiaux.
L’effet anomérique est extrêmement important et
l’emporte presque toujours sur tous les autres effets
en particulier sur les effets stériques.
d -Paramètres de l’effet anomérique
dans le cas des glucides
Plusieurs paramètres vont avoir une influence significative sur l’effet
anomérique.
•Électronégativité du groupe fixé en position anomérique
Groupe -OH -OCH3 -Cl
Gain de stabilité
en position axiale
(Kcal.mol-1)
1
1,5
3
l’effet anomérique s’avère extrêmement
sensible à l’électronégativité du substituant
du glycoside
Cependant certains substituants très électropositifs tels
que le pyridinium ne favorise pas du tout cet effet :
•Nature du solvant
solvants % axial
CCl4 83
benzène 82
CHCl3 71
acétone 72
CH3CN 68
H2O 52
un solvant apolaire tel que le tétrachlorure de carbone (CCl4) ou le benzène
(moment dipolaire nul) favorise sensiblement l’effet anomérique (% axial) par
rapport à un solvant polaire tel que l’acétonitrile (CH3CN).
4.2 - Effet exo-anomérique
Effet exo-anomérique sur
l’anomère a.
Sur un glycoside portant en position anomérique par exemple un substituant de type alkoxy
OR (OCH3, OC2H5,…) ou tout autre substituant à paire libre, on n’observera pas comme
attendu classiquement une conformation « anti » le long de la liaison C1-Oanomère mais une
forme gauche
Ce phénomène est connu sous le
nom d’effet exo-anomérique
Ce phénomène, plus faible que l’effet
anomérique, est lié à une interaction
frontière entre l’orbitale antiliante s* O0-
C1 et un des doublets de l’oxygène
anomérique.
Dans le cas de l’anomère b pour les mêmes raisons que précédemment le
conformère gauche est en léger excès par rapport à l’autre conformère gauche.
Effet exo-anomérique sur l’anomère b.
5 - QUELQUES ÉLÉMENTS SUR LA
BIOSYNTHÈSE DES GLUCIDES
CH2OPO3
C
C
OH
O
HC
CH2OPO3
OH
2-
2-
H
C
O
O
CH2OPO3
C
C
OH
HC
CH2OPO3
OH
2-
2-
O
C
O
O
D-glycéraldéhyde-3-phosphate
CH2OPO32-
HC
CHO
OH
CH2OPO32-
C
CH2OH
O
dihydroxy-acétone-monophosphate
L’isomérisation du D-
glycéraldéhyde-3-phosphate
précédent conduit alors à la
dihydroxy- acétone-
monophosphate :
CH2OPO32-
HC
CHO
OH
CH2OPO32-
C
CH2OH
O+
HO
OHH
OHH
O
CH2OPO32-
CH2OPO32-
H
fructose diphosphate
A partir de ce dérivé glucidique phosphorylé le glucose est obtenu par un
processus enzymatique, ce dernier induisant alors la formation de tous les
autres sucres. En outre une grande partie du glycéraldéhyde
monophosphate sert à la synthèse du ribulose diphosphate pour réamorcer
le cycle.
CHAPITRE II - RÉACTIONS DES GLUCIDES NON PROTÉGÉS
1 - Sucres réducteurs
2 - Oxydations des glucides
3 - Les réactions de réduction
4 - Déshydratations
5 - Passage aux homologues supérieurs ou inférieurs
6 - Équilibre entre l’aldose et le cétose
7 - Réaction de glycosylation
8 - Oxydation dégradative par les per-iodates
9 - Formation d’osazones
1 - SUCRES RÉDUCTEURS
Dans leur forme ouverte, les aldoses présentent un aldéhyde
qui est une fonction connue pour son caractère réducteur,
l’oxydation de la fonction aldéhyde menant à la fonction acide :
D’une manière plus générale tous les aldoses et tous les acides
uroniques sont donc des sucres réducteurs alors que les
glycosides ne le sont pas.
Et les cétoses ??
C
O
C
OH
H
On a plus précisément une fonction acyloïne
Ces composés sont connus pour posséder un caractère
réducteur, certes moins marqué que les aldéhydes ; leur
oxydation menant à une dicétone :
Par conséquent la plupart des cétoses sont des sucres réducteurs.
Les glycosides ne présentant pas de forme ouverte ne seront, par
conséquent, pas réducteurs.
2 - OXYDATIONS DES GLUCIDES
2.1 - Tests caractéristiques
a - Test de Fehling
Le test à la liqueur de Fehling est l’action d’une solution de tartrate de cuivre II en
milieu NaOH, dans lequel le cuivre II est réduit en cuivre I en présence d'une
fonction réductrice pour former un précipité de Cu2O de couleur rouge. Le bilan
de cette réaction au niveau de l’ion métallique est donc la réduction :
Avec un aldose le schéma général est le suivant :
Ce test est donc positif avec des aldoses et des cétoses tels que le fructose.
b - Test de Tollens
Le réactif de Tollens est le nitrate d’argent ammoniacal
Ag(NH3)2+ en milieu basique OH-. En présence par exemple d’un
aldose, l’argent au degré d’oxydation I est réduit en argent métal
Ago :
Ou plus schématiquement :
2.2 - Réactions d’oxydation des fonctions aldéhyde et alcool
primaire des aldoses
a - Oxydation par le système Br2/H2O
Ces systèmes oxydent spécifiquement la fonction aldéhyde. Par
exemple, le glucose est transformé en acide gluconique.
Mécanisme proposé pour l’oxydation par le dibrome
b - Oxydation par l’acide nitrique
L’acide nitrique HNO3 oxyde sélectivement la fonction aldéhyde du
glucide réducteur et la fonction alcool primaire
Le mécanisme de cette réaction fait intervenir l’acide nitreux HNO2 qui, en solution,
est en équilibre avec l’acide nitrique :
Oxydation d’un sucre réducteur par l’acide nitrique
3 - LES RÉACTIONS DE RÉDUCTION
La réduction des glucides (aldoses ou cétoses) est aisément réalisable avec les
réducteurs classiques des aldéhydes et des cétones. Dans tous les cas, on obtient
un glycitol (appelé également alditol) :
Avec un aldose
Avec un cétose :
Les réducteurs utilisés sont soit des hydrures (NaBH4, AlLiH4,) soit des
métaux réducteurs (Na/Hg) et parfois aussi l’hydrogénation catalytique
(H2/Ni).
On peut par exemple réduire le glucose en sorbitol :
4 - DÉSHYDRATATIONS
A haute température (>500°C) ou à plus basse température (~ 250°C) en
milieu acide fort, les glucides peuvent subir une déshydratation pour donner
des dérivés du furfural qui constitue un synthon important de la chimie
organique.
Caractérisation de classes de glucides par déshydratation
5 - PASSAGE AUX HOMOLOGUES SUPÉRIEURS OU INFÉRIEURS
5.1 - Réaction de Kiliani – Fischer
La réaction de Kiliani-Fischer permet d’allonger la chaine glucidique d’un aldose
d’une unité.
Ce schéma montre clairement qu’un aldose mène à deux
autres aldoses épimères avec un carbone asymétrique
supplémentaire
5.2 - Dégradation de Wohl
La dégradation de Wohl permet de diminuer la longueur de la chaine
glucidique d’un sucre réducteur d’une unité.
Par exemple le glucose soumis à ce système mène à l’arabinose qui est un
pentose :
5.3 - Dégradation de Ruff
La dégradation de Ruff permet elle aussi de réduire la longueur de la
chaine d’un sucre réducteur par l’élimination d’un atome de carbone.
Par exemple on peut transformer le galactose en lyxose :
6 - Équilibre entre l’aldose et le cétose En milieu basique fort (soude ou potasse en solution supérieure
à 2M), on observe un équilibre entre les formes aldose et cétose :
Cette réaction est
connue sous le nom de
transformation de Lobry
de Bruyn et Alberda van
Ekenstein
Exemple d’équilibre de Lobry de Bruyn et Alberda van Ekenstein.
Equilibre glucose avec fructose et Mannose
7 - RÉACTION DE GLYCOSYLATION
7.1 - Définition
Une réaction de glycosylation consiste à former un glycoside à partir d’un dérivé
glucidique protégé ou non.
7.2 - Réaction de O-glycosylation par la méthode de Fischer
La méthode de Fischer est la méthode de O-glycosylation la plus
ancienne. Elle consiste à protoner l’hydroxyle porté par le carbone
anomérique d'un glucide non protégé, suivi de l’attaque nucléophile
de l’alcool que l’on veut greffer
+ ROHH+
Cette réaction nécessite un excès d’alcool ; ce dernier est parfois utilisé comme
solvant, on a alors une solvolyse.
Mécanisme classique de la glycosylation
Avec acides comme catalyseurs : H2SO4 HCl,
l’APTS ou encore des résines échangeuses d’ions
acides.
Méthylation du glucose
Jamais , la
formation du
diméthyl acétal B
n’est observée.
Si à la place du méthanol on utilise un thioalcool tel que le thioéthanol on obtient
presque exclusivement le diméthyl thioacétal pour des raisons de stabilité
thermodynamique.
7.3 - Réaction de N-glycosylation
L’amine est en large
excès Elle peut être
catalysée par un acide
faible.
Cette réaction peut mener à d’autres produits par chauffage
et/ou en milieu acide. En particulier le réarrangement
d’Amadori conduit à une cétosamine N-substituée :
L’ensemble de ces réactions qui implique un glucide et un dérivé aminé est connu
sous le nom de réaction de Maillard.
8 - OXYDATION DÉGRADATIVE PAR LES PER-IODATES
8.1 - Rappel : l’oxydation des diols-1,2
Dans le cas du per-iodate de sodium le même processus est observé avec
une vitesse plus rapide. L’équilibre initial s’écrit alors : NaIO4 Na+ + IO4-
On a une réaction analogue avec le tétraacétate de plomb Pb(OAc)4.
Avec des triols on a la réaction suivante avec
formation d’acide formique :
8.2 - Applications à la chimie des glucides
a - Exemple d’application à l’analyse des glucides
Action du per-iodate de sodium sur le méthylglucopyranoside
Action du per-iodate de sodium sur le méthylglucofuranoside
b - Exemple d’application en synthèse glucidique
9 - FORMATION D’OSAZONES
Il est nécessaire d’utiliser trois équivalents de phénylhydrazine
Composé 3 stabilisé par liaision H
3
Exemple d’utilisation des osazones
Ce résultat est aisément
vérifiable
expérimentalement en
mesurant les
températures de fusion.
CHAPITRE III - PROTECTION ET FONCTIONNALISATION SÉLECTIVE
DES GLUCIDES
1- Introduction
2 - Formation d’esters
3 - Formation d’éthers
4 - Formation de cétals ou d’acétals
5 - La réaction de Mitsunobu
6 - Les réactions de désoxygénation