Monosaccharide

Monosaccharide (hay Monosaccarit, từ mono: đơn, sacchar: đường trong tiếng Hy Lạp) còn được gọi là đường đơn, là thành phần cơ bản của các carbohydrate quan trọng trong sinh học. Đây là dạng đường đơn giản nhất trong thực phẩm và bao gồm cả các chất xơ.

Tính chất

Thường không màu, hòa tan trong nước, ở dạng tinh thể rắn, không tan trong dung môi hữu cơ không phân cực, hòa tan trong ethanol 80%. Một số monosaccharide có vị ngọt. Tính chất hóa học đặc trưng là khả năng khử.

Các ví dụ

Glucose (dextrose), fructose (levulose), galactose, xylose và ribose.

Cấu trúc và danh pháp

Ngoại trừ một số monosaccharide đặc biệt như deoxyribose, phần lớn chúng có công thức hóa học là C_x(H₂O)_y, với x thường ≥ 3. Các monosaccharide được phân loại theo số nguyên tử carbon: diose (2), triose (3), tetrose (4), pentose (5), hexose (6), heptose (7),...

Glucose, monosaccharide quan trọng nhất, là một hexose. Một số heptose như ketose mannoheptulose và sedoheptulose cũng tồn tại. Monosaccharide với tám nguyên tử carbon trở lên rất hiếm do chúng không ổn định.

Monosaccharide là thành phần cơ bản tạo nên disaccharide (đường đôi) như sucrose và polysaccharide như cellulose và tinh bột. Mỗi nguyên tử carbon liên kết với nhóm hydroxide (trừ các nguyên tử đầu và cuối) và có cấu trúc hình chữ L (chirality), tạo ra các đồng phân với cùng công thức hóa học. Ví dụ, galactose và glucose đều là aldohexose nhưng có tính chất hóa học và lý học khác nhau.

Chuỗi monosaccharide dạng mạch hở

Một monosaccharide đơn giản bao gồm một chuỗi mạch hở không phân nhánh với các nguyên tử cacbon liên kết nhóm chức cacbonyl (C=O) và nhóm hidroxyl (OH) ở tất cả các nguyên tử cacbon còn lại. Công thức phân tử của nó có thể viết là H(CHOH)_n(C=O)(CHOH)_mH, với n+1+m = x; nên công thức hóa học là C_xH_2xO_x.

Theo quy tắc, các nguyên tử cacbon được đánh số từ 1 đến x dọc theo chuỗi mạch chính bắt đầu từ đầu gần nhất với nhóm C=O.

Nếu nhóm cacbonyl nằm ở vị trí 1 (tức là n hoặc m bằng 0), phân tử sẽ bắt đầu bằng nhóm formyl H(C=O)-, điều này có nghĩa là chúng là andehit. Trong trường hợp này, chúng được phân loại là aldose. Ngược lại, nếu phân tử có nhóm xeton, tức là nhóm cacbonyl -C=O- giữa hai nguyên tử cacbon, nó được phân loại là ketose. Ketose trong các sinh vật thường có nhóm cacbonyl ở vị trí số 2.

Các phân loại trên có thể kết hợp với nhau, tạo ra tên như 'aldohexose' hoặc 'ketotriose'.

Tóm lại, cách đặt tên cho monosaccharide bao gồm tiền tố Hy Lạp để chỉ số nguyên tử cacbon (tri-, tetr-, pent-, hex-,...) và hậu tố '-ose' cho aldose cùng '-ulose' cho ketose. Nếu nhóm cacbonyl không nằm ở vị trí số 2, thì vị trí của nó sẽ được chỉ định bằng số trung tố. Ví dụ, H(C=O)(CHOH)₄H là pentose, H(CHOH)(C=O)(CHOH)₃H là pentulose, và H(CHOH)₂(C=O)(CHOH)₂H là pent-3-ulose.

Chuỗi mạch hở đồng phân quang học

Hai monosaccharide có cùng công thức phân tử (về độ dài chuỗi và vị trí nhóm cacbonyl) có thể là hai đồng phân quang học khác nhau, nghĩa là phân tử có cấu hình không gian khác nhau. Điều này xảy ra khi có nguyên tử bất đối xứng, như cacbon đối xứng bàn tay (liên kết với bốn nhóm phân tử khác nhau). Có hai cấu hình khác nhau kiểu bàn tay (như bàn tay trái và phải). Trong monosaccharide đơn giản mạch hở không phân nhánh, tất cả nguyên tử cacbon đều đối xứng bàn tay, ngoại trừ nguyên tử đầu và cuối của chuỗi, hoặc nguyên tử cacbon liên kết với nhóm xeton trong ketose.

Ví dụ, triketose H(CHOH)(C=O)(CHOH)H (glixerol, dihidroxiaxeton) không có nguyên tử bất đối xứng, vì vậy chỉ có một đồng phân quang học là chính nó. Một triose khác, aldose H(C=O)(CHOH)₂H (glyceraldehyde), có một nguyên tử cacbon đối xứng bàn tay ở vị trí số 2, liên kết với nhóm –H, -OH, -C(OH)H₂, và –(C=O)H. Do đó, chúng có hai đồng phân quang học là hình ảnh gương của nhau. Monosaccharide với bốn nguyên tử cacbon trở lên có thể có nhiều nguyên tử đối xứng bàn tay, và do đó thường có nhiều hơn hai đồng phân quang học. Số lượng đồng phân quang học với cùng công thức phân tử được tính bằng 2^c, trong đó c là số nguyên tử cacbon đối xứng bàn tay.

Để biểu diễn cấu trúc của monosaccharide đơn giản (mạch hở, không phân nhánh) và làm rõ sự đối xứng bàn tay, ta sử dụng hình chiếu Fischer. Mỗi đồng phân quang học của monosaccharide đơn giản có thể được xác định bằng cách nhìn vào vị trí (bên phải hay bên trái) của nhóm hydroxyl đối xứng bàn tay trong hình chiếu Fischer.

Hầu hết các đồng phân quang học là hình ảnh phản chiếu của nhau trong không gian. Trong hình chiếu Fischer, sự khác biệt giữa các đồng phân này thể hiện qua vị trí của nhóm hydroxyl, từ trái sang phải. Đồng phân quang học thường không khác biệt nhiều về tính chất hóa học trong môi trường bất đối xứng, nhưng lại có sự khác biệt về tính chất sinh học và sự xuất hiện trong tự nhiên.

Mặc dù đa số đồng phân quang học là hình phản chiếu của nhau, vẫn có những trường hợp đồng phân lập thể có cấu trúc trung tâm bất đối xứng nhưng lại là hình ảnh phản chiếu của nhau. Ví dụ, các 3-ketopentoses H(CHOH)₂(CO)(CHOH)₂H có cấu trúc đối xứng và hai nửa là hình ảnh phản chiếu của nhau. Trong trường hợp này, phản chiếu qua gương chỉ đơn giản là quay phân tử nửa vòng. Vì vậy, chỉ có ba đồng phân quang học khác nhau của 3-ketopentoses, dù phân tử có hai nguyên tử cacbon đối xứng.

Các đồng phân quang học không phải là hình ảnh phản chiếu thường có những tính chất hóa học khác nhau, ngay cả trong môi trường bất đối xứng. Do đó, mỗi cặp phản chiếu và mỗi đồng phân bất đối xứng được đặt tên riêng biệt. Ví dụ, aldohexose có 16 đồng phân quang học khác nhau, nhưng tên 'glucose' chỉ định từng cặp đồng phân phản chiếu. Trong hình chiếu Fischer, một đồng phân của glucose có nhóm hydroxyl bên trái ở C3, bên phải ở C4 và C5, trong khi đồng phân khác có cấu trúc ngược lại. Các tên monosaccharide thường được viết tắt ba chữ cái như ‘Glu’ cho glucose và ‘Thr’ cho threo.

Tổng quát, một monosaccharide với n nguyên tử cacbon đối xứng có 2ⁿ đồng phân quang học. Monosaccharide aldose có số lượng đồng phân quang học mạch hở, không phân nhánh nhiều hơn một so với ketose có cùng độ dài chuỗi. Mỗi ketose có 2 đồng phân quang học khi có nhiều hơn 2 nguyên tử cacbon, và mỗi aldose có 2 đồng phân quang học khi có nhiều hơn 2 nguyên tử cacbon.

• McMurry, John. Organic Chemistry. 7th ed. Belmont, CA: Thomson Brooks/Cole, 2008. In.

• Danh pháp của Carbohydrate