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