¿Por qué la estructura cíclica de la glucosa es de 6 miembros?

La glucosa es una de las muchas moléculas de carbohidratos que se encuentran en la naturaleza. Se llama así por la relación de hidrógeno a oxígeno, que sale como 2: 1, lo mismo que el agua. La fórmula de la glucosa es C6H12O6, y existe principalmente en dos formas, la cadena abierta y las formas anulares. La forma de anillo se forma haciendo reaccionar el extremo de aldehído libre de glucosa de cadena abierta con uno de los grupos hidroxilo unidos a otros átomos de carbono de la cadena. Como la glucosa de cadena abierta tiene un aldehído, se denomina aldosa.

Comenzamos examinando la estructura de la glucosa de cadena abierta. Esta orientación se reconoce fácilmente como la proyección Fischer de D-glucosa, con los grupos hidroxilo dispuestos de una manera particular.
Al combinar el segmento de aldehído (en la parte superior del modelo de proyección de Fischer) con cualquiera de los grupos hidroxilo (los grupos -OH), podemos formar anillos de diferentes tamaños a partir de glucosa de cadena abierta. Dado que hay cinco grupos hidroxilo totales, podemos hacer cinco formas anulares de glucosa de diferentes tamaños. Estas formas de glucosa se nombran por los anillos heterocíclicos insaturados que contienen. Los nombres heterocíclicos provienen del esquema de nomenclatura Hantzsch-Widman, parte de la denominación IUPAC de productos químicos.

Anillo de 3 miembros = oxireno, que da una oxirenosa
Anillo de 4 miembros = oxete, que da una oxetosa
Anillo de 5 miembros = furano, que da una furanosa
Anillo de 6 miembros = piran (2H o 4H-), que da una piranosa
Anillo de 7 miembros = oxepina, que da una oxepinosa

Algunas de las formas de anillo son bastante raras e inestables, por lo que se encuentran con menor frecuencia. De inmediato, vemos que la furanosa y la piranosa son bastante familiares para los bioquímicos, ya que son motivos muy comunes en la química de los carbohidratos. Muchas moléculas de azúcar tienen anillos de cinco o seis miembros, pero algunos productos naturales tienen anillos de cuatro o siete miembros como parte de sus estructuras. Aquellos con anillos de más de seis miembros a menudo se producen en vías de biosíntesis a diferencia de los utilizados para la producción de carbohidratos, pero los que tienen anillos de cuatro miembros pueden surgir de las vías de síntesis de carbohidratos.

Para comenzar a comparar las diferentes formas de anillo de glucosa, comenzamos con la forma de anillo de tres miembros (abajo).
Esto es bastante inestable, debido a la tensión angular del anillo de oxirano (también llamado epóxido). Aunque la naturaleza forma anillos de oxirano en muchas sustancias químicas, es poco probable que los carbohidratos contengan estos anillos.

La siguiente forma de anillo, la de cuatro miembros, también es inestable por una razón similar (abajo).
Ambas formas de glucosa en anillo de tres y cuatro miembros tienen problemas con la tensión angular, ya que los átomos de los anillos se fuerzan en ángulos inferiores a 109,5 grados. Aunque los grupos hidroxilo libres pueden unirse por enlaces de hidrógeno, su contribución no es lo suficientemente fuerte como para superar la tensión del anillo.

La forma de la glucosa de la furanosa es bastante estable y también ocurre con otros azúcares, especialmente la fructosa. Su estructura se muestra a continuación.
Los anillos de furanosa son bastante comunes en la bioquímica, ya que forman parte del ADN, el ARN y muchos carbohidratos. Los anillos no tienen mucha tensión de ángulo, por lo que se forman fácilmente.

La forma más familiar de glucosa es la forma de anillo de piranosa, con una tensión prácticamente nula en el anillo (abajo).
El anillo de piranosa presenta una forma ideal para organizar todos los grupos hidroxilo en la molécula, manteniéndolos separados, y también brindando oportunidades para la unión de hidrógeno. Una mirada al modelo de relleno de espacio de esta molécula muestra cuán dispersos están todos los átomos.
Ninguno de los átomos de hidrógeno está chocando entre sí, lo que puede desestabilizar otras formas de anillo.

La última forma de anillo que podemos hacer con glucosa de cadena abierta es la forma de anillo de siete miembros, como se describe en la pregunta. No es bastante estable, debido a los átomos de hidrógeno que chocan entre sí (abajo).
El anillo de oxepano es bastante flexible, a diferencia de todos los otros anillos, que tienden a ser rígidos o tienen una flexibilidad limitada. Sin embargo, a menudo coloca átomos de hidrógeno cerca el uno del otro, causando choques estéricos entre ellos. Esta es la razón por la cual la forma de glucosa de oxepinosa no es estable.

Para concluir este análisis, ahora observamos las energías de todas las formas de anillo y glucosa de cadena abierta juntas. En la tabla a continuación, las energías se obtuvieron utilizando la teoría de la función de densidad en el nivel Becke-3-Lee-Yang-Parr de modelado de química teórica.
Cuanto más negativo es el número, más estable es la molécula en relación con los demás. Tenga en cuenta que las formas de cadena abierta y piranosa tienen una energía cercana (que difieren en 4 kilojulios por mol), y también son más estables en comparación con las otras formas? ¡Estas son las formas predominantes de glucosa! Las formas oxetosa y oxirenosa son las formas menos estables de glucosa y no contribuyen mucho a la bioquímica de la glucosa. Por lo tanto, las formas de piranosa y cadena abierta de la glucosa son las más estables, ya que tienen una baja tensión entre los átomos, y los átomos no chocan entre sí.

Tal estructura se denomina “Pyranose”. Un anillo de 6 miembros minimiza la tensión mediante el ajuste con la hibridación orbital sp3 de los miembros del anillo. En un ciclohexano, la tensión del anillo es perfectamente cercana a cero. El número 6 se ve favorecido en la acumulación periódica de espacio de 3 dimensiones.
α-D – (+) – Glucopiranosa
Modelo de un ciclohexano

La glucosa es aldohexosa pero no reacciona con 2,4-dinitrofenil hidrazina, NaHSO₃ y da negativo con la base de Schiff. El pentaacetato de glucosa no reacciona con la hidroxilamina, esto indica la ausencia de un grupo aldehídico libre.

En glucosa están presentes grupos aldehídico y OH. El grupo OH en el quinto carbono de glucosa se agrega al grupo aldehídico, lo que resulta en la formación de hemacetal cíclico.

En esto, se forma un nuevo carbono quiral conocido como carbono anomérico. El cambio en la configuración del carbono anomérico da como resultado la formación de anómeros. La glucosa tiene dos anómeros, como alfa y beta.

La estructura cíclica de la glucosa se parece al pirano, que tiene un anillo heterocíclico de seis miembros. Por lo tanto, esta estructura se conoce como estructura de piranosa.