Chemia sacharozy, czyli ….co można zrobić ze zwykłego cukru

Sławomir Jarosz

Instytut Chemii Organicznej Polskiej Akademii Nauk

Kasprzaka 44/52, 01-224 Warszawaslawomir.jarosz@icho.edu.pl

Chemia sacharozy, czyli ….co można zrobić ze zwykłego cukru

Sławomir Jarosz

Instytut Chemii Organicznej Polskiej Akademii Nauk

Kasprzaka 44/52, 01-224 Warszawaslawomir.jarosz@icho.edu.pl

ZWYKŁY CUKIER

Ale najpierw trzeba wprowadzić kilka

podstawowych pojęć

Galeria Andrzeja Mleczki

Myślę, że będziemy mogli się porozumieć

Mimo bardzo dużej różnicy

wieku

i unikniemy następującej sytuacji …..

CO2HH2N

NH2O

HO2C NH2

NH2 O

CO2HH2N

NH2O

L-asparaginasmak gorzki

D-asparaginasmak słodki

H

O

H

H

H

O

H

H

O

(+) - disparluraktywny feromon

(-) - disparluraktywny inhibitor feromonu

Co to jest zwykły cukier ???

Cukier jaki jest, każdy widzi

Jest to parafraza sławnego powiedzenia koń jaki, jest każdy widzi

Koń jaki jest, każdy widzi

opierwsza polska encyklopedia powszechna autorstwa Benedykta Chmielowskiego

Benedykt Joachim Chmielowski herbu Nałęcz (ur. 1700, zm. 1763) – polski ksiądz katolicki, kanonik kijowski, pisarz dewocyjny.

Zasłynął jako twórca pierwszej polskiej encyklopedii powszechnej wydanej pod typowym dla jego epoki tytułem:

Nowe Ateny albo Akademia wszelkiej sciencyi pełna, na różne tytuły jak na classes podzielona, mądrym dla memoryału, idiotom dla nauki, politykom dla praktyki, melancholikom dla rozrywki erygowana [...] przez xiędza Benedykta Chmielowskiego dziekana rohatyńskiego, firlejowskiego, podkamienieckiego pasterza.

Encyklopedia miała dwa wydania, pierwsze w latach 1745-1746, drugie, uzupełnione i rozszerzone, w latach 1754-1764.

Autor encyklopedii uznał konia za zbyt oczywiste zwierzę, aby je opisywać (wówczas

każdy szlachcic miał konia).

Obecnie cytat używany jest na określenie czegoś tak oczywistego, że każdy wie, co to jest.

Czy cukier jest tak ‘oczywistą oczywistością’

że nie trzeba go charakteryzować ??

Sacharozę na skalę przemysłową zaczęto otrzymywać na Bliskim Wschodzie z trzciny cukrowej już w starożytności. Cukier wyrabiano także w Indiach oraz Chinach. Do Europy sacharozę sprowadzili Grecy w IV wieku p.n.e. W ówczesnych czasach była stosowana jako kosztowny lek. Kiedy Ameryka została odkryta i założono na niej wielkie plantacje trzciny cukrowej, dostawy tego produktu do Europy znacznie wzrosły.

OOHO

HO HO

OH OH

OHHO

OH

O

bezbarwne, krystaliczne ciało stałe, t.t. 184 °C []D = 66.7

Pierwsza udana próba otrzymania cukru z buraków cukrowych odbyła się w 1747 r. przez niemieckiego chemika Andreasa Sigismunda Marggrafa.

Pierwsza cukrownia została wybudowana na Śląsku w 1802 r.

Przed II wojną Melchior Wańkowicz powiedział:

Cukier krzepi

tylko bardzo bogaci ludzie mogli sobie nań pozwolić

Cukier był rarytasem

Może król Staś na deser obiadów czwartkowych podawał cukier ??

W miarę rozwoju produkcji cukier stał się dobrem powszechnym

Skąd bierze się cukier ???

FOTOSYNTEZA to złożone reakcje syntezy związków organicznych z prostych substancji nieorganicznych (CO2, H2O), które odbywają się poprzez wykorzystanie energii świetlnej. Głównym związkiem powstającym w wyniku redukcji CO2 są cukry. Przebieg fotosyntezy jest uzależniony od dostępu światła, obecności chloroplastów z barwnikami asymilacyjnymi i odpowiednimi enzymami

Reakcję fotosyntezy można zapisać w następujący sposób:

6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2 ↑Fotosynteza przebiega w chloroplastach w dwóch fazach:

świetlnej i ciemnej.UDP-glukoza + fruktozo-6-fosforan → sacharozo-6-fosforan + UDP

h

Cukier jest dzisiaj obecny niemal we wszystkich gotowych potrawach. Znajduje się też w produktach, które do słodyczy na pewno nie należą: keczupie (niemal połowę zawartości),

sosach, majonezach, musztardzie, grzybach marynowanych, ogórkach konserwowych i innych przetworach, gotowanej

szynce, salami, parówkach.

Cukier jest dzisiaj obecny niemal we wszystkich gotowych potrawach. Znajduje się też w produktach, które do słodyczy na pewno nie należą: keczupie (niemal połowę zawartości),

sosach, majonezach, musztardzie, grzybach marynowanych, ogórkach konserwowych i innych przetworach, gotowanej

szynce, salami, parówkach.

Sacharoza jest najtańszym złożonym produktem dostępnym handlowo !!! (1 kg kosztuje ok. 3.50 zł w detalu). Jest

również produktem bardzo czystym i jednorodnym pod względem chemicznym

Czystość dostępnego w sklepie cukru wynosi minimum 99.5%

Sacharoza jako odczynnik chemiczny

Nazwa produktu: Sacharoza Nr katalogowy: cz.d.a. – xxxx, cz. – xxxxxPrzeznaczenie / zastosowanie: odczynnik analityczny lub chemikalia do syntez Przedsiębiorstwo: xxxxxxxxxxxxxxxxxxxIdentyfikacja zagrożeń: Nie jest klasyfikowana jako substancja niebezpieczna

Pierwsza pomoc: Po kontakcie z oczami: płukać wodą Po spożyciu znacznych ilości: skontaktować się z lekarzem jeżeli

poszkodowany(a) poczuje się niezdrowo

Postępowanie w przypadku niezamierzonego uwolnienia do środowiska: Zebrać na sucho, przekazać do likwidacji. Oczyścić zanieczyszczony teren (spłukać wodą).

Obchodzenie się z substancją: Zapewnić skuteczną wymianę

powietrza (wentylacja). Nie opróżniać do kanalizacji

Przed II wojną Melchior Wańkowicz powiedział:

Cukier krzepi

Cukier był rarytasem

W miarę rozwoju produkcji cukier stał się dobrem powszechnym

Uważany był za ‘zdrowy’ i należało zachęcać do jego kupna

Dziś

sytuacja cukru

NIESTETY

uległa DRAMATYCZNEJ zmianie !!!!!!

Dietetycy i lekarze zaliczają cukier do jednej z trzech "białych trucizn" naszego organizmu - pozostałe to sól i mąka. Tymczasem świadomie lub nieświadomie zjadamy go średnio 25 łyżek dziennie, czyli rocznie około 45 kg! (Statystyki te są zaniżane przez osoby chore na cukrzycę i te, walczące z nadwagą). Według badań, do normalnego funkcjonowania naszego organizmu, potrzebujemy zaledwie 7 g cukru dziennie. Nie jest łatwo ten poziom utrzymać, gdyż cukier uzależnia. Pobudza produkcję serotoniny w mózgu, a ta poprawia nasz nastrój. Kiedy poziom cukru we krwi rośnie, trzustka produkuje duże ilości insuliny, aby go obniżyć. Wtedy jego poziom spada poniżej normy. Skutek? Znużenie i wilczy apetyt na słodycze.

Dietetycy i lekarze zaliczają cukier do jednej z trzech "białych trucizn" naszego organizmu - pozostałe to sól i mąka. Tymczasem świadomie lub nieświadomie zjadamy go średnio 25 łyżek dziennie, czyli rocznie około 45 kg! (Statystyki te są zaniżane przez osoby chore na cukrzycę i te, walczące z nadwagą). Według badań, do normalnego funkcjonowania naszego organizmu, potrzebujemy zaledwie 7 g cukru dziennie. Nie jest łatwo ten poziom utrzymać, gdyż cukier uzależnia. Pobudza produkcję serotoniny w mózgu, a ta poprawia nasz nastrój. Kiedy poziom cukru we krwi rośnie, trzustka produkuje duże ilości insuliny, aby go obniżyć. Wtedy jego poziom spada poniżej normy. Skutek? Znużenie i wilczy apetyt na słodycze.

Dietetycy i lekarze zaliczają cukier do jednej z trzech "białych trucizn" naszego organizmu - pozostałe to sól i mąka. Tymczasem świadomie lub nieświadomie zjadamy go średnio 25 łyżek dziennie, czyli rocznie około 45 kg! (Statystyki te są zaniżane przez osoby chore na cukrzycę i te, walczące z nadwagą). Według badań, do normalnego funkcjonowania naszego organizmu, potrzebujemy zaledwie 7 g cukru dziennie. Nie jest łatwo ten poziom utrzymać, gdyż cukier uzależnia.

Dietetycy i lekarze zaliczają cukier do jednej z trzech "białych trucizn" naszego organizmu - pozostałe to sól i mąka. Tymczasem świadomie lub nieświadomie zjadamy go średnio 25 łyżek dziennie, czyli rocznie około 45 kg! (Statystyki te są zaniżane przez osoby chore na cukrzycę i te, walczące z nadwagą). Według badań, do normalnego funkcjonowania naszego organizmu, potrzebujemy zaledwie 7 g cukru dziennie. Nie jest łatwo ten poziom utrzymać, gdyż cukier uzależnia. Pobudza produkcję serotoniny w mózgu, a ta poprawia nasz nastrój. Kiedy poziom cukru we krwi rośnie, trzustka produkuje duże ilości insuliny, aby go obniżyć. Wtedy jego poziom spada poniżej normy. Skutek? Znużenie i wilczy apetyt na słodycze.

Dietetycy i lekarze zaliczają cukier do jednej z trzech "białych trucizn" naszego organizmu –

pozostałe to sól i mąka.

A zatem użycie cukru powinno być zminimalizowane

Stosowane są SUBSTYTUTY cukru, które są SŁODKIEa jednocześnie niemetabolizowalne

Mogą być one pochodną sacharozy (tzw. sukraloza) lub zupełnie innych związków (aspartam)

Jak wspomniano cukier jest dzisiaj obecny niemal we wszystkich gotowych potrawach. Znajduje się też w produktach, które do słodyczy na pewno nie należą.

Modyfikacja sacharozy może być zrobiona :

Z destrukcją szkieletu:Z zachowaniem szkieletu:

OOHO

HO HO

OH

OH

OHHO

OH

O

Zastosowanie przemysłowe

OOHO

HO HO

OH

OH

OHHO

OH

O

sacharoza

Sukraloza 650 x bardziej słodka

OO

HO HO

OH

Cl

OHHO

Cl

O

Cl

OHO

OHHO

HO

OH

O

HO

HOOH

OH

1'

1

6

2'

6'

1. protoaminobacter rubrum CB5 574.772. redukcja

izomalt (palatinit)

W zależności od proporcji izomerów gluko/manno guma jest bardziej lub mniej chrupiąca

Guma do żucia zwykle zawiera cukier. Gdy w wyszukiwarce

internetowej ‘wrzuci się’ hasło ‘guma do żucia’ dość częto

pojawiają się linki do przychodni dentystycznych !!!!!

Rozwiązaniem jest zastosowanie ‘sztucznego’ cukru

Izomalt jest stosowany np. w gumach do żucia

Podstawiając odpowiednio sacharozę można otrzymać

Środki powierzchniowo czynne

Ciekłe kryształy

Biopolimery

OOHO

HO HO

OH

OH

OHHO

OH

O1

6

1' 6'

OOHO

HO HO

O

O

OHHO

O

O

OO O

RR R

1

6

1' 6'

R = -(CH)nCH3

E 473 (emulgator, dodatek do żywności

E 472

Co będzie przy ‘wysokim stopniu podstawienia’ ???

‘niski stopień podstawienia’

Niskokaloryczny substytut tłuszczów

Dopuszczony przez FDA na rynek USA

Dietetyczny ‘olej’ do smażenia frytek

OLESTRATM

Przejdźmy do właściwego problemu

Jak z sacharozy otrzymać (inne niż spożywcze)

złożone związki o interesującym profilu

(biologicznym) ??

Niewątpliwie najbardziej opłacalnym produktem otrzymywanym z sacharozy z destrukcją szkieletu jest (BIO)ETANOL

Biopaliwo

C12H22O11

C2H5OH

Saccharomyces cerevisiae

O

O

O

OH

OHO

HO

OHOH

OH

OH

H

2

A1'

6'6

HO

OO

O OBnOBnOBn

BnO

BnO

OH

RO

6 6'

1'

gluc fruc

X

O

X

X

O

OO

O OROROR

RO

RO

RO

O

OO

O OROROR

RO

RO

O

RO

???? M+

KRYPTAT potasu - supramolekularny kompleks kryptandu[2.2.2] z kationem potasu (atomy tlenu - kolor czerwony; atomy azotu - kolor niebieski

Chemia supramolekularna - dział chemii organicznej zajmującej się "nadcząsteczkowymi" strukturami, które powstają samorzutnie na skutek słabych oddziaływań międzycząsteczkowych takich jak: siły van der Waalsa i słabe wiązania wodorowe lub poprzez wzajemne, mechaniczne zaplecenie.Wiele cząsteczek ma skłonność do spontanicznego łączenia się w regularne struktury, które często mają inne własności niż wolne, wyjściowe cząsteczki. Typowym przykładem struktury nadcząsteczkowej jest helisa DNA, która składa się z dwóch polimerycznych cząsteczek kwasów nukleinowych połączonych razem słabymi wiązaniami wodorowymi.

Nagroda Nobla z Chemii 1987

Charles J. Pedersen (1904 - 1989)

Jean-Marie Lehn (1939 - )

Donald J. Cram (1919 – 2001)

In 1960 I returned to investigations in coordination chemistry, and decided to study the effects of bi- and multidentate phenolic ligands on the catalytic properties of the vanadyl group, VO. In the course of these investigations one of my experiments yielded an unexpected small quantity of unknown white crystals which I eventually identified as dibenzo18-crown-6, first crown ether. The last nine years of my career were spent in the further study of crown ethers. I retired from Du Pont in 1969.

Charles J. Pedersen

After taking a bachelor's degree in chemical engineering at the University of Dayton, I went to the Massachusetts Institute of Technology where I obtained a master's degree in organic chemistry. I did not remain at MIT to take a Ph.DIn 1927, I obtained employment at the Du Pont Company in Wilmington, Delaware, through the good offices of Professor James F. Norris, a very prominent professor and my research advisor. At Du Pont, I was fortunate enough to be directed to research at Jackson Laboratory by William S. Calcott. I remained at Du Pont for my entire 42-year career as a chemist.

In 1960 I returned to investigations in coordination chemistry, and decided to study the effects of bi- and multidentate phenolic ligands on the catalytic properties of the vanadyl group, VO. In the course of these investigations one of my experiments yielded an unexpected small quantity of unknown white crystals which I eventually identified as dibenzo18-crown-6, first crown ether. The last nine years of my career were spent in the further study of crown ethers. I retired from Du Pont in 1969.

Charles J. Pedersen

After taking a bachelor's degree in chemical engineering at the University of Dayton, I went to the Massachusetts Institute of Technology where I obtained a master's degree in organic chemistry. I did not remain at MIT to take a Ph.DIn 1927, I obtained employment at the Du Pont Company in Wilmington, Delaware, through the good offices of Professor James F. Norris, a very prominent professor and my research advisor. At Du Pont, I was fortunate enough to be directed to research at Jackson Laboratory by William S. Calcott. I remained at Du Pont for my entire 42-year career as a chemist.

The reactions gave a product mixture in the form of an unattractive goo. Initial attempts at purification gave a small quantity (about 0.4 percent yield) of white crystals which drew attention by their silky, fibrous structure and apparent insolubility in hydroxylic solvents.

OH

OR O

ClCl+

O

RO

O

O

OR

NaOH, butanol

OH

OR (H) O

ClCl+

O

RO

O

O

OR

NaOH, butanol

OO

O

OO

O

0,4%

O

O

N

O

N

BnO

BnOOBn

OBn

OBn

OBn

Bn BnNBn

Ka R(+) = 837Ka S(-) = 1530

O

O

O

O

O

BnO

BnOOBn

OBn

OBn

OBn

N NBn Bn

NH2 NH2

brak interakcji z R(+)Ka S(-) = 870

Własne wyniki (S. Jarosz)

Nagroda Nobla z Chemii 2005

Richard R. SchrockRobert H. GrubbsYves Chauvin

Ru

P(Cy)3

PhP(Cy)3

Cl

ClR1

R2

R3

R4

R3R1

R4R2

katalizator+ +

Inna możliwość syntezy makrocykli z sacharozy

OHOHOO

O OCH2 CH2

Własne wyniki (S. Jarosz)

C12H22O11

sacharoza

różne inne użyteczne produkty

I to by było na tyle

Czy są pytania ???