¿Cómo demuestra la existencia de las formas alfa y beta de la glucosa que ésta existe como estructura cíclica?

Question

Mi libro dice que

La glucosa existe en dos formas cristalinas diferentes que son denominadas como $\alpha$ y $\beta$ .

A continuación dice que

Este comportamiento no puede explicarse por la estructura de cadena abierta para glucosa.

No soy capaz de entender cómo la existencia de dos formas cristalinas demuestra que la glucosa existe como estructura cíclica. ¿No hay compuestos no cíclicos que existan en más de una forma cristalina?

¿Y por qué no puede explicarse por la estructura de cadena abierta?

Creo que me falta algo, pero ¿qué?

Gracias.

Editar:

Si tomamos el ejemplo de la glicina, existe en dos formas cristalinas diferentes, pero no tiene una estructura cíclica como la de la glucosa. Entonces, ¿por qué la existencia de dos formas cristalinas para la glucosa se considera una prueba de su forma de anillo?

Answer 1

Según Wikipedia :

La glucosa suele presentarse en forma sólida como un monohidrato con un anillo de pirano cerrado (hidrato de dextrosa). En cambio, en solución acuosa, es una cadena abierta en pequeña medida y está presente predominantemente como - o -piranosa, que se fusionan parcialmente por mutarotación.

La glucosa se presenta predominantemente en la naturaleza en forma de denantiómero, que generalmente se cree que existe en tres formas cristalinas: $\alpha$ Dglucosa monohidratada (Figura 1A)(Ref.2), anhidra $\alpha$ Dglucosa (Figura 1B)(Ref.2), y anhidro $\beta$ Dglucosa (Figura 1C)(Ref.1,3). Tanto la anhidra $\alpha$ D y $\beta$ Los cristales de Dglucosa son ortorrómbicos mientras que $\alpha$ Los cristales de Dglucosa monohidratada son monoclínicos (ver Fig. 1A-C). Sin embargo, existe una cuarta forma, que es metaestable en fase de solución a $\pu{38\!-\! 50 ^{\circ}C}$ y se cree que es una forma hidratada de $\beta$ Dglucosa, también se ha reportado (Ref.1,4).

La estructura cristalina de $\beta$ -D-glucosa publicado en 1960 (Ref.5) mostró claramente la existencia del sistema de anillos de piranosa. Como en el recuadro insertado en la Figura 1 se indica que, en soluciones acuosas, el 99% de la D-glucosa existe como una mezcla de la $\alpha$ - y $\beta$ -formas (aproximadamente el 62% $\beta$ y el 38% $\alpha$ cuando se equilibra a $\pu{31 ^{\circ}C}$ (Ref.1). Un estudio reciente de RMN utilizando $\ce{^13C}$ glucosa etiquetada (Ref.6) mostró claramente $\alpha/\beta$ relación de $37/63$ que es casi idéntico a este valor de la literatura (Figura 2):

---

Referencias :

1. F. W. Schenck, "Glucosa y jarabes que contienen glucosa", en Enciclopedia de química industrial de Ullmann: Ullmann's Food and Feed, Vol. 2 B; Elvers, Ed.; WileyVCH Verlag GmbH & Co. KGaA: Weinheim, Alemania, 2017, pp. 781-802 ( https://doi.org/10.1002/14356007.a12_457.pub2 ).
2. W. B. Newkirk, "Manufactura y usos de la dextrosa refinada". Química industrial y de ingeniería 1924 , 16(11) , 1173-1175 (DOI: 10.1021/ie50179a028).
3. G. R. Dean, "Optical-Crystallographic Properties of $\beta$ -D-Glucosa," Anal. Chem. 1973 , 45(14) , 2440-2441 (DOI: 10.1021/ac60336a005).
4. G. R. Dean, "Una fase cristalina inestable en el sistema D-glucosa-agua". Investigación sobre los carbohidratos 1974 , 34(2) , 315-322 ( https://doi.org/10.1016/S0008-6215(00)82906-7 ).
5. W. G. Ferrier, "La estructura cristalina de $\beta$ -D-glucosa", Acta Cryst. 1960, 13, 678-679 (doi: 10.1107/S0365110X60001588).
6. T. Richter, S. Berger, "A NMR method to determine the anomeric specificity of glucose phosphorylation," Química Bioorgánica y Medicinal 2013 , 21(10) , 2710-2714 ( https://doi.org/10.1016/j.bmc.2013.03.008 ).

Answer 2

La cadena abierta es floja. La estereoquímica relativa entre dos centros es fija e invariable.

Pero la existencia de isómeros geométricos implica una estructura adicional impuesta a la molécula. En este caso, en un anillo de 6 miembros, se puede tener una sustitución axial o ecuatorial que son distintas. La estereoquímica relativa es la misma pero los patrones de sustitución relativos son ahora diferentes.

Observe la siguiente estructura ( fuente ).

En el $\alpha$ -forma, el grupo hidroxilo en C-1 es axial, y en la $\beta$ -forma, es ecuatorial. Sin embargo, este cambio no afecta a nada más en la molécula de glucosa, por lo que las posiciones relativas de los sustituyentes se vuelven diferentes.

Lo complicado es que esto no implica necesariamente una estructura cíclica, pero una estructura cíclica es probablemente la forma más fácil de imponer una estructura a la molécula que racionalice dos formas. (Y en este momento me resulta difícil encontrar una alternativa).