¿Cómo son los orbitales moleculares del grupo C = O de glucosa?

Primero, notamos que la glucosa es un azúcar aldosa, lo que significa que su grupo carbonilo está en el extremo de una cadena de carbono. Como la glucosa tiene seis átomos de carbono, tendrá este grupo carbonilo conectado al primer o al último átomo de carbono, cuando vayamos de izquierda a derecha.

El grupo carbonilo contiene orbitales p que pueden orientarse de dos maneras diferentes, a lo largo del eje y o del eje x del grupo carbonilo. Vemos esta característica en D-glucosa cuando calculamos sus orbitales moleculares en el nivel B3LYP de química teórica.

Así es como se ve la D-glucosa. ¡Su imagen especular es L-glucosa y tendrá orbitales moleculares prácticamente idénticos a los de la D-glucosa! El orbital molecular ocupado más alto (HOMO) muestra la densidad de electrones en la molécula, diciéndonos dónde están ubicados en la molécula los electrones que reaccionarán con los reactivos que desean electrones para las reacciones.
Este es el HOMO de la D-glucosa, ¡e involucra muchos átomos! Al observar el término de la molécula, encontramos que los orbitales p en el grupo carbonilo son muy similares a lo que esperaríamos para los lóbulos de pares de electrones en el átomo de oxígeno. Como los muchos átomos de oxígeno también llevan orbitales p, también interactúan con este grupo carbonilo. Observe que la alta densidad de electrones aparece en los átomos de carbono cuarto y quinto lejos del átomo de carbono carbonílico. Allí es donde el grupo carbonilo reacciona intramolecularmente para formar un anillo de piranosa (anillo de seis miembros) o furanosa (anillo de cinco miembros), y ahora entendemos cómo la D-glucosa a veces adquiere una forma de anillo. A menudo vemos D-glucosa en su forma de piranosa cuando está presente en condiciones típicas de organismos vivos, y esto es cuando su grupo carbonilo se cambia a un enlace COC dentro del anillo.

El orbital molecular más bajo desocupado (LUMO) nos da información sobre un orbital vacío en la molécula, allí para reactivos que tienen muchos electrones para proporcionar en las reacciones. Este orbital también está presente para eventos en los que la molécula es golpeada por la luz y se excita, desplazando uno de sus electrones del HOMO al nivel de energía LUMO. Cuando observamos el LUMO de la D-glucosa, vemos que su grupo carbonilo domina este orbital molecular.
Los orbitales p de oxígeno están alineados en una dirección diferente en comparación con los del HOMO. Como el átomo de carbono tiene grandes superficies orbitales p en comparación con las del átomo de oxígeno, este átomo es donde los electrones probablemente irán durante una reacción. Vemos que la parte de carbono del grupo carbonilo en D-glucosa es el sitio de reacción durante el ataque de partes densas en electrones, como los átomos de oxígeno en una reacción intramolecular. Esto permite que el átomo de oxígeno en el cuarto o quinto átomo de carbono alejado del grupo C = O done sus electrones, rompiendo el doble enlace y convirtiendo el átomo de oxígeno en un grupo hidroxilo anomérico (el grupo OH colgante que aparece después de un anillo es formado a partir de una molécula de azúcar de cadena abierta). Como el átomo de carbono tiene tamaños p-orbitales iguales en ambos lados, cualquier lado es aceptable para el ataque de oxígeno durante la formación del anillo. El átomo de oxígeno entrante puede empujar el átomo de oxígeno de carbonilo hacia abajo o hacia arriba, dependiendo de la disposición de otros átomos en el anillo naciente. Así es como obtenemos las formas ‘alfa-‘ y ‘beta-‘ de D-glucosa en sus formas de anillo. La forma ‘beta-‘ de D-glucosa con un anillo de seis miembros es bastante común en bioquímica, ya que mantiene el grupo OH colgante (anomérico) alejado de otros grupos OH en el anillo hexagonal. Por lo tanto, hemos utilizado orbitales moleculares de D-glucosa para obtener información sobre sus formas estables.