Monosakkaritlerde halka yapısı ve izomerlik konusu, içerisinde çok fazla detay barındırması, çokça terim içermesi ve özellikle izomerlerin birbirleri ile çokça karıştırılması yönüyle gıda kimyasının en fazla baş ağrıtan konularındandır.
Konunun önemine binaen, bu makalede hem halka yapılarını hem de monosakkaritlerde izomerlik durumunu detaylı ve anlaşılır şekilde anlatmaya çalışacağım. Makalenin ilk kısmında monosakkaritlerin halka yapısı anlatılmaktadır. Makalenin daha aşağısında yer alan ikinci kısmında ise monosakkaritlerde izomerliği ve izomerliğin sınıflandırılmasını anlatmaya çalışacağım.
1. Monosakkaritlerin Halka Yapısı
Fischer Projeksiyonunda monosakkaritlerin yapısının düz zincir şeklinde olduğu görülür (bkz. Karbonhidratlar; Tanım, Sınıflandırma ve Özellikleri). Ancak, bu teorik düz zincir yapısı her ne kadar doğru olsa da zincir yapısında 5 veya daha fazla karbon (C) bulunan monosakkaritler doğal şartlarda halka yapısında bulunurlar.
Bilindiği üzere monosakkaritler -aldoz veya ketoz fark etmez- yapılarında bir karbonil grubu (C=O) ve birden fazla hidroksil grubu (-OH) ihtiva eder. Organik kimya bilgilerinden hatırlanacağı üzere karbonil grubu elektrofiliktir.
Hal böyle iken monosakkaritlerin yapısında yer alan hidroksil gruplarından biri (genellikle C5 veya C4 karbonuna bağlı -OH grupları) aynı zincir üzerindeki karbonil grubuna nükleofilik saldırı yapar (-OH grubunun oksijenindeki yalnız elektron çifti karbonil grubunun karbonuna saldırır).
Neticede hidroksil grubunun bağlı olduğu oksijen ile karbonil grubunun karbonu arasında kovalent bir bağ oluşur (C-O) ve düz zincir yapısı artık halkalı bir yapı halini alır.
Kimya dili ile anlatmak gerekirse, karbonil grubu ile hidroksil grubu intramoleküler reaksiyona girerek yarı asetal (hemiasetal) veya yarı ketal (hemiketal) oluşur.
Fischer projeksiyonunda monosakkaritlerin düz zincir yapısında D ve L formu kolay bir şekilde gösterilebilmektedir. Ancak halka yapısını ve oluşan yeni stereoizomer formlarını anlaşılır şekilde gösterebilmek amacıyla Haworth formüllerinden faydalanılmaktadır. Haworth formülleri 3 boyutlu halka yapısını kâğıt üzerinde anlaşılır şekilde gösterebilmek amacıyla 100 yılı aşkın süredir kullanılmaktadır. Haworth formülünde düzlem yatay olarak ele alınır. Diğer bağlara nazaran daha kalın çizgilerle gösterilen bağlar, molekülün o kısmının kâğıda bakan kişiye daha yakın tarafta olduğunu ifade eder.
Genel olarak ilgili referans kaynaklarda monosakkaritlerin halka yapıları ile ilgili olarak “5 veya daha fazla karbon sayısına sahip monosakkaritler sulu ortamlarda veya çözeltilerde halka yapısı gösterir” gibi bir izahat bulunur. Ancak bu izahat, çağrıştırdığı anlam itibari ile hatalı ve yanlış anlaşılmaya oldukça müsaittir.
Çünkü bu ifadeden monosakkaritlerin sadece sulu ortamlarda halka yapısı sergilediği; kristal ve kuru halde ise açık düz zincir halinde bulunduğu anlamı çıkabilmektedir. Oysa ki, 5 veya daha fazla karbon atomuna sahip monosakkaritler hemen hemen her ortamda ve şartta halka yapısında bulunmaktadırlar. Glukozdan örnek vermek gerekirse, glukoz bitkide üretilirken açık zincir halinde üretilir, ancak hücre ortamında üretim anından milisaniyeler sonra derhal halka yapısına bürünür.
Diğer taraftan, monosakkaritlerin açık düz zincir ve halka yapısı devamlı suretle bir devinim halindedir. Örneğin bir glukozun sulu çözeltisinde glukoz molekülü devamlı suretle açık düz zincir ve halkalı yapı arasında gider gelir. Ancak, herhangi bir anda çözeltideki glukozun %99’undan fazlası halkalı yapı halindedir, geri kalan %0,1’den az kısım ise açık düz zincir halinde bulunur. Glukozun kuru kristal halinde ise moleküllerin neredeyse tamamı halka halindedir ve sulu ortamdaki gibi açık düz zincir yapısına geçiş söz konusu olmaz. Sakkaroz ve nişasta gibi çoklu yapılarda da glukoz yine halka yapısında bulunur.
Burada birkaç soru akla gelebilir. Onlara kısaca cevap vermeye çalışalım;
Soru 1: Neden 5 ve daha fazla sayıda karbona sahip monosakkaritler halka yapısı kurabiliyor da daha düşük sayıda karbonu bulunan monosakkaritler halka yapısı kuramıyor?
Cevap: Bu tamamen stabilite ve uygunlukla ilgili. 3 karbona sahip monosakkaritler halka yapısı kuracak kadar uzun değiller. 4 karbona sahip monosakkaritlerin ise kuracağı halka yapısı molekül içi yüksek gerilimden ötürü stabil olmayacaktır.
Soru 2: Hidroksil grubu neden komşu monosakkaritin karbonil grubuna saldırmıyor da kendi karbonil grubuna saldırıyor?
Cevap: En önemli sebep etkili derişimin olmamasıdır. Molekül içi karbonil ve hidroksil grubu hep birbirlerine yakındır ve doğru geometrik konumdadırlar. Başka bir molekülün yakın, doğru açıda ve doğru enerjide olması beklenir; bu oldukça önemli bir dezavantajdır. Ayrıca böyle bir bağ kurulursa, oldukça büyük ve düzensiz bir molekül oluşur, bu da elverişli bir yol değildir.
Karbon sayısı 5’ten fazla olan monosakkaritlerde halka oluşumunda karbonil grubunun karbonuna (C=O) bağlanabilecek uygun mesafede iki hidroksil grubu (-OH) bulunur; C4 ve C5’e bağlı hidroksil grupları.
Yapısında 6 karbon bulunan glukoz üzerinden bu durumu açıklayalım; glukozda karbonil grubu (C=O) birinci karbonda (C1) yer alır. Eğer, zincirdeki C5 karbonuna bağlı hidroksil grubu karbonil karbonuna saldırırsa altı üyeli bir halka oluşur. Buna “piranoz halkası” adı verilir. Bu isim, altı üyeli ve oksijen içeren halkalı yapı olan piran molekülüne benzerliğinden dolayı verilmiştir.
Buna karşılık, glukozun C4 karbonundaki hidroksil grubu da C1’deki karbon ile reaksiyona girmek için uygun mesafededir. Eğer C4 karbonuna bağlı hidroksil grubu karbonil karbonuna saldırırsa bu sefer de beş üyeli bir halka oluşur. Buna “furanoz halkası” adı verilir. Bu isim, beş üyeli ve oksijen içeren halkalı yapı olan furan molekülüne benzerliğinden dolayı verilmiştir.
Netice itibari ile monosakkaritlerde iki farklı halka tipi görülebilir;
1. Piranoz; Üyelerinden biri oksijen olan 6 üyeli halka yapısı
2. Furanoz; Üyelerinden biri oksijen olan 5 üyeli halka yapısı
Aşağıda bazı monosakkaritlerin piranoz ve furanoz halka yapıları gösterilmektedir;
Bu noktada akıllara şu soru gelebilir; monosakkaritlerde neden sadece 5 ve 6 üyeli halka yapısı görülmektedir?
Cevap: Monosakkaritlerde halka oluşumu sırasında teorik olarak farklı büyüklüklerde halkalar oluşabilir. Ancak doğada en sık karşılaşılan halkalar beş ve altı üyeli halkalardır. Bunun temel nedeni bu büyüklükteki halkaların kimyasal olarak oldukça stabil olmasıdır.
Organik kimyadan hatırlanacak olursa, halka stabilitesi büyük ölçüde bağ açıları ve molekül içi gerilim ile ilişkilidir. Karbon atomları sp³ hibritleşmesine sahip olduğunda ideal bağ açısı yaklaşık 109,5°’dir. Çok küçük halkalarda bu açı ciddi biçimde bozulur ve molekül içinde yüksek gerilim oluşur.
Örneğin üç veya dört üyeli halkalarda bağ açıları ideal değerden oldukça sapar. Bu nedenle bu tür halkalar yüksek enerjiye sahip olup kararsızdır. Buna karşılık beş ve altı üyeli halkalarda bağ açıları ideale daha yakındır ve molekül içi gerilim çok daha düşüktür. Bu nedenle bu halkalar daha kararlı kabul edilir.
Altı üyeden daha büyük halkalarda ise bağ açı gerilimi genellikle büyük bir sorun değildir. Ancak bu halkalar oluşurken zincirin uygun konumda kapanması daha zor hale gelir. Yani, molekülün uçlarının doğru konum ve açıyla bir araya gelme olasılığı azalır. Bu durum halka oluşumunu kinetik olarak daha elverişsiz hale getirir. Ayrıca büyük halkalar genellikle daha esnek olduklarından belirli konformasyonlarda ek gerilimler de ortaya çıkabilir.
Kısaca belirtecek olursak;
- 5’ten az üyeye sahip halkalar; açı gerilimi yüzünden stabil değildir.
- 5 ve 6 üyeli halkalar; en stabil halka yapılarıdır.
- 6’dan daha fazla üyeye sahip halkalar; kapanma olasılığı düşüktür ve ek gerilimlere gebedir.
Aşağıdaki tablo hangi monosakkaritlerde hangi halka yapısının baskın olduğu konusundaki genel eğilimi vermektedir;
Bu tablo mutlak bir kural değildir, ancak güçlü bir eğilimi göstermektedir. Monosakkaritler çözeltide farklı halka formları arasında dinamik bir denge halinde bulunur. Dolayısıyla, baskın halka formunun yanında diğer halka tipleri de düşük oranlarda bulunabilir. Ancak bu denge çoğu monosakkaritte belirgin biçimde tek bir halka formu lehinedir.
Halka yapısı, beraberinde bir de yeni bir kiral merkez getirir. Glukoz üzerinden örnek vermeye devam edersek, glukoz piranoz yapısı oluşturduğunda karbonil grubunun bulunduğu C1 karbonu da artık yeni bir kiral merkez (asimetrik karbon veya anomerik karbon olarak da ifade edilir) haline gelir.
Glukozun düz zincir yapısında karbonların kirallik durumu şu şekildedir;
- C1: kiral değil
- C2: kiral merkez
- C3: kiral merkez
- C4: kiral merkez
- C5: kiral merkez
- C6: kiral değil
Düz zincir yapısında molekülün konfigürasyonuna karar verilirken karbon sayısı en yüksek olan kiral karbon esas alınır. Bu durumda glukozun C5 karbonunda hidroksil grubu (-OH) eğer sağda yer alıyorsa D, eğer solda yer alıyorsa L konfigürasyonu olarak ifade edilir.
Ancak halka yapısına geçiş ile birlikte C1 karbonu da artık kiral hale gelir (Artık bu karbon anomerik karbon olarak adlandırılır). Dolayısıyla, halka yapısında iki farklı konfigürasyon olasılığı daha meydana gelmiş olur. Yeni oluşan kiral karbon atomuna bağlı hidroksil grubunun (-OH) konuma göre halka yapıda α (alfa) ve β (beta) olmak üzere iki yeni stereoizomerik form söz konusu olur.
Fischer projeksiyonunda molekülün sağ tarafında gösterilen hidroksil grupları Haworth formülünde molekülün alt tarafında gösterilir. Fischer projeksiyonunda molekülün sol tarafında gösterilenler ise Haworth formülünde molekülün üst tarafında gösterilir. Haworth formülünde, anomerik karbona (C1) bağlı hidroksil grubu eğer aşağıda gösterilmiş ise molekül α formu olarak adlandırılır. Eğer anomerik karbona (C1) bağlı hidroksil grubu yukarıda gösterilmiş ise molekül β formu olarak adlandırılır. Bu durum aşağıdaki şekilde gösterilmektedir;
Haworth projeksiyonları monosakkaritlerin halka yapısını anlaşılır şekilde göstermek için oldukça kullanışlıdır. Ancak bu gösterim, molekülün gerçek üç boyutlu geometrisini tam olarak yansıtmaz. Haworth formülünde halka düz bir beşgen veya altıgen gibi çizilir. Gerçekte ise karbon atomları sp³ hibritleşmesine sahiptir ve bağ açıları yaklaşık 109,5°’dir. Bu nedenle moleküller kusursuz bir halka yapı oluşturamaz. Molekül, bağ açılarını ideale yaklaştırmak ve molekül içi gerilimi azaltmak için uzayda belirli konformasyonlar alır.
Beş üyeli furanoz halkalar genellikle zarf (envelope) ve bükülmüş (twist) konformasyonu alırken, altı üyeli piranoz halkalar çoğunlukla sandalye (chair) ve kayık (boat) konformasyonu şeklinde doğada bulunur. Bu konformasyonların ortaya çıkmasının temel nedeni bağ açılarını ideal tetrahedral açıya yaklaştırmak ve molekül içi gerilimi azaltmaktır. Aşağıda monosakkaritlerin oluşturduğu farklı konformasyonlar verilmiştir;
Sandalye konformasyonunda halka üzerindeki her karbon atomuna bağlı gruplar uzayda iki farklı konumda bulunabilir; eksenel (axial) ve ekvatoryal (equatorial). Eksenel bağlar halkaya yaklaşık olarak dik doğrultuda yukarı veya aşağı yönelir. Ekvatoryal bağlar ise halkadan dışarı doğru, yaklaşık halka düzlemine paralel şekilde uzanır.
Genellikle ekvatoryal konum daha stabildir. Bunun sebebi, eksenel konumda bulunan büyük gruplar halka üzerindeki diğer eksenel gruplarla sterik itişme (1,3-diaxial etkileşimleri) oluşturmasıdır. Bu nedenle, hidrojen gibi küçük atomlar eksenel konumda bulunabilir, ancak daha büyük gruplar ekvatoryal konumu tercih ederler.
Özetle şöyle söylenebilir; altı üyeli monosakkarit halkalarının sandalye konformasyonunda, büyük grupların ekvatoryal konumu tercih etmesi molekül içi sterik etkileşimleri azaltır ve yapının stabilitesini artırır.
β-D-glukopiranoz sandalye konformasyonunda neredeyse tüm hidroksil grupları ekvatoryal konumdadır, yalnızca hidrojen atomları eksenel konumda bulunur. Bu durum molekül içi sterik gerilimi büyük ölçüde azaltır ve yapıyı oldukça stabil hale getirir. Bu yüzden, β-D-glukopiranoz glukozun en stabil formudur ve çözeltide en yüksek oranda bulunur.
Artık monosakkaritlerin halkalı yapısını tamamladık diyebiliriz. Geriye monosakkaritlerde optik rotasyonun ve mutarotasyonun izahı kaldı.
1.1. Monosakkaritlerde Optik Rotasyon ve Mutarotasyon
Monosakkaritler birden fazla kiral karbon atomu içerdiği için optik olarak aktiftirler. Optikçe aktif moleküller düzlem polarize ışığı belirli bir yöne doğru döndürme özelliğine sahiptir. Polarize ışığın yönünün değiştirilmesi olayına optik rotasyon denir.
Optikçe aktif bir molekülün iki farklı stereoizomeri çoğu zaman benzer fiziksel ve kimyasal özellikler gösterebilir. Ancak bu iki stereoizomerin polarize ışığı çevirme yönü ve açısı kendilerine hastır. Dolayısıyla, optikçe aktiflik bir molekülün stereoizomerlerinin birbirinden ayırt edilmesinde sıklıkla kullanılmaktadır.
Bir molekül polarize ışığı eğer saat yönünde döndürüyorsa pozitif (+) veya dekstrorotatory; saat yönünün tersine döndürüyorsa negatif (−) veya levorotatory olarak adlandırılır.
Burada önemli bir nokta, bu işaretlerin molekülün yapısına bakılarak güvenilir biçimde tahmin edilememesidir. Bir molekülün polarize ışığı hangi yönde döndüreceği genellikle deneysel olarak, polarimetre adı verilen cihazla yapılan ölçümler sonucunda belirlenir. Bu nedenle molekül adının başında bulunan (+) veya (−) işaretleri teorik bir tahminden değil, deneysel olarak ölçülmüş bir özelliğin ifadesidir.
Optik rotasyon ile ilgili bir diğer önemli husus, D ve L gösterimi ile karıştırılmaması gerektiğidir. D ve L sistemi molekülün konfigürasyonunu ifade eder ve Fischer projeksiyonunda belirli bir kiral karbonun konumuna göre belirlenir. Buna karşılık (+) ve (−) işaretleri molekülün polarize ışığı hangi yönde döndürdüğünü gösterir. Dolayısıyla, D veya L konfigürasyonu ile optik rotasyon yönü arasında doğrudan bir ilişki yoktur. Örneğin glukoz genellikle D-(+)-glukoz olarak ifade edilirken fruktoz D-(−)-fruktoz olarak gösterilebilir. Görüldüğü gibi her iki molekül de D konfigürasyonunda olmasına rağmen optik rotasyon yönleri farklıdır.
Son olarak, molekül adlandırılırken (+) veya (−) işaretinin yazılması çoğu zaman zorunlu değildir. Monosakkaritlerin tanımlanmasında genellikle D veya L konfigürasyonunun belirtilmesi yeterli kabul edilir. Ancak optik rotasyon yönünün özellikle vurgulanması gereken durumlarda molekül adının başına (+) veya (−) işareti eklenebilir. Bu işaretler molekülün stereokimyasal davranışını ve optik özelliklerini belirtmek için kullanılan deneysel bir bilgiyi ifade eder.
Glukoz gibi monosakkaritler sulu çözeltide yalnızca tek bir halka formunda bulunmaz. Moleküller sürekli olarak halka açılıp kapanarak α ve β anomerleri arasında dönüşüm gerçekleştirir. Bu süreç sonucunda çözeltideki optik rotasyon değeri zamanla değişir ve sonunda sabit bir değere ulaşır. Optik rotasyonun zamanla değişerek denge değerine ulaşması olayına “mutarotasyon” denir.
Yeni hazırlanmış α-D-glukoz çözeltisinin optik çevirmesi yaklaşık +112°’dir. Ancak zaman geçtikçe, çözeltinin optik çevirmesi +52,7°’ye kadar düşer ve noktada sabitlenir. Bu durum şundan kaynaklanır; çözeltideki α-D-glukoz devamlı suretle halka açılımına uğrar, halka tekrar kapandığında ise molekülün yeni yapısı α da olabilir β da. β-D-glukoz yaklaşık +18,7° optik çevirmeye sahiptir. Dolayısıyla molekülün β formu çözeltide arttıkça çözeltinin optik çevirme derecesi düşmektedir. Zamanla iki form arasında denge kurulduğunda ise çözeltinin optik rotasyonu +52,7°’de sabitlenir. Bu denge halindeki optik rotasyon derecesinden çözeltinin içerisinde β-D-glukopiranozun ≈ %64, α-D-glukopiranozun ise ≈ %36 oranlarında bulunduğu hesaplanır.
Netice itibari ile, optik rotasyon monosakkaritlerin kiral yapısını ve stereokimyasal özelliklerini ortaya koyarken, mutarotasyon bu moleküllerin çözeltideki dinamik denge davranışını gösterir. Bu iki özellik birlikte monosakkaritlerin kimyasal ve biyolojik özelliklerinin anlaşılmasında önemli bir rol oynar.
2. Monosakkaritlerde İzomerlik
Buraya kadar edinilen bilgiler monosakkaritlerin izomerlik durumunu topluca genel bir izahı gerekli kılmaktadır. Çünkü birçok farklı izomerlik durumundan bahsettik ve bunlar birbirleri ile karışmaya oldukça müsait.
Monosakkaritler yapılarında birden fazla kiral karbon atomu bulundurduklarından dolayı çok sayıda izomer oluşturabilirler. Aynı molekül formülüne sahip olup yapıları veya uzaydaki dizilişleri farklı olan moleküller izomer olarak adlandırılır. İzomerler genel olarak yapı (konstitüsyonel) izomerleri ve stereoizomerler olmak üzere iki ana gruba ayrılır.
2.1. Yapı (Konstitüsyonel) İzomerleri
Yapı izomerlerinde moleküllerin atomları arasındaki bağlanma düzeni farklıdır. Başka bir deyişle atomların birbirine bağlanma şekli değişmiştir. Monosakkaritlerde bu durum genellikle karbonil grubunun konumunun farklı olmasıyla ortaya çıkar.
Örneğin glukoz ve fruktoz aynı molekül formülüne (C₆H₁₂O₆) sahiptir. Ancak glukoz bir aldoz iken fruktoz bir ketozdur. Bu nedenle karbonil grubunun konumu farklıdır ve bu iki şeker yapı izomeridir.
2.2. Stereoizomerler
Stereoizomerlerde ise moleküllerin bağlanma düzeni aynıdır, ancak atomların uzaydaki dizilişi farklıdır. Stereoizomerler iki ana gruba ayrılır; enantiyomerler ve diastereomerler.
2.2.1. Enantiyomerler
Enantiyomerler birbirlerinin ayna görüntüsü olan stereoizomerlerdir. Bu moleküller akiral ortamda, yani ortamda kiral reaktif veya kiral etkileşim olmaması halinde aynı fiziksel özelliklere sahiptir ancak düzlem polarize ışığı zıt yönlerde döndürürler. Karbonhidratlarda enantiyomerlik genellikle D ve L gösterimi ile ifade edilir. Örneğin D-glukoz ve L-glukoz birbirlerinin enantiyomeridir.
Burada bir noktayı özellikle vurgulamak gerekir. D ve L gösterimi belirlenirken yalnızca moleküldeki en yüksek numaralı kiral karbon atomuna bakılması, iki molekül arasındaki farkın sadece bu karbon atomunda olduğu anlamına gelmez. D ve L sistemi yalnızca bir sınıflandırma yöntemidir. Bu sistemde referans olarak kullanılan karbon atomunun konumuna göre molekülün D veya L serisine ait olduğu belirlenir.
Gerçekte ise enantiyomer olan iki molekülde tüm kiral merkezlerin konfigürasyonu birbirinin tersidir. Örneğin D-glukoz ile L-glukoz karşılaştırıldığında fark yalnızca C5 karbonunda değildir; C2, C3, C4 ve C5 karbonlarının tamamındaki stereokimyasal düzen birbirinin ayna görüntüsüdür. Ancak D/L sınıflandırması yapılırken yalnızca en yüksek numaralı kiral karbon referans alınır. Bu nedenle D ve L gösterimi iki molekül arasındaki tüm stereokimyasal farkı değil, yalnızca hangi seriye ait olduklarını ifade eden pratik bir adlandırma sistemidir.
2.2.2. Diastereomerler
Diastereomerler, birbirlerinin ayna görüntüsü olmayan stereoizomerlerdir. Bu moleküllerin fiziksel ve kimyasal özellikleri genellikle farklıdır.
2.2.2.1. Epimerler
Diastereomerlerin özel bir alt grubuna epimerler denir. Epimerler yalnızca tek bir kiral karbon atomunun konfigürasyonu farklı olan diastereomerlerdir. Örneğin; D-glukoz ve D-mannoz birbirlerinin C2 epimeridir. D-glukoz ve D-galaktoz ise birbirlerinin C4 epimeridir.
2.2.2.2. Anomerler
Monosakkaritler halka oluşturduğunda karbonil karbonu yeni bir kiral merkez haline gelir. Bu karbon anomerik karbon olarak adlandırılır. Anomerik karbonun konfigürasyonuna bağlı olarak oluşan izomerlere anomer denir. Örneğin: α-D-glukoz ve β-D-glukoz birbirlerinin anomeridir.
Ben genelde monosakkaritlerde izomerliği öğrencilerime şu şekilde izah ederim;
Bir insanın iki elini düşünün.
- Normal şartlarda iki el aynı yapıda, iki elde de parmaklar ve parmakların bağlantı noktaları birbirinin aynıdır ve iki el de birbirinin ayna görüntüsüdür. Bu durumda iki el birbirinin enantiyomeridir. D-glukoz ve L-glukoz böyledir.
- Şimdi iki elden birinde baş parmağın normal yerinde değil de avuç içinden çıktığını düşünün. Bu durumda artık yapı değişmiştir. Aynı avuç içi, aynı parmaklar aynı bileşenler; ancak bir elde diğerinden farklı olarak parmaklardan biri avuç içinden çıkmış. Artık birbirinin ayna görüntüsü olan iki elden bahsedemeyiz. Bu durumda bu iki el birbirlerinin yapı izomeridir. Glukoz ve fruktoz böyledir.
- Şimdi iki elden birinde işaret parmağı öne doğru eğilmişken, diğerinde işaret parmağı geriye doğru eğilmiş halde düşünün. Aynı avuç içi, aynı parmaklar ve aynı noktalardan avuç içine bağlanmış; ancak işaret parmaklarının duruşu farklı. Bu durumda da bu iki el artık birbirinin ayna görüntüsü değildir. Bu iki el ise birbirinin epimeridir. Glukoz ve galaktoz böyledir.
- Şimdi iki elden birinde baş parmağın tırnağının çok uzun olduğunu ve tırnağın öne doğru eğik olduğunu, diğer elin baş parmağının da yine çok uzun olduğunu ve geriye doğru eğik olduğunu düşünün. Bu durumda her şey aynıdır, ancak baş parmak tırnaklarının yönleri farklıdır. Bu iki el birbirinin anomeridir. α-D-glukoz ve β-D-glukoz böyledir.
Aşağıdaki tabloda monosakkaritlerde izomerliğin ve bazı önemli özelliklerin sınıflandırılması yapılmıştır;
Bu noktada akla şu gelebilir; “Glukoz ile galaktozun molekül formülü aynı olduğuna göre bunlar yapı izomeridir.” Ancak, bu düşünce doğru değildir. Çünkü bir molekülün yapı izomeri sayılabilmesi için yalnızca molekül formülünün aynı olması yetmez; atomların birbirine bağlanma düzeninin de farklı olması gerekir.
Eğer izomerler arasında atomların bağlanma düzeni değişmişse yapı (konstitüsyonel) izomerliği, bağlanma düzeni aynı kalıp yalnızca atomların uzaydaki dizilişi değişmişse stereoizomerlik söz konusudur. Örneğin glukoz ile fruktoz aynı molekül formülüne (C₆H₁₂O₆) sahip olmalarına rağmen karbonil grubunun konumu farklı olduğu için yapı izomeridir. Buna karşılık glukoz ile galaktozda atomların bağlanma düzeni aynıdır; fark yalnızca belirli kiral karbonlardaki hidroksil gruplarının uzaydaki yerleşiminden kaynaklanır. Bu nedenle glukoz ile galaktoz yapı izomeri değil, stereoizomerdir.
Kısacası, “aynı molekül formülüne sahip olmak” tek başına yapı izomerliği sağlandığı anlamına gelmez. Belirleyici olan, atomların birbirine nasıl bağlandığıdır.
Monosakkaritlerde izomer sayısını belirleyen önemli bir kural da molekülün sahip olduğu kiral karbon atomlarının sayısıdır. Bir molekülde n adet kiral karbon atomu bulunuyorsa teorik olarak oluşabilecek maksimum stereoizomer sayısı 2ⁿ kadardır. Bunun nedeni, her kiral karbon atomunun iki farklı konfigürasyona sahip olabilmesidir. Örneğin bir molekülde iki kiral karbon varsa teorik olarak 2² = 4, üç kiral karbon varsa 2³ = 8 farklı stereoizomer oluşabilir. Bu kural monosakkaritler için de geçerlidir.
Örneğin aldoheksozların açık zincir formunda dört kiral karbon atomu (C2, C3, C4 ve C5) bulunduğundan teorik olarak 2⁴ = 16 farklı stereoizomer oluşabilir. Bu izomerlerin yarısı D serisine, diğer yarısı ise L serisine aittir. Glukoz, galaktoz ve mannoz bu izomerlerden yalnızca birkaçını temsil eden örneklerdir. Dolayısıyla doğada karşılaştığımız monosakkaritler, teorik olarak mümkün olan stereoizomerlerin yalnızca küçük bir kısmını temsil etmektedir.
