Углеводы. Текст_Углеводы_Нукл_кислоты. I. углеводы
 Скачать 1.74 Mb.
|
|
аномерами. У -аномера гликозидная OH-группа расположена по одну сторону с гидроксильной группой, определяющей принадлежность моносахари- да к стереохимическому ряду, у -аномера они находятся по разные стороны. Появление аномеров обусловлено свободным вращением заместителей вокруг связи С1-С2, что позволяет осуществлять нуклеофильную атаку как сверху, так и снизу по отношению к плоскости расположения альдегидной группы. Таким образом, реакция нуклеофильного взаимодействия гидроксильной и альдегид- ной групп не является стереоселективной. В проекциях Фишера это выглядит следующим образом: 13 фуранозная форма пиранозная форма C C C C C CH 2 OH H H OH O H H H H OH OH O 1 2 3 4 5 6 открытая форма -аномер -аномер 1 O CH 2 OH H O H H OH O H H H H OH 2 3 4 5 6 O CH 2 OH H OH O H H H OH H H OH 1 2 3 4 5 6 Благодаря наличию в молекуле моносахарида других хиральных центров, - и -аномеры по отношению друг к другу являются диастереомерами и, как следствие, различаются по физико-химичес- ким характеристикам. Так, -аномер D-глюкозы имеет температуру плавления 146 0 С, а -аномер плавится при 150 0 С. Использование проекций Фишера для описания строения циклических форм не очень удобно, так как они не отражают в полной мере геометрию цикла. Пространственное строение циклических форм принято описывать при помощи формул Хеуорса. Переход от проекционных формул Фишера к формулам Хеуорса осуществляется по следующим правилам: 1. В формуле Фишера производится четное число перестановок заместителей у атома углерода, чья гидроксильная группа участвует в образовании циклического полуацеталя. Перестановка осущест- вляется таким образом, чтобы данная OH-группа располагалась на одной вертикали с карбонильной группой и находилась внизу. Например, в образовании пиранозного цикла D-глюкозы участвует OH-группа при С-5. Осуществляем две перестановки и записываем циклическую форму в проекции Фишера: C CH 2 OH H H OH O H H H H OH OH O 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 C OH H H OH O H H H HOH 2 C H OH O O H OH O H H H OH HOH 2 C H OH H 1 2 3 4 5 6 14 Аналогичным образом поступаем в случае образования фуранозного цикла. Теперь в образовании цикла участвует OH-группа при С-4: C CH 2 OH H H OH O H H H H OH OH O 1 2 3 4 5 6 C OH H H OH O H H H HOH 2 C H OH O 1 2 3 4 5 6 OH H H OH O H H H HOH 2 C H O H 1 2 3 4 5 6 O 2. В зависимости от структуры цикла берется соответствующая «заготовка»: O 1 2 3 4 5 6 O 1 2 3 4 5 6 для пиранозного цикла для фуранозного цикла Все заместители, находящиеся в фишеровской проекции справа от линии углеродной цепи, располагаются под плоскостью цикла; соответственно заместители, находящиеся слева над плоскостью. O OH H H OH H OH H CH 2 OH O H H O OH H H H O H OH H OH H CH 2 OH -D-глюкопираноза -D-глюкофураноза 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 Отметим, что у пиранозных форм моносахаридов D-ряда группа CH 2 OH всегда располагается над плоскостью цикла. У -аномеров гликозидная OH-группа располагается под плоскостью цикла, а у -аномера над плоскостью. Названия циклических форм строятся следующим образом: сначала указывают положение полуацетального гидроксила (- или -), затем принадлежность сахарида к стереохимическому ряду 15 (D- или L-), далее в корень тривиального названия сахарида вставляют смысловую часть названия цикла (-фуран- или -пиран-), заканчивая название суффиксом -оза. В случаях, когда аномеризация не уточняется или речь идет о равновесной смеси аномеров, положение гликозидной группы обозначается волнистой линией: O H H H O H OH H OH CH 2 OH OH - и (или) -D-глюкопираноза 1.1.4. Таутомерия моносахаридов. Мутаротация. Фуранозные и пиранозные циклы, а также - и -аномеры обладают различной термодинамической устойчивостью. Однако в растворе моносахариды существуют как в открытой форме, так и во всех возможных циклических формах. Соотношение этих форм зависит от строения открытой формы моносахарида, природы растворителя и других факторов. В целом пиранозные циклы более устойчивы, чем фуранозные, а в полярных растворителях более устойчивы -аномеры благодаря экваториальной конформации замес- тителей (подробнее см. Н. А. Тюкавкина, Ю. И. Бауков. Биооргани- ческая химия, М.: Дрофа, 2006, с. 380). Таким образом, в водном растворе возможны взаимные превраще- ния фуранозных циклов в пиранозные, а -аномеров в -аномеры и наоборот. Такое динамическое равновесие между открытой и цикли- ческими формами моносахарида называется цикло-оксо-таутомери- ей. Взаимопревращение - и -аномеров называется аномеризацией. Внешним проявлением этого процесса является постепенное изменение угла оптического вращения раствора до достижения равно- весного значения. Изменение угла вращения плоскости поляризован- ного света в растворе моносахарида называется мутаротацией. 16 C CH 2 OH O H OH O H H H OH H OH H H 2 O -D-глюкофураноза -D-глюкопираноза O H H H H O H OH H OH OH CH 2 OH -D-глюкопираноза O OH H H OH H OH H CH 2 OH O H H D-глюкоза H 2 O H 2 O H 2 O 1 2 3 4 5 6 O H OH H OH H OH H CH 2 OH O H H -D-глюкофураноза O OH H H H O H OH H OH H CH 2 OH 1.2. Химические свойства альдоз и кетоз. Альдозы и кетозы представляют собой полифункциональные соединения и вступают в реакции, характерные для гидроксильной и карбонильной групп. При этом следует учитывать, что конфигурация заместителей у асимметрических атомов каждого моносахарида является строго определенной и проведение того или иного превращения должно осуществляться стереоспецифично. 1.2.1. Реакции по гидроксильной группе. 1.2.1.1. Образование сахаратов. Углеродная цепь любого моносахарида содержит большое число OH-групп, обладающих электроноакцепторными свойствами. По этой причине гидроксильные группы в молекулах моносахаридов обла- дают большей кислотностью по сравнению со спиртами. В результате моносахариды могут образовывать алкоголяты (сахараты) не только с щелочными и щелочноземельными металлами, но и с их гидрокси- дами: C CH 2 OH H H OH O H H H H OH OH O Ca Ca(OH) 2 C CH 2 OH H H OH O H H H H O O O Ca H 2 сахарат кальция D-глюкоза H 2 O 17 Как и все многоатомные спирты, реагируя в щелочной среде с гидроксидом меди (II), глюкоза дает интенсивное синее окрашивание: C CH 2 OH H H OH O H H H H OH OH O H 2 O + Cu(OH) 2 OH 2+ сахарат меди (ярко-синий цвет) C CH 2 OH H H O O H H H H OH OH O Cu C CH 2 OH H H O H OH H H H O H O O D-глюкоза Эта реакция используется как качественная для доказательства наличия в структуре моносахаридов двух и более гидроксильных групп, способных образовывать с катионами металлов внутрикомп- лексные соединения в виде пяти- или шестичленных циклов. 1.2.1.2. Образование простых эфиров. Если через раствор D-глюкозы в метаноле пропустить газообразный HCl, то в результате нуклеофильного замещения гликозидной OH-группы на алкоксильную группу образуется циклический ацеталь, который называется гликозид: O H H H O H OH H OH CH 2 OH OH HCl (сухой) + CH 3 OH O OCH 3 H H H O H OH H OH H CH 2 OH + O H H H H O H OH H OH OCH 3 CH 2 OH D-глюкопираноза метил- -D- глюкопиранозид метил- -D- глюкопиранозид H 2 O Связь между атомом С-1 и группой -OR (где R алкильный радикал или фрагмент моносахарида) называется гликозидной. Остальные OH-группы в реакции не участвуют. Это означает, что гликозидный гидроксил отличается по своим свойствам от других гидроксильных групп моносахарида. Он легко замещается на другие нуклеофилы, в результате чего образуются различные производные углеводов по С-1: простые и сложные эфиры, галогениды и др. Отметим также, что нуклеофильной атаке подвергается атом С-1, который является хиральным центром. В отсутствии специфических условий протекания реакции (например, ферментативного катализа) 18 это неизбежно приводит к образованию рацемической смеси, в данном состоящей из двух аномеров. В названии гликозида указываются алкильный заместитель (например, метил-), аномер (- или -), моносахарид (например, глюко-) и циклическая форма (пирано- или фурано-), суффикс -оза заменяется на -озид. В отсутствие свободной полуацетальной OH-группы переход в открытую форму невозможен. Следовательно, гликозиды не способны к цикло-оксо-таутомерии и их растворы не мутаротируют. В более жестких условиях в реакцию вступают все гидроксиль- ные группы углевода: O H H OH H OH H OH CH 2 OH OH KOH + CH 3 I O H H H O OCH 3 H OCH 3 CH 2 OCH 3 CH 3 OCH 3 D-галактопираноза метил-2,3,4,6-тетра-O-метил- - (или -) D-галактопиранозид В этом случае также образуется смесь из двух аномеров. В названии указываются сначала алкильный фрагмент циклического полуацеталя (метил-), затем положение и число и вид других алкильных замести-телей (2,3,4,6,-тетра-O-метил), аномер (- или -), моносахарид (галакто-), циклическая форма (пирано- или фурано-) и добавляется суффикс -озид. Простые эфиры не гидролизуются в слабокислой и щелочной средах. В то же время ацетали легко гидролизуются при кипячении с кислотой: O H H H O OCH 3 H OCH 3 CH 2 OCH 3 CH 3 OCH 3 + H 2 O H + O H H H O OCH 3 H OCH 3 CH 2 OCH 3 CH 3 OH 2,3,4,6-тетра-O-метил- -(или -) D-галактопираноза СH 3 OH метил-2,3,4,6-тетра-O-метил- -(или -) D-галактопиранозид В результате кислотного гидролиза образуется полуацеталь, способный к аномеризации, и раствор такого сахарида мутаротирует. К щелочному гидролизу большинство гликозидов устойчиво. 19 1.2.1.3. Образование сложных эфиров. Моносахариды легко вступают в реакцию этерификации с ангидридами карбоновых кислот. Так, действием избытка уксусного ангидрида получают ацетатные производные моносахаридов, при этом в реакции участвуют все гидроксильные группы: O H H H O H OH H OH CH 2 OH OH (CH 3 COO) 2 O (избыток) D-глюкопираноза O O O H O CH 2 O C CH 3 O Ac Ac Ac Ac OAc 1,2,3,4,6-пента-O-ацетил- D-глюкопираноза где Ac COCH 3 Сложные эфиры моносахаридов легко гидролизуются и в кислой, и в щелочной средах. Это объясняется тем, что сложноэфирная связь менее устойчива к гидролизу по сравнению с простой эфирной связью. Среди сложноэфирных производных моносахаридов наибольшее значение имеют фосфаты (сложные эфиры фосфорной кислоты): O H H O H OH H OH CH 2 O P OH OH O OH O H H O H OH H OH CH 2 OH O P OH OH O O P OH OH O O OH CH 2 OH H OH H H CH 2 O P OH OH O 6-фосфат D-глюкопиранозы 1-фосфат D-глюкопиранозы 1,6-дифосфат -D-фруктофуранозы Фотосинтез углеводов, брожение и другие биологические процессы, в основе которых лежат превращения моносахаридов, в действительности осуществляются с участием их фосфатов. Так, при гидролизе гликогена, который в организме осуществляется при помощи фермента фосфорилазы, глюкоза отщепляется в виде 1-фосфата. 6-фосфат глюкозы образуется в биологических условиях при ее фосфорилировании аденозинтрифосфорной кислотой (АТФ). Эфиры моносахаридов и серной кислоты (сульфаты) являются структурными компонентами полисахаридов соединительной ткани (хондроитинсульфаты, гепарин). 20 1.2.2. Реакции по карбонильной группе. 1.2.2.1. Удлинение и укорачивание цепи моносахарида. Несмотря на то, что в смеси таутомерных форм равновесие сдвинуто в сторону образования циклических форм, в растворе моносахарида присутствует некоторое количество ациклической (открытой) формы, что позволяет ему вступать в реакции, характерные для альдегидов и кетонов. Так, при взаимодействии сахаридов с гидроксиламином образуется смесь оксимов циклических и ациклических форм. При действии на них уксусного ангидрида одновременно происходят ацетилирование и дегидратация с образо- ванием нитрила. Обработка полученного нитрила метилатом натрия приводит к дезацетилированию и отщеплению молекулы HCN: CHO CH 2 OH H OH O H H O H H OH H NH 2 OH C H CH 2 OH H OH O H H O H H OH H N OH (CH 3 COO) 2 O C CH 2 OAc H OAc AcO H AcO H OAc H N CH 3 ONa CHO CH 2 OH O H H O H H H OH D-галактоза D-ликсоза оксим нитрил HCN Таким способом углеродная цепь альдозы укорачивается на один атом углерода. Удлинение углеродной цепи можно осуществить циангидринным методом. Взаимодействие альдозы с цианидом натрия приводит к образованию смеси двух изомерных нитрилов, которые легко гидро- лизуются в альдоновые кислоты. Последние при восстановлении амальгамой натрия дают альдозы: NaCN L-арабиноза CHO CH 2 OH H OH O H H O H H CN CH 2 OH H OH H OH O H O H H H CN CH 2 OH O H H H OH O H O H H H + H 2 O 21 H 2 O COOH CH 2 OH H OH H OH O H O H H H COOH CH 2 OH O H H H OH O H O H H H + L-манноновая кислота L-глюконовая кислота Na/Hg CHO CH 2 OH H OH H OH O H O H H H CHO CH 2 OH O H H H OH O H O H H H + L-манноза L-глюкоза Отметим, что в обоих случаях конфигурация хиральных центров, не участвующих в превращениях, сохраняется. 1.2.3. Реакции окисления-восстановления. При восстановлении альдегидной или кето-группы моносахари- дов образуются многоатомные спирты. Восстановление проводят водородом в присутствии металлических катализаторов (Ni, Pd, Pt): CHO CH 2 OH H OH O H H H OH D-ксилоза H 2 /Pt CH 2 OH CH 2 OH H OH O H H H OH D-ксилит Альдозы образуют один полиол, кетозы дают смесь двух стерео- изомеров. Так, из D-фруктозы образуются D-сорбит и D-маннит: CH 2 OH C CH 2 OH O O H H H H OH OH NaBH 4 D-фруктоза CH 2 OH CH 2 OH OH O H H H H OH OH H CH 2 OH CH 2 OH H O H H H H OH OH O H + D-сорбит D-маннит Несложно видеть, что эти спирты могут быть получены восстановлением D-глюкозы и D-маннозы соответственно. Названия таких спиртов оканчиваются на -ит. Они представляют собой кристаллические вещества, хорошо растворяются в воде, обладают сладким вкусом и используются как заменители сахара при 22 сахарном диабете (ксилит, сорбит). Восстановление моносахаридов также может осуществляться при помощи ферментов. Окисление моносахаридов играет большую роль в химии углеводов. В зависимости от условий реакции окисления могут приводить к образованию различных продуктов. В щелочной среде моносахариды при нагревании окисляются реактивами Толленса, Бенедикта и Фелинга. Окисление в щелочной среде, как правило, приводит к разрушению молекулы моносахарида, поэтому эти реакции используются только для их качественного обнаружения. Принцип действия реактивов основан на восстановлении катионов Ag + (реактив Толленса) и Cu 2+ (реактивы Бенедикта и Фелинга), что сопровождается образованием характерных осадков Ag и Cu 2 О (красно-кирпичного цвета): (CHOH) C O H HOH 2 C + Cu 2+ Cu 2 O реактив Бенедикта осадок красно- кирпичного цвета альдоза + продукты окисления n t 0 C + [Ag(NH 3 ) 2 ]OH Ag реактив Толленса альдоза + продукты окисления (CHOH) C O H HOH 2 C n Реактивы Толленса, Бенедикта и Фелинга используются в биохимических лабораториях как тесты для обнаружения альдоз и кетоз в биологических жидкостях (крови, моче). Гликозиды в такие реакции не вступают. Окисление в нейтральной или кислой среде позволяет сохранить углеродный скелет. Окисление в мягких условиях, например, бромной водой, позволяет окислить карбонильную группу до карбоксильной, не затрагивая гидроксильные группы. Образующиеся при этом кислоты называют альдоновыми. CHO (CHOH) CH 2 OH n альдоза Br 2 /H 2 O COOH (CHOH) CH 2 OH n альдоновая кислота 23 При окислении D-глюкозы бромной водой образуется D-глюко- новая кислота. Ее кальциевая соль (глюконат кальция) используется в медицине. Использование сильного окислителя, например, разбавленной азотной кислоты, позволяет окислить обе концевые группы карбо- нильную и первичную спиртовую до карбоксильных. Образующиеся при этом кислоты называют |