Глава VIII. Углеводы

Углеводы – большая и весьма важная группа природных соединений.

Наибольшая часть углеводов – природные полигидроксикарбонильные соединения и их внутренние полуацетали, а также олигомеры и полимеры на их основе, образованные по принципу ацеталей. В некоторых углеводах вместо части гидроксильных групп находятся другие функциональные группы – аминогруппы, карбоксильные группы и некоторые другие, а иногда просто водород.

Мономерные полигидроксикарбонильные соединения и их внутренние полуацетали, а также их аналоги, содержащие другие функциональные группы, называют моносахаридами, олигомеры на основе моносахаридов – олигосахаридами, полимеры – полисахаридами.

Углеводы выполняют разнообразные и, как правило, весьма важные биологические функции: в частности, они являются аккумуляторами энергии для многих клеточных процессов, выполняют роль антигенных детерминант («узнавателей» антигенов) в иммунных системах; полисахариды являются основой клеточных стенок растений и бактерий; наконец, фрагменты моносахаридов входят в структуры «самых главных молекул» – нуклеиновых кислот. Не стоит забывать и о том, что углеводы – продукт происходящего в растениях фотосинтеза, т.е. прямого превращения атмосферного диоксида углерода в органические вещества; таким образом, углеводы – важная составная часть природного цикла углерода. Благодаря фотосинтезу, некоторые углеводы могут накапливаться в растениях в огромных количествах (целлюлоза, крахмал, сахароза и другие) и, таким образом, представляют собой большие и ( в отличие от нефти и угля) быстро воспроизводимые ресурсы органических веществ.

Благодаря столь большому значению углеводов, в первую очередь, их важнейшей биологической роли, химия этих соединений развивается исключительно интенсивно, начиная с классических работ Э.Фишера в конце ХIX столетия. По существу, химия углеводов – самостоятельный раздел органической химии со специфическими концепциями и методическими приемами. Это и служит основанием для рассмотрения углеводов как отдельного раздела органической химии, хотя чисто химически углеводы – это, в основном, гидроксикарбонильные соединения и их производные – ацетали; они обладают свойствами, характерными для спиртов, карбонильных соединений и их производных; здесь не следует ожидать появления новых типов реакций и принципиально новых механизмов; однако и в рамках уже известных типов реакций проявляется весьма заметное своеобразие, которому будет уделено особое внимание. Своеобразие касается, пожалуй, двух основных моментов:

1. Основные структурные единицы углеводов – моносахариды, как правило, содержат несколько асимметрических атомов углерода; поэтому весьма важную роль играют стереохимические проблемы, вопросы пространственных конфигураций соединений и стереохимии реакций углеводов.

2. Характернейшей особенностью абсолютного большинства моносахаридов является кольчато-цепная таутомерия, т.е. существование равновесия между изомерами, один из которых имеет структуру открытой цепи, а другой – циклическую структуру. «Открытая» форма – полигидроксикарбонильное соединение, циклическая – его внутренний полуацеталь. Это равновесие весьма существенно сказывается на химическом поведении моно сахаридов.

Рассмотрение углеводов будет, в основном, ограничено «базовыми» структурами – полигидроксикарбонильными соединениями, олигомерами и полимерами на их основе; углеводы, содержащие другие функциональные группы, в данном курсе подробно не рассматриваются.