1.4. Конформационные формулы моносахаридов
В конформационной формуле b-аномера D-глюкозы все без исключения гидроксильные группы и группа СН2ОН занимают экваториальное положение. В a-D-глюкопиранозе гликозидный гидроксил аксиален. Поскольку D-галактоза отличается от D-глюкозы лишь расположением гидроксила у С4, то в конформационной формуле b-D-галактопиранозы гидроксил при этом атоме углерода будет располагаться аксиально.
11.Нарисуйте каждую пиранозу, приведенную в задаче 8, в форме кресла.
12.Пользуясь табл.1, нарисуйте структуру Хеуорса b-L-талопиранозы, а также конформации обоих конформеров. Какая их них обладает большей устойчивостью?
13.Почему b-аномер D-глюкопиранозы более устойчив, чем a-аномер?
1.5.Мутаротация
Оба аномера D-глюкозы в кристаллическом состоянии вполне устойчивы, и каждый из них может быть выделен в чистом виде. Если чистый аномер (a- или b-) перевести в водный раствор, то он через некоторое время превратится в равновесную смесь обоих аномеров, содержащую 64% b-формы и 36% a-формы. Это явление называется мутаротацией. Взаимопревращение аномеров и установление равновесия между ними осуществляется через альдегид с открытой цепью, которого в растворе содержится около 0,02%.
Мутаротации подвергаются лишь сахара со свободным гликозидным гидроксилом, т.е. способные к кольчато-цепной таутомерии.
14.Почему при установлении равновесия между a- и b-D-глюкопиранозой эти две формы не будут находиться в эквимолярном соотношении?
1.6. Эпимеризация сахаров
Еще одно превращение углеводов происходит в щелочной среде и является характерным для a-гидроксиальдегидов и a-гидроксикетонов. При действии оснований, например, на глюкозу легко образуется бис-енольная форма. При этом исчезает хиральность второго углеродного атома С2, но сохраняется хиральность остальной части молекулы (С3,4,5).
Поскольку обратное превращение вновь создает асимметрию второго углеродного атома, то в результате образуется пара антиподов по этому асимметрическому центру – D-глюкоза и D-манноза. Такие два сахара, отличающиеся конфигурацией лишь одного хирального центра, называются эпимерами, а процесс, приводящий к образованию смеси эпимеров из индивидуального энантиомера, – эпимеризацией. При стабилизации бис-енольной формы может также образовываться карбонильная группа при С2. В результате этого образуется D-фруктоза. Образование равновесной смеси трех этих углеводов может проходить при обработке основаниями любого из этих моносахаров.
15.Что общего между понятиями мутаротация, аномеризация и эпимеризация, и чем они отличаются друг от друга?
16.Какие моносахариды называют эпимерами? Напишите проекционные формулы моноз, эпимерных D-маннозе.
1.7. Химические свойства моносахаров
Химические свойства моносахаридов определяются наличием двух типов функциональных групп, присутствующих в моносахариде, – карбонильной и гидроксильной. Важным фактором, оказывающим влияние на реакционную способность сахаров, является кольчато-цепная таутомерия с высоким содержанием циклической формы и высокая реакционная способность гликозидного гидроксила (полуацетальный гидроксил).
1.7.1. Восстановление. При восстановлении карбонильной группы моносахаров боргидридом натрия или водородом в присутствии катализаторов образуются многоатомные спирты, иногда называемые сахарными спиртами. Названия этих спиртов даются по названием моносахаридов, причем суффикс -оза заменяется на суффикс -ит. Из D-глюкозы при восстановлении получается D-сорбит (глюцит), из D-маннозы – D-маннит, а из D-фруктозы – смесь D-маннита и D-сорбита.
17.а)При восстановлении D-фруктозы боргидридом натрия образуется D-маннит и D-глюцит (сорбит). Почему? б) Почему эти два продукта образуются не в одинаковых количествах? (D-маннит образуется в избытке).
1.7.2. Окисление. Альдозы обладают восстановительными свойствами. Они восстанавливают Фелингову1 жидкость (Сu2+ ® Cu+) и реактив Толленса2 (Ag+ ® Ag0). При использовании слабых окислителей (типа бромной воды) окислению подвергается только альдегидная группа. При этом образуются альдоновые(гликоновые) кислоты. Более сильные окислители, такие как концентрированная азотная кислота, окисляют, кроме того, и первичную спиртовую группу, при этом образуются сахарные (гликаровые) кислоты. При условии защиты от окисления альдегидной группы окисляется первичная спиртовая группа (при С6) и образуются важные в биологическом отношении уроновые кислоты.
Альдоновые и сахарные кислоты легко образуют внутримолекулярные циклические эфиры с образованием пятичленных циклов – g-лактонов и шестичленных циклов – d-лактонов.
Окисление диолов периодат-ионом IO4- рассматривалось нами ранее. Эта реакция (окислительная деградация сахаров), которая часто используется при анализе углеводов, приведена ниже:
При окислении глюкозы метапериодатом натрия, например, образуется 5 молей муравьиной кислоты и 1 моль формальдегида.
18.Фруктоза дает положительную реакцию с реактивом Фелинга. Почему? Какие продукты образуются при этом?
19.Какой из углеродных атомов глюкозы переходит в формальдегид при ее окислительной деградации?
20.Напишите уравнения реакций взаимодействия D-галактозы с бромной водой и азотной кислотой.
1.7.3. Ацилирование. Гидроксильные группа углеводов проявляют все обычные спиртовые свойства и, в частности, реагируют с ацилирующими агентами. При действии на глюкозу уксусного ангидрида образуется пентоацетилглюкопираноза.
21.Подвергается ли мутаротации пентоацетилглюкоза? Почему?
1.7.4. Алкилирование. При реакции простых полуацеталей или полукеталей со спиртами образуются ацетали и кетали:
В химии углеводов подобные производные называются гликозидами. Циклические гликозиды, существующие в виде шестичленных колец называются пиранозидами. Циклические гликозиды, кольцо которых содержит пять атомов, называются фуранозидами. При действии на D-глюкозу метанола в кислой среде получается смесь метил-a- и метил-b-D-глюкопиранозидов. Участвующий в такой реакции углевод называется гликоном (предоставляет в реакцию аномерный гидроксил), а атакующий его реагент – агликоном.
Названия гликозида строится из названия замещенной группы, которая записывается перед названием углеводорода, а в названии сахарида суффикс -оза заменяется на суффикс -озид.
Помимо О-гликозидов, существуют и другие типы гликозидов, в которых агликон присоединяется к сахару не через кислород, а через какой-нибудь другой атом. Например, в N-гликозидах агликон связан с С1 через атом азота.
Гликозиды, так же, как и ацетали, устойчивы по отношению к действию оснований, но гидролитически расщепляются под действием разбавленных кислот. Гликозидные связи могут образовываться и между молекулами моносахаридов, что приводит к образованию дисахаридов и полисахаридов.
Гликозиды не могут переходить в открытую форму, а поэтому не подвергаются мутаротации и не восстанавливаются реактивами Фелинга и Толленса. По этой причине такого рода производные называют невосстанавливающими сахарами.
Не только гликозидный (полуацетальный) гидроксил способен алкилироваться. Остальные гидроксилы алкилируются более сильными алкилирующими агентами, такими как галоидные алкилы в щелочной среде или диалкилсульфаты.
22.Предложите механизм кислотного гидролиза гликозида.
23.Как может произойти аномеризация молекулы, не сопровождающаяся муторотацией? Почему b-D-глюкопираноза подвергается аномеризации, а метил-b-D-глюкопиранозид нет?
24.Напишите реакции D-галактозы с этиловым спиртом в присутствии сухого хлористого водорода, а затем с диметилсульфатом.
1.7.5. Дегидратация. При нагревании пентоз с кислотами происходит их дегидратация и внутримолекулярное замыкание цикла с образованием фурфурола.
Гексозы в аналогичных условиях дают 5-гидроксиметилфурфурол, а глюкаровые (сахарные) кислоты образуют 2-фуранкарбоновую кислоты (пирослизевую кислоту). Нагревание аммониевых солей сахарных кислот приводит к образованию пиррола.
1.7.6. Взаимодействие с фенилгидразином. В результате реакции a-оксикарбонильных соединений (в том числе альдоз) с избытком фенилгидразина образуются бис-фенилгидразоны, более известные под названием озазонов. Вероятный механизм образования озазонов представлен ниже:
25.Реакция бензоина (PhCHOHCOPh) c избытком фенилгидразина в присутствии кислоты дает озазон. Напишите его структурную формулу и механизм образования.
26.Назовите два моносахарида, которые дают тот же озазон, что и D-манноза.