5.1.3. Будова моносахаридів

Тривалий час в науці панувало уявлення, що моносахариди є спо­луками з відкритим вуглецевим ланцюгом, містять у своєму складі альдегідну або кетонну групу і декілька спиртових гідроксилів. Од­нак, при глибшому вивченні їх будови було встановлено, що ряд властивостей моносахаридів не узгоджується з уявленнями, що існували. Так, виявилося, що моносахариди, будучи альдегідами, не да­ють деяких реакцій на альдегідну групу. Зокрема, вони не утворюють за звичайних умов гідросульфітні похідні, не дають забарвлення з фуксинсірчистою кислотою. При нагріванні моносахаридів зі спирта­ми в присутності сухого хлороводню в реакцію вступає тільки одна гідроксильна група вуглеводу, хоча, виходячи з лінійної структури, за цих умов має утворитися сполука типу простого ефіру по всіх гідро­ксильних групах. Не мало пояснення характерне для моносахаридів явище мутаротації (від лат. muto «змінюю», rotatio «обертання») — зміна величини оптичного обертання свіжоприготованих розчинів. Для пояснення цих фактів російським хіміком А. А. Коллі (1870 p.), a потім німецьким хіміком Б. Толленсом (1883 р.) було висловлено припущення про циклічну будову моносахаридів.

Як відомо, альдегіди реагують зі спиртами з утворенням напівацеталів (див. кн. 2, с. 328).

Аналогічно, моносахариди, будучи полігідроксіальдегідами або полігідроксикетонами, утворюють циклічні напівацеталі в результаті внутрішньомолекулярної взаємодії карбонільної та просторово зближеної з нею спиртової груп. Причому, у відповідності з теорією на­пруження циклів, найбільш сприятлива взаємодія, якщо вона приво­дить до утворення п'яти- або шестичленних циклів. Шестичленний цикл утворюється при взаємодії оксогрупи з гідроксильною групою при С⁵ альдогексоз або С⁶ кетогексоз. Він називається піранозним (від шестичленного гетероциклу пірану).

При взаємодії оксогрупи з гідроксильною групою при С⁴ альдогексоз або С⁵ кетогексоз утворюється п'ятичленний цикл, який нази­вають фуранозним (від п'ятичленного гетероциклу фурану).

Внутрішньомолекулярне утворення напівацеталю приводить до того, що вуглецевий атом карбонільної групи перетворюється на аси­метричний. Цей новий хіральний центр називається аномерним, а відповідні йому два нові стереоізомери α- і β-аномерами. Утворена в процесі циклізації моносахариду гідроксильна група при аномерному центрі називається напівацетальною або глікозидною. У α-аномеру розміщення напівацетального гідроксилу таке саме, як і гідроксилу «кінцевого» хірального центру (асиметричного атомд вуглецю, що визначає належність до D- або L-ряду). Таким чином, у проекційних формулах моносахаридів D-ряду глікозидний гідроксил у α-аномеру розміщений праворуч від вертикальної лінії вуглецевого ланцюга, а у β-аномеру — ліворуч. Наведені вище зображення циклічних форм моносахаридів називаються формулами Коллі-Толленса.

Оскільки формули Коллі-Толленса громіздкі та незручні для зоб­раження циклічних структур, англійський хімік-органік Х. Хеуорс у 20-х роках XX століття запропонував зображувати циклічні форми моносахаридів у вигляді плоских багатокутників, розміщених перпен­дикулярно площині креслення. Хімічці зв'язки циклу, що знаходяться над площиною, зображують жирними лініями, а зв'язки, розміщені за площиною – звичайними лініями. Атом кисню в циклі розміщується за площиною рисунка, причому у піранозному циклі — в правому куті. Символи атомів вуглецю в циклі звичайно випускаються. Замісники розміщуються над і, під площиною циклу.

Ці формули дістали назву формул Хеуорса.

Для переходу від формул Коллі-Толленса до формул Хеуорса ви­користовують такі правила:

1. Замісники, розміщені у формулі Коллі-Толленса ліворуч від верти­кальної лінії, вуглецевого ланцюга, зображуються у формулі Хеуорса над площиною циклу, а замісники, розміщені праворуч – під площиною. Це означає, що у α-аномеру моносахаридів D-ряду напівацетальний гідроксил знаходиться під площиною циклу, а у β-аномеру — над площиною.

2. У альдогексоз D-ряду у піранозній формі група -СН₂ОН, а у фуранозній — група -СН(ОН)СН₂ОН завжди розміщується над площи­ною циклу, наприклад:

Аналогічно зображуються за допомогою формул Хеуорса піранозні та фуранозні форми кетогексоз.

При зображенні суміші α- і β-аномерів у формулі Хеуорса символ атома водню у глікозидного атома вуглецю випускають, а розміщен­ня гідроксильної групи позначають хвилястою лінією.

Таутомерія. Моносахариди є таутомерними речовинами. У кри­сталічному стані вони мають циклічну будову. Так, D-глюкоза, одер­жана дробною кристалізацією з етилового спирту або води, знахо­диться у формі α-D-глюкопіранози. У водному розчині циклічна форма під впливом розчинника перетворюється через відкриту оксо-форму в інші циклічні форми – піранозні та фуранозні з α- і β-конфігурацією аномерного центру. Таким чином, у водному розчині моносахариди існують у вигляді п'яти таутомерних форм відкритої, α- та β-піранозних і α- та β-фуранозних.

Такий вид таутомерії називається цикло-оксо-таутомерією, або кільчасто-ланцюговою таутомерією.

Перехід одної форми в інші відбувається безперервно. Через пев­ний час в розчині установлюється рухома (динамічна) рівновага, при котрій кількість усіх форм залишається постійною. У рівноважній суміші таутомерів альдогексоз переважають піранозні форми. Напри­клад, рівноважна система D-глюкози складається з 64% β-D-глюкопіранози і близько 36% α-D-глюкопіранози. Фуранозні форми та відкрита присутні у дуже малих кількостях.

Аналогічні таутомерні перетворення відбуваються у водних розчинах кетоз. Нижче наведено схему цикло-оксо-таутомерії D-фруктози.

В рівноважній системі таутомерів D-фруктози переважають фуранозні форми.

Здатність моносахаридів до цикло-оксо-таутомерїі пояснює виявлене задовго до встановлення їх будови явище мутаротації.

Мутаротація (від лат. muto — «змінюю» і rotatio — «обертання») — спонтанна зміна величини оптичного обертання свіжоприготованих розчинів оптично активних сполук.

Наприклад, у свіжоприготованому водному розчині глюкози спостерігається зменшення кута оптичного обертання з +113° до установлення постійного значення +52,5°. Хімічною основою цього процесу є цикло-оксо-таутомерія. Як відомо, кристалічна глюкоза являє собою α-D-глюкотранозу, котра має питоме обертання . При розчиненні у воді ця форма через альдегідну перетворюється в інші таутомерні форми, між котрими досягається стан рівноваги. У рівноважній системі знаходяться всі 5 таутомерних форм, але переважає β-D-глюкопіраноза, що має . Зовнішнім проявом цього процесу є поступове зменшення кута обертання до встановлення постійного значення +52,5°, характерного для рівноважної суміші таутомерів.

Конформації моносахаридів. Фуранозні форми моносахаридів мають практично плоску просторову будову, а тому замісники у п'яти-членному циклі змушені знаходитися в нестійкій заслоненій конформації.

Для піранозних циклів найвигіднішою формою, що відповідає мінімуму енергії, є форма крісла, у котрої замісники знаходяться в конформації, близької до загальмованої. Тому фуранозні форми моносахаридів термодинамічно менш вигідні, ніж піранозні.

Слід відмітити, що з двох можливих типів конформації крісла піранозних форм (¹С₄ і ⁴С₁) стійкішою є та, у котрої максимальне число об'ємних замісників (група ОН і особливо СН₂ОН) знаходиться в екваторіальних положеннях.

Для більшості альдогексоз D–ряду вигіднішим є крісло ⁴С₁.

Для переходу від формули Хеуорса піранозного циклу до кон­формації крісла ⁴C₁зображують фігуру крісла з атомом кисню, у ко­трої атом С⁴ знаходиться у верхньому, а атом С¹ – у нижньому по­ложеннях. Глікозидний гідроксил у формулі α-аномеру розміщують аксіально, у формулі β-аномеру – екваторіально. Решту замісників переносять з урахуванням цис- або транс- положення їх у формулі Хеуорса за відношенням до глікозидного гідроксилу, наприклад :