Реакции моносахаридов в открытой форме

1. Окисление моносахаридов мягкими окислителями (гидроксид диаммминсеребра,гидроксид меди (II), бромноватистая кислота HBrO) дает альдоновые кислоты:

2. Восстановление амальгамой натрия, алюмогидридом лития или боргидридом натрия приводит к образованию шестиатомных спиртов:

При восстановлении альдогексоз иодоводородом при нагревании образуется 2-иодгексан.

3. Образование оксимов. Моносахариды легко реагируют с гидроксиламином NH₂OH,дальнейшая дегидратация приводит к нитрилам, которые при отщеплении циановодорода образуют альдозы с меньшим числом атомов углерода. Так можно установить строение моносахарида и его принадлежность к D или L ряду.

Реакции моносахаридов в циклической форме

1. Образование гликозидов. Гликозидный гидроксил легко вступает в реакции со спиртами,аминами, тиозами, образуя O, N или S-гликозиды, например при действии на -D-глюкопиранозу этанола в присутствии соляной кислоты образуется О-этилгликозид-D-глюкопиранозы:

Образующийся гликозид уже не способен к переходу в открытую форму.

2. Алкилирование происходит под действием алкилгалогенидов, при этом алкилируются все гидроксилы:

При гидролизе образовавшейся пентаэтил--D-глюкопиранозы освобождается только гликозидный гидроксил:

В результате получается тетрааэтил--D-глюкопираноза, наличие свободного гликозидного гидроксилапозволяет ей переходить в открытую форму и, соответственно в тетрааэтил--D-глюкопиранозу:

3. Ацилирование под действием галогенангидридов или ангидридов кислот приводитк образованию ацильных производных, например при ацетилировании -D-глюкопиранозы образуется пентаацетил--D-глюкопираноза:

Брожение моносахаридов

Брожение - расщепление молекул моносахаридов под действием ферментов (энзимов). Какправило, брожению подвергаются моносахариды с числом углеродных атомов, кратным трем. Моносахаридымогут подвергаться нескольким видамброжения. Наиболее известный - спиртовое брожение, протекает под действием фермента дрожжей зимазы:

С₆Н₁₂О₆ = 2С₂Н₅ОН + 2СО₂

При ацетонобутаноловом брожении образуются ацетон и бутанол, при лимоннокислом -лимонная кислота, маслянокислое брожение дает масляную (бутановую) кислоту.

21.1

КЛАЙЗЕНА КОНДЕНСАЦИЯ (ацилирование по Клайзену, сложноэфирная конденсация), взаимод. сложных эфировкарбоновых к-т в присут. основных катализаторов с соед., содержащими активную метиленовую группу, с образованием новой углерод-углеродной связи:    R и R'-opr. радикалы, R: - обычно COOAlk, C(O)Alk, CN. Для осуществления процесса исходные в-ва и катализатор(напр., Na, AlkONa, NaNH₂, NaH) кипятят в осушенном инертном р-рителе (иногда до неск. сут). Для ускорения р-ции в ряде случаев образующийся спирт отгоняют в вакууме. При самоконденсации сложных эфиров образуются b-кетоэфиры. Таким образом получают, напр., ацетоуксусный эфир:    Чтобы избежать самоконденсации, р-цию проводят в избытке ацилирующего эфира. Если оба сложных эфирасодержат активные атомы Н, образуется смесь четырех b-кетоэфиров, что существенно снижает выход продуктов перекрестной конденсации. С помощью диэтилоксалата или этилформиата можно также ацилировать этиловые эфиры кротоновой (n = 1) и сорбиновой (n = 2) к-т, напр.:  НСООС₂Н₅+СН₃(СН=СН)_nСООС₂Н₅:НС(O)СН₂(СН=СН)_nСООС₂Н₅  Р-цией сложных эфиров карбоновых к-т с кетонами получают р-дикетоны или b-кетоальдегиды:    В случае эфиров дикарбоновых к-т происходит внутримол. конденсация (см. Дикмана реакция). Клайзенаконденсация обратима и по механизму близка к альдольной конденсации, напр.:   

ДИКМАНА РЕАКЦИЯ (Дикмана конденсация), внутримол. конденсация эфиров двухосновных к-т в циклич. b-кетоэфиры, напр.:    Дикмана реакция - частный случай Клайзена конденсации (взаимод. двух молекул сложного эфира с образованием ациклич. кетоэфира). Осуществляется в присут. оснований (щелочные металлы, их гидрооксиды, алкоголяты, амиды,гидриды, реже - трифенилметилнатрий, N-метиланилид лития и др.) в инертной атмосфере в среде эфира или ароматич. р-рителей. Как правило, легко образуются 5- и 6-членные циклы; в условиях большего разбавления возможен синтез макроциклов. Присутствие алкильных групп в a- и b-положениях к карбоксильной группепрепятствует циклизации, этоксикарбонильные группы в b-положении облегчают. Из двух возможных продуктов Дикмана реакции образуется преимущественно продукт циклизации с участием метиленовой группы, обладающей более выраженными кислотными свойствами, напр.:    В орг. синтезах часто используется р-ция, обратная Дикмана реакции, напр.:    Дикмана реакция применяется для получения алициклич., полициклич. и гетероциклич. соединений. Модификация Дикмана реакции перегруппировка N-замещенных фталимидов или изатинов в производные изохинолина илихинолина (р-ция Габриеля - Кольмана), напр.:    При использовании в качестве основания Na или NaOH наряду с продуктами Дикмана реакции в больших кол-вах образуются циклич. ацилоины. Р-ция открыта В. Дикманом в 1894. О получении макроциклич. кетонов циклизацийдинитрилов см. Циглера реакция. Лит.. Вульфсон Н. С., Зарецкий В. И., в кн.. Реакция и методы исследованияорганических соединений, кн. 12, М., 1963, с. 7-257. Н. Г. Гамбарян.

21.2

АМИНОКИСЛОТЫ, органические к-ты, содержащие одну или несколько аминогрупп. В зависимости от природы кислотной ф-ции аминокислоты подразделяют на аминокарбоновые, например H₂N(CH₂)₅COOH, аминосульфоновые, например H₂N(CH₂)₂SO₃H, аминофосфоновые, например H₂NCH[Р(О)(ОН)₂]₂, и аминоарсиновые, например H₂NC₆H₄AsO₃H₂. Согласно правилам ИЮПАК, название

аминокислоты производят от названия соответствующей к-ты; взаимное расположение в углеродной цепи карбоксильной и аминной групп обозначают обычно цифрами, в нек-рых случаях - греч. буквами. Однако, как правило, пользуются тривиальными названиями аминокислот.

Структура и физические свойства. По физ. и ряду хим. свойств аминокислоты резко отличаются от соответствующих к-т и оснований (см. табл. 1 и 2). Они лучше раств. в воде, чем в орг. р-рителях; хорошо кристаллизуются; имеют высокую плотность и исключительно высокие т-ры плавления (часто разложения). Эти св-ва указывают на взаимод. аминных и кислотных групп, вследствие чего аминокислоты в твердом состоянии и в р-ре (в широком интервале рН) находятся в цвиттер-ионной форме. Напр., для глицина кислотно-основное равновесие: 

Взаимное влияние групп особенно ярко проявляется у аминокислот, где обе группы находятся в непосредств. близости, а также у о- и n-аминобензойных к-т, где их взаимод. передается через систему сопряженных связей. Благодаря электроноакцепторным св-вам группы —Н₃ резко усиливается кислотность карбоксильных групп, напр. рК_а глицина 2,34, тогда как уксусной к-ты 4,75,аланина 3,6. Аминогруппа подвергается взаимокомпенсируемому влиянию электроноакцепторной карбонильной группы и электронодонорного отрицательно заряженного атомакислорода, в результате чего, напр., основность аминогрупп аминоуксусной и n-аминобензойной к-т мало отличается от основности соотв. этиламина и анилина. Аминогруппа аминокислот ионизирована в несколько меньшей степени, чем карбоксильная группа, и водный р-р аминокислоты имеет слабокислый характер. Значение рН, при к-ром концентрация катионов аминокислоты равна концентрации анионов, наз. изоэлектрич. точкой (рI). Все аминокислоты в изоэлектрич. точке имеют минимум р-римости (в р-рах к-т и щелочей р-римость возрастает). Вблизи рI р-ры аминокислот обладают миним. буферным действием, а вблизи рК каждой функц. группы-максимальным.

22.1

АЦИЛОИНОВАЯ КОНДЕНСАЦИЯ, образованиегидроксикетонов (ацилоинов) восстановлением эфиров алифатич. моно- или дикарбоновых к-т, напр.: 

Ацилоиновая конденсация эфиров монокарбоновых к-т осуществляется двумя путями: 

Сложный эфир нагревают с Na (мольное соотношение 1:2) в бескислородной атмосфере в инертных р-рителях, напр. в бензоле, толуоле, ксилоле. Применение вместо Na жидкого сплава его с К позволяет проводить процесс при комнатной т-ре. Для повышения выхода ацилоинов в р-ции используют (CH₃)₃SiCl; образующиеся при этом бис-триметилсилиловые эфиры ендиолов легко выделяются и при взаимод. со спиртом образуют ацилоины. При осуществлении ацилоиновой конденсации без (CH₃)₃SiCl получаются побочные продукты-1,2-дикетоны, кетоны, а также вещества, синтезирующиеся в результате конденсации Дикмана и Клайзена.

С помощью ацилоиновой конденсации можно получать с хорошими выходами ациклич. ацилоины с R от СН₃ до С₂₂Н₄₅. Р-ция с участием эфиров двух разных монокарбоновых к-т практически не осуществляется.

Из эфиров дикарбоновых к-т в условиях, при к-рых происходит ацилоиновая конденсация монокарбоновых к-т, образуются циклич. ацилоины: 

Таким путем можно получить ацилоины, содержащие в цикле от 4 до 42 атомов С. Эту же реакцию используют для синтеза макроциклических гетероциклических ацилоинов и ацилоинов с конденсированными циклами, напр.: 

В результате ацилоиновой конденсации эфира дикарбоновой к-ты, содержащей 34 атома С, в присут. 34-членногоциклоалкана удалось получить катенан. Ацилоиновая конденсация - промежут. р-ция при получении макроциклич.углеводородов, макроциклич. и ациклич. кетонов,дикетонов и диолов.

22.2

Химические свойства. Р-ции по карбоксильным группам аминокислот, аминогруппа к-рых защищенаацилированием или солеобразованием, протекают аналогично превращениям карбоновых к-т. Аминокислоты легко образуют соли, сложные эфиры, амиды, гидразиды, азиды, тиоэфиры, галогенангидриды, смешанные ангидриды и т.д. Эфиры аминокислот под действием натрия или магнийорг. соед. превращаются в аминоспирты. При сухой перегонке в присут. Ва(ОН)₂ аминокислоты декарбоксилируются.

Р-ции аминогрупп аминокислот аналогичны превращениям аминов. Аминокислоты образуют соли с минер, к-тами и пикриновой к-той, легко ацилируются хлорангидридами к-т в водно-щелочном р-ре (р-ция Шоттена - Баумана) и алкилируются алкилгалогенидами. Метилиодид и диазометан превращают аминокислоты в бетаины . С формалином аминокислоты дают мегилольные или метиленовые производные, а в присут. муравьиной к-ты или каталитически активированного Н₂-N,N-диметиламинокислоты. Под действием HNO₂ароматич. аминогруппы диазотируются, а алифатические замещаются на гидроксил. При обработке эфиров аминокислот изоцианатами и изотиоцианатами образуются производные мочевины и тиомочевины. При нагр. ссодой или при одноврем. воздействии алкоголята и СО₂ аминокислоты дают соли или эфиры N-карбоксипроизводных аминокислот, а при использовании CS₂-аналогичные дитиокарбаматы.

Р-ции с одноврем. участием групп NH₂ и СООН наиб. характерны для., к-рые способны образовывать устойчивые 5-членные гетероциклы. С ионами переходных металлов (Си, Zn, Ni, Co, Pb, Ag, Hg, Cr). образуют прочные хелатные комплексы, что используется в комплексонах и в комплексообразующих ионообменных смолах на основе аминокарбоновых и аминофосфоновых к-т. При взаимод. с фосгеном. превращаются в циклич.ангидриды N-карбоксиаминокислот (ф-ла I), а при нагр. с уксусным ангидридом или ацетилхлоридом - в азлактоны (II); нагревание аминокислот с мочевиной или обработка изоцианатами дает гидантоины (III), а при использовании ., и особенно легко их эфиры, при нагр. превращаются в 2,5-пиперазиндионы, или дикетопиперазины (V).. при нагр. дезаминируются и образуют-ненасыщенные к-ты, и. отщепляют воду и образуют 5- и 6-членные лактамы.Аминокапроновая к-та при нагр. образует в осн. полиамид и лишь частично превращ. вкапролактам, что характерно и для аминокислот с большим числом метиленовых звеньев между функц. группами.Бетаины. при нагр. могут обратимо превращ. в эфиры диметиламинокислот, напр.: . При элиминировании триметиламина оетаины. превращ. в ненасыщ. к-ты, и-бетаины-в циклич. лактоны. При окислении . образуют альдегиды с укороченной углеродной цепочкой. Из-за положит. заряда на четвертичном атоме N бетаины не образуют солей сощелочами. По аналогичной причине аминосульфоновые и аминофосфоновые к-ты не образуют солей с к-тами.арилизотиоцианатовтиогидантоины (IV). 

23.1

АМИДЫ КАРБОНОВЫХ КИСЛОТ [от ам(миак)], ацилпроизводные аммиака или аминов, соед. общей ф-лы RC(O)NR'R". Незамещенные у атома N амиды RCONH₂ наз. первичными; моно- и дизамещенные амиды RCONHR' и RCONR'R" (R' и R"-opr. остаток) - соотв. вторичными и третичными. Соед., содержащие две ацильные группы уатома азота RCON(R')COR", наз. имидами, а соединения с тремя ацильными группами RCON(COR')COR" - триациламинами. По др. классификации соед., содержащие одну, две или три ацильные группы, наз. соотв. первичными, вторичными или третичными. Циклич. аналогами амидов являются лактамы. Об амидах суль-фокислот см. Сульфамиды.

Названия первичных амидов производят от названий соответствующих к-т, напр. НСОNН₂-формамид, или амид муравьиной к-ты, СН₃СОNH₂-ацетамид, или амид уксусной к-ты, С₆Н₅СОNН₂ - бензамид, или амид бензойной к-ты. В названиях N-замещенных амидов заместители перечисляются перед названием незамещенного амида, напр. HCON(CH₃)₂ - N.N-диметилформамид. 

Кроме жидких формамида и N-метил-формамида, первичные и вторичные амиды-кристаллич. в-ва, большинство третичных-жидкости. Низшие алифатич. амиды хорошо раств. в воде, простейшие ароматические - умеренно в горячей воде. Между молекулами амидов, содержащими хотя бы один атом Н при атоме N, возникают водородные связи.

Вследствие частичной двоесвязанности N=C и, следовательно, затруднения своб. вращения вокруг связи С(О)—N амиды могут существовать в цис- и транс-формах: 

В водных р-рах амиды обычно имеют нейтральную р-цию, что обусловлено сопряжением своб. электронной парыатома N с двойной связью карбонильной группы: 

Однако первичные и вторичные амиды могут проявлять слабые амфотерные св-ва, а третичные - слабые основные. Так, с сильными минер. к-тами они образуют непрочные легко гидролизующиеся соли. Основные св-ва N-алкилзаме-щенных амидов выражены сильнее, чем у незамещенных. Напр., N,N-диметилацетамид образует с НС1 соль, устойчивую в виде конц. водных р-ров, а с НС1О₄ и H₂PtCl₆ - прочные хорошо кристаллизующиеся соли. В средеуксусного ангидрида амиды количественно оттитровываются р-ром НС1О₄. При взаимод. с щелочными металлами у первичных и вторичных амидов атом Н аминогруппы замещается металлом, образуя, напр., RCONHNa.

При кипячении с конц. водными р-рами минер. к-т или щелочей амиды гидролизуются до к-т. Под действием HNO₂легко дезаминируются: RCONH₂ + HNO₂ -> RCOOH + N₂ + H₂O. Восстанавливаются до аминов RCH₂NR'R" натрием в спиртовой среде, алюмогидридом Li или Н₂ - над меднохромовыми катализаторами. Первичные амиды дегидратируются до нитрилов под действием Р₂О₅, А1₂О₃, SiO₂, H₃PO₄ или др.; при действии гипобромитов илигипохлоритов в щелочном р-ре превращаются в первичные амины (Гофмана перегруппировка). Взаимод. вторичных и третичных амидов с РС1₅, SOC1₂ и т.п. приводит к имидоилхлоридам RCC1=NR' илихлориммониевым солямRCC1—R'R"C1^-, которые при нагревании расщепляют- , ся на нитрилы RCN и алкилгалогениды (см. Брауна реакция).

С бромом и хлором амиды образуют соотв. N-бром- и N-хлорамиды, с формальдегидом и окисью этилена-N-метилоламиды, N,N'-метилен-бис-ациламиды и разл. N-оксиэтильные производные амидов, имеющие большое пром. значение, напр.: 

В пром-сти амиды синтезируют взаимод. к-т или чаще их хлорангидридов, ангидридов, эфиров с NH₃ (аммонолиз) либо амином (аминолиз). Еще один пром. способ - неполный гидролиз нитрилов в присуг. H₂SO₄ или Си: RCN + Н₂О -> RCONH₂. Разработаны непрерывные контактно-каталитич. аммонолиз и аминолиз к-т при 200-280 С в присут.катализаторов дегидратации (А1₂О₃, SiO₂ и др.); выход амидов 95-98%.

В'лаб. условиях амиды можно синтезировать также р-цией кетенов с NH₃ или амином (напр., СН₂=С=О + NH₃ -> CH₃CONH₂), N-алкилзамещенные амиды-взаимод. амидов с алкилгалогенидами, N-алкил- и N-арилзамещенные - с использованием Бекмана перегруппировки или перегруппировки Шмидта: 

Образование амидов используют для защиты аминогруппы и для идентификации первичных и вторичных аминов(преим. в виде ацетамидов и бензамидов), а также карбоновых к-т (в виде незамещенных амидов, анилидов, бензиламидов). Особое значение методы защиты МН₂ - группы имеют в синтезе пептидов (см. Белки).

Амиды - пластификаторы бумаги, искусственной кожи, ПВХ, экстрагенты нек-рых радиоактивных металлов, сырье в произ-ве полимеров, промежут. продукты в синтезе красителей и сульфамидных препаратов и др.

23.2

УГЛЕВОДЫ (сахара), обширная группа полигидроксикарбо-нильных соед., входящих в состав всех живых организмов; к углеводам относят также мн. производные, получаемые при хим. Mодификации этих соед. путем окисления,восстановления или введения разл. заместителей.

Термин "углеводы" возник потому, что первые известные представители углеводов по составу отвечали ф-ле C_mH_2nO_n (угле-род+вода); впоследствии были обнаружены природные углеводы с др. элементным составом.

Классификация и распространение. Углеводы принято делить на моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

Моносахариды обычно представляют собой полигид-роксиальдегиды (альдозы) или полигидроксикетоны (кетозы) с линейной цепью из 3-9 атомов С, каждый из к-рых (кроме карбонильного) связан с группой ОН. Простейший моноса-харид, глицериновый альдегид, содержит один асим. атом С и известен в виде двух оптич. антиподов (D и L). Прочиемоносахариды имеют неск. асим. атомов С; их рассматривают как производные D- или L-глицеринового альдегида и относят к D- или L-ряду в соответствии с абс. конфигурацией асим. атома С, наиб. удаленного от карбонильной группы. Различия между изомерными моносахаридами в каждом ряду обусловлены относит, конфигурацией остальных асим. центров.

Характерное св-во моносахаридов в р-рах - мутаротация, т. е. установление таугомерного равновесия между ациклич. альдегидо- или кетоформой, двумя пятичленными (фураноз-ными) и двумя шестичленными (пиранозными) полуацеталь-ными формами. Две пиранозы (как и две фуранозы) отличаются друг от друга конфигурацией (a или b) нового асим. (аномерного) центра, возникающего из карбонильного атома С при циклизации.

Полуацетальный (гликозидный) гидроксил циклич. форм моносахаридов резко отличается от прочих групп ОН моно-сахарида значительно большей склонностью к р-циям нукле-оф. замещения. Такие р-ции приводят к образованию глико-зидов (остаток нуклеофила в гликозиде - напр. спирта. меркаптана - носит назв. агликон). В тех случаях, когдаагликоном служит др. молекула моносахарида, образуются олиго- и полисахариды. При этом каждый остатокмоносахарида может в принципе иметь пиранозную или фуранозную форму, a- или b-конфигурацию гликозидного центра и быть связанным с любой из гидроксильных групп соседнего моносахарида. Поэтому число разл. по строению полимерных молекул, к-рые теоретически можно построить даже из остатков только одногомоносахарида, представляет собой аст-рономич. величину.

К наиб, обычным и распространенным в природе моноса-харидам относят D-глюкозу, D-галактозу, D-маннозу, D-фрук-тозу, D-ксилозу, L-арабинозу и D-рибозу. Из представителей др. классов моносахаридов часто встречаются: 1) дезоксиса-хара, в молекулах к-рых одна или неск. групп ОН заменены атомами H (напр., L-рамноза, L-фукоза, 2-дезокси-D-рибоза); 2) аминосахара, где одна или неск. групп ОН заменены на аминогруппы (напр., 2-амино-2-дезокси-D-глюкоза, или D-глюкозамин); 3) многоатомные спирты (полиолы, альди-ты), образующиеся привосстановлении карбонильной группы моносахаридов (D-сорбит из D-глюкозы, D-маннит из D-маннозы, и др.); 4) уроно-вые кислоты - альдозы, у к-рых группа CH₂OH окислена в карбоксильную (напр., D-глюкуроновая к-та); 5) разветвленные сахара, содержащие нелинейную цепь углеродных атомов (напр., апиоза, или 3-С- гидроксиметил-D-глицеро-тетроза; ф-ла I); 6) высшие сахара с длиной цепи более шести атомов С (напр., D-седогеп-тулоза и сиаловые к-ты; ф-лы см. соотв. в статьях Пентозо-фосфатный цикл и Моносахариды}.

За исключением D-глюкозы и D-фруктозы своб. моносахариды встречаются в природе редко. Обычно они входят в состав разнообразных гликозидов, олиго- и полисахаридов и м. б. получены из них после кислотного гидролиза. Разработаны многочисл. методы хим. синтеза редких моносахаридов исходя из более доступных.

Олигосахариды содержат в своем составе от 2 до 10-20 моносахаридных остатков, связанных гликозидными связями. Наиб, распространены дисахариды, выполняющие ф-цию запасных B-B: сахароза в растениях, трегалоза в насекомых и грибах, лактоза в молоке млекопитающих. Известны многочисл. гликозиды олигосахаридов, к к-рым относят разл. физиологически активные в-ва, напр, гликозиды сердечные, нек-рые сапонины (в растениях), мн.антибиотики (в грибах и бактериях), гликолипиды.

Полисахариды- высокомол. соед., линейные или разветвленные молекулы к-рых построены из остатковмоносахаридов, связанных гликозидными связями. В состав полисахаридов могут входить также заместители неуглеводной природы (остатки алифатич. к-т, фосфат, сульфат). В свою очередь цепи высших олигосахаридов иполисахаридов могут присоединяться к полипептидным цепям с образованием гликопротеинов.

Особую группу составляют биополимеры, в молекулах к-рых остатки полиолов, гликозилполиолов, нуклеозидов или моно- и олигосахаридов соединены не гликозидными, а фос-фодиэфирными связями. К этой группе относяттейхоевые кислоты бактерий, компоненты клеточных стенок нек-рых дрожжей, а также нуклеиновые кислоты, в основе к-рых лежит поли-D-рибозофосфатная (РНК) или поли-2-дезок-си-D-рибозофосфатная (ДНК) цепь.

24.1