Изомерия моносахаров.

(Самостоятельная работа студентов)

Оптическая изомерия моносахаридов. Характерной особенностью структуры моносахаридов является наличие в молекулах асиммет­рических (т.е. имеющих четыре различных заместителя) атомов углерода. Асимметрические атомы углерода представляют собой центры хиральности молекулы. Следствие хиральности молекулы — явление оптической изомерии, или энантиомерии, которое выра­жается в способности соединения вращать плоскость поляризо­ванного света в противоположные стороны. Соединение с п асим­метрическими атомами углерода может существовать в виде 2ⁿ изо­меров. В соединениях с одинаковыми асимметрическими атомами углерода число оптических изомеров уменьшается вследствие су­ществования мезо-форм. Мезо-соединения оптически неактивны из-за «внутренней компенсации» знака вращения. Примером мезо-соединения является D-ксилит.

Оптические изомеры, относящиеся друг к другу как несим­метричный предмет к своему зеркальному отображению, называ­ют энантиомерами, или оптическими антиподами. Энантиомеры отличаются друг от друга конфигурацией всех центров хиральности и образуют правовращающую D-форму (лат. dexter— правый), или (+) - форму, и левовращающую L-форму (лат. laevus — левый), или (-) - форму, — стереохимические ряды моносахаридов. Изоме­ры, отличающиеся конфигурацией только части центров хиральности и не являющиеся оптическими антиподами, называют диастереомерами. Пару диастереомеров, отличающихся конфигурацией только одного асимметрического атома углерода, называют эпимерами.

Э.Фишер и русский химик М. Розанов приписывали условно конфигурации D и L - глицеральдегиду; как показали дальнейшие экспериментальные исследования, эти предположения совпали с истинными конфигурациями. Таким образом,в качестве стандарта для определения принадлежности соеди­нения стереохимическому D- или L-ряду была принята конфигурация асимметрического атома в простейшей триозе — D-глицериновом альдегиде (асимметрический атом углерода обозначен звез­дочкой):

Принадлежность соединения стереохимическому ряду опреде­ляет конфигурация асимметрического атома углерода с наиболь­шим номером (в случае глюкозы — атома С₅). Если она совпадает с конфигурацией асимметрического атома углерода D-глицеринового альдегида, то соединение относят к D-ряду, если не сов­падает — к L-ряду. В соответствии с R, S - номенклатурой D - конфигурация соответствует R - глицеральдегиду, a L - S- глицеральдегиду.

Установлено, что все природные монозы отно­сятся к D-ряду, однако среди них имеются как лево- (-), так правовращающие (+) соединения. Так D- глюкоза является правовращающим энантиомером, а D- фруктоза – левовращающим энантиомером.

Цикло-оксо-таутомерия моносахаридов. Моносахариды могут существовать в циклической форме. Впервые предположение о циклическом строении глюкозы было высказано нашим соотечественником А.А. Колли (1870), а затем развито и дополнено немецким ученым Б. Толленсом (1883).

За счет подвижности связей С-С пяти- и шестиуглеродные цепи углеводов могут иметь клешневидную конфигурацию и поэтому является возможным сближение двух функциональных групп - альдегидной (или кетонной) и гидроксильной групп у С₄ или С₅. За счет их внутримолекулярного взаимодействия друг с другом происходит замыкание цикла, и образуется циклическая структура углеводов ( циклический полуацеталь). Образование циклических форм на примере глюкозы показано на ниже приведенной схеме:

Таким образом, образование полуацеталей мож­но рассматривать как внутримолекулярную реакцию A_N, в резуль­тате которой образуются наиболее устойчивые шестичленные цик­лы (пиранозные) и пятичленные циклы (фуранозные).

В твердом состоянии и в водном растворе моносахариды преимущественно существуют в виде циклических полуацеталей.

Как показали исследования, в растворе устанавливается таутомерное рав­новесие между открытой (оксо-формой) и циклической формой моносахарида, причем циклическая форма значительно преобла­дает (более 99,9 % в равновесной смеси). Данный процесс схематически показан на примере фруктозы:

Для изображения на плоскости пространственной структуры соединений в открытой форме используют проекционные фор­мулы Фишера, а для изображения на плоскости пространствен­ной структуры циклических соединений применяют проекцион­ные формулы Хоуорса (Хеуорса):

При этом руководствуются следующими правилами: цикл изображают плоским; заместители, находящиеся в оксо-форме справа, изображают под плоскостью цикла, а находящиеся слева — над плоскостью цикла; атомы водорода связей С—Н могут быть не показаны.

В циклической форме появляется дополнительный по сравне­нию с открытой формой асимметрический атом углерода (центр хиральности): атом С₁, в альдозах или атом С₂ в кетозах, называ­емый аномерныматомом углерода, и дополнительная группа —ОН, называемая полуацеталънымгидроксилом (в формуле Хоуорса по­казана звездочкой *). Если конфигурация аномерного атома угле­рода совпадает с конфигурацией атома, определяющего принад­лежность соединения стереохимическому ряду, его называют α-аномером, если не совпадает — β-аномером.

Таким образом, α- и β-аномеры моноз можно рассматривать как изомеры положения полуацетального гидроксила. Переход аномерных форм α ↔ β осуществляется только через открытую оксо-форму: α-форма ↔ оксо-форма ↔ β-форма

Аналогично устанавливается равновесие в растворе между пиранозными и фуранозными формами. Преобладание α- или β-аномера зависит от природы монозы, растворителя, концентрации и других внешних условий. Равновесие между всеми формами явля­ется, таким образом, динамическим. Так, если какой-либо аномер глюкозы растворить в воде, он постепенно превращается в другой аномер, пока не образуется равновесная смесь двух аномеров, в которой также содержится очень небольшое количество открытой формы. Этот переход сопровождается изменением оп­тического вращения раствора. Такое явление называют мутаротацией(аномеризацией) моносахаридов. Равновесная смесь, обра­зующаяся в результате мутаротации как α-, так и β-D-глюкопираноз, содержит 36 % a-изомера и 64 % β-формы. Доля оксо-формы в равновесной смеси невелика (при рН 6,9 равновесная смесь D-глюкозы содержит лишь малую часть альдегидной формы). По­этому монозы не дают характерного для альдегидов окрашивания в реакции с фуксиносернистой кислотой и не реагируют с гидро­сульфитом натрия. Мутаротация катализируется кислотами и ос­нованиями. В твердом состоянии монозы находятся исключитель­но в циклической форме.

§9.1.3. Химические свойства моносахаридов.

В химическом отношении монозы сочетают в себе свойства многоатомных спиртов, карбо­нильных соединений и полуацеталей.

1.Образование гликозидов. Для циклических форм моноз наиболее характерны реакции с участием гидроксильной группы. Наиболее химически активна полуацетальная гидроксильная группа.

Моносахариды взаимодействуют со спиртами с образованием О-гликозидов. Так, при пропускании через раствор β-D-глюкозы в этаноле газообразного хлороводорода происходит образование смеси α- и β-аномеров — этил-α,β-D-глюкопиранозы:

Молекула этанола выступает в данной реакции в роли нуклеофила. Аналогично монозы взаимодействуют с аминами и их про­изводными с образованием N-гликозидов:

Гликозиды представляют собой продукты конденсации цикли­ческих форм моносахаридов со спиртами и аминами с образова­нием гликозидной связи. Гликозиды легко подвергаются гидроли­зу в кислой среде. По типу О-гликозидов образуются ди- и поли­сахариды, а по типу N-гликозидов— нуклеозиды — структурные компоненты нуклеиновых кислот. Гликозиды играют чрезвычай­но важную роль в биохимических процессах, в частности в про­цессах дыхания и фотосинтеза. Важнейший из гликозидов — аденозинтрифосфат (АТФ), являющийся сложным эфиром фосфор­ной кислоты и аденозина — нуклеозида, являющегося продуктом конденсации аденина с рибозой. Фосфатные группы АТФ выпол­няют роль своеобразного энергетического депо; при их гидролизе выделяется энергия, необходимая клеткам для мышечного сокра­щения.

Образование сложных эфиров. При взаимодействии с кислотами и их ангидридами монозы образуют сложные эфиры. Так, при взаимодействии глюкозы с уксусным ангидридом образуется пентаацетилглюкоза. Биологи­чески важный пример реакции данного типа — реакция фосфорилирования глюкозы — ферментативное взаимодействие глюко­зы с аденозинтрифосфорной кислотой с образованием глюкозо-6-фосфата:

Реакция происходит на первой стадии гликолиза (процесса окисления глюкозы в пируват). Необходимо заметить, что все про­межуточные продукты гликолиза представляют собой сложные эфиры моноз и фосфорной кислоты.

2. Окисление моноз в кислой и нейтральной среде приводит к образованию различных кислот. Окислению может подвергаться:

а) только карбонильная группа — «мягкое» окисление, напри­мер, бромной водой:

НО-СН₂-(СНОН)_n-СНО → НО-СН₂-(СНОН)_n— СООН

Гликоновые кислоты

б) карбонильная и первичная гидроксильная группы - «жесткое» окисление, например, раствором HNO₃:

НО-СН₂- (СНОН)_n- СНО → НООС-СН₂-(СНОН)_n-СООН

Гликаровые кислоты

в) только первичная гидроксильная группа в мягких условиях при защите альдегидной группы:

Гликурониды при нагревании легко декарбоксилируются, что приводит к образованию моноз с меньшим числом атомов углеро­да. Так можно получить из D-гликуронида пентозу — D-ксилозу.

Окисление моноз в щелочной среде сопровождается деструк­цией углеродного скелета. Реакции окисления характерны не только для альдоз, но и для кетоз (в отличие от кетонов), что объясняет­ся явлением эпимеризации моноз (см. далее). Окислению могут подвергаться и некоторые дисахариды, называемые восстанавли­вающими. Существуя преимущественно в форме полуацеталей, они обладают потенциально свободной альдегидной группой (в оксо-форме).

Восстанавливающие моно- и дисахариды восстанавливают ионы меди(II), входящие в состав комплекса с винной кислотой (С₄Н₆0₆; H₂tart) — реактив Фелинга [Cu(tart)₂]^2- или в состав комплекса с лимонной кислотой (C₆H₈0₇; H₃cit) — реактив Бенедикта [Cu(cit)]^-, до оксида меди(I) Cu₂O, а также ионы серебра в реактиве Толленса [Ag(NH₃)₂]OH до свободного серебра. Реакции используют как качественные на наличие восстанавливающих сахаридов.

3. Восстановление углеводов. Моносахариды подвергаются химическому либо билогическому восстановлению.

Восстановление моноз, как и всяких карбонильных соедине­ний, приводит к превращению карбонильных групп в спиртовые; при этом образуются многоатомные спирты, называемые сахар­ными спиртами, или альдитами:

Помимо амальгамы натрия в водной (или вводно - спиртовой, или спиртовой) среде для восстановления моноз используют во­дород в присутствии катализаторов (Pt, Pd, Ni) и гидриды метал­лов (особенно NaBH₄). Следует иметь в виду, что при восстанов­лении альдоз образуется один спирт, а при восстановлении кетоз получают два стеоизомерных полиола:

При восстановлении D-ксилозы образуется D-ксилит:

4. Реакция изомеризации (эпимеризации) всегда происходит по α-СН*-кислотному центру моносахаридов, которым является атом углерода, непосредственно связанный с карбонильной груп­пой. Реакция протекает под действием разбавленных растворов ще­лочей или ферментативно (в условиях организма) и сопровожда­ется внутримолекулярным окислением — восстановлением (диспропорционированием) атомов углерода С, и С₂. В ходе этой пе­регруппировки вследствие переноса протона, осуществляемого под влиянием гидроксильного иона, возникает промежуточное соеди­нение - ендиол. Превращения ендиола могут привести к образо­ванию как кетозы, так и двух альдоз.

Таким образом, в результате реакции постепенно образуется равновесная смесь изомеров. Например, в результате эпимериза­ции D-глюкозы образуется D-манноза — эпимер глюкозы по С₂ и D-фруктоза — структурный изомер глюкозы:

Пример реакции изомеризации в организме — ферментатив­ное превращение глюкозо-6-фосфата в фруктозо-6-фосфат в про­цессе гликолиза.