главная > справочник > химическая энциклопедия:

Моносахариды

Notice: Undefined variable: iko in /var/www/chemport.ru/data/www/chemport.ru/chemical_encyclopedia.php on line 95

Notice: Undefined variable: goo in /var/www/chemport.ru/data/www/chemport.ru/chemical_encyclopedia.php on line 109

Notice: Undefined variable: mn in /var/www/chemport.ru/data/www/chemport.ru/chemical_encyclopedia.php on line 109

Моносахариды, углеводы. представляющие собой полигидроксиальдегиды (альдозы) и полигидроксикетоны (кетозы) общей ф-лы С_nН_2nО_n (п = 3-9), в которых каждый атом С (кроме карбонильного) связан с группой ОН, и производные этих соединений, содержащие различные другие функциональные группы, а также атом Н вместо одного или нескольких гидроксилов.

По числу атомов С различают низшие моносахариды (триозы и тетрозы; содержат в цепи соответственно 3 и 4 атома С), обычные (пентозы и гексозы) и высшие (гептозы, октозы, нонозы). Углеродные атомы в молекулах моносахаридов нумеруют таким образом, чтобы атом С карбонильной группы имел наименьший номер (рис. 1 и 2).

Инголда - Прелога; ф-лы I и II). Другие моносахариды имеют несколько асимметричных атомов С; их рассматривают как производные D- или L-глицеринового альдегида и относят к D- или L-ряду (абс. конфигурация моносахариды) в соответствии с конфигурацией предпоследнего (п — 1) атома С.

Различия между изомерными моносахариды в каждом ряду обусловлены относительной конфигурацией остальных асимметричных центров; каждой относительной конфигурации в альдотетрозах, альдопентозах и альдогексозах соответствует тривиальное название моносахарида (рис. 1). Для обозначения конфигураций высших сахаров используют префиксы, образованные из таких названий (напр., L-глицеро-D-манно-гептоза; III). Стереохимические взаимоотношения между моносахариды хорошо иллюстрируются проекционными Фишера формулами. в которых группа ОН располагается справа от вертикальной черты, обозначающей углеродную цепь, если соответствующий асимметричных центр имеет D-конфигурацию, и слева, если он имеет L-конфигурацию. Каждому представителю D-ряда соответствует его оптический антипод, относящийся к L-ряду, в котором все асимметричных центры имеют противоположную конфигурацию. Общее число изомерных альдоз равно 2ⁿ, где п-число асимметричных атомов С в молекуле.

Кетозы по сравнению с альдозами с той же длиной углеродной цепи содержат на один асимметричных атом С меньше. Однако у них встречается еще один вид изомерии. обусловленный различным положением карбонильной группы. У большинства природных кетоз атом С карбонильной группы занимает положение 2; представители D-ряда таких кетоз показаны на рис. 2.

Карбонильные группы моносахаридов легко реагируют внутримолекулярно с группами ОН, образуя циклические полуацетали. Последние могут представлять собой пятичленный (фуранозная форма) или шестичленный (пиранозная форма) цикл и отличаться конфигурацией образующегося на месте карбонильной группы нового асимметричных центра (атом С этого асимметричных центра называется аномерным, или гликозидным). Эту конфигурацию обозначают буквой а, если она совпадает с конфигурацией центра, определяющего принадлежность моносахарида к D- или L-ряду, и буквой Р в противоположном случае. Изомеры, различающиеся лишь конфигурацией аномерного атома, называют а номерами, а изменение конфигурации при этом атоме - аномеризацией. Для изображения циклических форм моносахариды удобно пользоваться Хоуорса формулами (смотри, например, формулы IV и V-пиранозная и фуранозная формы кетозы, а также рис. 3-циклические формулы альдозы).

В растворе каждый моносахариды находится в виде смеси таутомеров (например, рисунок 3), соотношение между которыми в состоянии равновесия определяется их термодинамической устойчивостью; в большинстве случаев преобладают пиранозные формы, а ациклические присутствуют в следовых количествах. Напротив, моносахариды в кристаллическом состоянии представлены одной из таутомерных форм. Растворение кристаллов сопровождается таутомерными превращениями, за протеканием которых можно следить по изменению во времени величины оптического вращения (это явление называется мутаротацией).

Рис. 3. Таутомерное равновесие D-глюкозы.

Фуранозные формы моносахариды термодинамически менее выгодны, чем пиранозные, поскольку в практически плоском пятичленном цикле заместители вынуждены находиться в нестабильной заслоненной конформации. Напротив, шестичленные циклы имеют кресловидную форму, в которой заместители при соседних атомах С занимают более выгодные положения, соответствующие скошенной конформации. Существуют два типа кресловидной конформации пираноз-¹С₄ и ⁴C₁ (цифры в верхних и нижних индексах показывают номера атомов С, находящихся соотв. в верхних и нижних положениях кресла). Более устойчивым является кресло с наимоносахариды числом объемистых аксиальных группировок. Поэтому для большинства альдогексоз D-ряда предпочтительным является кресло ⁴C₁ с экваториальной группой СН₂ОН и только для D-идозы в равновесии преобладает конформация ¹С₄ (влияние накопления аксильных групп ОН):

На относительную устойчивость α- и β-форм кроме пространственных факторов влияют диполь-дипольные взаимодействия - аномерный эффект, в результате которого заместитель при аномерном атоме стремится занять аксиальное положение (особенно в малополярных растворителях), и D²-эффект, заключающийся в повышенной нестабильности конформера с экваториальным заместителем у аномерного атома при наличии аксиального гидроксила в положении 2 (вследствие взаимного отталкивания атомов О; смотри формулы Ньюмена):

Кроме того, на относительную устойчивость α- и β-форм влияют водородные связи, которые могут играть стабилизирующую роль в относительно малополярных растворителях, и некоторые др. факторы.

Кроме обычных известно несколько групп моносахаридов, отличающихся своеобразным набором функциональных групп или структурой углеродной цепи. К ним относятся дезоксисахара (одна или неск. групп ОН замещены на атомы Н), аминосахара (одна или неск. групп ОН замещены на аминогруппы), урановые кислоты (группа СН₂ОН окислена в карбоксильную), разветвленные сахара (имеют разветвленную углеродную цепь с метильной, гидроксиметильной или альдегидной группой в качестве ответвлений), высшие 2-кето-З-дезоксиальдоновые кислоты, в том числе сиаловые кислоты - производные 2-кето-3,5-дидез-окси-5-амино-D-глицеро-D-галактонононовой (нейраминовой) кислоты (формула VI).

Физические и химические свойства. Моносахариды - бесцветные кристаллические вещества, легко растворимые в воде, ДМСО, трудно - в этаноле, не растворимы в неполярных органических растворителях. Важнейшие физико-химические характеристики моносахаридов - удельное вращение, используемое наряду с хроматографическими методами для идентификации природных моносахаридов, и спектры ПМР, с помощью которых можно определить относительную конфигурацию моносахарида. Для выяснения абсолютной конфигурации используют рентгеноструктурный анализ кристаллов или химическую трансформацию моносахаридов в более простые соединения с известной конфигурацией.

Химические свойства моносахариды обусловлены наличием в их молекулах групп С=О (у ациклического таутомера) и ОН. При действии NaBH₄ в водном растворе карбонильная группа моносахаридов количественно восстанавливается до спиртовой; образующиеся полиолы в виде летучих ацетатов или триметилсилиловых эфиров можно использовать для количественного анализа смесей моносахаридов с помощью ГЖХ. Группы С=О альдоз в мягких условиях окисляются бромной водой с образованием лактонов альдоновых кислот. Кетозы в эту реакцию не вступают и моносахариды были таким образом выделены из сложных смесей с альдозами. Определение "восстанавливающей способности" (т.е. окисление группы С=О) используют в многочисленных методиках анализа моносахаридов

При действии оснований возможна енолизация группы С=О, сопровождающаяся изменением конфигурации соседнего асимметричного центра или миграцией карбонила (смотри Лобри де Брюйна - ван Экенстейна реакция). В более жестких условиях происходит β-элиминирование заместителей и скелетные перегруппировки. При обработке кислотами в жестких условиях из пентоз образуется фурфурол. из гексоз - 5-гид-роксиметилфурфурол; конденсация последних с фенолами или ароматич. аминами с образованием окрашенных соединений лежит в основе разнообразных методик спектрофотометрического определения моносахаридов

Из реакций группы С=О с азотистыми соединениями большое историческое значение имела конденсация моносахаридов с фенилгидразином, приводящая к фенилозазонамоносахаридам. Широко используется реакция альдоз с NH₂OH с последующим ацетилированием:

Образующиеся ацетилированные альдононитрилы удобны для анализа с использованием ГЖХ. Распад таких нитрилов под действием оснований служит для укорочения углеродной цепи моносахариды на один атом, а присоединение HCN к карбонильной группе с последующим восстановлением нитрила в альдегид (Килиани - Фишера реакция) - для удлинения.

Из реакций групп ОН широко используются образование простых и сложных эфиров. ацеталей, замещение на другие функциональные группировки, окисление и т. д. Метиловые эфиры (весьма прочные соединения) служат для постоянной защиты групп ОН в структурном анализе олиго- и полисахаридов. Бензиловые эфиры применяют для временной защиты групп ОН, поскольку эти группы легко удаляются гидрогенолизом. Трифенилметиловые (тритиловые) эфиры удобны для избирательного замещения первичных групп ОН в присутствии вторичных. Ацетилирование широко применяют для временной неизбирательной защиты всех групп ОН в молекуле моносахаридов, тогда как бензоилирование чаще используют для избирательного замещения (первичные группы ОН реагируют легче вторичных, экваториальные легче аксиальных). Омыление эфиров, образованных орг. кислотами, легко осуществляется обработкой метилатом Na в метаноле и приводит к исходным моносахаридам. Напротив, эфиры сульфокислот (тозилаты, мезилаты и трифлаты) применяют для активации соответствующей группы ОН при нуклеофильном замещении, в том числе с обращением конфигурации. Это позволяет осуществлять эпимеризацию (напр., при действии бензоата Na) у какого-либо атома С (то есть переход от одного моносахарида к другому), замещение группы ОН на атом галогена, на другие функциональные группы (синтез амино- и тиосахаров), получать внутримолекулярные простые эфиры (ангидросахара), ненасыщенные производные моносахариды и т.д.

С альдегидами и кетонами моносахариды образуют циклические ацетали, строение которых определяется природой исходного моносахариды и реагента (с альдегидами предпочтительно образуются шестичленные циклы, с кетонами -пятичленные); реакция может сопровождаться таутомерными превращ. (знак ~ показывает, что моносахариды может иметь α- или β-конфигурацию), например:

Ацетали устойчивы в щелочных и нейтральных средах; в присутствии кислот гидролизуются, причем в ряде случаев возможно избирательное удаление одной из двух присутствующих группировок, например:

Комбинации перечисленных реакций групп ОН (образование и гидролиз простых и сложных эфиров. получение ацеталей) позволяют синтезировать частично защищенные моносахариды с определенным расположением заместителей, что имеет важное значение в синтетической химии моносахаридов

Окисление защищенных моносахаридов, содержащих свободную первичную группу ОН, применяют для получения уроновых кислот, а содержащих свободную вторичную группу ОН - для получения карбонильных производных, широко используемых как промежуточных соединений в синтезе моносахаридов с новыми функциональными группами, для разветвления углеродной цепи и для обращения конфигурации асимметричных центра при последующем восстановлении. Для анализа моносахариды применяют специфическое окисление их йодной кислотой и ее солями - так называемое периодатное окисление (смотри Малапрада реакция).

Гидроксил у аномерного атома С (его называют аномерным, гликозидным, или полуацетальным) значительно отличается от прочих групп ОН повыш. склонностью к реакциям нуклеоф. замещения. Его обмен на остатки спиртов приводит к образованию гликозидов. Если спиртовой компонентой гликозида (агликоном) служит др. молекула моносахариды, образуются олигосахариды и полисахариды. При кипячении моносахариды с большим избытком низшего спирта в присутствии кислот (метод Фишера) образуется смесь изомерных гликозидов, соответствующих разным таутомерным формам моносахаридов:

При разделении этой смеси получают индивидуальные гликозиды, устойчивые в щелочных и нейтральных средах, а при нагревании с водными кислотами дающие исходный моносахариды Получение таких гликозидов служит наиболее удобным и распространенным способом временной защиты карбонильной группы моносахариды

Для синтеза гликозидов со сложными агликонами применяют защищенные производные моносахариды с фиксированным размером цикла, в которых гликозидный центр активирован введением подходящего заместителя (смотри, например, Кёнигса-Кноppa реакция).

Распространение в природе. В природе широко распространены гексозы (D-глюкоза, D-галактоза, D-манноза, D-фруктоза) и пентозы (D-ксилоза, D-арабиноза, D-рибоза). Моносахариды редко в природе встречаются в свободном состоянии. Они входят в виде остатков в состав многочисленных гликозидов: олиго- и полисахаридов, более сложных биополимеров-гликопротеинов, гликолипидов, нуклеиновых кислот и других. Исключение - D-глюкоза, содержащаяся в плазме крови и соках растений, и D-фруктоза, большие кол-ва которой имеются в меде и плодах некоторых растений.

Образование моносахаридов в растениях связано с ассимиляцией ими СО₂ и происходит в результате фотосинтеза. Молекула СО₂ присоединяется к 1,5-дифосфату D-рибулозы в хлоропластах с участием фермента рибулозодифосфаткарбоксилазы, а образующаяся в результате 3-фосфо-D-глицериновая кислота (формула VII) путем дальнейшего восстановления и конденсаций дает D-глюкозу (смотри Глюконеогенeз)или D-фруктозу; при этом регенерируется молекула рибулозодифосфата (цикл Кальвина):

Распад гексоз, окислительный или анаэробный (гликолиз”), служит источником энергии для большинства растительных и животных клеток; ферментативные трансформации гексоз приводят к получению других природных моносахаридов, а при более глубоких превращениях в обмене веществ из них образуются аминокислоты, липиды и другие органические соединения. В многочисленные реакции окисления, гликозилирования, восстановления и эпимеризации под действием соответствующих ферментов моносахариды вступают в виде нуклеозиддифосфатсахаров (НДФС). Так, например, из уридиндифосфат-D-глюкозы (VIII) могут образовываться уридиндифосфат-D-галактоза (IX) и уридиндифосфат-D-глюкуроновая кислота (X):