Моносахариды: классификация; стереоизомерия, D– и L–ряды; открытая и циклические формы на примере D–глюкозы и 2–дезокси–D–рибозы, цикло–оксотаутомерия; мутаротация. Представители: D–ксилоза, D–рибоза, D–глю­коза, 2–дезокси–D–рибоза, D–глюкозамин.

Углеводы - гетерофункциональные соединения, являющиеся альдегидо- или кетономногоатомными спиртами или их производными. Класс углеводов включает разнообразные соединения - от низкомолекулярных, содержащих от 3 до 10 атомов углерода до полимеров с молекулярной массой в несколько миллионов. По отношению к кислотному гидролизу и по физико-химическим свойствам они подразделяются на три большие группы: моносахариды, олигосахариды и полисахариды .

Моносахариды (монозы) - углеводы, неспособные подвергаться кислотному гидролизу с образованием более простых сахаров. Монозы классифицируют по числу углеродных атомов, характеру функциональных групп, стереоизомерным рядам и аномерным формам. По функциональным группам моносахариды подразделяются на альдозы (содержат альдегидную группу) и кетозы (содержат карбонильную группу).

По числу углеродных атомов в цепи: триозы (3), тетрозы (4), пентозы (5), гексозы (6), гептозы (7) и т. д. до 10. Наиболее важное значение имеют пентозы и гексозы. По конфигурации последнего хирального атома углерода моносахариды делятся на стереоизомеры D- и L-ряда. В обменных реакциях в организме принимают участие, как правило, стереоизомеры D-ряда (D-глюкоза, D-фруктоза, D-рибоза, D-дезоксирибоза и др.)

В целом название индивидуального моносахарида включает:

Префикс, описывающий конфигурацию всех асимметрических атомов углерода;

Цифровой слог, определяющий число атомов углерода в цепи;

Суффикс -оза - для альдоз и -улоза - для кетоз, причем локант оксо- группы указывают только в том случае, если она находится не при атоме С-2.

Строение и стереоизомерия моносахаридов.

Молекулы моносахаридов содержат несколько центров хиральности, поэтому существует большое число стереоизомеров, соответствующих одной и той же структурной формуле. Так, число стереоизомеров альдопентоз равно восьми (2 n , где n = 3 ), среди которых 4 пары энантиомеров. У альдогексоз будет уже 16 стереоизомеров, т. е. 8 пар энантиомеров, так как в их углеродной цепи содержится 4 асимметрических атома углерода. Это аллоза, альтроза, галактоза, глюкоза, гулоза, идоза, манноза, талоза. Кетогексозы содержат по сравнению с соответствующими альдозами на один хиральный атом углерода меньше, поэтому число стереоизомеров (2 3) уменьшается до 8 (4 пары энантиомеров).

Относительная конфигурация моносахаридов определяется по конфигурации наиболее удаленного от карбонильной группы хирального атома углерода путем сравнения с конфигурационным стандартом - глицериновым альдегидом. При совпадении конфигурации этого атома углерода с конфигурацией D-глицеринового альдегида моносахарид в целом относят к D-ряду. И, наоборот, при совпадении с конфигурацией L-глицеринового альдегида, считают, что моносахарид принадлежит к L-ряду. Каждой альдозе D-ряда соответствует энантиомер L-ряда с противоположной конфигурацией всех центров хиральности.

(! ) Положение гидроксильной группы у последнего центра хиральности спра­ва свидетельствует о принадлежности моносахарида к D-ряду, слева - к L-ряду, т. е. так же, как и в стереохимическом стандарте - глицерино­вом альдегиде.

Природная глюкоза является стереоизомером D -ряда . В равновесном состоянии растворы глюкозы обладают правым вращением (+52,5º), поэтому глюкозу иногда называют декстрозой. Название виноградный сахар глюкоза получила в связи с тем, что ее больше всего содержится в соке винограда.

Эпимерами называются диастереомеры моносахаридов, различающиеся конфигурацией только одного асимметрического атома углерода. Эпимером D-глюкозы по С 4 является D-галактоза, а по С 2 - манноза. Эпимеры в щелочной среде могут переходить друг в друга через ендиольную форму, и этот процесс называется эпимеризацией .

Таутомерия моносахаридов. Изучение свойств глюкозы показало:

1) спектрах поглощения растворов глюкозы отсутствует полоса, соответствующая альдегидной группе;

2) растворы глюкозы дают не все реакции на альдегидную группу (не взаимодействуют с NaHSО 3 и фуксинсернистой кислотой);

3) при взаимодействии со спиртами в присутствии «сухого» НСl глюкоза присоединяет, в отличие от альдегидов, только один эквивалент спирта;

4) свежеприготовленные растворы глюкозы мутаротируют в течение 1,5–2 часов меняют угол вращения плоскости поляризованного света.

Циклические формы моносахаридов по химической природе являются циклическими полуацеталями , которые образуются при взаимодействии альдегидной (или кетонной) группы со спиртовой группой моносахарида. В результате внутримолекулярного взаимодействия (А N механизм ) электрофильный атом углерода карбонильной группы атакуется нуклеофильным атомом кислорода гидроксильной группы. Образуются термодинамически более устойчивые пятичленные (фуранозные ) и шестичленные (пиранозные ) циклы. Образование этих циклов связано со способностью углеродных цепей моносахаридов принимать клешневидную конформацию.

Представленные ниже графические изображе­ния циклических форм называются формулами Фишера (можно встретить и название «формулы Колли-Толленса»).

В этих реакциях С 1 атом из прохирального, в результате циклизации, становится хиральным (аномерный центр ).

Стереоизомеры, отличающиеся конфигурацией атома С-1 альдоз или С-2 кетоз в их циклической форме, называются аномерами , а сами атомы уг­лерода называются аномерным центром .

Группа ОН, появившаяся в результате циклизации, является полуацетальной. Она называется еще гликозидной гидроксильной группой. По свойствам она значительно отличается от остальных спиртовых групп моносахарида.

Образование дополнительного хирального центра приводит к возникновению новых стереоизомерных (аномерных) α- и β-форм. α-Аномерной формой называется такая, у которой полуацетальный гидроксил находится с той же стороны, что и гидроксил у последнего хирального центра, а β-формой - когда полуацетальный гидроксил находится по другую сторону, чем гидроксил у последнего хирального центра. Образуется 5 взаимно друг в друга переходящих таутомерных форм глюкозы. Такой вид таутомерии называется цикло-оксо-таутомерией . Таутомерные формы глюкозы находятся в растворе в состоянии равновесия.

В растворах моносахаридов преобладает циклическая полуацетальная форма (99,99 %) как более термодинамически выгодная. На долю ациклической формы, содержащей альдегидную группу, приходится менее 0,01 %, в связи с этим не идет реакция с NaHSO 3 , реакция с фуксинсернистой кислотой, а спектры поглощения растворов глюкозы не показывают наличия полосы, характерной для альдегидной группы.

Таким образом, моносахариды - циклические полуацетали альдегидо- или кетоно- многоатомных спиртов, существующие в растворе в равновесии со своими таутомерными ациклическими формами.

У свежеприготовленных растворов моносахаридов наблюдается явление мутаротации - изменения во времени угла вращения плоскости поляризации света. Аномерные α- и β-формы имеют различный угол вращения плоскости поляризованного света. Так, кристаллическая α,D-глюкопираноза при растворении ее в воде имеет начальный угол вращения +112,5º, а затем он постепенно уменьшается до +52,5º. Если растворить β,D-глюкопиранозу, ее начальный угол вращения + 19,3º, а затем он увеличивается до +52,5º. Это объясняется тем, что в течение некоторого времени устанавливается равновесие между α- и β-формами: 2/3 β-формы → 1/3 α-формы.

Предпочтительность образования того или другого аномера во многом определяется их конформационным строением. Наиболее выгодной для пиранозного цикла является конформация кресла , а для фуранозного цикла - конверта или твист -конформация. Наиболее важные гексозы - D-глюкоза, D-галактоза и D-манноза - существуют исключительно в конформации 4 С 1 . Более того, D-глюкоза из всех гексоз содержит максимальное число экваториальных заместителей в пиранозном цикле (а ее β-аномер - все).

У β-конформера все заместители находятся в наиболее выгодном экваториальном положении, поэтому этой формы в растворе 64 %, а α-конформер имеет аксиальное расположение полуацетального гидроксила. Именно α-конформер глюкозы содержится в организме человека и участвует в процессах метаболизма. Из β-конформера глюкозы построен полисахарид - клетчатка.

Формулы Хеуорса . Циклические формулы Фишера удачно описывают конфигурацию моносахаридов, однако они далеки от реальной геометрии мо­лекул. В перспективных формулах Хеуорса пиранозный и фуранозный циклы изображают в виде плоских правильных многоугольников (соответственно шести- или пятиугольника), лежащих горизонтально. Атом кислорода в цикле располагается в удалении от наблюдателя, причем для пираноз - в правом углу.

Атомы водорода и заместители (главным образом, группы СH 2 OH, если таковая имеется, и он) располагают над и под плоскостью цикла. Символы атомов углерода, как это принято при написании формул циклических соеди­нений, не показывают. Как правило, опускают и атомы водорода со связями к ним. Связи С-С, находящиеся ближе к наблюдателю, для наглядности иног­да показывают жирной линий, хотя это не обязательно.

Для перехода к формулам Хеуорса от циклических формул Фишера по­следнюю необходимо преобразовать так, чтобы атом кислорода цикла распо­лагался на одной прямой с атомами углерода, входящими в цикл. Если преобразованную формулу Фишера расположить гори­зонтально, как требует написание формул Хеуорса, то заместители, находив­шиеся справа от вертикальной линии углеродной цепи, окажутся под плоско­стью цикла, а те, что были слева, - над этой плоскостью.

Описанные выше преобразования показывают также, что полуацеталь­ный гидроксил у α-аномеров D-ряда находится под плоскостью цикла, у β-аномеров - над плоскостью. Кроме того, боковая цепь (при С-5 в пиранозах и при С-4 в фуранозах) располагается над плоскостью цикла, если она свя­зана с атомом углерода D-конфигурации, и снизу, если этот атом имеет L-кон­фигурацию.

Представители .

D -Ксилоза - «древесный сахар», моносахарид из группы пентоз с эмпирической формулой C 5 H 10 O 5 , принадлежит к альдозам. Содержится в эмбрионах растений в качестве эргастического вещества, а также является одним из мономеров полисахарида клеточных стенок гемицелюллозы.

D–Рибоза представляет собой вид простых сахаров, образующих углеводный остов РНК, управляя, таким образом, всеми жизненными процессами. Рибоза также участвует в производстве аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) и является одним из ее структурных компонентов.

2–Дезокси–D–рибоза - компо­нент дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК). Это исторически сложившееся название не является строго номенклатурным, так как в молекуле содержатся только два центра хиральности (без учета атома С-1 в циклической форме), поэтому это соединение с равным правом может быть названо 2-дезокси-D-арабинозой. Более правильное название для открытой формы: 2-дезокси-D-эритро-пентоза (D-эритро-конфигурация выделена цветом).

D–глюкозамин – вещество, вырабатываемое хрящевой тканью суставов, является компонентом хондроитина и входит в состав синовиальной жидкости.

Моносахариды: открытая и циклические формы на примере D–галактозы и D–фруктозы, фуранозы и пиранозы;  – и β–аномеры; наиболее устойчивые конформации важнейших D–гексопираноз. Представители: D–галактоза, D–манноза, D–фруктоза, D–галактозамин (вопр. 1).

Таутомерные формы фруктозы образуются так же, как и таутомерные формы глюкозы, по реакции внутримолекулярного взаимодействия (А N). Электрофильным центром является атом углерода карбонильной группы у С 2, а нуклеофилом - кислород ОН-группы у 5 или 6 атома углерода.

Представители.

D–галактоза – в животных и растительных организмах, в том числе в некоторыхмикроорганизмах. Входит в состав дисахаридов - лактозы и лактулозы. При окислении образует галактоновую, галактуроновуюи слизевую кислоты.

D–манноза – компонент многих полисахаридов и смешанных биополимеров растительного, животного и бактериального происхождения.

D–фруктоза - моносахарид, кетогексоза, в живых организмах присутствует исключительно D-изомер, в свободном виде - почти во всех сладких ягодах и плодах - в качестве моносахаридного звена входит в состав сахарозы и лактулозы.

В водном растворе моносахариды образуют равновесные системы, со­стоящие из молекул с развернутой цепью и молекул с циклической струк­турой. Циклические структуры отсутствуют у триоз, тетроз. Начиная с пентоз, происходит самопроизвольная реакция внутримолекулярной кон­денсации одной из гидроксильных групп и карбонильной группы моно­сахарида с образованием цикла.

Образование циклических форм обусловлено взаимодейст­вием альдегидной группы с гидроксилом пятого (С 5) или, ре­же, четвертого (С 4) углеродного атома. Эти атомы из-за конфи­гурации углеродной цепи могут сближаться друг с другом в пространстве без возникновения углового напряжения.

Циклизация моносахаридов происходит так, что атом во­дорода гидроксильной группы (С 5) присоединяется к кислоро­ду альдегидной группы за счет разрыва π-связи, образуя так называемый полуацеталъный, или гликозидный, гидроксил (в формулах заключен в рамку):

Атом кислорода гидроксильной группы у атома С 5 после отщепления от него водорода соединяется с атомом углерода альдегидной группы С 1 . Таким образом, возникает кислород­ный мостик, связывающий углеродные атомы С 1 и С 5 и замы­кающий шестичленный цикл.

Образовавшиеся соединения относятся по своей структуре к внутренним циклическим полуацеталям. Поэтому формы моноз, имеющих такое строение, называются циклическими или полуацетильными.

В полуацетальной форме нет свободной альдегидной группы. Первый атом углерода (группы -СОН) превратился в асимметрический.

В молекуле появился новый (пятый) асимметрический центр. В результате при замыкании цикла из одной открытой альдегидной формы (оксоформы) получаются две циклические полуацетальные формы, отличающиеся одна от другой про­странственным расположением полуацетального гидроксила.

Та циклическая форма, у которой полуацетальный гидроксил расположен по одну сторону с гидроксилом, определяю­щим конфигурацию монозы (принадлежность к D - или L-ряду), называется α- формой. Иными словами, у α -формы полу­ацетальный гидроксил находится условно в цис-положении с гидроксилом последнего (от группы -СОН) асимметрического атома углерода независимо от того, свободен он или вхо­дит в цикл.

Циклическая форма, у которой полуацетальный гидро­ксил находится условно в транс-положении с гидроксилом, определяющим конфигурацию, называется β- формой.

α - и β - формы имеют различные физико-химические свойства и называются аномерами. Например, α -D-глюкоза труднее, чем β -D-глюкоза, растворима в во­де и имеет более низкую температуру плавления.

Альдегидная группа монозы может реагировать также с гидроксилом атома С 4 . И в этом случае получаются две аномерные полуацетальные формы. Однако они будут иметь не шести-, а пятичленные циклы, так как кислород­ный мостик соединяет углеродные атомы С 4 и С х:

Для более удобного написания и наименования полуацетальных форм моноз Хеуорс предложил рассматривать их как производные гидрированных гетероциклов пирана и фурана:

Моносахариды, имеющие пятичленное кольцо, как у фурана, называют фуранозами. Имеющие шестичленное кольцо относят к производным пирана и называют пиранозами. Перед названием типа цикла пишут начальный слог наименования сахара, например α-D(+)-глюкопираноза, β-L(-)-рибофураноза и т. д.

Кетозы, как и альдозы, существуют в двух формах: открытой кетонной (оксо-форма) и циклической полуацетальной. Замыкание цикла происходит в результате внутримолекулярного присоединения гидроксильной группы к карбонильной группе за счет разрыва π-связи. Но так как у кетоз карбонильная группа находится у второго атома углерода, она реагирует с гидроксилом или пятого углеродного атома (С 5), образуя фуранозное кольцо, или шестого (С 6), давая пиранозное кольцо. Причем полуацетальный (гликозидный) гидроксил образуется при втором углеродном атоме. Циклические α- и β-формы могут переходить в открытую форму и через нее друг в друга.

На примере наиболее важного представителя - D(-)-фруктозы - таутомерию кетоз можно выразить следующей схемой:

§ 2. МОНОСАХАРИДЫ

Пространственная изомерия

По своей химической природе моносахариды являются альдегидо- или кетоспиртами. Простейший представитель моносахаридов, альдотриоза, – глицериновый альдегид (2,3-дигидроксипропаналь).

Рассматривая строение глицеринового альдегида, можно заметить, что приведенной формуле отвечают два изомера, отличающихся пространственной структурой и представляющих собой зеркальное отражение друг друга:

Изомеры, имеющие одинаковые молекулярные формулы, но отличающиеся расположением атомов в пространстве, называются пространственными, или стереоизомерами . Два стереоизомера, относящихся друг к другу как предмет и несовпадающее с ним зеркальное отражение, называются энантиомерами . Такой вид пространственной изомерии еще называют оптической изомерией.

Существование энантиомеров у глицеринового альдегида обязано наличию в его молекуле хирального атома углерода, т.е. атома, связанного с четырьмя различными заместителями. Если в молекуле присутствует более чем один хиральный центр, то количество оптических изомеров будет определяться по формуле 2 n , где n – число хиральных центров. При этом стереоизомеры, не являющиеся энантиомерами, называются диастереомерами .

Для изображения оптических изомеров на плоскости используют проекции Фишера . При построении проекций Фишера следует учитывать, что атомы или группы атомов, лежащие на горизонтальной линии, должны быть направлены к наблюдателю, т.е. выходить из плоскости бумаги. Атомы или группы атомов, лежащие на вертикальной линии и составляющие, как правило, главную цепь, направлены от наблюдателя, т.е. уходят за плоскость бумаги. Для рассматриваемых нами изомеров глицеринового альдегида построение проекций Фишера будет происходить следующим образом:

Глицериновый альдегид принят в качестве стандарта для обозначения оптических изомеров. Для этого один из его изомеров обозначили буквой D, а второй – буквой L.

Пентозы и гексозы

Как уже упоминалось выше, наиболее часто в природе встречаются альдопентозы и альдогексозы. Рассматривая их строение, можно прийти к выводу, что альдопентозы имеют 3 хиральных центра (обозначены звездочками) и, следовательно, состоят их 8 (2 3) оптических изомеров. Альдогексозы насчитывают 4 хиральных центра и 16 изомеров:

Сравнивая структуру последнего от карбонильной группы хирального центра углевода со структурой D- и L-глицеринового альдегидов, все моносахариды делят на две группы: D- и L-ряды. Важнейшими представителями альдопентоз являются D-рибоза, D-дезоксирибоза, D-ксилоза, L-арабиноза, альдогексоз – D-глюкоза и D-галактоза, а кетогексоз – D-фруктоза. Проекции Фишера названных моносахаридов и их природные источники приведены ниже.

Моносахариды существуют не только в виде открытых (линейных) форм, которые приведены выше, но и в виде циклов. Эти две формы (линейная и циклическая) способны самопроизвольно переходить одна в другую в водных растворах. Динамическое равновесие между структурными изомерами называется таутомерией . Образование циклических форм моносахаридов происходит в результате реакции внутримолекулярного присоединения одной из гидроксильных групп по карбонильной группе. Наиболее устойчивыми являются пяти- и шестичленные циклы. Поэтому при образовании циклических форм углеводов образуются фуранозные (пятичленный) и пиранозные (шестичленный) циклы. Рассмотрим образование циклических форм на примерах глюкозы и рибозы.

Глюкоза при циклизации образует преимущественно пиранозный цикл. Пиранозный цикл состоит из 5 атомов углерода и 1 атома кислорода. При его образовании в присоединении участвует гидроксильная группа пятого (С 5) атома углерода.

На месте карбонильной группы возникает гидроксильная группа, которая называется гликозидной , а производные по гликозидной группе углевода – гликозидами . Еще одной пространственной особенностью циклических форм является образование нового хирального центра (атом С 1). Возникают два оптических изомера, которые называются аномерами . Аномер, у которого гликозидная группа расположена так же, как и гидроксильная группа, определяющая отношение моносахарида к D- или L-ряду, обозначается буквой , другой аномер – буквой . Строение моносахаридов в циклической форме часто изображают в виде формул Хеуорса. Такое изображение позволяет видеть взаимное расположение атомов водорода и гидроксильных групп относительно плоскости кольца.

Таким образом, в растворе глюкоза существует в виде трех форм, находящихся в подвижном равновесии, соотношение между которыми примерно составляет: 0,025 % – линейная форма, 36 % – - и 64 % – -форма.

Рибоза образует в основном пятичленные фуранозные циклы.

Химические свойства

Химические свойства моносахаридов определяются присутствием в их молекулах карбонильной группы и спиртовых гидроксилов. Рассмотрим на примере глюкозы некоторые реакции моносахаридов.

Как многоатомный спирт, гликоль, раствор глюкозы растворяет осадок гидроксида меди (II) с образованием комплексного соединения.

Альдегидная группа при восстановлении образует спирты. При восстановлении глюкозы образуется шестиатомный спирт сорбит :

Сорбит имеет сладкий вкус и используется в качестве заменителя сахара. Для этой же цели используется и ксилит – продукт восстановления ксилозы.

В реакциях окисления в зависимости от характера окислителя могут образовываться одноосновные (альдоновые) или двухосновные (глюкаровые) кислоты.

Большинство моносахаридов – восстанавливающие сахара. Для них характерны: реакция «серебряного зеркала»

и взаимодействие с Фелинговой жидкостью (восстановление синего Cu(OH) 2 до желтого CuOH и далее оранжевого Cu 2 O).

Повышенной реакционной способностью обладает гликозидная группа циклических форм моносахаридов. Так, при взаимодействии со спиртами образуются простые эфиры – гликозиды. Поскольку в гликозидах отсутствует гликозидный гидроксил, они не способны к таутомерии, т.е. образованию линейной формы, содержащей альдегидную группу. Гликозиды не реагируют с аммиачным раствором оксида серебра и Фелинговой жидкостью. Однако в кислой среде гликозиды легко гидролизуются с образованием исходных соединений:

Под действием ферментных систем микроорганизмов моносахариды могут трансформироваться в различные другие органические соединения. Такие реакции называются брожением. Широко известно спиртовое брожение глюкозы, в результате которого образуется этиловый спирт. Известны и другие виды брожения, например, молочнокислое, маслянокислое, лимоннокислое, глицериновое.

Важнейшие моносахариды

Наиболее распространенным моносахаридом является D-глюкоза. Ее формулу запомнить очень легко: это альдогексоза, в формуле Фишера которой все гидроксильные группы, за исключением одной - второй сверху (у C-3) располагаются справа.

D-манноза D-глюкоза D-галактоза

Альдогексозу, отличающуюся от D-глюкозы расположением первой гидроксильной группы (у C-2), называют D-маннозой, а третьей (у C-4) - D-галактозой. D-Фруктоза отличается от D-глюкозы тем, что она кетоза, а не альдоза.

D-фруктоза D-арабиноза L-арабиноза

Кроме гексоз большое значение имеют и пентозы. D-Арабиноза отличается от D-глюкозы как бы отсутствием С-1. В природе распространена L-арабиноза, являющаяся зеркальным изображением D-арабинозы. Она содержится в вишневом клее. Формулу ксилозы можно вывести из формулы глюкозы удалением последнего атома углерода. В формуле D-рибозы, входящей в состав нуклеиновых кислот, все гидроксильные группы располагаются справа. В состав нуклеиновых кислот входит также 2-дезокси-D-рибоза, отличающаяся от D-рибозы отсутствием гидроксильной группы у второго атома углерода.

Упр. 2. Изобразите проекционные формулы Фишера следующих гексоз D-ряда: глюкоза, манноза, галактоза и фруктоза.

D-ксилоза D-рибоза 2-дезокси-D-рибоза

Эпимеризация

При действии оснований, например на глюкозу, водород -углеродного атома по отношению к карбонильной группе переходит к кислороду этой группы, в результате чего образуется енольная форма. При этом исчезает хиральность второго углеродного атома. При обратном превращении возвращающийся протон может подходить с любой из сторон плоскости, что будет приводить как к образованию исходной D-глюкозы, так и нового углевода D-маннозы, т.е. возникает изомер с новым положением гидроксильной группы. Кроме того, возникает еще один углевод с новым расположением карбонильной группы. Такое превращение называется эпимеризацией .

D-глюкоза енольная форма(ендиол) D-манноза

D-фруктоза

Два стереоизомера, содержащие несколько хиральных центров, но различающиеся конфигурацией только одного из центров, называют эпимерами. Два углевода, отличающиеся различным положением гидроксильной группы называются эпимерами. Образование равновесной смеси трех углеводов может проходить при обработке основаниями любого из этих трех углеводов.

Упр. 3. Какие моносахариды называют эпимерными? Напишите проекционные формулы моноз эпимерных D-маннозе.

Циклические формы моноз, мутаротация

Характерной особенностью гидроксиальдегидов и гидроксикетонов, к которым относятся монозы, является их склонность к образованию циклических полуацеталей и полукеталей; особенно легко это происходит, если образующиеся циклы состоят из 5 и 6 атомов, включая кислород.

5-гидроксипентаналь (открытая форма) (циклическая форма)

Открытые и циклические формы углеводов находятся между собой в равновесии, достигающемся в результате таутомерного превращения. Такой вид таутомерии называют кольчато-цепной таутомерией.

Размер цикла указывается путем замены родового суффикса моноз -оза на -пираноза - для шестичленных циклов и -фураноза для пятичленных циклов. Названия циклов происходят от названий соответствующих кислородсодержащих гетероциклов:

фуран пиран

В отличие от обычных альдегидов альдозы не реагируют с бисульфитом натрия и не дают красного окрашивания с фуксинсерной кислотой. Это объясняется тем, что альдозы существуют преимущественно в циклических формах.

Глюкоза обычно дает шестичленный полуацеталь и, следовательно, для этого используется гидроксильная группа, находящаяся при С-5. При образовании циклической формы С-1 становится стереоцентром: появляюшаяся у него полуацетальная гидроксильная группа (ее называют гликозидной ) может располагаться как слева, так и справа:

D-глюкопираноза D-глюкоза -D-глюкопираноза

(формула Толленса) (формула Фишера) (формула Толленса)

Циклические формы альдоз являются полуацеталями. Они образуются путем внутримолекулярного взаимодействия гидроксильной и карбонильной групп. При этой реакции образуется новый стереоцентр у С-1 атома. Циклические формы моноз представляют собой диастереомеры. Такого рода диастереомеры называют аномерами. Полуацетальный атом углерода называют аномерным атомом. Аномеры обозначают и -аномерами в зависимости от расположения гидроксильной группы у С-1 атома. У -аномера гликозидный гидроксил располагается по ту же сторону, что и у предпоследнего атома углерода (в D-ряду справа), а у -аномера - по другую (в D-ряду - слева). Полное название обоих аномеров D-глюкозы будет соответственно - или -D-глюкопираноза.

В конформационной формуле -аномера D-глюкопиранозы все гидроксильные группы и группа -СН 2 ОН занимают экваториальное положение. Формула -аномера отличается аксиальным расположением аномерного гидроксила. Оба аномера

D-глюкозы в кристаллическом состоянии вполне устойчивы и каждый из них может быть выделен в чистом виде, оба они вращают плоскость поляризованного света.

Для обозначения циклических форм в настоящее время в химии углеводов чаще применяют кресловидные формулы, аналогичные тем, которыми обозначают циклогексан и его производные.

Т.пл. 146 о С Т. пл. 150 о С

D-глюкоза -D-глюкопираноза -D-глюкопираноза

20 D +112 o +19 O

D-(+)-Глюкоза кристаллизуется из воды в виде -D-глюкопиранозы, а из пиридина - в виде -D-глюкопиранозы. В водном растворе устанавливается равновесие, при котором имеется 36% -D-глюкопиранозы и 64% -D-глюкопиранозы, что дает для удельного вращения раствора усредненное значение 20 D = +52,5 O .

Это явление называется мутаротацией . Угол вращения плоскости поляризованного света раствора во время установления равновесия между изомерами постепенно изменяется. Явление мутаротации объясняется тем, что при расциклизации исчезает стереоцентр у С-1 (превращение в карбонильную группу), а последующая циклизация ведет к образованию обоих аномеров. Мутаротации подвергаются лишь сахара со свободным гликозидным гидроксилом, то есть способные к кольчато-цепной таутомерии.

Если один из аномеров перевести в раствор, то каждый из них превратится в равновесную смесь аномеров с удельным оптическим вращением +52,5 о, состоящую на 36% из -аномера и на 64% из -аномера. Концентрация открытой формы, через которую взаимопревращаются аномеры, составляет лишь 0,024%.

Иногда циклические формы изображают без уточнения ориентации гликозидного гидроксила:

D-глюкопираноза

Поскольку D-манноза отличается от D-глюкозы расположением гидроксильной группы лишь у С-2, а D-галактоза - у С-4, то конформационные формулы этих моноз легко выводятся из конформационных формул соответствующих аномеров глюкозы:

D-маннопираноза -D-галактопираноза

Предпочтительность аксиального положения гидроксильной группы называется аномерным эффектом .

Упр. 4. В отличие от глюкозы D-манноза на 69% состоит из -аномера и на 31% из -аномера. Напишите формулы обоих аномеров маннопиранозы.

Упр.5. Гексозу, в формуле Фишера которой все гидроксильные группы

располагаются справа, называют D-аллозой. Изобразите открытую и циклическую формулы D-аллозы.

Кроме конформоционных формул для циклических форм углеводов часто пользуются упрощенными циклическими формулами по Хейворту (Хеуорсу) (Haworth). Переход от конформационных формул к формулам Хейворта очень прост: цикл уплощают, связи с атомом углерода заместителей изображают вертикально.

конформационная формула формула Хеуорса

D-глюкопиранозы -D-глюкопиранозы

Формулы Хеуорса остальных альдогексоз легко выводятся из формулы

D-глюкопиранозы. Все, что в формуле Фишера пишется справа в циклических формулах, пишется снизу и наоборот:

D-фруктоза -D-фруктофураноза -D-глюкопираноза

Если мы хотим перевернуть циклическую формулу с выносом из плоскости рисунка, то следует все заместители поменять местами.

D-фруктофураноза

Упр. 6. Назовите следующие монозы:

Упр. 7. Напишите конформационные формулы -D-глюкопиранозы, -D-глюкопи-ранозы, -D-фруктофуранозы, -D-галактопиранозы и -D-маннопиранозы.

Упр. 8. Гексоза, отличающаяся от глюкозы лишь расположением альдегидной группы, называется гулозой. Напишите формулу этой гексозы и в ее названии укажите, к какому ряду (D или L) она относится.

Упр. 9. Напишите перспективные формулы по Хеуорсу -D-глюкопиранозы, -D-глюкопиранозы, -D-фруктофуранозы, -D-галактопиранозы и -D-маннопиранозы.

Упр.10. Какое явление называют мутаротацией? Объясните на примере D-маннозы, учитывая, что оба аномера в равновесной системе находятся в пиранозной форме. Как можно обнаружить мутаротацию?

а) Проекционные формулы Фишера

Для более быстрого и удобного написания конфигурации моноз Э. Фишер предложил изображать их проекционными формулами. Углеродная цепь изображается вертикальной ли­нией, на концах которой пишут первую и последнюю функци­ональные группы (альдегидную группу всегда пишут вверху). Группы Н и ОН пишут справа или слева от цепи, в соответст­вии с их пространственным расположением в молекуле. На­пример, глюкоза, по Фишеру, пишется так:

б) «Перспек­тивными» формулы (формулы Хеуорса)

Представленные выше формулы не способны дать всесторонние гео­метрические представления о полуацетальной структуре монозы. В 1928 г. Хеуорс предложил «перспек­тивными» формулы, более близко отражающие реальные структуры веществ.

Атом кислорода всегда располагают в правом верхнем углу. Для более отчетливого изображения плоскости кольца часть его, обращенная к читателю, обозначается утолщенными линиями. Углеродные атомы, входящие в цикл, как правило, не пишутся, а только нумеруются. Через них проводят верти­кальные линии, на концах которых пишут водородные атомы и гидроксильные группы в соответствии с их пространствен­ным расположением в молекуле:

При написании формулы любого моносахарида по Хеуорсу сле­дует придерживаться следующих правил:

1) все группы, расположен­ные справа от углеродного остова в обычных формулах (формулах Фишера), в формулах Хеуорса занимают положение под плоскостью кольца; а группы слева - над плоскостью кольца, за исключением атома водорода, при С 4 в фуранозах и С 5 в пиранозах;

2) концевую груп­пу - СН 2 ОН также помещают над плоскостью кольца.

Для циклических форм кетоз также при­меняют формулы Хеуорса:

Проекционные формулы Хеуорса могут создать неправильное пред­ставление о пространственном строении молекул углеводов - будто пиранозные и фуранозные кольца являются плоскими, что в действи­тельности не так. На самом деле пиранозное кольцо может принимать две конфигурации - форму кресла и форму лодки:

С энергетической точки зрения форма кресла более устойчива; именно она преобладает в большей части природных моносахаридов.

Однако широкое распространение получили проекции Хеуорса; они проще и лучше отображают химические свойства моносахаридов.

2.4 Отдельные представители моносахаридов

Наиболее широко распространены в природе гексозы и пентозы.

Среди пентоз набольшую роль играют: арабиноза, ксилоза, рибоза и дезоксирибоза. Пентозы встречаются в природных условиях главным образом как составные части молекул полисахаридов, называемых пентозанами, а также растительных камедей.

L-арабиноза

В природе преимущественно встречается L(+)-арабиноза. Она содержится в виде моносахарида в вишневом клее, свекле. L-арабиноза широко распространена в растениях в качестве составной части слизей, гумми, пектиновых веществ и гемицеллюлоз. Арабинозу получают путем гидролиза вишневого клея или свекольного жома. При восстановлении арабинозы получают многоатомный спирт арабит, при окислении – арабоновую кислоту.