Углеводы (стр. 2 из 5)
Из альдопентоз следует выделить рибозу, как наиболее распространенный моносахарид с пятью атомами углерода В водном растворе она представляет собой смесь всех четырех циклических таутомеров, из которых предпочтительными являются пиранозные формы, но фуранозные формы также значительны Нормальная кристаллическая форма рибозы - р-й-рибопираноза, а для производных характерна в-0-рибофуранозная структура.
Вернемся к глюкозе, отвлекшись от проекционных формул Фишера и Хеуорса, и проанализируем ее пространственную структуру, так сказать, в окончательном варианте. Поскольку все шестичленные циклы, включая гетероатомные, предпочтительно существуют в форме кресла, так же изобразим и глюкозу. В таком случае, в-глюкопираноза окажется термодинамически предпочтительной и по стереохимическому расположению всех заместителей цикла - они расположены экваториально. В связи с этим, становится понятным предпочтение, отданное Природой в-форме глюкозы при построении различных биологических структур, которые, в первую очередь, требуют стабильности.
б-Форма глюкопиранозы отличается аксиальным положением гликозидного гидроксила. Факторов, определяющих относительную стабильность б-изомера, несколько, но основным, очевидно, является стабилизирующее взаимодействие неподеленной электронной пары эндоциклического кислорода и свободной орбитали связи С'-ОН, которое максимально именно в этой конфигурации молекулы. Аномерный эффект, обнаруженный и изученный на молекуле глюкозы, оказался довольно общим явлением не только в химии углеводов, но и в химии циклических полуацеталей вообще, однако свое начало он берет из природной химии - из химии углеводов.
Таким образом, используя кресловидное изображение молекул альдопи-раноз, мы увидим, чтс пои переходе от глюкопиранозы ко всему остальному ряду альдогексоз, гидроксильные функции периодически меняют свое положение с экваториального на аксиальное, за исключением группировки - СН2ОН - она всегда экваториальна.
Только D-иодоза имеет аксиальное положение - СН2ОН группы в термодинамически наиболее стабильной конформации, так как остальные ее - ОН функции при этом расположены экваториально.
Так как фруктоза также имеет склонность к образованию пиранозной формы, то полезно рассмотреть и ее пространственную структуру. Установлено, что из двух кресловидных конформеров реализуется тот, в котором наиболее тяжелая группа занимает экваториальное положение при равном соотношении экваториальных и аксиальных гидроксифункций.
3. Химические свойства моносахаридов
Химические свойства моносахаридов, как и других бифункциональных соединений, могут быть разделены на три группы: это свойства спиртов, карбонильных соединений, и специфические реакции, обязанные взаимному влиянию и взаимному участию спиртовых и карбонильных функций.
Из типичных спиртовых свойств моносахаридов следует отметить, в первую очередь, реакции этерификации различного типа, ведущие к образованию сложных эфиров карбоновых кислот, сложных эфиров минеральных кислот, простых алкиловых эфиров. Так как в молекуле любого моносахарида содержится несколько спиртовых групп, то очевидно, что в любом случае эти реакции могут иметь различную степень кратности, т.е. могут быть получены, в зависимости от активности реагента, моноэфиры, дизфиры, триэфиры и т.д. При этом не полностью этерифицированные моносахара будут представлены еще и набором региоизомеров. Таким образом, в одной только реакции ожидаемое многообразие получаемых эфиров более чем достаточно.
Реакции карбонильных групп моносахаридов всегда могут проявиться, так как в растворе моносахарида всегда имеется ациклический таутомер, всегда имеется хоть в каких-то количествах и тогда, независимо от количества этой формы, процесс таутомерии обеспечивает полное прохождение реакции по карбонильной группе, т.е. так, как будто все вещество в растворе имело нециклическую структуру. В первую очередь, здесь следует отметить различные реакции нуклеофильного присоединения, окислительно-восстановительные реакции, реакции азометиновой конденсации.
Реакции окисления наиболее любопытны тем, что могут быть реализованы потрем направлениям!
Наиболее мягкое окисление по альдегидной группе приводит к гликоновым кислотам, окисление немного более энергичное - переводит спиртовую группу в карбоксильную. Концевая спиртовая группа может быть окислена до карбоксильной при условии защиты последней, т.е. в условиях жесткой стабилизации циклической формы молекулы. При действии некоторых окислителей, циклическая форма альдогексоз окисляется непосредственно по полуацетальному гидроксилу с образованием д-лактонов, которые обычно перегруппировываются в более стабильные г-лактоны.
Специфические свойства моносахаридов. Наличие в молекуле углеводов спиртовых гидроксилов открывает возможность одновременного участия в реакции нескольких из них. Типичная реакция моносахаридов с карбонильными реагентами приводит к образованию циклических ацеталей, структура которых определяется взаимным пространственным расположением гидроксильных групп: обычно в таких реакциях участвует пара цис расположенных гидроксифункций.
Так как моносахара в растворе обычно представлены смесью нескольких таутомеров, то при взаимодействии их с карбонильным соединением возможно образование циклических производных нетипичных форм, присутствующих в незначительных количествах, но, по ряду факторов, благоприятных для реакций такого типа.
Сближение в пространстве двух гидроксильных групп моносахаридов может, в условиях, соответствующих образованию простых эфиров, реализоваться в такой реакции внутримолекулярно. Продукты реакций имеют бициклическую структуру и называются ангидросахарами. Подобная реакция эффективно проходит в молекуле йодозы, так как в ее пиранозной форме один из информационных переходов сближает гидроксилы при С и С6, тогда как все остальные приобретают энергетически выгодное экваториальное положение.
Ангидросахара, полученные взаимодействием реакционных центров при С1 и С4, имеют структуру, в которой зафиксирована форма лодки шестичленного цикла пиранозы.
Специфической реакцией моносахаридов можно считать и окисление их реагентами, действующими на пару вицинальных гидроксильных групп, предпочтительно имеющих цис-конфигурацию. Окисление выполняется йодной кислотой или тетраацетатом свинца и протекает через промежуточный циклический диэфир с последующим расщеплением углерод-углеродной связи циклического фрагмента. В свое время, реакция сыграла решающее значение при исследовании строения моносахаров.
Но так как обычно углеводная молекула имеет более, чем два гидроксила, то вариантов деструктивного гликольного окисления несколько, и процесс протекает часто постадийно и достаточно глубоко: например, так, как эрjимеет место в случае D-глюкозы.
Под действием оснований и кислот моносахара претерпевают изомеризацию и деградацию в зависимости от условий.
В мягких щелочных условиях обычно имеет место эпимеризация, т.е. изменение конфигурации углеродного атома в 2-положении к карбонильной группе, а также изомеризация типа альдоза р. кетоза. Так, при выдерживании D-глюкозы в течении нескольких дней в 0,01 М растворе гидроокиси натрия образуется смесь, содержащая 28% D-фруктозы, 3% D-маннозы и исходную D-глюкозу. Оба изомеризационных процесса протекают через общий интермедиат, являющийся енольной формой D-глюкозы, т.е. указанная смесь веществ является следствием кетоенольной таутомерии, катализируемой основанием. Заметим, что реакция идет из ациклической формы, являющейся также компонентой таутомерного процесса.
В более жестких щелочных условиях проходят более глубокие перегруппировки до сахариновых кислот. Та же самая D-глюкоза при обработке 0,15 М раствором гидроокиси кальция превращается в смесь нескольких гидрокси-кислот. Эти реакции многоступенчатые и, как правило, малой степени стерео-специфичности.
В кислой среде моносахара обычно более стабильны, но при нагревании в растворах минеральных кислот протекают процессы дегидратации, результатом которых являются производные фурана. Так, альдопентозы, отщепляя три молекулы воды, образуют фурфурол, а альдогексозы - 5-гидроксиме-тилфурфурол.