1.3. Другие моносахариды.
До сих пор основное внимание уделялось (+)-глюкозе. Однако следует еще раз отметить, что это лишь один, хотя и самый важный, моносахарид. В настоящее время их известно несколько десятков. Рассмотреть каждый из них в общем курсе органической химии нет необходимости. В заключение упомянем лишь еще об одном моносахариде – (-)-фруктозе, которая, как и (+)-глюкоза, широко распространена в растительном мире в свободном виде или в составе дисахарида – сахарозы.
Следующая последовательность реакций позволяет относить фруктозу к кетогексозам
Подобно (+)-глюкозе, (-)-фруктоза может существовать в циклической форме. Причем в данном случае более предпочтительным оказалось пятичленное фуранозное кольцо. При образовании кольца в результате внутримолекулярного ацеталирования с участием кето- группы и гидроксила при пятом углероде кетозы возникает новый асимметрический центр. Поэтому известны два изомера D-фруктофуранозы
2. Дисахариды.
В данном разделе будут рассмотрены 4 дисахарида два из которых являются природными продуктами (+)-лактоза и (+)-сахароза, а еще два получаются при частичном гидролизе полисахаридов – (+)-мальтоза и (+)-целлобиоза.
2.1. (+)-Мальтоза.
(+)-Мальтоза получается наряду с другими продуктами при кислотном или ферментативном гидролизе крахмала.
Об этом дисахариде известно следующее. Брутто-формула (+)-мальтозы С12Н22О11, относится к восстанавливающим сахарам, образует моноозазон, бромной водой окисляется в монокарбоновую мальтобионовую кислоту, существует в виде α- и β-форм. При кислотном или ферментативном (фермент мальтаза выделяется из дрожжей, гидролизует только β- гликозидную связь)) гидролизе дает две молекулы D-(+)-глюкозы.
Этих данных достаточно чтобы понять, что (+)-мальтоза образована двумя молекулами (+)-глюкозы. Причем, на образование связи одна молекула (+)-глюкозы предоставила свой аномерный гидроксил. Именно поэтому (+)-мальтоза ведет себя как соединение с одной альдегидной группой – образует моноозазон и монокарбоновую кислоту. Теперь весь вопрос сводится к тому, чтобы установить, чем же пожертвовала при образовании связи другая молекула (+)-глюкозы?
Предположим, что связь между молекулами глюкозы возникла за счет гидроксила при четвертом углеродном атоме одной молекулы и аномерного гидроксила другой молекулы. Молекулу (+)-мальтозы, построенную таким образом, окислим бромной водой. Полученную мальтобионовую кислоту прометилируем диметилсульфатом в присутствии щелочи. При этом прореагируют все свободные гидроксильные группы с образованием окта-О-метил-D-мальтобионовой кислоты. После гидролиза этой кислоты получится 2,3,4,6-тетра-О-метил-D-глюкопираноза и 2,3,5,6-тетра-О-метил-D-глюконовая кислота
В результате осуществления реакций окисления, метилирования и гидролиза 4-О-(α-D-глюкопиранозил)-D-глюкопиранозы действительно были получены указанных два соединения. Если бы молекулы глюкозы в мальтозе были соединены по другому, то в конце вышеуказанных превращений были бы получены та же глюкопираноза, но другая глюконовая кислота с иным расположением свободной гидроксильной группы. Положение гидроксильной группы можно установить окислением замещенной глюконовой кислоты азотной кислотой в жестких условиях, как это было сделано при определении размера кольца (+)-глюкозы.
Следует отметить, что (+)-мальтозу можно рассматривать как глюкозид, в котором в качестве агликона выступает другая молекула (+)-глюкозы. В случае (+)-мальтозы связь между альдозой и агликоном относится к α-гликозидной.
2.2. (+)-Целлобиоза.
(+)-Целлобиоза является продуктом частичного гидролиза целлюлозы. Гидролиз протекает под действием кислот и, что особенно важно, ферментативно с помощью эмульсина, выделенного из горького миндаля. Известно, что эмульсин способен гидролизовать только β-гликозидную связь. В результате гидролиза (+)-целлобиозы получается две молекулы (+)-глюкозы.
Во всем остальном свойства (+)-целлобиозы и (+)-мальтозы совпадают.
Подвергнув, как и в случае с (+)-мальтозой, (+)-целлобиозу последовательно окислению бромной водой, метилированию и гидролизу, легко можно установить по строению конечных продуктов (α-аномер 2,3,4,6-тетра-О-метил-D-глюкопиранозы и 2,3,5,6-тетра-О-метил-D-глюконовая кислота) что рассматриваемый дисахарид содержит два глюкопиранозных кольца. Эти кольца связаны между собой за счет аномерного гидроксила одной молекулы глюкозы и ОН - группы при четвертом углероде другой молекулы. Все различие между (+)-мальтозой и (+)-целлобиозой только в одном – две молекулы глюкозы в (+)-целлобиозе соединены между собой β- гликозидной связью. Это следует из того, что этот дисахарид ферментативно гидролизуется только эмульсином, избирательно действующим на β- гликозидную связь. Из всего сказанного следует, что (+)-целлобиоза представляет собой 4-О-( -D-глюкопиранозил)-D-глюкопиранозу
2.3. (+)-Лактоза.
(+)-Лактоза содержится в молоке. Скисание молока как раз связано с превращением этого дисахарида в молочную кислоту под действием бактерий.
(+)-Лактоза имеет брутто-формулу С12Н22О11, относится к восстанавливающим сахарам, образует моноозазон, существует в виде α- и β-форм. При кислотном или ферментативном (эмульсин) гидролизе дает равные количества D-(+)-глюкозы и D-(+)-галактозы. Отметим, что этот пока незнакомый моносахарид представляет собой альдогексозу, в которой, в отличие от (+)-глюкозы, гидроксил при четвертом углероде занимает аксиальное положение
Опять встает вопрос – каким образом указанных два моносахарида связаны между собой при образовании (+)-лактозы? Частичный ответ можно получить из того факта, что (+)-лактоза образует озазон как соединение, содержащее лишь одну альдегидную группу. Отсюда следует, что при образовании (+)-лактозы один из моносахаридов предоставил свой аномерный гидроксил, занимающий экваториальное положение, а другая альдогексоза – гидроксил при любом углероде, кроме первого. Однако непонятно, является ли рассматриваемый дисахарид глюкозидом или галактозидом?
Как было упомянуто выше, (+)-лактоза образует озазон. Если лактозазон гидролизовать, то получается D-(+)-галактоза и D-глюкозазон
Отсюда следует, что лактоза является замещенной глюкозой, т.е. галактозидом, а остаток глюкозы выступает в роли агликона. Интересно, что и в данном случае два моносахарида связываются между собой с участием гидроксила при четвертом углероде глюкозы. К такому выводу можно прийти, если (+)-лактозу окислить бромной водой, полученную лактобионовую кислоту метилировать и гидролизовать. В результате цепочки превращений получается 2,3,4,6-тетра-О-метил-D-галактопираноза (β-аномер) и 2,3,5,6-тетра-О-метил-D-глюконовая кислота
Рассмотренные факты позволяют считать, что (+)-лактоза представляет собой 4-О-(β-D-галактопиранозил)-D-глюкопиранозу
2.4. (+)-Сахароза.
(+)-Сахароза получается из сахарной свеклы или сахарного тростника. (+)-Сахароза имеет брутто-формулу С12Н22О11 и проявляет следующие свойства: не восстанавливает реактивов Фелинга и Толленса, не образует озазона, не существует в виде α- и β- форм. Все это свидетельствует о том, что (+)-сахароза не содержит свободных или связанных в виде полуацеталя карбонильных групп. При кислотном или ферментативном гидролизе рассматриваемый дисахарид образует равные количества D-(+)-глюкозы и D-(-)-фруктозы. Из того факта, что (+)-сахароза не имеет карбонильных групп, становится понятным, что ее образование произошло за счет аномерных гидроксилов моносахаридов, т.е. она представляет собой одновременно β-D-фруктозид и α-D-глюкозид
При ферментативном гидролизе (+)-сахарозы используется фермент, выделенный из дрожжей, который носит название инвертазы. Такое название отражает изменение при гидролизе знака вращения с положительного на отрицательный. Происходит это потому, что исходная сахароза, вращающая плоскость поляризованного света влево (удельное вращение +66,50) при гидролизе (иногда процесс называют инверсией) превращается в смесь левовращающей глюкозы (+52,70) и сильно правовращающей фруктозы (-92,40).
Любопытно отметить, что мед представляет собой инвертированный сахар, т.е. смесь (+)-глюкозы и (-)-фруктозы. При образовании меда из сахара инверсию осуществляют пчелы за счет своей инвертазы.
4. Полисахариды.
Важнейшими природными полисахаридами являются крахмал и целлюлоза. Они образуются в растениях в результате объединения многих молекул глюкозы, продукта фотосинтеза, и используются как строительный материал и пища.
В полимерной молекуле полисахарида связь между остатками моносахарида осуществляется за счет аномерного гидроксила одной молекулы и спиртового гидроксила другой молекулы. Состав рассматриваемых полисахаридов может быть выражен общей формулой (С6Н10О5)n.
4.1. Крахмал.
Установлено, что крахмал содержит водорастворимую часть (около 20%), называемую амилозой, и нерастворимую в воде часть, которая носит название амилопектина.
При кислотном или ферментативном гидролизе крахмал последовательно разукрупняется в смесь полисахаридов меньшей молекулярной массы (декстрин), (+)-мальтозу и, в последнюю очередь – в D-(+)-глюкозу. Поскольку при гидролизе амилозы и амилопектина получается только указанный моносахарид, то понятно, что они отличаются лишь по «конструкции» при одном и том же «строительном материале».
4.1.1. Структура амилозы.
Итак, про амилозу известно, что она сложена из остатков (+)-глюкозы, при ее частичном гидролизе получается (+)-мальтоза, ферментативный гидролиз протекает под воздействием мальтазы, расщепляющей - глюкозидные связи. Этих сведений достаточно чтобы предположить, что амилоза представляет собой полимер глюкозы, в котором молекулы моносахарида связаны между собой также как и в мальтозе – за счет аномерного гидроксила одной молекулы и спиртового гидроксила при четвертом углероде другой молекулы. Теперь предстоит эту структуру для амилозы доказать и установить число остатков глюкозы, входящих в амилозу.
Амилозу с предполагаемой структурой прометилируем диметилсульфатом в присутствии щелочи и полученный продукт подвергнем гидролизу
Нетрудно видеть, что 2,3,6-три-О-метил-D-глюкозу образуют глюкозные остатки в амилозе, расположенные на одном из концов структуры, и, в основном, находящиеся в середине полимера. Другая замещенная глюкоза – 2,3,4,6-тетра-О-метил-D-глюкоза – получается из другого конца амилозы, в котором содержится моносахарид со свободным гидроксилом при четвертом углероде.
Поскольку в результате метилирования и гидролиза амилозы получаются именно те замещенные глюкозы, которые указаны выше, то тем самым подтверждается предложенная структура для амилозы.
По продуктам метилирования и гидролиза можно получить информацию и о других характеристиках амилозы как полимерной структуры, среди которых - длина цепи амилозы.
При метилировании и гидролизе амилозы тетра-О-метил-D-глюкоза получается с выходом 0,5%, а три-О-метил-D-глюкоза – 99,5% или, говоря по-другому, на 200 звеньев последнего приходится одна концевая группа со свободным гидроксилом при четвертом углероде моносахарида. Расчеты молекулярной массы амилозы, состоящей примерно из двухсот остатков глюкозы, приводят к величинам 30 000 – 40 000. Другие методы определения молекулярной массы (ультрацентрифугирование) амилозы дают близкие значения.
В химии углеводов изучение их по продуктам метилирования и гидролиза носит название метода определения концевых групп.
4.1.2. Структура амилопектина.
При изучении амилопектина методом концевых групп обнаружилось, что в этом случае образуется три метилированных D-глюкозы
Кроме того, известно, что амилопектин имеет такую молекулярную массу, которая согласуется с содержанием в нем около 1000 остатков глюкозы.
Обращает на себя внимание тот факт, что при метилировании и гидролизе амилопектина 2,3,4,6-тетра-О-метил-D-глюкозы образуется почти в десять раз больше (5%), чем в случае амилозы (0,5%). Поскольку тетразамещенная глюкоза образуется из концевой молекулы глюкозы, то приходится допустить, что у амилопектина «много концов». Это может случиться только в том случае, если амилопектин представляет собой разветвленную структуру, состоящую из множества коротких цепей.
Появление в продуктах реакции метилирования и гидролиза амилопектина 2,3-ди-О-метил-D-глюкозы в значительных количествах (5%) говорит о том, что образовавший его фрагмент глюкозы как раз и является местом разветвления. Именно здесь происходит сочленение коротких цепей путем образования связи за счет аномерного гидроксила при концевом углероде одной цепи и спиртового гидроксила при шестом углероде другой цепи
Имеющиеся данные говорят о том, что молекула амилопектина включает несколько сот коротких цепей по 20 - 25 остатков глюкозы в каждой. Эти цепи связаны не с какой-то общей для всех цепью, а между собой. Так возникает сильно разветвленная структура амилопектина.