- •Кафедра химической технологии
- •Химия и биохимия углеводов.
- •Раздел I. Химия моносахаридов.
- •Содержание
- •Введение
- •1 Классификация и номенклатура
- •2 Химическое строение моносахаридов
- •3 Стереохимия
- •Цифры 4,3,2,1 означают падение старшинства атомных
- •4 Таутомерия моносахаридов в растворах
- •1) Кето-енольную и 2) кольчато-цепную или оксо-окси-таутомерию.
- •Мутаротация
- •6 Способы получения моносахаридов
- •7 Физические свойства моносахаридов
- •8 Химические свойства моносахаридов
- •Литература
- •Научный редактор профессор г.Н. Роганов
2 Химическое строение моносахаридов
2.1 Карбонильные формы моносахаридов.
Для выяснения строения и стереохимии моносахаридов химикам потребовалось более ста лет. В результате многолетних исследований было установлено, что моносахариды по химической природе являются полиоксиальдегидами или полиоксикетонами. Большинство моносахаридов имеет линейную цепь углеродных атомов. Важнейшими представителями моносахаридов являются гексозы - глюкоза (виноградный сахар) и фруктоза (фруктовый сахар), поэтому рассмотрим строение моносахаридов на примере этих соединений. Обе гексозы являются изомерами и имеют одну молекулярную формулу С6Н12О6[C6(H2O)6] . Шесть атомов углерода глюкозы образуют прямую неразветвленную цепь:
Это доказано восстановлением её в 2-иодгексан при действии йодистого водорода. Наличие альдегидной группы было доказано тем, что к глюкозе, так же как и к альдегидам, присоединяется синильная кислота (Килиани, 1887 г.):
,
где R– С5H11O5
Кроме этого, глюкоза дает качественные реакции на альдегидную группу : “серебряного зеркала“ при взаимодействии с [Аg (NH)2]OH и с фелинговой жидкостью. В обоих случаях альдегидная группа окисляется до карбоксильной и образуется глюконовая кислота:
В 1869 г. А . А. Колли установил, что глюкоза реагирует с пятью молекулами уксусного ангидрида, образуя при этом пять сложноэфирных группировок, и поэтому является пятиатомным спиртом.
Фруктоза при восстановлении иодистым водородом также дает 2-иодгексан, что доказывает ее линейное строение. Наличие карбонильной группы можно доказать реакциями взаимодействия с синильной кислотой или с солянокислым гидроксиламином :
Месторасположение карбонильной группы в углеродной цепи доказывается тем, что окисление фруктозы происходит с разрывом углеродной цепи и образованием щавелевой и винной кислот :
-
щавелевая
кислота
винная
кислота
Как и глюкоза, фруктоза реагирует с пятью молекулами уксусного ангидрида, образуя пять сложноэфирных группировок, следовательно, она содержит пять гидроксильных групп.
Таким образом, фруктоза представляет собой пятиатомный кетоспирт:
Это так называемые открытые, цепные формы моносахаридов (оксоформы).
2.2 Циклические формы моносахаридов
В растворах моносахаридов наряду с альдегидными или кетонными формами всегда содержатся циклические полуацетальные формы (оксиформы ), причем содержание открытой формы мало (доли процента). В кристаллическом индивидуальном состоянии все моносахариды (кроме триоз) представляют собой внутренние полуацетали полиоксиальдегидов или полиоксикетонов. Структура полиацеталей аналогична структуре полуацеталей, возникающих при присоединении молекулы спирта к альдегиду:
В случае моносахаридов эта реакция происходит внутримолекулярно с наиболее “удобно” расположенным гидроксилом. Обычно полуацетали неустойчивы, но у моносахаридов полуацетальная форма устойчива, так как образование циклической полуацетальной формы происходит внутримолекулярно. Циклические формы моносахаридов возникают в результате взаимодействия альдегидной (кетонной) группы с гидроксильной группой у пятого или у четвертого углеродного атома - кислород ОН-группы присоединяется к атому углерода карбонильной группы, а водород ОН-группы присоединяется к атому кислорода карбонильной группы. Образуются устойчивые циклические полуацетальные формы - пиранозная (шестичленный цикл) либо фуранозная (пятичленный цикл). Эти формы получили название от соответствующих гетероциклических соединений, шестичленные - от пирана (точнее тетрагидропирана), а пятичленные - от фурана (точнее тетрагидрофурана). Следует отметить, что гидроксил, образованный на месте бывшей карбонильной группы, называется полуацетальным или гликозидным и отличается по свойствам от спиртовых гидроксилов.
Для указания размера кольца в циклической форме моносахарида две последние буквы названия моносахарида (“оза”) заменяют окончанием “фураноза” в случае пятичленного кольца или “пираноза”- в случае шестичленного кольца, например, глюкопираноза, фруктофураноза, рибофураноза и т.д.
В циклической форме монозы нет альдегидной или кетонной группы, имеются только гидроксильные группы. Эти гидроксилы разные: один гидроксил полуацетальный появился в результате внутримолекулярного взаимодействия карбонильной и спиртовой групп, для сахаров этот гидроксил называют еще гликозидным; остальные гидроксилы спиртовые, при этом в глюкозе один из них у шестого атома углерода первичный, остальные - вторичные.
-
пиран
фуран
-
оксиформа
циклическая,
пиранозная форма
оксоформа
открытая
карбонильная форма
оксиформа
циклическая,
фуранозная форма