Теоретический курс_ХБАС_ЛЕЧ

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

3. Пентозы:

альдопентозы:

O

O

O

C

C

C

H

H

H

OH

H

H

H

H

OH

H

OH

H

OH

H

HО

H

OH

H

OH

H

OH

CH 2OH

CH 2OH

CH 2OH

рибоза

2–дезоксирибоза

ксилоза

кетопентозы:

CH2OH CH2OH

C

O

C

O

H

OH

HО

H

H

OH

H

OH

CH2OH

CH2OH

4. Гексозы:

рибулоза

ксилулоза

альдогексозы:

кетогексозы:

O

O

O

CH2OH

C

C

C

H

H

H

C

O

HО

H

H

ОH

H

ОH

HО

H

HО

H

HО

H

HО

H

H

OH

H

OH

H

OH

HО

H

H

OH

H

OH

H

OH

H

OH

CH2OH

CH2OH

CH2OH

CH2OH

манноза

глюкоза

галактоза

фруктоза

Приведенные формулы являются проекционными формулами Фишера.

С их помощью изображают моносахариды с открытой, незамкнутой цепью. Кроме того, эти формулы используют для определения относительной конфигурации моносахаридов (принадлежности к L- или Д-ряду), т.е. для изображения их стереоизомеров.

51

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

Стереоизомерия моносахаридов

Молекулы моносахаридов обычно содержат несколько хиральных центров, т.е. атомов углерода с четырьмя различными заместителями. Это является причиной существования большого числа стереоизомеров, соответствующих одной и той же структурной формуле.

Относительная конфигурация моносахаридов, т.е. принадлежность к L- или Д-стереохимическому ряду, определяется по конфигурационному стандарту – глицериновому альдегиду. С конфигурацией его хирального центра сравнивается конфигурация асимметрического атома углерода моносахарида, наиболее удаленного от оксо-группы. Это предпоследний углеродный атом в цепной, незамкнутой формуле моносахарида. При совпадении конфигурации этого атома углерода с конфигурацией Д- глицеринового альдегида (ОН – группа у этого атома располагается справа), моносахарид в целом относят к Д- ряду. При совпадении же с конфигурацией L-глицеринового альдегида – к L- ряду.

Число стереоизомеров, соответствующих данному моносахариду, определяется по формуле 2n , где n – количество хиральных атомов углерода в молекуле. Например, в альдогексозе имеется 4 хиральных атома углерода. Ей соответствуют 24, т.е. 16 стереоизомеров. При этом, если стереоизомеры отличаются конфигурацией, т.е. пространственным расположением заместителей у одного или нескольких атомов углерода, они считаются

диастереомерами. Диастереомеры не являются зеркальным отображением друг друга и различаются физическими и химическими свойствами. Частным случаем диастереомеров служат эпимеры. Они различаются конфигурацией только одного хирального центра:

O

O

O

O

C

C

C

C

1

H

HО

H

H

H

H

H

ОH

2

* СНОН

H

ОH

3

HО

H

* СНОН

HО

H

HО

H

4

* СНОН

H

OH

H

OH

HО

H

*

СНОН

H

*

OH

H

*

OH

H

*

OH

5

CH2OH

CH2OH

CH2OH

CH2OH

6

Д–манноза

Д–глюкоза

Д–галактоза

Приведенные три моносахарида относятся к Д–ряду, т.к. ОН–группа у С5 располагается справа. Они являются диастереомерами, поскольку не служат зеркальным отображением друг друга. Кроме этого, Д–глюкоза и Д–манноза, Д–глюкоза и Д–галактоза – эпимеры. Они различаются конфигурацией только одного хирального центра, соответственно, С2 и С4 .

52

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

Следует отметить, что подавляющее большинство природных моносахаридов – это стереоизомеры Д–ряда. Однако, в растениях и некоторых видах бактерий встречаются моносахариды и L–ряда.

Циклические формы моносахаридов

Являясь гидроксиальдегидами или гидроксикетонами, открытые (незамкнутые) формы моносахаридов могут самопроизвольно превращаться в

полуацетали с циклическим строением. Это обусловлено тем, что пяти– и

шестиуглеродные цепи моносахаридов способны находиться в выгодной клешневидной конформации. При этом карбонильная (альдегидная или кетонная) группа сближается в пространстве со спиртовой ОН–группой у С4 или С5 . Нуклеофильный атом кислорода ОН–группы атакует элеткрофильный атом углерода карбонильной группы. В результате их внутримолекулярного взаимодействия по механизму нуклеофильного присоединения происходит замыкание цикла и образуется циклический полуацеталь. При этом группы атомов, находящиеся в цепной, незамкнутой формуле слева от линии углеродной цепи, располагаются над циклом, а находящиеся справа – под циклом. Исключение составляет ОН–группа, которая образуется при циклизации и называется полуацетальной или гликозидной. Она может располагаться как над, так и под плоскостью цикла. Этим обусловлено наличие у каждого моносахарида двух стереоизомеров (аномеров): α–аномера, если гликозидный гидроксил у моносахарида Д–ряда располагается под циклом; и β– аномера, если – над циклом:

H

OH

H +δ

O-δ

C

C

OH

C

H

H

OH

H

OH

H

OH

O

O

HO

H

HO

H

HO

H

H

OH

H

OH

H

OH

..

H

H

OH

H

CH2OH

CH2OH

CH2OH

α-Д – глюкопираноза

Д-глюкоза

β-Д – глюкопираноза

(циклическая форма)

(открытая форма)

(циклическая форма)

CH2OH

CH2OH

H

O

H

H

O

OH

OH

H

1

OH

H 1

HO

OH

OH

H

H

OH

H

OH

53

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

Шестичленный цикл с кислородом называется пиранозным. Вследствие этого Д–глюкозу в циклической форме называют α-Д-глюкопираноза или β-Д- глюкопираноза. Причем, у моносахаридов Д–ряда группировка СН2ОН шестого атома углерода всегда располагается над циклом.

Пятичленный цикл с кислородом называется фуранозным. Рибоза в циклической форме существует в виде двух изомеров – α-Д-рибофуранозы или

β-Д-рибофуранозы.

-δ

OH

H +δ

O

HO

H

C

C

C

H

H

OH

H

OH

H

OH

O

O

H

OH

H

OH

H

OH

H

..

H

H

OH

CH2OH

CH2OH

CH2OH

α-Д–рибофураноза

Д–рибоза

β-Д–рибофураноза

(циклическая форма)

(открытая форма)

(циклическая форма)

HOH2C

O

H

HOH2C

O

OH

H

H 1

H

H 1

H

OH

H

H

OH

HO

OH

HO

Несмотря на то, что фруктоза – это кетогексоза (шестиуглеродный моносахарид), в циклической форме она существует, преимущественно, в виде фуранозного цикла:

54

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

			CH2OH
HOH C	OH		+δ C	O-δ	HO	CH2OH
2
HO	H	O	HO	H	HO	H	O
H	OH		H	OH	H	OH
H			H	..	H
				OH
	CH OH		CH2OH			CH2OH
	2
α-Д–фруктофураноза			Д–фруктоза		β-Д–фруктофураноза

(циклическая форма) (открытая форма) (циклическая форма)

HOH2C O

CH2OH

HOH2C O

OH

H

HO

2

H

HO

2

H

OH

H

CH2OH

OH

H

OH

H

Приведенные циклические формулы моносахаридов называются формулами Хеуорса. Они не отражают реальной пространственной формы молекул, поскольку пиранозы в пространстве принимают наиболее выгодную кресловидную конформацию, а фуранозные циклы – конформацию конверта.

Цикло–оксо–таутомерия

Способность моносахаридов существовать в виде равновесной смеси открытой и замкнутых (циклических) форм называется кольчато–цепной или

цикло–оксо–таутомерией, а сами формы – таутомерами. Например, Д–рибоза имеет следующие таутомерные формы:

O

C

H

HOH2C O

H

H

OH

HOH2C

O

OH

H

OH

H

H

H

H

H

OH

H

OH

H

H

OH

HO

CH2OH

OH

HO

цикло (окси)–форма

открытая

цикло (окси)–форма

α–аномер

оксо–форма

β–аномер

55

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

Следует отметить, что взаимопревращение α– и β–аномеров друг в друга происходит только через промежуточную оксо–форму.

Химические свойства моносахаридов 1. Циклические ацетали или гликозиды образуются при

взаимодействии моносахаридов со спиртами, фенолами в присутствии кислот. Реакция протекает по механизму нуклеофильного замещения при участии

только полуацетального гидроксила:

HOH 2C

HOH 2C

O

+ H OCH3

H+

O

OH

OH

- H2O

HO

OH

HO

O _ CH 3

OH

OH

α-изомер

или

HOH 2C

O _ CH 3

O

OH

HO

OH

β-изомер

Такие соединения называются О–гликозидами.

Гликозиды, образованные моносахаридами с NН–содержащими молекулами, например, аминами, называют N–гликозидами:

HOH2C

H

H+

HOH2C

O

+ H

N

CH3

O

OH

- H2O

OH

HO

OH

NH

CH3

HO

HO

HO

Гликозиды легко гидролизуются разбавленными кислотами, но устойчивы к действию разбавленных щелочей. Гидролиз гликозидов – фундаментальная реакция в химии углеводов. Она является основой гидролитического расщепления полисахаридов в организме.

Следует отметить, что в животных и растительных организмах моносахариды редко встречаются в свободном виде, а главным образом в виде гликозидов.

2. Простые эфиры получаются при взаимодействии всех спиртовых гидроксильных групп моносахаридов, включая и полуацетальный гидроксил, с

алкилгалогенидами (СН3J, С2Н5J):

56

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

HOH2C

H3COCH2

O

NaOH

O

OH

+ 5 CH3J

O

CH3

-5HJ

OH

H3C O

O CH 3

HO

HO

O CH 3

3. Сложные эфиры образуются тоже при участии всех гидроксильных групп, но при взаимодействии моносахаридов с ангидридами кислот, например, с уксусным ангидридом:

O

HOH2C

O Ac

O

H2C

Ac =

C

CH3

O

H3C

C

O

OH

+

O

-Н2О

O Ac

H3C

C

HO

OH

O

Ac

O

O Ac

HO

O Ac

Из сложных эфиров моносахаридов наибольшее значение имеют эфиры фосфорной кислоты. Они содержатся во всех животных и растительных организмах и представляют собой метаболически активные формы моносахаридов. Так, фосфаты рибозы и дезоксирибозы служат структурными элементами нуклеиновых кислот и ряда коферментов. Метаболические превращения углеводов, фотосинтез, брожение и другие биологические процессы осуществляются при участии следующих фосфатов моносахаридов:

6

H2O3P OH2C

O

OH ~ OH

HO

6–фосфат HO

Д–глюкопиранозы

6

1

HOH2C

H2O3P

OH2C

CH2O

PO3H2

O

O

OH

1

5

HO

2

HO

O

PO3H2

OH

HO

OH

1–фосфат

1,6–дифосфат

α–Д–глюкопиранозы

α–Д–фруктофуранозы

57

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

4. При восстановлении моносахаридов (их альдегидной или кетонной группы) образуются многоатомные спирты – сахарные спирты. Их часто используют как заменители сахара при сахарном диабете. Восстановление проводится водородом в присутствии металлических катализаторов:

CH2OH

CH2OH

O

C

CH2OH

C = O [H]Pd

H

C

OH

[H]Pd

H

(CHOH)n

(CHOH)

(CHOH)

(CHOH)n

n

n

CH OH

CH OH

CH2OH

CH2OH

2

2

При восстановлении Д–ксилозы получают спирт ксилит; Д–глюкозы –

сорбит; Д–маннозы– маннит.

5. При окислении моносахаридов в зависимости от условий образуются различные продукты:

а) окисление в щелочной среде сопровождается разрушением углеродной цепи моносахаридов. В этом случае применяются различные реактивы, содержащие ионы Ag+ или Cu+2 , способные восстанавливаться:

O

С

H	+ [ Ag (NH3)2 ]OH		Ag		+ продукты окисления

(CHOH)n

CH2OH

Аналогично окисляются и кетозы, т.к. в щелочной среде они изомеризуются в альдозы.

б) окисление альдоз в кислой или нейтральной средах осуществляется без разрушения углеродного скелета моносахарида. При этом получаются различные кислоты.

При использовании сильного окислителя – разбавленной азотной кислоты – концевые группы альдоз одновременно окисляются в карбоксильные. При этом образуются двухосновные гликаровые кислоты:

		O			COOH
C
			HNO3	разб.
		H					(CHOH)n
		(CHOH)n
					COOH
CH2OH				гликаровая кислота
альдоза

При окислении мягким окислителем (бромной водой) в карбоксильную группу превращается только альдегидная группировка. При этом получаются

альдоновые или гликоновые кислоты:

58

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

		O			COOH
C
			Br2	/ H2O
		H					(CHOH)n
		(CHOH)n
					CH2OH
CH2OH
				гликоновая или
альдоза
				альдоновая кислота

При окислении Д–глюкозы в этих условиях образуется глюконовая кислота, соль которой – глюконат кальция используется в медицине.

При окислении концевой первичноспиртовой группы без затрагивания альдегидной группировки образуются гликуроновые или уроновые кислоты.

Для этого окислению подвергается моносахарид с защищенной альдегидной группой, например, в виде гликозида:

OH2HC

[O], Pd

НООС

Н2О, Н+

O

O

OH

~ОСН

OH

~ ОСН

3

3

HO

HO

HO

HO

метил-Д-глюкопиранозид

НООС
			O
		OH
			~ ОН

HO

HO

Д-глюкуроновая кислота

Уроновые кислоты имеют большое значение. Их представители входят в состав гепарина, пектиновых веществ плодов и ягод. Они также выполняют важную биологическую функцию – выводят из организма с мочой токсичные и посторонние вещества (детоксикация).

Следует также отметить, что реакции окисления используются в структурных исследованиях и биохимических анализах для обнаружения моносахаридов, в частности глюкозы, в биологических жидкостях (крови, моче).

Поскольку углеводы можно рассматривать как многоатомные спирты, для них будет характерна реакция с Cu(OH)2 с образованием хелатного комплекса синего цвета. Эта реакция применяется в аналитических целях:

59

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

R

R

H

C

OH

H О

C H

+ CuSO4 + 4 NaOH +

H

C

OH

H О

C H

R

R

R

R

2 _

H

Na 2

C

O

O

C

H

+ Na2SO 4 + 4 H 2O

Cu

H

C

O

O

C

H

R

R

сахарат меди

Таким образом, моносахариды проявляют свойства многоатомных спиртов, альдегидов или кетонов и полуацеталей.

60