Химическое строение моносахаридов

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). 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:

 

реакция

 

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:

 

реакция

 

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:

 

 

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).

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. 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.

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

Стереохимия.Для углеводов свойственна оптическая изомерия.

1. Открытые формы моносахаридов. В молекулах моносахаридов имеются асимметрические атомы углерода (хиральные центры), что служит причиной существования большого числа стереоизомеров, соответствующих одной и той же структурной формуле.

 

альдотриоза	Альдотетроза

 

альдопентоза

 

альдогексоза

 

кетогексоза

 

Проекционные формулы Фишера, D- и L – ряды. Для изображения стереоизомеров удобно пользоваться проекционными формулами Э. Фишера. Для получения проекционной формулы углеродную цепь моносахарида располагают по вертикали с оксогруппой в верхней части цепи, а сама цепь должна иметь форму полукольца, обращенного выпуклостью к наблюдателю. Все асимметрические углеродные атомы находятся в заслоненной конформации, и группы Н и ОН направлены к наблюдателю (рис.2).

 

 

Рисунок 2 – Получение проекционной формулы тетрозы ( эритрозы ).

 

Так как энантиомеры – это пространственные изомеры, являющиеся зеркальным отражением друг друга, то каждой паре энантиомеров дано одно название и указывается их противоположная конфигурация (D и L). Например, для глюкозы:

D (+) глюкоза

L(-) глюкоза

D (+) глицериновый альдегид

L(-) глицериновый альдегид

 

Относительная конфигурация моносахаридов (отношение к D- или L- ряду) определяется по конфигурационному стандарту – глицериновому альдегиду. С конфигурацией его хирального центра сравнивается конфигурация наиболее удаленного от карбонильной группы («концевого») асимметрического атома углерода, имеющего наибольший номер. В альдопентозах таким атомом будет С₄, а в альдогексозах – С₅, в кетогексозах – С₅ и т. д. Если у моносахарида эта ОН-группа находится справа, как у D- глицеринового альдегида, то моносахарид относится к D- ряду. Знак вращения плоскости поляризации поляризованного света моносахаридами непосредственно нельзя связать с их принадлежностью к D- и L- ряду, он определяется экспериментально. Так, среди альдопентоз и альдогексоз D-стереохимического ряда имеются как лево-, так и правовращающие соединения. Например, природные фруктоза и глюкоза обозначается: D(–) фруктоза (или раньше D, l фруктоза), т. е. фруктоза обладает левым вращением; D(+) глюкоза (или раньше D,d глюкоза), т. е. глюкоза обладает правым вращением. D(+) и L(–) глицериновые альдегиды являются родоначальниками генетических рядов сахаров (альдоз). Каждый моносахарид в этом ряду, начиная с глицеринового альдегида, при введении еще одного атома углерода дает два стереоизомера (диастереомера) – (рис. 3). Семейство кетоз (рис. 4) формально можно произвести от дигидроксиацетона путем последовательного наращивания цепи на один атом углерода.

кетотриоза

Рисунок 3 – Генетический D-ряд альдоз

 

Рисунок 4 – Генетический D-ряд кетоз

 

Подавляющее большинство природных моносахаридов принадлежит к D-ряду. Каждой альдозе D-ряда соответствует энантиомер L-ряда с противоположной конфигурацией всех (!) центров хиральности.

Как следует из схемы, восемь стереоизомеров Д-альдогексоз имеют одинаковое химическое строение, но отличаются конфигурацией одного или нескольких асимметрических атомов углерода, т. е. являются диастереоизомерами и поэтому каждый из них имеет свое название (глюкоза, манноза, галактоза и т. д.). Альдозы, отличающиеся одна от другой конфигурацией только одного соседнего с карбонильной группой асимметрического атома углерода, называются эпимерами. Так, глюкоза и манноза, рибоза и арабиноза являются эпимерами. Эпимеры – частный случай диастереоизомеров.

Понятие о конформационной изомерии. Для сахаров в циклической форме возможен еще один вид пространственной изомерии – конформационная изомерия, связанная с расположением в пространстве углеродных атомов шестичленного цикла. Однако, если для циклогексана известно всего две конформации – «кресло» и «ванна», то для моносахаридов в пиранозной форме известно 8 конформаций – две креслообразных и шесть типа ванны ввиду присутствия в шестичленном цикле гетероатома – кислорода. Шесть ваннообразных конформаций энергитически менее выгодны и их существование можно не учитывать. Из двух креслообразных конформаций

 

 

С1 – изомер более предпочтителен, так как подавляющее число заместителей в нем ориентировано в экваториальном, совпадающем с плоскостью цикла, направлении. Именно в виде С1 – конформации существует большинство моносахаридов, например, для D-глюкопиранозы в этой конформации первичноспиртовая СН₂ОН-группа и гидроксильные группы занимают экваториальные положения. При этом полуацетальный гидроксил у b-аномера находится в экваториальном, а у a-аномера – в оксиальном положениях. Поэтому b-аномер D-глюкозы преобладает в равновесной смеси над a-аномером:

 

a-D-глюкопираноза (36%)

D-глюкоза

b-D-глюкопираноза (64%)

 

Аномеры образуются не в равных количествах, а с преобладанием термодинамически более устойчивого диастереоизомера.

Конформационное строение D-глюкопиранозы обьясняет уникальность этого моносахарида. b-D-глюкопираноза – моносахарид с полным экваториальным расположением объемных заместителей. Обусловленная этим высокая термодинамическая устойчивость – основная причина широкой распространенности ее в природе.

Конформационное строение моносахаридов обуславливает формирование пространственного строения длинных полисахаридных цепей, т. е. вторичную структуру.

Наличие в пиранозном цикле атома кислорода определяет ряд дополнительных факторов, влияющих на устойчивость аномеров. Например, при замещении в молекуле D-глюкопиранозы полуацетальной гидроксильной группы на алкоксильную (при образовании гликозидов) более выгодной может стать a-аномерная форма. Стремление алкоксильной группы занять аксиальное положение связано с так называемым аномерным эффектом, который проявляется как результат отталкивания между сближенными в пространстве электронными парами двух атомов кислорода – циклического и входящего в состав алкосиальной группы. В a-аномере такое отталкивание электронных пар отсутствует, т. к. атомы кислорода пространственно удалены.

R-, S- номенклатура моносахаридов. D, L- система обозначений для моносахаридов не вполне универсальна, так как основывается на конфигурации одного из многих центров хиральности. Однако она используется в химии углеводов и лишь в редких случаях заменяется R-, S- номенклатурой.

Например, D-глюкоза получает название (2R,3S,4R,5R)-2,3,4,5,6-пентагидроксигексаналь:

 

D-глюкоза

R по С2

S по С3

R по С4 и С5

 

В циклических формах моносахаридов независимо от размера кольца (пиранозное или фуранозное) атом углерода карбонильной группы становится асимметрическим и он также имеет 2 зеркальные конфигурации. Например, для D-глюкозы:

a-D-глюкопираноза

D-глюкоза

b-D-глюкопираноза

 

С₁ – новый хиральный центр, этот атом называют аномерным. Две стереоизомерные формы глюкозы отличаются конфигурацией одного хирального центра С₁ и называются a- и b-формами, a- и b-аномерами. У a-аномера конфигурация аномерного центра одинакова с конфигурацией «концевого» хирального центра, определяющего принадлежность к D- или L-ряду, а у b-аномера – противоположна, т. е. эти ОН-группы находятся на противоположных сторонах. Аномерные префиксы a- и b- используют только в сочетании с конфигурационными префиксами (D- и L-). Но в целом a- и b-аномеры из-за наличия еще нескольких центров хиральности являются не энантиомерами (зеркальными изомерами), а диастерео-изомерами. Циклические формы моносахаридов, следовательно, содержат на один асимметрический атом углерода больше, чем открытые, поэтому у них в два раза больше оптически активных изомеров, т. е. N = 2⁵ = 32.

Перспективные формулы Хеуорса. Для изображения циклических форм моносахаридов можно пользоваться более наглядными перспективными формулами Хеуорса. Формулы Хеуорса представляют собой шестиугольники и пятиугольники, изображенные в перспективе – цикл лежит в горизонтальной плоскости, связи, расположенные ближе к наблюдателю, изображаются более жирными линиями. Атом кислорода располагается в пиранозном цикле в правом верхнем углу, в фуранозном - за плоскостью цикла, углеродные атомы, входящие в цикл, не пишутся, а только нумеруются от кислорода по часовой стрелке. Все группы (Н и ОН), расположенные справа в формуле Фишера, пишут под плоскостью цикла, а расположенные слева – над плоскостью цикла, концевая СН₂ОН группа располагается сверху от плоскости молекулы, если моносахарид относится к D-ряду, и снизу от плоскости, если он относится к L-ряду.

Таким образом, в формулах Хеуорса полуацетальный гидроксил и концевая СН₂ОН группа располагаются у a-аномеров по разные стороны кольца, а у b-аномеров – по одну сторону (кружком обведены полуацетальные гидроксилы):

 

a-D-глюкофураноза

 

a-D-глюкопираноза

 

Аналогично можно осуществить переход от формул Фишера к формулам Хеуорса на примере одного из аномеров фуранозной формы D-фруктозы:

b-D-фруктофураноза

Таутомерия моносахаридов в растворах. Характерной особенностью моносахаридов является их ярко выраженная способность к таутомерным превращениям. Углеводы были исторически одними из первых веществ, для которых наблюдалось явление таутомерии. Различают два вида изомерии моносахаридов в растворах:

· кето-енольную;

· кольчато-цепную или оксо-окси-таутомерию.

Кето-енольная таутомерия моносахаридов происходит при действии щелочей и состоит в переходе карбонильной формы (альдегидной или кетонной) в ендиольную с двумя ОН-группами при атомах углерода, связанных двойной связью, т. е. в образовании ендиола общего для эпимерных моносахаридов. Благодаря кето-енольной таутомерии, эпимерные моносахариды могут превращаться друг в друга. Например, в щелочной среде фруктоза претерпевает таутомерное превращение в глюкозу, которая и реагирует с фелинговой жидкостью:

D-фруктоза

Енол (ендиол)

D-глюкоза

 

Кольчато-цепная таутомерия моносахаридов заключается в существовании кольчатых (циклических) форм и цепной (т. е. с открытой углеродной цепью) формы моносахарида, находящихся в растворе в динамическом равновесии. Обычно циклические формы моносахаридов преобладают над открытой цепной формой. Например, известно, что в водных растворах глюкоза находится, главным образом, в виде a- и b- глюкопираноз, в меньшей степени – в виде a- и b-глюкофураноз и совсем небольшое количество глюкозы – в виде открытой, альдегидной формы (0,024 %). В целом пиранозные формы резко преобладают над фуранозными формами. В растворах установление равновесия между четырьмя циклическими таутомерами моносахаридов протекает через открытую форму - оксо-форму:

 

	a-D-глюкофураноза		a-D-глюкопираноза
	b-D-глюкофураноза		b-D-глюкопираноза

 

В зависимости от условий реакции и примененных реагентов моносахариды реагируют в одной из таутомерных форм: пиранозной, фуранозной или ациклической, оксо-форме, так как расходование одной из них в ходе реакции сдвигает таутомерное равновесии в сторону реагирующей формы. Например, несмотря на незначительное содержание оксо-формы, глюкоза вступает в реакции, характерные для альдегидной группы. Таутомерия лежит в основе множественности химических свойств моносахаридов. Аналогичные таутомерные превращения происходят в растворах со всеми моносахаридами и большинством известных дисахаридов. Так, для важнейшего представителя кетогексоз D-фруктозы схема таутомерных превращений имеет следующий вид:

	a-D-фруктопираноза		a-D-фруктофураноза
	b-D-фруктопираноза		b-D-фруктофураноза

Мутаротация. Кольчато-цепная таутомерия моносахаридов является причиной любопытного свойства простых углеводов. В кристаллическом состоянии моносахариды находятся только в циклической форме. В зависимости от условий кристаллизуется либо a-, либо b-форма. Так, при кристаллизации из воды глюкоза получается в виде a-D-глюкопиранозы, а при кристаллизации из пиридина – в виде b-D-глюкопиранозы. После растворения a-D-глюкопиранозы в воде вначале наблюдается характерное для нее значение удельного вращения, равное [a] = +112,2 ⁰. Однако при стоянии раствора эта величина постепенно снижается и наконец достигает устойчивого значения +52,5⁰. Это явление получило название мутаротации.

Мутаротация – явление самопроизвольного изменения угла вращения плоскости поляризации или изменение оптической активности при стоянии свежеприготовленного раствора сахара, связаное с тем, что в растворе устанавливается равновесие между циклическими a- и b-пиранозными формами, которые переходят друг в друга в результате раскрытия пиранозного цикла с образованием открытой оксо-формы.

Взаимопревращение a- и b-аномеров друг в друга через промежуточную оксо-форму называется аномеризацией.