3.2. Свойства и структура моносахаридов

Специфика химических свойств углеводов заключается уже в том, что не имеет смысла рассматривать отдельно реакции, обусловленные только спиртовыми функциями или только карбонильными. Прежде всего, мы познакомимся с теми их свойствами, которые обусловлены взаимным влиянием этих функций, поскольку результатом их взаимного влияния являются существенные структурные изменения и появление новых химических свойств молекул моносахаридов.

Поскольку карбонильные группы обладают ярко выраженной способностью к присоединению нуклеофильных реагентов (можно однозначно назвать эти реакции самым характерным их свойством), а в молекулах сахаров присутствуют эти нуклеофильные группы (спиртовые функции) в количестве, более чем достаточном, то естественно

Схема 3.2.1

ожидать от них осуществления этой реакции внутримолекулярным вариантом. И она осуществляется. Остается только выяснить, какой именно гидроксил осуществляет этот процесс и каков результат этого процесса Согласно пространственному строению моносахаридной молекулы, наиболее благоприятны для нуклеофильной атаки гидроксильные группы при углеродах если мы за основу возьмем альдогексозу; если за основу возьмем альдопентозу. Второй фактор, влияющий на выбор гидроксильной группы для этой реакции — это устойчивость образующегося циклического полуацеталя: образование малых циклов (четырехчленных, например) энергетически невыгодно из-за байеровского напряжения; образование больших циклов (семичленных, например) невыгодно по причине торсионных дестабилизирующих взаимодействий.

Из классической органической химии известно, что пяти- и шестичленные циклы, как карбоциклические, так и гетероциклические, термодинамически наиболее предпочтительны.

Следствием этих основных факторов является преимущественное образование шестичленного циклического полуацеталя в случае глюкозы (и других альдогексоз), пятичленного циклического полуацеталя в случае рибозы (и других альдопентоз), пятичленного циклического полуацеталя в случае фруктозы (и других кетогексоз). В номенклатуре соединений это отражают введением названия соответствующего кислородного гетероцикла в качестве корневого слова — пираноза и фураноза. Но надо еще раз подчеркнуть, что такое формирование циклических форм является преимущественным: образование фураноз в случае альдогексоз и пираноз в случае альдопентоз также не исключено.

Схема 3.2.2

Согласно предложению Хеуорса, формулы всех циклов представляют схематически плоскими, что удобно для представления взаимного расположения гидроксильных групп, а для пятичленных циклов это близко к истине При анализе циклических структур моносахаридов первое, что мы можем отметить — это исчезновение карбонильной функции и появление новой гидроксильной функции при полуацетальной вообще или гликозидной, применительно к углеводам) и, соответственно, нового асимметрического центра при этом же углеродном атоме Так вот, в силу планарности карбонильной группы, присоединение реагента к ней возможно с обеих сторон плоскости, результатом чего является пара циклических изомеров (диастереомеров), называемых а- и p-формами (а- и -аномерами) А во-вторых, возникает вопрос, что же является истиной для моносахаридов в структурном плане. Многочисленными пионерскими работами в начале двадцатого столетия, основанными на виртуозных химических превращениях, а также современными исследованиями, в большей степени использующими физические методы масс-спектроскопия, РСА) показано, что в растворах существует динамическое равновесие между всеми тремя формами, а в кристалле — только циклические формы или в зависимости от природы углевода и условий кристаллизации Динамическое равновесное состояние моносахаридов называют кольчато-цепной таутомерией. Соотношение между различными формами таутомерной смеси в растворе весьма трудно определяемо, так как оно в существенной степени зависит от природы моносахарида и от среды.

Глюкоза, конечно же, изучена лучше всех по всем аспектам. Так, для нее было установлено, что при кристаллизации из воды или из спирта образуются кристаллы чистой a-D-глюкопиранозы, а при кристаллизации из пиридина — только p-D-глюкопираноза. В водном растворе D-глюкоза существует в виде смеси а- и p-форм в соотношении

3664, т.е. все-таки предпочтительнее является (-структура глюкозы Ациклическая форма глюкозы в растворе присутствует в столь незначительных количествах, что не регистрируется физическими методами (т.е. менее одного процента), но она безусловно есть, ибо не был бы возможен таутомерный переход между а- и -формами. Указанное выше равновесие устанавливается при растворении чистой a-D-глюкозы в воде через 24 часа. Кроме того, только она — ациклическая форма глюкозы — дает четкие реакции альдегидной группы. В столь же незначительных концентрациях в растворе присутствуют и фуранозные формы глюкозы.

К настоящему моменту установлено, что преобладающей формой и для альдогексоз, и для альдопентоз, является наиболее термодинамически выгодная пиранозная. Только в нескольких случаях в растворах моносахаридов фуранозная форма зафиксирована в значительных количествах (на уровне ): для рибозы, альтрозы, иодозы и талозы. Кроме того, следует отметить, что иногда (можно сказать, в исключительных случаях) альдогексоза может образовать и семичленный цикл взаимодействием гидроксила при с альдегидной функцией. Такую форму, называемую септаноза, образует тетраметил глюкоза.

Несколько иначе обстоит дело с таким типичным моносахаридом кетозной структуры, как фруктоза. Из двух возможностей образования циклической формы (пиранозной и фуранозной), она реализует обе. В водном растворе фруктоза существует в виде смеси таутомеров, в которой содержится до 15% (З-фуранозной формы, значительные количества ациклических форм, но в основном, пиранозитный таутомер. В кристаллическом состоянии известна только p-D-фруктопираноза (схема 3.2.3). Следует отметить, забегая несколько вперед, что ее природные производные по полуацетальному гидроксилу всегда имеют фуранозную структуру.

Из альдопентоз следует выделить рибозу, как наиболее распространенный моносахарид (в виде производных, конечно) 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 а для производных характерна 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, [-глюкопира-ноза окажется термодинамически предпочтительной и по стереохимическому расположению всех заместителей цикла — они расположены экваториально. В связи с этим, становится понятным предпочтение, отданное Природой (-форме глюкозы при построении различных биологических структур, которые,

Схема 3.2.3

(см. скан)

Схема 3.2.4

(см. скан)

Схема 3.2.5

в первую очередь, требуют стабильности.

а-Форма глюкопиранозы отличается аксиальным положением гликозидного гидроксила. Факторов, определяющих относительную стабильность а-изомера (часто называемую аномерным эффектом), несколько, но основным, очевидно, является стабилизирующее взаимодействие неподеленной электронной пары эндоциклического кислорода и свободной орбитали связи , 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 альдопираноз, мы увидим, что при переходе от глюкопиранозы ко всему остальному

Схема 3.2.6

Схема 3.2.7

ряду альдогексоз, гидроксильные функции периодически меняют свое положение с экваториального на аксиальное, за исключением группировки она всегда экваториальна. Только -иодоза имеет аксиальное положение 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 (схема 3.2.7).