I .5. Таутомерия моносахаридов

Альдозы и кетозы, как и обычные альдегиды и кетоны, способны к енолизации под действием агентов основного характера (разбавленных щелочей, гидроокисей щелочноземельных металлов, пиридина и хинолина; под действием крепких щелочей моносахариды разлагаются). Этот процесс называется кето-енольной таутомерией.

Глюкоза (64%)                                                                                        Манноза (2,5%)

                                                                      Фруктоза (31%)

Таким образом, из глюкозы в присутствии основания образуются манноза и фруктоза. Такое взаимопревращение глюкозы, маннозы и фруктозы, являющихся эпимерами (соединениями, различающимися конфигурацией только при одном асимметрическом центре), называется эпимеризацией.

Енольные формы альдегидов и кетонов неустойчивы (правило Эльтекова-Эрленмейера). По этой причине образовавшийся ендиол легко претерпевает миграцию протона одной из гидроксильных групп и переходит в исходные карбонильные соединения. Когда мигрирует протон гидроксильной группы, связанной с первым углеродным атомом, образуются с равной степенью вероятности манноза и глюкоза, поскольку винильный фрагмент плоский и протон может атаковать его с любой стороны. При миграции протона гидроксильной группы, свя-занной со вторым атомом углерода, всегда образуется фруктоза и новых асимметрических атомов при этом не возникает. Обращает на себя внимание тот факт, что енолизация фруктозы происходит за счет отщепления протона от атома углерода первичноспиртовой, а не вторичноспиртовой группы. Возможно, это объясняется пространственными факторами (меньшей экранированностью первого из них).

Было установлено, что пентозы и гексозы в кристаллическом состоянии представляют собой внутренние циклические полуацетали, т.е. для них характерна кольчато-цепная или цикло-оксо-таутомерия. При этом одна из гидроксильных групп в молекуле внутримолекулярно взаимодействует с карбонильной группой, давая циклический полуацеталь.

 

 

Справедливость таких предположений подтверждается тем, что циклические полуацетали устойчивы, когда кислородсодержащий цикл пяти- или шестичленный. Было показано, что в равновесных смесях, которые дают данные моносахариды, циклические формы преобладают. При этом пятичленное оксидное кольцо назвали фуранозным, а шестичленное – пиранозным в соответствии с названиями пяти- и шестичленных кислородсодержащих гетероциклов – фурана и пирана (соответственно):

Приведенные выше циклические формулы моносахаридов неудобны в обращении, часто не дают возможности правильно судить о действительном пространственном расположении атомов в молекуле. Особенно трудно представить, какое место в пространстве относительно других атомов занимает, например, атом кислорода. В связи с этим было предложено изображать молекулы пиранозных и фуранозных форм моносахаридов с помощью так называемых перспективных формул (Хеуорз), т.е. таким образом, чтобы оксидное кольцо в них располагалось перпендикулярно плоскости рисунка.

 

 

                                                                     пиранозные формы глюкозы

 

 

                      

                                                                     фуранозные формы глюкозы

 

Превращение альдегидной формы моносахаридов в циклическую сопровождается появлением нового асимметрического атома углерода. Поскольку в каждом случае при образовании циклического полуацеталя гидроксил может атаковать атом углерода карбонильной группы с обеих сторон, такая циклизация приводит к смеси стереоизомеров с различной конфигурацией у вновь образовавшегося асимметрического атома углерода.

 

 

Такие диастереомеры стали называть аномерами (от греческого «ано» – вверху). Рассмотренные превращения, сопровождающие обращение конфигурации у С₁, обратимы. В случае D-глюкозы, например, они могут быть представлены следующим образом:

 

          

                      

                           a-аномер                                                    b-аномер

 

 Аномер моносахарида D-ряда, у которого гидроксил у вновь образовавшегося асимметрического атома углерода располагается под плоскостью цикла, называется a –аномером.

Используя такой подход, нетрудно написать формулы a– и b–аномеров любых пентоз и гексоз:

 

                        a- Рибоза b-                       a- Манноза b-

Следует отметить, что в проекции Фишера a-аномеры моносахаридов L-ряда будут содержать полуацетальный гидроксил над плоскостью цикла. Например:

 

                      L-глицериновый              a-аномер

                            альдегид                  L-арабинозы

Контрольные вопросы

1. Напишите структурную формулу любой альдопентозы. Нарисуйте полуацеталь фуранозы в a- и b-формах.

2. Напишите проекционные формулы a-D-глюкофуранозы,  b-D-фруктофуранозы, b-D-маннофуранозы, a-L-галактопиранозы.

3. Как можно доказать наличие циклической формы у D-фруктозы.

4.Написать уравнения реакций, с помощью которых можно превратить альдогексозу в альдопентозу и альдопентозу в альдогексозу.

5. Что происходит с D-галактозой в присутствии гидрооксида кальция.

6. Приведите для a-D-глюкопиранозы строение ее аномера, энантиомера, эпимера по С₂, эпимера по С₄. Изобразите его пиранозную и фуранозную формы.

7. Изобразите схему перехода в водном растворе 2-дезокси-b-D-рибофуранозы в таутомер, обладающий восстановительными свойствами.

I.6. Мутаротация

 

Вода                              Пиридин       a               +52,50         b         +112,20                           +17,50

Приведенные выше равновесия между циклической и открытой формами моносахаридов реализуются в расплавах или растворах. Это подтверждается тем, что при растворении в воде каждого из чистых кристаллических аномеров первоначальное удельное вращение растворов [α]_D меняется во времени, таким образом, что постепенно становится одинаковым для растворов полученных как из α-, так и из β-аномеров.

 

 

 

Например, для чистой α-D-глюкозы угол вращения при растворении в воде уменьшается от +112,2⁰ до +52,5⁰, а для чистой β-D-глюкозы угол вращения увеличивается от +17,5⁰ до +52,5⁰.

Это убедительно подтвердило существование равновесий цикло-оксо-тауто-мерии. Явление изменения удельного вращения свежеприготовленных водных растворов моносахаридов называется мутаротацией. В растворе D-глюкозы после установления равновесия содержится 35% α- и 64% β-аномера; концентрация открытой формы, через которую и осуществляются взаимопревращения аномеров, составляет всего 0,024%. Количество фуранозной формы исчезающе мало. Следует отметить, что концентрация открытых форм в растворах пентоз и фруктозы существенно больше. Так, для D-рибозы, например, она равна около 8,5%, а в случае фруктозы ее наличие легко определяется спектроскопически.

Конформации моносахаридов

 

Молекулы моносахаридов, как и молекулы других органических соединений, могут существовать в различных конформациях. Умение выбрать из числа из бесчисленного множества конформаций, которые может принимать молекула данного вещества, наиболее устойчивую, часто позволяет объяснить свойства и реакционную способность органических соединений. Это относится также и к моносахаридам.

Большое значение конформационный анализ имеет в ряду пиранозных форм альдоз и кетоз и их производных. В перспективных формулах полуацетальных форм моносахаридов оксидное кольцо во всех случаях изображалось как плоское. Для фураноз такое изображение, в основном, правильно отражает реальную форму молекулы, поскольку валентные углы в плоском пятичленном цикле практически не искажены. В случае пираноз ситуация аналогична наблюдаемой для циклогексана, для которого наиболее характерными являются формы - кресла и ванны. Причем, кресло наиболее выгодно. В случае пираноз конформации кресла будут выглядеть следующим образом: в конформации С1 первый атом углерода находится под плоскостью, в которой расположены атомы С₂, С₃, С₅ и О, а в конформации 1С – над ней.

Из всех конформаций наиболее устойчивой будет та, в которой нековалентные взаимодействия между отдельными заместителями (фрагментами) минимальны. Поэтому предпочтительной будет та конформация, в которой большая часть объемистых заместителей (гидроксильных и особенно оксиметильной групп) находится не в аксиальном, а в экваториальном положении.

Рассмотрим с этих позиций конформации D-глюкопиранозы, в молекуле которой имеется 4 гидроксильных и одна оксиметильная группы. В молекуле α–аномера в конформации С1 экваториальное положение занимают 3 гидроксильных группы и оксиметильная группы, а в конформации 1С в экваториальном положении находится только одна гидроксильная группа (при С₁). В случае β-аномера глюкозы конформер 1С вообще не будет иметь в экваториальном положении ни гидроксильных, ни оксиметильной групп. Естественно поэтому, что оба аномера D-глюкозы существуют практически только в конформации С1.