моносахариды
МОНОСАХАРИДЫ
углеводы, представляющие собой полигидроксиальдегиды (альдозы) и полигидроксикетоны (ке-тозы) общей формулы СnH2nОn (п = 3–9), в которых каждый атом С (кроме карбонильного) связан с группой OH, и производные этих соед., содержащие разл. др. функц. группы, а также атом Н вместо одного или неск. гидроксилов.
По числу атомов С различают низшие М. (триозы и тетрозы; содержат в цепи соотв. 3 и 4 атома С), обычные (пентозы и гексозы) и высшие (гептозы, октозы, нонозы). Углеродные атомы в молекулах М. нумеруют таким образом, чтобы атом С карбонильной группы имел наим. номер (рис. 1 и 2).
Простейшая из альдоз, глицериновый альдегид (глицероза, или альдотриоза), содержит один асим. атом C в положении 2 и существует в виде двух оптич. изомеров — D или L (соотв. R или S по номенклатуре стереохимической Кана-Инголда-Прелога; формулы I и II).
Другие М. имеют неск. асим. атомов С; их рассматривают как производные D- или L-глицеринового альдегида и относят к D- или L-ряду (абс. конфигурация М.) в соответствии с конфигурацией предпоследнего (п — 1) атома С.
Различия между изомерными М. в каждом ряду обусловлены относит. конфигурацией остальных асим. центров; каждой относит. конфигурации в альдотетрозах, альдопентозах и альдогексозах соответствует тривиальное назв. мо-носахарида (рис. 1). Для обозначения конфигураций высших Сахаров используют префиксы, образованные из таких назв. (напр., L-глицеро-D-манно-гептоза; III). Стереохим. взаимоотношения между М. хорошо иллюстрируются проекционными Фишера формулами, в которых группа OH располагается справа от вертикальной черты, обозначающей углеродную цепь, если соответствующий асим. центр имеет D-конфигурацию, и слева, если он имеет L-конфигурацию. Каждому представителю D-ряда соответствует его оптич. антипод, относящийся к L-ряду, в котором все асим. центры имеют противоположную конфигурацию. Общее число изомерных альдоз равно 2n, где п — число асим. атомов С в молекуле.
Кетозы по сравнению с альдозами с той же длиной углеродной цепи содержат на один асим. атом С меньше. Однако у них встречается еще один вид изомерии, обусловленный разл. положением карбонильной группы. У большинства прир. кетоз атом С карбонильной группы занимает положение 2; представители D-ряда таких кетоз показаны на рис. 2.
Карбонильные группы М. легко реагируют внутримолекулярно с группами OH, образуя циклич. полуацетали. Последние могут представлять собой пятичленный (фуранозная форма) или шестичленный (пиранозная форма) цикл и отличаться конфигурацией образующегося на месте карбонильной группы нового асим. центра (атом С этого асим. центра наз. а н о м е р н ы м, или г л и к о з и д н ы м). Эту конфигурацию обозначают буквой а, если она совпадает с конфигурацией центра, определяющего принадлежность М. к D- или L-ряду, и буквой Р в противоположном случае. Изомеры, различающиеся лишь конфигурацией аномерного атома, наз. а н о м е р а м и, а изменение конфигурации при этом атоме — а н о м е р и з а ц и е й. Для изображения циклич. форм М. удобно пользоваться Хоуорса формулами (см., напр., формулы IV и V-пиранозная и фуранозная формы кетозы, а также рис. 3-циклич. формулы альдозы).
В растворе каждый М. находится в виде смеси таутомеров (напр., рис. 3), соотношение между которыми в состоянии равновесия определяется их термодинамич. устойчивостью; в большинстве случаев преобладают пиранозные формы, а ациклические присутствуют в следовых количествах. Напротив, М. в кристаллич. состоянии представлены одной из таутомерных форм. Растворение кристаллов сопровождается таутомерными превращ., за протеканием которых можно следить по изменению во времени величины оптич. вращения (это явление наз. мутаротацией).
Рис. 3. Таутомерное равновесие D-глюкозы.
Фуранозные формы М. термодинамически менее выгодны, чем пиранозные, поскольку в практически плоском пятичленном цикле заместители вынуждены находиться в нестабильной заслоненной конформации. Напротив, шести-членные циклы имеют кресловидную форму, в которой заместители при соседних атомах С занимают более выгодные положения, соответствующие скошенной конформации. Существуют два типа кресловидной конформации пираноз-1C4 и 4C1 (цифры в верх. и ниж. индексах показывают номера атомов С, находящихся соотв. в верх. и ниж. положениях кресла). Более устойчивым является кресло с наим. числом объемистых аксиальных группировок. Поэтому для большинства альдогексоз D-ряда предпочтительным является кресло 4C1 с экваториальной группой CH2OH и только для D-идозы в равновесии преобладает конформа-ция 1C4 (влияние накопления аксильных групп ОН):
На относит. устойчивость α- и β-форм кроме пространств. факторов влияют диполь-дипольные взаимод. — аномерный эффект, в результате которого заместитель при аномерном атоме стремится занять аксиальное положение (особенно в малополярных растворителях), и D2-эффект, заключающийся в повыш. нестабильности конформера с экваториальным заместителем у аномерного атома при наличии аксиального гидроксила в положении 2 (вследствие взаимного отталкивания атомов О; см. формулу Ньюмена):
Кроме того, на относит. устойчивость α- и β-форм влияют водородные связи, которые могут играть стабилизирующую роль в относительно малополярных растворителях, и некоторые др. факторы.
Кроме обычных известно неск. групп М., отличающихся своеобразным набором функц. групп или структурой углеродной цепи. К ним относятся дезоксисахара (одна или неск. групп OH замещены на атомы Н), аминосахара (одна или неск. групп OH замещены на аминогруппы), уроновые кислоты (группа CH2OH окислена в карбоксильную), разветвленные сахара (имеют разветвленную углеродную цепь с метильной, гидроксиметильной или альдегидной группой в качестве ответвлений), высшие 2-кето-3-дезоксиальдоновые кислоты, в т. ч. сиаловые кислоты — производные 2-кето-3,5-дидез-окси-5-амино-D-глицеро-D-галакто-нононовой (нейрамино-вой) кислоты (формула VI).
Физические и химические свойства. М. — бесцв. кристаллич. вещества, легко раств. в воде, ДМСО, трудно — в этаноле, не раств. в неполярных органических растворителях. Важнейшие физ.-хим. характеристики М.-уд. вращение, используемое наряду с хроматографич. методами для идентификации природных М., и спектры ПМР, с помощью которых можно определить относит. конфигурацию М. Для выяснения абс. конфигурации используют рентгеноструктурный анализ кристаллов или хим. трансформацию М. в более простые соед. с известной конфигурацией.
Хим. свойства М. обусловлены наличием в их молекулах групп C=O (у ациклич. таутомера) и ОН. При действии NaBH4 в водном растворе карбонильная группа М. количественно восстанавливается до спиртовой; образующиеся полиолы в виде летучих ацетатов или триметилсилиловых эфиров можно использовать для количеств. анализа смесей М. с помощью ГЖХ. Группы C=O альдоз в мягких условиях окисляются бромной водой с образованием лактонов альдоновых кислот. Кетозы в эту реакцию не вступают и м. б. таким образом выделены из сложных смесей с альдозами. Определение "восстанавливающей способности" (т. е. окисление группы C=O) используют в многочисл. методиках анализа М.
При действии оснований возможна енолизация группы C=O, сопровождающаяся изменением конфигурации соседнего асим. центра или миграцией карбонила (см. Лобри де Брюйна-ван Экенстейна реакция). В более жестких условиях происходят b-элиминирование заместителей и скелетные перегруппировки. При обработке кислотами в жестких условиях из пентоз образуется фурфурол, из гексоз — 5-гидроксиметилфурфурол; конденсация последних с фенолами или ароматич. аминами с образованием окрашенных соед. лежит в основе разнообразных методик спектрофотометрич. определения М.
Из реакций группы C=O с азотистыми соед. большое историч. значение имела конденсация М. с фенилгидрази-ном, приводящая к фенилозазонам. Широко используется реакция альдоз с NH2OH с послед. ацетилированием:
Образующиеся ацетилир. альдононитрилы удобны для анализа с использованием ГЖХ. Распад таких нитрилов под действием оснований служит для укорочения углеродной цепи М. на один атом, а присоединение HCN к карбонильной группе с послед. восстановлением нитрила в альдегид (Килиани — Фишера реакция) — для удлинения.
Из реакций групп OH широко используются образование простых и сложных эфиров, ацеталей, замещение на др. функцией, группировки, окисление и т. д. Метиловые эфиры (весьма прочные соед.) служат для постоянной защиты групп OH в структурном анализе олиго- и полисахаридов. Бензиловые эфиры применяют для временной защиты групп OH, поскольку эти группы легко удаляются гидрогено-лизом. Трифенилметиловые (тритиловые) эфиры удобны для избират. замещения первичных групп OH в присутствии вторичных. Ацетилирование широко применяют для временной неизбират. защиты всех групп OH в молекуле М., тогда как бензоилирование чаще используют для избират. замещения (первичные группы OH реагируют легче вторичных, экваториальные легче аксильных). Омыление эфиров, образованных орг. кислотами, легко осуществляется обработкой метилатом Na в метаноле и приводит к исходным М. Напротив, эфиры сульфокислот (тозилаты, мезилаты и трифлаты) применяют для активации соответствующей группы OH при нуклеоф. замещении, в т. ч. с обращением конфигурации. Это позволяет осуществлять эпимеризацию (напр., при действии бензоата Na) у к.-л. атома С (т. е. переход от одного М. к другому), замещение группы OH на атом галогена, на др. функц. группы (синтез амино- и тиосахаров), получать внутримол. простые эфиры (ангидросахара), ненасыщенные производные М. и т. д.
С альдегидами и кетонами М. образуют циклич. ацетали, строение которых определяется природой исходного М. и реагента (с альдегидами предпочтительно образуются шес-тичленные циклы, с кетонами — пятичленные); реакция может сопровождаться таутомерными превращ. (знак ~ показывает, что М. может иметь a- или b-конфигурацию), напр.:
Ацетали устойчивы в щелочных и нейтральных средах; в присутствии кислот гидролизуются, причем в ряде случаев возможно избират. удаление одной из двух присутствующих группировок, напр.:
Комбинации перечисл. реакций групп OH (образование и гидролиз простых и сложных эфиров, получение ацеталей) позволяют синтезировать частично защищенные М. с определенным расположением заместителей, что имеет важное значение в синтетич. химии М.
Окисление защищенных М., содержащих своб. первичную группу OH, применяют для получения уроновых кислот, а содержащих своб. вторичную группу OH-для получения карбонильных производных, широко используемых как про-межут. соед. в синтезе М. с новыми функц. группами, для разветвления углеродной цепи и для обращения конфигурации асим. центра при послед. восстановлении. Для анализа М. применяют специфич. окисление их йодной кислотой и ее солями — т. наз. периодатное окисление (см. Малапрада реакция).
Гидроксил у аномерного атома С (его называют аномерным, гликозидным, или полуацетальным) значительно отличается от прочих групп OH повыш. склонностью к реакциям нуклеоф. замещения. Его обмен на остатки спиртов приводит к образованию гликозидов. Если спиртовой компонентой гликозида (агликоном) служит др. молекула М., образуются олигосахариды и полисахариды. При кипячении М. с большим избытком низшего спирта в присутствии кислот (метод Фишера) образуется смесь изомерных гликозидов, соответствующих разным таутомерным формам М.:
При разделении этой смеси получают индивидуальные гли-козиды, устойчивые в щелочных и нейтральных средах, а при нагр. с водными кислотами дающие исходный М. Получение таких гликозидов служит наиб. удобным и распространенным способом временной защиты карбонильной группы М.
Для синтеза гликозидов со сложными агликонами применяют защищенные производные М. с фиксир. размером цикла, в которых гликозидный центр активирован введением подходящего заместителя (см., напр., Кёнигса — Кнорра реакция).
Распространение в природе. В природе широко распространены гексозы (D-глюкоза, D-галактоза, D-манноза, D-фруктоза) и пентозы (D-ксилоза, D-арабиноза, D-рибоза). М. редко в природе встречаются в своб. состоянии. Они входят в виде остатков в состав многочисл. гликозидов: олиго- и полисахаридов, более сложных биополимеров — гликопротеинов, гликолипидов, нуклеиновых кислот и др. Исключение — D-глюкоза, содержащаяся в плазме крови и соках растений, и D-фруктоза, большие количества которой имеются в меде и плодах некоторых растений.
Образование М. в растениях связано с ассимиляцией ими CO2 и происходит в результате фотосинтеза. Молекула CO2 присоединяется к 1,5-дифосфату D-рибулозы в хлоропластах с участием фермента рибулозодифосфат-карбоксилазы, а образующаяся в результате 3-фосфо-D-глицериновая кислота (формула VII) путем дальнейшего восстановления и конденсаций дает D-глюкозу (см. глюконеогенез) или D-фруктозу; при этом регенерируется молекула рибулозодифосфата (цикл Кальвина):
Распад гексоз, окислительный или анаэробный (гликолиз), служит источником энергии для большинства растит. и животных клеток; ферментативные трансформации гексоз приводят к получению др. природных М., а при более глубоких превращ. в обмене веществ из них образуются аминокислоты, липиды и др. орг. соединения. В многочисл. реакции окисления, гликозилирования, восстановления и эпи-меризации под действием соответствующих ферментов М. вступают в виде нуклеозиддифосфатсахаров (НДФС). Так, напр., из уридиндифосфат-D-глюкозы (VIII) могут образовываться уридиндифосфат-D-галактоза (IX) и уридиндифосфат-D-глюкуроновая кислота (X):
НДФС служат в живых клетках для построения гли-козидной связи; причем в зависимости от природы фермента, катализирующего гликозилирование, эта реакция может сопровождаться как сохранением, так и обращением конфигурации аномерного атома С.
В биосинтезе углеводсодержащих биополимеров с участием мембранных ферментов в качестве доноров гликозильных остатков выступают др. активированные производные М., наделенные липофильными свойствами-полипренилмоно-или полилренолдифосфатсахара; напр., бактопренол-11-ди-фосфатглюкоза (XI)
Получение и применение. М. получают кислотным гидролизом полисахаридов (напр., D-глюкозу-из крахмала, D-ксилозу-из богатых ксиланами отходов переработки с.-х. растений и древесины). Смесь глюкозы с фруктозой получают гидролизом сахарозы и используют в пищ. промети. D-Глюкоза находит применение в медицине. Восстановление D-глюкозы в D-сорбит и D-ксилозы в ксилит осуществляют в пром. масштабах водородом над никелевым катализатором. D-Сорбит служит исходным соед. в синтезе аскорбиновой кислоты (см. витамин C) и наряду с ксилитом используется как обладающий сладким вкусом заменитель сахарозы при заболевании диабетом. Разнообразные М. часто служат удобными хиральными исходными веществами в синтезе сложных прир. соед. неуглеводной природы.
Лит.: Химия углеводов, пер. с англ., М., 1967; Стоддарт Дж., Стереохимия углеводов, пер. с англ., М., 1975; Степаненко Б. Н., Химия и биохимия углеводов. Моносахариды, М., 1977; Общая органическая химия, пер. с англ., т. 11, М., 1986, с. 127–202; Khadem Hassan S. El., Carbohydrate chemistry. Monosaccharides and their oligomers, San Diego, 1988.
А. И. Усов
Химическая энциклопедия