Цикло-цепные таутомеры моносахаридов

По мере изучения свойств моносахаридов выяснилось, что открытые (цепные) формулы не описывают полностью химическое поведение сахаров. Например, несмотря на наличие в молекуле глюкозы пяти ОН– групп, только одна из них вступает в реакцию со спиртами в присутствии сухого хлористого водорода с образованием гликозидов. Для объяснения подобных противоречий было высказано предположение (1870 г. А. Колли; 1883 г. Б. Толленс), что истинное строение моноз не описывается лишь открытой (цепной) формулой. Моносахариды образуют в водном растворе таутомерные смеси открытых и циклических форм. В основе их образования лежит внутримолекулярная реакция нуклеофильного присоединения спиртовых групп к альдегидной или кетонной группе:

H⁺ полуацетальный,

+ HOR или гликозидный

гидроксил

полуацеталь

Такой реакции способствует клешневидноя конформация углеродной цепи углевода:

В 1925–30 гг. У. Хеуорс экспериментально определил размер возможных циклических таутомеров. Он предложил называть пятичленные циклы углеводов фуранозами, а шестичленные – пиранозами как производные фурана и пирана, соответственно:

 

 

 

фуран пиран

Пример. Изобразите цикло-цепные таутомеры D-рибозы по Фишеру и Хеуорсу.

 

Пиранозные формы рибозы образуются путем взаимодействия гидроксильной группы при С₅ рибозы с альдегидной группой:

b,D–рибопираноза D–рибоза a,D–рибопираноза

 

Образование циклической полуацетальной формы приводит к появлению нового хирального центра у первого атома углерода, в результате при такой циклизации получаются два диастереомера, которые отличаются конфигурацией только С₁ атома и называются a - и b-аномерами. В a- форме полуацетальный (гликозидный) гидроксил справа от углеродной цепи молекулы; он расположен с той же стороны, что и гидроксил, определяющий принадлежность углевода к D-ряду. В b-форме эта группа с противоположной стороны, слева.

 

Аналогично, только с участием гидроксила при атоме С₄, происходит образование фуранозных форм D-рибозы:

 

b,D–рибофураноза D–рибоза a,D–рибофураноза

 

Перспективные формулы Хеуорса

 

Недостатком проекционных формул Фишера является их несоответствие истинной геометрии молекулы. Поэтому для циклических таутомеров были введены формулы Хеуорса, которые строятся по следующим правилам:

1. Написать формулу Фишера для цепной формы углевода.

2. Написать формулу для циклической таутомерной формы и пронумеровать атомы углерода в ней.

a,D–рибопираноза D–рибоза a,D–рибофураноза

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

 

3.
Нарисовать необходимый цикл (5- или 6-членный) с атомом кислорода в правом верхнем углу и пронумеровать атомы углерода, связанные с кислородом, по часовой стрелке (см. рисунок)

4. Заместители, стоящие справа от цепи в проекции Фишера, располагают снизу от плоскости цикла, а стоящие слева – сверху.

Исключение составляют заместители у того углеродного атома, при котором происходит циклизация. У такого атома углерода необходимо делать циклическую перестановку заместителей (см. рисунок).

a,D –рибопираноза (по Хеуорсу) a, D–рибофураноза (по Хеуорсу)

 

 

 

Цикло-цепная таутомерия моносахаридов – это существование в водном растворе смеси таутомерных форм, способных превращаться друг в друга через открытую таутомерную форму:

 

 

 

a,D-рибопираноза a,D-рибофураноза

18 % 16,5 %

 

D-рибоза

8,5 %

 

 

b,D-рибопираноза b,D-рибофураноза

51 % 6 %

 

Мутаротация сахаров

При растворении кристаллической таутомерной формы углевода в воде наблюдается явление мутаротации.

Мутаротация объясняется тем, что кристаллический циклический таутомер, растворяясь в воде, переходит постепенно через открытую форму во все другие таутомерные формы.При этом угол вращения плоскости поляризованного света будет меняться во времени до достижения равновесия между всеми цикло-цепными таутомерами. Это изменение во времени угла вращения плоскости поляризованного света в свежеприготовленных растворах сахаров называется мутаротацией.

Конформации моносахаридов

Углеводы в циклической форме существуют в виде неплоских конформаций. Так, для пиранозных форм наиболее энергетически выгодной является конформация «кресла».

В равновесной смеси таутомеров D-рибозы преобладает b,D-рибопираноза (51 %), так как этот таутомер существует в конформации кресла с экваториальным расположением большинства гидроксильных групп, что обеспечивает стабильность этой формы:

 

b, D–рибопираноза

Только одна ОН группа в третьем положении кольца занимает аксиальное положение в этой конформации.

В конформации a,D-рибопиранозы таких групп две – в первом и третьем

положениях:

a, D- рибопираноза

 

Эта форма менее стабильна; ее содержание составляет всего 18 %.

Пятичленные циклы и ациклическая форма содержатся в смеси в меньшей

концентрации.

Эпимеризация

 

Под действием щелочей некоторые моносахариды, отличающиеся конфигурацией одного хирального центра, могут превращаться друг в друга через промежуточное образование общей ендиольной формы:

D-глюкоза ендиол D-манноза

(63,5%) (2,5%)

D-фруктоза

(31%)

Стереоизомеры, отличающиеся конфигурацией одного хирального центра, называются эпимерами, а процесс их взаимного превращения друг в друга в щелочной среде – эпимеризацией.