Химические свойства моносахаридов. Олиго

Органическая химия
Курс лекций
для студентов фармацевтического факультета
Бауков Юрий Иванович
профессор кафедры химии
Белавин Иван Юрьевич
профессор кафедры химии
Российский национальный исследовательский
медицинский университет им. Н.И. Пирогова,
г. Москва
2012−
− 2013 учебный год, 4-й семестр
1
Лекция 23_08
Углеводы (II).
Химические свойства моносахаридов.
Олиго- и полисахариды
Исходный уровень к лекции 23_08
– углеводы (I), лекция 22(07)
Исходный уровень к лекции 24(09)
– гетероциклические соединения (школьный курс);
– ароматичность гетероциклов
(прошлый семестр, лекция 1)
2
Химические свойства моносахаридов.
Олиго- и полисахариды
● Химические свойства моносахаридов
○ Реакции алкилирования и ацилирования
○ Действие кислот и щелочей
○ Восстановление и окисление
● Олигосахариды
○ Восстанавливающие дисахариды
○ Невосстанавливающие дисахариды
● Полисахариды
○ Гомополисахариды
○ Гетерополисахариды
3
Химические свойства моносахаридов
Наиболее важные реакционные центры моносахаридов
CH2OH
CH2OH
OH
O
OH H
HO
1
2
OH
циклические α - и β -формы
–
–
–
–
1
OH H CH= O
OH
HO
2
OH
ациклическая форма
полуацетальный гидроксил;
спиртовые гидроксильные группы;
карбонильная группа ациклической формы;
СН-кислотный центр — атом С-2 в альдозах.
4
Действие кислот и щелочей
●
Кислоты
Разбавленные растворы минеральных кислот на холоду
– этим обусловлена возможность выделения моносахаридов
●
Разбавленные растворы щелочей
– катализируют таутомерное кетоенольное превращение
H
а,б
...
H
C
HO−C−H
OH
в
C− OH
...
H−C−OH
а
C
в
CH2OH
C =O
...
C
O
...
H
б
O
5
Взаимопревращения альдоз и кетоз
H
H
H
O
C
H
HO
H
H
OH
H
OH
OH
CH2OH
а
C
HO
HO
H
H
OH
б
C− OH
HO
H
H
H
OH
OH
C
O
H
H
OH
OH
CH2OH
в
CH2OH
C=O
CH2OH
HO
H
H
H
OH
OH
CH2OH
Состав водного раствора D-глюкозы после добавления Ca(OH)2:
D-глюкозы — 63,5%, D-маннозы — 2,5% и D-фруктозы — 31%.
6
Эпимеризация и изомеризация альдоз и кетоз
в условиях организма
в виде фосфатов
Взаимопревращения гексоз
Ферментативная изомеризация 6-фосфата D-глюкопиранозы в
6-фосфат D-фруктозы — одна из стадий катаболизма глюкозы.
H2O3POCH2
O
OH
HO
OH
OH
H2O3POCH2
O CH2OH
HO
OH
OH
Поскольку процесс должен включать ендиольный интермедиат,
предполагается, что имеет место
7
Взаимопревращения пентоз
CH2OH
C=O
HO
H
H
OH
CH2OPO3H2
CH2OH
C=O
H
OH
OH
H
CH2OPO3H2
CH=O
CH2
H
OH
H
OH
CH2OPO3H2
8
Восстановление
Альдиты
Альдиты (сахарные спирты) —
Пятиатомный спирт — ксилит
CHO
H
HO
H
OH
H
OH
CH2OH
CH2OH
H 2, Pd
H
HO
H
OH
H
OH
плоскость
симметрии
CH2OH
Ксилит —
9
Шестиатомные спирты — глюцит и маннит
При восстановлении альдоз получается один полиол,
кетоз —
из D-фруктозы образуются
CH2OH
C=O
HO
H
H
OH
H
OH
CH2OH
CH2OH
NaBH4
H
HO
H
H
OH
H
OH
OH
CH2OH
+
CH2OH
HO
HO
H
H
H
H
OH
OH
CH2OH
Альдиты часто используются как заменители сахара при
сахарном диабете
Восстановление глюкозы в сорбит —
10
Окисление
• Окисление в щелочной среде
R−C
R−C
O
+
H
O
H
+
Ag(NH3) 2OH
Cu2+ (комплекс)
Ag
+ продукты окисления
Cu 2O
+ продукты окисления
Моносахариды и любые углеводы, вступающие в реакции с
реактивами Толленса и Фелинга, называют
Кетозы также восстанавливают катионы металлов, так как
они в щелочной среде
11
• Окисление в нейтральной и кислой средах
−
Сильные окислители → альдаровые кислоты
Альдаровые кислоты —
CHO
H
HO
H
H
OH
H
OH
OH
COOH
HNO3 (разб)
CH2OH
H
HO
H
H
OH
H
OH
OH
COOH
Слабые окислители →
CHO
Br2, H2O
COOH
(CHOH)n
(CHOH)n
CH2OH
CH2OH
Альдоновые кислоты —
12
Образование лактонов и солей альдоновыми кислотами
CHO
H
HO
H
H
OH
H
OH
OH
COOH
Br2, H2O
CH2OH
H
HO
H
H
OH
H
OH
OH
CH2OH
HO
H
HO
H
H
CaCO3
O
OH
− H 2O
OH
CH2OH
COOH
OH
H
OH
OH
CH2OH
HO
H
HO
H
H
COOM
OH
H
OH
OH
CH2OH
13
Метаболизм D-глюконовой кислоты в условиях организма
Окислительное декарбоксилирование — путь от гексоз к пентозам
H
HO
H
H
COOH
OH
ферменты, НАДФ+
H
OH
– CO2, – НАДФН, – Н+
OH
CH2OPO3H2
CH2OH
C= O
H
H
OH
OH
CH2OPO3H2
14
Окисление первичной спиртовой группы без затрагивания
альдегидной группы → уроновые кислоты
Уроновые кислоты —
CH2OH
O
OH
COOH
OC2 H5
HO
COOH
O
[O]
OH
OC2 H5
H 3O+
HO
OH
O
C
HO
O
OH
OH
HO
OH
O O
OH
− H 2O
OH
OH
Декарбоксилирование уроновых кислот
− при нагревании их солей с металлами (никель, магний)
COOH
O
OH
O
OH
HO
OH
− CO2
OH
OH
HO
OH
15
в условиях организма
выведение салициловой кислоты в форме D-глюкуронида
COOH
гидролиз
− CH3COOH
OCOCH3
СООН
O
OH
~ OН
НО
OH
COOH
OH
+
НО
COOH
глюкуронид
салициловой кислоты
Образование гликозидов глюкуроновой кислоты, глюкуронидов,
— пример
16
Аскорбиновая кислота
(витамин С)
– относится к водорастворимым витаминам;
– фрукты (цитрусовые), ягоды (шиповник, черная смородина),
овощи, молоко;
– в промышленности производится из D-глюкозы.
Аскорбиновая кислота
1
COOH
2
HO
3
H 4
HO
5
6
C O
O
O
H
OH
H
CH2OH
HO
– H2O
H
H
HO
C O
O
OH
таутомерия
O
OH
H
H
CH2OH
HO
H
CH2OH
17
Аскорбиновая кислота по Хеуорсу
6
CH2OH
H 5
OH
4
CH2OH
H
O
3
2 1
OH
OH
OH
O
O
O
O
OH
Участие в окислительно-восстановительных
процессах в организме
CH2OH
H
OH
CH2OH
[O]
O
H
OH
O
O
O
[H]
OH
OH
O
O
18
Олигосахариды
Олигосахариды — углеводы,
Простейшие олигосахариды – дисахариды (биозы).
Природные дисахариды — О-гликозиды
+ Н2О
D-глюкоза + D-глюкоза
Целлобиоза + Н2О
D-глюкоза + D-глюкоза
Лактоза
+ Н2О
D-глюкоза + D-галактоза
Сахароза
+ Н2О
D-глюкоза + D-фруктоза
Мальтоза
C12H22O11
19
Восстанавливающие дисахариды
— мальтоза, целлобиоза, лактоза
Принцип построения восстанавливающих дисахаридов
O
O
1
4
1
O
2
3
2
OH
Восстановительные свойства и мутаротация свежеприготовленных растворов восстанавливающих дисахаридов
обусловлены их способностью к
Мальтоза
Мальтоза — дисахарид,
Мальтоза (солодовый сахар) — продукт неполного расщепления
крахмала под действием фермента.
20
Таутомерия мальтозы
CH2OH
CH2OH
CH2OH
O
O
O
OH
1
4
O
HO
OH
OH α
OH
OH
OH
OH
CH = O
O
HO
OH
CH2OH
O OH β
O
1
4
OH
O
HO
OH
– проросших
зернах хлебных
злаков
OH
OH
OH
CH2OH
содержится
в солоде
CH2OH
OH
менее сладкий
вкус
по сравнению с
сахарозой
21
Целлобиоза
Целлобиоза — дисахарид,
– образуется при неполном гидролизе полисахарида целлюлозы
Таутомерия целлобиозы
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
O
O
O
O
OH
1
HO
OH
O
4
OH
OH
OH α
OH
O
CH= O
OH
HO
OH
CH2OH
CH2OH
O OH β
O
OH
OH
1
O
4
OH
HO
OH
OH
22
Конформационное отличие мальтозы и лактозы
— следствие их конфигурационного различия
HO
HO
CH2OH
O
OH
аксиальная связь
O
HO
4
CH2OH
O
экваториальная связь
HO
HO
CH2OH
O
OH
OH
HO
O
1
OH
4
O
СН2ОН
OH 1
OH
Конформационное отличие мальтозы и лактозы — причина
23
Лактоза
Лактоза — дисахарид,
Лактоза (молочный сахар) — содержится в молоке (4–5%),
в женском молоке до 8%.
Таутомерия лактозы
CH2OH
HO
OH
CH2OH
O
1
O
4
OH
OH
CH2OH
HO
O
OH
OH α
OH
O
OH
CH2OH
применяется в фармации
при изготовлении
порошков и
таблеток из-за низкой
гигроскопичности
O
HO
OH
O
1
OH
O
4
CH2OH
O OH β
OH
OH
CH2OH
OH
OH
CHO
OH
структурный фрагмент
многих
олигосахаридов
24
Невосстанавливающие дисахариды
Принцип построения
невосстанавливающих
дисахаридов
O
O
1
CH2OH
O
OH
2
1
HO
1
O
2
Сахароза
HOCH2
HO
O
HO
O
2
α-конфигурация
(1→
→ 2)- и (2→
→ 1)гликозидные связи
β-конфигурация
1 CH2OH
OH
Сахароза — дисахарид,
– сахарный тростник, сахарная свекла (до 28%)
Растворы сахарозы
25
Химические свойства дисахаридов
Восстанавливающие дисахариды
– содержат гликозидный гидроксил и потенциальную
– образуют
• Кислотный гидролиз — характерная реакция дисахаридов
CH2OH
CH2OH
O
O
HO
OH
1
O
4
OH
OH + H2O
H+
CH2OH
CH2OH
O
O
HO
OH
OH
OH
+
OH
HO
OH
OH
OH
OH
26
Полисахариды
Полисахариды (полиозы, гликаны) — высокомолекулярные
углеводы,
– структурные компоненты клеток и тканей;
– защитные вещества;
– энергетический резерв
Принцип построения: звено моносахарида связано
Полисахариды
Гомополисахариды
(остатки одного моносахарида)
Гетерополисахариды
(остатки разных моносахаридов)
27
Гомополисахариды
Крахмал
Состоит из двух типов полимеров:
– амилозы (10-20%,
– амилопектина (80-90%).
• Гидролиз крахмала
(C6H10O5)n
гидролиз
крахмал
(C6H10O5)m , m < n
декстрины
Декстрины лучше крахмала растворимы в воде
Амилоза
CH2OH
O
OH
... O
α(1
CH2OH
O
OH
O
...
OH
OH
4)-гликозидная связь
28
Амилопектин
боковая
цепь
... O
CH2OH
O
OH
CH 2OH
O
OH
O
α(1
... O
α(1
HO
6
CH2OH
O
OH
CH 2- O
O
OH
O
OH
разветвление
4)
OH
основная
цепь
1
1
α(1
4
O
4)
6)-гликозидная
связь
CH 2OH
O
OH
...
OH
OH
Остатки D-глюкопиранозы в цепи связаны
29
Гликоген
— аналог растительного крахмала в животных организмах
По строению подобен амилопектину, но имеет еще большее
разветвление цепей (М ∼100 млн).
Гликоген — резервный углевод.
Целлюлоза
... O
OH
O
1
CH2OH
CH2OH
CH2OH
O
4
OH
O
O
OH
OH
β(1 4)-гликозидная связь
OH
O
...
OH
30
Гетеролисахариды
Полисахариды соединительной ткани
— хондроитинсульфаты, гиалуроновая кислота, гепарин
Хондроитинсульфаты
– кожа, хрящи, сухожилия;
– состоят из дисахаридных остатков N-ацетилхондрозина,
связанных β (1→4)-гликозидными связями.
COOH
O
OH
CH2OH
HO
O
O
1
HO
OH
D-глюкуроновая
кислота
OH
3
NHCOCH3
N-ацетил-Dгалактозамин
31
Хондроитин-4-сульфат
COOH
OH
... O
HO3SO
O
O
β(1
CH2OH
O
COOH
β(1
4)
OH
O
HO3SO
O
O
β(1
3)
OH
NHCOCH3
CH2OH
O
O
3)
OH
NHCOCH3
Гиалуроновая кислота
– стекловидное тело глаза, пуповина, суставная жидкость;
– построена из дисахаридных остатков, связанных β (1→4)гликозидными связями.
COOH
... O
OH
O
β(1
CH2OH
O
3)
O
COOH
β(1
4)
OH
O
HO
OH
D-глюкуро-
новая кислота
O
β(1
CH2OH
O
3)
O
...
HO
NHCOCH3
N-ацетил-Dглюкозамин
OH
D-глюкуроновая кислота
NHCOCH3
N-ацетил-Dглюкозамин
32
Гепарин
– локализован в печени;
– повторяющиеся дисахаридные фрагменты гепарина включают
остатки D-глюкозамина и уроновой кислоты (D-глюкуроновой
или L-идуроновой);
– в дисахаридном фрагменте реализуется α (1→4)- гликозидная
связь, а между дисахаридами или α (1→4)- или β (1→4)-гликозидная связь;
– аминогруппа часто сульфатирована или ацетилирована.
. .. O
фрагмент
фрагмент
L-идуроновой кислоты
L-идуроновой кислоты
CH2OSO3H
O
OH
O
O
COOH
OH
NHSO3H
α(1
CH2OSO3H
O
OH
O
4)
O
NHSO3H
OSO3H
α(1
COOH
O
OH
4)
α(1
4)
CH2OSO3H
O
OH
O
O
NHCOCH3
OH
β(1
O
COOH
OH
4)
α(1
4)
. ..
OSO3H
33