Химические свойства моносахаридов и их производных

Моносахариды, из-за склонности к кольчато-цепной тауто­мерии, могут реагировать как любой таутомер или как сово­купность разных таутомеров.

Кислотно-основные свойства. Моносахариды, являясь мно­гоатомными спиртами, подобно глицерину (рК_а = 14,0), в вод­ных растворах не проявляют кислотные свойства, о чем свидетельствует нейтральность среды этих растворов. В то же время в спиртовой среде при действии алкоголятов щелочных метал­лов они образуют соли - сахараты, которые в водной среде полностью гидролизуются:

Под действием даже водных щелочей в моносахаридах доно­ром протона может выступать также СН-группа, расположенная рядом с карбонильной группой. Поэтому в щелочной среде моно­сахариды подвергаются изомеризации, называемой эпимеризацией и сопровождаемой внутримолекулярной окислительно-восста­новительной дисмутацией. Эти превращения рассмотрены далее при описании окислительно-восстановительных свойств.

В отличие от самих моносахаридов, их сложные эфиры с фосфорной или серной кислотой являются сильными кислотами. Так, монофосфаты любых моносахаридов R—ОРО(ОН)2 за счет фосфатной группировки являются двухосновными кисло­тами с

Поэтому в любых био­логических средах они полностью ионизованы по первой ступе­ни, а при рН = 7 в значительной степени - по второй ступени. Моносульфаты моносахаридов R—OSO3H проявляют еще более сильные кислотные свойства (рК_а < 0,4), и, следовательно, в биологических средах их сульфогруппа всегда ионизована пол­ностью. Анионы фосфатов и сульфатов моносахаридов сосредо­точены во внутриклеточных жидкостях, и они, в отличие от самих моносахаридов, не проходят сквозь клеточные мембраны.

Аминосахара R—NH2 за счет аминогруппы проявляют зна­чительные основные свойства (рK_а(ВН⁺) = 6 - 8).

Комплексообразующие свойства. Моносахариды, подобно глицерину, в водных растворах взаимодействуют со свежеобра­зованным гидроксидом меди с образованием сахаратов ярко-синего цвета, которые устойчивы, так как являются хелатными комплексами катиона меди:

Эта качественная реакция используется для обнаружения моносахаридов и для демонстрации того, что моносахариды и другие углеводы - многоатомное спирты.

Склонность к комплексообразованию у фосфатов и сульфа­тов моно- и полисахаридов резко возрастает. При этом из-за не­высокой поляризуемости фосфатных и сульфатных групп они могут образовывать малоустойчивые комплексы с очень жестки­ми катионами К⁺ и Na⁺ и более устойчивые комплексы с менее жесткими катионами Mg²⁺ и Са²⁺. В результате комплексообразования, с одной стороны, происходит активация биосубстратов, содержащих фосфатные и сульфатные группы, под действием перечисленных катионов металлов, а с другой стороны - такие биосубстраты могут участвовать в минерально-солевом обмене и регулировать его.

Электрофильно-нуклеофильные свойства лежат в основе уже рассмотренной кольчато-цепной таутомерии моносахаридов (разд. 22.1). Образующиеся при этом циклические полуацетали содержат у аномерного углеродного атома гликозидную гидроксильную группу, проявляющую повышенную реакционную спо­собность в реакциях с алкилирующими и ацилирующими реагентами. Гликозидная связь С—О легко расщепляется, и ее аномерный углеродный атом становится активным электрофилом. Так, при взаимодействии со спиртами или фенолами в присутствии безводного НСl происходит активация электрофильного цен­тра на аномерном углеродном атоме и образуются циклические ацетали, называемые гликозидами (в действительности образу­ется смесь аномеров а- и Р-метилгликозидов):

С целью упрощения в формулах циклических таутомеров моносахаридов по Хеуорсу часто не изображают символы ато­мов водорода и их связей с атомами углерода цикла. Если речь идет о смеси а- и B-аномеров, то гликозидную связь обозначают волнистой линией. Гликозиды, в отличие от простых эфиров, легко гидролизуются в кислой водной среде. Поскольку в гликозидах нет полуацетального гидроксила, то они не способны к кольчато-цепной таутомерии и, следовательно, к мутаротации.

В гликозиде моносахарида остальные гидроксильные груп­пы выступают как нуклеофильные центры, и их водородные атомы замещаются при действии сильных алкилирующих реа­гентов с образованием полных простых эфиров моносахарида:

В названии полученного продукта гликозидная метильная группа специально выделена, чтобы подчеркнуть различие в химических свойствах ее и остальных четырех метоксигрупп. При действии воды, особенно в присутствии кислот, гликозид­ная группа легко гидролизуется, а простые эфирные группы сохраняются.

При обработке глюкозы уксусной кислотой происходит ацилирование только ее гликозидной ОН-группы. а при обработке уксусным ангидридом получается продукт полного ацилирования - ацетилтетраацетилглюкозид - полный сложный эфир глюкозы:

В живых организмах под действием аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) с участием ферментов происходит избиратель­ное фосфорилирование только по гидроксильной группе при ато­ме С-6 глюкозы с образованием глюкозо-6-фосфата:

Окислительно-восстановительные свойства. В моносахари­дах значения степеней окисления углеродных атомов изменяют­ся от —1 до +2, поэтому они способны к окислительно-восста­новительным реакциям, включая внутримолекулярную дисмутацию. Окислительно-восстановительные превращения моносаха­ридов для наглядности будем рассматривать на примере нецик­лического таутомера.

Эпимеризация моносахаридов. Обработка D-глюкозы основаниями способствует ее превращению в другие гексозы - D-маннозу и D-фруктозу. Молекулы D-глюкозы и D-маннозы различаются конфигурацией только углеродного атома в положении 2, и поэтому они являются эпимерами.

Эпимерами называются диастереомеры, различающиеся конфигурацией только одного углеродного атома в моле­куле. Химический процесс их взаимного превращения называется эпимеризацией.

В основе процесса эпимеризции находится кето-енольная тау­томерия моносахаридов в щелочюй среде, сопровождаемая внутримолекулярной окислительноно - восстановительной дисмутацией атомов С-1 и С-2. Наличие в моюсахаридах карбонильной груп­пы увеличивает подвижность зодородного атома при а - угле­родном атоме, что приводит к повлению кето-енольной таутоме­рии у этих соединений. В данном случае в результате переноса протона от С_а к кислородному тому карбонильной группы воз­никает промежуточный ендиол, который в результате различных таутомерных превращений образует три продукта: D-глюкозу, D-маннозу и D-фруктозу. Их сютношение зависит от условий проведения процесса: применение вместо Са(OOH)₂ более слабых оснований повышает содержание D-маннозы и уменьшает ко­личество D-фруктозы, а исполыование сильных оснований, на­оборот, способствует образованию D-фруктозы.

В организме под действием рермента фосфороглюкоизом в результате эпимеризации из глэкозо-6-фосфата, а образуется фруктозо-6-фосфат, что является II стадией катаболизма глюкозы (разд. 22.1.2).

Альдольное расщепление межуглеродной свя­зи. В организмах животных под действием фермента алъдолазы D-фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется с образованием дигидроксиацетонфосфата и D-глицеринового альдегида-3-фосфата:

Расщепление межуглеродной связи С₃-С₄ сопровождается внутримолекулярной дисмутацией, причем соседний с электро-ноакцепторной карбонильной группой атом С-3 выступает как окислитель, принимая электрон от атома С-4 - восстановителя. Эта реакция альдольного расщепления является III стадией ка­таболизма глюкозы в организме (разд. 22.1.2). Интересно, что в растениях данная реакция протекает на одной из стадий фотосинтеза, но в обратном направлении, и служит для получения D-глюкозо-1,6-дифосфата.

Присоединение циановодорода. И альдозы, и ке-тозы легко вступают в реакцию присоединения циановодорода, образуя оксинитрилы, которые легко гидролизуются в гликоновые кислоты:

В данных реакциях дисмутации углеродный атом карбониль­ной группы выступает окислителем, а углеродный атом цианово­дорода - восстановителем. Благодаря этим реакциям моносаха­риды способны нейтрализовать вредное действие цианидов на организм животных.

Окисление моносахаридов. Для альдоз характерны реакции окисления альдегидной и первичной спиртовой групп, при этом в зависимости от условий образуются кислоты двух типов. Так, при окислении глюкозы бромной водой окисляется альдегидная груп­па и образуется глюконовая кислота. Кальциевая соль глюконовой кислоты (глюконат кальция) применяется в фармакотерапии в тех же случаях, что и хлорид кальция. При окислении глюко­зы более сильным окислителем, например HNO3 или К2Сr2О7, окисляется не только углеродный атом альдегидной группы, но и углеродный атом первичной спиртовой группы. В результате образуется дикарбоновая кислота — глюкаровая кислота:

При действии сильных окислителей не на глюкозу, а на ее гликозид (в нем нет карбонильной группы) окисляется первич­ная спиртовая группа, и после гидролиза гликозидной группы образуется глюкуроновая кислота:

Глюкуроновая кислота проявляет все характерные свойства моносахаридов: кольчато-цепная таутомерия, мутаротация, эпимеризация. В организме глюкуроновая кислота в форме циклического таутомера — полуацеталя — участвует в процессе связыва­ния и удаления ксенобиотиков, вступая в реакции нуклеофильного замещения своего гликозидного гидроксила на остаток —OR или —NHR ксенобиотика.

Реакции мягкого окисления углеродного атома альдегидной группы катионами Ag⁺ и Сu²⁺ лежат в основе таких качествен­ных реакций на альдозы, как реакция серебряного зеркала (реактив Толленса - аммиачный комплекс Ag⁺) или реакция обра­зования Сu2О красно-коричневого цвета (реактив Феллинга -тартратный комплекс Си²⁺ или реактив Бенедикта - цитратный комплекс Сu²⁺).

В эти качественные реакции, проводимые в щелочной среде (реактивы Толленса или Феллинга), вступают и кетозы, которые в присутствии ионов ОН^- вследствие эпимеризации изомеризуют-ся в альдозы. Углеводы, вступающие в эти реакции с указанны­ми реагентами, называются восстанавливающими. Гликозиды не дают положительной пробы с этими реагентами, так как не мо­гут самопроизвольно образовать альдозу.

Восстановление моносахаридов. При восстановлении в мо­носахаридах легко гидрируется их карбонильная группа, при этом образуются многоатомные спирты. Причем из альдоз по­лучается лишь один спирт, а из кетоз - эквимолярная смесь спиртов-эпимеров:

Получающиеся в результате восстановления многоатомные спирты, например сорбит и ксилит, используются как замените­ли сахара при сахарном диабете. Многоатомные спирты образуют сложные эфиры, которые имеют практическое применение. На­пример, D-глюцит-гексанитрат (нитросорбит) и D-маннит-гексанитрат применяются как сосудорасширяющие средства.

Сильные восстановительные свойства проявляет аскорбино­вая кислота (витамин С). Она содержится во фруктах, особенно цитрусовых, ягодах (шиповник, черная смородина), овощах и молоке. В промышленности ее получают из глюкозы. Особенно­сти строения молекулы аскорбиновой кислоты заключаются в наличии у-лактонного кольца, содержащего ендиольный фраг­мент, в котором два углеродных атома имеют степень окисле­ния +1. Благодаря этим особенностям аскорбиновая кислота -довольно сильная кислота и сильный восстановитель. При ее окислении образуется дегидроаскорбиновая кисло­та, которая в мягких условиях легко восстанавливается опять в аскорбиновую кислоту:

В организме в водной среде сопряженная восстановительно-окислительная пара - аскорбиновая кислота и дегидроаскорбино­вая кислота - является активным антидотом свободнорадикальных окислительно-восстановительных процессов, протекание ко­торых усиливается при различных патологических состояниях организма (разд. 9.3.9). Именно поэтому витамин С полезен и эффективен при многих заболеваниях.