Российский национальный исследовательский медицинский университет им . Н. И. Пирогова, г . Москва Органическая химия Курс лекций для студентов фармацевтического факультета Бауков Юрий Иванович 2012- - - 2013 учебный год, 4-й семестр профессор кафедры химии 1 Белавин Иван Юрьевич профессор кафедры химии
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова,
г. Москва
Органическая химия
Курс лекций для студентов фармацевтического факультета
� Составная часть названий многих углеводов – сахариды –от также часто используемого их общего названия – сахара.
5
Моносахариды
Строение и стереоизомерия
– твердые легко растворимые в воде вещества, плохо раствори-мые в спирте и нерастворимые в эфире, нейтральные, сладкие;
– глюкоза — в свободном виде в природе;– общая формула Cn(H2O)m (угле–воды, гидраты углерода)
Динамическое равновесие между открытыми и циклическими формами
Открытые формы
– полигидроксиальдегиды иполигидроксикетоны
� Моносахариды (монозы) — гетерофункциональные
соединения, содержащие одновременно карбонильную игидроксильные функциональные группы.
Циклические формы
– циклические полуацетали
6
Классификация моносахаридов
• По числу атомов углерода в цепи– триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и т.д.
• На основании природы карбонильной группы– альдозы, кетозы.
• С учетом обоих классификационных признаков– триозы, тетрозы, альдопентозы, кетогексозыи т.п.
(открытые формы)
7
Альдозы Кетозы
n = 1–8
(CHOH)nCH2OH
COH
1
(CHOH)n-1
CH2OH
C OCH2OH1
2
Стереоизомерия моносахаридов
(N = 2n)
Общие структуры альдо- и кетопентоз и -гексоз
8
1
2
3
4
5
6
CHOHCHOH
CHOHC
CH2OH
CH2OH
O**
*CH2OHCHOH
CHOHC
CH2OH
O*
*
CH2OHCHOH
CHOHCHOH
CHOHCHO
*
***CH2OH
CHOHCHOH
CHOHCHO
**
*
Альдопентозы Альдогексозы КетогексозыКетопентозы
Карбонильная
Альдегидная Кетонная
группа
Проекционные формулы Фишера
� Почти все природные моносахариды принадлежат к D-ряду.
� Отнесение моносахарида к D- или L-стереохимическому рядупроводится по конфигурации хирального центра наиболееудаленного от оксогруппы.
9
Альдозы D-ряда Кетозы D-ряда
n = 0–7 n = 0–7
(CHOH)n
COH
OHH
CH2OH
1
(CHOH)n-1
C OCH2OH
OHHCH2OH
1
2
Наиболее важные моносахариды
• Триозы
Глицериновый альдегид — конфигурационный стандарт
10
CH2OH
COHOHH
1
2
3 CH2OH
COHHHO
1
2
3CCH2OH
CH2OH
O
1
2
3
• Наиболее важные тетрозы
� От названий эритроза и треоза идет употреблениепрефиксов — эритро-, трео-.
� Эпимеры — σσσσ-диастереомеры, отличающиеся конфигурацией только одного из нескольких асимметрических атомов углерода.
CH2OH
OHH
HHO
CHO
D-эритроза D-треоза
CH2OH
OHH
OHH
CHO1
2
3
4
� Эпимеры — частный случай диастереомеров.
Альдотетрозы
11
• Наиболее важные пентозы
Альдопентозы
структурный фрагмент РНК
используется
в синтезе ксилита
входит в составнекоторых
антибиотиков-нуклеозидов
входит в составнекоторых
природных полисахаридов
12
D-рибоза
CH2OH
OHH
HHO
H OH
CHO
D-ксилоза
CH2OH
OHH
OHH
HO H
CHO
D-арабиноза
1
2
3
4
5CH2OH
OHH
OHH
H OH
CHO
L-арабиноза
Кетопентозы
важные участники метаболических процессов
CH2OH
C O
CH2OH
H OHH OH
CH2OH
C O
CH2OH
HHOH OH
D-рибулоза D-ксилулоза
1
2
34
5
13
• Наиболее важные гексозы
Альдогексозы Кетогексозы
� D-Глюкоза — субстрат окислительных реакций в клетке;– относится к первичным биомолекулам, предшественник другихмоносахаридов в организме, структурный фрагмент полисахаридов;
– в норме в крови человека 0.1% глюкозы, при сахарном диабете до 10%;– медицинский препарат общеукрепляющего действия.
14
COHOHHHHO
OHOH
CH2OH
HH
1
2
3
COHOHHHHO
HOH
CH2OH
HOHO
COHHHOHHO
OHOH
CH2OH
HH
4
5
6
C OCH2OH
OHH
HHO
OHH
CH2OH
1
2
3
4
56
Цикло-оксо-таутомерия
� Проекционные формулы Фишера открытых форммоносахаридов не полностью отражают их свойства.
– отсутствие для альдоз ряда свойственных альдегидам реакций; – повышенная реакционная способность одной ОН-группы
(гликозидный гидроксил, гликозиды);– наличие большего числа стереоизомеров, указывающее наприсутствие дополнительного хирального центра;
– мутаротация
� Мутаротация — изменение во времени угла вращенияплоскости поляризации света растворами углеводов.
15
Циклические формы моносахаридов• Образование обычных полуацеталей (межмолекулярная реакция)
• Образование циклических полуацеталей (внутримолекулярныйпроцесс)
Моносахариды — циклические полуацетали • Образование термодинамически болееустойчивых пятичленных (фуранозных) и шестичленных (пиранозных) циклов
17
O O
COH
OHH
HHO
OH
O
CH2OH
H
H H
1
δδδδ++++C
OHH
HHO
OH
CH2OH
H
H
H OH
O
5
1C
OHH
HHO
OH
CH2OH
H
H
HO H
O
5
1
18
Фуранозы
� Гликозидная группа по химическим свойствам сильноотличается от остальных (спиртовых) ОН-групп.
� Полуацетальную ОН-группу в химии улеводов называютгликозидной.
C
OHH
HHO
CH2OH
HH
H OH
OH
O
1
4
C
OHH
HHO
CH2OH
HH
HO H
OH
O
1
4
COH
OHH
HHOO
CH2OH
HH
HOH
1
δδδδ++++
5
4
Перспективные формулы Хеуорса
Преобразование формул Фишера в формулы Хеуорса
19
OO
1
45
2
34
COH
CH2OH
HHO
H OHH OH
H OH
CH2OH
O
HH OH
HHOH OHH OH 1
2
3 4
H
O
HOCH2
6
6 5
H OHH OH
HHOH OH
1
23
O
αααα-D-глюкопираноза
5
HO
CH2OH
OH
HHOH H
OHH
H
D-глюкоза(открытая форма)
поворот на 120о6
20
Вариант преобразования формул Фишера в формулы Хеуорса
COHH
HHO
OHH
HOCH2
H OH
H
O
5
1
5
COH
OHH
HHO
OH
CH2OH
HH OH
1C
OH
OHH
HHO
OH
O
HHOCH2
H
H
1
OHCH2OH
HHOH
H OHOHO
H
H
1
5
21
Упрощение формул Хеуорса
OCH2OH
OH
OHOHOH
OCH2OH
OH
OHOHOH
OCH2OH
OH
OHOH
~OH
� Аномеры — частный случай эпимеров; конфигурации аномерных центров в αααα- и ββββ-аномерах
� У αααα-аномера конфигурация аномерного центра одинакова с конфигурацией «концевого» хирального центра, определяющегопринадлежность к D- или L-ряду; у ββββ-аномера – противоположна.
� Аномеры — стереоизомеры, отличающиеся конфигурациейатома С-1 альдоз или С-2 кетоз в их циклической форме (этот атом углерода называется аномерным центром).
D-Фруктоза в открытой форме по Фишеру и в циклической форме в виде ββββ-D-фруктофуранозы по Хеуорсу
22
6 5
2 1
OHOCH2 H
HO CH2OHHO H
H OH 5 2
1
OHCH2OHO
H HOCH2OH
OH H
H6
6 5
1
2
HO H
CH2OH
O-H
C=O
HOCH2 HH OH
2
1
5
HO H
CH2OH
CH2OH
C=O
H OHH OH
Таутомерные превращения� Цикло-оксо-таутомерия моносахаридов — равновесие в общемслучае между четырьмя циклическими таутомерами моносахаридовчерез открытую форму (оксоформу).
4
CH2OH
HO
OHOH
OH
O
OH
OH
OH
CH2OH
O
O
OHOH
OH
HO
CH2OH
HH
CH2OH
OHOH
HHOOHH
H OC
D-глюкоза, открытая форма (0,02%)
1
5
HO H
HO H O
CH2OH
OHOH
OH
4
4 1
1
1
1
5
5
αααα-D-глюкофураноза (<0,1%)
ββββ-D-глюкофураноза (<0,1%)
αααα-D-глюкопираноза (36%)
ββββ-D-глюкопираноза (64%) 23
Схема таутомерных превращенийD-фруктозы
6O
OHOH
HO
O
OH
1 1
5
2
1
D-фруктоза
C=O
HO H
OHOH
CH2OH
CH2OH
HH
αααα-D-фруктопираноза
6
HO 2
CH2OH
OH
2HO
ββββ-D-фруктопираноза
1HO
OH
O6
HOCH2CH2OH
25 HO
OH
αααα-D-фруктофураноза
ββββ-D-фруктофуранозаOH
HO5 2
CH2OH
HOCH2
1
OHO
CH2OH
� Аномеризация — взаимопревращение двух аномеров.
24
– αααα-D-глюкопираноза, из спирта или воды, [αααα]D20 +112°, т.пл. 146 °С;
– ββββ-D-глюкопираноза, из пиридина, [αααα]D20 +19°, т. пл. 150 °С;
– после стояния растворов — [αααα]D20 +52.3°
Объяснение свойств моносахаридов на основе циклооксотаутомерии
• Циклооксотаутомерия — химическая основа мутаротации
• Отсутствие для альдоз некоторых реакций, свойственныхальдегидам реакций, – следствие низкого содержанияальдегидной формы в равновесии;
• Повышенная реакционная способность одной ОН-группы – наличие в циклических формах полуацетального
(гликозидного) гидроксила, более реакционноспособного посравнению со спиртовыми ОН-группами;
• Наличие большего числа стереоизомеров – результат присутствия в циклической форме дополнительногохирального центра — аномерного атома С.
D-глюкоза
Реальные равновесия в растворах пентоз и гексоз– альдопентозы и кетогексозы — фуранозные формы; – альдогексозы — пиранозные формы.
25
Конформации моносахаридов
– формулы Хеуорса не отражают реальной геометрии молекулмоносахаридов — пяти- и шестичленные циклы неплоские
� D-Глюкоза — наиболее термодинамически устойчивая гексоза;(в ββββ-D-глюкопиранозе все заместители экваториальны).
пиранозный цикл имеет конформацию кресла
� Конформационное строение моносахаридов обусловливаетформирование пространственного расположение длинныхполисахаридных цепей (т.е. их вторичную структуру).
Конформационные формулы основных таутомеров D-глюкозы
26
123
4 5
6
OHHO
HO
CH2OHO
OH(e) C
OHCH2OH
HOHO
OHOH(a)
OCH2OH
HOHO
OHH
D-глюкоза
H
H
O
ββββ-D-глюкопираноза (64%)
αααα-D-глюкопираноза(36%)
HH
H H
H
H
H H H H HH
Неклассические моносахариды
Дезоксисахара
структурный фрагмент ДНК
5HH
CH=O
CH2OH
OHOH
CH2
1
2
4
3 1OH
CH2OHO
OH2
(чаще всего 2-дезокси)
� Некласические моносахариды — соединения, имеющиемоносахаридную природу, но отличающиеся от моносахаридовлибо отсутствием, либо видоизменением одной или несколькихфункциональных групп.
27
Аминосахара
CH2OH H OHH OH
H NH2HO H
CH=OCH2OH
OH
NH2
O
OHHO
D-глюкозамин N-ацетил-D-глюкозамин
NHCOCH3
OOH
CH2OH
HO
OH
2-амино-2-дезокси-D-глюкопираноза
2-амино-2-дезокси-D-глюкоза
2-ацетамидо-2-дезокси-D-глюкопираноза
CH2OH
OHNHCOCH3
HO O
OHH
HO HOH
CHO
CH2OH
HHONH2H
NH2
OOH
CH2OH HO
OH
D-галактозамин N-ацетил-αααα-D-галактозамин
2-амино-2-дезокси-D-галактоза
2-амино-2-дезокси-D-галактопираноза
2-ацетамидо-2-дезокси-αααα−−−−D-галактопираноза
28
� Производные моносахаридов — соединения, в которых функ-циональная группа классического или неклассического моносаха-рида преобразована в обычном понимании органической химии.
Производные моносахаридов
Гликозиды
� Агликон — неуглеводный компонент гликозида.
растворы гликозидов не мутаротируют
� Гликозиды — производные циклических форм углеводов, вкоторых гликозидный гидроксил замещен на остаток спирта, тиоспирта, нуклеинового основания, моносахарида.
CH2OH
SC2H5
OH
O
OHHO
11
CH2OH
OC2H5
OH
O
OH HO
– например, полуацетальная группа в ацетальную, гидроксильнаяв сложноэфирную и т. п.
29
Химические свойства моносахаридов
Наиболее важные реакционные центры моносахаридов
CH2OH
OH
OH
O
OH HHO
1
2
CH2OH
OH
OH
OH HHO
CH=O1
2
– полуацетальный гидроксил;– спиртовые гидроксильные группы;– карбонильная группа ациклической формы;– СН-кислотный центр — атом С-2 в альдозах.
30
Реакции алкилирования и ацилирования
� О-Гликозиды — производные циклических форм углеводов, которые можно рассматривать как продукты замещениягликозидного гидроксилана остаток спирта, моносахарида и т. п.
• Взаимодействие моносахаридов со спиртами (кислый катализ).
+ CH3OH
CH2OH
OCH3
OH
O
OHHO
CH2OH
OH
OCH3O
OHHO
+HCl-H2O
CH2OH
OH
OH
O
OHHO
D-глюкопираноза метил-αααα-D-глюкопиранозид
метил-ββββ-D-глюкопиранозид
� Гликозиды подобно другим ацеталям) гидролизуются вкислой, но устойчивы в слабощелочной среде.
� Гликозиды— ацетали циклических форм альдоз и кетоз.
31
Образование О-гликозидов
CH2OH
OH
O-RO
OHHO
Образование простых эфиров
• Взаимодействие спиртовых ОН-групп с алкилгалогенидами.– в реакцию также вступает гликозидная ОН-группа