Методы синтеза углеводов

 

 

 

 

Курсовая работа на тему:

«Методы синтеза углеводов»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тюмень 2013

Содержание

 

1. Введение…………………………………………………………………3

2. Структура  и основные свойства………………………………………..5

2.1.   Моносахариды………………………………………………….5

2.2.   Олигосахариды………………………………………………....8

2.3.   Полисахариды…………………………………………………..11

3. Методы  синтеза………………………………………………………….13

3.1.   Синтез моносахаридов………………………………………….13

3.1.1. Метод Куна. Синтез D-гексозаминов…………………13

 

1. Введение

Углеводы – это многоатомные спирты, которые содержат в своем составе, кроме спиртовых групп, альдегидную или кетогруппу.

В зависимости от типа группы в составе молекулы различают альдозы и кетозы.

Углеводы очень широко распространенны в природе, особенно в растительном мире, где составляют 70 – 80 % массы сухого вещества клеток. В животном организме на их долю приходится всего около 2 % массы тела, однако и здесь их роль не менее важна. Они способны откладываться в виде крахмала в растениях и гликогена в организме животных и человека.

Углеводы состоят из следующих химических элементов: углерода, водорода и кислорода. Большая часть углеводов имеет общую формулу Сn(H2O)n. Однако среди углеводов встречаются вещества, не соответствующие приведенной формуле, например, рамноза: С6Н12О5 и др.

В то же время известны вещества, состав которых соответствует общей формуле углеводов, но по свойствам они не относятся к ним (уксусная кислота С2Н12О2). Поэтому название «углеводы» достаточно условно и не всегда соответствует химической структуре этих веществ.

Класс углеводов включает соединения, очень разнообразные по типу, начиная от низкомолекулярных веществ, содержащих всего несколько атомов углерода, и кончая соединениями с огромным молекулярным весом, достигающим нескольких миллионов.

Все углеводы, известные до настоящего времени как природные или синтетические соединения, следует, прежде всего разделить на три больших класса - моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

Под моносахаридами понимают полиоксикарбонильные соединения непрерывной углерод-углеродной цепью, причем наряду с гидроксильными и карбонильными группами они могут содержать также карбоксильные группы, аминогруппы, тиольные группы и др. Моносахариды, таким образом, достаточно разнообразны по своему строению, а, следовательно, и по свойствам, но обладают рядом общих признаков в химическом поведении, и это позволяет рассматривать их как один класс углеводов.

Полисахариды представляют собой полимеры моносахаридов, точнее продукты их поликонденсации, и их молекулы образуют цепи, состоящие из моносахаридных звеньев, связанных друг с другом через атом кислорода.

Другим большим разделом химии углеводов является химия полисахаридов. Полисахариды представляют собой полимеры моносахаридов, точнее продукты их поликонденсации, и их молекулы образуют цепи, состоящие из моносахаридных звеньев, связанных друг с другом через атом кислорода. Полисахариды - типичные высокомолекулярные вещества, и этот раздел химии углеводов по принципиальным и методическим подходам сходен с другими разделами.

Наряду с моносахаридами и полисахаридами имеется еще один промежуточный класс углеводов, получивший название олигосахаридов. Олигосахариды содержат небольшие цепи, состоящие из нескольких моно- сахаридных звеньев, построенные по тому же типу, что и цепи полисахаридов. Естественно, что разделение олигосахаридов и полисахаридов достаточно условно. Обычно соединения, содержащие 2-5 звеньев, принято называть низшими олигосахаридами, а соединения, содержащие от шести до десяти звеньев,- высшими олигосахаридами, что отличает их от полисахаридов, имеющих большее число моносахаридных звеньев.

 Химия моносахаридов является  фундаментом для исследования  свойств более высокомолекулярных  углеводов, а потому этот раздел  химии углеводов имеет основополагающее  значение и заслуживает наиболее детального рассмотрения в любой работе, посвященной химии углеводов.[1]

Задачей моей курсовой работы является изучить методы синтеза углеводов.

 

2. Структура и основные свойства
1. Моносахариды

Моносахариды представляют собой полигедроксиальдегиды и полигедроксикетоны, которые называются соответственно альдозами и кетозами. В зависимости от числа углеродных атомов в цепи моносахариды делятся на триозы, пентозы, гексозы и высшие сахара. [2]

Все моносахариды, за исключением простейшей альдозы (гликолевого альдегида) и простейшей кетозы (диоксиацетона), обладают одним или несколькими ассиметрическими углеродными атомами и поэтому должны существовать в стереоизомерных формах.[4]

Простейшими альдегидоспиртами, имеющими один ассиметрический атом углерода, являются триозы – стереоизомеры глицеринового альдегида. Альдозы D-ряда, родоначальником которых является D-глицериновый альдегид:   

 [13]

В природе моносахариды встречаются в виде виноградного и плодового сахара в сладких фруктах. В значительной степени моносахариды принимают участие в образовании полисахаридов, например, тростникового сахара, молочного сахара, крахмала и целлюлозы. Также источником моносахаридов являются гликозиды, представляющие собой продукты соединения сахаров с различными другими веществами, например, спиртами или фенолами. Наконец, еще одним видом производных моносахаридов являются дубильные вещества типа танина; в этих веществах спиртовые гидроксилы виноградного сахара этерифицированы ароматическими оксикарбоновыми кислотами.[4]

Моносахариды представляют собой нейтральные соединения, легко растворимые в воде и трудно растворимые в спирте; в эфире они совершенно нерастворимы. Многие из них обладают сладким вкусом. При нагревании они окрашиваются в бурый цвет и обугливаются.

Моносахариды являются сильными восстановителями; они осаждают серебро из аммиачного раствора азотнокислого серебра и закись меди из фелинговой жидкости.

При осторожном окислении альдоз (с помощью солей серебра, бромоной воды) образуются оксикислоты, имеющие то же число углеродных атомов (оновые кислоты):

Крепкая же азотная кислота окисляет молекулу сахара с обоих концов, причем образуется дикарбоновая кислота:

Восстановление альдоз и кетоз обычно производят амальгамой натрия или борогидридами; при этом происходит присоединение двух атомов водорода и образуются многоатомные спирты:

Очень важно – отношение моносахаридов к гидроксиламину и производным гидразина. Гидроксиламин образует с альдозами оксимы:

 

Синтез некоторых гликозидов можно осуществить, применяя фермент, который расщепляет эти гликозиды. Таким методом Буркло удалось искусственно получить многочисленные гликозиды. Оратимый процесс гидролиза гликозидов вполне аналогичен процессу этерификации:

Следует указать, что гликозидами сахаров можно считать дисахариды, трисахариды и т.д.[4]

 

2. Олигосахариды

Многие ди-, три-, и тетрасахариды встречаются в свободном виде в растениях.  Наиболее распространенным является тростниковый сахар, генцианоза, мелецитоза (встречается в различных видах манны), раффиноза (в свекле), стахиоза.

Многие дисахариды удалось получить синтетическим путем. Особых успехов добились Буркло и Эриссей, а также Бридель и Обри, применившие для синтеза энзимы. [4]

Дисахариды состоят из двух остатков моносахаридов, соединенных между собой О-гликозидной связью. Если один полуацетальный гидроксил остается свободным, а дисахариды проявляют альдегидные свойства, то такие дисахариды называются восстанавливающими. Если же связь между двумя остатками моносахаридов осуществляется посредством обоих полуацетальных гидроксилов, то для таких дисахаридов альдегидные свойства не характерны и они называются невосстанавливающими. Примеры дисахаридов данных типов.

Соединение молекул моносахаридов в молекулы дисахаридов, полисахаридов, обладающих свойствами сахаров, происходит по принципу образования гликозидов: ацетальная гидроксильная группа одной молекулы моносахарида при отщеплении воды соединяется с гидроксильной группой другой молекулы сахара. Если эта вторая молекула, участвующая в образовании дисахарида, реагирует также ацетальной гидроксильной группой, то, очевидно, получается сахар след. типа:

Этот сахар уже не содержит свободных альдегидных групп.

Если же вторая молекула моносахарида участвует в процессе ангидризации спиртовым гидроксилом, то образуются сахариды, имеющие свободную альдегидную или кетонную группу. Такие сахариды относятся к типу генциобиозы, например:

[4]

Дисахариды, как и моносахариды, представляют собой кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, плохо в спирте и практически нерастворимы в неполярных органических растворителях.

Гидролиз дисахаридов протекает достаточно легко в связи с тем, что связь между моносахаридными звеньями ацетальная.

Окисление можно проводить с реактивами Толленса, Фелинга, бромом и другими веществами, окисляющими альдегиды.

Различия химических свойств дисахаридов и моносахаридов обусловлены наличием в молекулах первых лабильной гликозидной связи.[9] 

3. Полисахариды

Полисахариды – основная часть органического вещества на Земле. Два наиболее распространенных в природе органических вещества – это целлюлоза и крахмал.[1] Структурные полисахариды придают клеточным стенкам прочность, водорастворимые – не дают клеткам высохнуть, резервные – расщепляются на моносахариды.[9]

Все полисахариды делятся на:

1. Гомополисахариды – построены из остатков только одного вида моносахарида (глюканы, маннаны, галактаны, ксиланы и т.д.)
2. Гетерополисахариды – построены из остатков двух и более различных моносахаридов (арабиногалактаны, глюкоманнаны и т.д.).[9]

Структурные полисахариды делятся на: нерастворимые в воде полимеры, образующие волокнистые структуры и служащие армирующим материалом клеточной стенки; гелеобразующие полисахариды, обеспечивающие эластичность и адгезию клеток в тканях. [9]

Большинство полисахаридов – бесцветные аморфнве порошки, разлагающиеся при нагревании выше 200°С. Полисахариды, молекулы которых имеют разветвленную цепь или полианионный характер благодаря карбоксильным или сульфатным группам, достаточно легко растворимы в воде.

Из химических реакций полисахаридов можно выделить гидролиз гликозидных связей под действием разбавленных минеральных кислот, позволяющие получать исходные моносахариды.[9]

Наиболее широко распространенный структурный полисахарид – целлюлоза. Представляет собой нерастворимое (в большинстве обычных растворителей) белое вещество. В этом полисахариде остатки виноградного сахара соединены между собой одинаковыми глюкозидными связями по типу целлобиозы (β-глюкозидная связь через атомы кислорода при С4):

Крахмал – образуется из углекислоты, усваиваемой растениями с помощью хлорофилла. В холодной воде крахмал практически не растворим, но горячая вода его растворяет с образованием вязкого  раствора.

Даже разбавленные кислоты гидролизуют крахмал до виноградного сахара. Из этого видно, что крахмал построен из D-глюкозы. Гидролиз его до виноградного сахара:

Если гидролиз не доводить до конца, то образуются «крахмальные декстриты».

Осахаривание крахмала может быть осуществлено также при помощи некоторых экзимов – так называемых «диастаз» и «амилаз». [4]

Также, существуют другие полисахариды с различными свойствами и структурами (инулин, хитин и др.)

 

3. Методы синтеза
1. Синтез моносахаридов

 

1. Метод Куна. Синтез D-гексозаминов (2-амино-2-дезоксигексоз).

Синтез D-гексозаминов заключается в присоединении аммиака и цианистого водорода к пентозе с последующим гидрированием образующегося α-аминонитрила в слабокислом растворе. При первоначальном присоединении всегда образуется смесь неравных количеств 2-эпимеров. Так, конечным продуктом синтеза из D-арабинозы являются гидрохлорид D-глюкозамина (64%) и гидрохлорид D-маннозамина (1%).[6]

 

 

аминонитрил    гидрохлорид D-глюкозамина

 

 

 

2. Расщепление по Руффу. Синтез альдопентозы из альдогексозы. Уменьшение длины цепи альдоз.

Существует ряд способов, при помощи которых альдозу можно превратить в другую альдозу, содержащую на один атом углерода меньше. Одним из таких методов уменьшения длины углеродной цепи является расщепление по Руффу. Альдоза окислятся бромной водой в глюконовую кислоту; окисление кальциевой соли этой кислоты перекисью водорода в присутствии солей железа дает карбонат-ион и альдозу, содержащую на один атом углерода меньше:[5]

 

 

 

3.1.3. Метод Килиани. Циангидриновый синтез.

Метод Килиани – классический метод удлинения цепи альдоз. Э. Фишер нашел, что при этом образуется два изомерных нитрила.[6]

Поскольку нуклеофильная атака цианид-иона на карбонильную группу равновероятна с обеих сторон, в реакции образуется смесь эпимеров, т.е. ассиметрический атом, возникающий на основе карбонильного атома углерода, может иметь как левую, так и правую конфигурацию.[7]

 

[6]

Преимущественно образуется нитрил глюконовой кислоты; соотношение обоих циангидринов арабинозы составляет 3:1.

Из L-глюконовой кислоты, путем лактозации и последующего восстановления легко получается соответствующая альдоза:

 

[6]

 

3.1.4. Синтез гликозидов по Фишеру.

Альдозы и кетозы при взаимодействии с простыми спиртами в условиях кислотного катализа образуются полные ацетали, где сохраняется циклическая полуацетальная структура исходного сахара. Свободные  сахара реагируют относительно быстро с образованием фуранозидов, далее преобладают пиранозиды (D-ксилоза → фуранозиды → пиранозиды). 

Переходные состояния  - циклические оксониевые ионы (1) и (3).

Если включать образование ациклического полуацеталя (2)  или ациклического оксониевого иона (4), то преимущественно образовывается пятичленный цикл. Расширение цикла до шестичленного должно протекать путем образования ациклических оксониевых ионов (4), однако, аномеризация метилпиранозидов в подкисленном CD3OH протекает через циклический оксониевый ион (3), т.к. агликон в первоначально образующихся продуктах реакции возникает из растворителя.[8]

 

Механизм:

 

3.1.5. Синтез Зорбаха. Синтез D-рамнозы.

Диметилдитиоацеталь D-маннозы (1) дает кристаллически 6-тозилат (II), в то время как реакция α-метил-D-маннопиранозида с хлористым тозилом и тремя родственными сульфонилхлоридами приводит к образованию только сиропов. При восстановлении тозилата алюмогидридом лития получается соединение (III), а обессеривание в водном ацетоне окисью ртути и хлорной  ртутью приводит к D-рамнозе.[6]

 

3.1.6. Реакция Бутлерова. Синтез сахаров из формальдегида.

В данной реакции проходит самоконденсация формальдегида под действием гидроксидов щелочно-земмельных металлов (Рb или Sn) с образованием смеси углеводов (формозы):

В результате образуются продукты:

[11]

 

Реакция начинается с конденсации двух молекул формальдегида, образуется гликольальдегид (1), дальше реагирует по альдольной реакции с другим эквивалентным формальдегидом, получается глицеральдегид (2). В альдозо-кетозной изомеризации образует две формы дигидроксиацетона (3), которые могут вступать в реакцию с гликольальдегидом (1), образуя рибулозу (4), и через изомеризацию – рибозу(5). Молекула дигидроксиацетона (3) также может вступать в реакцию с формальдегидом, образуя тетрулозу (6), а затем альдольтетрозу (7). [12]

 

3.1.7. Синтез D-глюкопиранозы из мальтозы.

При окислении, метилировании и гидролизе мальтозы образуется 4-О-(α-D-глюкопиранозил)-D-глюкопираноза:[5]

3.1.8. Промышленный синтез аскорбиновой кислоты из D-глюкозы через D-сорбит.

 

3.2. Синтез олигосахаридов

3.2.1. Метод Кейна. Гликозидирование.

Диастереоселективное получение дисахаридов действием сульфоксидов на аномерный центр как гликозидный акцептор. Активирование сульфоксидов достигается действием дитрифлатного эфира Tf2O.[10]

 

 

3.2.2. Метод Кёнига – Кнорра. Гликозидирование.

Данный метод состоит во взаимодействии защищенного моносахарида с ацетилгликозилгалагенидом альдоз.

Наибольший выход имеют 1,2-транс-аномеры. Предполагается, что данная реакция идет через стадию образования ацилоксониевого иона.

Данная реакция 1,2-цис-ацилгалогенозы сопровождается вальденовским обращением, в результате которого образуется дисахарид с 1,2-транс-гликозидной связью.

Выделяющийся в процессе реакции бромистый водород может расщеплять гликозидные связи и таким образом осложнять протекание реакции. Поэтому в качестве его акцепторов используют оксид или карбонат серебра (катализируют отщепление бромид-иона от исходного ацетобромпроизводного), ацетат или цианид ртути, и др. Гликозидиование протекает легче по первичному гидроксилу и труднее по вторичным. [9]

 

 

3.2.3. Ортоэфирный метод создания гликозидной связи.

Взаимодействие ацилгликозилгалогениды со спиртом в присутствии инертных по отношению к ним оснований (например, пиридинов с пространственно затрудненным атомом азота, таких как 2,6-диметилпиридин – лутидин или 2,4,6-триметилпиридин – коллидин) приводит к образованию соответствующих ортоэфиров, а не гликозидов.

 

Гликозидирование:

Завершающая стадия – деацетилирование – осуществляется обработкой метилатом натрия в избытке метилового спирта. В таких условиях ацетальные связи устойчивы.

Преимущество метода – при его использовании можно получать не только альдопиранозиды, как в случае гликозидирования по Кёнигу–Кнорру, но и фуранозиды: [9]

[1]

 

3.2.4. Синтез сахарозы.

Синтез сахарозы осуществляется конденсацией тетраацетальных производных D-глюкозы и D-фруктозы.

D-глюкоза может быть превращена в 2,3,4,6-тетра-О-ацетилглюкозу (III), имеющую свободный аномерный гидроксил:

 

1,3,4,6-Тетра-О-ацетил-D-фруктоза (V) образуется при ацетолизе ацетилированного D-фруктана инулина (IV) с последующим гидролизом промежуточного бромпроизводного:

 

[6]

 

3.2.5. Гликальный метод. Эпимеризация при C(2)-углеродном атоме.

Данный метод состоит в превращении ацетобромпроизводного в гликаль, который гидроксилируется с образованием эпимерного соединения.

[9]

3.2.6. Щелочная изомеризация.

Синтез лактулозы из лактозы:

3.2.7. Твердофазный синтез.

Первый мономер присоединяют к носителю не непосредсвенно, а через линкер – бифункциональную группировку. Его функция – связывание мономера с носителем. В качестсве полимера – сополимер стирола с дивинилбензолом с остатками аллилового спирта. с закрепленным моносахаридным остатком. Данный остаток содержит в первом положении реакционную группу – бром. За счет взаимодействия брома с водородом, моносахарид закрепляется, затем удаляется одна из защитных групп и проводится конденсация со второй молекулой моносахарида и т.д:

 

3. Синтез полисахаридов
1. Полимеризация 1,6-ангидрогексоз.

Этим методом в присутствии кислот Льюиса образуются вымокомолекулярные продукты с регулярными α-связями:

[2]

3.3.2. Синтез полисахарида из ортоэфира.

В качестве гликозилирующего агента используют ортоэфиры сахаров, например, из трициклического ортоэфира получается α-связанный арабинан:

Также 1,2-О-цианалкилиденовым производным удалось гликозилировать тритиловые эфиры сахаров. Катализатор – перхлорат трифенилметания. Осуществлен синтез сложного гетерополисахарида:

 

3.3.3. Частичный гидролиз окисленного периодатом натрия (NaIO4) полисахарида.

 

 

4. Заключение

Значение  углеводов в настоящее время очень велика. Их можно получить достаточно простыми и доступными способами, как в промышленным путем, так и в лаборатории. В большей степени углеводы синтезируются в природе. Например, в растениях углеводы образуются из двуокиси углерода и воды в процессе сложной реакции фотосинтеза, осуществляемой за счет солнечной энергии с участием зелёного пигмента растений - хлорофилла.

Углеводы выполняют две основные функции: строительную и энергетическую. Целлюлоза образует стенки растительных клеток. Сложный полисахарид хитин служит главным структурным компонентом наружного скелета членистоногих. Строительную функцию хитин выполняет и у грибов.

Углеводы являются основным энергетическим материалом. При окислении 1 грамма углеводов выделяются 4,1 ккал энергии и 0,4 воды. Крахмал у растений и гликоген у животных откладываются в клетках и служат энергетическим резервом.

Технологии и продукты, в которых используются углеводы, не загрязняют окружающей среды, не приносят ей ущерба.

Таким образом, углеводы играют огромную роль в жизни человека, растений, животных, и в современной промышленности.