Структурная формула глюкозы проекция фишера

Урок 34. Циклические формы моносахаридов

Известно, что альдегиды и кетоны реагируют со спиртами, образуя полуацетали и кетали. Циклические полуацетали образуются особенно легко. Для этого необходимыми условиями являются: 1) гидроксил и карбонильная группа должны быть частями одной молекулы; 2) при их взаимодействии может образоваться пяти- или шестичленное кольцо.
Например, 4-гидроксипентаналь образует пятичленный циклический полуацеталь. При этом создается новый стереоцентр при углероде С-1 (все четыре заместителя при С-1 разные):

Подобным образом 5-гидроксигексаналь формирует шестичленный циклический полуацеталь, в котором также генерируется новый стереоцентр при С-1:

Гидроксильная и карбонильная группы содержатся в одной молекуле моносахаридов, поэтому моносахариды существуют почти исключительно в форме циклических полуацеталей.
Циклические проекции Фишера. Размер полуацетального кольца моносахарида сравнивают с гетероциклическими молекулами – пираном и фураном:

Шестичленные полуацетальные кольца обозначают словом «пиран», а пятичленные – «фуран».
При кристаллизации из этанола D-глюкоза дает -D-глюкопиранозу, tпл = 146 °С, удельное оптическое вращение []D = +112,2°. Кристаллизация из водного этанола дает -D-глюкопиранозу, tпл = 150 °С, []D = +18,7°. Эти — и -изомеры – шестичленные циклические полуацетали – образуются при реакции гидроксила ОН при углероде С-5 с карбонильной группой в положении 1. Новый стереоцентр, возникающий при получении полуацеталя, называют аномерным углеродом. Образующиеся таким образом диастереомеры* имеют специальное название – аномеры. Конфигурация аномерного углерода обозначается приставкой , когда его гидроксильная группа находится с той же стороны фишеровской проекции, что и ОН-группа при стереоцентре с высшим номером. При противоположной ориентации этих гидроксилов конфигурация аномерного углерода – .

Циклические проекции Фишера
— и -аномеров D-глюкопиранозы

По данным метода ЯМР 13 С D-глюкозы в водном растворе, существуют: -пираноза (38,8%),
-пираноза (60,9%), -фураноза (0,14%), -фураноза (0,15%), гидрат открытой линейной формы (0,0045%).
Приводим — и -формы глюкофуранозы в сравнении с циклическими формами фруктозы –
-фруктофуранозы и -фруктофуранозы.

Проекции Фишера — и -фуранозных форм
D-глюкозы и D-фруктозы

Формулы Хеуорса. Альтернативный способ изображения циклических структур моносахаридов известен как проекции Хеуорса и назван так в честь английского химика Уолтера Хеуорса (нобелевский лауреат, 1937 г.). В формулах Хеуорса пяти- и шестичленные циклические полуацетали представляют в виде плоских пяти- или шестиугольников, расположенных как бы перпендикулярно плоскости листа бумаги. Группы, присоединенные к углеродам кольца, располагают над или под плоскостью кольца и параллельно плоскости листа бумаги. В формулах Хеуорса аномерный углерод обычно записывают справа, а полуацетальный кислород – сзади него. Проекции Хеуорса — и -пиранозных форм D-глюкозы показаны ниже.

Проекции Хеуорса — и -форм D-глюкопиранозы

УПРАЖНЕНИЯ.

1. Что означает понятие «циклические формы углеводов»?

2. Приведите структурные и проекционные формулы Фишера для: а) триозы; б) тетрозы;
в) пентозы.

3. Как по химическим формулам различить L— и D-изомеры (на примере эритрозы)?

4. Укажите ацетальные связи и асимметрические атомы углерода (стереоцентры) в соединениях:

5. Напишите структурные формулы гетероциклов пирана и фурана, указывая каждый атом.

6. Составьте схемы образования циклических полуацетальных форм из:
а)
D-треозы; б) D-рибозы (фуранозная и пиранозная формы).

7. Преобразуйте графические формулы соединений а)–в) в фишеровские проекции и сделайте отнесение этих проекций к D— или L-глицеральдегиду:

8. Сколько возможно кетотетроз? Для каждой нарисуйте проекции Фишера.

9. Составьте формулы Хеуорса:

1) -D-глюкопиранозы; 2) -D-глюкофуранозы.

Ответы на упражнения к теме 2

Урок 34

1. Циклические формы углеводов содержат цикл с кислородом в кольце. Обычно это циклический полуацеталь. В его молекуле нет свободной альдегидной группы, зато имеется ацетальная связь. Например, для эритрозы:

3. Чтобы по химическим формулам различить D- и L-изомеры эритрозы, следует представить их в виде проекций Фишера. Ориентация гидроксила вправо при высшем стереоцентре С*-3 означает
D-изомер. Направление группы НО влево от С*-3 свойственно L-изомеру:

4. Ацетальные связи отмечены стрелкой (), а стереоцентры – звездочкой (*):

в) две последовательные перестановки заместителей не изменяют конфигурацию (D или L) при стереоцентре:

8. Возможны две энантиомерные кетотетрозы, для которых проекции Фишера следующие:

Источник

Урок 34. Циклические формы моносахаридов

Известно, что альдегиды и кетоны реагируют со спиртами, образуя полуацетали и кетали. Циклические полуацетали образуются особенно легко. Для этого необходимыми условиями являются: 1) гидроксил и карбонильная группа должны быть частями одной молекулы; 2) при их взаимодействии может образоваться пяти- или шестичленное кольцо.
Например, 4-гидроксипентаналь образует пятичленный циклический полуацеталь. При этом создается новый стереоцентр при углероде С-1 (все четыре заместителя при С-1 разные):

Подобным образом 5-гидроксигексаналь формирует шестичленный циклический полуацеталь, в котором также генерируется новый стереоцентр при С-1:

Гидроксильная и карбонильная группы содержатся в одной молекуле моносахаридов, поэтому моносахариды существуют почти исключительно в форме циклических полуацеталей.
Циклические проекции Фишера. Размер полуацетального кольца моносахарида сравнивают с гетероциклическими молекулами – пираном и фураном:

Шестичленные полуацетальные кольца обозначают словом «пиран», а пятичленные – «фуран».
При кристаллизации из этанола D-глюкоза дает -D-глюкопиранозу, tпл = 146 °С, удельное оптическое вращение []D = +112,2°. Кристаллизация из водного этанола дает -D-глюкопиранозу, tпл = 150 °С, []D = +18,7°. Эти — и -изомеры – шестичленные циклические полуацетали – образуются при реакции гидроксила ОН при углероде С-5 с карбонильной группой в положении 1. Новый стереоцентр, возникающий при получении полуацеталя, называют аномерным углеродом. Образующиеся таким образом диастереомеры* имеют специальное название – аномеры. Конфигурация аномерного углерода обозначается приставкой , когда его гидроксильная группа находится с той же стороны фишеровской проекции, что и ОН-группа при стереоцентре с высшим номером. При противоположной ориентации этих гидроксилов конфигурация аномерного углерода – .

Моносахарид Триоза Тетроза Пентоза
Структурная формула
Проекционная формула Фишера и название
Циклические проекции Фишера
— и -аномеров D-глюкопиранозы

По данным метода ЯМР 13 С D-глюкозы в водном растворе, существуют: -пираноза (38,8%),
-пираноза (60,9%), -фураноза (0,14%), -фураноза (0,15%), гидрат открытой линейной формы (0,0045%).
Приводим — и -формы глюкофуранозы в сравнении с циклическими формами фруктозы –
-фруктофуранозы и -фруктофуранозы.

Проекции Фишера — и -фуранозных форм
D-глюкозы и D-фруктозы

Формулы Хеуорса. Альтернативный способ изображения циклических структур моносахаридов известен как проекции Хеуорса и назван так в честь английского химика Уолтера Хеуорса (нобелевский лауреат, 1937 г.). В формулах Хеуорса пяти- и шестичленные циклические полуацетали представляют в виде плоских пяти- или шестиугольников, расположенных как бы перпендикулярно плоскости листа бумаги. Группы, присоединенные к углеродам кольца, располагают над или под плоскостью кольца и параллельно плоскости листа бумаги. В формулах Хеуорса аномерный углерод обычно записывают справа, а полуацетальный кислород – сзади него. Проекции Хеуорса — и -пиранозных форм D-глюкозы показаны ниже.

Проекции Хеуорса — и -форм D-глюкопиранозы

УПРАЖНЕНИЯ.

1. Что означает понятие «циклические формы углеводов»?

2. Приведите структурные и проекционные формулы Фишера для: а) триозы; б) тетрозы;
в) пентозы.

3. Как по химическим формулам различить L— и D-изомеры (на примере эритрозы)?

4. Укажите ацетальные связи и асимметрические атомы углерода (стереоцентры) в соединениях:

5. Напишите структурные формулы гетероциклов пирана и фурана, указывая каждый атом.

6. Составьте схемы образования циклических полуацетальных форм из:
а)
D-треозы; б) D-рибозы (фуранозная и пиранозная формы).

7. Преобразуйте графические формулы соединений а)–в) в фишеровские проекции и сделайте отнесение этих проекций к D— или L-глицеральдегиду:

8. Сколько возможно кетотетроз? Для каждой нарисуйте проекции Фишера.

9. Составьте формулы Хеуорса:

1) -D-глюкопиранозы; 2) -D-глюкофуранозы.

Ответы на упражнения к теме 2

Урок 34

1. Циклические формы углеводов содержат цикл с кислородом в кольце. Обычно это циклический полуацеталь. В его молекуле нет свободной альдегидной группы, зато имеется ацетальная связь. Например, для эритрозы:

3. Чтобы по химическим формулам различить D- и L-изомеры эритрозы, следует представить их в виде проекций Фишера. Ориентация гидроксила вправо при высшем стереоцентре С*-3 означает
D-изомер. Направление группы НО влево от С*-3 свойственно L-изомеру:

4. Ацетальные связи отмечены стрелкой (), а стереоцентры – звездочкой (*):

в) две последовательные перестановки заместителей не изменяют конфигурацию (D или L) при стереоцентре:

8. Возможны две энантиомерные кетотетрозы, для которых проекции Фишера следующие:

Источник

Структура моносахаридов

Для изображения строения моносахаридов используют проекционные формулы Фишера. В формулах Фишера цепь углеродных атомов располагается в одну линию. Нумерация цепи начинается с атома углерода альдегидной группы (в случае альдоз) или с крайнего атома углерода, к которому ближе располагается кетогруппа (в случае кетоз). Атомы водорода и группы –ОН у асимметрических атомов «С» располагаются слева и справа от углеродной цепи.

В зависимости от пространственного расположения атомов «Н» и ОН-групп у 4-го атома углерода у пентоз и 5-го атома углерода у гексоз моносахариды относят к D- или L-ряду.

Моносахарид относят к D-ряду, если ОН-группа у этих атомов располагается справа от цепи:

Рассмотренные выше структуры моносахаридов являются ациклическими. Однако моносахариды могут существовать также в циклических формах. Циклические формы образуются в результате взаимодействия карбонильной группы и одной из гидроксильных групп с образованием внутренних полуацеталей.

Альдегидная или кетонная группа гексоз и пентоз взаимодействует с гидроксильными группами у С-4 или С-5. В результате образуются пяти- или шестичленные циклы. Эти циклы структурно аналогичны кислородосодержащим гетероциклам пирану и фурану:

Моносахарид Триоза Тетроза Пентоза
Структурная формула
Проекционная формула Фишера и название
Фуран
Пиран

Поэтому циклические формы гексоз и пентоз соответственно называются пиранозными и фуранозными.

Полуацетальный (гликозидный) гидроксил

D-глюкопираноза Циклическая форма
D-глюкоза Ациклическая (альдегидная) форма

В растворах моносахаридов происходит миграция протона между гидроксо- и карбонильной группой, при этом устанавливается подвижное равновесие между ациклической и циклической формами.

Подвижное равновесие между взаимопревращающимися структурными изомерами (таутомерами) называется таутомерией.

Циклические формы принято изображать перспективными формулами Хеуо́рса.

Для перехода от формул Фишера к формулам Хеуорса нужно знать следующие правила:

1. Изображаем цикл в виде плоского многоугольника (при этом цикл находится в плоскости, перпендикулярной плоскости изображения). Нумерацию атомов углерода в цикле производим по часовой стрелке. (Символы атомов углерода обычно не записываются).

В циклических формах моносахаридов появляется еще один асимметрический атом углерода (С-1 у альдоз и С-2 у кетоз). Этот асимметрический атом углерода называется аномерным. Изомеры углеводов, отличающиеся расположением атомов и атомных групп у аномерного атома углерода, называются аномерами. Стереоизомер (пространственный изомер), в котором группа –ОН у аномерного атома «С» располагается под плоскостью цикла, называется α-аномером, а стереоизомер с противоположным расположением ОН-группы называется β-аномером:

β-D-глюкопираноза
α-D-глюкопираноза

Аномеры не могут непосредственно превращаться друг в друга. Переход от одного аномера к другому возможен только через промежуточное образование ациклической формы моносахарида.

Таким образом, в растворе глюкозы присутствуют различные таутомерные формы, находящиеся в динамическом равновесии:

Глюкоза (альдегидная форма)

β-глюкопираноза (β-глюкоза)
α-глюкопираноза (α-глюкоза)

Важнейшей кетогексозой является D-фруктоза (изомер D-глюкозы). Для циклических форм фруктозы характерны фуранозные структуры. Фуранозный цикл образуется в результате взаимодействия карбонильной (кетонной) группы со спиртовой группой при 5-м углеродном атоме.

Формула Хеуорса
Формула Хеуорса

Среди пентоз наиболее известны D-рибоза, у которой нет гидроксильной группы при втором углеродном атоме. Эти моносахариды входят в состав рибо- и дезоксирибонуклеиновых кислот (РНК и ДНК) в фуранозной форме.

Формула Фишера
Формула Фишера
β-D-Рибофураноза
α-D-Рибофураноза
D-Рибоза (альдегидная форма)

2-Дезокси-α-D-рибофураноза
2-Дезокси-D-рибоза (альдегидная форма)
2-Дезокси-β-D-рибофураноза

Моносахариды представляют собой бесцветные кристаллические вещества, сладкие на вкус, хорошо растворимые в воде, нерастворимые в эфире, плохо растворимые в спирте. Сладость моносахаридов различна. Например, фруктоза слаще глюкозы в три раза.

Моносахариды – это соединения со смешанными функциями.

В растворах существует динамическое равновесие между несколькими таутомерными формами моносахаридов, поэтому в зависимости от условий и реагентов они могут реагировать в открытой или циклической форме. При этом равновесие смещается в сторону образования той формы, которая вступает во взаимодействие.

Химические свойства моносахаридов обусловлены наличием:

а) карбонильной группы в открытых формах моносахаридов;

б)спиртовых гидроксильных групп как в открытых, так и в циклических формах моносахаридов;

в) полуацетальной гидроксильной группы в циклических формах моносахаридов.

Рассмотрим химические свойства моносахаридов на примере важнейшего из них – глюкозы.

I. Реакции с участием альдегидной группы глюкозы, т.е. свойства глюкозы как альдегида.

1. Восстановление (гидрирование) с образованием многоатомного спирта:

Глюцит (сорбит)
Глюкоза

В ходе этой реакции карбонильная группа –С– восстанавливается и образуется новая спиртовая группа – ОН.

Глюкоза легко окисляется. В зависимости от характера окислителей получаются различные продукты.

1) Окисление под действием слабых (мягких) окислителей с образованием глюконовой кислоты.

К числу таких реакций относятся качественные реакции на глюкозу как альдегид:реакции с аммиачным раствором оксида серебра (I) Ag2O (реакция «серебряного зеркала») и реакция с гидроксидом меди (II) Cu(OH)2 в щелочной среде при нагревании:

Глюкоза
Кирпично-красный осадок

Глюконовая кислота

В ходе этих реакций альдегидная группа окисляется до карбоксильной группы .

2) Окисление под действием сильных окислителей (например, азотной кислоты HNO3) c образованием двухосновной глюкаровой кислоты:

Глюкаровая кислота
Глюкоза

В ходе этой реакции и альдегидная группа и первичная спиртовая группа – CH2OH окисляется до карбоксильных групп .

II. Реакции глюкозы с участием гидроксильных групп (т.е. свойства глюкозы как многоатомного спирта).

1. Взаимодействие с Cu(OH)2 на холоду с образованием глюконата меди (II) (качественная реакция на глюкозу как многоатомный спирт):

Глюкоза

(Голубой осадок)
Глюконат меди (II) (темно-синий раствор)

2. Взаимодействие с ангидридами или галогенангидридами кислот с образованием сложных эфиров:

3. Взаимодействие с галогеналканами с образованием простых эфиров:

Пентаметил-α-глюкоза
α-Глюкоза

Реакция происходит в присутствии Ag2O для связывания выделяющегося при реакции HI.

4. Взаимодействие со спиртами с образованием гликозидов.

Гликозиды – это производные углеводов, у которых гликозидный гидроксил замещен на остаток какого-либо органического соединения. В случае глюкозы гликозиды называются глюкозидами. Связь между углеводным остатком и остатком другого компонента называется гликозидной.

Метил-α-глюкозид
α-Глюкоза
HCl (газ), t o

В данных условиях в реакцию вступает только гликозидный гидроксил, спиртовые гидроксильные группы в реакции не участвуют.

Гликозиды играют чрезвычайно важную роль в растительном и животном мире. Существует огромное число природных гликозидов, в молекулах которых с атомом С (1) глюкозы связаны остатки самых различных соединений.

III. Брожение (ферментация) моносахаридов

Брожение – это расщепление моносахаридов под влиянием биологических катализаторов – ферментов, вырабатываемых микроорганизмами. Разные микроорганизмы вызывают различные виды брожения. Название вида брожения определяется названием образующихся продуктов брожения.

Брожение – сложный многостадийный биохимический процесс. Ниже приводятся лишь суммарные уравнения различных типов брожения глюкозы.

Источник

Читайте также:  Рекомендуемый уровень глюкозы в крови
Правильные рекомендации