Циклические формы моносахаридов. 
Таутомерия

Уже давно были известны свойства моноз, которые не могли быть объяснены предложенными для них формулами оксиальдегидов и оксикетонов. В частности, казалось непонятным, что альдозы не дают реакции с фуксинсернистой кислотой и очень медленно взаимодействуют с гидросульфитом натрия. В то же время наблюдалась повышенная реакционная способность одной из гидроксильных групп, наличие в два раза большего числа изомеров, чем предсказывает формула Фишера, мутаротация — изменение угла вращения свежеприготовленных растворов и др.

Для объяснения этих противоречий еще в конце прошлого столетия было высказано предположение, впоследствии подтвердившееся, что моносахариды могут иметь двоякое строение: не только альдегидои кетоспиртов, но и внутренних циклических полуацеталей, не содержащих свободной альдегидной (или кетонной) группы, но легко дающих ее при разрыве цикла. В результате дальнейших исследований оказалось, что в кристаллическом состоянии моносахариды (монозы) имеют циклическое строение, а в растворах представлены циклическими и открытыми оксоформами, находящимися в динамическом равновесии — циклоцепная таутомерия. Поэтому в зависимости от условий они могут реагировать и как оксиальдегиды или оксикетоны, и как полуацетали. Равновесие сдвигается в сторону той формы, которая принимает участие в реакции, и в конечном счете вся моноза реагирует в одной форме.

Образование циклических форм обусловлено взаимодействием альдегидной группы с гидроксилом пятого (С₅) или, реже, четвертого (С₄) углеродного атома. Эти атомы из-за конфигурации углеродной цепи могут сближаться друг с другом в пространстве без возникновения углового напряжения. Такие превращения характерны не только для моносахаридов. Так, например, известно, что 5-оксивалериановый альдегид способен к существованию только в виде циклического полуацеталя:

Циклизация моносахаридов происходит так, что атом водорода гидроксильной группы (С₅) присоединяется к кислороду альдегидной группы за счет разрыва л-связи, образуя так называемый полуацеталъный, или гликозидныи, гидроксил (в формулах заключен в рамку):

Атом кислорода гидроксильной группы у атома С₅ после отщепления от него водорода соединяется с атомом углерода альдегидной группы С,. Таким образом, возникает кислородный мостик, связывающий углеродные атомы С! и С₅ и замыкающий шестичленный цикл.

Образовавшиеся соединения относятся по своей структуре к внутренним циклическим полуацеталям. Поэтому формы моноз, имеющих такое строение, называются циклическими или полу ацетильными. Циклические полуацетали, содержащие шесть атомов в цикле, называют еще 6-окисными, так как они содержат 6-окисное кольцо; если же в цикле пять атомов, то они называются у-окисными.

В полуацетальной форме нет свободной альдегидной группы.

Первый атом углерода (группы —) превратился в асим;

Н метрический.

В молекуле появился новый (пятый) асимметрический центр. В результате при замыкании цикла из одной открытой альдегидной формы (оксоформы) получаются две циклические полуацетальные формы, отличающиеся одна от другой пространственным расположением полуацетального гидроксила.

Та циклическая форма, у которой полуацетальный гидроксил расположен по одну сторону с гидроксилом, определяющим конфигурацию монозы (принадлежность к D- или L-ряду), называется а-формои. Иными словами, у a-формы полуацетальный гидроксил находится условно в цис-положении асимметричес гидроксилом последнего (от группы —.

ского атома углерода независимо от того, свободен он или входит в цикл.

Циклическая форма, у которой полуацетальный гидроксил находится условно в транс-положении с гидроксилом, определяющим конфигурацию, называется (3-формой.

а- и (5-Формы не являются антиподами, а представляют собой диастереомеры. Такие циклические диастереомерные формы альдоз, отличающиеся конфигурацией у первого углеродного атома, называются аномерами (частный случай диастереомеров).

Физические и химические свойства аномеров различны. Так, a-Dглюкоза труднее, чем (3-D глюкоза, растворима в воде, ее температура плавления 146 °C, [а]²? = +113°. p-D-Глюкоза хорошо растворима в воде и проще всего может быть получена при кристаллизации Dглюкозы из пиридина; она плавится при 149 °C, [а]²^ = +19°.

Альдегидная группа монозы может реагировать также с гидроксилом атома С₄. И в этом случае получаются две аномерные полуацетальные формы. Однако они будут иметь не шести-, а пятичленные (у-окисные) циклы, так как кислородный мостик соединяет углеродные атомы С₄ и С:

В циклических формах моноз на один асимметрический атом углерода больше, чем в открытых, поэтому у них в два раза большее число оптических изомеров (за счет аи (5-форм), что объясняет несоответствие между количеством реально существующих изомеров и предсказанных по формуле Фишера.

Для более удобного написания и наименования полуацетальных форм моноз Хеуорс предложил рассматривать их как производные гидрированных гетероциклов пирана и фурана:

Моносахариды, имеющие пятичленное (у-окисное) кольцо, как у фурана, называют фуранозами. Имеющие шестичленное (5-окисное) кольцо относят к производным пирана и называют пиранозами. Перед названием типа цикла пишут начальный слог наименования сахара, например a-D (f)-глюкопираноза, (З-Л (-)-рнбофураноза и т. д.

Строение пираноз и фураноз удобнее изображать «перспективными» формулами (формулами Хеуорса).

Атом кислорода всегда располагают в правом верхнем углу. Для более отчетливого изображения плоскости кольца часть его, обращенная к читателю, обозначается утолщенными линиями. Углеродные атомы, входящие в цикл, как правило, не пишутся, а только нумеруются. Через них проводят вертикальные линии, на концах которых пишут водородные атомы и гидроксильные группы в соответствии с их пространственным расположением в молекуле:

При этом атомы и группы, находящиеся с левой стороны цепочки, размещают над плоскостью кольца, т. е. сверху него, за исключением атома водорода, при С⁴ в фуранозах и С⁵ в пиранозах, а гидроксильные группы и водородные атомы, расположенные с правой стороны цепи, размещают под плоскостью кольца, т. е. внизу:

В кристаллическом состоянии моносахариды имеют строение внутренних циклических полуацеталей (пираноз и фураноз). В растворе под влиянием растворителя часть из них изменяет свою структуру и переходит из циклической формы в открытую.

Этот процесс является обратным процессу замыкания цикла: кислородный мостик разрушается, атом водорода полуацетального гидрокг ил, а присоединяется к атому кислорода мостика и образует с ним гидроксильную группу при С₅. Атом кислорода гликозидного гидроксила после отщепления от него атома водорода соединяется с С¹ двойной связью, давая альдегидную группу. Так образуется открытая альдегидная форма:

Часть молекул снова переходит в полуацетальную форму, давая уже не только исходную, например, a-форму, но и ее аномер — p-форму. При этом наряду с шестичленными могут образовываться пятичленные циклические полуацетали (в аи P-форме). Вновь возникшие окисныс формы также частично размыкаются, давая открытую альдегидную форму.

В растворе переход одной формы в другую (таутомерия) происходит непрерывно. Через определенное время скорость этих процессов стабилизируется и в растворе наступает подвижное (динамическое) равновесие, при котором количество всех форм остается постоянным. При этом большая часть молекул альдозы находится в и и р-шестичленных (пиранозных) циклических формах и лишь 0,02—0,4% — в открытой альдегидной форме (только у рибозы содержание открытой формы достигает 8,5%). Поэтому водные растворы альдоз не дают некоторых реакций на альдегидную группу (или дают их очень медленно). У кетоз (например, у фруктозы) содержание кетоформы в водных растворах больше и достигает нескольких процентов.

Формулы Хеуорса подразумевают плоское строение кольца. Это приблизительно верно лишь для фураноз. Рентгеноструктурные исследования моносахаридов показали, что пиранозы существуют в виде кресловидной конформации (аналогично конформации типа «кресло» для циклогексана), причем такой, в которой максимально возможное число объемистых заместителей (четыре) расположено экваториально. Согласно этим данным, a-Dглюкопираноза имеет вид:

где——экваториальные заместители.