Мономерный анализ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Мономерный анализ

В химии полимеров мономерным анализом называют выяснение вопроса о том, из каких мономерных остатков построен изучаемый полимер. В химии полисахаридов мономерный анализ должен прежде всего установить, из каких моносахаридов построен полисахарид. Для этого нужно расщепить его до моносахаридов, т.е. разорвать все гликозидные связи. Важнейшая реакция, с помощью которой такой результат может быть достигнут,- это кислотный гидролиз гликозидных связей, представленный на примере гидролиза фрагмента ?-13-связанного D-глюкана.

Скорости гидролиза гликозидных связей варьируют достаточно широко в зависимости от природы гликозидного остатка, конфигурации гликозидной связи и особенно сильно - от размера цикла. Для пиранозных звеньев обычных альдоз примерные условия полного гидролиза: 1н. Минеральная кислота, 100С, несколько часов. Для фуранозных звеньев: 0,01н. минеральная кислота, 100С, 1-2 часа.

После гидролиза можно выделить образовавшиеся моносахариды, установить их строение и таким образом узнать, каков моносахаридный состав полисахарида. Конечно, знание моносахаридного состава не позволяет сделать никаких заключений о последовательности моносахаридных остатков в цепи, о регулярности или нерегулярности ее структуры*^* В некоторых крайних случаях моносахаридный состав позволяет делать довольно уверенные заключения о нерегулярности полисахарида. Так, например, трудно предположить, чтобы полисахарид, содержащий моносахариды A,B,C и D в соотношении 100:38:4:1, имел регулярную структуру., о наличии или отсутствии разветвлений - словом, ни об одной характеристике макромолекулы как целого. В этом смысле его можно уподобить данным элементного анализа низкомолекулярного вещества. Более того, моносахаридный состав полисахарида умалчивает даже о многих особенностях строения самых моносахаридных остатков в полисахаридной цепи.

В самом деле, гидролиз осуществляют в сильнокислых средах. Поэтому образовавшиеся моносахариды мгновенно (или во всяком случае неизмеримо быстрее, чем идет гидролиз) достигают мутаротационного равновесия. Таким образом, каков бы ни был размер цикла моносахаридного остатка в полисахаридной цепи и какова бы ни была конфигурация его гликозидной связи, образующийся моносахарид будет получен в одной и той же форме - равновесной смеси, состав которой определяется только условиями среды, а отнюдь не структурой соответствующего звена в полисахаридной цепи. Иными словами, вся информация о размере цикла и о конфигурации гликозидной связи будет необратимо потеряна в результате гидролиза.

Далее. Гидролиз глюкана, который мы привели выше, дает D-глюкозу. Тот же результат получился бы и при гидролизе целлюлозы, и при гидролизе амилозы, глюкана овса или вообще любого другого D-глюкана. Между тем именно мономерные звенья в этих полисахаридах различаются весьма сильно - не только конфигурацией гликозидных связей, но и местами присоединения остатков друг к другу. В этом смысле истинные мономеры названных полисахаридов - не D-глюкоза, а ?- или ?-D-глюкопираноза со связями 13 или 14. Но простой кислотный гидролиз не позволяет их различить. Чтобы после гидролиза не потерять информацию о положении гликозидных связей в исходном полисахариде, надо предварительно как-то «пометить» атомы кислорода, использованные для образования гликозидной связи и для образования циклов. Непосредственно сделать это нельзя (по крайней мере современными средствами). Но можно решить почти эквивалентную обратную задачу: «пометить» все те кислородные атомы моносахаридного остатка, которые не использованы для образования гликозидных связей и циклов. Это достигается методом метилирования.

Спиртовые гидроксилы можно превратить в простые эфиры, как и всякие спирты. Простейшая возможность - метиловые эфиры. Для этого полисахарид надо обработать теми или иными метилирующими агентами (например иодистым метилом) - прометилировать. Идея метода заключается в том, что метиловые эфиры сахаров устойчивы в условиях кислотного гидролиза гликозидных связей. Поэтому после гидролиза метилового эфира полисахарида можно получить метиловые эфиры входящих в его состав моносахаридов, причем метильные группы в них окажутся в тех же самых положениях, в которых они были в соответствующих моносахаридных остатках полисахаридной цепи. Напротив, неметилированными в них будут те гидроксилы, которые были использованы для образования гликозидных связей и освободились при гидролизе. Таким образом, установив строение метилированных моносахаридов и, следовательно, положение в них метильных групп, можно выяснить, какими своими положениями эти моносахариды были связаны в исходной полисахаридной цепи. Все это можно проследить на примере метилирования растворимого ламинарина, фрагмент которого представлен на схеме (с. 53).

Метилирование полисахарида приводит к образованию его полного метилового эфира, не содержащего свободных гидроксильных групп. Последующий гидролиз дает смесь частично метилированных глюкоз (1-3).

Тетраметиловый эфир 1 не содержит свободных спиртовых гидроксилов и, следовательно, происходит из концевых остатков - тех, которые были в полисахариде только гликозильными. Поскольку в этом соединении в положении 4 имеется метильная группа, этот гидроксил не мог быть включен в цикл в исходном остатке.

Следовательно, этот остаток был не фуранозным, а пиранозным.

Триметиловый эфир 2 содержит один свободный спиртовый гидроксил в положении 3. Следовательно, эти остатки находились внутри цепи и были привязаны к соседнему с ними гликозильному остатку (слева, при традиционной форме записи полисахаридных структур) связями 13. Наличие метильной группы при О-4 указывает на то, что эти остатки находились в полисахариде в пиранозной форме.

мономерный анализ полисахарид гидролиз

Диметиловый эфир 3 содержит два свободных спиртовых гидроксила. Из этого прямо следует, что к этому остатку в полисахариде было присоединено два гликозильных, т.е. что он служил местом разветвления (а значит, исходный полисахарид был разветвленный). А положение свободных гидроксилов указывает на положение их связей 13 и 16. Иными словами, становится ясно, что полисахаридная цепь построенная из 13-связанных остатков, разветвлена по положениям 6.

Таким образом, видно, что метод метилирования позволяет выполнить гораздо более детальный мономерный анализ полисахарида, установить не только природу моносахаридных остатков, из которых он построен, но и положения межмономерных связей в каждом остатке и даже тип структуры (разветвленный-неразветвленный). Следует, однако, помнить, что при всех своих достоинствах метод метилирования не есть прямой способ установить, какие атомы кислорода вовлечены в межмономерные связи и циклы. Это лишь метод, основанный на рассуждении от противного («поскольку этот гидроксил метилирован, он не был использован для образования гликозидных связей или циклов. Следовательно …»). А при таком способе могут возникать неопределенности. Мы не будем их здесь разбирать, а хотим только предупредить читателя об абсолютизации этого метода (рассуждение: «делали метилирование, значит есть структура», довольно распространено) и отослать его за подробностями к более специальной литературе.

Количественный анализ состава смеси метилированных моносахаридов, полученных из полисахарида, позволяет установить также среднуюю длину линейных участков цепи, или среднюю частоту разветвлений (по соотношению продуктов типа 2 и 3), а также оценить среднюю молекулярную массу полисахарида по соотношению продуктов типа 2 и 1 (для неразветвленных полисахаридов)*^* Такой анализ, однако, технически сложен и поэтому мало достоверен. Дело в том, что для больших молекулярных масс это соотношение может составлять величину порядка (1:100)-(1:1000), а такие соотношения могут быть измерены экспериментально с весьма малой точностью. В разветвленных же полисахаридах молекулярная масса определяется отношением продуктов типа 2 к разности между продуктами типа 1 и типа 3. В подобных случаях результат обычно безнадежно тонет в ошибках измерений..

Мы видим, что метилирование - высоко информативный метод структурного анализа полисахаридов. Но тем не менее это всего лишь метод мономерного анализа, который в принципе, по самой сути, не может дать представления о полной структуре полисахарида - последовательности звеньев, распределении остатков между различными участками цепей (например, в рассмотренном примере с ламинарином о распределении остатков между главной и боковой цепями), о конфигурации гликозидных связей. Здесь буквально реализуется та самая потеря исходной части связей, по поводу которой так зло иронизировал гётевский Мефистофель:

«…живой предмет желая изучить

Чтоб ясное о нем познанье получить

Ученый прежде душу изгоняет

Затем предмет на части расчленяет

И видит их, да жаль духовная их связь

Тем временем исчезла, унеслась!»** Гёте И. Фауст (перевод Н.Холодковского)

Для восстановления утраченных характеристик структуры полисахаридов нужны принципиально другие методы, которые мы разберем в последующих главах. Но сначала надо рассказать о том, как устанавливают строение моносахаридов и их метиловых эфиров, т.е. о структурной концовке мономерного анализа.

Размещено на Allbest.ru