Дезоксихара: понятие, методы получения

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕЗОКСИСАХАРА: ПОНЯТИЕ, МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ

Наряду с моносахаридами, которые можно было бы назвать моносахаридами нормального строения, существует довольно многочисленный и все разрастающийся класс углеводов, которые можно условно определить как моносахариды аномального строения в том смысле, что они не являются полиоксикарбонильными соединениями, содержащими у каждого из своих углеродных атомов кислородную функцию. К этому типу моносахаридов относятся так называемые дезоксисахара и аминосахара. Дезоксисахарами называют обычно моносахариды, которые по сравнению с нормальными лишены одного или двух, и очень редко большего числа, гидроксильных групп. Таким образом, молекулы дезоксисахаридов вместо обычных звеньев СН₂ОН и СНОН могут содержать звенья СН₃ и СН₂.

Дезоксисахара распространены в природе. Они являются почти обязательным компонентом природных сердечных гликозидов. Новым природным объектом, в котором богато представлены дезоксисахара, являются антибиотики, особенно недавно открытые и расшифрованные макролиды. Важным классом природных соединений, содержащих дезоксисахара, являются бактериальные сахара, а также дезоксирибонуклеиновые кислоты, в которых углеводной компонентой является дезоксирибоза. Эти кислоты -- важный природный полимер, определяющий генетические характеристики живых организмов.

Дезоксисахара по своему поведению отличны от обычных моносахаридов, что делает целесообразным их отдельное рассмотрение. Для отличия дезоксисахаров от обычных углеводов существует ряд качественных реакций; наиболее часто применяется реакция Килиани -- образование характерной синей окраски на поверхности раздела раствора испытуемого сахара в уксусной кислоте и нижнего слоя, содержащего растворенную в концентрированной серной кислоте соль трехвалентного железа. Характерной реакцией дезоксисахаров является образование при их окислении йодной кислотой, в зависимости от строения, ацетальдегида или малондиальдегида, которые не могут образоваться при окислении обычных моносахаридов. Ацетальдегид и малондиальдегид могут быть легко обнаружены качественными реакциями, в том числе и на бумажных хроматограммах, и этот метод также весьма часто применяется для распознавания дезоксисахаров.

Дезоксисахара, помимо обычных принципов деления (гексозы, пентозы, кетозы, альдозы и т. д.), различаются также по местоположению дезоксизвена: различают 2-дезокси-, 3-дезоксигексозы, пентозы и т. д.

Хотя в принципе известны все типы дезоксисахаров, однако дватипа этих соединений представляют наибольший интерес: 2-дезоксисахара (2-дезоксиальдопентозы и 2-дезоксиальдогексозы), т. е. моносахариды, у которых отсутствует гидроксильная группа у соседнего с карбонильной группой звена, и 6-дезоксигексозы (называемые также метилпентозами), т. е. моносахариды, у которых место крайней первичноспиртовой группы занимает метальная группа. Важное значение имеют также дидезоксисахара, у которых отсутствуют две гидроксильные группы; особенно интересны 2,6-дидезоксигексозы, которые входят в состав сердечных гликозидов. Ниже приводятся формулы, нескольких наиболее часто встречающихся дезоксисахаров.

МЕТОДЫ СИНТЕЗА ДЕЗОКСИСАХАРОВ

Методы синтеза дезоксисахаров различаются в зависимости от того, о каком типе дезоксисахаров идет речь.

6-Дезоксигексозы (метилпентозы) или 5-дезоксипентозы получают в настоящее время единственным методом -- через 6- (или соответственно 5-) тозильные производные моносахаридов. Для этого последние либо непосредственно восстанавливают алюмогидридом лития, либо переводят действием иодистого натрия в соответствующие иодиды, которые затем подвергают каталитическому восстановлению. В качестве примера можно привести синтез, 6-дезоксиглюкозы.

Исходные тозилаты, как указывалось, могут быть получены либо тозилированием должным образом защищенного моносахарида, либо непосредственным тозилированием свободного сахара в определенных условиях, обеспечивающих тозилирование только первичной гидроксильной группы.

Как уже рассматривалось ранее, тозилаты вторичных: спиртов не способны к обмену тозильной группы на атом иода, а при восстановлении дают только гидроксильные производные, поэтому тозилатный метод не пригоден для синтеза дезоксисахаров другого типа, например, для получения 2-дезоксисахаров.

Синтез 2-дезоксисахаров, который несколько более трудоемок, может проводиться различными методами, из которых три имеют наибольшее значение: синтез через гликали, синтез через та-ангидросахара и метод Фишера -- Саудена.

Синтез через гликали на примере синтеза 2-дезоксиглюкозы может быть изображен следующей схемой:

При обработке ацетилгликозилбромида (I) цинком и уксусной кислотой образуется непредельное соединение (II), которое называется гликалем (соответственно глюкаль, галакталь, арабиналь и т. д.). Последний при гидратации в присутствии серной кислоты дает 2-дезокси-сахар, а при обработке спиртовым раствором хлористого водорода -- гликозид соответствующего 2-дезоксисахара. Этот метод является наиболее удобным и часто применимым, но, естественно, годится только для синтеза 2-дезоксисахаров.

Универсальный, хотя и достаточно сложный метод синтеза дезоксисахаров основан на использовании реакции раскрытия окисного кольца в б-ангидросахарах. Идея этого метода, разработанного Рейхштейном, видна из следующей схемы:

Наиболее слабым местом этого синтеза является возможность неоднозначного раскрытия окисного кольца, что должно далее привести к смеси двух дезоксисахаров, разделение которых очень сложно. Указывается, что во многих случаях б-окись раскрывается однозначно, однако это положение нельзя считать твердо установленной закономерностью, и полученный результат в каждом случае нуждается в серьезной и трудоемкой проверке.

Однако, если исходная б-окись доступна, этот метод синтеза является достаточно удобным. Примером его применения является синтез 2-дезоксиаллозы.

Бензилиденовое производное 2,3-ангидро-б-метил-D-гллозида (V) при взаимодействии с меркаптаном дает тиосахар (VI), имеющий у С₍₃₎--С₍₆₎ конфигурацию аллозы (альтрозы). При жестком гидрировании (VI) одновременно происходят гидрогенолиз связи сера-углерод у С₍₂₎ , в результате чего образуется дезоксизвено, и гидрогенолиз бензилиденовой группировки у С (4) --С (6). После кислого гидролиза образуется свободный дезоксисахар (VII). Нужно отметить, однако, что обычно исходная б-окись гораздо менее доступна, чем в указанном выше примере, что сильно затрудняет практическое использование этого метода.

Позднее Принс модифицировал этот метод синтеза дезоксисахаров, применив вместо раскрытия окисного кольца меркаптаном восстановление окиси алюмогидридом лития, что дает возможность получить дезоксисахар непосредственно из окиси. Хотя этот вариант синтеза делает его более удобным, однако он не устраняет главного недостатка-- неоднозначного раскрытия окисного кольца и образования смеси двух дезоксисахаров.

Для синтеза более сложных дезоксисахаров, таких, как дидезокси- сахара, входящие в состав сердечных гликозидов, обычно используют комбинацию обоих приведенных выше методов. В качестве типичного примера можно привести синтез цимарозы.

Исходным веществом для синтеза цимарозы является также бензилиденовое производное 2,3-ангидрометилаллозида (X), получающееся из 4,6-бензилиденметилглюкозида (VIII) через дитозилат (IX), который при обработке щелочью дает (X). Дальнейшее тозилирование окиси в особых условиях приводит к снятию бензилиденовой защиты и получению тозилированной окиси (XI); при восстановлении (XI) алюмогидридом лития разрывается окисное кольцо и гидрогенизуется тозильная группа у С₍₈₎, в результате чего образуется тозилат дидезоксисахара (XII). Метилирование единственного свободного гидроксила в (XII) и заключительное отщепление тозильной группы в метилированном производном (XIII) дает метилгликозид цимарозы (XIV).

Сравнительно недавно Фишером и Сауденом был предложен новый, чисто синтетический путь получения 2-дезоксисахаров, который на примере синтеза 2-дезоксиглюкозы может быть представлен схемой.

Как видно, здесь используется тот же прием, что и при наращивании цепи в моносахаридах по Фишеру -- Саудену, описанный ранее.

Конденсацией низшего сахара, в данном случае арабинозы (XV), с нитрометаном получается нитроспирт (XVI), который после ацетилирования и обработки ацетата (XVII) бикарбонатом натрия дает непредельное нитросоединение (XVIII). Гидрирование (XVIII) над палладием насыщает двойную связь, не затрагивая нитрогруппы, и полученное насыщенное нитропроизводное (XIX) в виде натриевой соли (XX) подвергается обработке серной кислотой. В результате происходящего распада по Нефу образуется альдегидная группа и получается дезоксисахар (XXI).

Как видно из приведенного материала, все методы синтеза дезоксисахаров имеют серьезные ограничения, не позволяющие использовать их для синтеза дезоксисахара любой заданной структуры. Для развития такого метода необходимо иметь реакцию, позволяющую в подходящих условиях заменять на водород любую гидроксильную группу моносахарида. Однако до сих пор подобные методы отсутствуют.

СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ДЕЗОКСИСАХАРОВ

дезоксисахар гидроксильный углевод моносахарид

Строение дезоксисахаров устанавливается обычными методами, применяемыми в структурной химии углеводов. Для выяснения строения и частично конфигурации дезоксисахаров может быть привлечен метод Хеуорзса -- метилирование с последующим окислением. Так, например, строение 2-дезоксиглкжозы становится ясным из такой последовательности реакций:

Метил-2-дезоксиглюкозид (XXII) после метилирования и окисления метального производного (XXIII) азотной кислотой дает б,в-диметоксиглутаровую кислоту (XXIV), что доказывает местоположение «дезоксизвена» и структуру дезоксисахара. Конфигурация Полученной диметоксиглутаровой кислоты определяет и конфигурацию исходного дезоксисахара.

Многие вопросы строения дезоксисахаров можно решить, исходя из данных окисления йодной кислотой. Как уже указывалось выше, образование при этом малондиальдегида и ацетальдегида может служить качественным указанием на присутствие дезоксисахара. С помощью окисления йодной кислотой можно определить величину окисного кольца. Таким образом, для решения вопроса о строении дезоксисахаров метод используется так же, как для решения вопроса о строении обычных моносахаридов. В качестве важного примера использования этого метода можно привести определение размеров окисного кольца в производных 2-дезоксирибозы, которое в настоящее время широко применяется в химии нуклеотдиов. Ясно, что гликозид с пиранозным кольцом - метил-2-дезоксирибопиранозид - поглотит один моль йодной кислоты, не образуя при этом ни муравьиной кислоты, ни формальдегида, а фуранозное производное - метил-2-дезоксирибофуранозид (XXVI) - вовсе не будет окисляться йодной кислотой.

В основных чертах химическое поведение дезоксисахаров не отличается от поведения обычных углеводов. Так, они образуют, хотя иногда и с большим трудом, обычные производные по карбонильной группе (гидразоны, оксимы, ацетали) и гидроксильным группам (простые и сложные эфиры, изопропилиденовые, бензилиденовые производные и т. д.). Однако в поведении дезоксисахаров, и особенно наиболее важных 2-дезоксисахаров, можно отметить и существенные особенности. Наиболее важны и интересны характерные отличия в поведении гликозидных производных 2-дезоксисахаров. При обработке дезоксисахара спиртом в присутствии галоидоводородной кислоты образуется, как обычно, разновесная смесь аномерных гликозидов. Например,

Однако, в отличие от обычных моносахаридов, гликозидация здесь происходит крайне легко. Так, образование метилгликозида 2-дезокси- глюкозы заканчивается в течение 15 мин. и требует присутствия лишь 0,25% хлористого водорода. Вместе с тем и омыление гликозидов 2-дезоксисахаров происходит гораздо быстрее гидролиза обычных гликозидов.

Весьма серьезное обстоятельство, сильно осложняющее синтез производных 2-дезоксисахаров, связано с особенностями их ацилгалогенидов, которые являются, как это указывалось ранее (стр. 70), главными исходными веществами для синтеза различных О- и N-гликозидов. Указанные ацил-2-дезоксигликозилгалогениды могут быть получены присоединением соответствующего галоидоводорода к ацетилированному гликалю.

Получаемые таким способом ацилгелогениды отличаются неустойчивостью, и выделение их в чистом виде удалось лишь в одном-двух случаях; поэтому работа с ними весьма затруднена. Вторая особенность, которая должна быть учтена при синтетическом использовании ацилгалогенидов, состоит в том, что при реакциях обмена атома галоида в этих производных отсутствует стерическая направленность, в результате чего образуется смесь б- и в-гликозидов. Эта особенность связана с отсутствием заместителя у соседнего С -атома, вследствие чего отсутствует его влияние («эффект соучастия») на стереохимию замещения, и получаются оба аномера. Это делает крайне затруднительным направленный синтез гликозидов 2-дезоксисахаров с заданной конфигурацией, соответствующей природным соединениям.

Указанные особенности поведения дезоксисахаров и некоторые другие являются причиной того, что дезоксисахара, несмотря на их значительную биологическую роль, изучены значительно хуже углеводов обычного типа.

Размещено на Allbest.ru