Элементы оптической изомерии (на примере глюкозы)

Тема: УГЛЕВОДЫ

 

При изучении этой темы студенты должны: сформировать знания об углеводах, как о гетерофункциональных соединениях, проявляющих свойства карбонильных соединений, спиртов и полуацеталей, играющих особую роль в биологических процессах организма.

Исходный уровень:

Свойства спиртов, качественные реакции.              

Свойства альдегидов и кетонов, качественные реакции.         

Свойства карбоновых кислот.                 

Свойства простых эфиров, сложных эфиров.         

Понятие оптической активности.           

      6. Конформации устойчивых циклов.                 

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Углеводы -гетерофункциональные соединения, широко распространенные в животном и растительном мире. Свое название углеводы получили потому, что состоят из углерода и воды и выражаются общей формулой Cx(H₂O)y.

Образование углеводов происходит в растениях в результате взаимодействия двух простых веществ – воды и двуокиси углерода под действием хлорофилла (ловушка квантов лучистой энергии) и при освещении (источник энергии). Благодаря этому чрезвычайно сложному комплексу реакций, называемых фотосинтезом, происходит преобразование световой (электромагнитной) энергии в химическую.

Животные организмы не способны синтезировать углеводы, а получают их с пищей в основном растительного происхождения.

В организме происходит расщепление углеводов (метаболизм):

Углеводы являются источниками энергии. Они играют особую роль в биологических процессах, так как являются основой для построения всех «кирпичиков» организма. Из них синтезируются азот-, серу-, и фосфорсодержащие соединения.

 

КЛАССИФИКАЦИЯ

МОНОСАХАРИДЫ

 

Моносахариды - твердые вещества, легко растворимые в воде, многие из них сладкие на вкус.

Тривиальные названия моносахаридов имеют окончание «оза». Обязательным является содержание альдегидной или кетонной группы и нескольких гидроксильных групп. Углеводы, содержащие альдегидную группу, называются альдозами, а кетонную – кетозами. В зависимости от числа атомов углерода моносахариды подразделяются на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы. В природе наиболее распространены пентозы и гексозы. Очень редко встречаются моносахариды с количеством углеродных атомов от 7 до 10.

Глюкоза – альдогексоза- наиболее важный моносахарид, содержится в плодах, семенах и соках растений, и особенно много ее в винограде, поэтому ее часто называют виноградным сахаром.

Она входит в состав крови, лимфы, а также многих полисахаридов, например крахмал, гликоген, декстраны, целлюлоза.

 

Элементы оптической изомерии (на примере глюкозы).

Многие биологически важные соединения обладают оптической активностью, то есть способны вращать плоскость поляризованного света. Наличие оптической активности определяется содержанием хирального центра молекулы (асимметрического атома углерода). Это углерод в sp³-гибридизации, связанный с 4-мя различными заместителями.

Каждая молекула монозы содержит несколько хиральных (асимметрических) атомов углерода, и, следовательно, проявляет оптическую активность, т.е. способны вращать плоскость поляризованного света.

На примере глюкозы рассмотрим изомерию, обусловленную наличием хиральных атомов углерода. Глюкоза содержит четыре хиральных атомов (отмечены звездочкой), вокруг каждого из них возможно различное расположение водородных атомов и гидроксильных групп. В связи с этим у глюкозы может существовать большое количество стереоизомеров. При рассмотрении этих изомеров пользуются проекционными формулами Фишера (I). Углеродная цепь записывается вертикально. В альдозах наверху

размещается альдегидная группа, в кетозах – первичноспиртовая, расположенная рядом с кетонной, с них и начинается нумерация углеродной цепи.

Количество возможных стереоизомеров (N) определяют по формуле:

N = 2ⁿ, где n – число хиральных атомов углерода.

Глюкоза имеет 16 изомерных гексоз.

Все оптически активные соединения условно делятся на D- и L- ряды. Принадлежность к стереохимическому ряду определяется конфигурацией последнего асимметрического атома углерода. Эталоном является глицериновый альдегид, предложенный М.А. Розановым.

Подавляющее большинство моноз принадлежит к D-ряду, однако среди них имеются как лево- (-), так и правовращающие (+) соединения. Так,  D-глюкоза является правовращающим изомером, а D-фруктоза-левовращающим.

Знак оптического вращения (+) или (-) не имеет отношение к D- и L- рядам и определяется экспериментально.

Диастереомеры, различающиеся конфигурацией одного хирального атома, называются эпимерами. Например,D-глюкоза и D-манноза отличаются друг от друга только конфигурацией атома С-2, т.е. являются эпимерами по С-2. Аналогично D-глюкоза и D-галактоза – эпимеры по С-4.