Опыт показывает, например, что простые алифатические и ароматические амины способствуют быстрому протеканию реакций гликозидного центра моносахаридов с азотсодержащими соединениями, которые сами по себе лишь с большим трудом вступают в реакции с сахарами с образованием N-гликозидных связей. В этом случае мы можем рассматривать эти амины как истинные нуклеофильные катализаторы синтеза N-гликозидов. Практическая ценность этого вида катализа состоит в том, что он обеспечивает снижение времени пребывания углеводов в реакционной среде, а значит, и уменьшает вероятность развития побочных процессов.

Первым примером нуклеофильного катализа в реакциях углеводов можно считать ускорение аммиаком реакции циангидринного синтеза – образование нитрилов сахара (33), последующий гидролиз нитрильной группы до карбоксила (34) и восстановление последнего до альдегидной группы (35):

]]> http://gunterboy.ru/?feed=rss2&p=18 0 http://gunterboy.ru/?p=42 http://gunterboy.ru/?p=42#comments Fri, 26 Feb 2010 18:44:38 +0000 admin http://gunterboy.ru/?p=42 Клод Силберт ХэДсон – крупный исследователь, склонный к поиску необычного и неожиданного в привычном круге представлений физической химии и химии углеводов. 26 января 1981 года исполнилось 100 лет со дня рождения этого замечательного американского I Ученого.

Родился Хэдсон в г. Атланте (штат Джорджия), юность провел в прекрасном портовом городе Мобилл (штат Алабама). В 1901 году закончил Принстонский университет и после завершения диссертационной работы, посвященной свойствам молочного сахара, отправился в научную стажировку к Вальтеру Нернсту в Геттинген и Вант-Гоффу в Берлин.

Работая у ВантТоффа, он заинтересовался теоретическими построениями знаменитого физико-химика по оптической суперпозиции и много лет посвятил экспериментальному изучению оптической вращательной способности производных углеводов. В результате этих исследований были сформулированы известные всем углеводчикам знаменитые «правила изоротации Хэдсона».

За исследования в области физической химии и химии углеводов Хэдсон был награжден именными медалями Николса (1916), Гиббса (1929), Ричардса (1940), Бордена (1941), Крессона (1942). В 1927 году он был избран членом Национальной Академии наук США, в 1932 году – членом Кайзеровской Немецкой Академии наук. Умер Клод Хэдсон в 1952 году от коронарной недостаточности через год после ухода на пенсию.

«Во многих отношениях он был пионером и обладал присущей этому званию смелостью… Характерно, что он следовал по пути индивидуалиста, и часто говорил, что его не принимали в коллеги ни физики, ни физико-химики, ни химики-органики. На самом деле он был честным ученым и исследователем природы» (М. Вольфром).

Образование не одного, а одновременно двух диастереомеров (I) и (II) является результатом того, что карбонильная группа почти равнодоступна для атакующего агента НВ с обеих сторон плоскости, в которой расположена двойная связь. Точно такая же картина наблюдается и при замыкании линейной углеводной молекулы в кольцо: при взаимодействии ОН-группы при углеродном атоме С5 или С4 с карбонильной группой при C1 образуются два изомера (аномера), различающиеся пространственным расположением гликозидного гидроксила. С аналогичной ситуацией встречаются и при конденсации формальдегида по реакции Бутлерова и при любых других процессах наращивания углеродной цепи в углеводах:

Какие же пути существуют для стереонаправленного синтеза углеводных структур? Заметим сразу, что общими принципами и методами синтеза стереоизомерных форм сахароз химики пока еще не располагают. Речь можно вести о решении частных вопросов, например, о построении отдельных структурных фрагментов молекул, о введении заместителей в заданное положение углеводной молекулы. В химии углеводов получили большое развитие экспериментальные методы, основанные на эффектах соучастия соседних групп. Этот подход можно иллюстрировать следующей принципиальной схемой:

Хеоурс разработал метод метилирования Сахаров, с помощью которого он и его ученики установили структуру многих дисахаридов. В принципиальном отношении метод Хеуорса был чрезвычайно прост: полностью метилированный дисахарид подвергался кислотному гидролизу, при котором происходил распад дисахаридов по О-гликозидной связи, но не затрагивались метоксильные группы. Расположение свободной гидроксильной группы в полученных продуктах гидролиза однозначно указывало на место привязки одного моносахаридного остатка к другому в исходном дисахариде. Метод метилирования определил стратегию структурного анализа олиго- и полисахаридов. Он и в наши дни широко используется при изучении структуры сложных полисахаридов. За исследования в области структурной химии Сахаров Хеуорс был удостоен в 1937 году Нобелевской премии.

Норман Хеуорс – основатель научного направления по химии углеводов в Великобритании. Он оставил после себя много учеников, которые создали новые научные центры по углеводам в Эдинбурге, Бангоре, Бристоле, Миннесоте, Северном Уэльсе. В признание его заслуг перед родиной он был удостоен высокого рыцарского звания в 1947 году. Через год он оставил исследовательскую работу и передал пост директора химического факультета Бирмингемского университета своему ученику – Морису Стейси. Умер Хеуорс в 1950 году в день своего 67-летия.

За последние годы у нас в стране и за рубежом проведены большие исследования по созданию технологии микробиологического синтеза, оборудования для выращивания микроорганизмов, обеспечивающих хорошие условия для их «работы», осуществлено строительство специальных заводов по производству ряда важнейших аминокислот, кормовых дрожжей, биологически активных веществ, антибиотиков (для использования в животноводстве). Но всего этого пока мало. Долгосрочными планами развития народного хозяйства страны предусматривается ускорение темпов развития этой важнейшей в наши дни отрасли народного хозяйства.

Но и то, что намечается осуществить в области промышленного микробиологического синтеза, еще не предел возможностей (и, скажем, потребностей) человека. Существующие ныне и многие из проектируемых заводов основаны на использовании растительного сырья’ или синтетических продуктов (например, уксусной кислоты) и, следовательно, зависимы от продуктивности пашни, запасов нефти и газа. Встает вопрос о создании принципиально новой сырьевой базы, которая обеспечивала бы долговременное снабжение предприятий микробиологической промышленности и химической индустрии будущего воспроизводимым сырьем.

Но только ли топливные функции выполняют углеводы в живых организмах? Отнюдь нет, природа предпочитает не излишествовать в отношении классов жизненно важных веществ и обычно четко придерживается принципа совмещения нескольких функций в одном объекте. Переходя к другим биологическим функциям углеводов, сошлемся на высказывание крупного специалиста в области химии и биохимии углеводов академика Н. К. Кочеткова: «Если в прошлом углеводы рассматривались исключительно как энергетический ресурс организма, его топливо, то в настоящее время стало совершенно ясно, что многие простые и сложные производные углеводов, в особенности многочисленные полисахариды и другие углеводсодержащие полимеры, несут во многих процессах жизнедеятельности весьма специфическую функцию. Достаточно назвать такие углеводсодержащие соединения, как групповые вещества крови, специфические полисахариды микроорганизмов или гликолипиды нервной ткани, чтобы в полной мере оценить значение этого важнейшего класса природных соединений».

О чем идет речь? Для того чтобы оценить то обстоятельство, что углеводы нужны организму не только как, скажем, уголь «ли нефть паровозной топке, но и как носители специфических биологических функций, обратимся к некоторым полисахаридам живых тканей. Первые сведения о них были получены учеными еще в начале нашего столетия, но биологическая роль этих соединений выяснилась значительно позднее, уже в наши дни.

Известно, что нельзя вводить человеку чужую кровь, не совместимую с его собственной кровью. Но что означает несовместимость или совместимость «своей» и «чужой» крови? Установлено, что кровь человека можно классифицировать по наличию в ней определенных факторов. Но что скрывается за «фактором» – вещество определенного химического строения, смесь веществ различной структуры или явление, включающее цепочку биохимических процессов? Химический смысл факторов крови выяснился после детальной химической инвентаризации форменных элементов крови – эритроцитов и лейкоцитов. На наружной поверхности кровяных телец были обнаружены сложные биополимеры – гликопротеины, представляющие собой трудно разделяемый комплекс полисахаридов и белков.

Аммиак в данном случае играет роль не основания, а нуклеофильного агента, который присоединяется по гликозидному центру моносахарида и переводит последний в более peaкционноспособкый N-гликозид. При взаимодействии N-гликозида с синильной кислотой происходит формирование углерод-углеродной связи (образование нитрила) и отщепление молекулы аммиака. Роль аммиака может выполнять и любой другой алифатический амин. В последние годы установлено, что амины являются весьма эффективными каталитическими агентами в реакциях альдольной конденсации и С-глнкозилирования при взаимодействии моносахаридов с СН-кислоткыми агентами – соединениями, имеющими активную метиленовую группу. Реакции эти можно в принципе провести и в условиях щелочного катализа (щелочная среда необходима для активации метиленовой компоненты реакции). Но длительное выдерживание Сахаров в сильнощелочных растворах, как мы уже говорили, приводит к изомерным превращениям углеводного скелета. Введение же амина позволяет не только увеличить скорость реакции образования С-С-связей, но и провести ее в менее щелочных растворах. Более того, можно заранее подобрать такой амин, чтобы реакцию конденсации осуществить при вполне определенном значении рН среды. А это очень важно, если имеешь дело с такими лабильными структурами, какими являются сахара и полисахариды.

Ценным источником целлюлозы является хлопчатник – однолетнее культивируемое растение, на одну треть состоящее из хлопка-сырца (остальная часть приходится на стебель, листья, корни и створки коробочек). Хлопок-сырец в свою очередь содержит около 40 % хлопка и 60 % семян. Таким образом, из 100 кг растительной массы, выращиваемой на хлопковых плантациях, можно получить 10-15 кг чистого хлопка, на 95-98 % состоящего из чистой целлюлозы.

По посевам хлопчатника наша страна занимает четвертое место в мире (после США, Китая и Индии), второе – по валовому сбору и первое – по производству хлопкового волокна.

Источниками целлюлозы являются также такие технические культуры, как лен, кенаф, джут. Однако лидирующее положение в целлюлозном производстве занимает древесина.

Древесина – ценнейший и многотоннажный растительный продукт, отличный композиционный материал, в котором; кроме целлюлозы, содержится еще целый ряд сопутствующих веществ и главный из них «инкрустирующий материал» лигнин. Это название ввел в обращение в 1838 году французский исследователь Пайен, который одним из первых осуществил химическую переработку древесины и выделил из нее в чистом виде целлюлозу. Изучением структуры лигнина занимались многие химики. Но и сейчас никто не может с уверенностью сказать, каково в действительности пространственное строение молекул этого растительного продукта. Известно, что основой структурной организации лигнина является фенилпропановое звено (8), предшественником которого является, по всей вероятности, углеводное звено (чисто умозрительно можно представить себе процесс трансформации Сахаров в ненасыщенные циклические структуры), но как, в какой последовательности соединены эти фрагменты в растительной ткани, сказать трудно.

В качестве такого элементарного «кирпичика» выберем формальдегид. Структура его нам хорошо известна. Кстати, элементарный состав формальдегида (Н2С=0) – один атом углерода на одну молекулу воды – находится в полном соответствии с составом простых углеводов и в этом смысле его можно рассматривать как простейшую «углеводную» структуру. Формальдегид химически очень реакционноспособен и склонен вступать в химические процессы с образованием углерод-углеродных связей. Такие процессы называют реакциями альдольной конденсации.

После сочетания двух молекул формальдегида мы получим один-единственный продукт – гликолевый альдегид, но уже на следующей стадии начинаются сложности. Молекула формальдегида может в принципе присоединиться к карбонильной группе гликолевого альдегида двумя способами – «по ту и другую сторону» группы С=0, и в результате присоединения образуются две совершенно однотипные структуры, имеющие одинаковый элементарный состав, но различное расположение ОН-группы при втором углеродном атоме (здесь и далее всюду нумерацию углеродных атомов будем вести от карбонильного углерода).

Это свойство йодной кислоты обнаружил в 1928 году Малапраде. В 1936 году Джексон и Хэдсон использовали эту реакцию в химии Сахаров и полисахаридов, и она в настоящее время широко применяется для структурно-химических исследований сложных углеводных объектов. Йодная кислота не затрагивает ни О-гликозидные связи, ни полуацетальный кислородный мостик, поэтому по продуктам окислительного распада можно получить достоверные сведения о структуре исходного углеводного звена как в простых производных моносахаридов, так и в сложных полисахаридах.

Катализ реакций гидроксильных групп углеводов – одна из самых сложных и еще далеко не изученных областей современной химии углеводов. На первый взгляд это утверждение представляется несерьезным. В самом деле, катализируемые процессы образования эфиров целлюлозы и других полисахаридов давно уже вошли в практику получения большого количества ценных продуктов. О чем же речь? Представим себе, что в ходе тонкого органического синтеза нам потребовалось ввести некоторый заместитель в строго определенное положение углеводной цепи, например по четвертому углеродному атому (С4) глюкозы. Естественно, надо подумать о том, как быть с остальными гидроксилами при Q, С2, С3 и Св; они, конечно, не останутся в стороне и при проведении реакции будут реагировать так же (примерно), как и гидроксил при С,.