در نهایت، برخی از واکنش های قندها: گلیکوزیلاسیون و محافظت

در این پست چند واکنش ساده قندها به ویژه گلیکوزیلاسیون و محافظت را معرفی می کنیم:

تشکیل “گلیکوزیدها” – فقط یک نام متفاوت برای استالها زمانی که آنها در کربن “آنومریک” قندها وجود داشته باشند.
هیدرولیز پیوندهای گلیکوزیدی (گلیکوزیدها) که دقیقاً مانند هیدرولیز استالها (اسید آبی) است.
واکنش‌ها بر روی گروه‌های -OH قندها، از جمله گروه‌های محافظ
چگونه می توان از کربن آنومریک (C-1) به طور انتخابی “حفاظت زدایی” کرد

فهرست مطالب

کربوهیدرات ها و قندها: در نهایت، چند واکنش!
واکنش در کربن همی استال (آنومریک): تشکیل و هیدرولیز “گلیکوزیدها”
هیدرولیز گلیکوزیدها با اسید آبی
تشکیل دی ساکاریدها (در تئوری، اگر در عمل نباشد)
هیدرولیز پیوند گلیکوزیدی دی ساکاریدها
واکنش‌های گروه‌های الکلی قندها: مشکل انتخاب‌پذیری
یک راه بی رحم در اطراف گزینش پذیری: معرف اضافی
اترها در C-1 (کربن آنومریک) را می توان به طور انتخابی شکافت
چگونه می توان مشکل انتخاب را حل کرد؟ نگاهی اجمالی به سازمان 3
یادداشت
(پیشرفته) مراجع و مطالعه بیشتر
1. کربوهیدرات ها و قندها: در نهایت، برخی از واکنش ها!

اگر واکنش‌ها گوشت یک درس شیمی آلی هستند، پس نامگذاری یک نان شیرینی است – و شما می‌بخشید که فکر می‌کنید محتوای این فصل در مورد قندها تا کنون کمی «کربوهیدرات سنگین» بوده است.

نامگذاری زیاد و واکنش های کم!

تقریباً هیچ یک از شما که مطالعه می کنید، این مرجع را دریافت نمی کنید

ما امروز با بحث در مورد واکنش های کلیدی قندها سعی خواهیم کرد این کمبود را در رژیم غذایی شیمی خود برطرف کنیم.

واکنش های قندها که به آنها خواهیم پرداخت واقعاً به دو دسته اصلی خلاصه می شود.

بخش 1: واکنش های کربن آنومریک (همی استال).

کربن آنومریک یک قند می تواند استال ها را تشکیل داده و بشکند. این در مورد آن است.

تشکیل استال ها (“گلیکوزیدها”)، از جمله دی ساکاریدها و پلی ساکاریدها
هیدرولیز (شکاف) استال ها (“گلیکوزیدها”)

بخش 2: واکنش های گروه های کربوهیدرات هیدروکسی (الکل ها)

گروه های هیدروکسی قندها می توانند تمام واکنش های الکل ها (به عنوان مثال تشکیل اتر) را انجام دهند. ترفند این است که فرد مناسب را برای واکنش نشان دهید! د

تشکیل اتر (غیر انتخابی، به جز در موارد خاص با الکل اولیه (C6))
تشکیل استر (استات) (غیر انتخابی) با Ac2O.

ما با چند نکته در مورد اینکه چگونه واکنش‌های کربوهیدرات‌ها واقعاً ما را به محدودیت‌های آنچه در «سازمان ۲» مطالعه می‌کنیم می‌برد و چگونه راه را به «سازمان ۳» نشان می‌دهد، پایان می‌دهیم.

2. واکنش در کربن همی استال (“Anomeric”): تشکیل گلیکوزیدها

چند فصل پیش، نحوه تبدیل آلدئیدها و کتون ها به استال ها را از طریق همی استال ها دیدیم. در جهت جلو، این کار با درمان کتون (یا آلدئید) با الکل اضافی در حضور اسید (مانند H2SO4) انجام می شود.

قندهای ساده (به عنوان مثال، D-گلوکز) دارای یک گروه عملکردی همی استال هستند، زیرا حلقه های 5 و 6 عضوی به راحتی بین کربن کربونیل و گروه های هیدروکسیل تشکیل می شوند، پدیده ای که به عنوان “توتومریسم زنجیره حلقه” شناخته می شود.

بنابراین، گروه عاملی همی استال روی قندها نیز می تواند با درمان با الکل در حضور اسید به استال کامل تبدیل شود.

در شیمی کربوهیدرات، این استال ها یک نام خاص دارند: “گلیکوزید”.

در اینجا یک مثال است. درمان D-گلوکز با اتانول و اسید محصولی به نام Ethyl-D-glucopyranoside را فراهم می کند.

پیوند جدید C-O “پیوند گلیکوزیدی” نامیده می شود. در نقاشی بالا، ما فقط یک آنومر (α) را ترسیم کردیم، اما در عمل هر دو شکل خواهند گرفت.

تشکیل گلیکوزید حلقه را «قفل» می‌کند،  و دیگر با شکل زنجیره باز در تعادل نیست و بنابراین دیگر «قند کاهنده» نیست [نگاه کنید به: کاهش قندها]. مانند همه استال‌ها، تنها واکنش مهمی که متحمل می‌شود، هیدرولیز بازگشت به ماده اولیه با اسید آبی است.

3. هیدرولیز گلیکوزیدها با اسید آبی

بنابراین، تصفیه یک گلیکوزید با آب و اسید منجر به قند اصلی می شود (به عنوان مخلوطی از آنومرها، که می توانیم آن را با یک “خط squiggly” توصیف کنیم).

4. تشکیل دی ساکاریدها (در تئوری، اگر در عمل نباشد)

یک نوع خاص از گلیکوزیدها آنهایی هستند که از ترکیب دو یا چند قند تشکیل می شوند. به عنوان مثال، مالتوز استالی است که وقتی C-1 از D-گلوکز با C4-OH مولکول D-گلوکز دیگر واکنش می دهد و یک پیوند α-گلیکوزیدی ایجاد می کند.

یک راه سریع برای توصیف این پیوند، (α-1→4) است، که در آن 1 و 4 تعداد کربن‌های کنار پیوند گلیکوزیدی را نشان می‌دهند، و «α» نشان‌دهنده استریوشیمی در کربن آنومریک است. [بررسی سریع آلفا و بتا]

در تئوری، انجام این واکنش با درمان D-گلوکز با اسید امکان پذیر است:

[برای دیدن مکانیسم برای یک تصویر پاپ آپ اینجا شناور شوید (لینک به تصویر)

در عمل؟ خب، نقاشی بالا کمی گمراه کننده است.

در آزمایشگاه، افزودن اسید به گلوکز ممکن است مقداری مالتوز برای شما به ارمغان بیاورد، اما همچنین تعداد زیادی محصولات جانبی دیگر را از واکنش سایر گروه‌های هیدروکسی (C1-OH، C2-OH، و غیره) با C-1 ارائه می‌کند. کربن. (این نوعی واکنش است

دوست من جف در دفترچه یادداشت آزمایشگاهی خود به عنوان “BFM” می نویسد، جایی که “M” مخفف “مس” است).

در طبیعت، آنزیم‌های بسیار خاصی تکامل یافته‌اند که قندها را با خاصیت انتخاب مکانی عالی («انتخاب منطقه‌ای» برای C4-OH در این مورد، در مقابل سایر الکل‌های ممکن به عنوان هسته‌ساز) و انتخاب‌پذیری استریو (α- برای مالتوز) ترکیب می‌کنند.

[به عنوان مثال، بسیار مهم است که جهت گیری در استال C-1 برای مالتوز آلفا (α) باشد. استریوایزومر بتا (β) دی ساکارید دیگری است که به طور کامل (سلوبیوز) است.]

به همین ترتیب:

ساکارز (شکر سفره) یک دی ساکارید است که از طریق تشکیل استال بین C-1 گلوکز و C-2 فروکتوز (پیوند α-1→β-2) ایجاد می شود.
لاکتوز یک دی ساکارید است که بین C-1 گالاکتوز و C4-OH گلوکز (پیوند β-1→4) تشکیل شده است.
آمیلوز، یکی از دو جزء نشاسته، یک پلی ساکارید گلوکز است که از طریق پیوندهای گلیکوزیدی (α-1 → 4) پیوند خورده است.

همه آنها از طریق تشکیل پیوندهای گلیکوزیدی بین قندها – به عبارت دیگر، تشکیل استال خوب قدیمی ایجاد می شوند.

5. هیدرولیز پیوند گلیکوزیدی دی ساکاریدها

درست مانند اتیل D-گلوکوپیرانوزید در بالا، افزودن اسید آبی به پلی ساکارید آن را دوباره به قندهای تشکیل دهنده هیدرولیز می کند.

به عنوان مثال، D-لاکتوز می تواند دوباره به D-Galactose و D-Glucose با اسید آبی هیدرولیز شود:

در موجودات، آنزیم‌ها هیدرولیز گلیکوزیدها را انجام می‌دهند – این گلیکوزیدازها نامیده می‌شوند. شرایط آشنا “عدم تحمل لاکتوز” در نتیجه کمبود آنزیم لازم (لاکتاز) در بدن برای شکستن پیوند گلیکوزیدی لاکتوز است.

آنزیم ها می توانند به شدت به استریوشیمی حساس باشند. نشاسته، یک پلیمر از گلوکز با پیوندهای گلیکوزیدی (α-1→4)، به راحتی در بدن ما به واحدهای D-گلوکز تجزیه می شود، اما سلولز [با پیوندهای گلوکزی (β-1→4)] اینطور نیست. [واقعیت جالب: پستانداران علف خوار مانند گاوها برای تبدیل سلولز به گلوکز به میکروارگانیسم های روده خود متکی هستند].

6. واکنش‌های گروه‌های الکلی قندها: مشکل انتخاب‌پذیری

گروه های هیدروکسی قندها تحت چه نوع واکنش هایی قرار می گیرند؟ آنها در اصل فقط الکل هستند، درست است؟

ما قبلاً بسیاری از واکنش های مهم الکل ها را بررسی کرده ایم. بنابراین بیایید بگوییم که می‌خواستیم یک واکنش گوشت و سیب‌زمینی از الکل‌ها – سنتز ویلیامسون اتر – روی C3-OH گلوکز انجام دهیم.

شاید به خاطر داشته باشید که برای اجرای ویلیامسون، تنها کاری که باید انجام دهیم این است که بیس و یک آلکیل هالید اضافه کنیم، و وویلا – اتری تشکیل می‌شود.

چه چیزی ممکن است اشتباه باشد؟

خب، در واقع حداقل چهار چیز ممکن است اشتباه پیش برود. C-3 OH به طور قابل توجهی نسبت به CH3I انتخابی تر از هر یک از چهار گروه هیدروکسیل دیگر نیست.

نتیجه مخلوطی از محصولات است که نیاز به جداسازی خسته کننده دارد.

حتی با وجود تمام پیشرفت‌های شیمی آلی مدرن، هیچ روش شناخته‌شده‌ای برای انجام سنتز اتر ویلیامسون به صورت انتخابی با مثلاً C3-OH گلوکز در بازده خوب بدون تشکیل اترها در سایر گروه‌های هیدروکسیل وجود ندارد.

شاید باورش سخت به نظر برسد اما حقیقت دارد. هرچه بیشتر درباره شیمی آلی بیاموزیم، بیشتر یاد می‌گیریم که طبیعت باورنکردنی را در ابداع کاتالیزورهای بسیار انتخابی برای واکنش‌های روی قندها در مکان‌های خاص بدون استفاده از گروه‌های محافظ درک کنیم.

هنوز چیزهای زیادی برای کشف در شیمی آلی وجود دارد!

[یک راه قابل اعتماد برای قرار دادن یک گروه اتر روی قندی مانند گلوکز وجود دارد. C6-OH یک الکل اولیه است، و بنابراین کمتر از سایر گروه های الکلی مانع استرینگ می شود. می‌توان از یک آلکیل هالید بسیار حجیم مانند تری‌تیل کلرید استفاده کرد و آن را به صورت انتخابی در آنجا واکنش نشان داد. این یادداشت را در زیر ببینید]

مهم نیست که چه واکنشی را امتحان می کنید – اکسیداسیون، استیلاسیون، هالوژناسیون یا سیلیله کردن – تقریباً همیشه در مورد قندهای محافظت نشده با این مشکل مواجه خواهید شد. یک راه حل در دستور کار است. [یادداشت 2]

7. روش Brute Force Around Selectivity: از معرف اضافی استفاده کنید

اگر تمام امیدهای انتخابی بودن را کنار بگذاریم، فقط با تصفیه شکر با مقدار زیادی از یک معرف معین، می توان بازده خوبی به دست آورد. به عنوان مثال اگر گلوکز را با متیل یدید اضافی در حضور باز درمان کنیم، پنتا اتر را با بازده بالا بدست می آوریم. [ما گاهی اوقات این را “متیلاسیون کامل” می نامیم]. [توجه داشته باشید]

با استفاده از انیدرید استیک اضافی، می توان “پنتا استات” را نیز تشکیل داد:

برخی از پلاستیک‌های بسیار آشنا از زندگی مدرن، نتیجه پردازش سلولز پلی‌ساکارید با معرف‌های مختلف در شرایط «کامل» هستند:

فیلم استات سلولز (“فیلم ایمنی” از درمان سلولز با انیدرید استیک اضافی)
سلولوئید (نخستین پلاستیک، که در ابتدا به عنوان استوک فیلم استفاده می‌شد و از طریق نیتراسیون سلولز به دست می‌آمد)
ریون (جایی که سلولز با دی سولفید کربن اضافی برای تشکیل گزانتات ها پردازش می شود)
8. اترها در C-1 (کربن آنومریک) را می توان به طور انتخابی شکافت

یک نکته. آزاد کردن گروه هیدروکسیل C-1 روی پنتا اتر از طریق هیدرولیز اسیدی امکان پذیر است، زیرا کربن آنومریک (C-1) بخشی از یک استال است.

این ممکن است مانند یک شکاف اتری به نظر برسد (که معمولاً به اسید بسیار خشن مانند H-I نیاز دارد) اما در واقع فقط هیدرولیز یک استال است. (یک سوال امتحانی “ترفند” خوب!).

9. چگونه می توان مشکل انتخاب را حل کرد؟

تا زمانی که ما کاتالیزورهایی را ایجاد کنیم که با آنزیم ها در توانایی آنها در واکنش انتخابی با گروه های هیدروکسیل قندها رقابت می کنند، استراتژی های گروهی برای ما باقی می ماند.

ما به طور خلاصه به گروه های محافظ در فصل الکل ها پرداختیم. [نگاه کنید به: «گروه‌های محافظت از الکل‌ها»] با قندها، استراتژی‌های محافظت از گروه به سطح کاملاً جدیدی رسیده است. این یک موضوع بزرگ است – موضوعی که امروز در این پست برای آن وقت نداریم. [هر چند اینجا یک شروع است.]

نگاهی اجمالی به سرزمین فراتر

من استدلال می‌کنم که حفاظت از استراتژی‌های گروهی قندها واقعاً موضوعی است که ممکن است آن را «سازمان 3» بنامید.

معنی آن چیست؟

Org 1 و Org 2 دوره هایی هستند که ویژگی های گروه های عاملی مختلف و واکنش های اصلی آنها را معرفی می کنند. گروه های عاملی تا حد زیادی به صورت جداگانه درمان می شوند.

کمی شبیه شطرنج است. Org 1 و Org 2 مانند یادگیری قوانین نحوه انجام بازی و نحوه حرکت مهره ها (گروه های عملکردی) است.

در سازمان 3، زندگی پیچیده تر می شود. ما یاد می‌گیریم که چگونه استراتژی‌هایی برای مقابله با بسیاری از موقعیت‌های زندگی واقعی ابداع کنیم که در آن یک مولکول دارای چندین گروه عملکردی واکنش‌پذیر (مانند گلوکز!) است، و ما باید به طور انتخابی فقط در یکی از آنها پیوند ایجاد کنیم.

یا در اصطلاح شطرنج، اینجا جایی است که شما شروع به یادگیری نحوه هماهنگ کردن تمام مهره های خود در یک استراتژی کلی می کنید.

در ضمن امیدوارم این پست بیشتر گوشت گاو و نان کمتری بوده باشه.

یادداشت

تریتیلاسیون

گروه تری‌تیل (تری فنیل متیل) به قدری پرجرم است که فقط روی الکل‌های اولیه قرار می‌گیرد، بنابراین به طور انتخابی با گروه هیدروکسیل C-6 واکنش نشان می‌دهد:

به تجربه می توانم بگویم که پس از پوشیدن آن نیز احساس بسیار خوبی دارد، زیرا حجم محصول شما سر به فلک می کشد (“با 400 میلی گرم شروع شد و اکنون تقریباً یک گرم دارم. بله!”). با این حال، این احساس زمانی که با اسید تری کلرواستیک از بین می رود از بین می رود. گزینه دیگر گروه سیلیل حجیم t-butyldiphenylsilyl chloride (TBDPS) است.

نکته 2. این بسیار بالاتر از Org 2 است، اما در اینجا یک توالی حفاظتی بسیار مفید وجود دارد که امکان عملکرد انتخابی C-3 از D-گلوکز را فراهم می کند. درمان با استون و اسید (همچنین می توان از اسید لوئیس مانند CuSO4 استفاده کرد) 4 گروه از 5 گروه هیدروکسیل را به عنوان “استونید” (استال های استون) مرتبط می کند. این باعث می شود که C-3 OH باقی بماند که در صورت تمایل می توان آن را به صورت انتخابی متیله کرد. [این در سنتز Nicolaou از Leucomycin A برای قرار دادن متیل اتر روی C-3 گلوکز استفاده شد. برای مثال‌های شگفت‌انگیز دیگر، «ماجراهای شیمی کربوهیدرات» را ببینید. ]

نکته 3. یک نوع برگشت پذیرتر از این واکنش، به جای متیل اترها، بنزیل اترها را تشکیل می دهد (که جدا کردن آنها بسیار دشوار است). بنزیل اترها را می توان با تصفیه با Pd/C و گاز هیدروژن حذف کرد.

(پیشرفته) مراجع و مطالعه بیشتر
استری کردن گروه های الکلی اولیه کربوهیدرات ها با اسید استیک: یک واکنش عمومی
آر بی داف
جی. شیمی. Soc., 1957, 4730-4734
DOI: 10.1039/JR9570004730
یک مقاله اولیه نشان می دهد که مونواستیلاسیون انتخابی روی هیدروکسیل اولیه امکان پذیر است، زیرا به طور قابل توجهی واکنش پذیرتر است.
متیلاسیون جامع گلوکزامین
نوربرت جی. وویچیچوسکی، رالف دانیلز و برنارد اکانوف
فارم. علمی 1961، 50 (10)، 888-889
DOI: 10.1002/jps.2600501024
در چکیده آمده است: “یک سنتز گزارش شده از یک مشتق چهارتایی گلوکزامین با روش های شیمیایی و طیف مادون قرمز مورد بررسی قرار گرفت. تحت شرایط گزارش شده، گلوکزامین تجزیه شده و تترمتیل آمونیوم یدید تشکیل شد.
کاربردهای واسطه های حاوی قلع در شیمی کربوهیدرات
بروس گریندلی
Adv. کربوهیدرات شیمی. و بیوشیمی. 1998، 53، 17-142
DOI: 10.1016/S0065-2318(08)60043-8
اسیلاسیون انتخابی منطقه ای و آلکیلاسیون استال های قلع برای حفاظت انتخابی تعدادی از سیستم های حاوی پلی ال، از جمله حفاظت از گروه های هیدروکسیل استوایی بر روی محوری و برای تمایز بین دو گروه هیدروکسیل استوایی با محیط های فضایی متفاوت بسیار مفید است.
ماجراجویی در شیمی کربوهیدرات: فناوری‌های جدید سنتزی، سنتز شیمیایی، طراحی مولکولی و زیست‌شناسی شیمیایی
K. C. Nicolaou پروفسور دکتر هلن جی میچل Dr.
آنژو. شیمی. بین المللی اد. 2001، 40 (9)، 1576-1624
DOI: 10.1002/1521-3773(20010504)40:9<1576::AID-ANIE15760>3.0.CO;2-G
یک بررسی دوره ای توسط پروفسور K. C. Nicolaou (اکنون در Rice U.) که به طور کامل شیمی کربوهیدرات و کاربردهای آن در سنتز کل محصولات طبیعی را پوشش می دهد.