Что такое углеводная химия?

Химия углеводов описывает структуру, свойства и реакции соединений углерода, водорода и кислорода, известных как углеводы. Эти соединения имеют общую формулу C (H ₂ O) _n , где n может быть любым числом от трех и выше. Видно, что углеводы всегда содержат водород и кислород в пропорциях воды (H ₂ O), отсюда и название «гидрат». Углеводы включают сахара, крахмал, целлюлозу и многие другие распространенные вещества. Они производятся из углекислого газа и воды путем фотосинтеза в растениях и являются важным источником энергии в рационе всех животных.

Самыми простыми углеводами являются триозы, в которых всего три атома углерода. Химический состав углеводов, однако, может быть довольно сложным, так как несколько небольших молекул углеводов могут быть объединены для образования гораздо более крупных структур. Простые углеводы, такие как глюкоза, известны как моносахариды. Химия углеводов значительно продвинулась, когда детальная структура многих моносахаридов была впервые выяснена Эмилем Фишером, немецким химиком, в конце 19-го века. Сложные углеводы состоят из моносахаридных звеньев, связанных вместе.

Молекулы, состоящие из двух моносахаридов, известны как дисахариды; Типичным примером является сахароза - более известная как столовый сахар - которая состоит из моносахаридов глюкозы и фруктозы. Олигосахариды имеют несколько моносахаридных звеньев, а полисахариды состоят из длинных цепочек этих звеньев, иногда насчитывающих тысячи; примерами являются крахмал в его различных формах и целлюлоза. Каждая молекулярная единица в цепи соединена со своим соседом гликозидной связью, которая образуется путем удаления водородных (H) и гидроксильных (OH) групп - образующих воду - из соседних молекул моносахаридов.

Углеводные структуры таковы, что разные молекулы могут иметь одинаковую общую формулу, причем атомы расположены по-разному. Моносахариды, например, можно разделить на альдозы, которые имеют и альдегидную группу, и кетозы, которые имеют кетогруппу - углерод-кислородную двойную связь, также известную как карбонильная группа. Хотя глюкоза и фруктоза имеют одинаковую химическую формулу (C ₆ H ₁₂ O ₆ ), они имеют разную структуру: глюкоза является альдозой, а фруктоза - кетозой. Это общая черта углеводной химии.

Также возможно, чтобы тип углевода существовал в разных формах. Глюкоза может принимать линейную форму с шестью атомами углерода, образующими короткую цепь; атомы углерода могут быть пронумерованы C1-C6, где C1 образует альдегидную группу, а C6 на другом конце связан с двумя атомами водорода и гидроксильной группой. Четыре атома углерода между ними имеют атом водорода с одной стороны и гидроксильную группу с другой. Существуют две формы глюкозы, D-глюкоза и L-глюкоза, которые отличаются только тем, что первый имеет только одну из своих гидроксильных групп на той же стороне молекулы, что и кислород из альдегидной группы, в то время как во втором это договоренность точно обратная. Это относится ко многим моносахаридам, причем формы «D» преобладают среди природных сахаров.

В растворе D-глюкоза имеет тенденцию образовывать кольцевую структуру, причем С6 выталкивается в одну сторону, а гидроксильная группа на С5 реагирует с альдегидной группой на С1 таким образом, что образуется шестиатомное кольцо с 5 атомами углерода и одним атом кислорода. Это известно как глюкопиранозное кольцо. Кольцо может принимать две разные формы, в зависимости от положения гидроксильной группы на С1. Если оно находится в той же плоскости, что и кольцо, соединение известно как β D-глюкопираноза, но если оно лежит перпендикулярно плоскости кольца, оно известно как α D-глюкопираноза. Две разные формы известны как аномеры, а атом углерода С1 известен как аномерный углерод.

Форма β выглядит более структурно стабильной, и в случае D-глюкопиранозы это так, но в некоторых моносахаридах форма α является более распространенной. Это связано с тем, что в этих соединениях электростатическое отталкивание между электронными парами в аномерной гидроксильной группе и таковыми у атома кислорода в кольце может преодолеть большую структурную стабильность β-формы, явление, известное как аномерный эффект. Какая форма является более стабильной, зависит не только от соединения, но также от растворителя и температуры.

Гидроксильные, альдегидные и кетогруппы в углеводах могут быть заменены другими группами, что позволяет проводить широкий спектр реакций. Углеводы составляют основу многих других биологически важных соединений. Например, рибоза и дезоксирибоза, родственное соединение, являются основными звеньями, из которых образуются нуклеиновые кислоты ДНК и РНК. Гликозиды образуются из углеводов и спиртов; Гликозидирование по Фишеру, названное в честь Эмиля Фишера, включает использование катализатора для образования гликозида метилгликозида из глюкозы и метанола. Другим путем к получению гликозидов является реакция Кенигса-Кнорра, которая объединяет гликозилгалогенид со спиртом с образованием гликозида.