АНОМЕРНИЙ ВУГЛЕЦЬ: ХАРАКТЕРИСТИКИ ТА ПРИКЛАДИ - ХІМІЯ - 2025

Аномерного вуглецю є стерео центру присутній в циклічних структурах вуглеводів (моно- або полісахариди). Будучи стереоцентром, точніше епімером, з нього виводяться два діастереоізомери, позначені літерами α і β; це аномери та входять до складу широкої номенклатури у світі цукрів.

Кожен аномер, α або β, відрізняється положенням OH-групи аномерного вуглецю відносно кільця; але в обох аномерний вуглець однаковий, і він розташований там же в молекулі. Аномери - це циклічні геміацетали, продукт внутрішньомолекулярної реакції у відкритому ланцюзі цукрів; є альдозами (альдегідами) або кетозами (кетонами).

Конформація стільця для β-D-глюкопіранози. Джерело: Commons Wikimedia.

На верхньому зображенні показана конформація стільця щодо β-D-глюкопіранози. Як видно, воно складається з шестичленного кільця, що включає атом кисню між вуглецем 5 і 1; останній, а точніше перший, - аномерний вуглець, який утворює дві одиничні зв’язки з двома атомами кисню.

Якщо ви придивитесь уважніше, група OH, приєднана до вуглецю 1, орієнтована над шестикутним кільцем, як і група CH ₂ OH (вуглець 6). Це β-аномер. Аномер α, з іншого боку, відрізнявся б лише в цій групі ОН, яка була б розташована вниз по кільцю, так само, як якщо б це був трансдіастереомер.

Геміацеталі

Потрібно трохи глибше заглибитися в поняття геміацеталів, щоб краще зрозуміти та розрізнити аномерний вуглець. Геміацетали - продукт хімічної реакції між алкоголем і альдегідом (альдозами) або кетоном (кетозами).

Ця реакція може бути представлена ​​наступним загальним хімічним рівнянням:

ROH + R'CHO => ROCH (OH) R '

Як видно, алкоголь реагує з альдегідом, утворюючи геміацеталь. Що буде, якщо і R, і R 'належать до одного ланцюга? У цьому випадку у вас буде циклічний геміацеталь, і єдиний можливий спосіб його утворення полягає в тому, що обидві функціональні групи, -OH та -CHO, присутні в молекулярній структурі.

Крім того, структура повинна складатися з гнучкої ланцюга і з зв'язками, здатними сприяти нуклеофільній атаці ОН у бік карбонільного вуглецю групи CHO. Коли це відбувається, структура закривається в п'яти- або шестичленне кільце.

Циклічний геміацеталь

Циклічне геміацетальне утворення. Джерело: Алехандро Порто

Приклад утворення циклічного геміацеталу для моносахариду глюкози показаний на зображенні вище. Видно, що він складається з альдози з альдегідною групою CHO (вуглець 1). На це атакує ОН-група вуглецю 5, як зазначено червоною стрілкою.

Структура переходить від відкритого ланцюга (глюкоза), до піранового кільця (глюкопіраноза). Спочатку може не бути зв’язку між цією реакцією та тією, що щойно пояснюється геміацетальною; але якщо кільце уважно спостерігається, конкретно в розділі C ⁵ -OC ¹ (OH) -C ² , буде зрозуміло, що воно відповідає очікуваному скелету для геміацеталу.

Вуглеці 5 і 2 надходять для репрезентації R і R 'загального рівняння відповідно. Оскільки вони є частиною однієї структури, то це циклічний геміацеталь (і кільце достатньо, щоб бути очевидним).

Характеристика аномерного вуглецю та способи його розпізнавання

Де аномерний вуглець? Що стосується глюкози, це група СНО, яка може зазнати нуклеофільної атаки з боку ОН нижче або вище. Залежно від спрямованості нападу утворюються два різних аномера: α і β, як уже було сказано.

Тому першою характеристикою, якою володіє цей вуглець, є те, що у відкритому ланцюзі цукру саме той, який зазнає нуклеофільної атаки; тобто це група CHO для альдоз або група R ₂ C = O для кетоз. Однак, як тільки утворюється циклічний геміацеталь або кільце, цей вуглець, можливо, зник.

Тут знайдеться інші більш конкретні характеристики, щоб знайти їх у будь-якому пірановому або фуранозному кільці всіх вуглеводів:

-Аномерний вуглець завжди праворуч або ліворуч від атома кисню, який утворює кільце.

- Навіть важливіше, що він пов'язаний не тільки з цим атомом кисню, але і з групою ОН, з CHO або R ₂ C = O.

-Це асиметрично, тобто має чотири різних заступника.

Маючи ці чотири характеристики, легко розпізнати аномерний вуглець, дивлячись на будь-яку "солодку структуру".

Приклади

Приклад 1

β-D-фруктофураноза. Джерело: NEUROtiker (розмови • внески)

Зверху - β-D-фруктофураноза, циклічний геміацеталь з п'ятичленним кільцем.

Щоб визначити аномерний вуглець, ми повинні спочатку подивитися на вуглеці з лівого і правого боку атома кисню, що складає кільце. Тоді, той, який пов'язаний із групою ОН, - це аномерний вуглець; яка в даному випадку вже обведена червоним кольором.

Це β-аномер, оскільки ОН аномерного вуглецю знаходиться вище кільця, як і CH ₂ OH-група.

Приклад 2

Сахароза. Джерело: NEUROtiker через Wikipedia.

Зараз ми спробуємо пояснити, що таке аномерні вуглеці в структурі сахарози. Як видно, він складається з двох моносахаридів, ковалентно пов'язаних глікозидною зв'язком -О-.

Кільце праворуч - саме те саме, що було згадано: β-D-фруктофураноза, лише воно "перевернуте" вліво. Аномерний вуглець залишається тим самим для попереднього випадку і відповідає всім характеристикам, які від нього очікували.

З іншого боку, кільце зліва - α-D-глюкопіраноза.

Повторивши ту саму процедуру аномерного розпізнавання вуглецю, дивлячись на два вуглецю з лівої та правої сторони атома кисню, виявлено, що правий вуглець - це той, який пов'язаний із групою ОН; який бере участь у глюкозидному зв’язку.

Тому обидва аномерних вуглецю з'єднані зв’язком -O, і тому вони укладені у червоні кола.

Приклад 3

Клітковина. Джерело: NEUROtiker

Нарешті, пропонується визначити аномерні вуглеці двох одиниць глюкози в целюлозі. Знову спостерігається вуглець навколо кисню всередині кільця, і виявлено, що в кільці з глюкозою зліва аномерний вуглець бере участь у глікозидному зв’язку (укладеному в червоне коло).

Однак у кільці з глюкозою праворуч аномерний вуглець знаходиться праворуч від кисню, і його легко ідентифікувати, оскільки він пов'язаний з киснем глікозидної зв'язку. Таким чином, обидва аномерних вуглецю повністю ідентифіковані.

Список літератури

1. Моррісон, RT та Бойд, R, N. (1987). Органічна хімія. 5 ^та видання. Редакція Addison-Wesley Interamericana.
2. Кері Ф. (2008). Органічна хімія. (Шосте видання). Mc Graw Hill.
3. Грем Соломон TW, Крейг Б. Фріхле. (2011 р.). Органічна хімія. Аміни. (10- ^е видання.) Wiley Plus.
4. Рендіна Г. (1974). Прикладні методи біохімії. Інтерамерікана, Мексика.
5. Чанг С. (другий). Посібник з аномерного вуглецю: Що таке аномерний вуглець? . Відновлено: chem.ucla.edu
6. Гунавардена Г. (13 березня 2018 р.). Аномерне вугілля. Хімія LibreTexts. Відновлено з: chem.libretexts.org
7. Фост Л. (2019). Аномерний вуглець: визначення та огляд. Вивчення. Відновлено з: study.com