Занятия № 1-2
1. Тема: Анализ качества лекарственных средств из группы углеводов (моно-, олиго- и полисахариды) и их синтетических аналогов
2. ЦЕЛЬ: Овладеть методами анализа лекарственных средств из группы углеводов и их синтетических аналогов.
3. Целевые задачи:
3.1. Изучить строение, номенклатуру, синонимы, физико-химические свойства, источники и методы получения лекарственных средств из группы углеводов и их синтетических аналогов.
3.2. Изучить методы анализа рассматриваемой группы лекарственных средств согласно ГФУ, АНД, МКК.
3.3. Предложить и обосновать возможные методы идентификации и количественного определения, исходя из строения лекарственных средств изучаемой группы.
3.4. Изучить специфические примеси, а также методы испытаний на чистоту данной группы веществ.
3.5. Рассмотреть особенности проведения анализа лекарственных средств из группы углеводов и их синтетических аналогов с использованием физических, физико-химических и химических методов.
3.6. Научиться проводить анализ качества рассматриваемой группы лекарственных средств с использованием физических, физико-химических и химических методов.
3.7. Трактовать и давать правильную оценку полученным результатам анализа, делать вывод о качестве анализируемых веществ.
3.8. Объяснять особенности хранения лекарственных средств из группы углеводов, сердечных гликозидов и их синтетических аналогов, исходя из их физико-химических свойств.
3.9. Изучить и соблюдать правила безопасной работы в химической лаборатории.
УГЛЕВОДЫ (сахара, глюциды, карбогидраты) – обширная группа природных и синтетических соединений, являющихся по химическому составу полигидроксильными веществами, содержащими альдегидную или кетонную группы, или образующие их в результате гидролиза.
Термин «углеводы» предложен в 1844 году русским химиком Карлом Шмидтом на основании элементного состава первых представителей этого класса соединений, так как было установлено, что их молекулы состоят из атомов углерода, водорода и кислорода, причем соотношение атомов водорода и кислорода такое же, как в молекуле воды [Сх(Н2О)у]. Дальнейшее изучение строения этих соединений и открытие новых веществ, не отвечающим указанной эмпирической формуле (дезоксисахара, метилпентозы, метилгексозы и др.), показало, что отнесение их к „гидратам” является лишь формальным, но принятое название „углеводы” сохранилось.
Углеводы делят на простые и сложные, в зависимости от количества моносахаридных единиц связанных в молекулу:
простые углеводы (моносахариды, или монозы);
сложные углеводы, которые в свою очередь подразделяют на:
олигосахариды, или олигозиды;
полисахариды (гликаны, полиозиды, полиозы, полигликозаны).
Моносахариды (гликозы, монозы, простые сахара) – группа углеводов, не способная к гидролизу. Моносахариды представляют собой полиоксиальдегиды и полиоксикетоны, которые могут существовать как в виде открытой альдегидной или кетонной формы, так и в виде циклических полуацеталей.
В настоящее время известно несколько сотен различных по структуре и стереохимии моносахаридов, которые по характеру входящей в их состав оксогруппы можно разделить на альдозы, содержащие альдегидную группу, и кетозы, содержащие кетогруппу.
По числу углеродных атомов различают триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и т.д. Моносахариды, в состав которых входит больше шести углеродных атомов, объединяют под общим названием «высшие сахара». Более детальная классификация моносахаридов, учитывает оба признака – число углеродных атомов и характер карбонильной группы – различает альдопентозы, альдогексозы, кетопентозы, кетогексозы и т.д.
Кроме карбонильной и гидроксильной групп в молекулу моносахарида могут входить и другие функциональные группы, например карбоксильная или аминогруппа.
Моносахариды, у которых отсутствует одна или несколько гидроксильных групп, называются дезоксисахарами. Моносахариды, содержащие вместо одной или нескольких гидроксильных групп аминогруппы, называются дезоксиаминосахарами или просто аминосахарами. Моносахариды, в которых наиболее удаленный от карбонильной группы углеродный атом входит в состав карбоксильной группы, называются уроновыми кислотами.
Конфигуруция моносахаридов. Монозы, как правило, содержат один или несколько асимметрических атомов углерода и следовательно являются оптически активными (существуют в виде различных пространственных изомеров). Например, альдопентоза имеет 3 ассиметричных атома углерода, следовательно одной и той же формуле соответствует 8 стереоизомеров (23). Альдогексоза содежит 4 ассиметричных атома углерода и может существовать в виде 16 стереоизомеров (24), т.е. N = 2n, где n – количество ассиметричных атомов углерода.
Для изображения их структуры на плоскости, как правило, используются проекционные формулы Э. Фишера, которые дают возможность быстро и точно изображать всю стереохимию моносахаридов. Однако для обозначения абсолютной конфигурации необходимо было принять определенную систему изображения на проекционных формулах. Она была предложена М.А. Розановым и состоит в следующем. Известны два глицериновых альдегида, являющиеся антиподами, которые могут быть изображены формулами I и II.
Согласно предложению Розанова, изомер, изображаемый формулой I, условились называть D-глицериновым альдегидом, а его антипод II – L-глицериновым альдегидом. Соответственно, все асимметрические атомы углерода, имеющие на проекционных формулах гидроксильные группы справа, а водородный атом слева от вертикальной линии обладают D-конфигурацией, а асимметрические атомы с противоположным размещением заместителей – L-конфигурацией.
Далее, все моносахариды (тетрозы, пентозы, гексозы и т.д.), у которых конфигурация атомных групп у последнего асимметрического атома углерода такая же, как и у правовращающего глицеринового альдегида, относят D-ряду, а если, как у левовращающего – к L-стереоизомерам:
Следовательно, из 16 стереоизомеров альдогексозы 8 относится к D-ряду, а 8 – к L-ряду. Представители D-ряда являются оптическими антиподами L-ряда, то есть альдогексоза существует в виде 8 пар энантиомеров. Энантиомерами называются зеркально симметричные изомеры, конфигурации у асимметрических центров которых зеркально противоположны. Соответственно, D-глюкоза и L-глюкоза являются энантиомерами:
Пространственные изомеры моносахаридов, отличающиеся конфигурацией одного или нескольких атомов углерода и не являющиеся зеркальными изомерами (энантиомерами), называются диастереомерами. То есть, D-аллоза, D-альтроза, D-глюкоза, D-манноза, D-гулоза, D-идоза, D-галактоза, D-талоза – диастереомеры:
Диастереомеры, различающиеся конформацией только одного асимметрического атома углерода, называются эпимерами. Например, D-глюкоза и D-галактоза, D-глюкоза и D-манноза. Таким образом, эпимерия является частным случаем диастереомерии.
Также важно отметить, что углеводы способны вращать плоскость поляризованного луча света, то есть они обладают оптической активностью. Направление вращения определяется экспериментально и никаким образом не связано с конформацией, то есть принадлежностью к D- и L-ряду. Например, D-глюкоза – правовращающая, а D-фруктоза – левовращающая. Следует помнить и о существовании рацематов. Рацемическая смесь (рацемат) – эквимолярная (состоящая из одинакового числа молекул D- и L- ряда) смесь энантиомеров, не обладающая оптической активностью.
Циклическая структура моносахаридов. Ациклические формулы, предложенные Э. Фишером, не согласуются с рядом химических свойств моноз. Прежде всего, карбонильная группа в моносахаридах не дает некоторых характерных реакций (реакций присоединения натрия сульфита, реакция с функсинсернистой кислотой), а одна из гидроксильных групп в молекуле моносахаридов проявляет особые свойства (образование моноэфиров, например метиловых). Для объяснения этих фактов была предложена полуацетальная (или иначе, лактольная) циклическая формула. То есть, моносахариды образуют циклические полуацетали в результате внутримолекулярного взаимодействия карбонильной и пространственно приближенной к ней спиртовой группы:
Внутримолекулярное взаимодействие приводит к тому, что атом карбонильной группы превращается в асимметрический.
Рассмотрим пример образования циклических форм D-глюкозы в результате внутримолекулярного взаимодействия оксогруппы и гидроксильной группы при С-5 углеродном атоме:
δ–
Таким образом, общее число изомерных моносахаридов и их производных оказывается вдвое больше, чем это предсказывает стереохимическая теория, исходя из количества асимметрических атомов углерода. Это свидетельствует о наличии в структуре моносахаридов дополнительного асимметрического центра.
После надежного доказательства циклической структуры производных моносахаридов, У. Хеуорсом были внесены дополнительные изменения в номенклатуру моносахаридов. По его предложению моносахариды, содержащие шестичленный тетрагидропирановый цикл (III), стали называть пиранозами, а пятичленный тетрагидрофурановый (IV) – фуранозами:
Ниже представлены примеры пиранозной и фуранозной форм D-глюкозы:
Как отмечалось выше, образование циклических форм моносахаридов приводит к появлению нового асимметрического атома. Этот хиральный центр принято называть аномерным, соответствующие ему два новых стереоизомера –α- и β-аномерами. Аномеры – диастереомеры, отличающиеся конфигурацией аномерного атома углерода. В настоящее время по предложению Фрейденберга α-аномером (изомером) называют аномер, имеющий одинаковую конфигурацию у С1 и у последнего асимметрического атома, определяющего принадлежность к D- или L-ряду, а β-аномером – аномер, имеющий противоположные конфигурации при этих атомах:
Следует также отметить, что образовавшаяся в процессе циклизации гидроксильная группа при аномерном центре является полуацетальной (гликозидной).
Таутомерия моносахаридов. Химические свойства сахаров не могут быть полностью объяснены, если для них применить строение полиоксикарбонильных соединений. Однако и циклические полуацетальные формулы, устраняющие ряд противоречий, неудовлетворительны, поскольку они не объясняют ряд свойств карбонильной группы моносахаридов, то есть образовывать ациклические производные (например, присоединять синильную кислоту с образованием оксинитрилов, давать тиоацетали и т.д.). Это привело к заключению, что моносахариды способны к таутомерным превращениям.
Данное утверждение было подтверждено экспериментально путем исследования их оптической активности, а также с помощью спектральных методов (ИК- и ЯМР-спектроскопии).
Установлено, что моносахариды в водном растворе способны существовать в виде нескольких таутомерных форм – открытых (линейных) и циклических. Такой вид таутомерии был назван кольчато-цепной, или цикло-оксо-таутомерией – состояние динамического равновесия между циклической и открытой формами моносахаридов в растворе.
Переход одной формы в другие происходит непрерывно. Через определенное время в растворе устанавливается подвижное (динамическое) равновесие, при котором количество всех форм остается постоянным. Например, равновесная система для D-глюкозы в водном растворе состоит из β-D-глюкопиранозы (≈ 64%) и α-D-глюкопиранозы (≈ 36%). Вклад фуранозных форм (вместе ≈ 1%) и открытой (линейной) формы (≈ 0,024%) незначителен.
Схема цикло-оксо-таутомерии D-глюкозы:
Мутаротация – самопроизвольное изменение величины оптического вращения свежеприготовленных растворов оптически активных соединений. Данное явление характерно для моносахаридов и восстанавливающих олигосахаридов. В основе данного явления лежат приведенные выше таутомерные превращения.
Олигосахариды (олигозиды, голозиды) – полимерные углеводы, построенные из небольшого числа (2-10) остатков моносахаридов и не содержащие никаких компонентов неуглеводного характера. Соответственно, при гидролизе образуют от 2 до 10 молекул моносахаридов.
Наибольшее значение из данной группы веществ имеют дисахариды – углеводы, молекулы которых состоят из двух остатков моносахаридов одинаковой или разной природы, соединенных между собой гликозидной связью.
В зависимости от способа образования гликозидной связи олигосахара традиционно разделяют на две группы – восстанавливающие и невосстанавливающие.
К первой группе относятся сахара, в которых полуацетальный гидроксил одной монозы конденсирован со спиртовым гидроксилом другой. Таким образом, у образовавшегося димера (тримера и т.д.) за счет полуацетального гидроксила сохраняются восстановительные свойства. Например, лактоза является восстанавливающим дисахаридом: