Глава 29. Углеводы

К числу углеводов относят сахара и подобные им по химической структуре и свойствам соединения. Большинство углеводов представляют собой полиоксикарбонильные соединения, т.е. полиоксиальдегиды или полиоксикетоны.

В медицинской и фармацевтической практике наиболее широко используют глюкозу, сахар молочный, сахарозу, галактозу.

Углеводы содержатся в растительном и животном сырье. Сахарозу получают из сахарной свеклы или сахарного тростника. Глюкоза находится в виноградном соке, в плодах и других органах различных растений. Основным источником получения глюкозы в промышленности является крахмал, который гидролизуют в присутствии минеральных кислот:

(C₆H₁₀O₅)_n + nH₂O  nC₆H₁₂O₆

крахмал глюкоза

Глюкозу и фруктозу можно получить гидролизом сахарозы с участием спиртового раствора хлороводорода:

Глюкоза выкристаллизовывается, а фруктоза остается в растворе. Молочный сахар (лактозу) получают из молочной сыворотки выпариванием с последующей перекристаллизацией из воды, а D-галактозу — гидролизом лактозы.

29.1 Свойства углеводов

Лекарственное вещество	Химическая структура	Описание
Glucose — глюкоза	-D-глюкопираноза	Белый мелкокристаллический порошок без запаха, сладкого вкуса. Удельное вращение от +52 до +53 (10%-ный водный раствор)
Galactose D — D-галактоза (Левовист)	-D-галактопираноза	Порошок или гранулы от белого до почти белого цвета. Т. пл. 167 C. Удельное вращение +78 — +81 (водный раствор)
Saccharum lactis — сахар молочный (Лактоза)	4-(-D-галактопиранозидо)-D-глюкопираноза	Белые кристаллы или белый кристаллический порошок без запаха, слабого сладкого вкуса. Удельное вращение от +52 до +53,5 (5%-ный водный раствор)
Saccharum — сахар (Сахароза)	-D-глюкопиранозидо--D-фруктофуранозид	Белые твердые куски мелкокристаллического строения без запаха, сладкого вкуса. Удельное вращение от +66,5 до +66,8 (10%-ный водный раствор)

Лекарственные вещества углеводов сходны по физическим свойствам (табл. 29.1). Они представляют собой бесцветные или белые кристаллические вещества без запаха, сладкого вкуса. Легко растворимы в воде, очень мало или трудно растворимы в этаноле, практически нерастворимы в эфире и хлороформе.

Структура углеводов обусловливает особенности физических и химических свойств их растворов. От наличия нескольких асимметрических углеродных атомов в молекулах моносахаридов и дисахаридов зависят оптические свойства растворов. Эти свойства являются характерными константами для углеводов.

При окислении D-глюкозы образуется D-глюконовая кислота, а при восстановлении — сорбит.

Восстановительные свойства глюкозы, галактозы и лактозы связаны с наличием в молекуле полуацетального гидроксила. У сахарозы эти свойства проявляются в значительно меньшей степени, так как оба полуацетальных гидроксила находятся в связанном состоянии. При нагревании растворов дисахаридов в присутствии кислот происходит их гидролиз до моносахаридов. Сахароза гидролизуется с образованием глюкозы и фруктозы, а сахар молочный — до глюкозы и галактозы.

Для качественного и количественного анализа используют главным образом восстановительные свойства углеводов и физические свойства их растворов.

Подлинность глюкозы, галактозы и лактозы устанавливают, нагревая до кипения их растворы с реактивом Фелинга. При этом глюкоза образует кирпично-красный осадок оксида меди (I). Лактоза в тех же условиях дает желтый осадок, переходящий в буровато-красный. При действии на глюкозу, сахарозу и лактозу аммиачным раствором нитрата серебра выделяется черный осадок серебра. Сахароза, в отличие от глюкозы, галактозы и лактозы, не восстанавливает реактив Фелинга, т.к. является невосстанавливающим дисахаридом (олигосахаридом). Для испытания подлинности к раствору сахарозы (1:2) последовательно прибавляют растворы нитрата кобальта и гидроксида натрия. Появляется фиолетовое окрашивание.

Лактоза образует окрашенные продукты с аммиаком и алифатическими аминами. При нагревании на водяной бане (до 80 °С) раствора лактозы в присутствии аммиака возникает красное окрашивание. Аналогичная окраска появляется при нагревании до кипения раствора лактозы с метиламина гидроксидом и гидроксидом натрия.

Растворы глюкозы, галактозы и лактозы образуют с фенилгидразином выпадающие в осадок фенилгидразоны. При последующем нагревании на водяной бане получаются окрашенные в желтый цвет озазоны. Сахароза не дает положительной реакции с фенилгидразином. Озазоны имеют характерную температуру плавления. Глюкоза взаимодействует с тремя молекулами фенилгидразина:

Под воздействием минеральных кислот или щавелевой кислоты моно- и дисахариды превращаются при нагревании в пробирке на пламени горелки в фурфурол или его производные (дисахариды вначале гидролизуются в моносахариды). Из глюкозы образуется оксиметилфурфурол, а из фруктозы — фурфурол:

Фурфурол или оксиметилфурфурол, являясь летучими соединениями, взаимодействуют с анилином или прокаином, нанесенным на фильтровальную бумагу, которой накрывают пробирку. Вначале образуются основания Шиффа, имеющие светло-желтую окраску, а затем фурановый цикл раскрывается и получается полиметиновый краситель — производное оксиглютаконового альдегида (малиново-фиолетовое окрашивание):

Углеводы образуют со спиртовым раствором -нафтола и концентрированной серной кислотой соединения хиноидной структуры, окрашенные в красно-фиолетовый цвет. В основе реакции также лежит процесс образования фурфурола или оксиметилфурфурола, которые конденсируются с -нафтолом в триарилметановое хиноидное соединение.

К этой же группе следует отнести цветные реакции, которые дают моно- и дисахариды с другими фенолами. При нагревании с несколькими кристаллами резорцина и разведенной хлороводородной кислотой молочный сахар образует желтое, а сахароза — розовое окрашивание. При смешении кристаллов глюкозы и тимола после добавления концентрированной серной кислоты появляется темно-красное окрашивание.

Окрашенные продукты конденсации получаются при взаимодействии моносахаридов (или гидролизованных дисахаридов) с раствором антрона в концентрированной серной кислоте:

Появляется зеленое окрашивание, постепенно переходящее в сине-зеленое.

Цветную реакцию с 0,5%-ным раствором хлорида трифенилтетразолия в присутствии раствора гидроксида натрия при нагревании дают глюкоза, галактоза и другие восстанавливающие сахара. Выпадает красный осадок трифенилформазана:

При добавлении раствора сульфата меди и подщелачивании глюкоза образует комплексное соединение фиолетово-синего цвета. Этой реакцией одновременно доказывается наличие как гидроксильных, так и альдегидной групп, восстанавливающих медь (II) до оксида меди (I) при стоянии. Присутствие гидроксильных групп можно также доказать реакцией ацетилирования (происходит образование пентаацетатов со стабильной температурой плавления).

Сахароза и высшие олигосахариды, содержащие её в молекуле, со щелочным раствором диазоурацила дают цветную реакцию (синее окрашивание).

Показателем качества углеводов является удельное вращение растворов, характеризующее их оптическую активность (см. табл. 29.1). Для установления удельного вращения глюкозу и галактозу предварительно сушат при 100–105 C до постоянной массы.

Измерение угла вращения глюкозы и сахара молочного производят с помощью поляриметра после предварительного прибавления к испытуемому раствору двух капель раствора аммиака. При этом ускоряется процесс мутаротации. Он связан с установлением равновесия в образовании двух эпимеров: 64% -D(+)-глюкозы и 36% -D(+)-глюкозы. Это создает усредненное значение удельного вращения раствора глюкозы, равное +52,5 (ФС допускает 51,5–53,0). Аналогично осуществляют процесс эпимеризации сахара молочного, D-галактозы, которая существует в виде - и -эпимеров, отличающихся значениями удельного вращения.

Под действием кислот или фермента инвертазы сахароза гидролизуется. Образующуюся смесь D-глюкозы и D-фруктозы называют инвертным сахаром. Эта смесь является левовращающей, так как оптические свойства ее складываются за счет удельного вращения глюкозы (+52,5) и левовращающей фруктозы (-93).

В условиях термической стерилизации растворов глюкозы для инъекций, вне зависимости от присутствия стабилизатора, происходит образование продуктов деструкции: дезоксигексазонов, органических кислот, формальдегида, 5-оксиметилфурфурола. В ФС включены способы определения этих веществ, основанные на использовании фотометрических методов.

Галактозу идентифицируют по НД методами ИК-спектроскопии и ВЭЖХ (по временам удерживания), сравнивая с растворами стандартных образцов.

Количественное определение глюкозы, галактозы, лактозы и сахарозы можно выполнить различными методами.

Содержание глюкозы определяют иодометрическим методом, основанном на окислении альдегидной группы щелочными растворами иода до образования натриевой соли глюконовой кислоты:

+ I₂ + 3NaOH  CH₂OH(CHOH)₄COONa + 2NaI + 2H₂O

Аналогичным методом можно определить галактозу и лактозу.

Один из титриметрических методов анализа моносахаридов и дисахаридов основан на использовании реактива Фелинга (2-3 кратный избыток). Его добавляют к навеске точно отмеренное количество, а затем иодометрически устанавливают остаток неизрасходованного на окисление катиона меди (II).

Методика основана на восстановлении углеводами меди (II) до меди (I) из тартратного комплекса:

Избыток реактива Фелинга, содержащего ионы меди (II), восстанавливают иодидом в кислой среде и выделившийся иод титруют тиосульфатом натрия:

2Cu²⁺ + 5I^–  2CuI + I₃^–

Поляриметрический метод определения сахаров основан на измерении угла вращения поляризованного света. Угол вращения  (в градусах), измеряемый на поляриметре, и удельное вращение связаны между собой уравнением: . Зная удельное вращение, длину трубки l и измерив угол вращения, можно вычислить массовую долю с (%) по формуле:

ГЖХ-метод определения глюкозы используют после превращения её в летучие соединения (ацетаты сорбита или нитрил глюконовой кислоты).

Хранят лекарственные препараты углеводов в хорошо укупоренной таре при комнатной температуре. Глюкоза в водных растворах при хранении окисляется, растворы сахарозы и молочного сахара постепенно гидролизуются с образованием моносахаридов. Следует также учитывать гигроскопичность сахаров.

Применяют глюкозу при различных заболеваниях сердца, печени, шоке, коллапсе в качестве источника легко усвояемого организмом питания, улучшающего функции различных органов. Основные пути метаболизма D-глюкозы — гликолиз и аэробное окисление до углекислоты, воды и АТФ. Назначают глюкозу внутрь (по 0,5–1,0 г), внутривенно до 20–50 мл 40%-ного раствора. Галактозу выпускают в виде гранулята по 0,3 г во флаконах вместимостью 20 мл. Его смешивают с 13,5 мл растворителя для получения микронизированной (менее 1 мкм) суспензии. В таком виде галактозу используют для визуализации полостей при УЗИ, эхокардиографии и др. Сахарозу и сахар молочный используют в фармацевтической практике в качестве наполнителей при приготовлении таблеток и порошков. Из сахарозы готовят сиропы, которые применяют как корригирующее средство.

В фармацевтической практике применяют также крахмал (Amylum). Он представляет собой смесь полисахаридов с общей формулой (C₆H₁₀O₅)_x. Молекула крахмала включает остатки -D-глюкопиранозы, отличающиеся друг от друга степенью полимеризации и характером связей. Полисахариды, входящие в состав крахмала, можно разделить на две фракции: α- и β-амилозу (линейный полисахарид) и амилопектин (разветвлённый полисахарид). Получают крахмал из пшеницы, кукурузы, картофеля. Он представляет собой белый нежный порошок без запаха и вкуса, нерастворимый в холодной воде (в горячей образует клейстер), спирте, эфире. Крахмал используют в качестве наполнителя при изготовлении таблеток.