10.4: Ацетали і метали

Last updated
Save as PDF

Page ID: 20704

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Огляд

Геміацетали і гемікетали можуть реагувати з другим спиртовим нуклеофілом, утворюючи ацеталь або метал. Другий спирт може бути таким же, як і перший (тобто. якщо\(R_2 = R_3\) на схемі нижче), або різним.

геміацеталь, що реагує зі спиртом, утворюючи ацеталь і воду.

Хоча ми зосереджуємося тут на біологічних реакціях, повчально в цьому випадку розглянути небіологічні ацетолоутворюючі реакції, перш ніж ми розглянемо їх біохімічні аналоги. У неферментативному контексті утворення ацету/кеталів - так само, як геміацетал/гемікетальне утворення - зазвичай каталізується сильною кислотою.

Кислотно-каталізоване утворення ацеталів (небіологічне)

Протонування гідроксиду робить його хорошою відхідною групою. Відбувається резонансний стабілізований карбокатіон.

Роль кислотного каталізатора полягає в протонуванні групи OH ацеталу, тим самим роблячи її хорошою групою виходу (водою). Зверніть увагу на щось важливе тут: перетворення геміацеталя в ацеталь - це просто\(S_N1\) реакція, з алкоголем нуклеофілом і водою, що залишає групу. Карбокатіонний проміжний в цьому\(S_N1\) механізмі стабілізується резонансом за рахунок атома кисню, вже пов'язаного з електрофільним вуглецем.

Нижче наведено кілька прикладів простих, небіологічних ацеталів і металів.

Вправа Template:index

Для кожного ацетал/металу A-D на малюнку вище вкажіть необхідні альдегід/кетон і спирт вихідні матеріали.

Вправа Template:index

Класифікуйте кожну з наступних молекул як геміацеталь, гемікетал, ацеталь, метал, гідрат альдегіду або гідрат кетону.

Вправа Template:index

Вкажіть ацетл/кетал, який утворюється в результаті реакції між заданими вихідними сполуками.

а.

б.

Вправа Template:index

Вкажіть комбінацію альдегід/кетону та алкоголю, яка потрібна для формування сполук у вправі 10.5.

Формування глікозидних зв'язків

Тепер розглянемо утворення ацеталів в біохімічному контексті. Дуже важливим прикладом ацетал/кетальної групи в біохімії є глікозидні зв'язки, які пов'язують окремі мономери цукру з утворенням полісахаридів (див. Розділ 1.3 для швидкого огляду). Подивіться на глікозидний зв'язок між двома мономерами глюкози в ланцюжку целюлази:

Якщо ви уважно подивитеся, ви повинні визнати, що вуглець #1, аномерний вуглець на лівому боковому мономері глюкози, є центральним вуглецем ацетальної групи. Біохіміки називають це зв'язком b-1,4, оскільки стереохімія на вуглець #1 знаходиться в спеціалізованій системі номенклатури вуглеводів, і вона пов'язана з вуглецем #4 наступної глюкози на ланцюжку. Величезна структурна різноманітність вуглеводів значною мірою випливає з різних можливих зв'язків - як з точки зору, які пов'язані два вуглеці, так і стереохімія зв'язку. Ви побачите набагато більше варіацій моделей зчеплення глікозидних зв'язків, якщо вивчите біохімію вуглеводів більшою глибиною.

Реакції, в яких утворюються нові глікозидні зв'язки, каталізуються ферментами, званими глікозилтрансферазами, а в умовах органічної хімії ці реакції являють собою перетворення геміацеталя в ацеталь (пам'ятайте, що мономери цукру в їх циклічній формі - це геміацетали і гемікетали). Механізм утворення глікозидних зв'язків у живій клітині паралельний кислотно-каталізованому (небіологічному) ацетолоутворюючому механізму, з важливою різницею: замість протонування\(OH\) група геміацеталя перетворюється в хорошу групу виходу шляхом фосфорилювання (це закономірність, яка ми знайомі з глав 9 і 10). Конкретна ідентичність активуючої фосфатної групи варіюється для різних реакцій, тому вона узагальнена на малюнку нижче.

Механізм (біохімічного) утворення ацеталів:

Перший крок - фаза активації.

Другий етап - фаза утворення ацеталів.

Крок А (Фаза активації): Ця фаза реакції змінюється залежно від конкретного випадку, але завжди включає етапи перенесення фосфатної групи, знайомі з глави 9. Однак найважливішим для нашої нинішньої дискусії є просто те, що гідроксильна група на геміацеталі була активована - тобто. зроблена в хорошу групу виходу - фосфорилювання.
Крок 1: Тепер, коли група, що виїжджає, була активована, вона виконує свою роботу і йде, що призводить до резонансу стабілізованого карбокату.
Крок 2: Нуклеофільний спирт на зростаючому ланцюжку целюлози атакує високоелектрофільний карбокат, утворюючи ацеталь. Ось де визначається стереохімія нового глікозидного зв'язку: залежно від реакції спиртовий нуклеофіл міг наближатися з будь-якого боку планарного карбокатіону.

Щоб повторити: тут важливо визнати знайому\(S_N1\) механістичну схему гри: на кроці А бідна група, що йде, перетворюється на хорошу групу, що йде, на кроці 1 виходить група, що йде, і стабілізована карбокація залишається позаду, а на кроці 2 нуклеофіл атакує, щоб сформувати новий зв'язок і завершити процес заміни. Подивіться назад на\(S_N1\) реакції, які ми бачили в розділі 8, якщо у вас виникли проблеми з цим механістичним зв'язком.

Тепер давайте розглянемо конкретно механізм реакції глікозилтрансферази, при якому на зростаючому ланцюжку целюлози утворюється нова глікозидна зв'язок. Глюкоза (геміацеталь) спочатку активується через два етапи перенесення ферментативних фосфатів: етап А1, реакція ізомеризації фосфатів з механізмом, подібним до реакції в проблемі P9.13, а потім UTP-залежний крок A2, для якого вам було запропоновано запропонувати механізм в задачі Р9.12.

Глюкозо-6-фосфат стає глюкозо-1-фосфатом після фази активації. Глюкозо-1-фосфат реагує з UTP з отриманням PPI і глюкозо-UDP.

Потім група UDP на Glucose-UDP виходить (крок 1 нижче), утворюючи резонансно-стабілізований карбокатний проміжний продукт. Напад алкогольної групи на зростаючу целюлозний ланцюг на етапі 2 утворює глікозидний (ацетальний) зв'язок. Зверніть увагу на інверсію стереохімії.

Гідроліз глікозидних зв'язків

Ацетали можна гідролізувати назад до геміацеталей. Зверніть увагу, що ацеталь в геміацеталь перетворення - це реакція\(S_N1\) типу -типу з нуклеофілом води та групою, що залишає спирт.

На етапі 1 спирт протонується сусідньою кислотною групою, коли він відривається, утворюючи резонанс-стабілізований проміжний продукт карбокату. Карбокатіон атакується нуклеофільною молекулою води на кроці 2, утворюючи геміацеталь.

Загальний механізм вище стосується реакцій, каталізованих ферментами глікозидази, які каталізують розщеплення глікозидних зв'язків у вуглеводах. У вступі до цієї глави ми дізналися про поточні дослідження в області целюлозного етанолу. Нагадаємо, що основним вузьким місцем у виробництві етанолу з таких джерел, як світчграсс або деревина, є каталізована целюлазою стадія, при якій розщеплюються глікозидні зв'язки в целюлозі. Мікроби, що перетравлюють целюлозу, мають кілька різних, але тісно пов'язаних форм ферментів целюлази, всі вони працюють узгоджено, щоб розщепити целюлозу на менші та менші шматочки, поки окремі молекули глюкози не будуть вільно перетворюватися в етанол в процес ферментації. Нижче представлений репрезентативний механізм реакції целюлази.

Ферменти амілази, що переварюють крохмаль, що використовуються в процесі виробництва кукурудзяного етанолу, каталізують подібні реакції гідролізу глікозидів, основною відмінністю якої є протилежна стереохімія на аномерному вуглеці субстрату.

Вправа Template:index

Зверніть увагу, що реакція формування зв'язку глікозозиду целюлози вимагає, щоб клітина «витрачала» високоенергетичну молекулу UTP, але реакція розриву зв'язку глікозиду целюлази не відбувається. Використовуйте свої знання про хімічну термодинаміку, щоб пояснити це спостереження.

Вправа Template:index

Нижче наведена структура штучного підсолоджувача сукралози. Визначте два аномерних вуглецю в дисахариді.

Лінія Бонда креслення сукралози.

Вправа Template:index

Робіноза - це дисахарид, що міститься в «рослині синелі», квітучому чагарнику, що родом з тихоокеанських островів.

Лінія Бонда малюнок робіноза.

Визначте два аномерних вуглецю та глікозидний зв'язок у робінозі.
Використовуючи ту саму систему нумерації вуглецю, що і для глюкози на попередньому малюнку, заповніть цифри вуглецю (#1 через #6) для кожного з моносахаридів, що входять до складу робінози.
Виходячи з того, що ви знаєте про глікозидні реакції, що утворюють зв'язок у природі, запропонуйте розумний механізм зв'язування двох моносахаридів, починаючи з активованих геміацетальних видів, припускаючи, що це вид UDP, як у целюлозної гікозидної реакції, що утворює зв'язок.
Намалюйте форму відкритого ланцюга кожного з моносахаридів

Вправа Template:index

Подивіться ще раз на структури двоглюкозних фрагментів целюлози і амілози показано введення в цю главу. Структурна особливість целюлозного полімеру робить його за своєю суттю більш стійким до ферментативного гідролізу порівняно з крохмалем. Поясніть.

Підказка: Подумати про міжмолекулярних взаємодіях.