Удлинение и укорочение цепи: Килиани — Фишер, Воль, Руфф

Удлинение: синтез Килиани — Фишера

Цепь альдозы удлиняют с верхнего конца: к альдегидной группе присоединяют цианид (урок 241), а затем превращают нитрил в новую группу CHO. Так Эмиль Фишер в 1890-х годах связал между собой все известные тогда сахара. Новый стереоцентр возникает в двух конфигурациях, поэтому каждая альдоза даёт две новые.

Как удлинить цепь альдозы

1. HCN присоединяется к группе C=O открытой формы, и новый стереоцентр (будущий C2) возникает в двух конфигурациях.
2. Циангидрины восстанавливают водородом на \(\ce{Pd/BaSO4}\) до иминов, которые гидролизуются в альдегиды. В классическом варианте нитрил гидролизуют в альдоновую кислоту, превращают в лактон и восстанавливают амальгамой натрия.
3. Получаются две альдозы на атом длиннее; прежние центры сдвигаются на номер вниз (C2 пентозы становится C3 гексозы) без изменения конфигурации.
4. Новые сахара — C2-эпимеры, и их соотношение обычно не равно 1 : 1.

Примеры

1. Рибоза. D-Рибоза \(\ce{C5H10O5}\) по Килиани — Фишеру даёт две гексозы, D-аллозу и D-альтрозу: они отличаются только конфигурацией нового центра C2.

Укорочение цепи и доказательство строения

Чтобы укоротить цепь альдозы, нужно удалить атом C1, и вместе с ним исчезает стереоцентр C2. Это делают деградацией Воля или Руффа. Сочетая удлинение, укорочение, окисление и восстановление, Фишер установил конфигурации всех альдогексоз и получил за работы о сахарах и пуринах Нобелевскую премию 1902 года.

Как укоротить цепь и установить конфигурацию

1. По Волю альдозу превращают гидроксиламином в оксим, уксусный ангидрид с ацетатом натрия дегидратирует его в ацетилированный нитрил, а метилат натрия в метаноле снимает ацетаты и отщепляет HCN: получается альдоза на атом короче.
2. По Руффу альдозу окисляют бромной водой в альдоновую кислоту, а её кальциевую соль — пероксидом водорода с ионами \(\ce{Fe^{3+}}\): получаются альдоза на атом короче и \(\ce{CO2}\).
3. В обоих методах теряется стереоцентр C2, поэтому C2-эпимеры дают одну и ту же укороченную альдозу.
4. При доказательстве строения мезо-альдаровая кислота указывает на симметричную конфигурацию, общий продукт деградации — на общие центры C3 и далее, а синтез Килиани — Фишера связывает сахар с более коротким.

Примеры

1. Глюкоза и манноза. D-Глюкоза и D-манноза \(\ce{C6H12O6}\) по Волю или по Руффу дают одну пентозу — D-арабинозу.

2. Строение рибозы. В задаче Сальникова Д.17.3 D-эритроза \(\ce{C4H8O4}\) по Килиани — Фишеру даёт D-рибозу и D-арабинозу. Азотная кислота окисляет D-рибозу в мезо-кислоту, а D-арабинозу — в оптически активную; значит, у D-рибозы все группы OH стоят справа.