Введение к работе
Актуальность темы. В природе большая роль принадлежит моно- и полисахаридам, которые широко участвуют в различных процессах жизнедеятельности. Исключительная практическая значимость углеводов поставила в качестве первоочередной задачу, по установлению связи структуры этих соединений с физическими, химическими и биологическими свойствами. Глубокое изучение пространственной структуры, характера внутри- и межмолекулярных взаимодействий в моно- и полисахаридах - необходимый фактор не только познания существа важнейших молекулярных механизмов в живой природе, но и поиска новых областей применения огромных ресурсов углеводеодержащего сырья,, придания ценных эксплуатационных свойств полисахаридам, их широкого промышленного освоения. Количественная оценка невалентных взаимодействий, поиск закономерностей формирования пространственных структур лежат в основе решения узловых проблем химии и биологии моно- и полисахаридов. Без этих знаний невозможен строгий структурный анализ углеводов в растворе, кристаллическом и аморфном состояниях, установление структурно-функциональных отношений, корреляций типа "спектр-структура", синтез соединений, конструирование материалов с заданным комплексом свойств. Указанное определяет актуальность и необходимость развития выбранного направления исследований по стереохимии важнейших представителей класса углеводов - альдопираноз, альдопиранозидов, полисахаридов на их основе. Элективное решение этих фундаментальных и прикладных проблем базируется на арсенале теоретического конформационного анализа, современных приемах спектроскопических и дифракционных методов. Большинство этапов исследований проводилось в соответствии с заданиями общесоюзных научно-технических программ (0Ц.042, 0,43.01 -утверждены Постановлениями ГКНТ СССР JJ 320/163/94 от 31.07.1981 г. и № 555, приложение № 159 от 30.10.1986 г.), планами, развития науки и техники на I98I-I985 гг. и 1986-1990 гг. Минмедбиопрона СССР.
Цель работы. Изучение внутри-.и межмолекулярных взаимодействий, пространственной структуры, стереохимических закономерностей, структурно-функциональных зависимостей, развитие инструментальных методов структурного анализа в ряду моно- и полисахаридов для поиска нових областей их практического применения.
Основные задачи, исследования. Работа вклвчала следующие зада--чи теоретического и прикладного характера,! а) разработка методических подходов к количественной оценке эн,9-
гии взаимодеВ твий, геометрии молекул углеводов в различных агрегатных состояниях расчетные и экспериментальными методами;
б) поиск стереохимических закономерностей, нахождение структурно-
функциональных зависимостей, необходимых для целенаправленного
конструирования материалов с заданным комплексом свойств;
в) разработка экспериментальных средств и способов спектроскопи
ческого анализа, установление корреляций типа "спектр-структура",
решение структурно-аналитических задач;
г) роль внутри- я межмолекулярных взаимодействия в формировании
пространственных структур, влияние структурного фактора на меха
низм реакции с участием молекулы углевода;
д) статистически? анализ водородных сеязєй 0-Н...0 и его следст
вия.
Защищаемые положения
-
Методические подходы к расчету энергии взаимодействий, конфор-маци8 в моно- и полисахаридах в различных агрегатных состояниях на основе согласованной системы потенциальных функций.
-
Экспериментальная техника, средства автоматизации, способы и приемы спектроскопического анализа моно- и полисахаридов.
-
Результаты конформационного анализа D-альдопенто- и Л)-альдо-гексопираноз, их моно-, да-, три-, тетра- и пента-О-метильных производных методом ААПФ, спектроскопические данные по невалент-ннм взаимодействиям и геометрии молекул:
устойчивость креслообразных форм цикла, общие закономерности, связьгеающие типы запретов на ротационные состояния бокових групп с конфигурацией сахарида, числом и гестом присоединения групп;
предсказательность метода ААПФ, количественная оценка устойчивости . аномеркых форм ' з-альдопираноз, трактовка аномерного эффекта.
4. Способы оценки конФоркац/оняых энтрсгшй моносахаридов, адек
ватность ротационных запретов в мономерикх звеньях rj-гликанов и
соответствующих производные Э-альдопираноз и как следствие:
формулы числа разрешенных конформаияоннкх состояние, энтропии линейных, разветвленных, смешанных, частично замещенных полисахаридов;
вероятность замещения ОН-групп, вариации гибкости цепеї.
5. Систематика Н-связеп в 3>-альдопиранозат, их частично замещен
ных производных, интерпретация ИК-спектров растворов моно- и по-
лисахаридов в области О(ОН).
-
Явление селективно!! _^-аяомеризации агликона при образовании оснований Шифїа D-гексозаминов с ароматическими альдегидами, механизм реакции конденсации указанных соединений, синтез ряда р>-аног.іеров с информацией Cj (Э).
-
Невалентнне взаимодействия и конформации в целлюлозе и ее эфирах:
возможные формы макромолекул, поляризация полос валентных колебаний в ИК-спектрах;
устойчивость креслообпазных форм, ротамерия боковых групп, информационная подвижность цепей, влияние свойсте среди;
способы оценки химической и структурной неоднородности, доступности непроэтерифицированных ОН-групп, адсорбционных свойств эфзров целлюлозы с помощью методов ШР С и ИК-спектроскопип.
8. Ротационные состояния ОН-групп, Н-связп в кристаллических уг
леводах:
сопоставление с дифракционным экспериментом, уточнение молеку-лярно-кристаллических структур;
роль мезшолекулярних взаимодеЛстЕиЗ.
Э. Статистически! анализ геометрических и энергетических параметров O-Н...О связей в кристаллических углеводах, их корреляция с частотами колебаний р(0Н), интерпретация спектров моносахаридов.
Научная новизна. Полученные данные залопили теоретическую л экспериментальную основу для изучения невалентных взаимодействий, конформации в классе углеводов при решении задач по создания на их основе материалов с заданным комплексом свойств. Установлены общие для всех 3)-альдопираноз и их производных закономерности, связывающие запреты на ротационные состояния боковых групп с конфигурацией асимметрических центров, числом и местом присоединения боковых групп. Дана количественная оценка устойчивости креслоой-разных и аномерныг форм в углеводах. Предсказано число разрешенных информационных состояний, получены формулы расчета информационных антропнії линейных, разветвленных, сглепанных, частично sa-мещенннх полисахаридов, проанализирована вероятность замещения ОН-групп, гибкость цепей с увеличением степени разветвления. Представлена систематика внутримолекулярных Н-связей в молекулах D -альдопираноз и их производных. Обнаружено явление селективной ^З-аномеризации агликона при образовании оснований ШифТа ]>-гек-
созаминов с ароматическими альдегидами, раскрыт механизм реакции. Показаны пути использования ИК-спектроскопии при определении Н-связывания, ротамерии боковых групп в растворах моно-, да- и полисахаридов. Теоретическими и экспериментальными методами изучены кевалентяые взаимодействия и конформащш в целлюлозе и ее эфирах. С помощью ААПФ впервые определены ротационные состояния ОН-групп, геометрические и энергетические параметры Н-связей в кристаллических углеводах, уточнены молекулярно-кристаллические структуры отдельных соединений. Проведен статистический анализ 0-Н...0 связей, предложено соотношение для оценки суммарной энергии водородного связывшшя в кристаллических углеводах, представлены корреляции между параметрами связей 0-Н...О и частотами колебаний О(ОН), интерпретированы спектры ряда моносахаридов.
. Практическая ценность. Полученные в работе данные заложили основу структурно-химического анализа моно- и полисахаридов, способствовали развитию метода АЛПФ, как в части создания сети программных средств, так и его общей методологии. В практике научных коллективов находят использование сведения об устойчивости крес-лообразннх и аномерных форм, общие ротационные закономерности в 3>-альдопиранозах и их производите, систематика внутри- и межмолекулярных Н-связей. Результаты конформационного анализа реализованы во ВНИИТКГП, Институте биофизики Минздрава СССР, Институте физики АН БССР, МХТИ им. Д.И.Менделеева при решении химико-технологических задач. Определение молекулярно-кристаллической структуры углеводов методом ААПФ позволит в ряде случаев отказаться от применения сложного и дорогостоящего нейтронографического эксперимента.-
Адекватность ротационных запретов в мономерных звеньях 1>-гликанов и соответствующих производных D-альдопираноз позволяет прогнозировать'конформационные состояния, оценивать энтропии линейных, разветвленных, смешанных, частично замещенных полисахаридов, вероятность замещения ОН-групп в D-гликанах, вариации гибкости цепей с ростом степени разветвления и (или) замещения - необходимых факторов поиска путей модификации полисахаридов для придания им требуемых физико-химических и биологических свойств. Совокупность конформационных и стереохимических закономерностей, выявление.роли внутри- и межмолекулярных взаимодействий в формировании пространственных структур направлены на более эффективное и широкое использование углеводоЕ.
Разработаны устройства, приспособления, приемы и способы фи-
зіко-химического анализа углеводов: полифункциональная приставка для съемки теипературннх в поляризационных спектров в ренинах ва-нуумирования, ориентации, нзотопозшіещения образцов, адсорбционная установка к ИК-спзктроцетраы, способы регистрации спектров в водных растворах, приеш уменьшения светорассеяния волокон. Получила развитее средства автоматизации спектроскопических измерений: капанный анализ по спектру ЯМР С слояяых многокомпонентных скесей биоорганнческих соединений, включающих углеводы, система аккумуляции сигналов на магнитную ленту, система обработки експериментальних контуров на ЭВМ. Методы физико-химического контроля средств на основе полисахаридов освоены Московским эндокринным заводом, Курганским комбинатом "Синтез", ПО "Белмедпрепараты". Способы оценка гидрофильных свойств водорастворимых полисахаридов используются при поиске эффективных плазмоакспандеров, антеросорбентов. Открытие явления селективной _/з-аномеризации агликона при образовании оснований ІПиф^а ї-гексозаминов с ароматическими альдегидами открыло пути синтеза биологически активных _Р-аномеров производных Э-гексозамияов. Разработаны пригодные для практики способы оценки химической неоднородности,- доступности непроэтерифицированных 03-груш, адсорбционных свойств полисахаридов. Найденные корреляция "спектр-структура" расширили возможности методов ИК- и ШР-спеят-роскошш при решении структурно-аналитических задач в областн.хн-|.ши углеводов.
Публикации и апробация работы. Основные положения диссертации отражены в 5-І печатной работе, в том числе в 3 монографиях (совяз-стно с Р.Г.Ебанковыы), 5 обзорах, 2 сборниках.
Материалы диссертации докладывались на 8 Ыездународпоа сгаліо-зиуие по химии природных соединений (Индия, 1972), SO Международном микросимпозиуме ИШАК по коиформациояшм структурам полимеров (1ССР, 1972), 2 Европейском конгрессе по молекулярной спектроскопии (Таллин , 1973), Всесоюзном семинаре по использовании ЗВИ в спектроскопии молекул (Новосибирск, 1973), 3 Совзтско-Индийоком симпозиуме по химии природных соединений (Ташкент, 1973), на Вса-сопэнах симпозиумах и семинарах по иезмолёкулярному взаимодействия к копформациям молекул (2 симпозиум - Волгоград, 1974; 3 симпозиум - Пущядо, I976j 4 симпозиум - Баку, 1978; 5 симпозиум - Алма-Ата, 1980; 6 симпозиум - Вильгаас, 1982; 7 симпозиум - Пущине, IS86), I Всесоизпой конференции по химии и физике целлюлозы (Рига, 1975), Всесоюзной конференции по эфирам целлюлозы (Владимир, 197а^
Всесоюзной коьференгош по водородным связям (Харьков, 1977), I, 2 и 3 Всесоюзных конференциях по актуальным проблемам технологии кровезаменителей, гормональных и органотерапевтических препаратов (Москва, 1977, 1982, 1987), Всесоюзном симпозиуме по современному состоянию биоорганическо!» кристаллохимии (Звенигород, 1978), 2 и 3 Московских конференціях ВХО им. Д.И.Менделеева по органической химии y технологии (Москва, 1979, 1982), 4 и 5 Всесоюзных конференциях по аналитической химии органических соединений (Москва, 1980, 1984), 12 Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Баку, 1981), 7 Международном конгрессе по магнитному резонансу (США, 1983), 8 Международном симпозиуме по дрожжам (Индия, 1983), 4 Всесоюзном совещании по органической кристаллохимии (Звенигород, 1984), Всесоюзном симпозиуме по физико-химическим свойствам биополимеров в растворе и клетках (Пущино, 1985), Всесоюзной конференции.по использованию ЭВМ в химических исследованиях и спектроскопии молекул (Рига, 1986), Международных симпозиумах по горизонтам в исследовании водородных связей (Польша, 1987; Черновцы, 1989).
Структура и объем диссертации, диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, основных результатов и выводов, библиографии и приложения. Работа изложена на 434 страницах, включая 71 рисунок, 40 таблиц и список литературы из 518 наименований.
