Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА І. ИЗОМЕРИЗАЦИЯ КАРБОНИЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ 12
1.1. Особенности реакций внутримолекулярного и межмолекулярного окисления-восстановления 12
1.2. Изомерные окислительно-восстановительные превращения карбонильных соединений 1.2.1. Альдегидо-кетонная перегруппировка 17
1.2.2. Изомеризация кетонов в кетоны 32
1.2.3. Механизм изомерных превращений карбонильных соединений 34
1.3. Оксикетонная перегруппировка оксикарбонильных соединений 40
1.3.1. Изомеризация СХ -оксикетонов 40
1.3.2. Изомеризация СУ -оксиальдегидов 41
1.4. Окислительно-восстановительная изомеризация в ряду Сахаров 46
ГЛАВА П. САХАРИНОВАЯ ПЕРЕГРУППИРОВКА 51
2.1. Особенности строения и получения сахариновых кислот 51
2.2. Механизм сахариновой перегруппировки 53
2.3. Влияние природы катиона щелочи, температуры на направление перегруппировки 60
2.4. Влияние заместителей па реакцию образования сахариновых кислот
2.4.1. Влияние І-0-заместителя 64
2.4.2. Влияние 2-0-заместителя 65
2.4.3. Влияние 3-0-заместнтеля - З стр.
2.4.4. Влияние 4-0-3аместіїтеля 68
2.4.5. Влияние 6-0-заыестителя 69
2.5. Образование сахариновых кислот при расщеплении олиго- и полисахаридов действием щелочей 70
2.5.1. Глвкапы с (I — 4)-связями 70
2.5.2. Гликаны с (I - 3)-связями 85
2.5.3. Гликаны с (I -» 6)-связями 85
2.6. Сахариновая перегруппировка кшс аналитический метод исследования структуры полисахаридов и некоторых производных углеводов 89
ГЛАВА Ш. РЕЗУЛЬТАТЫ ЙССЛВДОВАНШ И ОБСУЦШИЯ 93
3.1. Выбор объектов и методов исследования 93
3.2. Кислотное превращение модельных соединений (простейших оксикарбонильных соединений) 95
3.9.3. Об альтернативных путях образования органических кислот в природных условиях 185
3.9.4. К вопросу абиотического синтеза дезокси Сахаров 194
3.10. Пути практического использования дезокси альдоновых кислот 199
3.10.1. Стимулирующее действие на растения. 201
3.10.2. Поиск новых средств химической защиты растений 222
3.10.3. Применение в животноводстве 233
3.10.4. Фармакологическая активность 237
3.10.5. Влияние на микроорганизмы 240
3.10.6. Влияние на активность ферментов 242
ГЛАВА ЗУ. ЭКСПЕРИЖНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 244
ВЫВОДЫ 302
ЛИТЕРАТУРА 305
ПРИЛОДШИЕ
Введение к работе
Окислительно-восстановительное диспропорцнонирование играет важную роль в процессах, происходящих в живых организмах, является источником энергии для биологических систем. Оно нередко сопровождается самыми разнообразными изменениями как функциональных групп, так и углеродного скелета молекул. В ходе окислительно-восстановительных превращении могут возникнуть соединения, более богатые энергией, чем исходные. Несмотря на большое значение, многие из этих процессов изучены недостаточно, а относительно их механизмов нет четкого и убедительного представления.
Все живые организмы являются химически реагирующими системами, зависящими от постоянно происходящих процессов окисления и восстановления. У растений это достигается использованием лучистой энергии для восстановления двуокиси углерода. Биохимические превращения Сахаров (различные виды брожений) представляют собой млогочиелеиные примеры одновременного окисления-восстановления. В органической химии имеются более простые модели тех превращений Сахаров, которые совершаются в природных условиях. На значение таких реакций для происхождения жизни и эволюции обмена веществ указывают А.И.Опарин /I/, Дж.Бернал /2/, Ю.А.Дцанов /3/, С.Н.Данилов /4/ и др. Окислительно-восстановительные отношения атомов углерода являются фора ой диалектической противоположности, крайне важном для органической химии /5/. В сахарах еще больше, чем в других кислородсодержащих соединениях, выявляется способность к окислительно-восстановительным превращениям, вплоть до перехода в углекислоту и воду.
Сочетание карбонильных и спиртовых групп обусловливает большую реакционную способность и многообразные превращения углеводов под воздействием даже весьма мягко действующих агентов.
Сложные и разнообразные превращения углеводов в щелочной среде давно обратили на себя пристальное внимание исследователей. Однако, несмотря на интенсивные исследования, реаісцпи взаимопревращений и деструкции углеводов в щелочных растворах изучены еще недостаточно. Превращение восстанавливающих Сахаров под действием водных оснований включает следующие процессы /6-8/: мутаротацию (аномеризацию); эпимеризацию и взаимопревращения альдоз и кетоз (реакция Лобри де Броина - Альберда ван Экепштейна); ретроальдольное расщепление, продукты которого способны к новым реакциям; сахариновую перегруппировку /9/, Возможны также образование карбоциклических соединении: /10-15/, реакция Канніщцаро /16,17/, внутримолекулярное окисление-восстановление /18/. Замечено также образование полимерных соединений /19/, вероятно, через альдозулозы при повышенных температурах /20/. Кроме того, сахара образуют комплексы (сахараты) с гидроксидами щелочных и щелочпо-земельпых металлов /21-28/. Под воздействием щелочей гликозиламнны претерпевают перегруппировки Амадоря /29/ и Хейнс /30/. Многочисленные производные углеводов под влиянием щелочных агентов претерпевают внутримолекулярные замещения, например, с элиминированием таких групп, как алкил- и арилсульфопилокси-группы, атом галогена, нитратная и сульфатная группы, с образованием окисного кольца (внутримолекулярного эфира) /31,32) и миграцию ацнльных групп /31/, включающую изомеризацию через внутримолекулярную трансэтерийи-кацшо. Еще 70 лет тому назад Нефом /33/ были описаны 116 про - 7 дуютов, которые образуются при обработке D-глюкозы сильный основаниями. Однако сахара достаточно устойчивы к действию основания при 5°С. Так, 85-90$ сахара (ТЭ -глюкоза, TD -манно-за и D-фруктоза) остается неизменным при длительном контакте (9 месяцев) с разбавленным гидроксидом натрия /34/.
Бурное развитие исследований в области органической химии делает необходимым время от времени проанализировать накопившиеся вновь факты, сопоставив их с ранее известными, и выяснить их отношение к господствующим теориям и воззрениям. Понимание процессов окисления и восстановления вашю для раскрытия сущности жизни, и задача химиков-органиков состоит в том,, чтобы четко указать пути, по которым могут происходить эти химические изменения в простых молекулах, чтобы для биологов это могло бы служить прочным основанием для изучения сложных организмов.
Настоящая работа посвящена исследованию окислительно-восстановительных превращений карбонильных соединений и молекулярных перегруппировок з глеводов с нелью выявления закономерностей в изомерных превращениях кислородсодержащих органических соединений, моделирования ряда важных биохимических процессов и разработки методов синтеза дезокси Сахаров и других биологически активных соединений.
B первой главе изложены и систематизированы данные об основных особенностях реакций окислительно-восстановительного диспропорциоиирования карбонильных соединений, показана их роль в органической химии и рассмотрены основные пути моделирования некоторых биогенетических превращений углеводов. Хотя сахара имеют ряд особенностей по сравнению с монооксиальдеги-дами и монооксикетонами, однако некоторые превращения более простых окмшарбонильных соединений могут разъяснить сложные превращения Сахаров.
Во второй главе рассмотрен и систематизирован материал по химии сахариновых кислот. Обсувдела щелочная деструкция моно-, олиго- и полисахаридов, причем большое внимание уделено условиям, которые влияют на ход реакции. Показано, что природа катиона щелочи, рН ере яда, температура, а также строение углевода играют важную роль. Подробно изложены данные, касающиеся стабилизации полисахаридов в щелочной среде.
В третьей главе изложены экспериментальные данные и подытожены результаты работ по изучению окислительно-восстановительных превращений карбонильных соединений. Изучен и обсуждается механизм внутримолекулярной кислотной перегруппировки углеводов в свете теоретических представлений современной органической химии. Рассмотрены области применения (в органическом синтезе, в биохимических превращениях Сахаров, для получения некоторых лекарственных веществ, регуляторов роста растений и др.) изученного нового типа перегруппировок углеводов.
Показано, что направление реакции изменяется в зависимости от .рН среды, природы катиона и условий реакции. Подобрав условия, можно получить определенные вещества.
Изучено окисление-восстановление и обнаружено специфическое действие гидроксидов тяжелых металлов при кислотном превращении карбонильных соединений.
Изучен новый тип перегруппировок углеводов, заключающихся в окислительно-восстановительном диспропорционировании атомов углерода в одной молекуле до крайне предельных форм поляризапий, что является пока лишь единственны»! примером подобного превращения в органической химии.
Разработан общий способ синтеза дезоксиальдоновых кислот, основанный на окислительно-восстановительной перегруппировке альдоз (пирайоз и фураноз) с незамещенными псевдоальдегидной и соседней спиртовой или электрояоакцепторяыщ группами. В данном случае формально происходит обмен местами соседних групп и фрагмент оксиальдегида переходит в крайнюю форму окисления-восстановления - в карбоновую кислоту, с сохранением уне имеющейся степени окисления.
Разработаны новые пути превращения частично замещенных углеводов со свободной полуацетальной и соседней вторичной спиртовой группами. Найдены новые реакции альдоз и кетоз с электро-н©акцепторными заместителями у соседнего углеродного атома к карбонильной группе.
Ряд полученных соединений успешно применен в качестве реагентов для органического синтеза. Так, например, разработан способ получения дезоксисахаров из соответствующих производных альдоз и кетоз. Ванные биологические функции, выполняемые дезокснсахарами в «шзнп организмов, делают актуальной проблему их синтеза.
Кислотное внутримолекулярное превращение оксикарбонильных соединений и углеводов моделирует один из ванных биохимических процессов - синтез гпдроксикарбоновых кислот и дезоксисахаров в природе.
Впервые обнаружен широкий спектр биологического действия дезоксиальдоновых кислот и их производных па растения и животные организмы. Вместе с этим, эти препараты нетоксичны или малотоксичны и являются транспортерами для металлов через клеточную мембрану. Открытие специфической физиологической активности дезоксиальдоновых кислот и их производных подтверждает целесообразность поиска новых типов биологически активных препаратов в ряду Сахаров.
Полученные в результате исследования данные позволяют совершенно по-новому рассматривать проблему одновременного окисления-восстановления карбонильных соединений и углеводов, что дает возможность управления реакциями молекулярных перегруппировок.
Биологические испытания предложенных нами соединений проводились на кафедрах химии высокомолекулярных соединений, ботаники, физиологии человека и животных, биофизики, микробиологии, в лаборатории фотосинтеза Тбилисского государственного университета; в лаборатории фармакологии Института фармакохимии АН ГССР; на кафедре фармакологии Грузинского медицинского института; в лаборатории физиологии древесных растении Тбилисского горнолесного института Минлесхоза ГССР; в Институте защиты растении Минсельхоза ГССР; в Институте ботаники АН ГССР; в Закавказском филиале Всесоюзного Государственного Института "Союз-гипролесхоз", в Грузинском научно-исследовательском институте земледелия Минсельхоза ГССР, во Всесоюзном научно-производственном объединении чайной и субтропических культур и в Грузинском филиале Всесоюзного научно-исследовательского института Министерства заготовок СССР. В производственных условиях испытания проводились в Тбилисском цветоводческом производственно-торговом хозяйстве, в Мцхетской селекционной станции Грузинского НИИ земледелия и в Сагурамском овощном совхозе.
Выполненная работа входит в Государственный план экономического и социального развития Грузинской ССР (приложение & 10 к постановлению Совета Министров Грузинской ССР от 5 января 1980 г. & 800, регистрационный $ 8006523$. Исследование выпол - II нено в соответствии с сводншл планом научно-исследовательских работ, координируемых АН ГССР в области естественных и общественных наук (утвержден Президиумом АН ГССР от 29 декабря 1981г.), программой по решению научно-технической проблемы "Изыскать новые эффективные средства, разработать технологию и освоить полупромышленное производство новых препаратов и их лекарственных форм (постановление Государственного комитета ГССР по науке и технике и АН ГССР № 716 от 29 мая 1981 г.), целевой программой работ "По разработке, испытанию и внедрению новых методов, способствующих получению стабильного урожая цитрусовых в условиях Аджарской АССР" (постановление Аджарского обкома КП Грузии и Госкомитета ГССР по науке и технике от 29 октября 1981 г.)
