Спектральная идентификация углеводов

Идентификация моносахаров с применением ИК-спектроскопии является довольно трудной задачей. Причина этому – сложность строения сахаров и одновременное наличие различных функциональных групп и таутомерных форм. Чаще всего, ИК-спектры применяют для установления идентичности двух образцов сахаров, при этом исследуемый и известный (стандартный) образцы должны быть приготовлены одинаковым способом и находиться в одном и том же агрегатном состоянии. Необходимость этого обусловлена сильной зависимостью положения сигналов в сахарах от агрегатного состоянии вещества. Например, для аморфного и кристаллического образца исследуемого сахара, смещение отдельных полос может достигать 20 см^-1.

Деформационным колебаниям С–Н связи при аномерном центре в пиранозах соответствует полоса поглощения при 844±8 см^-1, если водородный атом расположен экваториально, и полоса при 891±7 см^-1, если этот атом расположен аксиально. Эта закономерность широко используется для определения конфигурации у С₁ и может быть использована для определения конформации пиранозного кольца в моносахаридах или их производных с известной конфигурацией при С₁. Аналогичным образом может применяться закономерность, наблюдаемая для ИК-спектров полных ацетатов пираноз: в этих соединениях колебаниям С–О-связи у аномерного центра отвечает полоса при 1160 см^-1, если ацетоксильная группа расположена аксиально, и при 1128 см^-1, если эта группа экваториальна.

Рис. 3. ИК-спектр D -галактопиранозы

Однако, сравнивая ИК-спектры двух углеводов D -галактопиранозы (рис.) и 1,2,3,4,5,6-циклогексангексанола (рис..) можно понять, что делать серьезные выводы по одному внешнему виду спектров невозможно, поскольку они очень похожи. Требуется тщательный анализ области «отпечатков пальцев» и применение дополнительных спектральных методов исследования молекул для установления их структуры.

Рис. 4. ИК-спектр1,2,3,4,5,6-циклогексангексанола

Наиболее приемлема ИК-спектроскопия для установления взаимного положения гидроксильных групп в сахарах. Для такого исследования готовят разбавленные (0,005 М) растворы сахаров в четыреххлористом углероде, что позволяет избежать образования межмолекулярных ассоциатов. Если гидроксильная группа в сахарах участвует в образовании внутримолекулярной водородной связи ее сигнал смещается в длинноволновую область. Образование пятичленного цикла с участием гидроксигруппы сдвигает ее сигнал на 30 см^-1, а для шестичленных циклов этот сдвиг достигает 80 см^-1. Интенсивность сигнала позволяет судить о количестве гидроксильной группы данного типа в равновесной смеси.

Изомер А 5-окси-2-фенил-1,3-диоксана имеет одну полосу поглощения ν(ОН) при 3593 см^-1, это связано с фиксацией гидроксигруппы за счет образования водородных связей и возможно лишь при цис -конфигурации изомера. Эта конформация приобретает устойчивость за счет экваториально расположенного ароматического кольца и водородных связей между гидроксигруппой и атомами кислорода шестичленного кольца. Для изомеров В и С существуют две полосы поглощения при 3633 и 3593 см^-1, что объясняется возможностью существования равновесия двух конформаций в растворе, одна из которых стабилизирована двумя экваториальными заместителями, а вторая – водородной связью.

Например, для дезоксисахара с разветвленной цепью углеродных атомов возможны две структуры А и В.

В ИК-спектре этого сахара присутствует полоса поглощения при 3512 см^-1, характерная для шестичленного цикла типа С. Образование такой системы связей возможно только при образовании конформации типа D. Из этого можно сделать вывод, что образец исследуемого вещества представляет собой В -изомер.

ИК-спектры позволяют различать g[*]- и d-лактоны альдоновых кислот, так как в g-лактонах полоса поглощения валентных колебаний С=О лежит в интервале 1760-1800 см^-1, а в d-лактонах – при 1725-1750 см^-1.

Для валентных колебаний N-H-связи характерно поглощение в интервале 3100-3500 см^-1. 5-Ацетамидо-5-дезокси-L-арабиноза может существовать в двух изомерных формах А и В. Поскольку в ИК-спектре арабинозы присутствует полоса поглощения при 3450 см^-1, соответствующая NH-группе, можно сказать, что она существует в форме изомера А.

Моносахариды и их производные имеют ряд особенностей, которые можно использовать при установлении их строения, используя спектры ЯМР ¹Н. Например, протоны (А и B), связанные с ацетальным атомом углерода резонируют в самом слабом поле - 5.27 и 4.59 м.д., соответственно. Впрочем, если более электроакцепторные группы присоединяются к другим атомам углерода, то очередность резонирования протонов в силовом поле может измениться.

Аксиальный (ориентированный вдоль оси, направленной перпендикулярно к основной плоскости молекулы) атом водорода (В) пиранозного кольца резонирует в более сильном электромагнитном поле, чем экваториальный (ориентированный перпендикулярно к этой оси) (А) (см. рис. 5).

Рис. 5. Спектр ЯМР ¹Н D -галактопиранозы

Использование масс-спектрометрии для исследования строения сахаров осложняется тем, что для получения спектров необходимо перевести вещество в газообразное состояние, что сделать с кристаллическими тугоплавкими сахарами очень трудно. Поэтому часто получают различные производные сахаров, например эфиры, обладающие значительно более низкой температурой возгонки.

Распад циклических сахаров под действием электронного удара происходит с разрывом связей, находящихся вблизи от гликозидного центра между атомами С₁-С₂, С₁-О_{гликозида} и С₁-О_кольца. Специфично протекает фрагментация для пиранозных и фуранозных циклов.

Используя масс-спектрометрию можно определить ациклический или циклический характер моносахаридов, а также количество циклов в молекуле углевода. Наиболее предсказуем распад ациклических производных. Масс-спектр линейного пентаацетата арабината содержит четыре характерных фрагмента с m / z 73, 145, 217 и 289 [ Ошибка! Закладка не определена. ], образующихся по нижеприведенной схеме:

Масс-спектр циклического тетраацетил-метил-a-глюкопиранозида, являющегося структурным изомером ациклического пентаацетата арабината, содержит не все описанные выше характерные фрагменты распада молекулярного иона ациклического моносахарида (см. рис. 6, табл. 7).

Рис. 6. Масс-спектр тетраацетата метил-a-глюкопиранозида

Таблица 7

Пики ионов в масс-спектре тетраацетата метил-a-глюкопиранозида

Ион, m/z	Интенсивность сигнала, I	Ион, m/z	Интенсивность сигнала, I	Ион, m/z	Интенсивность сигнала, I
15.0	1	102.0	1	155.0	2
18.0	1	103.0	9	157.0	20
42.0	0	109.0	2	158.0	5
43.0	100	112.0	1	168.0	3
44.0	2	113.0	1	169.0	3
61.0	1	114.0	2	182.0	1
69.0	2	115.0	29	197.0	1
70.0	1	116.0	2	199.0	3
73.0	4	126.0	3	200.0	9
80.0	1	127.0	2	201.0	1
81.0	3	131.0	1	211.0	1
85.0	3	139.0	2	215.0	2
86.0	1	140.0	10	228.0	1
97.0	4	141.0	1	242.0	11
98.0	22	143.0	1	243.0	1
99.0	2	145.0	7	245.0	1

Масс-спектр a-D-маннопиранозы (рис. 7) содержит характерные для углеводов фрагменты распада молекулярного иона, это ионы с m / z 73 (максимальная интенсивность) и 31 (I 89%) (табл. 8).

Рис. 7. Масс-спектр a-D-маннопиранозы

Таблица 8

Пики ионов в масс-спектре a-D-маннопиранозы

Ион, m/z	Интенсивность сигнала, I	Ион, m/z	Интенсивность сигнала, I	Ион, m/z	Интенсивность сигнала, I	Ион, m/z	Интенсивность сигнала, I
13.0	1	40.0	1	61.0	70	89.0	2
14.0	6	41.0	6	62.0	4	90.0	3
15.0	21	42.0	40	68.0	2	91.0	7
17.0	7	43.0	79	69.0	5	96.0	1
18.0	44	44.0	28	70.0	2	97.0	3
19.0	10	45.0	13	71.0	31	98.0	3
25.0	1	47.0	5	72.0	33	101.0	6
26.0	5	49.0	1	73.0	100	102.0	8
27.0	10	53.0	1	74.0	17	103.0	10
28.0	24	54.0	3	75.0	1	113.0	1
29.0	60	55.0	16	77.0	1	115.0	1
30.0	23	56.0	28	83.0	1	116.0	1
31.0	89	57.0	21	84.0	2	119.0	2
32.0	69	58.0	4	85.0	8	131.0	6
33.0	6	59.0	3	86.0	4	133.0	2
39.0	3	60.0	99	87.0	2	149.0

Дата добавления: 2015-07-13