Synthesen und Abbau von Oligosacchariden mit verzweigten Ketten PDF
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FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN Nr. 1430 Herausgegeben im Auftrage des Ministerpräsidenten Dr. Pranz Meyers von Staatssekretär Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt DK 547.455/458 547.458.414 Prof. Dr. Almuth Klemer Dr. Kurt Homberg Dipl.-Chem. Heinz Lukowski Dipl.-Chem. Pranz Zerhusen Organisch-Chemisches Institut der Universität Münster Synthesen und Abbau von Oligosacchariden mit verzweigten Ketten WESTDEUTSCHER VERLAG KÖLN UND OPLADEN 1965 ISBN 978-3-663-03923-5 ISBN 978-3-663-05112-1 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-05112-1 Verlags-Nr. 011430 © 1965 by Westdeutscher Verlag, Köln und Opladen Gesamtherstellung : Westdeutscher Verlag Inhalt Einleitung .................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Vorkommen und Bedeutung verzweigter Oligosaccharide ............... 7 1. Die Hydrolysengeschwindigkeit der 0(-1.4- und ß-1.6-Bindung in 4-0(-6-ß-Bis-n-glucosido-n-glucose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Beschreibung der Versuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 14 11. Synthese eines weiteren verzweigten Trisaccharides: 3.6-Bis-ß-n-glucosido-n-glucose ................................. 15 Beschreibung der Versuche ....... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 24 IH. Die Einwirkung von Alkali auf 3.6-Bis-ß-n-glucosido-n-glucose ..... 32 Beschreibung der Versuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36 IV. Über den alkalischen Abbau einiger n-Glucosemethyläther: 2-Methyl- und 2.4.6-Trimethyl-n-glucoseen (2.3) ................... 40 Beschreibung der Versuche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 41 5 Einleitung Vorkommen und Bedeutung verzweigter Oligosaccharide Nahezu alle Oligosaccharide bestehen aus geradkettig aneinander gebundenen Monosaccharid-Resten. Der Aufbau ist dadurch gekennzeichnet, daß, abgesehen von den Endgruppen, die Glieder der Kette stets alternierend über das glykosi dische C-Atom eines Gliedes und eine alkoholische Hydroxylgruppe des folgenden Bausteines miteinander verbunden sind. Demgemäß stellt z. B. die Stachyose ein geradkettiges Tetrasaccharid dar1. 4-o<,6-ß-Bis-D-glucosido-D-glucose Oligosaccharide, bei denen zwei oder mehr Monosaccharid-Reste mit den alkoho lischen Hydroxylgruppen eines Monosaccharides verbunden sind, werden als Gruppe der »verzweigtkettigen« Oligosaccharide zusammengefaßt. Der Begriff verzweigtkettig bezieht sich also nicht auf die Kohlenstoffketten der einzelnen Monosaccharide, sondern auf die Anordnung der Bausteine. Die 4-1X-6-ß-Bis-n glucosido-n-glucose ist z. B. ein verzweigtes Trisaccharid. Verzweigte Oligosaccharide kommen in der Natur sehr selten vor. Nur zwei generelle Vorkommen sind bisher bekannt: In einigen Solanum-Arten findet man 1 In diesem Bericht wurden wegen ihrer besseren Übersichtlichkeit im wesentlichen die bewährten Strichformeln verwendet: o I I I 11 - =HC-OH -I = Hf-O-C-CH3 I 7 diesen Stofftyp in Form von Alkaloidglykosiden2, und aus Frauenmilch wurden einige kompliziert aufgebaute freie verzweigte Oligosaccharide isoliert3. In bei den Fällen besitzen diese Oligosaccharide ein besonderes biologisches Inter esse. So wird die Resistenz bestimmter Solanumarten gegenüber dem Kartoffel käferlarven-Befall mit ihrem Gehalt an diesen Glykosiden in Verbindung ge bracht. Die verzweigten Oligosaccharide aus der Frauenmilch sind Wuchsstoffe für den Lactobazillus bifidus, der für das Gedeihen des Säuglings von großer Wichtigkeit ist. Verzweigte Oligosaccharide besitzen ferner eine besondere Bedeutung für die Kenntnis der Strukturen der zahlreichen verzweigten Polysaccharide. Die Strukturermittlung der Polysaccharide stützt sich im wesentlichen auf die Methylierung mit anschließender Hydrolyse und den oxydativen Abbau. Daneben liefert die partielle Hydrolyse des betreffenden Polysaccharides oft wertvolle Hin weise, da sie zu definierten charakteristischen Spaltprodukten führen kann. Für die Kenntnis der Art der Verzweigungen des Polysaccharides sind dabei jene Ab bauprodukte besonders wertvoll, die die verschiedenen Bindungstypen in sich vereinen. Ein direkter und unmittelbarer Beweis für die verzweigtkettige Struktur eines Polysaccharides würde daher erst die Isolierung eines verzweigtkettigen Oligosaccharides bedeuten. Solche Abbauprodukte wurden jedoch, abgesehen von ganz wenigen Ausnahmen4, bisher niemals gefunden, obwohl von verschie denen Arbeitskreisen intensiv nach solchen unter den Hydrolysenprodukten ge sucht wurde. Angesichts der außerordentlichen Verbreitung der verzweigten Polysaccharide - zu dieser Gruppe gehären z. B. das Amylopektin, Pflanzengummiarten, Man nane, Pektine und viele Bakterienpolysaccharide - ist eine Kenntnis verzweigter Oligosaccharide von besonderem Wert. Es war daher von erheblichem Interesse, Methoden zur chemischen Synthese ver zweigter Oligosaccharide zu finden. Die Kenntnis der Eigenschaften solcher Ver bindungen, insbesondere die der Hydrolysengeschwindigkeit seiner verschiedenen glykosidischen Bindungen, würden dazu beitragen, jenem wichtigen, noch unge lösten Problem in der Strukturaufklärung verzweigtkettiger Polysaccharide näher zukommen. Die ersten Synthesen verzweigter Trisaccharide wurden vor einigen Jahren von A. KLEMER entwickelt. 1956 wurde über die Synthese des ß-Methyl-6-[ß-D-glucosido ]-4' -6' -äthyliden cellobiosids5 und ein Jahr später über die des freien verzweigten Trisaccharides 4-C(-6-ß-Bis-ß-D-glucosido-D-glucose berichtet6• KUHN, R., J. Löw und H. TRISCHMANN, Chern. Ber. 88, 1492 (1955). KUHN, R., und]. Löw, Chern. Ber. 88, 1690 (1955); Angew. Chern. 68, 212 (1956). 3 KUHN, R., H. H. BAER und A. GAUBE, Chern. Ber. 89,2514 (1956); 91, 364 (1958). KUHN, R., und A. GAUBE, Chern. Ber. 93, 647 (1960). 4 HAQ, S., und G.A.ADAMS, Canad. ]. Chern. 39, 1563 (1961). 5 KLEMER, A., Chern. Ber. 89, 2583 (1956). 6 KLEMER, A., Angew. Chern. 69, 638 (1957); Chern. Ber. 92,218 (1959). 8 Das folgende Bild vermittelt eine Übersicht über das Prinzip dieser beiden Syn thesen. Beide Trisaccharide sind 4-6-verzweigt. Dieser Typ wurde gewählt, weil von allen verzweigten Polysacchariden das Amylopektin und das ihm nahestehende Glykogen die wichtigsten sind. Diese enthalten 1.4- und 1.6-und in sehr geringem Umfange auch 1.3-Bindungen. Diese beiden Polysaccharide haben wegen ihrer großen Bedeutung für die Ernährung und Biochemie intensive Bearbeitung gefunden. ~~ ~ D () HC R'; (R';) 0 0 CR, j 1. A:tobrom-o_glucose/Ag20 2. NaüCH, 3. partielle Hydrierung (Abspaltung von R~) 4. Chromatogr. Trennung D D CR" o ü H ' ü o R; ~ -Ü-CH2-C.HS 6-ß-D-Glucosido-maltosc R'; = -CSH5 9 1. Die Hydrolysengeschwindigkeit der e<-1.4- und ß-1.6-Bindung in 4-e<-6-ß-Bis-n-glucosido-n-glucose7 Mit der partiellen Hydrolyse des Amylopektins haben sich besonders intensiv WOLFROM und MitarbeiterS befaßt. Die Untersuchungen gehen von der Voraus setzung aus, daß sowohl alle 0:.-1.4-als auch alle 0:.-1.6-Bindungen des Amylopektins unabhängig voneinander hydrolisiert werden, und zwar jeder der beiden Bindungs typen mit einer bestimmten Geschwindigkeit. Bei der Rechnung wird für die 0:.-1.4-Bindung der Wert für die Hydrolysenkonstante der Maltose, für die 0:.-1.6- Bindung der der Isomaltose zugrunde gelegt. Berücksichtigt man außerdem den bekannten Verzweigungsgrad des Amylopektins, so kann man rechnerisch er mitteln, bei welchem Hydrolysengrad z. B. ein Maximum an Trisacchariden mit einer 1.4- und mit einer 1.6-Bindung zu erwarten ist. Die drei Trisaccharide: a) 4-0:.-6-0:.-Bis-D-glucosido-D-glucose b) 4-0:.-Isomaltosido-D-glucose c) 6-0:.-Maltosido-D-glucose () o sollten demgemäß bei einem bestimmten Hydrolysengrad mit gleicher Wahr scheinlichkeit auftreten. Die Praxis zeigt jedoch, daß unter diesen Bedingungen nur b) isoliert werden kann. Über das Auftreten der beiden anderen bei der parti ellen Hydrolyse des Amylopektins zu erwartenden Trisaccharide ist bisher nichts bekannt. 7 KLEMER, A., Tetrahedron Letters Nr. 22, 5 (1960). 8 THOMPSON, A., und M. L. WOLFROM, ]. Arner. ehern. Soc. 75, 5849 (1951), und frü here Arbeiten. 10 Das Ergebnis könnte in einer anormal großen Hydrolysengeschwindigkeit einer oder der beiden glykosidischen Bindungen im verzweigten Trisaccharid, bei dem ja die beiden glykosidischen Bindungen an den alkoholischen Hydroxylgruppen eines Glucoserestes angreifen, begründet sein. Wir haben daher die partielle Hydrolyse von 4-1X-6-ß-Bis-n-glucosido-n-glucose als Modellsubstanz untersucht. Dabei zeigte sich nun aber überraschenderweise, daß sowohl die 1X-1.4- als auch die ß-1.6-Bindung in diesem Trisaccharid nicht schneller sondern vielmehr langsamer als in den zugehörenden Disacchariden Maltose und Gentiobiose hydrolysiert werden. Für die Bestimmung der beiden Hydrolysenkonstanten des Trisaccharides wurden folgende Bedingungen gewählt: Temp.: 100° (Ultra-Thermostat) 0.05 n H2S04 Nach einer bestimmten Hydrolysendauer wurden die entstandenen Spaltprodukte n-Glucose, Maltose und Gentiobiose sowie unverändertes Ausgangsprodukt mit Hilfe der Isotopen-Verdünnungsanalyse (Zusatz von 14C-n-Glucose und 14C_ Maltose) und der anschließenden quantitativen chromatographischen Auftrennung des Hydrolysats an Cellulosepulver mittels eines automatischen Fraktionssammlers isoliert. Alle Komponenten wurden in chromatographisch reiner Form erhalten. Die Mengen an n-Glucose und Maltose stimmten überein mit den nach der 14C_ Methode gefundenen Werten. Die folgende Tabelle zeigt die Ergebnisse: Trisaccharid Hydrolysendauer D-Glucose Maltose Gentiobiose Einwaage [mg] [Stunden] [mg] [mg] [mg] 151.5 12.5 43 10 32 182 6 26 13 29 Die für die Rechnung benötigten Hydrolysengeschwindigkeitskonstanten von Maltose und Gentiobiose wurden auf optischem Wege bei gleicher Temperatur und gleichem pH-Wert ermittelt. Die verwendeten Disaccharide waren beide ana lytisch und chromatographisch rein. (Die Reindarstellung erfolgte über die reinen ß-Oktacetate. ) K = 0.087 Std.-1 Ma KGent = 0.037 Std.-1 Aus diesen Zahlen und je einem der gefundenen Werte für Maltose und Gentio biose aus der Trisaccharid-Hydrolyse (es wurden die Werte der sechsstündigen Hydrolyse eingesetzt) ergibt die Rechnung (vgl. 9) für die Hydrolysengeschwin digkeitskonstanten der 1X-1.4- und der ß-1.6-Bindung im Trisaccharid folgende Werte: KTris = 0.056 Std.-1 KTris = 0.028 Std.-1 lX-l.4 ß- 1.6 9 ]ONES, R. W., R.]. DIMLER und C. E. RIST, ]. Amer. ehern. Soc. 77, 1659 (1955). 11 Mit diesen Zahlen wurden die Werte für Gentiobiose, Maltose und Glucose zur Zeit t = 12.5 Stunden und der Glucose zur Zeit t = 6 Stunden berechnet und mit den gefundenen verglichen. Glucose Maltose Gentiobiose Zeit [Std.] gef. ber. gef. ber. gef. ber. 12.5 0.80 1.11 0.10 0.12 0.29 0.28 6 0.40 0.56 0.105* 0.235* Die Zahlen in dieser Tabelle geben die Mol-Verhältnisse an. * Diese gefundenen Werte wurden für die Rechnung eingesetzt. Die Tabelle zeigt, daß die Maltose- und Gentiobiose-Werte recht gut mit den be rechneten übereinstimmen. Der gefundene Glucose-Wert liegt für die beiden Versuchsreihen um das gleiche Verhältnis etwas zu tief gegenüber dem berechne ten Mol-Verhältnis. Der Vergleich der errechneten Hydrolysenkonstanten untereinander zeigt, daß die ot-1.4-Bindung im Trisaccharid etwa 1,5mal langsamer als in Maltose und die ß-1.6-Bindung im Trisaccharid etwa 1,3mallangsamer als in Gentiobiose hydro lysiert wird. Obwohl die Modellsubstanz eine ß-1.6-Bindung gegenüber der ot-1.6-Bindung im Amylopektin besitzt, ist es sehr wahrscheinlich, daß auch in dem bisher nicht be kannten verzweigten Trisaccharid 4-ot, 6-ot-Glucosido-D-glucose die Hydrolyse der ot-1.6-Bindung langsamer als in Isomaltose erfolgen wird. Die Frage, warum dieses verzweigte Trisaccharid unter den Hydrolysenprodukten des Amylopektins noch nicht gefunden wurde und auch bei anderen verzweigten Polysacchariden bisher nie Oligosaccharide dieses verzweigten Typs isoliert wurden, bleibt damit noch unbeantwortet. Berechnung der Hydro!Jsenkonstanten der 4-ot, 6-ß-Bis-D-glucosido-D-glucose1o a Anfangskonzentration an Trisaccharid qI(t) = Konzentration an Gentiobiose Ht) = Konzentration an Maltose 1) (t) Konzentration an Glucose K Hydrolysenkonstante der ot-1.4-Bindung im Trisaccharid 1 K2 Hydrolysenkonstante der ß-1.6-Bindung im Trisaccharid Ka Hydrolysenkonstante der Gentiobiose K4 Hydrolysenkonstante der Maltose Die vollständige Hydrolyse der 4-ot-.6-ß-Bis-D-glucosido-D-glucose ist eine Über lagerung von vier Reaktionen 1. Ordnung. Herrn Dr. W. MECKSTROIlT, Org. ehern. Institut der Universität Münster, danke ich 10 für die Durchführung der Berechnung. 12
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