CARBOHYDRATE RESEARCH 317

ZUCKERSULFONSAUREN TEIL II. OXIDATIVER ABBAU DES METHYL-GLYKOPYRANOSID-GERtiSTS BEI DER

RADIKALISCHEN ADDITION VON HYDROGENSULFIT AN

METHYL-HEX-&NOPYRANOSIDE IN ABHtiGIGKEIT VON DER

KONFORMATIVEN STABILITXT DES PYRANOSID-SYSTEMS*

JOCHEN LEHMANN UND WOLFGANG WECKERLE

Cizemisches Laboratorium der UniversiGt, D-7800 Freiburg i. Br. (Deutschland)

(Eingegangen am 12. Oktober 1971; angenommen am 27. Dezember 1971)

ABSTRACT

The free radical addition of hydrogen sulfite-35S in aqueous solution to the five diastereomers methyl 6-deoxy-a- and -/I-D-xylo-hex-5-enopyranoside (6 and 7), methyl 6-deoxy+?- and -a-L-arabino-hex-5-enopyranoside (8 and 9), and finally methyl 6-deoxy-cr-D-Zyxo-hex-5-enopyranoside (10) gave the corresponding 5-epimeric 6-(methyl 6-deoxy-glycopyranoside)sulfonic-35 S acids (2) as well as sulfoacetate-35S.

The ratio of 6-glycopyranosidesulfonic acids to sulfoacetate was different in each case. Theoretical considerations indicate that conformational free-energy differences in the transition states 2’ and 3* are responsible for the different ratios of products. This assumption is supported by the good agreement between free-energy differences calculated from known partial-interaction energies and those calculated from product ratios (6-gIycopyranosidesulfonic acids to sulfoacetate).

ZUSAMMENFASSUNG

Bei der radikalischen Addition von Hydrogensulfit-35S an die fiinf Diastereo- meren, Methyl-6-desoxy-cc- und -/3-D-xylo-hex-5-enopyranosid (6 und. 7), Methyl-6- desoxy+ und -c+r-arabino-hex-5-enopyranosid (8 und 9) sowie Methyl-6-desoxy-a- P-Zyxo-hex-5-enopyranosid (lo), in wgssriger Liisung entstehen die entsprechenden 5-epimeren 6-(Methyl-6-desoxy-glykopyranosid)-sulfons~uren-35~ (2) neben Sulfo- acetat-35S. Das Verhgltnis von GlykopyranosidsulfonsHuren zu Sulfoacetat ist in jedem Fall verschieden. Theoretische Uberlegungen fiihren zu dem SchluD, daB fiir die genannten Produktverhatnisse die konformativen freien Energieinhalte der zu den Produkten fiihrenden UbergangszustHnde 2” und 3* verantwortlich sind. Diese ‘Uberlegungen werden dadurch best%&, da13 die aus bekannten partiellen Wechsel- wirkungsenergien rechnerisch ermittelten Energiedifferenzen zwischen 2” und 3* mit den aus den Produktverhgltnissen 6-Glykopyranosidsulfonsauren zu Sulfoacetat sich ergebenden Energiedifferenzen iibereinstimmen.

*Teil I: J. Lebmann und W. Weckerle (Zit. 1).

Carbohyd. Res., 22 (1972) 317-324

318 J. LEHMANN, W. WECKJZRLE

EINFihIRUNG

Bei der radikalischen Addition von Hydrogensulfit-35S an fiinf verschiedene Methyl-hex-5enopyranoside in wgssriger Liisung treten neben den zu erwartenden 35S-markierten 5-epimeren 6-(Methyl-6-desoxy-glykopyranosid)sulfonaten’ (2) kleine und von Fall zu Fall variierende Mengen an Sulfoacetat-35S auf. Die Menge an entstandenem Sulfoacetat scheint dabei umgekehrt proportional dem konformativen freien Energieinhalt2 des zugrunde liegenden Glykopyranosidsystems (6-10) zu

sein. Der Mechanismus der oxidativen Abbaureaktion und die quantitativen Zusam-

menhange zwischen Abbaurate und konformativer Stabilitat der beteiligten Glyko- pyranosidsysteme werden diskutiert. Die quantitative Bestimmung des bei den Additionsreaktionen an die Methyl-hex-S-enopyranoside entstehenden Sulfoacetats- 3 5S sowie der G-Glykopyranosidsulfonate -35S erweist sich als eine MSglichkeit, konformative Wechselwirkungsenergien in Glykopyranosiden zu ermitteln.

DISKUSSION

Der beobachtete oxidative Abbau des Glykopyranosidgeriists bei der radika- lischen Addition von Hydrogensulfit3 an Hex-9enopyranoside unter Bildung von Sulfoacetat als Nebenprodukt beruht zweifellos auf einer Reaktion der entsprechen-

CH2

b

CH$Q;

OMe ‘so; ~ BoMe H*SO,_ HeoMe + Fso;

a 2

OPle - -O’:S-CH2--C02H

+

3 4 Abbauprodukte

den Intermedigrradikale 1 mit Sauerstoff (Weg b)_ Die entstehenden Peroxy-Radikale 3 kijnnen mit Hydrogensulfit Hydroperoxide 4 bilden, die dann spontan in Sulfoacetat und nicht isolierte Abbauprodukte zerfallen 3. Obwohl ein Hydroperoxid 4 nicht nachgewiesen werden konnte, leitet sich dessen Existenz aus der Reaktion selbst und aus analogen Reaktionen 4*5 ab. Dieser hypothetische Reaktionsweg wird auflerdem durch den indirekten Nachweis einer Zwischenstufe 5 gestiitzt. In Gegenwart von Natriumborhydrid, das vor oder unmittelbar nach Zusatz von HydrogensuIfit-3 ‘S in die ReaktionslSsung gegeben wurde, entstand an Stelle von Sulfoacetat-35 S 2-Hydroxygthansulfonsgure- 35S, die durch Cokristallisation mit authentischer Sub- stanz eindeutig als Abbauprodukt identifiziert werden konnte. Wurde Natrium-

Curbohyd. Res., 22 (1972) 317-324

ZUCKERSuLFoNSiiuREN. TEE II 319

4 5

HO-Cl+-CH,-*SO;

+ Nebenprodukte

cH.pso; I + Abbaupmdukte CO_+

borhydrid erst nach Igingerer Reaktionszeit (15 Min) der Reaktionslijsung zugesetzt, so konnte in gewohnter Weise Sulfoacetat-’ 5 S nachgewiesen werden. Dieses Ergebnis weist auf das intermediare Auftreten eines Esteracetals 5 hin, das durch Natrium- borhydrid iiber die Stufe eines Sulfoacetaldehyd-hemiacetals-3 5S zu 2-Hydroxy- athansulfonsZure-35S reduziert wird.

Das unterschiedhche AusmaD der Sulfoacetatbildung bei der Reaktion der konfigurativ verschiedenen Methyl-hex-5-enopyranoside 6-10 mit Hydrogensulfit unter gleichen Reaktionsbedingungen ist offenbar auf die unterschiedlichen konfor-

::$c&_owH* ewe Om OMe

6 7 6 9 70

mativen Verhgltnisse zuriickzufiihren. Nach dem Curtin-Hammett’schen Prinzip6 richtet sich das Verhgltnis der 35S-markierten Produkte, 6-Glykopyranosid-sulfon- saure 2 einerseits (Weg a) und Snlfoacetat andererseits (Weg b), nach den relativen Energieinhalten der ‘ilrbergangszustande 2* und 3*. Die relativen Energieinhalte von 2’ und 3* Iassen sich fur jedes der untersuchten Pyranosidsysteme aus den bekannten partiellen Wechselwirkungsenergien * der tiblichen Substituenten am

Hexopyranosering (Tab. I) unter Beriicksichtigung des anomeren Effekts7 berech- nen’e2. Dabei werden folgende vereinfachende Annahmen gemacht: 1. Als Grundlage fiir die Berechnung der relativen Energieinhalte dient sowohl bei 2* als such bei 3” die jeweils konformativ stabilste (z. B. 2:) von vier miiglichen Formen (z. B. 2,‘,

*Gemeint ist die nichtbindende Wechselwirkungsenergie, wobei die stabilisierenden Betrlge negatives, die destabilisierenden positives Vorzeichen haben.

Curbuhyd. Res., 22 (1972) 317-324

s s e T

AB

EL

LE

I ifi

y

PA

RT

IEL

LE

WE

CH

S~L

WIR

KU

NG

SE

NE

RG

ICN

’ Z

WIS

CH

EN

S

UD

ST

lTlJ

@N

TE

N A

M H

EX

OD

YR

AN

OS

ER

ING

b

g Su

bs/it

uent

en+

a

-O-

e -o

- a

-CH

2-

il -o

- c

-o-

4 (H

ydro

xy)

(Hyd

roxy

) (M

ethy

l, H

ydro

xym

ethy

l, Su

l/bnr

etlly

l)c

(Mef

hoxy

) (M

etlio

xy)

a-H

a

-0-

(Hyd

roxy

) e

-0-

(Hyd

roxy

) e

-CJ&

- (M

ethy

l, Hyd

roxy

met

hyl,

Sulf

omet

hyl)

c a

-0 (

Pero

xy)

a H

(H

ydro

gens

ulfi

t)

0,45

6 O

,!P

0,45

e 1,

5d

0,35

d 2,

5d

2,X

’ 0,

7c

0,35

d 0,

356

0,45

d 0,

7c

0,78

0,

45”

0,45

d I,

5 0,

35

195

0,45

0,

45

‘In

kcal

/Mol

, bFt

ir d

en a

nom

eren

Eff

ekt lb

7 der

Met

hoxp

Gru

ppe

sind

folg

ende

Wer

te z

u be

ticks

icht

igen

und

zu

der

Sum

me

der p

artic

llen W

echs

elw

ir-

kung

sene

rgie

n zu

addi

cren

: ax

iale

Met

hoxy

-Gru

ppe/

axia

lc H

ydro

xy-G

rupp

e am

Koh

lens

toff

atom

2:-

0,7

5; a

xial

e M

etho

xy#q

uato

rial

e H

ydro

xy-

Gru

ppe:

-0,

53;

aqua

tori

ale

Mct

hoxy

-bqu

ator

iale

Hyd

roxy

-Gru

ppc:

fO

,53;

aq

uato

rial

e M

etho

xy-/

axia

le H

ydro

xy-G

rupp

c: i-

O,7

5 (i

n kc

al/M

ol).

9

CA

ussc

hlag

gebe

nd

fiir

die

Grl

lDe e

iner

par

tiellc

n W

echs

elw

irku

ng ist d

as a

n de

n H

exop

yran

oser

ing g

ebun

dcne

Ato

m. D

urch

den

.iso

liere

nden

” E

ffek

t di

eses

Ato

ms s

piel

en d

ie d

aran

geb

unde

nen A

tom

e od

cr A

tom

grup

pen n

ur n

och

eine

unt

erge

ordn

ete R

olle

; z. B

. wir

d ei

ne H

ydro

xym

ethy

l. dc

r Met

hyl-

E

Gru

ppe

glei

chge

setz

P. di

X. 2

. eZ

it. 1

.

I ”

TA

BE

LL

E I

I ;4

EXPERIMENTELLBESTIMMTI?

UND BERBCHNBTE DIIYERENZEN

DE

R K

ON

FO

RM

AT

IVE

N FRBlENBNERGIEINHALTEDERZUADDITIONS-BZW.

8

A~A~PR~D~KTFE~HRENDEN~BER~AN~s~USTANDE

ta

Alr

sgar

tgsv

erbi

ndrr

r R

eakt

ions

prod

lrkt

d D

iffer

ctrz

en d

er J’

reie

n E

nerg

ie ia

kca

l/Mol

V

erlr

iiltn

is vo

n G

lyko

sids

rrlfo

nat

zli S

ulfo

acet

at

expe

rinr

etit

elP

be

rech

et

Met

hyl&

deso

xy-a

-D-x

yfo-

hex&

enop

yran

osid

1 L

(6)

1047

:15

2,50

I,

85

- M

ethy

l-6-

deso

xy-b

-D-x

yxyl

o-he

x-S-

enop

yran

osid

I ’ (

7)

lO7:

77

I,30

I,

25

Met

hyl-

6-de

soxy

-/I+

araE

~o-h

ex-5

-eno

pyrs

nosi

d 1

(8)

778:

51

I,55

I,

50

Met

hyl-

6-de

soxy

-a-L

-ara

blao

-hex

-5.e

nopy

rsno

sid’

(9

) 48

0:10

6 0,

90

0,90

M

ethy

l-6-

deso

xy-a

-D-l

yxo-

hex-

5-en

opyr

anos

id3 (10)

1111

:20

2,4O

1,

85

‘Mit

35S

mar

kier

t; di

e Pr

oduk

tver

hitlt

niss

e w

urde

n du

rch

Aus

plan

imet

rier

en

der

Ztih

lerd

iagr

amm

e er

halte

n.

*Str

euun

g de

r ex

peri

men

telle

n W

erte

bei

dr

ei V

ersu

chsr

eihe

n m

axim

al 4

%.

322 J. LEHMANN, W. WEClERJX

2b*

2b+, 2,’ und 2,‘), da sie bei den untersuchten Pyranosidsystemen fiir den Energieinbalt der Gleichgewichtsgemische aus allen vier Formen weitgehend reprgsentativ ist. 2. Die Wechselwirkung von Wasserstoff untereinander sowie 1,2-gaztche-Wechselwir- kungen unter Beteiligung eines Wasserstoffatoms werden vernachl%sigt2. 3. Die Wechselwirkung des eintretenden Sauerstoff-Diradikals im Ubergangszustand 3*

- mit anderen Substituenten wird der einer Hydroxy-Gruppe’ gleichgesetzt. Lediglich die 1,3-diaxiale Wechselwirkung mit der glykosidischen Methoxy-Gruppe wird wie eine entsprechende I ,3-diaxiale 0-0-Wechselwirkung zweier Hydroxy-Gruppen behandelt*. 4. Die Wechselwirkung des eintretenden Hydrogensulfit-Tons im Uber- gangszustand 2* wird der eines Wasserstoffatoms’ *’ am Pyranosering gleichgesetzt (Tab. I).

Die partiellen Wechselwirkungsenergien (Tab. I) und die entsprechenden Werte

fiir den anomeren Effekt werden summiert und ergeben die konformativen freien Energieinhalte der jeweiligen Oberganszustsnde 2” und 3”. Die daraus gebildeten Energiedifferenzen sind in Tabelle II wiedergegeben.

Experimentell wird nach chromatograpbischer Auftrennung sowohl die Menge an gebildetem Sulfoacetat- 35S als such an 6-Glykopyranosidsulfonsgure-3 ‘S fiir jeden Reaktionsansatz bestimmt. Das auf diese Weise ermittelte Produktverhgltnis reprgsentiert nach dem Curtin-Hammett’schen Prinzip die Energiedifferenz zwischen

den Ubergangszustgnden 2’ und 3”. Diese experimentell bestimmten Energiedifferen- zen sind in Tabelle II den entsprechenden Werten gegeniibergestellt, die aus den partiellen Wechselwirkungsenergien errechnet wurden. Die gute qualitative und in drei FBllen such quantitative Ubereinstimmung der MeBergebnisse mit den berech- neten Werten bestgtigt die Giiltigkeit der bisher auf andere Weise bestimmten partiellen Wechselwirkungsenergien lp2 fiir Substituenten am Hexopyranosering.

Unter Umstgnden 15f3t sich die beschriebene Methode zur Ermittlung bisher unbekannter partieller Wechselwirkungsenergien verwenden. Versuche mit substi- tuierten Methyl-hex-5enopyraosiden sind zu diesem Zweck geplant.

EXPERIMENTELLER TEIL

Papierchromatographie. - Papierchromatogramme wurden absteigend auf Whatman Nr_ 1-Chromatographiepapier mit M w&srigem Ammoniumacetat-AthanoI

*Aufgrund starker Dipol-Dipol-AbstoI3ung ist die 1,3-diaxiale Wechselwirkung nvischen einer Hydroxy- und der glykosidischen Methoxy-Gruppe relativ groB 1 : dieser Faktor fXIt hier weg. da zwischen eintretendem SauerstotT-Diradikal und Kohlenstoffatom 5 im Ubergangszustand 3’ vorerst kein oder nur ein kleines Dipohnoment besteht.

Curbof@. Res., 22 (1972) 317-324

ZUCKEEWLFONS;iuREN. TEIL II 323

(3:7, v/v) angefertigt. Unmarkierte Glykosidderivate wurden mit PerjodatlZjsung- Fuchsinschwefliger Sgures entwickelt, Sulfoacetat und 2-Hydroxygthansulfons$iure (2) mit Silbemitrat-Phenol’ sichtbar gemacht. Markierte Substanzen wurden mit Hilfe eines fensterlosen ZBhlgergts (Packard Radiochromatogram Scanner, Model 7200) lokalisiert oder mit Kodak-RGntgenfilmen (blauempfindlich, einfach beschich- tet) autoradiographiert-

Identifizierung der 35S-mnarkierten Verbindungen. - Die 6-Glykopyianosid- sulfons8uren wurden wie friiher beschrieben’ identifjziert. Sulfoacetat-35S und 2-Hydroxy%thansulFonsgure-35S wurden durch Cochromatographie und Cokristal- lisation mit den authentischen Verbindungen* identifiziert. Die Aktivitst der Kristal- lisate wurde durch Fliissigkeitsscintillationsz~hlung (Nuclear Chicago Liquid Scintil- lation System, 720 Series) bestimmt.

Addition von Hydrogensulfit-3 ‘S an die Meth&hex-5enopyranoside 6-10. -

Methyl-2,3,4-tri-0-acety!-6-desoxy-cc- und -P-D-q&hex-5-enopyranosid” (per- acetyliertes 6 und 7), Methyl-2,3,4-tri-O-acetyl-6-desoxy+ und -u-L-arabino-hex-5

enopyranosid’ (peracetyliertes 8 und 9) sowie Methyl-2,3,4-tri-O-acetyl-6-desoxy- cc-D-lyxo-hex-5-enopyranosid3 (p eracetyliertes 10) (je 10 mg) wurden mit 20m&l Natriummethylat-LBsung (200 ill) entacetyliert. Nach Entfernen des Lijsungsmittels im Vakuum bei Raumtemperatur wurden die Proben mit einer 2%-igen wHssrigen LGsung von Natriumhydrogensulfit- 3 5 S (Radiochemical Centre, Amersham; spez. Aktivitat 2,3 mCi/mMol; 200 ~1) versetzt und wahrend 2 h bei Raumtemperatur stehen gelassen. Die Additionsprodukte wurden wie im vorhergehenden Abschnitt be- schrieben identifiziert. Zur quantitativen Bestimmung der Produktverhgltnisse wurden je 10 ,uI der Reaktionslijsungen auf Papier aufgetragen, zweidimensional chromatographiert, die Radioaktivitat durch Autoradiographie Iokalisiert und mit einem fensterlosen Zghlgergt gemessen. Die sich ergebenden Diagramme wurden zur quantitativen Auswertung planimetriert. Die Produktverhgltnisse sind in Tabelle II wiedergegeben.

Addition von HpfrogensuIfit-35S an 9 unter Zug&e von NatrimnborhphYd. -

Methyl-2,3,4-tri-O-acetyl-6-desoxy-u-L-ar~birro-hex-5-enopyranosid (peracetyliertes 9) (3 x 10 mg) wurde wie im vorhergehenden Abschnitt beschrieben entacetyliert und eingeengt. Vor und unmittelbar nach Zusatz von wsssriger Hydrogensulfit-3 ‘S- LGsung, zur dritten Probe erst nach I5 Min Reaktionszeit, wurde ein irberschul3 von Natriumborhydrid zugegeben. Je 10 ~1 der Reaktionsl6sungen wurden auf Papier aufgetragen und chromatographiert. Bei den beiden ersten Proben konnte 2-Hydroxy- BthansulfonsHure-3 “S, bei der dritten Sulfoacetat-3 5S nachgewiesen werden.

DANK

Der Deutschen Forschungsgemeinschaft dankt J. L. fiir eine Sachbeihilfe, W. W. fiir eine Personalhilfe.

*Sulfoessigslure von Eastman Organic Chemicals, New York, N. Y. und Zit. 10.

Carbohyd. Res., 22 (1972) 317-324

1 J. LEHMAN UND W. WECKERLE, Carbohya. Res., 22 (1972) 23. 2 S. J. AXGYAL, dust_ J. Chem., 21 (1968) 2737; Angelo. Chem., 81 (1969) 172. 3 J. LEH~IANN urrn A. A. BENSON, J. Amer. Chem. Sot., 86 (1964) 4469. 4 M. S. KHARAXH, W. NUDENBERG UND G. B. MANTELL, J. Org. Chem., 16 (1951) 524. 5 R. M. KELLOG, in E. S. HUYSER (Ed.), Methods in Free-Radical Chemistry, Vol. II, Marcel Dekker,

New York, 1969, S. 78 ff; A. A. OSWALD UND T. J. WALLACE, in N. KHARASCH (Ed.), Organic Sulfur Compounds, Vol. 2, Pergamon, Oxford, 1961; S. 217 ff, C. WALLING, Free Radicals in Solution, Wiley, New York, 1957, Kap. 7 und 9.

6 E. L. ELN, Stereochemie der Kohlenstofierbindungen, Verlag Chemie, Weinheim, 1966, S. 177 ff und 289 ff.

7 E. L. ELTEL, N. L. ALLMGF.R, S. J. AE~GYAZ. UND G. A. MORRISON, Conformational Analysis, Wiley, New York, 1965, Kap. 6.

8 J. G. BUCHANAN, C. A. DEKKER UND A. G. LOXG, J. Chem. Sot., (1950) 3162. 9 M. HAIS UND K. MACEK, Handbuch der Papierchromatographie, Vol. 7, Gustav Fischer, Jena,

19511, s. 739. 10 W. M. LAUER UND A. HILL, J. Amer. Chem. Sot-., 58, (1936) 1873. 11 B. HELF~UCH UND E. HIMMEN, Ber., 61 (1928) 1825.

Carbohyd. Res., 22 (1972) 3 17-324