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).
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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-
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+
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-
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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-
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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.
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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