Синтез Килиани–Фишера , названный в честь немецких химиков Генриха Килиани и Эмиля Фишера , представляет собой метод синтеза моносахаридов . Он протекает через синтез и гидролиз циангидрина с последующим восстановлением промежуточной кислоты до альдегида, таким образом удлиняя углеродную цепь альдозы на один атом углерода при сохранении стереохимии на всех ранее присутствующих хиральных углеродах. Новый хиральный углерод производится с обеими стереохимиями, поэтому продукт синтеза Килиани–Фишера представляет собой смесь двух диастереомерных сахаров, называемых эпимерами . Например, D - арабиноза превращается в смесь D - глюкозы и D - маннозы .
Первоначальная версия синтеза Килиани–Фишера протекает через циангидрин и альдоновую кислоту промежуточных лактонов . Первый шаг заключается в реакции исходного сахара с водным цианидом (обычно NaCN); цианид подвергается нуклеофильному присоединению к карбонильной группе сахара (хотя сахара, как правило, существуют в основном в виде циклического полуацеталя , они всегда находятся в химическом равновесии со своими альдегидными или кетонными формами с открытой цепью, и в случае этих альдоз именно эта альдегидная форма реагирует в этом синтезе). Циангидрин, полученный в результате этого присоединения, нагревают в воде, которая гидролизует цианид в карбоксильную кислотную группу , которая быстро реагирует сама с собой, образуя более стабильный лактон . Теперь в реакционной смеси есть два диастереомерных лактона. Их разделяют ( хроматографией , разделением в разные растворители или любым из многочисленных других методов разделения ), а затем желаемый лактон восстанавливают амальгамой натрия . Как показано ниже, D - арабиноза преобразуется в смесь D -глюкононитрила и D -маннонитрила, которая затем преобразуется в D - глюконолактон и D -маннонолактон, разделяется и восстанавливается до D - глюкозы или D - маннозы . Химический выход этим методом оценивается примерно в 30%.
Совсем недавно был разработан улучшенный метод восстановления, который обеспечивает несколько более высокие выходы более крупных сахаров. Вместо превращения циангидрина в лактон, циангидрин восстанавливается водородом , используя палладий на сульфате бария в качестве катализатора и воду в качестве растворителя , чтобы образовать имин . Из-за присутствия воды имин быстро гидролизуется с образованием альдегида, таким образом, конечные сахара производятся всего за два этапа , а не за три. Затем разделение изомеров выполняется на стадии самих сахарных продуктов, а не на промежуточных продуктах лактона. Специальный катализатор необходим, чтобы избежать дальнейшего восстановления альдегидной группы до гидроксильной группы, что дало бы альдит . Эти катализаторы, которые ограничивают гидрирование одним этапом, называются отравленными катализаторами; палладий Линдлара является другим примером. Реакции ниже иллюстрируют этот улучшенный метод превращения L - треозы в L - ликсозу и L - ксилозу .
Оба энантиомера глицеральдегида коммерчески доступны, поэтому можно получить любой стереоизомер альдозы любой длины цепи с помощью соответствующего числа повторных применений синтеза Килиани–Фишера. Триоза D -глицеральдегид ( 1 ) приводит к тетрозам D -эритрозе ( 2a ) и D -треозе ( 2b ). Те приводят к пентозам D -рибозе ( 3a ) и D -арабинозе ( 3b ), а также D -ксилозе ( 3c ) и D -ликсозе ( 3d ) соответственно. Следующая итерация приводит к гексозам D -аллозе ( 4a ) и D -альтрозе ( 4b ), D -глюкозе ( 4c ) и D -маннозе ( 4d ), D -гулозе ( 4e ) и D -идозе ( 4f ), а также D -галактозе ( 4g ) и D -талозе ( 4h ). D - гептозы и далее доступны при продолжении последовательности, а энантиомерная L- серия доступна при начале последовательности с L -глицеральдегида.
На практике синтез Килиани–Фишера обычно используется для производства сахаров, которые трудно или невозможно получить из природных источников. Хотя он и обеспечивает доступ ко всем возможным стереоизомерам любой желаемой альдозы, процесс ограничен его низким выходом и использованием токсичных реагентов. Кроме того, процесс требует наличия запаса предыдущего сахара в серии, что само по себе может потребовать значительной синтетической работы, если он не является легкодоступным. Например, если используются последовательные итерации синтеза Килиани–Фишера, общий выход падает примерно экспоненциально для каждой дополнительной итерации.
Процесс обеспечивает только прямой доступ к альдозам, тогда как некоторые интересующие сахара могут быть кетозами. Некоторые кетозы могут быть доступны из подобных альдоз путем изомеризации через промежуточный энедиол ; например, при стоянии в водной основе глюкоза , фруктоза и манноза будут медленно взаимопревращаться, поскольку они разделяют энедиоловую форму. (См. преобразование Лобри де Брюйна–ван Экенштейна ). Некоторые необычные сахара также доступны через альдольное присоединение .