Главная страница
qrcode

углеводы сохранилось еще с тех времен, когда строение этих соединений было неизвестно, но был установлен их состав, отвечающий общей формуле


Скачать 34.26 Mb.
Названиеуглеводы сохранилось еще с тех времен, когда строение этих соединений было неизвестно, но был установлен их состав, отвечающий общей формуле
Дата24.03.2020
Размер34.26 Mb.
Формат файлаpdf
Имя файлаUGLEVODY.pdf
оригинальный pdf просмотр
ТипДокументы
#68405
Каталог

Состав, строение и свойства.
Углеводы
Моносахариды — это углеводы, которые не гидролизуются с образованием более простых углеводов. В молекулах моносахаридов может содержаться от четырех до десяти атомов углерода. По числу атомов углерода в молекуле моносахариды делят на отдельные группы. Их названия образуют от соответствующих греческих числительных с добавлением окончания -озы: тетрозы, пентозы, гексозы ит. д.
Наибольшее значение имеют гексозы C6H12O6 и пентозы C5H10O5. Среди моносахаридов наиболее важны глюкоза п фруктоза.
Моносахариды
Ещё одни бифункциональные органические соединения - углеводы.
Они составляют основную массу органических веществ нашей планеты.
К углеводам относятся различные сахаристые вещества (глюкоза, фруктоза, сахароза), крахмал, клетчатка.
Название
«углеводы» сохранилось еще с тех времен, когда строение этих соединений было неизвестно, но был установлен их состав, отвечающий общей формуле
Cn(H2O)m, где п,т> 3.
В этой формуле углеводы предстают как соединения углерода с водой —
«углеводы». Состав большинства углеводов отвечает этой формуле.
В зависимости от строения углеводы подразделяют на моносахариды, дисахариды (олигосахариды) и полисахариды.
Углеводы
Глюкоза (от греч. glykys — сладкий) — это бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, сладкое на вкус. Она содержится в соке винограда, поэтому ее называют виноградным сахаром (а ещё в фруктах, ягодах и меде) .
Состав глюкозы C6H12O6.
Состав и строение молекулы глюкозы
ВАЖНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ ПРО ГЛЮКОЗУ
1 2
3 4
При восстановлении глюкозы образуется сорбит. Это говорит о том, что в основе скелета молекулы находится неразветвленная углеродная цепь.
Водный раствор глюкозы нейтральный (не изменяет окраску индикаторов), она не образует солей. Следовательно, молекула глюкозы не содержит карбоксильную группу.
Глюкоза дает реакцию «серебряного зеркала», что говорит о наличии альдегидной группы в ее молекуле.
Получен сложный эфир глюкозы, в молекуле которого содержатся пять остатков уксусной кислоты, что доказывает присутствие в ее молекуле пяти гидроксильных групп.
Исходя из этого, установили, что глюкоза выглядит вот так
То есть глюкоза — это альдегидоспирт (ещё говорят альдоза).
Молекулы глюкозы могут существовать не только в линейной, но и в циклической форме. Линейные молекулы глюкозы, как и других органических веществ, вследствие вращения групп атомов вокруг простых связей C-C могут быть изогнуты в пространстве таким образом, что гидроксильная группа при пятом атоме углерода сблизится с атомом кислорода альдегидной группы, находящейся на противоположном конце молекулы:
Функциональные группы — спиртовая (-ОН) и карбонильная (С=0) — взаимодействуют между собой. Возникает новая форма молекулы — шестичленный кислородсодержащий цикл, в котором альдегидная группа отсутствует.
Образовавшуюся гидроксильную группу, связанную с атомом C1 называют гликозидным гидроксилом. Он может по-разному располагаться в пространстве. Это приводит к существованию двух циклических форм глюкозы. В α-форме глюкозы гликозидный гидроксил и группа CH2OH при пятом атоме углерода находятся по разные стороны от плоскости кольца, в β-форме глюкозы эти группы находятся по одну сторону от плоскости кольца:
В кристаллической глюкозе молекулы находятся в одной из двух циклических форм. В водных растворах они существуют в трех формах, при этом содержание альдегидной формы незначительно — сотые доли процента. Этим объясняется тот факт, что глюкоза не вступает в некоторые реакции, свойственные альдегидам. Из двух циклических форм в растворе преобладает β-форма (

65%). Альдегидная и циклические формы находятся в равновесии друг с другом, Превращение α-формы в
β-форму и обратно осуществляется через альдегидную форму.
Химичечкие свойства глюкозы
Глюкоза — бифункциональное соединение, для которого характерны свойства альдегидов и многоатомных спиртов, а также ряд специфических свойств
1
Реакции с участием альдегидной группы
В эти реакции вступает альдегидная форма глюкозы.
Реакции окисления (качественные реакции).
Глюкоза как альдегид обладает восстановительными свойствами и реагирует с аммиачным раствором оксида серебра (реакция «серебряного зеркала»), окисляясь при этом в соль глюконовой кислоты:
Аналогично протекает окисление глюкозы свежеприготовленным гидроксидом меди(II) при нагревании:
Глюкоза взаимодействует с бромной водой:
Также, глюкоза может реагировать и с хлорной водой (точно такой же принцип, что и с бромной, спрашивают гораздо реже)
2
Восстановление можно проводить либо водородом в присутствии Ni, Pt, Pd, либо боргидратом натрия NaBH4.
Сорбит — исходное вещество для промышленного синтеза витамина С, он служит заменителем сахара для больных сахарным диабетом. В растворах все формы глюкозы находятся в динамическом равновесии друг с другом, поэтому в зависимости от условий реакции и природы реагентов в реакцию может вступать либо линейная, либо циклическая форма.
Под действием водорода в присутствии катализатора альдегидная группа глюкозы восстанавливается в спиртовую группу, образуется шестиатомный спирт — сорбит:
Реакция восстановления.
Также возможно окисление глюкозы более сильным окислителем, например, разбавленной азотной кислотой. В этом случае окисляется не только альдегидная группа, но и первичная спиртовая группа, в результате чего образуется двухосновная глюкаровая кислота
Ту также альдегидная группа превращается в карбоксильную и образуется глюконовая кислота
1 2
При взаимодействии глюкозы с уксусным ангидридом или хлорангидридом уксусной кислоты получают сложный эфир — пентаацетилглюкозу:
Реакция этерификации
Глюкоза как многоатомный спирт реагирует со свежеприготовленным гидроксидом меди(П) без нагревания (на холоду), образуя комплексное соединение ярко-синего цвета. Эту реакцию используют для обнаружения сахара в моче. Она является качественной реакцией на глюкозу.
Взаимодействие с гидроксидом меди(II)
Свойства многоатомного спирта характерны для циклической формы глюкозы
Реакции с участием гидроксильных групп
3
В остальных гидроксильных группах водород можно заменить на СН3-группу только под действием более энергичных реагентов, например йодметана
Эти реакции легко протекают за счет гликозидного гидроксила. Он отличается от остальных гидроксильных групп своей реакционной способностью. При действии на глюкозу метилового спирта в присутствии хлороводорода в реакцию вступает только гликозидный гидроксил, и образуется простой эфир глюкозы и метанола (глюкозид):
Образование простых эфиров.
4
В природе глюкоза образуется в процессе фотосинтеза, протекающего под действием энергии солнца в зеленых растениях
Специфические свойства глюкозы
Под действием биологических катализаторов — ферментов, вырабатываемых микроорганизмами, молекулы глюкозы подвергаются расщеплению. Эту реакцию называют брожением. В зависимости от природы фермента различают спиртовое, молочнокислое, маслянокислое брожение и т. д. Название процесса определяется конечным продуктом реакции. Так, под влиянием ферментов дрожжей происходит спиртовое брожение, используемое в виноделии, пивоварении:
Молочнокислое брожение протекает под действием ферментов, которые вырабатывают молочнокислые бактерии:
Эта реакция лежит в основе производства кисломолочных продуктов
Возможно и маслянокислое брожение:
ПОЛУЧЕНИЕ, ПРИМЕНЕНИЕ И РОЛЬ ГЛЮКОЗЫ
В живых организмах примерно 70% глюкозы подвергается окислению кислородом воздуха (реакция обратна процессу фотосинтеза):
В промышленности глюкозу получают гидролизом крахмала и целлюлозы.
Фруктоза
Фруктоза (фруктовый сахар) имеет такую же, как и глюкоза, молекулярную формулу C6H12O6, но отличается строением.
При этом фруктоза — кетоноспирт (кетоза), является структурным изомером глюкозы:
Подобно глюкозе, фруктоза может существовать в линейной и циклических формах (α- или β-), но, в отличие от глюкозы, ее цикл является пятичленным. В водных растворах разные формы фруктозы находятся в равновесии друг с другом.
Фруктоза — кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, в три раза слаще глюкозы. В свободном виде содержится в ягодах и фруктах. Пчелиный мед представляет собой смесь глюкозы и фруктозы.
Фруктоза обладает химическими свойствами многоатомных спиртов и кетонов.
Как многоатомный спирт фруктоза дает ярко-синее окрашивание с гидроксидом меди(II) без нагревания, образует простые и сложные эфиры. А при восстановлении карбонильной группы образуется шестиатомный спирт.
НО!
В отличие от глюкозы фруктоза не окисляется аммиачным раствором оксида серебра (не дает реакции «серебряного зеркала») и не реагирует с бромной водой.
Дисахариды
Сахароза представляет собой дисахарид, молекула которого состоит из остатков молекул двух моносахаридов — α-глюкозы и
βфруктозы, соединенных между собой атомом кислорода.
Молекулы глюкозы и фруктозы соединяются за счет двух гликозидных гидроксилов, при этом образуется гликозидная связь С-О-С
Дисахариды — углеводы, при гидролизе которых из одной молекулы образуются две молекулы моносахаридов.
Стоит заметить, что углеводороды, содержащие небольшое количество остатков моносахаридов (от 2 до 10), называют олигосахаридами. Они составляют промежуточную группу между моно- и полисахаридами. И вот простейшие олигосахариды, содержащие два остатка – это и есть как раз таки дисахариды.
Они широко распространены в природе: содержатся во фруктах н овощах.
Наиболее важными дисахаридами являются сахароза, мальтоза н лактоза.
Общая формула дисахаридов С12Н22О11
Процесс образования молекул этих углеводов можно представить как конденсацию двух циклических молекул моносахаридов, подобную образованию простых зфиров из спиртов с отщеплением молекулы воды от двух гидроксильных групп
R-OH + HO-R1 → R-O-R1 + H2O
Строение молекулы сахарозы
Сахароза представляет собой кристаллическое вещество сладкого вкуса
(более сладкое, чем глюкоза), хорошо растворимое в воде (в холодной — медленно, в горячей — быстро). При нагревании она буреет, разлагаясь с выделением воды и превращаясь в смесь аморфных веществ — карамель.
Молекулы сахарозы не содержат альдегидные группы, поэтому она не вступает в реакцию «серебряного зеркала» и не восстанавливает гидроксид меди(II). Она проявляет свойства многоатомных спиртов. Так, при взаимодействии с гидроксидом меди(П) без нагревания образуется яркосиний раствор.
Физика и химия сахарозы.
Поскольку в образовавшейся молекуле сахарозы отсутствует гликозидный гидроксил, то она не может переходить в альдегидную форму и давать реакции, характерные для альдегидов.
Мальтоза и лактоза
Мальтоза — изомер сахарозы. Ее молекула образуется за счет взаимодействия гликозидного гидроксила одной молекулы глюкозы и спиртового гидроксила, находящегося у четвертого атома углерода другой молекулы:
Для сахарозы, как и для других дисахаридов, характерна реакция гидролиза в кислотной среде. При нагревании в присутствии минеральной кислоты связь между двумя циклами разрывается и образуются глюкоза и фруктоза
Эту реакцию называют инверсией сахарозы, а полученную смесь — инвертным сахаром (искусственным медом)
Поскольку в молекуле присутствует гликозидный гидроксил,то мальтоза, как и глюкоза, может существовать как в α-, так и в β-форме, которые в растворе находятся в равновесии с альдегидной формой. Вследствие этого мальтоза, в отличие от сахарозы, дает качественные реакции на альдегидную группу, например реакцию «серебряного зеркала».
Полисахариды
Полисахариды — это природные высокомолекулярные углеводы, молекулы которых содержат сотни и тысячи остатков моносахаридов.
То есть, Полисахариды можно рассматривать как продукты поликонденсации моносахаридов. В их молекулах остатки моносахаридов связаны за счет гликозидного гидроксила одной молекулы и спиртового гидроксила другой гликозидными связями.
Наибольшее значение из полисахаридов имеют крахмал, гликоген (животный крахмал), клетчатка (целлюлоза). Все эти полисахариды состоят из остатков циклических молекул глюкозы, различным образом соединенных друг с другом. Их состав выражается общей формулой
[C6H10O5]n
В отличие от моно- и дисахаридов, полисахариды не обладают сладким вкусом, нерастворимы в воде.
В свободном виде мальтоза содержится во многих растениях, особенно в прорастающем ячмене (солоде), отсюда название — солодовый сахар.
Получают мальтозу из крахмала.
Лактоза содержится в молоке, поэтому ее называют молочным сахаром
При кислотном гидролизе мальтоза образует только глюкозу:
Крахмал
Крахмал имеет растительное происхождение, представляет собой смесь двух полисахаридов, различающихся числом структурных звеньев и строением: амилозы, молекулы которой имеют линейное строение и состоят примерно из
200 структурных звеньев(примерно 20-30 % состава крахмала), и амилопектина, который имеет разветвленное строение, а число структурных звеньев в его молекулах равно нескольким тысячам (из него крахмал состоит
на 70-80%)
Крахмал представляет собой аморфный порошок белого цвета, нерастворимый в холодной воде. В горячей воде он набухает, образуя коллоидный раствор — клейстер.
Крахмал, как и сахароза, не дает реакцию «серебряного зеркала» н не восстанавливает гидроксид меди(П).
Поскольку крахмал является высокомолекулярным многоатомным спиртом, он может образовывать простые и сложные эфиры, которые, правда, не имеют практического значения.
C раствором йода крахмал образует комплексное соединение синего цвета
— это качественная реакция на крахмал.
Крахмал сравнительно легко подвергается гидролизу, который протекает ступенчато. Сначала образуются обрывки цепей меньшей длины — декстрины, затем изомер сахарозы — мальтоза и далее конечный продукт
— глюкоза:
ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Крахмал широко распространен в природе. Он является одним из продуктов фотосинтеза. Часть глюкозы, образующейся в зеленых растениях при фотосинтезе, превращается в крахмал. В общем виде реакция выглядит так:
Более подробно:
Гликоген – животный аналог крахмала. По строению он похож на амилопектин, но имеет более разветвленное строение.
Средняя молекулярная масса гликогена может достигать ста миллионов.
Гликоген гидролизуется значительно легче, чем крахмал: в кислотной среде гликоген количественно разлагается до глюкозы.
Суммарно это можно записать так:
Эта реакция используется для получения глюкозы в промышленности по сей день. В качестве катализатора тут используется серная кислота.
ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ КРАХМАЛА
Получают крахмал из клубней картофеля или из кукурузы и риса.
ГЛИКОГЕН
Целлюлоза
Целлюлоза (клетчатка), - основное вещество растительных клеток. Как и крахмал, является природным полимером, полисахаридом, состоящим из остатков циклических молекул глюкозы. Эти вещества имеют одинаковую молекулярную формулу [C6H10O5]n.
Но молекулы целлюлозы в отличие от молекул крахмала: содержат большее число структурных звеньев (остатков глюкозы) — до 40 тысяч; относительная молекулярная масса целлюлозы достигает нескольких миллионов; имеют только линейную структуру (вид нитей) соединены между собой водородными связями, в образовании которых участвуют гидроксильные группы остатков глюкозы, что обеспечивает высокую механическую прочность целлюлозы; построены из остатков β-глюкозы, которые соединены между собой гликозидными связями через первый и четвертый атомы углерода
Физические и химические свойства целлюлозы
Эту реакцию используют в промышленности; полученную глюкозу далее сбраживают в спирт.
По химическим свойствам целлюлоза – многоатомный спирт.
В макромолекуле целлюлозы каждое элементарное звено C6H10O5 содержит три гидроксильные группы:
Различие в строении макромолекул крахмала и целлюлозы обусловливает некоторое различие их физических и химических свойств. Целлюлоза — твердое волокнистое вещество белого или серого цвета, нерастворимое в воде и обычных органических растворителях.
Химия целлюлозы
Целлюлоза растворима в аммиачном растворе гидроксида меди (II)
(реактиве Швейцера)
• Гидролиз.
В отличие от крахмала, целлюлоза гидролизуется в более жестких условиях (длительное нагревание с концентрированной серной кислотой).
Конечным продуктом гидролиза является глюкоза:
• Реакции этерификации.
Все нитраты целлюлозы горючи и взрывоопасны. Особенно – тринитрат
(техническое название пироксилин)
При обработке эфиром пироксилин превращается в желеобразную массу, из которой после испарения растворителя получают бездымный порох)
При обработке целлюлозы уксусной кислотой или уксусным ангидридом (это более сильное этерифицирующее средство, чем уксусная кислота) в присутствии серной кислоты получают диацетат и триацетат целлюлозы:
Поэтому как многоатомный спирт целлюлоза образует сложные эфиры, из них большое практическое значение имеют нитраты и ацетаты целлюлозы. При взаимодействии целлюлозы с азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты в зависимости от условий в реакцию этерификации может вступать одна, две или три гидроксильные группы каждого звена молекулы целлюлозы
• Окисление
Целлюлоза горит с образованием оксида углерода(IV) и воды:
Целлюлоза, как и крахмал, не вступает в реакцию «серебряного зеркала».

перейти в каталог файлов


связь с админом