Текст учебника. Урок 15. Углеводы. Моносахариды

Углеводы. Моносахариды

1. Углеводы, их классификация и значение

Углеводы — это обширная группа природных органических соединений, играющих исключительно важную роль в жизнедеятельности всех организмов. Первоначально считалось, что эти вещества состоят из углерода и воды, что и отражено в их названии. Общая формула многих из них — Cn(H₂O)m. Однако это определение не является строгим и универсальным.

С современной точки зрения, углеводы — это полифункциональные соединения, представляющие собой альдегидо- или кетоноспирты. Они содержат карбонильную группу (альдегидную или кетонную) и несколько гидроксильных групп.

По своей способности к гидролизу углеводы делятся на три основные группы:

• Моносахариды (простые сахара) — не гидролизуются с образованием более простых углеводов. Это основные структурные единицы углеводов. Примеры: глюкоза, фруктоза, рибоза.

• Олигосахариды — при гидролизе расщепляются на 2–10 молекул моносахаридов. Наиболее важны дисахариды (сахароза, лактоза).

• Полисахариды — при полном гидролизе образуют множество молекул моносахаридов (крахмал, целлюлоза, гликоген).

Углеводы выполняют в живых организмах следующие функции:

• Энергетическая (глюкоза — основной источник энергии);

• Структурная (целлюлоза — основа клеточных стенок растений);

• Запасающая (крахмал и гликоген — запас питательных веществ).

2. Глюкоза — важнейший представитель моносахаридов

Глюкоза (C₆H₁₂O₆) — бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, сладкое на вкус. В большом количестве содержится в соке винограда, ягодах, фруктах, а также в крови животных и человека.

Строение глюкозы

Изучение химических свойств глюкозы позволило установить ее строение.

1. Глюкоза вступает в реакцию с карбоновыми кислотами с образованием сложных эфиров. Это доказывает наличие в ее молекуле гидроксильных групп (-OH). При этом образуются сложные эфиры, содержащие до пяти остатков кислоты, что свидетельствует о наличии пяти гидроксильных групп.

2. Глюкоза реагирует с аммиачным раствором оксида серебра (I) (реакция «серебряного зеркала»), что является качественной реакцией на альдегидную группу (-CHO).

Таким образом, молекула глюкозы представляет собой альдегидоспирть — это пентагидроксиальдегид. Ее строение можно отразить следующей линейной формулой:

      O
      ║
    H-C-H₂C-OH
      |
    H-C-OH
      |
    HO-C-H
      |
    H-C-OH
      |
    H₂C-OH

Более точно: 2,3,4,5,6-пентагидроксигексаналь.

В твердом состоянии и в водных растворах глюкоза существует преимущественно в циклических формах (α- и &beta, которые образуются в результате внутримолекулярного взаимодействия альдегидной группы с гидроксильной группой при пятом атоме углерода. Это объясняет отсутствие некоторых типичных для альдегидов свойств в водных растворах.

3. Химические свойства глюкозы

Химические свойства глюкозы обусловлены наличием в ее молекуле альдегидной группы и гидроксильных групп.

Реакции по альдегидной группе

Глюкоза проявляет свойства, характерные для альдегидов.

1. Реакция окисления (качественные реакции)

   • Реакция «серебряного зеркала» (с аммиачным раствором оксида серебра при нагревании):
     CH₂OH-(CHOH)₄-CHO + Ag₂O → CH₂OH-(CHOH)₄-COOH + 2Ag↓
     Глюкоза окисляется до глюконовой кислоты, а на стенках сосуда образуется красивый серебряный налет.

   • Реакция с гидроксидом меди (II) при нагревании:
     CH₂OH-(CHOH)₄-CHO + 2Cu(OH)₂ → CH₂OH-(CHOH)₄-COOH + Cu₂O↓ + 2H₂O
     Синий осадок Cu(OH)₂ при нагревании с глюкозой превращается в красно-кирпичный осадок оксида меди (I) (Cu₂O).

2. Реакция восстановления (гидрирования)
   При каталитическом гидрировании альдегидная группа глюкозы восстанавливается до спиртовой, и образуется шестиатомный спирт сорбит:
   CH₂OH-(CHOH)₄-CHO + H₂ → CH₂OH-(CHOH)₄-CH₂OH

Реакции по гидроксильным группам

Глюкоза проявляет свойства многоатомного спирта.

1. Образение комплексного соединения с гидроксидом меди (II)
   При взаимодействии с свежеосажденным Cu(OH)₂ без нагревания глюкоза, как и другие многоатомные спирты, растворяет его, образуя ярко-синий раствор комплексного соединения — глюконата меди (II):
   2C₆H₁₂O₆ + Cu(OH)₂ → (C₆H₁₁O₆)₂Cu + 2H₂O
   Эта реакция является качественной на многоатомные спирты.

2. Образование сложных эфиров
   Глюкоза способна реагировать с карбоновыми кислотами с образованием сложных эфиров.

Реакции брожения

Эти реакции имеют большое значение в биотехнологии и протекают под действием ферментов микроорганизмов.

• Спиртовое брожение: C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂↑

• Молочнокислое брожение: C₆H₁₂O₆ → 2CH₃-CH(OH)-COOH

4. Фруктоза — изомер глюкозы

Фруктоза (плодовый сахар) — моносахарид, содержащийся в меде, сладких фруктах и нектаре. Молекулярная формула фруктозы, как и глюкозы, — C₆H₁₂O₆.

Однако ее строение отличается. Если глюкоза является альдегидоспиртом (альдозой), то фруктоза — это кетоноспирт (кетоза). Ее молекула содержит кетогруппу (>C=O) у второго атома углерода и пять гидроксильных групп.

    H₂C-OH
     |
    C=O
     |
    HO-C-H
     |
    H-C-OH
     |
    H-C-OH
     |
    H₂C-OH

Фруктоза — это 2,3,4,5,6-пентагидроксигексанон-2.

Таким образом, глюкоза и фруктоза являются межклассовыми изомерами.

Свойства фруктозы:

• Как многоатомный спирт, фруктоза дает интенсивное синее окрашивание с гидроксидом меди (II) (качественная реакция).

• В отличие от глюкозы, она не дает реакцию «серебряного зеркала» в нейтральной или кислой среде, так как не содержит альдегидной группы. Однако в щелочной среде фруктоза может изомеризоваться в глюкозу и тогда вступать в эту реакцию.

• Фруктоза значительно слаще глюкозы.

Выводы

1. Углеводы — обширный класс природных полифункциональных соединений, классифицируемых на моно-, олиго- и полисахариды.

2. Глюкоза — важнейший моносахарид, являющийся пентагидроксиальдегидом (альдегидоспиртом).

3. Химические свойства глюкозы обусловлены наличием альдегидной и гидроксильных групп. Она вступает в реакции окисления, восстановления, этерификации и брожения.

4. Фруктоза является межклассовым изомером глюкозы и представляет собой пентагидроксикетон (кетоноспирт).