Углеводы

Углеводы представляют собой органические вещества, в которых есть карбонильная группа и несколько гидроксильных групп.

Состав большинства углеводов имеет общую формулу C_n(H₂O)_m. Если в стакан поместить сахарную пудру, а затем добавить к ней концентрированную серную кислоту, то через некоторое время смесь темнеет и превращается в такую «чёрную змею», выползающую из стакана. Таким образом, эта «змея» и есть уголь, который вспенился парами воды. В данной реакции концентрированная серная кислота является водоотнимающим веществом. При действии концентрированной серной кислоты на сахарозу образуется углерод и вода:

C₁₂H₂₂O₁₁ → 12C + 11H₂O.

Углеводы по составу делят на 3 группы: моносахариды, дисахариды и полисахариды. Моносахариды гидролизу не подвергаются, дисахариды состоят из двух остатков моносахаридов и подвергаются гидролизу, полисахариды состоят из большого числа моносахаридов и также гидролизуются.

Глюкоза относится к моносахаридам. Она представляет собой бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, сладкое на вкус. Молекулярная формула глюкозы – C₆H₁₂O_6. Её можно также представить как С₆(Н₂О)₆.

Глюкоза одновременно является и многоатомным спиртом, и альдегидом. Подтверждением того, что глюкоза является альдегидоспиртом является тот факт, что во-первых, она хорошо растворима в воде из-за наличия в молекуле гидроксильных групп. Глюкоза, как и многоатомные спирты, вступает в реакцию с гидроксидом меди (II) с образованием ярко-синего раствора. Этот же эффект наблюдается в реакции глицерина с гидроксидом меди (II).

Глюкоза, как и альдегиды, вступает в реакцию «серебряного зеркала», то есть данная реакция доказывает наличие в глюкозе альдегидной группы.

В водном растворе помимо линейной её формы присутствует и циклическая форма. Для перехода глюкозы из линейной в циклическую форму, гидроксил, соединённый с пятым атомом углерода взаимодействует с альдегидной группой. В итоге образуется циклическая форма глюкозы. При циклизации могут образоваться две циклические формы: α- и β, которые различаются между собой пространственным расположением гидроксильной группы у первого атома углерода. В циклической α-форме эта гидроксильная группа находится под циклом, а в циклической β-форме – над циклом. Пространственное расположение остальных заместителей относительно цикла в α- и β-формах глюкозы одинаковое.

Рассмотрим химические свойства глюкозы. По альдегидной группе для глюкозы возможны реакции присоединения водорода – реакции гидрирования. При гидрировании глюкозы образуется шестиатомный спирт – сорбит. В этой реакции разрывается π-связь между атомами углерода и кислорода альдегидной группы. Данная реакция называется ещё реакцией восстановления.

По альдегидной группе идёт также реакция окисления – реакция «серебряного зеркала». При этом альдегидная группа окисляется до карбоксильной. В результате реакции глюкозы с аммиачным раствором оксида серебра (I) образуется глюконовая кислота. Реакция окисления идёт также в реакции глюкозы с гидроксидом меди (II) при нагревании, при этом сначала образуется жёлтый осадок, который затем краснеет. Реакция «серебряного зеркала» и реакция с гидроксидом меди (II) при нагревании являются качественными реакциями на альдегидную группу в глюкозе.

Например, в реакции глюкозы с бромной водой образуется глюконовая кислота и происходит обесцвечивание раствора брома. Поэтому эту реакцию также можно использовать для качественного определения альдегидной группы в глюкозе:

CH₂OH – (CHOH)₄ – CHO + Br₂ + H₂O → CH₂OH – (CHOH)₄ – COOH + 2HBr.

Для глюкозы характерны и специфические реакции, например, спиртовое брожение. Дрожжи обладают способностью преобразовывать глюкозу в этиловый спирт. Этот процесс называется спиртовым брожением. В свою очередь, молочнокислые бактерии обладают способностью преобразовывать глюкозу в молочную кислоту. Этот процесс называется молочнокислым брожением.

В природе глюкоза образуется в зелёных растениях в процессе фотосинтеза.

В промышленности глюкозу получают из целлюлозы и крахмала. Так, в процессе гидролиза крахмала в присутствии серной кислоты получается глюкоза.

Синтез глюкозы из муравьиного альдегида осуществил в 1861 году А. М. Бутлеров.

Фруктоза является моносахаридом, как и глюкоза. Фруктоза представляет собой бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде. Фруктоза слаще глюкозы и входит в состав пчелиного мёда. Так как у фруктозы такая же молекулярная формула, как и у глюкозы, она является изомером глюкозы. Только в молекуле фруктозы, в отличие от глюкозы, имеется кетонная группа, а не альдегидная. Кроме кетонной группы, в молекуле фруктозы содержится пять гидроксильных групп. То есть фруктоза одновременно является многоатомным спиртом и кетоном. Как и глюкоза, фруктоза образует циклические α- и β-формы. Эти формы различаются между собой пространственным расположением гидроксильной группы у второго атома углерода. Для фруктозы характерно образование пятичленных циклов, а не шестичленных, как у глюкозы.

Сахароза – представитель дисахаридов. В её состав входят остатки глюкозы и фруктозы. Остатки глюкозы и фруктозы в составе молекулы сахарозы связаны между собой кислородным мостиком, образовавшимся в результате отщепления одной молекулы воды от двух молекул моносахаридов.

Сахароза представляет собой бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, сладкое на вкус. Молекулярная формула сахарозы C₁₂H₂₂O₁₁.

При добавлении раствора сахарозы к свежеосаждённому гидроксиду меди (II) образуется прозрачный раствор ярко-синего цвета. Эта реакция доказывает, что сахароза является многоатомным спиртом. Если нагреть этот раствор, то красный осадок не образуется, то есть это доказывает, что в составе сахарозы отсутствует альдегидная группа. Поэтому сахарозу относят к невосстанавливающим сахарам.

По физическим свойствам сахароза представляет собой бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления от 160 ⁰C до 185 ⁰С. Сахароза хорошо растворима в воде, сладкая на вкус. Если расплавить сахарозу, то при застывании она превращается в смесь аморфных веществ – карамель.

Наличие в молекуле сахарозы остатков глюкозы и фруктозы можно доказать экспериментально. Если к раствору сахарозы добавить несколько капель серной кислоты и раствор прокипятить, то произойдёт гидролиз сахарозы и образуется глюкоза и фруктоза.

Сахарозу получают в промышленности из сахарного тростника или из сахарной свёклы.

К полисахаридам относятся крахмал и целлюлоза. Крахмал – это белый порошок, не имеет сладкого вкуса, не растворяется в холодной воде, а горячей воде образует клейстер – вязкий, клейкий коллоидный раствор. Крахмал содержится в зёрнах кукурузы, пшеницы, риса, в клубнях картофеля. Из этих природных источников и получают крахмал.

Молекулярная формула крахмала (C₆H₁₀O₅)_n, то есть крахмал является полимером, который состоит из остатков α-глюкозы. Крахмал состоит из смеси двух полимеров: амилозы, имеющей неразветвлённую структуру, и амилопектина, который представляет собой полимер разветвлённого строения.

Качественной реакцией на крахмал является синяя окраска при взаимодействии с йодом. Эта окраска исчезает при нагревании и появляется при охлаждении. Данная реакция является качественной на крахмал.

А также с помощью крахмального клейстера можно обнаружить даже небольшое количество йода.

К полисахаридам относится и гликоген, который также состоит из остатков α-глюкозы. Гликоген как и амилопектин имеет разветвлённое строение.

Крахмал не даёт реакцию «серебряного зеркала», не образует красного осадка при нагревании с гидроксидом меди (II). Однако крахмал, являясь полисахаридом, подвергается гидролизу. Если нагреть крахмальный клейстер с несколькими каплями серной кислоты, то происходит расщепление макромолекул крахмала. При этом, сначала образуются декстрины, затем мальтоза, а конечным продуктом гидролиза является глюкоза.

Целлюлоза, как и крахмал, является полисахаридом и имеет молекулярную формулу (C₆H₁₀O₅)_n. В отличие от крахмала, макромолекулы целлюлозы состоят из остатков β-глюкозы. Но степень полимеризации её гораздо выше, чем крахмала. Макромолекулы целлюлозы имеют только линейное строение. Эти макромолекулы могут располагаться параллельно друг другу и образовывать между собой водородные связи, за счёт которых целлюлоза обладает высокой механической прочностью и не растворяется в воде и органических растворителях. Целлюлоза – это белое аморфное вещество. Гигроскопична, при нагревании обугливается.

Целлюлоза подвергается гидролизу, конечным продуктом этого процесса является глюкоза.

Каждый остаток глюкозы в макромолекуле целлюлозы содержит три гидроксильные группы: [C₆H₇O₂(OH)₃]_n.

Рассмотрим химические свойства целлюлозы.

В результате реакции целлюлозы с уксусной кислотой или ангидридом уксусной кислоты образуется сложный эфир – триацетилцеллюлоза:

[C₆H₇O₂(OH)₃]_n + 3nCH₃COOH → [C₆H₇O₂(OCOCH₃)₃]_n + 3nH₂O.

Сложный эфир образуется и в результате реакции целлюлозы с азотной кислотой, при этом получается тринитроцеллюлоза:

[C₆H₇O₂(OH)₃]_n + 3nHNO₃ → [C₆H₇O₂(ONO₂)₃]_n + 3nH₂O.

Решим задачу. Какой объём (л) этанола (плотность 0,789 г/мл) можно получить из картофеля массой 5 т с массовой долей крахмала 20 %, учитывая, что выход глюкозы из крахмала равен 80 %, а этанола из глюкозы – 90 %.