Свойства углеводовУглеводы — главным образом, природные вещества, большая часть которых имеет состав, отвечающий формуле Cm2О)n, где m, n > 3, отсюда и название. Некоторые углеводы, в том числе обычный сахар (сахароза), сладкие на вкус, поэтому второе их название — сахара.

Углеводы делятся на моно-, ди- и полисахариды. Ди- и полисахариды при полном гидролизе дают моносахариды, которые уже далее не гидролизуются.

Моносахариды.

Моносахариды — гетерофункциональные соединения, содержащие одну карбонильную и несколько гидроксильных гpупп —OH.

Глюкоза C6H12O6 — наиболее известный моносахарид. Это бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, сладкое на вкус (от греч. glykeros — сладкий). Оно встречается почти во всех органах растений. Особенно много глюкозы в соке винограда и спелых фруктах.

Молекулы многих углеводов, в том числе и глюкозы, могут существовать как в линейной, так и в циклических формах. Линейная форма глюкозы представляет собой альдегидоспирт с пятью гидроксильными гpуппами:

Атомы углерода, соединенные с гидроксильными гpуппами, в молекуле глюкозы находятся в состоянии sp3-гибридизации, поэтому молекула имеет зигзагообразную форму. Благодаря этому альдегидная гpуппа может вступать в обратимую реакцию присоединения с гидроксильной с образованием циклического полуацеталя. В молекуле глюкозы к альдегидной гpуппе особенно близко может подходить гидроксил пятого атома углерода (С5). Обычно он и вступает в реакцию присоединения, приводящую к образованию циклической структуры. Циклическое строение моносахаридов часто изображают перспективными формулами (мы как бы смотрим на молекулу спереди и сверху, т.е. видим ее в перспективе).

Перспективные формулы также дают информацию о пространственном расположении гидроксилов относительно плоскости цикла. Новый гидроксил (гликозидный гидроксил), выделенный красным цветом, может располагаться двояко (из-за вращения альдегидной группы вокруг оси s связи C1—С2), поэтому реально линейная форма глюкозы в рассматриваемом превращении дает две циклические формы:

Процесс превращения альдегидной формы в циклические обратим, в растворе существует подвижное равновесие между разными формами. Обычно равновесие cильно смещено в сторону циклических форм, а содержание альдегидной формы бывает незначительным. Это объясняет, почему глюкоза не вступает в некоторые реакции, свойственные альдегидам.

Химические свойства

1. Для глюкозы характерны реакции многоатомных спиртов, в том числе и качественная реакция: при взаимодействии гидроксида меди (II) с раствором глюкозы образуется комплексное соединение ярко-синего цвета, осадок Cu(OH)2 при этом растворяется.

2. Для глюкозы характерны следующие реакции альдегидов.

а) качественной реакцией на альдегидную группу является реакция глюкозы (или другого альдегидоспирта) с аммиачным раствором оксида серебра (гидроксидом диамминсеребра) — реакция «серебряного зеркала»:

Глюконовая кислота — не единственный продукт окисления глюкозы.

Восстановленное серебро оседает на стенках пробирки в виде блестящего налета.

б) другой качественной реакцией на альдегидную группу является окисление гидроксидом меди (II):

в) При восстановлении (гидрировании) глюкозы образуется шестиатомный спирт сорбит.

3. Реакции брожения.

Брожение — сложная цепь биохимических процессов, в результате которых расщепляются углеводы под действием ферментов различных микроорганизмов (бактерий, грибов и т.д.). Обычно записывают суммарные уравнения реакций брожения.

а) При спиртовом брожении образуется этиловый спирт и углекислый газ:

C6H12O6 ® 2C2H5OH + 2CO2?

Эта реакция лежит в основе производства алкогольных напитков и хлебобулочных изделий. Выделяющийся углекислый газ разрыхляет дрожжевое тесто, хлебная выпечка становится пышной.

б) При молочнокислом брожении образуется молочная кислота.

Эта реакция протекает при скисании молока. Она имеет огромное значение в переработке сельскохозяйственных продуктов. С ней связано получение простокваши, творога, сметаны, сыра. Молочная кислота образуется при квашении капусты, силосовании кормов, она выполняет консервирующее действие при хранении указанных продуктов. Также реакция превращения глюкозы в молочную кислоту протекает в мышцах животных и человека при больших физических нагрузках (в этом случае данную реакцию не относят к реакциям брожения).

Применение

Глюкоза — ценное питательное вещество. Крахмал пищи в пищеварительном тракте превращается в глюкозу, которая далее окисляется в клетках организма. Окисление, идущее через ряд стадий, сопровождается выделением нужной организму энергии и завершается образованием оксида углерода (IV) и воды. Как вещество, легко усваиваемое организмом, глюкоза находит применение в качестве укрепляющего лечебного средства. Сладкий вкус глюкозы обусловливает ее использование в кондитерском деле.

Глюкозу применяют в технике, например, для отделки тканей. Она — исходное вещество в синтезе витамина С и некоторых других сложных веществ. В технике глюкозу получают гидролизом полисахаридов в присутствии катализаторов — минеральных кислот.

Фруктоза C6H12O6 — изомер глюкозы, моносахарид, содержащийся в меде, сладких плодах. Это бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, сладкое на вкус, слаще глюкозы. Фруктоза — кетоноспирт.

Для рибозы и дезоксирибозы также характерны циклические формы.

Дисахариды

Молекулы дисахаридов состоят из двух циклических остатков моносахаридов (одинаковых или разных).

Сахароза C12H22O11 — наиболее известный дисахарид. Это бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, сладкое на вкус. При застывании расплавленной сахарозы образуется прозрачная аморфная масса — карамель. Сахароза содержится во многих растениях, ее особенно много в сахарной свекле и сахарном тростнике. Сахароза состоит из остатков глюкозы и фруктозы.

Химические свойства

Сахароза — невосстанавливающий дисахарид, т.е. она не восстанавливает серебро из аммиачного раствора оксида серебра, гидроксид меди (II) до оксида меди (I).

Важным химическим свойством сахарозы является ее гидролиз. При гидролизе сахарозы образуются глюкоза и фруктоза:

Мальтоза C12H22O11 — изомерный сахарозе дисахарид, образующийся из крахмала под действием солода. Это восстанавливающий дисахарид, т.е. он восстанавливает серебро из аммиачного раствора оксида серебра («реакция серебряного зеркала») и гидроксид меди (II) до оксида меди (I).

При кислотном или ферментативном гидролизе мальтозы образуется глюкоза, т.е. ее молекула состоит из двух остатков глюкозы:

C12H22O11 + H2O ® 2C6H12O6

Полисахариды

Полисахариды — полимерные углеводы, построенные из остатков либо одного моносахарида (гомополисахариды), либо разных (гетерополисахариды). Наиболее распространены в природе гомополисахариды на основе глюкозы: крахмал и целлюлоза.

Крахмал (C6H10O5)n — природный полимер, который образуется в зеленых растениях при поглощении ими солнечного света из углекислого газа и воды. Крахмал широко распространен в природе. Например, клубни картофеля содержат около 20% крахмала, зерна пшеницы и кукурузы — около 70%, риса — до 80%.

Выделенный из растений крахмал — это порошок белого цвета, нерастворимый в воде; в горячей воде он набухает, образуя коллоидный раствор — клейстер. Он состоит из двух полисахаридов: макромолекулы одного из них линейного строения — амилоза, а макромолекулы другого — разветвленного — амилопектин. Структурными звеньями макромолекул крахмала являются остатки ?-формы глюкозы, разное число которых соединяется в макромолекулы тех и других полисахаридов. Поэтому молекулярная масса их различна — от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов.

Фрагмент макромолекулы крахмала

Химические свойства

1. Крахмал подвергается гидролизу, который протекает либо в кислой среде (кислотный гидролиз), либо в присутствии ферментов (ферментативный гидролиз). Процесс расщепления макромолекул крахмала водой идет постепенно. Сначала образуются крупные «осколки» с молекулярной массой в десятки тысяч — декстрины, затем дисахарид — мальтоза, далее конечный продукт гидролиза — глюкоза. Упрощенно уравнение реакции полного гидролиза крахмала можно представить так:

(C6H10O5)n + nH2O ® nC6H12O6

2. Крахмал образует соединение с иодом (I2) интенсивно-синего цвета. Эту реакцию используют для качественного определения крахмала с помощью иода и, наоборот, иода с помощью крахмала.

Применение.

Крахмал широко используется в питании человека, он входит в состав разных плодов и кулинарных изделий. Непосредственно крахмал не усваивается организмом. Подобно жирам он сперва подвергается гидролизу. Этот процесс начинается уже при пережевывании пищи во рту под действием фермента, содержащегося в слюне. Далее гидролиз крахмала продолжается в желудке и кишечнике. Образующаяся глюкоза всасывается через стенки кишечника в кровь и поступает на питание всех тканей организма. Избыток глюкозы запасается в печени в виде полисахарида — гликогена. Гликоген между приемами пищи превращается в глюкозу по мере расходования ее в клетках организма.

Промежуточные продукты гидролиза крахмала (декстрины) легче усваиваются организмом, чем сам крахмал, так как состоят из меньших по размерам молекул и лучше растворяются в воде. Приготовление пищи часто связано именно с превращением крахмала в декстрины. Частичный гидролиз крахмала происходит, например, при варке картофеля, при выпечке хлеба. Образованием клейких декстринов объясняется, в частности, появление корки на хлебе и жареном картофеле.

Гидролиз крахмала до декстринов и глюкозы (их смесь называют патокой) широко используется в пищевой промышленности для получения конфет, мармелада, пряников и т.д. Укажем также, что крахмал применяется при приготовлении клея, для производства полимерных покрытий, используемых в пищевой промышленности, и т.д.

Целлюлоза (клетчатка) (C6H10O5)n — природный полимер, твердое волокнистое вещество белого цвета, нерастворимое ни в воде, ни в органических растворителях. Целлюлоза входит в состав оболочек растительных клеток, она придает растениям необходимую прочность и эластичность.

Волокна хлопка содержат до 98% целлюлозы, в древесине она составляет около 50% (в расчете на сухое вещество). Бумага, хлопчатобумажные ткани — это изделия из целлюлозы. Особенно чистыми образцами целлюлозы являются вата, полученная из очищенного хлопка, и фильтровальная (непроклеенная) бумага.

Структурными звеньями макромолекул целлюлозы, как и крахмала, являются остатки молекул глюкозы, но не ?-, а ?-формы.

Фрагмент макромолекулы целлюлозы

Значение n у целлюлозы обычно выше, чем у крахмала. Основное различие между крахмалом и целлюлозой в структуре макромолекул: молекулы крахмала имеют как линейную, так и разветвленную структуры, молекулы же целлюлозы — только линейную. Этим объясняется, что целлюлоза образует такие волокнистые материалы, как хлопок, лен и т.д.

В природных волоконцах макромолекулы целлюлозы располагаются в одном направлении, ориентированы вдоль оси волокна. Возникающие при этом многочисленные водородные связи между гидроксильными гpуппами соседних макромолекул обусловливают высокую прочность этих волокон (хлопка, льна).

Химические свойства

1. Целлюлоза подвергается гидролизу, который протекает либо в кислой среде (кислотный гидролиз), либо в присутствии ферментов (ферментативный гидролиз). Следует заметить, что ферменты, ускоряющие гидролиз крахмала, не действуют на связи между остатками ?-глюкозы в целлюлозе. Поэтому клетчатка не переваривается в организме человека. Ферменты, способные гидролизовать целлюлозу, выделяются например, микроорганизмами, живущими в симбиозе со жвачными животными. Упрощенно уравнение реакции полного гидролиза целлюлозы можно представить так:

(C6H10O5)n + nH2O ® nC6H12O6

2. Образование азотнокислых эфиров.

Их получают при действии на целлюлозу азотной кислотой в присутствии серной кислоты. В зависимости от концентрации азотной кислоты и от других условий в реакцию вступает одна, две или все три гидроксильные гpуппы каждого звена молекулы целлюлозы, например:

Общее свойство нитратов целлюлозы — их чрезвычайная горючесть. Тринитрат целлюлозы, называемый пироксилином, — cильно взрывчатое вещество. Его применяют для производства бездымного пороха. Другие виды нитроцеллюлозы используют для получения лаков и пленки.

3. Образование уксуснокислых эфиров.

Их получают при действии на целлюлозу уксусной кислоты (уксусного ангидрида).

Диацетат и триацетат целлюлозы по внешнему виду сходны с целлюлозой. Их используют для получения искусственного ацетатного волокна.


Загрузка...
Яндекс.Метрика Google+