У Г Л Е В О Д Ы

Углеводы содержатся в растительных и животных организмах, где выполняют следующие функции.

1. Энергетическая (углеводы – материал, при окислении которого выделяется энергия, необходимая для осуществления химических реакций в организме).

2. Структурная (углеводы входят в состав биологических мембран и органоидов клеток, участвуют в образовании ферментов, нуклеопротеидов и т.д.; в растениях углеводы – опорный материал).

3. Синтетическая (промежуточные продукты окисления углеводов используются для синтеза многих других органических соединений).

Некоторые углеводы выполняют защитную, регуляторную, рецепторную функции, участвуют в обеспечении специфичности групп крови и т.д.

В классе углеводов выделяют три группы – моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

Моносахариды – это гетерофункциональные соединения, содержащие альдегидную или кетонную группу и несколько гидроксильных групп. Они не способны распадаться на более простые углеводы. Моносахариды, содержащие альдегидную группу, называют альдозами (альдегидоспиртами), а моносахариды, содержащие кетогруппу, – кетозами (кетоспиртами). По числу углеродных атомов в молекуле различают тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы.

Примерами пентоз являются рибоза и дезоксирибоза, остатки которых входят в состав нуклеиновых кислот (см. ниже); примеры гексоз – глюкоза и фруктоза.

Глюкоза С₆Н₁₂О₆ содержит альдегидную группу, которая может быть сформирована только за счет концевых углеродных атомов. Важным свойством глюкозы является способность взаимодействовать со свежеприготовленным гидроксидом меди (II) с образованием ярко-синего комплекса, что характерно для многоатомных спиртов. Таким образом, глюкоза является альдегидоспиртом:

Наряду с ациклической формой глюкоза и другие моносахариды могут существовать и в циклических формах (см. выше). Образование циклических форм легко понять исходя из строения молекулы глюкозы: углеродная цепь изогнута и поэтому гидроксигруппа у пятого атома С располагается близко к альдегидной группе. Атом водорода группы –ОН присоединяется к атому кислорода карбонильной группы и образуется внутренний полуацеталь (взаимодействуют в одной молекуле 2 функциональные группы – спиртовая и карбонильная):

a-глюкоза b-глюкоза

Гидроксигруппа, которая при этом образуется, называется полуацетальным гидроксилом (в циклических формулах он выделен жирным шрифтом). Для циклической формы одного и того же моносахарида возможно различное расположение в пространстве полуацетального гидроксила, которое приводит к a- и b-формам, называемым анамерами. Циклические и альдегидная формы находятся в равновесии друг с другом.

Моносахариды вступают в реакции, которые обусловлены имеющимися в них функциональными группами. Как спирты, они могут образовывать простые и сложные эфиры.

За счет альдегидной группы глюкоза легко окисляется в мягких условиях, и при этом образуется глюконовая кислота (окислителем могут быть: бромная вода, аммиачный раствор оксида серебра – реакция "серебряного зеркала", гидроксид меди (II) – реакция Троммера) и др.:

В условиях реакции "серебряного зеркала" глюкоза как альдегид восстанавливает серебро, однако наряду с глюконовой кислотой образуются продукты окислительного расщепления по С–С связям.

Возможна реакция восстановления альдегидной группы, что приводит к образованию 6-атомного спирта сорбита:

Моносахариды подвергаются сложному процессу расщепления под влиянием микроорганизмов. Этот процесс называют брожением. В результате такого расщепления образуются этанол, молочная кислота
СН₃–СН(ОН)–СООН и т.д. Наряду с ними выделяются СО₂, Н₂О и другие соединения. В зависимости от конечных продуктов (спирт, молочная, лимонная, масляная кислоты и т.п.) различают соответственно спиртовое, молочнокислое, лимоннокислое, маслянокислое брожение и т.д. Каждый из этих процессов протекает под влиянием определенных микроорганизмов. Например, спиртовое брожение протекает при участии ферментов дрожжевых грибков:

С₆Н₁₂О₆ ® 2С₂Н₅ОН + 2СО₂.

Глюкоза (виноградный сахар) широко распространена в природе и в свободном состоянии встречается во фруктах, меде и т.д. Является структурной единицей таких полисахаридов, как крахмал, гликоген, клетчатка (целлюлоза).

Фруктоза (фруктовый сахар) – структурный изомер глюкозы, но в отличие от последней, относится к кетоспиртам:

a-фруктоза b-фруктоза

Дисахариды. Примером дисахарида является сахароза (тростниковый, или свекловичный сахар). Молекула сахарозы состоит из остатков молекул двух моносахаридов: a-глюкозы и b-фруктозы, связанных между собой связью С¹–С². Это означает, что полуацетальный гидроксил глюкозы взаимодействует с полуацетальным гидроксилом фруктозы с выделением воды. Структурная формула сахарозы может быть представлена следующим образом:

При гидролизе сахарозы образуются глюкоза и фруктоза.

Сахароза широко распространена в природе и содержится в сахарном тростнике, свекле, кукурузе и др.

Сахароза – важный пищевой продукт.

Задача 13. Галактоза – это изомер глюкозы, отличающийся от нее положением гидроксильной группы при 4-м атоме углерода. Напишите структурную формулу дисахарида, образованного двумя остатками b-галактозы, которые связаны между собой 1-4-гликозидной связью. Напишите структурную формулу продукта взаимодействия этого дисахарида с метиловым спиртом в присутствии хлороводорода. Могут ли эти соединения вступать в реакцию «серебряного зеркала»? Напишите уравнения необходимых реакций.

Решение. Циклическая формула b-галактозы:

b-глюкоза b-галактоза

Молекулы этого углевода могут образовать между собой связи с участием 1-го и 4-го атомов углерода:

Звездочкой обозначен полуацетальный (гликозидный) гидроксил, который может замещаться на группу –ОСН₃ при реакции с метанолом:

Благодаря наличию гликозидного гидроксила дисахарид b-галактозы может в водном растворе превращаться в линейную форму с альдегидной группой (подобно глюкозе), поэтому он дает реакцию «серебряного зеркала»:

(Такие дисахариды называются восстанавливающими; дисахариды, подобные сахарозе, являются невосстанавливающими, т. к. на образование гликозидной связи в них оба моносахарида расходуют полуацетальные гидроксилы).

Монометиловый эфир данного дисахарида не содержит гликозидного гидроксила, поэтому он не может существовать в линейной форме и не вступает в реакцию «серебряного зеркала».

Полисахариды. Примерами полисахаридов являются крахмал и целлюлоза. Состав этих углеводов выражается формулой (С₆Н₁₀О₅)_n.

Крахмал образуется в растениях при фотосинтезе. Белое вещество, состоящее из мелких зерен. Нерастворим в холодной воде и постепенно растворяется в горячей, образуя вязкие растворы, при охлаждении превращающиеся в студень – клейстер.

Крахмал представляет собой смесь полисахаридов – амилопектина и амилозы. Амилоза не образует клейстера, с иодом дает темно-синий комплекс, а амилопектин ответственен за образование клейстера и с иодом дает слабо-фиолетовый комплекс. И амилоза, и амилопектин состоят из остатков a-глюкозы, но различаются формой молекул. Амилоза – линейный полисахарид:

Молекула ее свернута в спираль, внутри которой могут располагаться молекулы низкомолекулярных веществ, например иода, образуя соединения включения.

Молекула амилопектина имеет разветвленное строение.

Крахмал подвергается гидролизу при действии ферментов амилаз или при нагревании с кислотами:

(С₆Н₁₀О₅)_n + nН₂О ® nС₆Н₁₂О₆ (глюкоза).

Ферментативный гидролиз крахмала используют в производстве этилового спирта из зерна или картофеля. Кислотный гидролиз – в получении патоки. Крахмал является пищевым продуктом, содержится в хлебе, картофеле, крупах. Крахмал – главный источник углеводов в питании. Используется в производстве кондитерских изделий, колбас. Крахмал также применяют для проклеивания тканей, склеивания бумаги, в производстве декстринового клея.

Целлюлоза (клетчатка) – полисахарид линейного строения, состоящий из остатков b-глюкозы:

Целлюлоза не плавится и не кипит. При 350^оС она разлагается – обугливается. Нерастворима в воде и в большинстве растворителей.

Химические свойства целлюлозы определяются прежде всего присутствием гидроксильных групп. За счет них она образует простые и сложные эфиры:

[С₆Н₇О₂(ОН)₃]_n + 3nHNO₃ [C₆H₇O₂(ONO₂)₃]_n + 3nH₂O

тринитроцеллюлоза

Тринитроцеллюлоза (пироксилин) используют как взрывчатое вещество и применяют в производстве бездымного пороха, для изготовления некоторых нитролаков, а также искусственной кожи. Раствор динитроклетчатки (коллоксилина) в смеси спирта и эфира (коллодий) применяют в медицине, а смесь коллоксилина с камфорой – в производстве целлулоида, использующегося в производстве кинопленки, нитролаков и т.д.

[С₆Н₇О₂(ОН)₃]_n + 3n(СН₃СО)₂О [C₆H₇O₂(OСОСН₃)₃]_n + 3nСН₃СООН

уксусный триацетатцеллюлоза

ангидрид

Из ацетатов целлюлозы готовят лаки, негорючую кинопленку, ацетатное волокно.

Целлюлоза подвергается гидролизу (как крахмал).

Целлюлоза (древесина) используется как горючий и строительный материал, в производстве бумаги. Хлопковое, льняное и др. волокна – как текстильное сырье.

Поиск по сайту: