Химия

В зависимости от способности к гидролизу все углеводы делятся на:

Моносахариды — дифункциональные соединения, так как в составе каждой молекулы содержатся несколько гидроксильных групп и одна карбонильная. В зависимости от природы карбонильной группы (альдегидная или кетонная) моносахариды делятся на альдозы и кетозы. Так, моносахарид гексоза существует в виде двух структурных изомеров — альдогексозы (I) (глюкоза) и кетогексозы (II) (фруктоза):

Изомерия моносахаридов обусловлена: 1) наличием альдегидной или кетонной группы; 2) наличием асимметрических атомов углерода; 3) существованием таутомерии.

Моносахариды, как и другие соединения с асимметрическими атомами углерода, существуют в виде двух оптических изомеров — D- и L-форм. Отнесение к D- и L-формам производят по расположению гидроксильной группы у атома углерода, соседнего с первичной спиртовой группировкой:

Атом водорода гидроксильной группы присоединяется к атому кислорода альдегидной группировки за счет разрыва p -связей. При этом образуется так называемый полуацетальный (см. “Альдегиды и кетоны”) или гликозидный гидроксил. После переноса атома водорода от гидроксильной группы на альдегидную атом кислорода соединяется с атомом углерода с образованием цикла. В результате циклизации в молекуле моносахарида появляется дополнительный асимметрический атом углерода.

Образующиеся циклические формы отличаются друг от друга расположением полуацетального гидроксила. К a -изомерам относят моносахариды, у которых гликозидный гидроксил находится под плоскостью кольца, к b -изомерам — моносахариды, у которых полуацетальный гидроксил находится над плоскостью кольца.

Получение: 1. Выделение моносахаридов, встречающихся в овощах и фруктах. 2. Гидролиз полисахаридов. 3. Синтез гексоз из формальдегида:

Простые эфиры получили название гликозидов. В более жестких условиях возможно алкилирование и по другим оставшимся гидроксильным группам.

2. Реакция комплексообразования с гидроксидом меди (II). При взаимодействии свежеосажденного гидроксида меди (II) с моносахаридами происходит растворение гидроксида с образованием комплекса синего цвета (см. “Спирты. Фенолы”).

4. Реакция брожения. Моносахариды (например, глюкоза) способны расщепляться в зависимости от природы фермента до этанола, масляной или молочной кислоты:

В организме человека и животных глюкоза подвергается ферментативному окислению, конечными продуктами которого являются оксид углерода (IV) и вода:

Рибоза — бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде. В виде фуранозной формы входит в состав РНК. Химические свойства рибозы обусловлены наличием альдегидной и гидроксильных групп. При восстановлении рибозы образуется спирт —рибит НОСН₂—(СНОН)₃—СН₂ОН, а при окислении — рибоновая кислота НОСН₂—(СНОН)₃—СООН. В растворе рибоза существует в ациклической и циклической формах:

Физические свойства. Дисахариды — бесцветные кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде (исключение составляет лактоза), сладкие на вкус. Различают два вида дисахаридов.

1. Простые эфиры (гликозиды), образующиеся за счет взаимодействия полуацетального гидроксила одной из молекул моносахарида и одного из спиртовых гидроксилов (чаще всего у четвертого атома углерода) другой молекулы:

Молекула образующегося при этом дисахарида содержит один полуацетальный гидроксил и способна переходить в ациклическую альдегидную форму. Подобные дисахариды способны восстанавливать такие вещества, как Ag₂O, Cu(OH)₂, за что их называют восстанавливающими сахарами.

Характерной особенностью дисахаридов является их способность взаимодействовать с гидроксидами металлов Са(ОН)₂, Сu(ОН)₂ с образованием хорошо растворимых комплексных соединений сахаратов (см. “Спирты. Фенолы”).

Полисахариды. Общая формула полисахаридов, образованных остатками пентоз (C₅H₈О₄)_n, гексоз (C₆H₁₀О₅), где n = 10³ - 10⁵. Наибольшее значение имеют производные глюкозы: крахмал и целлюлоза.

Крахмал является основным компонентом картофеля (20—24%), кукурузы (50—70%), пшеницы (» 70%), риса (» 80%).

Целлюлоза является главной составной частью древесины (» 50%), льна (» 80% ), хлопка (90—97%).

Крахмал — белый порошок, нерастворимый в холодной воде, в горячей воде набухает, образуя крахмальный клейстер. Крахмал состоит из двух фракций: амилозы (15—25%) и амилопектина (75—85%).

Амилоза представляет собой линейный биополимер, состоящий из остатков глюкозы, соединенных через кислородные атомы в положении 1 и 4. Молекулярная масса амилозы от 150 000 до 500 000 а. е. м. в зависимости от вида растения.

Амилопектин — это биополимер, состоящий из остатков глюкозы, соединенных через кислородные атомы в положении 1—4 и 1—6. Молекулярная масса амилопектина составляет порядка миллиона а. е. м.

Характерным свойством крахмала является образование с раствором иода комплекса, имеющего синюю окраску.

Целлюлоза — белый волокнистый материал, нерастворимый в воде; имеет такой же элементный состав, как и крахмал. Различие между целлюлозой и крахмалом заключается в том, что: 1) в первом случае остатки глюкозы соединены b -гликозидной связью, а во втором — a -гликозидной связью; 2) в случае целлюлозы молекула имеет линейную форму, а в случае крахмала — форму трехмерной частицы; 3) молекулярная масса целлюлозы от 10⁶ до 10⁹ а.е.м.

[C₆H₇O₂(OH)₂ONO₂]_n [C₆H₇O₂(OH)(ONO₂)₂]_n

[C₆H₇O₂ (ONO₂)₃]_n [C₆H₇O₂(OH)₂OСOСH₃]_n

[C₆H₇O₂ (OH)( OСOСH₃)₂]_n [C₆H₇O₂(OСOСH₃)₃]

Получают целлюлозу путем “варки” (нагревание под давлением) измельченной древесины с гидросульфитом кальция Са(НSO₃)₂.

Целлюлоза широко применяется для изготовления бумаги, ее ацетатные производные — для изготовления пленок (целлофан), искусственного шелка, нитропроизводные — для изготовления бездымного пороха (тринитроцеллюлоза — пироксилин).