Хімія. Комплексна підготовка до ЗНО і ДПА

12.6. Вуглеводи

Вуглеводи¹ — це речовини, які зараховують до класу полігідроксикарбонільних сполук. Це найпоширеніші в природі органічні сполуки, які є компонентами клітин усіх рослинних і тваринних організмів. Вуглеводи утворюються в рослинах у процесі фотосинтезу. Фотосинтез відбувається під впливом сонячної енергії у хлоропластах фотосинтезувальних організмів: вищих рослин, водоростей, ціанобактерій, а також фотоавтотрофних найпростіших і бактерій. Процес каталізують зелені пігменти хлорофіли^2:

¹ Перші відомі вуглеводи мали брутто-формулу С_х(Н₂О)_у.

² Крім хлорофілів, рослини містять інші пігменти — каротиноїди, а деякі водорості та ціанобактерії — фікобіліни, що поглинають світло тих довжин хвиль, які хлорофіли поглинають слабо.

Унаслідок дихання відбувається окиснення вуглеводів, унаслідок чого виділяється енергія, необхідна для життєдіяльності живого організму:

C_n(H₂O)_m + nО₂ → nСО₂ + mН₂О; ΔН ≪ 0

Організми запасають енергію у вигляді вуглеводів: рослини — крохмалю, тварини — глікогену. Вуглевод целюлоза є основою клітинної стінки рослинної клітини. Залишки вуглеводів входять до складу нуклеїнових кислот та інших складних органічних речовин.

Класифікація

1. За кількістю мономерів, на які розкладаються вуглеводи унаслідок гідролізу, їх ділять на:

• моносахариди — складаються з одного мономера, відповідно, не гідролізують (глюкоза, фруктоза, манноза, галактоза);
• олігосахариди (від гр. ὀλίγος — небагато) — вуглеводи, які розкладаються на 2-10 мономерів:
• дисахариди (сахароза, мальтоза, лактоза) — розкладаються на два мономери
• трисахариди (рафіноза) — розкладаються на три мономери...
• полісахариди (поліози) — вуглеводи, які містять більше 10 (іноді сотні й тисячі) моносахаридних залишків (крохмаль, глікоген, целюлоза, хітин, пектини, мурамін, декстрани, мукополісахариди):
• гомополісахариди складаються з однакових моносахаридних залишків;
• гетерополісахариди складаються з різних моносахаридних залишків.

2. Серед моносахаридів залежно від довжини карбонового ланцюга (від 3 до 10 атомів) розрізняють:

3. Крім кількох гідроксильних груп моносахариди містять карбонільну групу >С=О. Залежно від її розташування у молекулі розрізняють:

• альдози, коли карбонільна группа розташована у кінці карбонового ланцюга (такий моносахарид є альдегідоспиртом);
• кетози, коли карбонільна группа розташована у середині карбонового ланцюга (такий моносахарид є кетоспиртом).

Оптична ізомерія

Моносахаридам, крім структурної, властива і просторова, оптична ізомерія (енантіомерія), яка є наслідком хіральності¹. Серед оптично-активних ізомерів (енантіомерів), які називають також антиподами, розрізняють L- і D-ізомери². Їхні розчини здатні повертати площину поляризованого променя світла в різні сторони (за годинниковою стрілкою та проти неї). Більшість речовин біологічних об’єктів має одну хіральність. Так, у молекулі глюкози є 4 асиметричні атоми Карбону (хіральні), виділені напівжирним накресленням і позначені цифрами 1-4:

СН₂ОН-¹СНОН-²СНОН-³СНОН-⁴СНОН-СНО

¹ Хіральність (від гр. χέρι — рука) — одне з основних понять стереохімії, здатність будь-якого об’єкта мати своє дзеркальне відображення, не тотожне оригіналу.

² Від латинських слів laevus — лівий та dexter — правий. Суміш однакової кількості L- та D-ізомерів називають рацематом.

Між кількістю асиметричних атомів молекули і кількістю оптичних ізомерів існує математична залежність:

N = 2ⁿ,

де N — кількість оптичних ізомерів,

n — кількість асиметричних атомів Карбону в молекулі.

Отже, існує 2⁴ = 16 (8 пар) видів молекул глюкози альдегідної форми різної будови.

12.6.1. Моносахариди

Моносахариди — білі кристалічні речовини, добре розчинні у воді, деякі з них солодкі на смак. Це поліфункціональні сполуки, які містять кілька гідроксильних груп та одну карбонільну (альдегідну) групу³. Фруктоза (фруктовий цукор)⁴ C₆H₁₂O₆ та її ізомер глюкоза (виноградний цукор) — найважливіші представники моносахаридів-гексоз, містяться у багатьох ягодах, фруктах, нектарі квітів і меді.

³ Альдози, крім гідроксильних груп, містять альдегідну, а кетози — кетогрупу.

⁴ Найбільш гігроскопічний з усіх вуглеводів.

Фруктоза — це кетоноспирт, який є структурним ізомером глюкози. Її молекула містить п’ять гідроксильних груп. Фруктоза існує в карбонільній (розгорнутій) і циклічній формах: у кристалічному стані молекула фруктози має п’ятичленну гетероциклічну будову, у водному розчині існують обидві її форми — карбонільна і циклічна:

Явище взаємного переходу відкритої і циклічної форм моносахаридів у розчині називають таутомерією, а відповідні ізомери — таутомерами.

Глюкоза — це альдегідоспирт, який містить 5 гідроксильних груп і 1 альдегідну групу:

Часто користуються спрощеною формулою: СН₂ОН-(СНОН)₄-СНО.

У кристалічному стані молекули глюкози, як і фруктози, мають циклічну будову, а у водних розчинах у стані динамічної рівноваги існують альдегідна і циклічні форми (α-глюкози і β-глюкози):

Хімічні властивості глюкози

Хімічні властивості глюкози зумовлені наявністю гідроксильних функціональних груп, а у відкритій формі — ще й альдегідної, для якої характерні реакції окиснення і відновлення.

¹ Для спрощення цю реакцію іноді записують з етановою кислотою.

Отримання глюкози

1. У природі глюкоза утворюється унаслідок фотосинтезу:

2. Синтез Бутлерова:

Інші моносахариди

Іншим важливим типом моносахаридів є пентози. Найбільше значення мають рибоза С₅Н₁₀О₅ та дезоксирибоза С₅Н₁₀О₄. Вони також існують у карбонільній та циклічній формах:

Рибоза входить до складу рибонуклеїнових кислот (РНК), а дезоксирибоза — до дезоксирибонуклеїнових кислот (ДНК).

12.6.2. Дисахариди. Сахароза

Дисахариди — продукти реакції конденсації двох молекул моносахаридів. Прикладами дисахаридів є сахароза, С₁₂Н₂₂O₁₁, а також її ізомери — мальтоза і лактоза.

Молекула сахарози складається із залишків α-глюкози та β-фруктози, сполучених між собою атомом Оксигену:

Сахароза — біла кристалічна речовина, солодка на смак, без запаху (запаху їй надають домішки), температура плавлення — 160 °С. Доведена до температури кипіння й охолоджена сахароза втрачає свою кристалічну будову, перетворюючись на карамель.

Сахарозу містять цукровий буряк, цукрова тростина, плоди, стебла і листя багатьох інших рослин. Багато її у весняних соках берези і клену.

Хімічні властивості сахарози

1. Гідроліз відбувається унаслідок нагрівання сахарози з хлоридною кислотою або водним розчином сульфатної кислоти:

2. Взаємодія з гідроксидами металічних елементів:

а) утворення кальцій сахарату (безбарвного розчину):

С₁₂Н₂₂О₁₁ + Са(ОН)₂ → С₁₂Н₂₂О₁₁ · СаО + Н₂О

б) унаслідок взаємодії сахарози зі свіжоосадженим купрум(ІІ) гідроксидом спостерігається зникнення осаду й утворення прозорого розчину яскраво-синього кольору, що свідчить про те, що сахароза — багатоатомний спирт.

У молекулі сахарози відсутня альдегідна група, тому сахароза не взаємодіє з амоніачним розчином Ag₂O та з надлишком купрум(ІІ) гідроксиду унаслідок нагрівання.

Отримання сахарози

1. Промивання цукрового буряка, подрібнення на стружку, обробка гарячою (+75 °С) водою — сахароза переходить у розчин.

2. Одержаний розчин обробляють вапняним молоком: в осад випадає кальцій карбонат, інші солі Кальцію, білки, а продукт взаємодії сахарози з Са(ОН)₂ — кальцій сахарат — залишається в розчині.

3. Для його перетворення на сахарозу крізь розчин пропускають карбон(ІV) оксид. Під дією карбонатної кислоти кальцій сахарат руйнується з утворенням сахарози:

С₁₂Н₂₂О₁₁ · СаО + Н₂СО₃ → С₁₂Н₂₂О₁₁ + СаСО₃↓ + Н₂О

4. Розчин сахарози уварюють, фільтрують і отримують мелясу (буру рідку масу, що містить близько 65 % сахарози), яку центрифугують і отримують перший продукт — кристалічну сахарозу — білий, дрібнокристалічний цукор вищого ґатунку. Залишки меляси, яка містить уже значно менше сахарози, повторно центрифугують, отримуючи другий і третій продукт (т. зв. коричневий цукор).

5. Цукор-пісок сушать і фасують (цукрова пудра — це той самий пісок, але який має дуже дрібні кристали; рафінад — пісок, пресований у кубики або фігури іншої форми).

Аналогічно сахарозу отримують і з цукрової тростини.

12.6.3. Полісахариди. Крохмаль і целюлоза

Утворення в природі

Спочатку з карбон(ІV) оксиду і води, унаслідок низки біохімічних процесів, утворюється α-глюкоза:

а далі з α-глюкози синтезується крохмаль:

nС₆Н₁₂О₆ → (С₆Н₁₀О₅)_n + nН₂О або сумарно:

Склад і будова молекул

Крохмаль і целюлоза — це природні полімери, їхній хімічний склад виражається одною формулою — (С₆Н₁₀О₅)_n. Крохмаль складається із залишків α-глюкози (до 6000 ланок). Молекули мають не лише лінійну¹, але й розгалужену будову² з молекулярною масою від 30 000 до 1 мільйона а. о. м. Целюлоза складається із залишків β-глюкози, молекули мають лише лінійну структуру, а відносна молекулярна маса може становити кілька мільйонів дальтон:

¹ Амілоза — молекули крохмалю, які мають ниткоподібну (лінійну) будову, розчиняються в гарячій воді, дають синє забарвлення з йодом. Крохмаль містить 25 % амілози.

² Амілопектин — молекули крохмалю розгалуженої будови, які унаслідок нагрівання з водою утворюють клейстер. Масова частка амілопектину в крохмалі становить 75 %.

Хімічні властивості крохмалю

1. Гідроліз:

а) повний:

або сумарно:

(С₆Н₁₀О₅)_n + nН₂О → nС₆Н₁₂O₆

Декстрини утворюються унаслідок термічної обробки продуктів, які містять крохмаль, — варення, смаження картоплі, випікання хліба тощо. Декстрини легше засвоюються організмом людини, оскільки складаються з менших за розміром молекул і краще розчиняються у воді;

б) частковий:

¹ Патока — продукт неповного гідролізу крохмалю, містить декстрини (0-70 %), глюкозу (0-50 %), мальтозу (19-85 %).

2. Взаємодія з йодом (йодокрохмальна реакція) — якісна реакція для виявлення крохмалю: утворюється сполука темно-синього кольору².

² Ниткоподібні молекули амілози скручуються в спіралі, усередину яких, як у пастку, можуть потрапляти молекули інших речовин — утворюється сполука за типом «гість — господар». Утворенням саме такого зв’язку пояснюють взаємодію крохмалю з йодом (спиртовим розчином).

Хімічні властивості целюлози

1. Гідроліз може відбуватися під дією ферментів або унаслідок нагрівання з водними розчинами кислот:

2. Целюлоза добре горить з виділенням великої кількості енергії:

(С₆Н₁₀О₅)_n + 6nО₂ → 6nСО₂ + 5nН₂О; ΔН < 0

3. Термічний розклад: унаслідок нагрівання без доступу повітря целюлоза розкладається на деревне вугілля та леткі органічні речовини (метанол, ацетон, етанову кислоту та інші оксигеновмісні органічні сполуки).

4. Естерифікація:

а) залежно від умов проведення реакції можна отримати моно-, ди- та тринітрат целюлози³:

³ Колодій — 4 %-вий розчин нітроцелюлози в суміші етанолу та діетилового етеру. Використовують у медицині для заклеювання невеликих ран і закріплення пов’язок. Колоксилін — динітроцелюлоза, її застосовують для виготовлення нітролаків. Піроксилін (тринітроцелюлоза)— вибухова речовина, яку використовують для виготовлення бездимного пороху.

б) з етановим ангідридом целюлоза також утворює естери — моно-, ди- та триацетатцелюлозу:

Триацетатцелюлоза розчиняється в органічних розчинниках, її використовують у виробництві ацетатного шовку, фото-, кіно- та рентгенівської плівки, пластичних мас, лаків.

Значення і застосування вуглеводів

Низькомолекулярні вуглеводи (моно-, ди-, олігосахариди) називають цукрами. Не слід цей термін плутати з іншими тривіальними назвами вуглеводів, а саме:

• цукор — харчовий продукт (пісок, рафінад), який містить до 99,9 % сахарози;
• цукор буряковий — сахароза, яку отримують із цукрового буряка;
• цукор виноградний — глюкоза, що міститься у винограді та інших солодких плодах. Універсальне джерело енергії в організмі для забезпечення метаболічних процесів. Кров людини у нормі містить 0,8-0,12 % глюкози;
• цукор молочний — лактоза, міститься в молоці, в 4-5 разів менш солодка, ніж сахароза;
• цукор солодовий — мальтоза (ізомер сахарози), яку отримують неповним гідролізом крохмалю ферментами, що містяться в солоді (пророслому зерні злаків). Мальтоза на 40 % менш солодка, ніж сахароза;
• цукор тростинний — сахароза, яку отримують із цукрової тростини;
• цукор фруктовий — фруктоза, міститься у багатьох фруктах та овочах, а також у меді.

Деякі цукри мають солодкий смак. Солодкість цукрів різна⁴.

⁴ На сьогодні найсолодшою їстівною (і відносно нешкідливою) речовиною є метилфенхіловиий естер L-α-аспаргіламіномалонової кислоти, який у 40 тис. разів солодший за сахарозу.

1. Глюкозу використовують у кондитерській промисловості (для виготовлення карамелі, мармеладу, пряників); як відновник (реакція срібного дзеркала) у виготовленні дзеркал, ялинкових прикрас; у текстильній промисловості розчином глюкози обробляють тканини перед фарбуванням. У медицині глюкозу застосовують як універсальний антитоксичний засіб, з неї синтезують лікарські препарати (аскорбінову кислоту, кальцій глюконат).

2. Фруктоза майже у 2,33 разу солодша за глюкозу, тому її використовують у кондитерському виробництві дієтичних продуктів та продуктів для діабетиків.

3. Сахарозу застосовують у харчовій промисловості, її гідролізом отримують штучний мед. Відходи виробництва цукру — меляса — є цінним кормовим продуктом для худоби і сировиною для виробництва пекарських дріжджів.

4. Крохмаль використовують для виготовлення глюкози, патоки (яку застосовують у кондитерському виробництві).

5. Целюлоза є основною складовою деревини, бавовни, льону, коноплі. Ці природні матеріали з давніх-давен людина використовує для будівництва, виготовлення предметів побуту, як сировину для текстильного виробництва. Крім того, очищену целюлозу переробляють на папір, з неї виготовляють штучні волокна (ацетатний та віскозний шовк), пластмаси і полімерні плівки (целулоїд¹, целофан), бездимний порох, незаймисту кіноплівку, лаки та емалі, мийні засоби. Методом гідролізу целюлози отримують глюкозу, з якої виробляють гідролізний етанол: з 1 т відходів лісової промисловості можна отримати до 200 л етилового спирту.

¹ Целулоїд — матеріал, що виготовляють із суміші колоксиліну з камфорою.

Похідну целюлози — карбоксиметилцелюлозу, речовину з винятковою теплоємністю — використовують у побуті як акумулятор холоду. Перед застосуванням охолоджувальний елемент на деякий час (до замерзання) кладуть у морозильну камеру. Усередині сумки-холодильника такий елемент здатен тривалий час підтримувати низьку температуру.