Углеводы: глюкоза, фруктоза, сахароза, крахмал, целлюлоза

1. Определение

Определение

Углеводы — органические соединения общей формулы $C_n(H_2O)_m$. Содержат карбонильную ($C=O$) и гидроксильные ($-OH$) группы.

Исключение

Дезоксирибоза $C_5H_{10}O_4$ — на один атом O меньше, чем рибоза $C_5H_{10}O_5$.

2. Классификация

🟢 Моносахариды

Глюкоза $C_6H_{12}O_6$
Фруктоза $C_6H_{12}O_6$
Рибоза $C_5H_{10}O_5$
Дезоксирибоза $C_5H_{10}O_4$

🟡 Дисахариды

Сахароза $C_{12}H_{22}O_{11}$
Мальтоза $C_{12}H_{22}O_{11}$
Лактоза $C_{12}H_{22}O_{11}$
Целлобиоза $C_{12}H_{22}O_{11}$

🟣 Полисахариды

Крахмал $(C_6H_{10}O_5)_n$
Целлюлоза $(C_6H_{10}O_5)_n$
Гликоген $(C_6H_{10}O_5)_n$

Общее свойство всех углеводов — горение и обугливание конц. $H_2SO_4$:

$C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \to 6CO_2 + 6H_2O$

$C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{H_2SO_4(конц.)} 6C + 6H_2O$

3. Глюкоза $C_6H_{12}O_6$

Глюкоза — альдегидоспирт (альдоза): 1 альдегидная + 5 гидроксильных групп.

Линейная: $CH_2OH-(CHOH)_4-CHO$

В растворе существует равновесие: α-глюкоза ⇌ линейная ⇌ β-глюкоза (циклические пиранозные формы).

Глюкоза (линейная)

$C_6H_{12}O_6$, альдоза

α-Глюкопираноза

циклическая форма

3.1. Химические свойства глюкозы

⭐ Качественные реакции

🪞 Серебряное зеркало

$+[Ag(NH_3)_2]OH$

→ глюконовая кислота + Ag↓

🟤 Cu(OH)₂ при нагр.

Нагрев → красный $Cu_2O$↓

→ глюконовая кислота

🔵 Cu(OH)₂ без нагр.

Синий раствор

→ многоатомный спирт!

$CH_2OH(CHOH)_4CHO + Ag_2O \xrightarrow{NH_3, t} CH_2OH(CHOH)_4COOH + 2Ag \downarrow$

$CH_2OH(CHOH)_4CHO + 2Cu(OH)_2 \xrightarrow{t} CH_2OH(CHOH)_4COOH + Cu_2O\downarrow + 2H_2O$

Восстановление (гидрирование)

$CH_2OH(CHOH)_4CHO + H_2 \xrightarrow{Ni} CH_2OH(CHOH)_4CH_2OH$ (сорбит)

Брожение

Спиртовое: $C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{дрожжи} 2C_2H_5OH + 2CO_2 \uparrow$

Молочнокислое: $C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{бактерии} 2CH_3CH(OH)COOH$ (молочная к-та)

4. Фруктоза $C_6H_{12}O_6$

Фруктоза — кетоноспирт (кетоза): 1 кетонная + 5 гидроксильных групп.

$CH_2OH-(CHOH)_3-CO-CH_2OH$

Изомер глюкозы
Более сладкая, чем глюкоза
Не даёт реакцию серебряного зеркала (нет $-CHO$!)
Даёт реакцию с $Cu(OH)_2$ без нагр. (многоатомный спирт)
При гидрировании → сорбит (как глюкоза)

5. Сахароза $C_{12}H_{22}O_{11}$

Состоит из остатков α-глюкозы и β-фруктозы.

⭐ Невосстанавливающий дисахарид!

Сахароза не даёт реакцию серебряного зеркала и не восстанавливает $Cu(OH)_2$ при нагревании (нет свободной альдегидной группы).

Гидролиз

$C_{12}H_{22}O_{11} + H_2O \xrightarrow{H^+} C_6H_{12}O_6 + C_6H_{12}O_6$
глюкоза фруктоза

6. Мальтоза $C_{12}H_{22}O_{11}$

Состоит из двух остатков α-глюкозы. Промежуточный продукт гидролиза крахмала.

$C_{12}H_{22}O_{11} + H_2O \xrightarrow{H^+} 2C_6H_{12}O_6$ (глюкоза)

Мальтоза — восстанавливающий дисахарид (даёт серебряное зеркало).

7. Крахмал $(C_6H_{10}O_5)_n$

Состоит из остатков α-глюкозы. Содержит амилозу (10-20%) и амилопектин (80-90%).

⭐ Качественная реакция — йод!

🔵 Крахмал + $I_2$ → синее окрашивание

Качественная реакция на крахмал. При нагревании окраска исчезает, при охлаждении — возвращается.

Гидролиз крахмала

$(C_6H_{10}O_5)_n \xrightarrow{H^+, t} nC_6H_{12}O_6$ (глюкоза)

Не даёт реакцию серебряного зеркала
Не растворяется в холодной воде (набухает в горячей)

8. Целлюлоза $(C_6H_{10}O_5)_n$

Состоит из остатков β-глюкозы. Линейное строение. Самый распространённый полисахарид.

Крахмал vs Целлюлоза

Одна формула $(C_6H_{10}O_5)_n$, но разные свойства!
Крахмал: α-глюкоза, спиральная, даёт синее с йодом.
Целлюлоза: β-глюкоза, линейная, не даёт синее с йодом.

Гидролиз

$(C_6H_{10}O_5)_n + nH_2O \xrightarrow{H^+, t} nC_6H_{12}O_6$ (труднее, чем крахмал!)

Нитрование (пироксилин)

$[C_6H_7O_2(OH)_3]_n + 3nHNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4} [C_6H_7O_2(ONO_2)_3]_n + 3nH_2O$

Тринитрат целлюлозы — пироксилин (взрывчатое вещество).

Ацилирование (ацетатное волокно)

$[C_6H_7O_2(OH)_3]_n + 3nCH_3COOH \xrightarrow{кат.} [C_6H_7O_2(OOCCH_3)_3]_n + 3nH_2O$

Триацетат целлюлозы → ацетатное волокно.

9. Получение глюкозы

1

Гидролиз крахмала

$(C_6H_{10}O_5)_n + nH_2O \xrightarrow{H^+, t} nC_6H_{12}O_6$

2

Синтез из формальдегида Бутлеров

$6CH_2O \xrightarrow{Ca(OH)_2} C_6H_{12}O_6$

3

Фотосинтез

$6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{h\nu, хлорофилл} C_6H_{12}O_6 + 6O_2$

Практические задания

Задача 1. Глюкоза vs фруктоза

Решение

Как различить глюкозу и фруктозу химическим путём?

Реакцией серебряного зеркала (или Cu(OH)₂ при нагревании):

Глюкоза (альдоза) → даёт Ag↓ или Cu₂O↓.

Фруктоза (кетоза) → не даёт (нет группы -CHO).

Задача 2. Серебряное зеркало и дисахариды

Решение

Какие дисахариды дают реакцию серебряного зеркала: сахароза, мальтоза?

Мальтоза — да (восстанавливающий, есть свободная -CHO).

Сахароза — нет (невосстанавливающий, альдегидная группа занята в гликозидной связи).

Задача 3. Гидролиз крахмала

Решение

Напишите цепочку: крахмал → глюкоза → этанол → этилен.

1) $(C_6H_{10}O_5)_n + nH_2O \xrightarrow{H^+, t} nC_6H_{12}O_6$

2) $C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{дрожжи} 2C_2H_5OH + 2CO_2$

3) $C_2H_5OH \xrightarrow{H_2SO_4, 170°C} C_2H_4 + H_2O$

Задача 4. Крахмал vs целлюлоза

Решение

Как различить крахмал и целлюлозу, если формула одинакова?

Раствором йода: крахмал даёт синее окрашивание, целлюлоза — нет.

Причина: крахмал построен из α-глюкозы (спиральная амилоза ловит йод), целлюлоза — из β-глюкозы (линейная).

Задача 5. Нитрование целлюлозы

Решение

Напишите уравнение полного нитрования целлюлозы. Какой продукт получается?

$[C_6H_7O_2(OH)_3]_n + 3nHNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4} [C_6H_7O_2(ONO_2)_3]_n + 3nH_2O$

Образуется тринитрат целлюлозы (пироксилин) — бездымный порох.