"Вуглеводи.Класифікація.Будова молекул.Фізичні та хімічні властивості."

                                         - обширний клас природних сполук, котрі відіграють важливу роль в житті людини, тварин, рослин.

              Назву «в у г л е в о д и» ці сполуки отримали тому, що склад багатьох із них виражається загальною формулою Сn(H₂O)m, тобто формально являється сполукою вуглецю і води.

               З розвитком хімії вуглеводів було виявлено сполуки, формули яких не відповідають наведеній формулі, але відповідають властивостям класу (наприклад дезоксирибоза С₅Н₁₀О₄). В той же час є речовини, що відповідають формулі, але не проявляють їх властивостей (наприклад шестиатомний спирт інозит С₆Н₁₂О₆).

Біологічна роль

               Найбільш поширені в природі органічні сполуки: Вони являються компонентами клітин усіх рослинних і тваринних організмів.

                Утворюються в процесі фотосинтезу:

                                                            hυ

               nCO₂    +  mH₂O                             Cn(H₂O)m    +   nO₂

                                                          хлорофіл           вуглеводи

               Тварини не здатні фотосинтез вати, тому використовують вуглеводи, синтезовані рослинами. Вуглеводи складають значну частку їжі ссавців.

               В процесі дихання відбувається окиснення вуглеводів, в результаті чого виділяється енергія, необхідна для функціонування живих організмів:

                Cn(H₂O)m  +  nO₂              nCO₂  +  mH₂O   +  енергія

  1г вуглеводнів звільняє 17,6 КДж енергії. Частина енергії перетворюється в тепло, а друга частина акумулюється в АТФ і потім використовується в процесах життєдіяльності. Вони являються джерелом запасної енергії (в рослинах – крохмаль, в тваринах – глікоген). В рослинних організмах вуглеводи являються основою клітинної мембрани. Як один із структурних компонентів вуглеводи входять до складу нуклеїнових кислот.

Класифікація вуглеводів

                 Всі вуглеводи ділять на 2 групи: прості вуглеводи, або моносахариди і складні вуглеводи.

   Прості ВВ – не гідролізуються з утворенням більш простих.

   Складні ВВ – це ВВ молекули яких складаються із двох або більше залишків

                           Моносахаридів і розкладаються на них при гідролізі.

Моносахариди

                  Сполуки із змішаними функціями. Вони містять альдегідну або кетогрупу і декілька гідроксильних груп, тобто являються альдегідоспиртом або кетоспиртом.Значить вуглеводи – полігідроксікарбонільні сполуки.

      Моносахариди з альдегідною групою – альдози, з кетогрупою – кетози.

 По числу вуглецевих атомів діляться на:  тетрози,  пентози,  гексози … 

Структура моносахаридів

                  Для зображення будови використовують проекційні формули Фішера (в одну лінію). Нумерація ланцюга починається з альдегідної групи.

       Моносахариди Dряду мають групу ОН зправа 

                  О

            С

                   Н

     Н -- С – ОН

  ОН – С – Н

     Н -- С – ОН

     Н -- С – ОН

            СН₂ОН

          Фізичні властивості – б/б кристалічні речовини, солодкі, гарно розчинні у воді, нерозчинні у ефірі, погано розчинні у спирті.  Солодкість різна. Фруктоза в 3 рази солодша глюкози.

Хімічні властивості

-         Це сполуки зі змішаними функціями. Хімічні властивості обумовлені наявністю:

1.      – карбонільної групи у відкритих формах;
2.     – спиртових гідроксильних груп;
3.      – напівацетальні форми гідроксильної групи (в цикл.формах).

І. Реакції за участі альдегідної групи (тобто властивості як

                                                     альдегіду з утворенням багатоатомного спирту)

1). Відновлення (гідрування)

                                                  2). Окиснення

                    Глюкоза легко окиснюється.

     1). Під дією слабких окисників (м’яких) – глюконова кислота.

До цього числа реакцій відносяться реакції з аміачним розчином Аg₂О і Сu(ОН)₂ в лужному середовищі при нагріванні.

                                                                                 О

        В ході цих реакцій альдегідна група   -С         окиснюється

                                        О                                             Н

до карбоксильної   - С

                                        ОН

            2). Окиснення під дією сильних окисників (наприклад HNO₃) з утворенням двохосновної глюкарової кислоти.

ІІ. Реакції глюкози за участю групи ОН

(тобто властивості як багатоатомного спирту)

1. Взаємодія на холоді з Cu(OH)₂ з утворенням глюконату міді(ІІ) – якісна реакція на глюкозу як багатоатомний спирт.

                                                                                     Н

         ОН                                             О               :O

  2С₆Н₁₀О₄           + Сu(ОН)₂          С₆Н₁₀             Cu                C₆H₁₀   +  2H₂O

                    OH                                             O:               O

                                блакитний               H

     Глюкоза                       осад                     глюконат Сu(ІІ) (темно-синій)

2. Взаємодія з галоген алканами з утворенням простих ефірів.

ІІІ. Бродіння (ферментативне) моносахаридів

-         Це розщеплення моносахаридів під впливом біологічних каталізаторів – ферментів, що виробляються мікроорганізмами. Різні мікроорганізми викликають різні види бродіння.

                      1). Спиртове бродіння:

           С₆Н₁₂О₆     фермент дрож.  2С₂Н₅ОН  +  2СО₂

           Глюкоза                                 етиловий спирт

                      2). Маслянокисле бродіння:

           С₆Н₁₂О₆  фермент  СН₃ – СН₂ – СН₂ – СООН  +  2Н₂    +  2СО₂

                                                       Масляна кислота

                          3). Молочнокисле бродіння:

            С₆Н₁₂О₆   фермент   2СН₃  - СН – СООН          (утворюється в організмі вищих

                                                         ОН молочна к-та    тварин при м’язових скороченнях)

                          4). Лимоннокисле бродіння:

                                                                        СООН

          С₆Н₁₂О₆  +  [О]          НООС – СН₂ – С – СН₂ – СООН   +  2Н₂О

                                                                        ОН  лимонна к-та

        D – глюкоза (виноградний цукор) широко поширений в природі: міститься в винограді, інших плодах, меді.

         Являється обов’язковим компонентом крові та тканин тваринних організмів і безпосередньо джерелом енергії.

          Рівень вмісту глюкози в крові постійний ≈ 0,08 – 0,11%. В усьому V крові міститься ≈ 5-6г. глюкози.

          При деяких паталогіях, наприклад цукровому діабеті, вміст глюкози в крові підвищується і надлишок її виводиться з сечею. При цьому кількість глюкози в сечі зростає до 12% замість 0,1%.

          В промисловості глюкозу добувають гідролізом крохмалю і целюлози.

                                           Застосування глюкози

   Виробництво аскорбінової                                           Харчова промисловість

   кислоти (Вітамін С)

  Глюконова кислота                                                        Текстильне виробництво

                                                                                                   (відновник)

  Сорбіт (замінник цукру                                                  Розчин глюкози для в/в

  для хворих діабетом)                                                      ін’єкцій

              D-фруктоза (фруктовий цукор) у вільному вигляді міститься в фруктах, меді. Входить до складу сахарози. Цінний харчовий продукт.

Складні вуглеводи

     Олігосахариди (oligos – «малий») низькомолекулярні цукроподібні вуглеводи, що містять від двох до десяти залишків моносахаридів (як правило гексоз), з’єднаних глікозидними зв’язками.

Дисахариди

• Дисахариди  - продукти конденсації 2-х моносахаридів.

      Найважливіші представники: сахароза, мальтоза, целлобіоза. Всі вони мають одну емпіричну формулу:

          С₁₂Н₂₂О₁₁ – тобто являються ізомерами.

Фізичні властивості

   Типові, цукроподібні              речовини гарно розчинні у воді, солодкі

   тверді, кристалічні                  на смак.

Будова

                                                                                                                       Сахароза

                                                                                                       α – 1,2 глікозидний зв'язок

Хімічні властивості

    Всі дисахариди являються багатоатомними спиртами, для них характерні властивості багатоатомних спиртів (утворення ефірів, якісна реакція на багатоатомні спирти).

                              Полісахариди – високомолекулярні нецукристі вуглеводи, що містять від десяти до сотень тисяч залишків моносахаридів (зазвичай гексоз), зв'язаних глікозидними залишками.

                    Найважливіші природні представники: крохмаль. Глікоген. Целюлоза. Це природні полімери (ВМС), мономером яких являється глюкоза. Їх загальна емпірична формула (С₆Н₁₀О₅)n.

Целюлоза або клітковина

                   Головна складова частина рослинної клітини, синтезується в рослинах (в деревині до 60% целюлози).

                  Чиста целюлоза – біла волокниста речовина, без смаку, запаху, нерозчинна у воді.

                  Молекули целюлози – це довгі ланцюги. Що складаються із залишків β глюкози, котрі з’єднуються за рахунок утворення

                                                  Структурна ланка целюлози

                                                           (β – 1,4 глікозидний зв'язок)

Хімічні властивості

             1). Гідроліз целюлози  (під дією ферментів у жвачних тварин, або при довготривалому нагріванні іде ступінчатий гідроліз целюлози).

  (С₆Н₁₀О₅)n   ^+Н₂^О   у(С₆Н₁₀О₅)_х    ^+Н₂^О    C₁₂Н₂₂О₁₁   ^+Н₂^О   n С₆Н₁₂О₆

    Целюлоза                                                            целобіоза                β – глюкоза

             2). Утворення складних ефірів

                   ОН                                Н₂SO₄                     O – NO₂

   C₆H₇O₂ – OH    + 3n   HONO₂                 C₆H₇O₂ – O – NO₂       +  3n  H₂O

                   OH              Нітратна                                  O – NO_{2  n}

      Целюлоза                           к-та                          тринітроцелюлоза

                                                                                                                   О    

                   ОН                             О                              O – С

                                                                                    Н₂SO₄                                            О  СН₃   

   C₆H₇O₂ – OH    + 3n   СH₃ – С                  C₆H₇O₂ – O – С               n     + 3n H₂O

                                                                                                                                        О  СН₃

                   OH                             ОН                            O – С

                                                                                                                                               СН₃

          целюлоза                 Оцтова кислота                 триацетат целюлози 

               3). Горіння – повне окиснення :

                                              t^o

             (С₆Н₁₀О₅)_n   +  6_nO₂              6_nCO₂   +  5_nH₂O

             Целюлоза 

Застосування целюлози

               Целюлоза – основна частина деревини.