"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

 

Н     О                 С          Н – С – ОН       НО – С – Н       О          Н – С – ОН          Н -- С                 СН2ОН      Формула Фішера		6                 СН2ОН                     5                                  О        Н      Н                         Н         4                                           1                             ОН            Н                                           ОН        3                  2        ОН                  Н             ОН     Формула Хеуорса
СН2ОН                                                                                       О        Н      Н                         Н                                                                         ОН            Н                                           ОН                                                                 Н             ОН              α - D глюкоза	О             С                    Н      Н -  С – ОН   ОН – С – Н      Н -  С – ОН      Н -  С – ОН             СН2ОН           Глюкоза (альдегідна форма)		СН2ОН                                                                                       О        Н      Н                                                                                                 ОН            Н                                           ОН                                     Н                            Н             ОН         β – D глюкоза

 

          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)

 

О             С                    Н      Н -  С – ОН   ОН – С – Н      Н -  С – ОН      Н -  С – ОН             СН2ОН              Глюкоза

Nі + H2

СН2ОН (СНОН)4   СН2ОН      Глюцит    (сорбіт)

(В ході реакції карбонільна група о - с – відновлюється і утворюється нова спиртова група)

                                                  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             С                    Н      Н -  С – ОН   ОН – С – Н      Н -  С – ОН      Н -  С – ОН             СН2ОН              Глюкоза	NH4OH + Ag2O                       t0	СООН                 Н -  С – ОН   ОН – С – Н      Н -  С – ОН      Н -  С – ОН             СН2ОН    Глюконова кислота (її сіль глюконат Са – лікарська речовина)	+ 2Ag
О             С                    Н      Н -  С – ОН   ОН – С – Н      Н -  С – ОН      Н -  С – ОН             СН2ОН	+ Cu(OH)2	О             С                    OН      Н -  С – ОН   ОН – С – Н      Н -  С – ОН      Н -  С – ОН             СН2ОН	+ Cu2O   + 2H2O   Цегляний

                                                                                 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.

О             С                    Н      Н -  С – ОН   ОН – С – Н      Н -  С – ОН      Н -  С – ОН             СН2ОН

HNO3         t0

СООН                 Н -  С – ОН   ОН – С – Н      Н -  С – ОН      Н -  С – ОН             СOОН Глюкарова кислота

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.

СН2ОН                                                      О          Н    Н                       Н                                                                                 ОН            Н                                           ОН                                  ОН                  Н             ОН                α - глюкоза

Аg2O + 5СН3І

СН2ОCН3                                                      О         Н     Н                       Н                                                                                 ОCН3        Н                                           ОCН3                              ОCН3                  Н             ОCН3     Пентаметил – α глюкоза

+ 5НІ

       

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

 

СН2ОН                  О   Н   Н              Н                                                             ОН  ОН   Н   ОН                                               Н       ОН                        α - глюкоза

СН2ОН                   О                                                                                                                               Н +      Н    ОН НО                 СН2ОН                          НО    Н     β – фруктоза

Конденсація      гідроліз

СН2ОН                  О   Н   Н              Н                                                             НО  ОН   Н                                                   Н       ОН

СН2ОН                   О                                                                                                                               Н         Н    НО                      СН2ОН                          ОН     Н

+ Н2О

                                                                                                                       Сахароза

                                                                                                       α – 1,2 глікозидний зв'язок

 

СН2ОН                  О   Н   Н              Н                                                             ОН  ОН   Н   ОН                                               Н       ОН

СН2ОН                       О                                                                                                            Н  Н            Н +     ОН    Н НО                ОН                          Н      ОН

Конденсація      гідроліз

СН2ОН                  О   Н   Н              Н                                                             ОН  ОН   Н                                                      Н       ОН                 Мальтоза   (α –

СН2ОН                       О                                                                                                            Н  Н            Н       ОН      Н                      ОН                          Н      ОН                               1,4 глікозидний    зв'язок)

+ Н2О

 

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

СН2ОН                       О                                                                                                            Н  Н            ОН   4   ОН    Н     1    + НО                Н                           3        2         Н      ОН

СН2ОН                       О                                                                                                            Н  Н            ОН        ОН     Н          + НО                Н                                            Н      ОН

СН2ОН                       О                                                                                                            Н  Н            ОН        ОН     Н          НО                Н                                            Н      ОН

Поліконденсація            Гідроліз

 

Поліконденсація                                    О       гідроліз

СН2ОН                       О                                                                                                            Н  Н              4   ОН     Н1        О                                Н                                            Н      ОН

СН2ОН                       О                                                                                                            Н  Н              4   ОН     Н1        О                                Н                                            Н      ОН

СН2ОН                       О                                                                                                            Н  Н              4   ОН     Н1         + 4Н2О                               Н                                            Н      ОН

                                                  

                                                  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.