Конспект. Конспект лекции по теме_Углеводы - моносахариды, дисахариды, пол. Углеводы, их классификация и своймтва

• Название: Углеводы, их классификация и своймтва
• Анкор: Конспект
• Дата: 24.04.2023
• Размер: 74 Kb.
• Имя файла: Конспект лекции по теме_Углеводы - моносахариды, дисахариды, пол.docx
• Тип: Лекция; #1084554

Химия

Лекция

Тема: Углеводы, их классификация и своймтва
Углеводы широко распространены в живой природе, особенно в растительном мире, и составляют основную массу органических веществ нашей планеты. Так, на долю углеводов приходится до 80% сухой массы растений. К углеводам относятся раз­личные сахаристые вещества (глюкоза, фруктоза, сахароза), крах­мал, клетчатка. Название «углеводы» историческое, оно сохра­нилось еще с тех времен, когда строение этих соединений было неизвестно, но установлен их состав, отвечающий общей форму­ле Сn(Н₂O)m, где n, m > 3. В этой формуле углеводы предстают как соединения углерода с водой — «угле-воды». Состав углево­дов в большинстве случаев отвечает этой формуле.

В зависимости от строения углеводы подразделяют на моносахариды, дисахариды (олигосахариды) и полисахариды.

Моносахариды

Моносахариды — это углеводы, которые не гидролизуются с образованием более простых углеводов.

В молекулах моносахаридов может содержаться от четы­рех до десяти атомов углерода. Их названия образуют от соот­ветствующих греческих числительных с добавлением окончания -оза. Поэтому по числу атомов углерода в молекуле моносаха­риды делят на тетрозы, пентозы, гексозы и т. д. Наибольшее значение имеют гексозы С₆Н₁₂О₆ и пентозы С₅Н₁₀О₅.

Наиболее распространенными среди моносахаридов являют­ся глюкоза и фруктоза.

Глюкоза

Глюкоза— это бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, сладкое на вкус (от греч. glykys — сладкий). Она содержится в соке винограда, поэтому ее называют виноградным сахаром, а также в спелых фруктах и ягодах, в меде.

Строение молекулы. Состав глюкозы (установил И. Берцелиус) выражается формулой С₆Н₁₂О₆, ее строение доказано экспериментально. Так:

• 
  при восстановлении глюкозы образуется гексан. Это свидетельствует о том, что в основе скелета молекулы находится неразветвленная углеродная цепь;
  
• 
  водный раствор глюкозы имеет нейтральную реакцию (не сменяет окраску индикаторов), она не образует солей. Следовательно, глюкоза не содержит карбоксильную группу;
  
• 
  она дает реакцию «серебряного зеркала», что говорит оналичии альдегидной группы в ее молекуле;
  
• 
  получен сложный эфир глюкозы, в молекуле которого содержится пять остатков уксусной кислоты, что доказывает присутствие в ее молекуле пяти гидроксильных групп.
  

На основании этих данных химическое строение глюкозы можно выразить формулой:

6 5 4 3 2 1 О О

СН₂ОН – СНОН- СНОН- СНОН- СНОН- С или СН₂ОН – (СНОН)₄ – С

Н Н

Таким образом, глюкоза – это альдегидоспирт (альдоза).
Химические свойства. Глюкоза является бифункциональным соединением, для которого характерны свойства альдегидов и многоатомных спиртов, а также ряд специфических свойств.

I. Реакции с участием альдегидной групп ы. Эти реакции Протекают с альдегидной формой глюкозы.

Реакции окисления (качественные реакции).

Глюкоза как альдегид обладает восстановительными свойства­ми и вступает в реакцию с аммиачным раствором оксида серебра (реакция «серебряного зеркала»), окисляясь при этом в глюко­новую кислоту:

О О

СН₂ОН-(СНОН)₄ - С + Ag₂О ^{аммиач. р-р} СН₂ОН-(СНОН)₄ - С +2Ag

глюкоза Н глюконовая кислота Н

Аналогично протекает окисление глюкозы и свежеприготов­ленным гидроксидом меди (II) при нагревании:

Глюкоза окисляется и бромной водой до глюконовой кисло­ты:

Лекарственный препарат глюконат кальция является солью глюконовой кислоты.

Реакции восстановления. Под действием водорода в присут­ствии катализатора альдегидная группа глюкозы восстанавливается в спиртовую группу, образуя шестиатомный спирт — сорбит;

О

СН₂ОН-(СНОН)₄ - С + Н₂ ^Ni СН₂ОН-(СНОН)₄-СН₂ОН

Н

Сорбит является исходным веществом для промышленного синтеза витамина С, он является заменителем сахара для боль­ных сахарным диабетом.

II. Реакции с участием гидроксильных групп.

Глюкоза как многоатомный спирт реагирует в циклической форме.

Взаимодействие с гидроксидом меди (II) без нагревания.

Глюкоза как многоатомный спирт (например, глицерин) реа­гирует со свежеприготовленным гидроксидом меди (II) без на­гревания (на холоду), образуя комплексное соединение ярко-синего цвета. Эту реакцию используют для обнаружения сахара в моче. Она является качественной реакцией на глюкозу.

III. Специфические свойства глюкозы.

Под действием биологических катализаторов — ферментов, вырабатываемых микроорганизмами, глюкоза способна подвер­гаться расщеплению. Эту реакцию называют брожением. В за­висимости от природы фермента различают спиртовое, молочно­кислое, маслянокислое и т. д. брожение. Название процесса оп­ределяется конечным продуктом реакции. Так, под влиянием ферментов дрожжей происходит спиртовое брожение, использу­емое в виноделии, пивоварении:
С₆Н₁₂О₆ ^{ферменты дрожжей} С₂Н₅ОН + 2СО₂

этиловый спирт
С₆Н₁₂О₆ ^{ферменты} 2СН₃ – СН - СООН

ОН молочная кислота
Эта реакция лежит в основе производства молочнокислых продуктов (простокваши, сметаны, творога, сыра). Молочная кислота образуется также при квашении капусты и огурцов, силосовании зеленых кормов для скота. Она выполняет при этом консервирующее действие, препятствуя развитию процессов гниения.

Биологическая роль и применение глюкозы. В природе глюкоза образуется в процессе фотосинтеза, протекающего под действием энергии солнца в зеленых растениях

фотосинтез

6СО₂ + 6Н₂О С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ - 2816 кДж

В процессе этой реакции глюкоза аккумулирует энергию Солнца, которая становится доступной живым организмам. Ежегодно в результате фотосинтеза образуется приблизительно по 20 т органического вещества на каждого жителя Земли, при этом усваивается около 200 млрд. т углекислого газа и выделяется в атмосферу около 145 млрд. т свободного кислорода.

В живых организмах большая часть глюкозы (примерно 70% подвергается окислению кислородом воздуха по реакции, обратной процессу фотосинтеза:



6СО₂ + 6Н₂О ^{дыхание} С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ + 2816 кДж

При этом выделяется такое же количество энергии, которое было поглощено при образовании глюкозы. Эта энергия используется для обеспечения процессов жизнедеятельности организма (сокращение мышц, синтез веществ и т. д.).

Глюкоза является не только источником энергии, но она служит и исходнымвеществом для синтеза многих других необходимых живому организму соединений (гликогена, жиров, аминокислот) — в этом заключается ее вторая важная биохимическая роль.

Глюкоза является необходимым компонентом крови, уровень ее содержания находится в пределах 0,08—0,11%. При некоторых заболеваниях, например сахарным диабетом, содержание глюкозы в крови повышается и избыток ее выводится с мочой. При этом количество глюкозы в моче может возрасти до 12% против обычного 0,1%.

Глюкозу применяют в медицине как средство усиленного питания и как лекарственное вещество, в кондитерском производстве (изготовление карамели, мармелада, пряников и т. д.), она входит в состав напитков. Глюкоза является восстановите­лем, поэтому ее используют для изготовления зеркал, елочных украшений (серебрение), а также в текстильной промышленнос­ти при крашении.

В промышленности глюкозу получают гидролизом крахмала и целлюлозы.
Фруктоза (фруктовый сахар) имеет такую же, как и глюко­за, молекулярную формулу (С₆Н₁₂О₆), но отличается строением:

СН₂ОН – СНОН – СНОН – СНОН – С - СН₂ОН

О

Фруктоза — кетоноспирт (кетоза), она является структур­ным изомером глюкозы.

Фруктоза, подобно глюкозе, может существовать в линейной и циклических формах, но, в отличие от глюкозы, ее цикл является пятичленным, содержащим атом кислорода. В водных растворах разные формы фруктозы находятся в равно­весии друг с другом.

Фруктоза — кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, в три раза слаще глюкозы. В свободном виде содержится з ягодах и фруктах. Пчелиный мед представляет собой смесь глюкозы и фруктозы.
Химические свойства. Фруктоза обладает свойствами мно­гоатомных спиртов и кетонов. Как многоатомный спирт фрукто­за дает ярко-синее окрашивание с гидроксидом меди (II) без на­гревания, образует простые и сложные эфиры. А наличие карбо­нильной группы в молекуле доказывается тем, что при ее вос­становлении образуется шестиатомный спирт — сорбит.

В отличие от глюкозы фруктоза не окисляется аммиачным раствором оксида серебра (I) (не дает реакции «серебряного зеркала»), она не окисляется и бромной водой. Объясните, поче­му?
Вопросы.

- Реакцию «серебряного зеркала» дают:

а) этилен, этиленгликоль, глюкоза; б) рибоза, глицерин, сахароза;

в) фруктоза, уксусная кислота, ацетальдегид; г) муравьиная кислота, глюкоза, формальдегид.

• 
  Рассчитайте, какое количество вещества глюкозы и фруктозы можно по­лучить при гидролизе 5 моль сахарозы.
  
• 
  Сахарозу массой 25 г подвергли кислотному гидролизу. Вычислите мас­совую долю выхода продуктов реакции, если при нагревании их с аммиачным раствором оксида серебра (I) образовалось 27 г осадка.
  

Дисахариды – углеводы, которые гидролизуются с образованием двух молекул моносахаридов.

Они широко распространены в природе: содержатся во многих фруктах и овощах. Наиболее распространенными являются сахароза, мальтоза и лактоза.

Общая формула дисахаридов С₁₂Н₂₂О₁₁

Получение и применение. Сахароза – самый распространенный из всех сахаров. Она содержится во всех частях зеленых растений. Наиболее богаты сахарозой сахарная свекла (16-20%) и сахарный тростник (14-26%). Из этих растений и получают сахарозу, называя ее соответственно свекловичным или тростниковым сахаром. Применяют ее главным образом в пищевой промышленности. Сахароза является одним из основных источников углеводов в пище человека.
Полисахариды — это природные высокомолекулярные уг­леводы, макромолекулы которых содержат сотни и тысячи остатков моносахаридов.

Молекулы полисахаридов можно рассматривать как про­дукт поликонденсации моносахаридов. Общим для их строения является то, что остатки моносахаридов связываются за счет гликозидного гидроксила одной молекулы и спиртового гидро­ксила другой и т. д. Каждый остаток моносахарида связан с соседними остатками гликозидными связями.

Наибольшее значение из полисахаридов имеют крахмал, гли­коген (животный крахмал), клетчатка (целлюлоза). Все эти полисахариды состоят из молекул циклической глюкозы, раз­личным образом соединенных друг с другом. Их состав выража­ется общей формулой

(С₆Н₁₀О₅)_n

В отличие от моно- и дисахаридов, полисахариды не облада­ют сладким вкусом, не растворимы в воде.

Крахмал

Строение. Крахмал является неоднородным веществом. Он представляет собой смесь двух полисахаридов, различающихся числом элементарных звеньев и строением макромолекулярной цепи: амилоза имеет линейную структуру; амилопектин – имеет разветвленную структуру.

Физические и химические свойства. Крахмал представляет собой аморфный порошок белого цвета, нерастворимый в холодной воде; в горячей воде он набухает, образуя коллоидный раствор — клейстер.

Крахмал, подобно сахарозе, не дает реакции «серебряного зеркала» и не восстанавливает гидроксид меди (II).

Поскольку крахмал является высокомолекулярным многоатомным спиртом, он может вступать в реакции образования простых и сложных эфиров. Но эфиры крахмала не имеют практического значения.

Для крахмала характерно:

• 
  образование с раствором иода комплексного соединен синего цвета — качественная реакция на крахмал;
  

Эта реакция обусловлена наличием в крахмале амилозы. Амилопектин под действием иода окрашивается в фиолетов цвет.

• 
  способность последовательно (ступенчато) гидролизоваться. Сначала образуются обрывки цепей меньшей длины декстрины, затем мальтоза и далее конечный продукт глюкоза.
  

крахмал ^Н₂^О декстрин ^Н₂^О мальтоза ^Н₂^О глюкоза где m < n

(С₆Н₁₂О₅)n (С₆Н₁₂О₅)m С₁₂Н₂₂О₁₁ С₆Н₁₂О₆
Нахождение в природе. Крахмал широко распространен в природе. Он является одним из продуктов фотосинтеза. Часть глюкозы, образующейся в зеленых растениях при фотосинтезе, превращается в крахмал:

6СО₂ + 6Н₂О ^{фотосинтез} С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ nС₆Н₁₂О₆ ^{фотосинтез} (С₆Н₁₀О₅)_п + nН₂О,

глюкоза крахмал

или в общем виде:
6nСO₂ + 5nН₂O ^{фотосинтез} (С₆Н₁₀О₅)_n + 6nO₂,
который в качестве резервного питательного вещества накапли­вается в клубнях, плодах, семенах растений. Так, клубни карто­феля содержат до 24% крахмала, зерна пшеницы — до 64%, риса — 75%, кукурузы — 70%.
Получение и применение. Получают крахмал из клубней картофеля или из кукурузы и риса. Применяют его в пищевой промышленности в качестве загустителей и желирующих средств.

В кондитерском производстве крахмал перерабатывают в па­току (смесь декстринов и глюкозы), которую используют для приготовления джемов, мармелада, конфет и т. д. Глюкоза, по­лученная гидролизом крахмала, идет на производство этанола, молочной кислоты и других ценных продуктов. Он используется з медицине в качестве наполнителей (в мазях и присыпках), как клеящее средство.

Крахмал применяют для накрахмаливания белья. Под горя­чим утюгом происходит частичный гидролиз крахмала и пре­вращение его в декстрины. Последние образуют на ткани плот­ную пленку, которая придает блеск ткани и предохраняет ее от загрязнения.
Биологическая роль крахмала. Гликоген. Крахмал являет­ся ценным питательным продуктом и наряду с сахарозой основ­ным источником углеводов в организме человека. Он входит в состав хлеба и картофеля, круп, макаронных и кондитерских изделий. Непосредственно крахмал не усваивается организмом, он сначала подвергается гидролизу под влиянием ферментов. Этот процесс начинается уже при пережевывании пищи в полости рта под действием фермента слюны — птиалина. При этом ощу­щается сладкий вкус, который не свойственен крахмалу, а обус­ловлен наличием декстринов. Последние, в отличие от крахма­ла, растворимы в воде. В пищеварительном тракте продолжает­ся гидролиз крахмала до глюкозы. Часть образующейся глюко­зы усваивается сразу организмом, а остальная часть (избыток ее) превращается в гликоген (животный крахмал).

Гликоген — полисахарид, по строению аналогичен амилопектину крахмала, но его молекулы более разветвлены и име­ют большую относительную молекулярную массу (от 1 до 15 миллионов). Гликоген накапливается в печени и мышцах. В организме человека и животных он является резервным пита­тельным веществом, как крахмал в растениях, который по мере необходимости гидролизуется до глюкозы.
Вопросы.

1. Объясните, почему мороженый картофель обладает сладким вкусом, а вареный клеящими свойствами.

2. Объясните, почему продукты, содержащие крахмал, подвергают действию высокой температуры (картофель варят, хлеб пекут).

3. Для установления спелости фрукта на него необходимо подействовать:

а) водой; б) щелочью; в) серной кислотой; г) раствором иода.

4. Распознайте растворы глюкозы, сахарозы и крахмала. Составьте пла опыта и уравнения реакций.

5. Осуществите следующие превращения:

крахмал —> глюкоза —> этанол —> оксид углерода (IV) —> глюкоза.

Вычислите количество вещества оксида углерода (IV), образующееся на третьей стадии, если было взято 243 г крахмала.

6. Составьте схемы реакций, которые нужно провести для получения глюконата кальция из крахмала.

7. Из одной тонны картофеля, содержащего 20% крахмала, получили 100 л этанола (р = 0,8 г/см³). Рассчитайте выход продукта реакции.
Целлюлоза

Строение. Целлюлоза (клетчатка), как и крахмал, являете природным полимером, структурной единицей которого является остаток циклической глюкозы. Эти вещества имеют одинаковую молекулярную формулу (С₆Н₁₀О₅)_n. Однако макромолекулы целлюлозы в отличие от крахмала:

— содержат большее число структурныхзвеньев (остатков глюкозы) — до 40 тысяч; их относительная молекулярная мае достигает нескольких миллионов;

• 
  имеют только линей­ную структуру (вид нитей);
  
• 
  соединены между со­бой водородными связями, в образовании которых уча­ствуют гидроксильные груп­пы остатков глюкозы. Это обеспечивает высокую меха­ническую прочность целлюлозы.
  

Физические и химические свойства. Различие в строении макромолекул крахмала и целлюлозы обусловливает некоторое различие их физических и химических свойств. Целлюлоза твердое волокнистое вещество белого или серого цвета, нерастворимое в воде и в обычных органических растворителях.

Термическое разложение целлюлозы. При нагревании древесины без доступа воздуха происходит разложение целлю­лозы с образованием: древесного угля, метана, метанола, ук­сусной кислоты, ацетона, воды и других веществ.

Целлюлоза, как и крахмал, не дает реакции «серебряного зеркала».

Нахождение в природе, биологическая роль, получение и применение целлюлозы. Целлюлоза еще более распространена в природе, чем крахмал. Она является строительным материа­лом растений, образуя в них оболочки клеток. Волокна хлопка, льна, конопли состоят, главным образом, из целлюлозы. В дре­весине ее содержится примерно 50%, в траве и зеленых листь­ях — до 25%. Целлюлоза так же, как и крахмал, образуется в зеленых растениях в процессе фотосинтеза.

Целлюлозу в промышленности выделяют из древесины. По­лучение целлюлозы сводится к отделению ее от других соедине­ний, присутствующих в древесине. Образцами почти чистой цел­люлозы являются вата, полученная из очищенного хлопка, и фильтровальная бумага.

В организмах многих животных и человека нет фермента, способного гидролизовать целлюлозу, поэтому она, в отличие от крахмала и гликогена, не усваивается и не может служить про­дуктом питания. Но такой фермент вырабатывается некоторыми микроорганизмами, живущими в желудках жвачных животных (коровы, овцы), некоторых насекомых (например, термитов), а также в почве. Указанные животные могут питаться целлюло­зой.

Большое значение имеет целлюлоза как источник глюкозы и узлового спирта. Ее используют в строительном и столярном деле и как топливо (древесина); в виде волокнистых материалов (лен, конопля, хлопок) она идет на изготовление тканей — хлоп­чатобумажных и льняных. Целлюлоза является сырьем для по­лучения бумаги и картона, искусственного шелка и корма для скота.
Вопросы.

1. Укажите: а) что общего в строении макромолекул крахмала и целлюлозы;

б) отличаются по строению макромолекулы целлюлозы от крахмала.

2. Рассчитайте, сколько звеньев С₆Н₁₀О₅ содержится в молекуле целлюлозы льняного волокна (М_г=5 900 000).