Методические указания. Углеводы широко распространены в природе и играют очень большую роль в жизни человека

Углеводы широко распространены в природе и играют очень большую роль в жизни человека. Они входят в состав пищи, причем обычно потребность человека в энергии покрывается при питании в большей части именно за счет углеводов.

Из производных углеводов (нуклеотидов) построены нуклеиновые кислоты, необходимые для биосинтеза белков и для передачи наследственных свойств. Производные углеводов играют большую роль в процессе фотосинтеза:

6 СО₂ + 6 Н₂О =С₆Н₁₂О₆ + 6 О₂

Некоторые виды углеводов входят в состав оболочек растительных клеток.

Общую формулу углеводов можно записать следующим образом:

C Н O

Углеводы подразделяются на простые (моносахариды или монозы) и сложные (полисахариды или полиозы). Запомните их определения, общие формулы и отношение к гидролизу. Учтите тот факт, что:

Моносахариды – это углеводы неспособные гидролизировать с образованием более простых углеводов.

Дисахариды при гидролизе образуют 2 моносахарида.

Олигосахариды – углеводы, при гидролизе которых образуется немного моносахаридов (не более 8).

Общие формулы:

Моносахаридов: С_nH_2nO_n

Полисахариды: (С₆H₁₀O₅) _n

Изучите классификацию моносахаридов по числу углеводородных атомов: триозы, тетрозы, пентозы, гексозы, и по наличию в молекуле определенной функциональной группы (альдегидной или кетонной): альдозы и кетозы.

При изучении строения моноз обратите внимание на то, что моносахариды содержат несколько центров хиральности (т.е. ассиметрических атомов С), поэтому одной и той же структурной формуле соответствует несколько стереоизомеров (энантиомеров и диастереомеров).

Энантиомеры – стереоизомеры, относящиеся друг к другу как предмет и несовместимое с ним зеркальное изображение.

Диастереомеры – стереоизомеры, которые имеют один или несколько одинаковых по строению центров хиральности.

Таким образом, для моносахаридов применимо понятие "оптическая стереоизомерия" ([2] § 144 стр.315-319; § 154,стр. 335, [1] Гл. ХХХIII стр. 253-260).

Число стереоизомеров рассчитывают по формуле 2ⁿ, где n – число, ассиметрических атомов С).

Углеродная цепь в моносахаридах нумеруется с того конца, ближе к которому старшая функциональная группа – карбоксильная.

Запомните, моносахариды записываются в виде:

а) проекционных формул Фишера, располагая углеродную цепь вертикально так, чтобы на верху находился атом С-1. расположение гидроксильной группы у "определяющего" хирального центра последнего ассиметричного атома С) слева говорит о принадлежности моносахаридов к L-ряду, справа – к D- ряду.

СНО

2 |

Н С – ОН

3|

ОН – С – Н

4 |

Н- С – ОН - D - глюкоза

5 |

Н – С– ОН

|

СН₂ОН

б) циклических формул.

Образование циклических формул объясняет:

- отсутствие некоторых альдегидных реакций (не дает окрашивание фуксин-сернистой кислоты, не реагирует с NaHSО₃).

- явление мутаротации - изменение угла вращения или изменение оптической активности растворов сахаров при стоянии из-за появления еще одного ассиметрического атома С.

- наличие диастереомеров

- особые свойства одной из гидроксильных групп (гликозидной). В растворах моносахаридов существует динамическое равновесие циклической и открытой формы (кольчато-цепная таутометрия) с помошью таутометрии можно объяснить явление муторатации.

Циклические a - и b- формы моносахаридов имеют различные углы вращения.В настоящий момент преобладает a- форма,которая по мере стояния раствора переходит в b-форму пока не устанавливается и, следовательно. постоянный угол вращения плоскости поляризации света.

в) перспективных формул Хидорзса, где циклическую формулу моносахарида условно считают плоской

пиранозный цикл фуранозный цикл

Самостоятельно изучите правила переходаот проекционных формул Фишера к перспективным формулам Хеуорзса ([1] Гл. ХХХIII стр. 260; [2] § 154 стр.339).

Необходимо изучить и запомнить строение и значение отдельных представителей пентоз: (рибоза, ксилоза, арабиноза); гексоз (фруктоза, галактоза, манноза, глюкоза).

При изучении химических свойств моносахаридов необходимо отметить, что они являются соединениями со смешанными функциями, так как проявляют свойства многоатомных спиртов и оксосоединений (альдегидов или кетонов).

Рассмотрите реакции:

а) окисление моносахаридов под действием

- реактива Толленса – комплексные аммиачные соединения серебра

О O

∕ ∕ ∕ ∕

(С₆Н₁₁О₅) – С + 2 [ Ag[ NH₃]₂OH → (С₆Н₁₁О₅) – C + 2 Ag ↓ + 3 NH₃↑ + H₂ O

\ \

H OH

- реактива Фелинга – водно-щелочной раствор, CuSO₄ (сульфата меди)

О

∕ ∕

(С₆Н₁₁О₅) – С + Cu²⁺ → Cu2О + продукты окисления

\

H

- бромной воды с образованием глюконовой кислоты.

- азотной кислоты с образованием сахарной кислоты.

б) восстановления, приводящие к образованию многоатомных спиров (альдитов)

в) реакции с участием гликозидного гидроксила:

г) спиртовых гидроксильных групп (взаимодействие с СН₃I)

д) ацилирования (взаимодействие с уксусным ангидридом)

([1] Гл. ХХХIII стр. 263-266; [2] § 155 стр.340-344).

Важным свойством моносахаридов является брожение. В зависимости от получаемого продукта различают несколько видов брожения: спиртовое, молочнокислое, маслянокислое, лимоннокислое. Обратите внимание на значение этих процессов в пищевой промышленности. Спиртовое брожение играет роль в бродильном и хлебопекарном производстве. Процессы молочнокислого брожения протекают при согревании теста, квашении овощей, силосовании растительных кормов. ([1] Гл. ХХХIII стр. 267).

Запомните формулы и строение важнейших гексоз: глюкозы, фруктозы, галактозы, маннозы. Из пентоз - арабинозы, ксилозы, рибозы.

Дисахариды – это сложные сахара, молекулы которых при гидролизе распадаются на две молекулы моносахаридов. Общая формула C H O . По физическим свойствам близки к моносахаридам (сладкий вкус, хорошая растворимость в воде).

Дисахариды делят на две группы: восстанавливающие и невосстанавливающие сахара. К восстанавливающим дисахаридам относятся мальтоза, целлобиоза и лактоза, и невосстанавливающим – сахароза. Ознакомьтесь со структурными формулами этих дисахаридов, установите различия в строении их молекул. ([1] Гл. ХХХIV стр. 275-280; [2] § 157 стр.345-347).

Гидролиз дисахаридов происходит под влиянием кислот или энзимов. Гидролиз дисахаридов – обратимая реакция. В результате гидролиза сахарозы образуется смесь D-глюкозы и D-фруктозы (протекает под действием энзима дрожжей - инвертазы):

C H O + НОН C H O + C H O

D-глюкоза D-фруктоза

Смесь D-глюкозы и D-фруктозы называется инвертным сахаром, а процесс гидролиза – инверсией. Инвертный сахар применяется в кондитерской промышленности вместо патоки как антикристаллизатор, а также при приготовлении искусственного меда.

При нагревании сахаров происходит карамелизация, что используется при приготовлении карамелей.

Продукты карамелизации – «кулеры» – на первых стадиях распада сахаров образуют вещества, обуславливающие приятный вкус. Однако при повышении температуры темнеют и приобретают горький вкус.

Карамелизация сахарозы:

2 С12Н22О11 С24Н36О18 + С12Н22О11 С36Н50О25

- 4 Н2О карамелан -4Н2О каремелен

Помните о том, что сахароза является важным продуктом питания, широко используется в пищевой промышленности как сырье.

Полисахариды - это углеводы, способные при гидролизе образовывать моносахариды, являются высокомолекулярными веществами, содержащими сотни и тысячи останков моноз. ([1] Гл. ХХХIV стр. 275-290; [2] § 158 стр.347-352).

Вопросы для самопроверки.

1.Какие соединения называются углеводами? На какие группы углеводы делятся?

2.Охарактеризуйте отличия в строении альдотетрозы и кетопентозы?

3.Как обнаружить присутствие в монозе альдегидной, кетонной, спиртовых групп?

4.Каким видам брожения подвергаются гексозы?

5.Каково различие в строении сахарозы и мальтозы? Как их отличить с помощью химических реакций.

6.Что такое «инвертный сахар»? Каково его применение?

7.Общая формула полисахаридов. Чем отличается клетчатка от крахмала по строению и свойствам?

8.Как получить спирт из крахмалсодержащего сырья, из клетчатки?

9. Какую массу древесины (в килограммах) нужно взять для получения 40 л. раствора этанола с массовой долей С₂Н₅ОН 95 %? Выход этанола составляет 80 %, массовая доля целлюлозы в древесине 50 %, плотность раствора 0,8 кг/л. Ответ: 134 кг