Література. 1. Хомченко І.Г., Загальна хімія., К.: Виша школа, 1993.

1. Хомченко І.Г., Загальна хімія., К.: Виша школа, 1993.

Вуглеводи або сахара - це речовини, склад яких звичайно виражають формулою С_х(Н₂О)_у, де параметри х і у більші або дорівнюють трьом. Існують, проте, вуглеводи, склад яких не відповідає цій загальній формулі.

Відповідно до загального складу вуглеводи формально можна розглядати як сполуки вуглецю з водою. Звідси назва цих сполук, що склалася історично, - вуглеводи. В дійсності їхня будова більш складна. До складу їх молекул входять гідроксильні групи ОН, а також залишки альдегідів (Н-С=0) або кетонів (С-О), тобто вуглеводи є альдегідоспиртами або кетоноспиртами.

Вуглеводи широко поширені в природі, вони входять до складу всіх рослинних і тваринних організмів. Наприклад, такі відомі природні сполуки, як звичайний цукор (сахароза), виноградний цукор (глюкоза), крохмаль, целюлоза, належать до вуглеводів. У рослинних організмах вуглеводи утворюються в результаті фотосинтезу, який відбувається за рахунок використання сонячної енергії з участю зеленої речовини рослин - хлорофілу. Сумарне рівняння реакцій фотосинтезу можна подати так:

Вуглеводи, що утворюються в рослинах, переходять в організм тварин з рослинною їжею. У процесі травлення вуглеводи піддаються гідролізу і розкладанню. Кінцеві продукти розкладання вуглеводів у організмі - С0₂ і вода.

Відповідно до будови вуглеводи поділяють на групи: моносахариди - найпройстіші вуглеводи, олігосахариди - продукти конденсації двох або кількох молекул моносахаридів і полісахариди - продукти конденсат, більшої кількості молекул моносахаридів, полімерні вуглеводи.

Моносахариди. Залежно від числа атомів вуглецю в молекулі розрізняють тріози, тетрози, пентози, гексози і т. д. Наведемо, приклади таких моносахаридів:

Кетотріола Альдотетроза

Префікси альдо- або кето- показують, де розміщена карбонільна група: на кінці молекулярного ланцюга чи в середині його. Найбільше значення з моносахаридів мають глюкоза і фруктоза.

Глюкоза - альдогексоза складу С₂Н₁₂О₆ Вона трапляється у рослинних і тваринних організмах. Так, її багато в соці винограду, тому її називають виноградним цукром. Вона міститься також і в інших фруктах і ягодах, у меду, в крові людини.

Глюкоза - безбарвна кристалічна речовина, розчинна у воді. Вивчення хімічної будови і властивостей цього моносахариду показало, що він може існувати в різних формах: альдегідній і двох циклічних, які одночасно співііснують і можуть переходити одна в одну:

У наведених формулах циклічних структур для відображення їх просторової будови шестикутний цикл показаний розміщеним горизонтально (перпендикулярно до площини малюнку), а замісники - над або під циклом. Явище одночасного існування кількох форм однієї речовини, які перебувають у рівновазі, називається таутомерією. Таутомерні форми не є ізомерами, оскільки не можуть бути виділені в індивідуальному стані, а завжди співіснують разом.

Гідроксильна група біля першого атома вуглецю (С,) в α- і β- формах глюкози називається глікозидною. При переході глюкози в альдегідну форму за рахунок цієї гідроксильної групи утворюється карбонільна група.

Ізомером глюкози є фруктоза або фруктовий цукор. Склад цієї речовини також відповідає формулі С₆Н₁₂О₆ але на відміну від глюкози фруктоза є кетоноспиртом. Фруктоза має три таутомерні форми, дві з яких - циклічні:

Фруктоза міститься у багатьох фруктах і меду.

Хімічні властивості глюкози обумовлені наявністю гідроксильних і карбонільної (в альдегідній формі) груп.

1) Глюкоза як спирт вступає в реакції етерифікації з органічними кислотами, утворюючи складні ефіри, наприклад:

2)Як альдегід, глюкоза легко окислюється. Під дією аміачного розчину оксиду срібла глюкоза вступає в реакцію срібного дзеркала, окислюючись до спирта кислоти. Глюкоза окислюється також гідроксидом міді (II) з утворенням червоно - коричневого оксиду міді (І) Cu₂О. Ця реакція є якісною на глюкозу. Звичайно для її здійсненя використовують реактив Фелінга: розчин CuSO₄ в гідроксиді натрію з деякими добавками.

При повному окисленні глюкоза руйнується до СО₂ і води:

3)Глюкоза може бути відновлена до шестиатомного спирту - сорбіту:

4)Під час взаємодії глюкози з метанолом при наявності хлороводню утворюються глюкозиди:

Водень у глікозидному гідроксилі заміщений на групу СН₃, в результаті глікозиди можуть існувати тільки в циклічній формі і альдегідних властивостей не виявляють.

5) Під дією органічних каталізаторів - ферментів - глюкоза піддається бродінню. Один з видів бродіння - спиртове бродіння, в результаті якого утворюється етиловий спирт: С₆Н₁₂O₆→2С₂Н₅ОН+2СO₂. Інший вид - молочнокисле бродіння: С₆Н₁₂О₆→2СН₃-СНОН-СООН

молочна кислота

Глюкоза у великих кількостях виробляється промисловістю. Вона є цінним харчовим продуктом, лікувальним препаратом.

Фізичні властивості. Моносахариди представляють собою тверді кристалічні речовини. Усі вони гігроскопічні, добре розчинні у воді, легко утворюють сироп, із якого їх виділити у кристалічному виді дуже тяжко. У спирті моносахариди розчиняються погано, у ефірі зовсім не розчинні. Розчини моносахаридів мають нейтральну реакцію на лакмус та взагалі мають солодкий смак. Солодкість різних моносахаридів дуже різна. Наприклад, фруктоза приблизно у три рази солодша за глюкозу. Розчини моносахаридів володіють оптичною активністью, для них характерно явище мутаротації.

Олігосахариди - це продукти, побудовані з двох або кількох (до десяти) моносахаридів. Серед них найбільше значення мають дисахариди. Найважливіший дисахарид - сахароза С₁₂Н₂₂О₁₁. Її називають також буряковим або тростинним цукром, оскільки сахароза міститься в цукровому буряку і цукровій тростині.

Сахароза - це безбарвна кристалічна речовина, розчинна у воді. Молекули сахарози складаються з двох залишків моносахаридів - глюкози в α-формі і фруктози у формі фруктофуранози:

Залишок глюкози сполучений із залишком фруктози за рахунок глікозидного гідроксилу, тому залишок глюкози перебуває тільки в циклічній формі. В результаті на відміну від глюкози сахароза не вступає в реакції, типові для альдегідів. Характерною властивістю сахарози (і взагалі всіх олігосахаридів) є здатність їх гідролізуватися при наявності кислот з утворенням двох моносахаридів:

Сахароза є важливим харчовим продуктом. У великих кількостях її добувають із цукрового буряка і цукрової тростини.

Полісахариди - це продукти конденсації великої кількості молекул моносахаридів. Найважливішими природними полісахаридами є крохмаль і целюлоза.

Крохмаль. Крохмаль міститься у багатьох рослинах. Його багато в зернових культурах (рисі, кукурудзі, пшениці) і в картоплі, з якої крохмаль звичайно добувають у промисловості. У рослинах крохмаль утворюється в результаті фотосинтезу. За зовнішнім виглядом крохмаль - білий порошок. У воді не розчинний. У гарячій воді крахмаль набрякає і утворює клейстер, який є колоїдним (неістинним) розчином.

Крохмаль - це суміш двох полісахаридів однакового складу (C₆H₁₀O₅)_n, - амілози і амілопектину.

Амілоза - лінійний полімер, що складається із залишків глюкози в β - формі:

Амілопектин також побудований із залишків α- глюкози, проте ці залишки сполучаються іншим способом, утворюючи розгалужену структуру:

Масова частка амілози в крохмалі звичайно становить 10-20%, амілопектину 80-90%. З будови макромолекул амілози і амілопектину видно, що в крохмалі немає карбонільних груп, тому він не виявляє хімічних властивостей, типових для альдегідів і кетонів.

Для крохмалю (і для всіх полісахаридів) характерний гідроліз. При частковому гідролізі крохмалю утворюються декстрини - полісахариди складу (С₆Н₁₀О₅)_n, молекулярна маса яких менша, ніж крохмалю. Декстрини утворюються також під час термічної обробки крохмалю. В результаті повного гідролізу крохмалю H⁺

утворюється глюкоза: (С₆Н₁₀O₅)_n+nН₂0→.nC₆H₁₂O₆

Повний гідроліз крохмалю здійснюється при наявності кислот. Гідроліз крохмалю до глюкози відбувається в процесі травлення. Глюкоза всмоктується кишками, поступає в кров і накопичується в печінці, перетворюючись там на тваринний полісахарид - глікоген. Вуглеводи з печінки йдуть на живлення всіх тканин організму.

Специфічною реакцією є взаємодія з йодом. При цьому крохмаль утворює сполуку, що має темно-синє забарвлення. Цю реакцію використовують для якісного визначення крохмалю і йоду.

Крохмаль використовується в харчовій промисловості. З нього добувають глюкозу, дестрини і патоку - продукт неповного гідролізу крохмалю (суміш глюкози і декстринів). Целюлоза входить до складу багатьох рослинних організмів. Волокна бавовнику складаються в основному з целюлози (її масова частка 98%). Целюлоза становить приблизно половину маси деревини, утворюючи оболонку рослинних клітин. У траві і листі дерев міститься 10-25% целюлози. Природна целюлоза - це тверда біла волокниста речовина. У воді практично нерозчинна.

Целюлоза складається із структурних залишків β-глюкози, сполучених у лінійні макромолекули:

Склад целюлози передається такою самою формулою, як і крохмалю, (С₆Н₁₀С₅)_n. Целюлоза піддається гідролізу при нагріванні з розчинами неорганічних кислот:

Як і при гідролізі крохмалю, кінцевий продукт гідролізу целюлози - глюкоза. До складу кожної структурної ланки целюлози входять три гідроксильні групи, тому целюлоза може давати складні ефіри з органічними і неорганічними кислотами:

Трицетат целюлози Трицітрат целюлози

Целюлоза добре горить, утворюючи С0₂ і воду. Під час термічної обробки целюлози без доступу повітря утворюються деревне вугілля, вода і ряд органічних речовин, наприклад метанол, ацетон, оцтова кислота. Целюлоза має різноманітне застосування. У вигляді деревини вона є важливим будівельним матеріалом. У свою чергу, з деревини виділяють целюлозу, що йде на виробництво паперу і картону. З целюлози бавовнику та льону виробляють нитки і тканини.

Ефір целюлози та оцтової кислоти (триацетат) застосовують у виробництві кіноплівки та електроізоляційної плівки. Крім того, з цього поліфіру виробляють ацетатне волокно - важливий текстильний матеріал. З целюлози добувають і штучні волокна - віскозне та мідно-аміачне. При добуванні цих волокон целлюлозу спочатку переводять у розчинну сполуку, а погім регенерують. Тому волокна обох цих видів - чиста целюлоза.

Широке застосування мають ефіри целюлози з азотною кислотою. Тринітрат целюлози - вибухова речовина, застосовується у виробництві пороху. Суміш моно- і динітратів целюлози використовують у виробництві целулоїду, лаків, вибухових речовин.

Гідролізом целюлози в промисловості виробляють глюкозу, бродінням якої добувають етиловий спирт.