15. Углеводы. Моносахариды. Олигосахариды. Полисахариды

Углеводы (сахара) – органические соединения, имеющие сходное строение и свойства, состав большинства которых отражает формула С_х(Н₂O)_y, где х, у ? 3.

Классификация:

Моносахариды не гидролизуются с образованием более простых углеводов. Олиго-и полисахариды расщепляются при кислом гидролизе до моносахаридов. Общеизвестные представители: глюкоза (виноградный сахар) С₆Н₁₂O₆, сахароза (тростниковый, свекловичный сахар) С₁₂Н₂₂О₁₁, крахмал и целлюлоза [С₆Н₁₀О₅]_n.

Способы получения

1. mCO₂ + nН₂O ?hv, хлорофилл? C_m(H₂O)_n (углеводы)+ mO₂ (получение при фотосинтезе)

углеводы: С₆Н₁₂O₆ + 6O₂ ? 6CO₂ + 6Н₂O + 2920 кДж

(метаболизм: глюкоза окисляется с выделением большого количества энергии в живом организме в процессе метаболизма)

2. 6nCO₂ + 5nН₂O ?hv, хлорофилл? (С₆Н₁₀О₅)_n + 6nO₂ (получение крахмала или целлюлозы)

Химические свойства

Моносахриды. Все монозы в кристаллическом состоянии имеют циклическое строение (?– или ?-). При растворении в воде циклический полуацеталь разрушается, превращаясь в линейную (оксо-) форму.

Химические свойства моносахаридов обусловлены наличием в молекуле функциональных групп трех видов (карбонила, спиртовых гидроксилов и гликозидного (полуацетального) гидроксила).

1. С₅Н₁₁O₅—CHO (глюкоза) + Ag₂O ?NH₃? CH₂OH—(CHOH)₄—COOH (глюконовая кислота) + 2Ag (окисление)

2. С₅Н₁₁O₅—CHO (глюкоза) + [Н] ? CH₂OH—(CHOH)₄—CH₂OH(сорбит)(восстановление)

3. а)

(моноалкилирование)

б)

(полиалкилирование)

4.

5. Важнейшим свойством моносахаридов является их ферментативное брожение, т. е. распад молекул на осколки под действием различных ферментов. Брожению подвергаются в основном гексозы в присутствии ферментов, выделяемых дрожжевыми грибками, бактериями или плесневыми грибками. В зависимости от природы действующего фермента различают реакции следующих видов:

а) С₆Н₁₂O₆ ? 2С₂Н₅OH + 2CO₂ (спиртовое брожение);

б) С₆Н₁₂O₆ ? 2CH₃—CH(OH)—COOH (молочнокислое брожение);

в) С₆Н₁₂O₆ ? С₃Н₇COOH + 2CO₂ + 2Н₂O (маслянокислое брожение);

г) С₆Н₁₂O₆ + O₂ ? HOOC—CH₂—С(OH)(COOH)—CH₂—COOH + 2Н₂O (лимоннокислое брожение);

д) 2С₆Н₁₂O₆ ? С₄Н₉OH + CH₃—CO—CH₃ + 5CO₂ + 4Н₂ (ацетон-бутанольное брожение).

Дисахариды. Дисахариды – углеводы, молекулы которых состоят из двух остатков моносахаридов, соединенных друг с другом за счет взаимодействия гидроксильных групп (двух полуацетальных или одной полуацетальной и одной спиртовой). Отсутствие или наличие гликозидного (полуацетального) гидроксила отражается на свойствах дисахаридов. Биозы делятся на две группы: восстанавливающие и невосстанавливающие. Восстанавливающие биозы способны проявлять свойства восстановителей и при взаимодействии с аммиачным раствором серебра окисляться до соответствующих кислот, содержат в своей структуре гликозидный гидроксил, связь между монозами – гликозид-гликозная. Схема образования восстанавливающих биоз на примере мальтозы:

Для дисахаридов характерна реакция гидролиза, в результате которой образуются две молекулы моносахаридов:

Примером наиболее распространенных в природе дисахаридов является сахароза (свекловичный или тростниковый сахар). Молекула сахарозы состоит из остатков ?-D-глюкопиранозы и ?-D-фруктофуранозы, соединенных друг с другом за счет взаимодействия полуацетальных (гликозидных) гидроксилов. Биозы этого типа не проявляют восстанавливающих свойств, так как не содержат в своей структуре гликозидного гидроксила, связь между монозами – гликозид-гликозидная. Подобные дисахариды называют невосстанавливающими, т. е. не способными окисляться.

Схема образования сахарозы:

Инверсия сахарозы. При кислом гидролизе (+)сахарозы или при действии инвертазы образуются равные количества D(+)глюкозы и D(-)фруктозы. Гидролиз сопровождается изменением знака удельного угла вращения [?] с положительного на отрицательный, поэтому процесс называют инверсией, а смесь D(+)глюкозы и D(-)фруктозы – инвертным сахаром.

Полисахариды (полиозы). Полисахариды – природные высокомолекулярные углеводы, макромолекулы которых состоят из остатков моносахаридов. Основные представители: крахмал и целлюлоза, которые построены из остатков одного моносахарида – D-глюкозы. Крахмал и целлюлоза имеют одинаковую молекулярную формулу: (С₆Н₁₀О₅)_n, но различные свойства. Это объясняется особенностями их пространственного строения. Крахмал состоит из остатков ?-D-глюкозы, а целлюлоза – из ?-D-глюкозы. Крахмал – резервный полисахарид растений, накапливается в виде зерен в клетках семян, луковиц, листьев, стеблей, представляет собой белое аморфное вещество, нерастворимое в холодной воде. Крахмал – смесь амилозы и амилопектина, которые построены из остатков ?-D-глюкопиранозы.

Амилоза – линейный полисахарид, связь между остатками D-глюкозы 1?-4. Форма цепи – спиралевидная, один виток спирали содержит 6 остатков D-глюкозы. Содержание амилозы в крахмале – 15–25 %.

амилоза

амилопектин

Амилопектин – разветвленный полисахарид, связи между остатками D-глюкозы – 1?-4 и 1?-6. Содержание амилопектина в крахмале 75–85 %.

Характеристика химических свойств

1. Образование простых и сложных эфиров (аналогично биозам).

2. Качественная реакция – окрашивание при добавлении иода: для амилозы – в синий цвет, для амилопектина – в красный цвет.

3. Кислый гидролиз крахмала: крахмал ? декстрины ? мальтоза ? ?-D-глюкоза.

Целлюлоза. Структурный полисахарид растений, построен из остатков ?-D-глюкопиранозы, характер соединения 1?-4. Содержание целлюлозы, например, в хлопчатнике – 90–99 %, в лиственных породах – 40–50 %. Этот биополимер обладает большой механической прочностью и выполняет роль опорного материала растений, образуя стенки растительных клеток.

Характеристика химических свойств

1. Кислый гидролиз (осахаривание): целлюлоза ? целлобиоза ? ?-D-глюкоза.

2. Образование сложных эфиров

a)

Из растворов ацетата целлюлозы в ацетоне изготавливают ацетатное волокно.

б)

Нитроцеллюлоза взрывоопасна, составляет основу бездымного пороха. Пироксилин – смесь ди– и тринитратов целлюлозы – используют для изготовления целлулоида, коллодия, фотопленок, лаков.