10. Углеводы
Углеводами называют природные органические соединения, имеющие, как правило, общую формулу СmН2nОn (Сm(Н2O )n), где т и n 3. Исключение составляют дезоксисахара, которые имеют общую формулу СmН2п+2On.
В зависимости от способности к гидролизу все углеводы делятся на:
моносахариды — углеводы, молекулы которых не подвержены гидролизу;
олигосахариды — углеводы, из молекул которых при гидролизе образуется от двух до десяти одинаковых или различных моносахаридов;
полисахариды — углеводы, из молекул которых при гидролизе образуется от десятков тысяч и выше одинаковых или различных моносахаридов.
Углеводы — распространенный в природе класс органических соединений.
В растениях углеводы образуются в результате реакции фотосинтеза из CO2 и Н2О:
Моносахариды. Моносахариды по числу углеродных атомов в молекуле делятся на: триозы (С3Н6О3), тетрозы (С4Н8О4), пентозы (С5Н10О5), гексозы (С6Н12О6), гептозы (С7Н14О7) и октозы (С8Н16О8).
Моносахариды — дифункциональные соединения, так как в составе каждой молекулы содержатся несколько гидроксильных групп и одна карбонильная. В зависимости от природы карбонильной группы (альдегидная или кетонная) моносахариды делятся на альдозы и кетозы. Так, моносахарид гексоза существует в виде двух структурных изомеров — альдогексозы (I) (глюкоза) и кетогексозы (II) (фруктоза):
Изомерия моносахаридов обусловлена: 1) наличием альдегидной или кетонной группы; 2) наличием асимметрических атомов углерода; 3) существованием таутомерии.
Моносахариды, как и другие соединения с асимметрическими атомами углерода, существуют в виде двух оптических изомеров — D- и L-форм. Отнесение к D- и L-формам производят по расположению гидроксильной группы у атома углерода, соседнего с первичной спиртовой группировкой:
Все моносахариды существуют в виде двух таутомерных форм: открытой, или ациклической, и закрытой, или циклической. Циклическая форма образуется в результате внутримолекулярного взаимодействия альдегидной (кетонной) группировки с одним из гидроксидов (см. “Альдегиды и кетоны”).
Наибольшей устойчивостью обладают шести- и пятичленные циклы, называемые соответственно пиранозными и фуранозными циклами. Схема образования пиранозного цикла:
Атом водорода гидроксильной группы присоединяется к атому кислорода альдегидной группировки за счет разрыва -связей. При этом образуется так называемый полуацетальный (см. “Альдегиды и кетоны”) или гликозидный гидроксил. После переноса атома водорода от гидроксильной группы на альдегидную атом кислорода соединяется с атомом углерода с образованием цикла. В результате циклизации в молекуле моносахарида появляется дополнительный асимметрический атом углерода.
Образующиеся циклические формы отличаются друг от друга расположением полуацетального гидроксила. К -изомерам относят моносахариды, у которых гликозидный гидроксил находится под плоскостью кольца, к -изомерам — моносахариды, у которых полуацетальный гидроксил находится над плоскостью кольца.
Получение: 1. Выделение моносахаридов, встречающихся в овощах и фруктах. 2. Гидролиз полисахаридов. 3. Синтез гексоз из формальдегида:
Реакция была впервые изучена А. М. Бутлеровым. В результате реакции образуется смесь различных трудноразделяемых гексоз.
Физические свойства. Моносахариды — бесцветные кристаллические вещества, плавящиеся с разложением, хорошо растворимые в воде, в растворах вращающие поляризованный свет, сладкие на вкус.
Химические свойства. Многообразие химических свойств моносахаридов объясняется их дифункциональностью.
1. Реакции образования эфиров. Моносахариды способны образовывать простые и сложные эфиры. Наиболее легко происходит замещение полуацетального (гликозидного) гидроксила:
Простые эфиры получили название гликозидов. В более жестких условиях возможно алкилирование и по другим оставшимся гидроксильным группам.
Моносахариды способны образовывать сложные эфиры как с минеральными, так и с карбоновыми кислотами, например:
Большое значение имеют эфиры фосфорной кислоты рибозы и дезоксирибозы, являющиеся структурными фрагментами РНК и ДНК (см. “Азотсодержацие соединения”).
2. Реакция комплексообразования с гидроксидом меди (II). При взаимодействии свежеосажденного гидроксида меди (II) с моносахаридами происходит растворение гидроксида с образованием комплекса синего цвета (см. “Спирты. Фенолы”).
3. Окислительно-восстановительные реакции (ОВР). При каталитическом гидрировании моносахаридов происходит восстановление карбонильной группы до спиртового гидроксила:
Бромная вода окисляет альдегидную группировку до карбоксильной:
ОВР с оксидом серебра (I) и гидроксидом меди (II) используют как качественные реакции на альдозы и кетозы:
Кетозы дают те же самые реакции, так как в щелочной среде происходит их изомеризация в альдозы.
4. Реакция брожения. Моносахариды (например, глюкоза) способны расщепляться в зависимости от природы фермента до этанола, масляной или молочной кислоты:
Отдельные моносахариды. Глюкоза — бесцветное кристаллическое вещество, сладкое на вкус, хорошо растворимое в воде.
В организме человека и животных глюкоза подвергается ферментативному окислению, конечными продуктами которого являются оксид углерода (IV) и вода:
Фруктоза — структурный изомер глюкозы. Кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, более сладкое, чем глюкоза. В свободном виде содержится в мёде и фруктах.
Химические свойства фруктозы обусловлены наличием кетонной и пяти гидроксильных групп.
Дезоксирибоза — бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде. В виде фуранозной формы входит в состав ДНК. Как и другие моносахариды, дезоксирибоза в растворе существует в ациклической и циклической формах, способна образовывать простые и сложные эфиры, принимает участие в ОВР и реакциях комплексообразования.
Рибоза — бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде. В виде фуранозной формы входит в состав РНК. Химические свойства рибозы обусловлены наличием альдегидной и гидроксильных групп. При восстановлении рибозы образуется спирт —рибит НОСН2—(СНОН)3—СН2ОН, а при окислении — рибоновая кислота НОСН2—(СНОН)3—СООН. В растворе рибоза существует в ациклической и циклической формах:
Получают рибозу гидролизом мононуклеотидов.
Олигосахариды. Наиболее изученными олигосахаридами являются дисахариды, которые широко распространены в природе. Они содержатся во многих плодах и овощах, сахарной свекле, сахарном тростнике, меде.
Получение. Дисахариды получают из природных источников: сахарозу из сахарной свеклы или сахарного тростника, мальтозу — ферментативным гидролизом крахмала, лактозу — из коровьего молока, целлобиозу — гидролизом целлюлозы.
Физические свойства. Дисахариды — бесцветные кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде (исключение составляет лактоза), сладкие на вкус. Различают два вида дисахаридов.
1. Простые эфиры (гликозиды), образующиеся за счет взаимодействия полуацетального гидроксила одной из молекул моносахарида и одного из спиртовых гидроксилов (чаще всего у четвертого атома углерода) другой молекулы:
Молекула образующегося при этом дисахарида содержит один полуацетальный гидроксил и способна переходить в ациклическую альдегидную форму. Подобные дисахариды способны восстанавливать такие вещества, как Ag2O, Cu(OH)2, за что их называют восстанавливающими сахарами.
К восстанавливающим сахаром относятся также целлобиоза и лактоза:
2. Простые эфиры образуются за счет взаимодействия двух полуацетальных гидроксилов:
Дисахариды этого типа не дают реакцию “серебряного зеркала” и не восстанавливают гидроксид меди (II), поэтому их называют невосстанавливающими сахарами.
Дисахариды, как и моносахариды, способны образовывать простые и сложные эфиры.
Характерной особенностью дисахаридов является их способность взаимодействовать с гидроксидами металлов Са(ОН)2, Сu(ОН)2 с образованием хорошо растворимых комплексных соединений сахаратов (см. “Спирты. Фенолы”).
В кислой среде дисахариды легко гидролизуются с образованием одинаковых (мальтоза, целлобиоза) или различных (лактоза, сахароза) моносахаридов (см. выше).
Полисахариды. Общая формула полисахаридов, образованных остатками пентоз (C5H8О4)n, гексоз (C6H10О5), где n = 103 - 105. Наибольшее значение имеют производные глюкозы: крахмал и целлюлоза.
Крахмал является основным компонентом картофеля (20—24%), кукурузы (50—70%), пшеницы ( 70%), риса ( 80%).
Целлюлоза является главной составной частью древесины ( 50%), льна ( 80% ), хлопка (90—97%).
Крахмал — белый порошок, нерастворимый в холодной воде, в горячей воде набухает, образуя крахмальный клейстер. Крахмал состоит из двух фракций: амилозы (15—25%) и амилопектина (75—85%).
Амилоза представляет собой линейный биополимер, состоящий из остатков глюкозы, соединенных через кислородные атомы в положении 1 и 4. Молекулярная масса амилозы от 150 000 до 500 000 а. е. м. в зависимости от вида растения.
Амилопектин — это биополимер, состоящий из остатков глюкозы, соединенных через кислородные атомы в положении 1—4 и 1—6. Молекулярная масса амилопектина составляет порядка миллиона а. е. м.
Характерным признаком крахмала является его способность последовательно гидролизоваться:
Крахмал не дает реакцию “серебряного зеркала” и не восстанавливает гидроксид меди (II).
Характерным свойством крахмала является образование с раствором иода комплекса, имеющего синюю окраску.
Получают крахмал из природных крахмалосодержащих продуктов, чаще всего картофеля и кукурузы. Он широко используется в качестве продукта питания, а также как сырье для производства глюкозы и этилового спирта.
Целлюлоза — белый волокнистый материал, нерастворимый в воде; имеет такой же элементный состав, как и крахмал. Различие между целлюлозой и крахмалом заключается в том, что: 1) в первом случае остатки глюкозы соединены -гликозидной связью, а во втором — -гликозидной связью; 2) в случае целлюлозы молекула имеет линейную форму, а в случае крахмала — форму трехмерной частицы; 3) молекулярная масса целлюлозы от 106 до 109 а.е.м.
Целлюлоза способна образовывать простые (метилцеллюлоза) и сложные (нитроцеллюлоза, ацетилцеллюлоза) эфиры. Так как каждое звено молекулы целлюлозы (так же, как и крахмала) содержит три гидроксильные группы, то возможные ее сложные эфиры с азотной и уксусной кислотами можно выразить следующими формулами:
[C6H7O2(OH)2ONO2]n [C6H7O2(OH)(ONO2)2]n
мононитроцеллюлоза динитроцеллюлоза
[C6H7O2 (ONO2)3]n [C6H7O2(OH)2OСOСH3]n
тринитроцеллюлоза моноацетилцеллюлоза
[C6H7O2 (OH)( OСOСH3)2]n [C6H7O2(OСOСH3)3]
диацетилцеллюлоза триацетилцеллюлоза
Целлюлоза, подобно крахмалу, в кислой среде гидролизуется:
Получают целлюлозу путем “варки” (нагревание под давлением) измельченной древесины с гидросульфитом кальция Са(НSO3)2.
Целлюлоза широко применяется для изготовления бумаги, ее ацетатные производные — для изготовления пленок (целлофан), искусственного шелка, нитропроизводные — для изготовления бездымного пороха (тринитроцеллюлоза — пироксилин).