Содержание
1. Моносахариды
2. Дисахариды
3. Полисахариды
К углеводам относятся сахара и вещества, превращающиеся в них при гидролизе. Углеводы – продукты растительного и животного происхождения. Наряду с белками и жирами, они являются важнейшей составной частью пищи человека и животных; многие из них используются как техническое сырье. Углеводы подразделяют на моносахариды, дисахариды и полисахариды.
Моносахариды
– простейшие углеводы, они не подвергаются гидролизу – не расщепляются водой на более простые углеводы.
Глюкоза,
или виноградный сахар,
С6
Н12
О6
– важнейший из моносахаридов; белые кристаллы сладкого вкуса, легка растворяющиеся в воде. Содержится в соке винограда, во многих фруктах, а также в крови животных и человека. Мышечная работа совершается главным образом за счет энергии, выделяющейся при окислении глюкозы.
Глюкоза является шестиатомным альдегидоспиртом; строение ее можно представить формулой (а):
Н Н ОН ОН О
6
НОСН2
– С 5
*
- С 4
*
- С 3
*
- С 2
*
- С 1
(а)
ОН ОН Н ОН Н
Глюкоза
Н Н ОН О
6
1
НОСН2
– С 5
*
- С 4
*
- С 3
*
- С 2
*
- СН2
ОН (б)
ОН ОН Н
Фруктоза
Глюкоза получается при гидролизе полисахаридов крахмала и целлюлозы (под действием ферментов или минеральных кислот). Применяется как средство усиленного питания или как лекарственное вещество, при отделке тканей, как восстановитель – в производстве зеркал.
Фруктоза,
или плодовый сахар,
С6
Н12
О6
- моносахарид, спутник глюкозы во многих плодовых и ягодных соках; значительно слаще глюкозы; в смеси с ней входит в состав меда. Представляет собой шестиатомный кетоноспирт; строение фруктозы выражает приведенная выше формула (б).
В формулах глюкозы (а) и фруктозы (б) показано характерное для всех моносахаридов относительное пространственное расположение атомов Н и групп ОН при входящих в углеродную цепь ассиметрических атомов углерода (они помечены звездочками).
Ассиметрический атом – это атом, в соединение которого имеется атом углерода, связанный с четырьмя разными атомами или группами атомов.
Моносахариды как альдегидо- или кетоноспирты являются соединениями со смешанными функциями; природа их усложнена возможностью внутримолекулярных взаимодействий спиртовых гидроксильных групп с альдегидной или кетоновой карбонильной группой. Благодаря этому моносахариды существуют и вступают в реакции не только в открытой цепной форме, но еще и в циклических формах. Углеродная цепь моносахарида, например глюкозы (а), может принимать конформацию «клешни» (см. ниже формула в); при этом 1-й С-атом , несущий карбонильную группу, сближается со спиртовой группой при 5-ом С-атоме; атом Н из группы ОН перемещается (как показано пунктирной стрелкой) к карбонильному кислороду, а кислород при 5-ом С-атоме соединяется с 1-м (карбонильным) С-атомом (это тукже показано пунктирной стрелкой).
Конформация – это различные формы, которые может принимать цепь в пространстве, благодаря возможности вращения атомов вокруг оси связи.
В результате замыкается шестичленное, содержащее атом кислорода, кольцо. Так образуются две цикличные α- и β- формы глюкозы, отличающиеся пространственным расположение атома Н и группы ОН при 1-м (в цикле он становится ассиметричным) С-атоме. Это можно представить перспективными формулами *
:
Перспективные формулы чаще пишут упрощенно – без символов С, образующих кольцо и соединенных с ними символов Н:
В формулах циклических форм показано (пунктирной стрелкой), что возможен обратный переход атома Н из группы ОН при 1-ом С-атоме к кислороду кольца. Последнее при этом раскрывается и образуется цепная форма.
Природная кристаллическая глюкоза (виноградный сахар) представляет собой циклическую α-форму (т. пл. моногидрата 83˚ С, безводной 146˚ С). При растворении в воде она, как показано выше на схеме, переходит в цепную, а через нее в β-форму; при этом устанавливается динамическое равновесие между всеми*
. β-форма также может быть выделена в кристаллическом виде (т. пл. 148-150˚ С); в водном растворе и она образует равновесную систему, содержащую все формы. Цепная же форма существует лишь в растворах, причем в очень небольших количествах (доли процента), а в свободном виде не выделена.
Изомерные формы соединений. Способные переходить друг в друга, называют таутомерными формами, или таутомерами, а само существование их – явлением таутомерии; оно весьма распространено среди органических соединений.
Дисахариды
– углеводы, которые при нагревании с водой в присутствии минеральных кислот или под влиянием ферментов подвергаются гидролизу, расщепляясь на две молекулы моносахаридов.
Свекловичный , или тростниковый, сахар 9сахароза), С12
Н22
О11
– важнейший из дисахаридов. Получается из сахарной свеклы (в ней содержится до 28% сахарозы от сухого вещества) или из сахарного тростника ( откуда и происходит название); содержится также в соке березы, клена и некоторых фруктов. Сахароза – ценнейший пищевой продукт. При гидролизе она распадается с образованием молекулы глюкозы и молекулы фруктозы (образующая смесь этих моносахаридов называется инвертным сахаром):
С12
Н22
О11
+ Н2
О С6
Н12
О6
+ С6
Н12
О6
сахароза глюкоза фруктоза
Полисахариды
. эти углеводы во многом отличаются от моно- и дисахаридов – не имеют сладкого вкуса, в большинстве не растворимы в воде; они представляют собой сложные высокомолекулярные соединения, которые под каталитическим влиянием кислот или ферментов подвергаются гидролизу с образованием более простых полисахаридов, затем дисахаридов и, в конечном итоге, множества (сотен и тысяч) молекул моносахаридов. Важнейшие представители полисахаридов – крахмал и целлюлоза (клетчатка). Их молекулы построены на звеньях – С6
Н10
О5
-, являющихся остатками шестичленных цикличных форм молекул глюкозы, потерявших молекулу воды; поэтому состав и крахмала, и целлюлозы выражается общей формулой (С6
Н10
О5
) х
. Различие же в свойствах этих полисахаридов обусловлено пространственной изомерией образующих их моносахаридных молекул: крахмал построен из звеньев α-, а целлюлоза – β-формы глюкозы.
Крахмал - (С6
Н10
О5
) х
- белый (под микроскопом зернистый) порошок, нерастворимый в холодной воде; в горячей – набухает, образую коллоидный раствор (крахмальный клейстер); с раствором йода дает синее окрашивание (характерная реакция). Молекулы крахмала неоднородны по величине –значение х в них колеблется от сотен до 1000-5000 и более.
В технике превращения крахмала в глюкозу (процесс осахаривания) осуществляется путем кипячения его в течении нескольких часов с разбавленной серной кислотой (каталитическое влияние серной кислоты на осахаривание крахмала было обнаружено в 1811 г. русским ученым К.С.Кирхгофом). чтобы из полученного раствора удалить серную кислоту, к нему прибавляют мел, образующий с серной кислотой нерастворимый сульфат кальция. Последний отфильтровывают и раствор упаривают. Получается густая сладкая масса, так называемая крахмальная патока, содержащая, кроме глюкозы, значительное количество других продуктов гидролиза крахмала. Патока применяется для приготовления
Если требуется получить чистую глюкозу, то кипячение крахмала ведут дольше, чем достигается более полное превращение его в глюкозу. Полученный после нейтрализации и фильтрования раствор сгущают, пока из него не начнут выпадать кристаллы глюкозы.
При нагревании сухого крахмала до 200-250 ˚ С происходит частичное разложение его и получается смесь менее сложных, чем крахмал, полисахаридов, называемая декстрином. Декстрин применяется для отделки тканей и изготовление клея. Превращением крахмала в декстрин объясняется образование блестящей корки на печеном хлебе, а также блеск накрахмаленного белья.
Целлюлоза, или клетчатка, (С6
Н10
О5
) х
– волокнистое вещество, главная составная часть оболочек растительных клеток. Величина х в молекулах целлюлозы обычно составляет около 3000, но может достигать 6000-12000. Наиболее чистая природная целлюлоза – хлопковое волокно – содержит 85-90 % целлюлозы. В древесине хвойных деревьев целлюлозы содержится около 50 % (в состав древесины на ряду с целлюлозой входят ее спутники, среди них важнейшими являются лигнин – природный полимер, построенный из нескольких ароматических кислородосодержащих соединений ряда бензола, и гемицеддюдозы – родственные целлюлозе полисахариды).
Значение целлюлозы очень велико. Достаточно указать, что огромное значение хлопкового волокна идет для выработки хлопчатобумажных тканей. Из целлюлозы получают бумагу и картон, а путем химической переработки – целый ряд разнообразных продуктов: искусственное волокно, пластические массы, лаки, бездымный порох, этиловый спирт и др.
Наиболее распространенный промышленный способ выделения целлюлозы из древесины заключается в обработке измельченной древесины при повышенных температуре и давлении раствором гидросульфита кальция Са(НSО3
)2.
При этом древесина разрушается, содержащийся в ней лигнин переходит в раствор, целлюлоза же остается в неизмененном виде. Затем целлюлозу отделяют от раствора , промывают водой, сушат и направляют на дальнейшую переработку. Целлюлозу, полученную описанным выше способом, часто называют сульфитной целлюлозой.
Целлюлоза не растворяется в воде, диэтиловом эфире и этиловом спирте, она не расщепляется под влиянием разбавленных кислот, устойчива к действию щелочей и слабых окислителей.
При обработке на холоду концентрированной серной кислотой целлюлоза растворяется в ней, образуя вязкий раствор. Если этот раствор вылить в избыток воды, выделяется белый хлопьевидный продукт, так называемый амилоид, представляющий собой частично гидролизованную целлюлозу. Он сходен с крахмалом по реакции с йодом (синее окрашивание; целлюлоза не дает этой реакции). Если не проклеенную бумагу опустить на короткое время в концентрированную серную кислоту и затем сейчас же промыть, то образующийся амилоид склеивает волокна бумаги, делая ее более плотной и прочной. Так изготавливается пергаментная бумага.
При продолжительном действии на целлюлозу концентрированных растворов минеральных кислот она при нагревании подвергается гидролизу, конечным продуктом которого является глюкоза.
В молекулах целлюлозы содержатся спиртовые гидроксильные группы: в каждом остатке глюкозы таких групп три и формулу целлюлозы можно представить так : [С6
Н7
О2
(ОН)3
]х.
Поэтому из нее могут быть получены простые и сложные эфиры.
Сложные эфиры целлюлозы и азотной кислоты – нитраты целлюлозы (нитроцеллюлоза) – могут иметь состав [С6
Н7
О2
(ОН)2
(ОNO2
)]х
, [С6
Н7
О2
(ОН)(ОNO2
)2
]х
и [С6
Н7
О2
(ОNO2
)3
]х
. Они идут на изготовление бездымного пороха (пироксилина), целлулоида, нитролаков и т.д. Из уксуснокислых эфиров целлюлозы (ацетаты целлюлозы, или ацетилцеллюлоза), например [С6
Н7
О2
(ОСОСН3
)3
]х
, изготовляют негорючую фото- и кинопленку, различные прозрачные пластические массы и лаки.
Большое промышленное значение имеет химическая переработка целлюлозы в искусственное волокно.
Производство искусственного волокна из целлюлозы осуществляется тремя способами: вискозным, ацетатным и медноаммиачным.
Для получения волокна по вискозному способу целлюлозу обрабатывают едким натром, а затем сероуглеродом. Образующуюся оранжевую массу, называемую ксантогенатом, растворяют в слабом растворе слабого натра, получая так называемую вискозу. Последнюю продавливают через специальные колпачки с мельчайшими отверстиями (фильеры) в осадительную ванну, содержащую водный раствор серной кислоты. При взаимодействии с серной кислотой щелочь нейтрализуется, и вискоза разлагается, расщепляя сероуглерод и образую блестящие нити несколько измененной по составу целлюлозы. Эти нити представляют собой вискозное волокно.
При получении по ацетатному способу раствор ацетата целлюлозы в ацетоне продавливается через фильеры навстречу теплому воздуху.ацетон испаряется и струйки раствора превращаются в тончайшие нити – ацетатное волокно.
Менее распространенным является медноаммиачный способ, при котором используется характерное свойство целлюлозы – ее способности растворяться в аммиачном растворе оксида меди (II) [ Cu(NН3
)4
](ОН)2
(реактив Швейцера). Из этого раствора действием кислот вновь выделяют целлюлозу. Нити волокна получают продавливанием медноаммиачного раствора сквозь фильеры в осадительную ванну с раствором кислоты.
Рассмотрим получение этилового спирта с помощью моно- и полисахаридов.
Этиловый (винный) спирт, или этанол, СН3
СН2
ОН (темп. кип. 78,4 º С) – одно из важнейших исходных веществ в современной промышленности органического синтеза. Для получения его издавна пользуются различными сахаристыми веществами, например виноградным сахаром,, или глюкозой, которая путем «брожения», вызываемого действием ферментов, вырабатываемых дрожжевыми грибками, превращается в этиловый спирт. Реакция протекает согласно схеме:
С6
Н12
О6
2 С2
Н5
ОН + 2 СО2
↑
глюкоза этиловый
спирт
Глюкоза в свободном виде содержится, например, в виноградном соке, при брожении которого получается виноградное вино с содержанием спирта от 8 до 16 %.
Исходным продуктом для получения спирта может служить полисахарид крахмал, содержащийся, например, в клубнях картофеля, зернах ржи, пшеницы, кукурузы. Для превращения в сахарные вещества (глюкозу) крахмал предварительно подзаваривают горячей водой и по охлаждении добавляют солод – проросшие, а затем просушенные и растертые с водой зерна ячменя. В солоде содержится диастаз (сложная смесь ферментов), действующих на процесс осахаривания крахмала каталитически. По окончании осахаривания к полученной жидкости прибавляют дрожжи, под действием фермента которых (зимазы) образуется спирт. Его отгоняют и затем очищают повторной перегонкой.
В настоящее время осазариванию подвергают только другой полисахарид –целлюлозу (клетчатку), образубщую главную массу древесины. Для этого целлюлозу, подвергают гидролизу в присутствии кислот (например, древесные опилки при 150-170 º С обрабатывают 0,1-5% серной кислотой под давлением 0,7 – 1,5 Мпа). Полученный таким образом продукт также содержит глюкозу и сбраживается на спирт при помощи дрожжей (гидролизный спирт).
*
В перспективных формулах атомы, образующие кольцо, расположены как бы в горизонтальной плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа; жирными линиями обозначаются связи между атомами кольца, выдающимися вперед к наблюдателю.
*
В равновесной системе моносахаридов образуются и их циклические формы с пятичленным кислородосодержащим кольцом; они неустойчивы и в свободном кристаллическом виде не выделены. Однако известны многие природные и синтетические соединения, являющиеся производными пятичленных циклических форм моносахаридов