§ 20. Химические свойства моносахарид

Определения и обозначения

Окисление моносахаридов — превращение альдегидной группы глюкозы в карбоксильную. При мягком окислении образуется глюконовая кислота. Это показывает, какая функциональная группа отвечает за альдегидные свойства сахара.

Восстанавливающие свойства моносахаридов — способность глюкозы восстанавливать соединения серебра(I) и меди(II), окисляясь сама. Иными словами, глюкоза отдаёт электроны и превращает ионы металлов в менее окисленные формы. По этим реакциям её обнаруживают качественно.

Восстановление моносахаридов — присоединение водорода к карбонильной группе. В результате группа C=O превращается в спиртовую, а глюкоза становится многоатомным спиртом сорбитом. Это противоположно окислению альдегидной группы до карбоксильной.

Спиртовое брожение — превращение глюкозы под действием ферментов дрожжей в этанол и углекислый газ. Процесс выражают уравнением C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂. Он лежит в основе получения спирта и углекислого газа биологическим способом.

Как это устроено

Химические свойства глюкозы объясняются сочетанием нескольких функциональных групп. В открытой форме у неё есть альдегидная группа –CHO и четыре гидроксильные группы –OH, поэтому она одновременно проявляет свойства альдегидов и многоатомных спиртов. В растворе преобладают циклические формы, но между ними и открытой формой устанавливается равновесие. Небольшого количества открытой формы достаточно, чтобы она вступала в реакцию, а равновесие постоянно восполняло её запас.

Альдегидная группа легко окисляется до карбоксильной. Поэтому при мягком окислении глюкозы образуется глюконовая кислота: CH₂OH–(CHOH)₄–CHO + [O] → CH₂OH–(CHOH)₄–COOH. В аммиачном растворе оксида серебра альдегидная группа восстанавливает Ag⁺ до металлического серебра. Сама глюкоза при этом окисляется, что и называют её восстанавливающим действием.

При нагревании с гидроксидом меди(II) глюкоза также восстанавливает ионы меди. Голубой Cu(OH)₂ превращается в кирпично-красный осадок Cu₂O, а органическая часть окисляется до соединения с карбоксильной группой. Так объясняются две качественные реакции: «серебряное зеркало» и образование оксида меди(I). Фруктоза тоже даёт эти реакции в щелочной среде, потому что может превращаться в альдозы.

Водород присоединяется к карбонильной группе глюкозы, и атом углерода, прежде связанный с кислородом двойной связью, получает водород. Группа C=O превращается в –CH₂OH, поэтому альдегидный фрагмент исчезает, а число гидроксильных групп увеличивается. Продуктом становится сорбит — многоатомный спирт. Гидроксильные группы могут реагировать с кислотами с образованием сложных эфиров, а ферменты дрожжей направляют превращение глюкозы по пути спиртового брожения.

Химические свойства моносахаридов

В таблице сначала найдите тип превращения, затем сопоставьте его с реагентами и наблюдаемым результатом. Формулы приведены для открытой формы глюкозы, поскольку именно она непосредственно вступает в альдегидные реакции. Если реакция требует нагревания или щелочной среды, это указано отдельно.

Разбор задач

Задача 1. Запишите уравнение мягкого окисления глюкозы до глюконовой кислоты и назовите изменение функциональной группы.

1. Записываем открытую форму глюкозы: CH₂OH–(CHOH)₄–CHO. Концевой фрагмент –CHO является альдегидной группой.
2. При окислении к альдегидному углероду присоединяется кислород, и группа –CHO превращается в –COOH. Получаем уравнение: CH₂OH–(CHOH)₄–CHO + [O] → CH₂OH–(CHOH)₄–COOH.
3. Проверяем продукт: соединение содержит карбоксильную группу и называется глюконовой кислотой.

Ответ: альдегидная группа окисляется до карбоксильной, образуется глюконовая кислота.

Задача 2. Определите наблюдения при нагревании глюкозы с аммиачным раствором оксида серебра и с гидроксидом меди(II).

1. В обоих опытах глюкоза выступает восстановителем благодаря открытой форме с группой –CHO. Сначала определяем, какой ион металла восстанавливается.
2. В серебряной реакции Ag⁺ превращается в металлическое серебро, которое покрывает стенки пробирки блестящим слоем. Это «серебряное зеркало».
3. В реакции с Cu(OH)₂ и при нагревании Cu²⁺ восстанавливается до Cu⁺. Выпадает кирпично-красный осадок Cu₂O.

Ответ: наблюдаются «серебряное зеркало» и кирпично-красный осадок оксида меди(I) соответственно.

Задача 3. Составьте уравнения спиртового брожения глюкозы и её восстановления водородом, затем сравните продукты.

1. Для брожения учитываем, что одна молекула глюкозы распадается на этанол и углекислый газ: C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂. Коэффициенты проверяем по числу атомов углерода, водорода и кислорода.
2. При восстановлении присоединяется H₂ к карбонильной группе: CH₂OH–(CHOH)₄–CHO + H₂ → CH₂OH–(CHOH)₄–CH₂OH. Продуктом является сорбит.
3. Этанол относится к одноатомным спиртам, сорбит — к многоатомным, а CO₂ является оксидом углерода(IV). Значит, процессы дают продукты разных классов.

Ответ: брожение даёт этанол и CO₂, восстановление — сорбит; в первом случае происходит распад молекулы, во втором меняется функциональная группа.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что глюкоза существует только в открытой форме. Так думают, потому что именно её структурная формула удобна для записи реакций. Проверка: вспомните о равновесии, в котором преобладают циклические формы, но постоянно образуется открытая.

Ошибка: приписывать «серебряное зеркало» циклической форме. Реакцию связывают с открытой формой, содержащей альдегидную группу, а не с кольцевой структурой как таковой. Проверка: найдите в исходной форме фрагмент –CHO.

Ошибка: утверждать, что фруктоза не восстанавливает соединения металлов. Причина — механическое применение правила «кетоны не дают альдегидных реакций». Проверка: уточните среду: в щелочи фруктоза может превращаться в альдозы.

Ошибка: путать окисление и восстановление глюкозы. При окислении –CHO становится –COOH, а при восстановлении C=O превращается в спиртовую группу. Проверка: определите, добавился ли кислород или водород.

Связь с другими темами

Для понимания реакций нужны знания о строении моносахаридов, карбонильной и гидроксильной группах, а также различиях между альдегидами и кетонами. Равновесие открытой и циклической форм связывает строение вещества с его реальным поведением в растворе.

Реакции глюкозы пригодятся при изучении качественных реакций органических веществ и обмена углеводов. Брожение связывает органическую химию с биологией, пищевой промышленностью и получением этанола.

Что запомнить

• Глюкоза содержит несколько гидроксильных групп и карбонильную группу в открытой форме.
• При мягком окислении глюкозы образуется глюконовая кислота.
• Глюкоза даёт реакцию «серебряного зеркала» и реакцию с Cu(OH)₂ при нагревании.
• Фруктоза также проявляет восстановительные свойства в щелочной среде.
• Восстановление глюкозы водородом приводит к сорбиту.
• При спиртовом брожении глюкозы образуются этанол и углекислый газ.