"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Углеводы — органические вещества, к которым относятся сахара и многие важные для живых организмов соединения. Их простейшие представители, моносахариды, не распадаются при гидролизе на более простые углеводы. Глюкоза и фруктоза имеют одинаковую формулу, но различаются строением и свойствами. Разобравшись в их открытых и циклических формах, можно понять, почему сахара вступают в реакции многоатомных спиртов, альдегидов и кетонов и как участвуют в биологических процессах.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Углеводы — класс органических соединений, обычно содержащих углерод, водород и кислород и включающих моносахариды, олигосахариды и полисахариды. Названия показывают, насколько сложны молекулы: моносахариды состоят из одной сахарной единицы, а более крупные углеводы — из нескольких. Такое деление помогает связывать строение вещества с тем, может ли оно расщепляться при гидролизе.
Моносахариды — простейшие углеводы, не гидролизующиеся с образованием более простых углеводов; по строению они являются многоатомными альдегидами или кетонами. Иными словами, в одной молекуле сочетаются несколько групп –OH и одна карбонильная группа. Это определение позволяет предсказывать свойства сахаров по функциональным группам.
Глюкоза — моносахарид состава C₆H₁₂O₆, содержащий альдегидную группу в открытой форме и пять гидроксильных групп. Поэтому её называют альдегидоспиртом: она может проявлять свойства и спирта, и альдегида. Это название помогает объяснить широкий набор её химических реакций.
Фруктоза — моносахарид состава C₆H₁₂O₆, содержащий кетонную группу в открытой форме и пять гидроксильных групп. По сочетанию групп её называют кетоспиртом. Сравнение с глюкозой показывает, что одинаковая молекулярная формула не обязательно означает одинаковое строение и свойства.
Моносахариды относят к многоатомным спиртам и альдегидам или кетонам одновременно, потому что в их молекулах присутствуют разные функциональные группы. Несколько гидроксильных групп –OH отвечают за свойства, характерные для многоатомных спиртов. Карбонильная группа C=O в конце открытой цепи образует альдегид, а внутри цепи — кетон. Поэтому название конкретного сахара зависит от положения карбонильной группы, а не от числа –OH.
Открытая цепь может сворачиваться в цикл, поскольку карбонильная группа взаимодействует с одной из гидроксильных групп той же молекулы. В результате образуется связь внутри молекулы и возникает полуацеталь у альдозы или полукеталь у кетозы. Такая перестройка не требует присоединения другой молекулы и не меняет общую формулу сахара. В растворе циклическая и открытая формы могут переходить друг в друга.
При циклизации глюкозы атом углерода карбонильной группы становится новым стереоцентром — атомом, к которому присоединены четыре разных заместителя. Гидроксильная группа при нём может занять одно из двух положений, поэтому образуются α- и β-глюкоза. Поскольку кольцо способно раскрыться, а затем замкнуться иначе, формы постепенно взаимопревращаются. Изменение соотношения α- и β-форм в растворе сопровождается изменением оптического вращения и называется мутаротацией.
Наличие пяти гидроксильных групп объясняет, почему глюкоза вступает в характерные реакции многоатомных спиртов. Но равновесие с открытой формой сохраняет доступность альдегидной группы, которая способна окисляться и восстанавливать другие вещества. Поэтому глюкоза даёт реакцию серебряного зеркала, хотя большая часть её молекул в растворе может находиться в циклической форме. Химические свойства определяются не только преобладающей формой, но и возможностью взаимопревращения форм.
Фруктоза — кетоза, поэтому её карбонильная группа в открытой форме не является альдегидной. Однако в щелочной среде её молекула может перегруппировываться с образованием альдоз, в том числе глюкозы и маннозы. Альдозы затем восстанавливают ионы серебра или меди в соответствующих качественных реакциях. Поэтому вывод «кетоны не дают реакцию серебряного зеркала» нельзя без оговорок переносить на фруктозу: нужно учитывать условия и её превращения в растворе.
| Признак | Глюкоза | Фруктоза | Рибоза |
|---|---|---|---|
| Молекулярная формула | C₆H₁₂O₆ | C₆H₁₂O₆ | C₅H₁₀O₅ |
| Тип карбонильной группы в открытой форме | Альдегидная | Кетонная | Альдегидная |
| Число атомов углерода | 6, гексоза | 6, гексоза | 5, пентоза |
| Наличие циклических форм | Есть, в том числе α- и β-формы | Есть | Есть |
| Физические свойства и растворимость | Кристаллическое вещество, хорошо растворяется в воде | Кристаллическое вещество, хорошо растворяется в воде | Кристаллическое вещество, растворяется в воде |
| Восстановительные свойства | Да, за счёт равновесия с открытой формой | Да, в щелочной среде | Да, благодаря альдегидной форме |
| Характерная биологическая роль | Источник энергии для клеток | Встречается в плодах и входит в состав сахарозы | Компонент РНК и некоторых нуклеотидов |
Сначала сравните формулы и число атомов углерода: так можно определить, какие сахара являются гексозами, а какие — пентозами. Затем сопоставьте функциональные группы и восстановительные свойства, учитывая, что среда может влиять на реакцию. Последняя строка помогает связать химическое строение с ролью вещества в организме.
Задача 1. Распределите формулы C₆H₁₂O₆, C₁₂H₂₂O₁₁ и C₅H₁₀O₅ на моносахариды и дисахариды; определите, какие моносахариды являются гексозами. Нужно использовать типичные формулы сахаров и число атомов углерода. Формула сама по себе не всегда указывает на один конкретный изомер, поэтому определяем класс вещества, а не его название.
Ответ: моносахариды — C₆H₁₂O₆ и C₅H₁₀O₅; дисахарид — C₁₂H₂₂O₁₁; гексоза — C₆H₁₂O₆.
Задача 2. Рассчитайте массу серебра, выделившегося при взаимодействии 18 г глюкозы с аммиачным раствором оксида серебра. Открытая форма глюкозы окисляется, а серебро из реагента восстанавливается до металла. На один моль альдегидной группы в реакции приходится два моля серебра, поэтому это соотношение нужно учесть при расчёте.
Ответ: выделится 21,6 г серебра, если раствор реагента взят в достаточном количестве.
Задача 3. Определите состав продуктов спиртового брожения 90 г глюкозы и объём выделившегося углекислого газа при нормальных условиях. При брожении глюкоза превращается в этанол и углекислый газ. Уравнение показывает соотношение веществ, а реакционная способность связана с возможностью глюкозы переходить в открытую форму.
Ответ: продукты — этанол и углекислый газ; образуется 1 моль этанола и 1 моль CO₂, объём CO₂ равен 22,4 л.
Считают, что формула C₆H₁₂O₆ обозначает только глюкозу. Эту ошибку допускают, принимая молекулярную формулу за полное описание строения, хотя ей соответствуют разные изомеры, например фруктоза. Проверка: сравните расположение карбонильной группы, а не только число атомов.
Называют глюкозу только многоатомным спиртом и забывают об альдегидной группе. Причина в том, что в циклической форме альдегидная группа непосредственно не видна. Проверка: запишите открытую форму и отметьте в ней все функциональные группы.
Полагают, что циклическая форма полностью исключает альдегидные свойства глюкозы. Так рассуждают, рассматривая только преобладающую в растворе форму и не учитывая равновесие. Проверка: вспомните, что циклические формы могут раскрываться, а открытая форма реагирует с окислителями.
Переносят правило «кетоны не дают реакцию серебряного зеркала» непосредственно на фруктозу. Это упрощение не учитывает превращения сахара в щелочной среде, где возникают альдозы. Проверка: уточните условия реакции и выясните, может ли вещество превращаться в соединение с альдегидной группой.
Для изучения моносахаридов пригодятся знания о функциональных группах, строении многоатомных спиртов, альдегидов и кетонов. Изомерия объясняет, почему одинаковая формула может соответствовать глюкозе и фруктозе, а расчёты по уравнениям помогают находить количества реагентов и продуктов. Позже эта тема позволит разобраться в строении дисахаридов и полисахаридов, брожении и обмене веществ. Рибоза связывает химию углеводов со строением нуклеиновых кислот.
Почему глюкозу называют одновременно альдегидом и многоатомным спиртом?
В открытой форме у глюкозы есть альдегидная группа –CHO и пять гидроксильных групп –OH. Поэтому по строению она относится одновременно к альдегидам и многоатомным спиртам, то есть является альдегидоспиртом.
Почему глюкоза и фруктоза имеют одинаковую молекулярную формулу, но разные свойства?
У них одинаковое число атомов каждого элемента: формула обеих — C₆H₁₂O₆. Однако атомы соединены по-разному: глюкоза в открытой форме содержит альдегидную группу, а фруктоза — кетонную, поэтому их химические свойства различаются.
Какая форма глюкозы вступает в реакцию серебряного зеркала?
Непосредственно реакцию серебряного зеркала даёт открытая форма глюкозы с альдегидной группой. В растворе циклические формы могут раскрываться, поэтому между ними сохраняется равновесие и глюкоза проявляет восстановительные свойства.
Почему фруктоза даёт реакцию серебряного зеркала, если она является кетоном?
В щелочной среде фруктоза может превращаться в альдозы — сахара с альдегидной группой. Именно эти формы восстанавливают ионы серебра, поэтому фруктоза тоже даёт реакцию на восстановительные сахара.
Чем отличаются α-глюкоза и β-глюкоза?
Это циклические формы глюкозы, различающиеся расположением гидроксильной группы у нового стереоцентра, возникшего при циклизации. В растворе α- и β-формы могут взаимопревращаться через открытую форму.
§ 22. Углеводы. Моносахариды
