23.1. Общая характеристика дисахаридов

Определения и обозначения

Дисахарид — углевод, молекула которого состоит из двух остатков моносахаридов и при гидролизе образует две молекулы моносахаридов. Остаток — это часть молекулы моносахарида, оставшаяся после отщепления воды при соединении. Такое определение помогает отличить дисахариды от смеси сахаров и от более крупных углеводов.

Гликозидная связь — связь между остатками моносахаридов, образующаяся при отщеплении молекулы воды. Она удерживает части дисахарида вместе, а её положение и пространственное строение различаются у разных сахаров. Поэтому по типу связи можно описать строение вещества и предсказать его свойства.

Восстанавливающий дисахарид — дисахарид со свободной полуацетальной группой, способный проявлять восстановительные свойства. Полуацетальная группа может переходить в открытую форму молекулы, где появляется группа, способная участвовать в окислительно-восстановительной реакции. Это определение нужно, чтобы объяснить результат качественных проб, например реакции «серебряного зеркала».

Невосстанавливающий дисахарид — дисахарид, у которого полуацетальные группы обоих остатков участвуют в образовании гликозидной связи. Открытая форма, необходимая для проявления восстановительных свойств, при этом не образуется. Такое строение объясняет, почему сахароза ведёт себя иначе, чем мальтоза и лактоза.

Как это устроено

Дисахарид образуется при соединении двух моносахаридов в реакции конденсации. При этом от одной молекулы отщепляется гидроксильная группа, а от другой — атом водорода, и вместе они составляют молекулу воды. Оставшиеся части соединяются гликозидной связью, поэтому продукт — единая молекула, а не смесь исходных сахаров.

Гидролиз — это расщепление вещества водой; он протекает в направлении, обратном конденсации. Молекула воды разделяется на части, которые присоединяются к двум остаткам при разрыве гликозидной связи. Так восстанавливаются исходные моносахариды, и одна молекула дисахарида даёт две молекулы продуктов.

Восстанавливающие свойства зависят не просто от наличия гликозидной связи, а от того, какие группы в ней участвуют. Если полуацетальная группа одного остатка остаётся свободной, молекула может раскрываться и проявлять свойства, характерные для восстанавливающих сахаров. Если в связи заняты обе полуацетальные группы, как в сахарозе, такой переход невозможен и реакции «серебряного зеркала» не будет.

Сахароза состоит из остатков глюкозы и фруктозы, связанных через их полуацетальные группы; при гидролизе она даёт глюкозу и фруктозу. Мальтоза образована двумя остатками глюкозы, а лактоза — остатками глюкозы и галактозы; в каждой из них остаётся свободная полуацетальная группа. Поэтому мальтоза и лактоза восстанавливающие, а сахароза — нет, хотя все три являются дисахаридами.

Формула C₁₂H₂₂O₁₁ характерна для дисахаридов, образованных из двух гексоз, например для сахарозы, мальтозы и лактозы. Каждая гексоза имеет формулу C₆H₁₂O₆, а при их соединении отнимается H₂O: 2C₆H₁₂O₆ − H₂O = C₁₂H₂₂O₁₁. Если остатки имеют иной состав или разную длину углеродной цепи, итоговая формула может отличаться.

Состав, строение и свойства важнейших дисахаридов

Сравнивайте сначала состав остатков и тип связи, а затем проверяйте, осталась ли свободная полуацетальная группа. Именно этот признак помогает связать строение с восстановительными свойствами. Формулы у трёх веществ одинаковы, поэтому одной молекулярной формулы недостаточно, чтобы различить их строение.

Разбор задач

Задача 1. Определите, какие из углеводов являются дисахаридами: глюкоза, сахароза, крахмал, мальтоза. Укажите общий признак дисахаридов.

1. Глюкоза — моносахарид, то есть одна структурная единица углевода.
2. Крахмал — полисахарид, состоящий из множества остатков моносахаридов.
3. Сахароза и мальтоза при гидролизе дают по две молекулы моносахаридов, значит, это дисахариды.

Ответ: сахароза и мальтоза; общий признак — при гидролизе дисахарид образует две молекулы моносахаридов.

Задача 2. Запишите уравнение гидролиза сахарозы и рассчитайте массу глюкозы, образующейся при гидролизе 34,2 г сахарозы.

1. Записываем уравнение: C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O → C₆H₁₂O₆ + C₆H₁₂O₆. Продуктами являются глюкоза и фруктоза.
2. Находим количество сахарозы: M(C₁₂H₂₂O₁₁) = 342 г/моль, поэтому n = 34,2 / 342 = 0,10 моль.
3. По уравнению 1 моль сахарозы даёт 1 моль глюкозы, следовательно, n(глюкозы) = 0,10 моль. M(C₆H₁₂O₆) = 180 г/моль, значит, m = 0,10 × 180 = 18 г.

Ответ: образуется 18 г глюкозы. Для расчёта используем коэффициенты уравнения: на одну молекулу сахарозы приходится одна молекула каждого из двух продуктов.

Задача 3. Два дисахарида имеют одинаковую молекулярную формулу C₁₂H₂₂O₁₁. Один из них даёт реакцию «серебряного зеркала», а другой — нет. Объясните различие и определите, какой тип строения имеет каждый дисахарид.

1. Одинаковая формула показывает, что вещества имеют одинаковый состав атомов, но не обязательно одинаковое строение.
2. Положительная реакция означает, что у первого дисахарида есть свободная полуацетальная группа; это восстанавливающий дисахарид, например мальтоза или лактоза.
3. Второй дисахарид не имеет свободной полуацетальной группы, поскольку обе участвуют в связи; он невосстанавливающий, как сахароза.

Ответ: первый дисахарид — восстанавливающий, второй — невосстанавливающий. Различие определяется строением гликозидной связи, а не молекулярной формулой.

Типичные ошибки

Дисахарид иногда считают смесью двух моносахаридов. Так можно подумать из-за того, что при гидролизе обнаруживаются два сахара, однако до реакции их остатки соединены гликозидной связью в одной молекуле. Проверка проста: если вещества можно разделить только после разрыва связи, это соединение, а не смесь.

Другая ошибка — записать при гидролизе только один моносахарид или забыть, что образуются две молекулы продуктов. Причина обычно в том, что внимание сосредоточено на названии одного продукта, например глюкозы. Сверяйте число атомов и строение исходного вещества: каждый из двух остатков должен дать отдельный моносахарид.

При путанице конденсации и гидролиза воду записывают не с той стороны уравнения. При образовании связи молекула воды отщепляется, а при её разрыве вода присоединяется. Проверяйте направление процесса: если дисахарид образуется, вода — продукт, а если расщепляется — реагент.

Нельзя считать все дисахариды восстанавливающими только потому, что они состоят из моносахаридов. Свойство зависит от наличия свободной полуацетальной группы, а не от самого факта принадлежности к дисахаридам. Перед выводом о реакции «серебряного зеркала» выясните, заняты ли полуацетальные группы в гликозидной связи.

Связь с другими темами

Для изучения дисахаридов нужны знания о строении моносахаридов, полуацетальной группе, конденсации и гидролизе. Эти понятия помогают объяснить образование связи и поведение сахаров в качественных реакциях. Далее тема пригодится при изучении полисахаридов и превращений углеводов в организме. Состав и уравнения гидролиза также используют в расчётных задачах по органической химии.

Что запомнить

• Дисахарид состоит из двух остатков моносахаридов.
• При образовании дисахарида обычно отщепляется молекула воды.
• При гидролизе дисахарида образуются два моносахарида.
• Гликозидная связь соединяет остатки моносахаридов.
• Сахароза — невосстанавливающий дисахарид.
• Мальтоза и лактоза относятся к восстанавливающим дисахаридам.