Лекция "Углеводы"

Лекция. Углеводы

На Руси с древних времен для придания сладкого вкуса изделиям и напиткам использовали мед. Трудно себе пред­ставить, что наши далекие предки обходились без такого привычного для нас продукта питания, как сахар. Кстати, химическое название этого вещества — сахароза.

Родиной сахарозы считается Индия, в которой произ­растал сахарный тростник. Каково же было удивление ев­ропейцев, когда они познакомились с твердым белым кам­нем, имеющим сладкий вкус. Поистине Индия — страна чудес, где могут делать «мед без пчел». Индийцы называ­ли сладкое вещество, получаемое из сока тростника, «сакхара». Из Индии сахарный тростник «переселился» в Юж­ную Америку, еще позже — в Египет и Сирию.

Вначале «мед без пчел» был дорог и доступен только со­стоятельным людям в качестве лакомства. С XVI в. сахар стали завозить в Европу. Потребность в этом продукте рез­ко возросла в XVIII в., когда в европейских странах вошли в моду чай и кофе. Дорогой заморский продукт стали заме­нять сахаром, полученным из сахарной свеклы. Первый са­харный завод в Европе был построен в Германии в 1802 г., второй — в том же году в России. Очень быстро свеклович­ный сахар вытеснил своего тростникового собрата.

К середине прошлого века химики уже знали формулу сахарозы — С₁₂Н₂₂О₁₁, а также некоторых других природ­ных соединений, имеющих сладкий вкус и состав, отвеча­ющий общей формуле С_n(Н₂О)_m. Отсюда и произошло назва­ние целого класса соединений — углеводы.

1. Моносахариды

Углеводы, которые не подвергаются гидролизу с образовани­ем более простых соединений, называют моносахаридами.

Наиболее распространенным в природе моносахаридом является глюкоза. Это белое кристаллическое вещество, хо­рошо растворимое в воде и имеющее сладкий вкус. Она содержится в соке большинства плодов, ягод, фруктов, в пчелином меде. Особенно много глюкозы в виноградном соке, отсюда и второе название этого моносахарида — виноградный сахар.

Молекулярная формула глюкозы: С₆Н₁₂О₆. Упрощенная структурная формула этого вещества следующая:

Глюкоза является алъдегидоспиртом, по­скольку в одной ее молекуле «уживаются» пять гидроксильных групп и одна альдегид­ная группа. Доказать наличие функциональных групп мож­но с помощью качественной реакции «серебряного зеркала»:

Образующееся соединение называют глюконовой кис­лотой.

При восстановлении альдегидной группы глюкозы об­разуется шестиатомный спирт сорбит:

НОСН₂(СНОН)₄СНО + 2[Н] → НОСН₂(СНОН)₄СН₂О

Сорбит используют в качестве подсластителя для людей, страдающих сахарным диабетом.

Откуда глюкоза берется в плодах растений? Вам уже из­вестна одна из важнейших реакций на Земле — процесс фо­тосинтеза, в результате которого образуется значительная доля органических соединений в природе и весь кислород, поступающий в атмосферу:

6СО₂ + 6Н₂О → С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ - Q

Изомером глюкозы является моносахарид фруктоза, имеющий ту же молекулярную формулу С₆Н₁₂О₆, но не­сколько иное по сравнению с глюкозой химическое стро­ение.

Фруктоза наряду с глюкозой входит в состав пчелиного меда и примерно в три раза слаще сахара.

1. Дисахариды

Типичным представителем природных дисахаридов яв­ляется сахароза (тростниковый сахар).

В XVI − XVII вв. сахар в Европе был заморской дико­винкой и непозволительной роскошью, поскольку сахарный тростник в климатических условиях Старого Света не приживался. Предпринимались многочисленные попыт­ки получения сахара из растений, произрастающих в более холодных климатических условиях. Производство саха­ра из свеклы связано с именем А. С. Маргграфа, немецко­го химика и металлурга. А.С.Маргграф одним из первых применил в химических исследованиях микроскоп, с по­мощью которого и обнаружил в 1747 г. кристаллы сахара в свекольном соке.

Молекула сахарозы состоит из двух остатков моносаха­ридов — глюкозы и фруктозы, на которые сахароза распа­дается в результате реакции гидролиза:

С₁₂Н₂₂O₁₁ + Н₂О → С₆Н₁₂О₆ + С₆Н₁₂О₆

Сахароза Глюкоза Фруктоза

Углеводы, в состав которых входят два остатка моносахари­дов, называют дисахаридами.

Химические свойства сахарозы заметно отличаются от свойств глюкозы. Например, сахароза не дает реакции «серебряного зеркала», т.е. молекула сахарозы не содержит альдегидной группы.

При нагревании водного раствора сахарозы в присут­ствии сильных кислот или под действием фермента в соот­ветствии с приведенным выше уравнением реакции проис­ходит гидролиз дисахарида с образованием смеси равных количеств глюкозы и фруктозы. Полученную в результате гидролиза смесь моносахаридов называют инвертным саха­ром и используют для производства карамели, подслащива­ния пищевых продуктов, предотвращения кристаллизации сахарозы, получения искусственного меда.

Сахароза содержится в соке сахарного тростника (14 − 16 %), сахарной свеклы (16 − 21 %) и многих других расте­ний. Она образуется в клетках растений из моносахаридов под действием ферментов. Возможно ли получение дисаха­ридов, что называется, «в пробирке»? Оказывается, при­рода гораздо более искусный химик, чем человек. Только в 1953 г. французский химик Р. Лемье впервые в лабора­торных условиях осуществил синтез сахарозы, который со­временники назвали «покорением Эвереста органической химии».

1. Полисахариды

Могут ли соединяться друг с другом не два, а больше остатков моносахаридов? Могут, причем сотни и даже ты­сячи. Понятно, что такие вещества имеют полимерную при­роду и называются полисахаридами. В результате полного гидролиза они образуют множество молекул моносахаридов.

Природные полимеры, состоящие из большого числа повторя­ющихся моносахаридных звеньев, называют полисахаридами.

Важнейшими полисахаридами являются крахмал и цел­люлоза (клетчатка). Элементарным звеном обоих этих при­родных полимеров являются остатки глюкозы (после отще­пления молекулы воды), соединенные между собой. Состав этих веществ может быть выражен формулой (С₆Н₁₀О₅)_n.

Чем же отличаются друг от друга крахмал и целлюлоза, если они имеют одинаковую формулу? Различие заключается в химическом строении — способе сочленения остатков глю­козы и структуре полимерных цепей. Такие различия сказываются на физических и химических свойствах этих веществ. Крахмал обладает зернистой структурой, целлюлоза — во­локнистой. Благодаря меньшей молекулярной массе и более разветвленному строению полимерных молекул крахмал на­бухает в воде и образует коллоидный раствор — клейстер.

Химические свойства полисахаридов также заметно раз­личаются. Целлюлоза в отличие от крахмала горит.

Качественной реакцией на крахмал является взаимодей­ствие с раствором иода, при этом наблюдается характерное синее окрашивание. С помощью разбавленной иодной настойки можно обнаружить наличие крахмала в картофеле, муке, хлебе, зернах гороха, риса, фасоли, банане, вареной колбасе. Целлюлоза синего окра­шивания с иодом не дает.

Крахмал гидролизуется легче целлюлозы. Под действи­ем фермента амилазы (он содержится, например, в слюне) или сильных кислот полимерные цепи крахмала расщепля­ются сначала на более мелкие молекулы и, наконец, обра­зуется глюкоза:

Н⁺; t

(С₆Н₁₀О₅)_n + nН₂О ^{или фермент} → nС₆Н₁₂О₆

Глюкоза

В элементарных звеньях (остатках молекулы глюкозы) полимерной цепи целлюлозы имеются гидроксильные функ­циональные группы, способные вступать в реакцию этери­фикации, т.е. образовывать сложные эфиры. Действитель­но, при обработке целлюлозы уксусной кислотой в присут­ствии других реагентов происходит образование сложного эфира полимерного строения — триацетата целлюлозы. Это вещество является основой для формования из него триацетатного искус­ственного волокна.

При обработке целлюлозы смесью концен­трированных азотной и серной кислот образу­ются нитраты целлюлозы. Нитраты целлю­лозы используют для изготовления бездымно­го пороха, взрывчатых веществ, лаков и клеев.

Крахмал широко распространен в приро­де. Для растений он является запасным пи­тательным материалом и содержится глав­ным образом в плодах, семенах и клубнях. Наиболее богато крахмалом зерно злаковых растений: риса (до 86%), пшеницы (до 75%), кукурузы (до 72%), а также клубни картофеля (до 24%). В клубнях крахмальные зерна плавают в клеточном соке, поэтому кар­тофель является основным сырьем для полу­чения крахмала.

Целлюлоза составляет основную часть сте­нок растительных клеток. Относительно чи­стой целлюлозой являются волокна хлопчат­ника, джута и конопли. Древесина содержит от 40 до 50 % целлюлозы, солома — 30 %. Целлюлоза растений служит питательным веществом для травоядных животных, в организме которых имеются расщепляющие клетчатку ферменты.

2