УГЛЕВОДЫ: МОНО-, ДИ- И ПОЛИСАХАРИДЫ. ИСКУССТВЕННЫЕ ВОЛОКНА
Углеводы – полифункциональные соединения
это органические вещества, молекулы которых состоят из атомов углерода, водорода и кислорода, причем водород и кислород находятся в них, как правило, в таком же соотношении, как и в молекуле воды (2:1).
Общая формула углеводов
С n (H 2 O) m
Функции углеводов
1. Они поставляют энергию для биологических процессов.
2. Являются исходным материалом для синтеза в организме других gромежуточных или конечных метаболитов.
На долю углеводов приходится около 80% сухого вещества растений и около 20% животных.
Пища человека состоит примерно на 70% из углеводов.
Историческая справка
- Углеводы используются с глубокой древности - самым первым углеводом
(точнее смесью углеводов), с которой познакомился человек, был мёд.
- Родиной сахарного тростника является северо-западная Индия-Бенгалия. Европейцы познакомились с тростниковым сахаром благодаря походам Александра Македонского в 327 г. до н.э.
- Крахмал был известен ещё древним грекам.
- Целлюлоза, как составная часть древесины, используется с глубокой древности.
- 6.Термин слова “сладкий” и окончание —оза- для сахаристых веществ было предложено французским химиком Ж. Дюла в 1838 г.
- Исторически сладость была главным признаком, по которому то или иное вещество относили к углеводам
- Свекловичный сахар в чистом виде был открыт лишь в 1747 г. немецким химиком А. Маргграфом
- В 1811 г. русский химик Кирхгоф впервые получил глюкозу гидролизом крахмала
- Впервые правильную эмпирическую формулу глюкозы предложил шведский химик Я. Берцеллиус в 1837 г. С 6 Н 12 О 6
- Синтез углеводов из формальдегида в присутствии Са(ОН) 2 был произведён А.М. Бутлеровым в 1861 г.
Классификация углеводов
Углеводы = сахариды
Сложные
Простые
(СН 2 О)n, где n=3-9
моносахариды
Полисахариды
Дисахариды
С 12 Н 22 О 11
Сx(Н 2 О)y
глюкоза
фруктоза
галактоза
С 6 - гексозы
крахмал
гликоген
целлюлоза
хитин
сахароза
лактоза
мальтоза
2 гексозы
С 5 - пентозы
рибоза
полигексоза
дезоксирибоза
Чем больше молекулярная масса углеводов, тем менее растворимое вещество и не сладкое на вкус.
Углеводы
Моносахариды
Олигосахариды
Полисахариды
Глюкоза,
Сахароза
Крахмал,
фруктоза,
целлюлоза
рибоза
Изомерия моносахаридов
Наиболее часто встречаются два моносахарида: глюкоза и
фруктоза. Они являются изомерами и имеют молекулярну
формулу С 6 H 12 O 6 . Глюкоза является альдегидоспиртом, а
фруктоза – кетоноспиртом.
глюкоза – это альдоза фруктоза – это кетоза
Глюкоза - виноградный сахар
- встречается почти во всех органах растения в плодах,
корнях, листьях, цветах;
- особенно много глюкозы в соке винограда и
спелых фруктах, ягодах;
- Мёд в основном состоит из смеси глюкозы
с фруктозой;
- глюкоза присутствует в животных
организмах;
- в крови человека ее содержится
примерно 0,1 %.
Физические свойства глюкозы
- бесцветное кристаллическое вещество,
- хорошо растворимое в воде,
- сладкое на вкус (лат. «глюкос» – сладкий).
Строение молекулы глюкозы
ГЛЮКОЗА- АЛЬДЕГИДОСПИРТ.
О=С-Н
СНОН
6
СН 2 ОН
Н-С-ОН
Н
ОН
Н
Н
5
О
Н
О
НО-С-Н
Н
ОН
Н
ОН
1
Н
4
Н-С-ОН
ОН
2
3
Н
НО-С-Н
ОН
ОН
ОН
Н-С-ОН
Н
ОН
Н
Бета-форма –64%
Н
Альфа-форма –34%
Альдегидная форма- 2%
Существуют одновременно и могут переходить друг в друга-
явление ТАУТОМЕРИИ. Не изомеры.
Строение молекулы фруктозы .
ФРУКТОЗА или ФРУКТОВЫЙ САХАР содержится в плодах и мёде. Слаще глюкозы.
ФРУКТОЗА- КЕТОНОСПИРТ, альфа- и бета- формы представляют собой
Пятичленные циклы в отличие от молекул глюкозы.
КЕТОННАЯ ФОРМА:
Получение
В свободном виде в природе встречается преимущественно глюкоза. Она же является структурной единицей многих полисахаридов. Другие моносахариды в свободном состоянии встречаются редко и в основном известны как компоненты олиго- и полисахаридов. В природе глюкоза получается в результате реакции фотосинтеза :
6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 (глюкоза) + 6O 2
Впервые глюкоза получена в 1811 году русским химиком Г.Э. Кирхгофом при гидролизе крахмала.
Позже синтез моносахаридов из формальдегида в щелочной среде предложен А. М. Бутлеровым.
O || Ca(OH)2
6 C – H → C 6 H 12 O 6 | H
I.Реакции по карбонильной группе
1. Окисление (качественные реакции)
а) При окислении глюкозы аммиачным раствором
оксида серебра образуется глюконовая кислота
(реакция "серебряного зеркала").
D- глюкоза аммониевая соль D- глюконовой кислоты
+ 2[Ag(NH 3 ) 2 ]OH →
+ 2Ag ↓+ 3NH 3 + H 2 O
б ) Реакция глюкозы с гидроксидом меди при
нагревании так же приводит к образованию
глюконовой кислоты.
O O
// t //
CH 2 OH(CHOH) 4 – C + Cu(OH) 2 → CH 2 OH(CHOH) 4 – C + CuOH ↓+ H 2 O
\ \ желтый
H OH
2CuOH → Cu 2 O↓ + H 2 O
красный
в) Восстановление
Восстановление сахаров приводит к многоатомным спиртам. В качестве восстановителя используют водород в присутствии никеля, алюмогидрид лития и др.
D- сорбит
LiAlH4
+ H 2 →
D- глюкоза
II. Реакции по гидроксильным группам
1. Алкилирование (образование простых эфиров).
При действии метилового спирта в присутствии
газообразного хлористого водорода атом водорода
гликозидного гидроксила замещается на метильную
группу.
+ СH 3 ОН
HCl (газ)
→
a , D- глюкопираноза
+ H 2 О
метил- a, D- глюкопиранозид
2. Ацилирование (образование сложных эфиров).
При действии на глюкозу уксусного ангидрида
образуется сложный эфир – пентаацетилглюкоза.
→ + 5CH 3 COOH
3. Как и все многоатомные спирты, глюкоза с гидроксидом
меди (II) дает интенсивное синее окрашивание (качественная реакция).
III. Специфические реакции
Глюкоза характеризуется и некоторыми
специфическими свойствами – процессами
брожения. Брожением называется
расщепление молекул сахаров под воздействием
ферментов (энзимов).
а) спиртовое брожение
C 6 H 12 O 6 → 2C 2 H 5 OH + 2CO 2
глюкоза этиловый спирт
б) молочнокислое брожение
молочно-кислые
бактерии
C 6 H 12 O 6 → 2 CH 3 – CH – COOH
|
OH
молочная кислота
в) лимоннокислое брожение OH
[O] |
C 6 H 12 O 6 → HOOC – CH 2 – C – CH 2 – COOH
грибки |
COOH
лимонная кислота
г) маслянокислое брожение
масляно-кислые
бактерии
C 6 H 12 O 6 → CH 3 – CH 2 – CH 2 – COOH + 2H 2 O +2CO 2
масляная кислота
Упомянутые виды брожения, вызываемые
микроорганизмами, имеют широкое практическое
значение. Например, спиртовое – для получения
этилового спирта, в виноделии, пивоварении и т.д.,
а молочнокислое – для получения молочной
кислоты и кисломолочных продуктов, лимоннокислое
- для получения лимонной кислоты.
IV.Горение и разложение глюкозы.
Как все органические вещества глюкоза может гореть и разлагаться при нагревании:
C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6H 2 O + 6CO 2
t
C 6 H 12 O 6 → 6H 2 O + 6C
Д И С А Х А Р И Д Ы
Дисахариды - это сложные сахара, каждая молекула которых при гидролизе распадается на 2 молекулы моносахарида. Иногда они используются в качестве запасных питательных веществ.
Дисахариды имеют формулу С 12 Н 22 О 11
К дисахаридам относятся:
-с ахароза (глюкоза + фруктоза) ,
-лактоза (глюкоза + галактоза) ,
-мальтоза (глюкоза + глюкоза),
-целобиоза.
Мальтоза
Лактоза
Сахароза
Сахароза
С 12 Н 22 О 11 -свекловичный и
тростниковый сахар (обычный сахар). Кристаллическое в-во, без цвета и запаха, Т пл. =185 о с, хорошо растворимо в воде,
намного слаще глюкозы.
Сахароза- многоатомный спирт, но не альдегид. Молекула
сахарозы состоит из соединенных друг с другом остатков глюкозы и фруктозы.
Химические свойства
Сахароза
1) в кислой среде при нагревании подвергается гидролизу, образуя глюкозу и фруктозу
C 12 H 22 O 11 + H 2 O= C 6 H 12 O 6 + C 6 H 12 O 6
2) качественная реакция –осветление известкового молока (р-ра гидроксида кальция)-образуются растворимые сахараты кальция.
П О Л И С А Х А Р И Д Ы
Сложными углеводами (полисахаридами или полиозами) называют такие углеводы, которые способны гидролизоваться с образованием простых углеводов и у них число атомов углерода не равно числу атомов кислорода С м Н 2п О п .
К полисахаридам относятся:
(С 5 Н 8 О 4 ) n - пентозаны;
(С 6 Н 10 О 5 ) n - целлюлоза, крахмал, гликоген
Полисахариды состоят из моносахаридов. Большие размеры делают их молекулы практически нерастворимыми в воде; они не оказывают влияние на клетку и потому удобны в качестве запасных веществ. При необходимости они могут быть превращены обратно в сахара путём гидролиза.
Важнейшие из полисахаридов - это крахмал, гликоген (животный крахмал), целлюлоза (клетчатка).
Структурная формула крахмала
Остатки α - глюкозы
Крахмал – это углевод, молекула которого содержит от нескольких сотен до нескольких тысяч моносахаридных остатков
Строение крахмала
Амилопектин – структура макромолекул – разветвлённая
На долю амилопектина в крахмале приходится 80-90%, только набухает в горячей воде
Амилоза – структура макромолекул – линейная
На долю амилозы в крахмале приходится 10-20%, растворяется в горячей воде
Крахмал
Крахмал (C 6 Н 10 О 5 ) n - это биополимер, состоящий из остатков глюкозы - первый видимый продукт фотосинтеза. При фотосинтезе крахмал образуется в растениях и откладывается в корнях, клубнях, семенах.
Крахмал - это белое вещество, состоящее из мельчайших зерен, напоминающих муку, поэтому его второе название «картофельная мука»
Физические свойства
крахмала
целлюлозы
- белый аморфный порошок
- не растворяется в холодной воде
- в горячей воде разбухает
- не обладает сладким вкусом
- твердое волокнистое белое вещество
- не растворяется в воде
- не обладает сладким вкусом
Химические свойства
Крахмал
1)Образование глюкозы в результате полного гидролиза:
(С 6 Н 10 О 5 ) n +nH 2 O→ n С 6 Н 12 О 6
Крахмал -декстины - мальтоза - глюкоза
2) Образование крахмала из глюкозы
6СО + 6Н 2 О →С 6 Н 12 О 6 + 6О 2
n С 6 Н 12 О 6 →(С 6 Н 10 О 5 ) n +nH 2 O
3) Качественная реакция с йодом – синее окрашивание
Качественная реакция на крахмал
Образование синего окрашивания при взаимодействии с йодом
СОДЕРЖАНИЕ КРАХМАЛА В РАЗЛИЧНЫХ ПРОДУКТАХ
86%
24%
86%
75%
72%
КРАХМАЛ – ОСНОВНОЙ УГЛЕВОД ПИЩИ ЧЕЛОВЕКА
39
КРАХМАЛ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ КАК КЛЕЯЩЕЕ СРЕДСТВО
Применяется для отделки тканей,
накрахмаливания белья
В медицине на основе крахмала готовят мази, присыпки и т.д.
40
Структурная формула целлюлозы
Остатки β - глюкозы
Целлюлоза – это углевод, молекула которого содержит несколько миллионов моносахаридных остатков
.
Целлюлоза
Целлюлоза – это биополимер, состоящий из остатков глюкозы, однако для её расщепления необходим фермент целлюлаза, сравнительно редко встречающийся в природе. Поэтому в пищу целлюлозу употребляют только некоторые животные (например, жвачные).
В целлюлозе заключено около 50 % углерода, содержащегося в растениях. По общей массе на Земле целлюлоза занимает первое место среди органических соединений.
Химические свойства
Целлюлоза
1) Образование глюкозы в результате полного гидролиза: (С 6 Н 10 О 5 ) n +nH 2 O→ n С 6 Н 12 О 6
2) При взаимодействии с азотной кислотой (в присутствии серной кислоты) – образование: мононитратов, динитратов и тринитратов;
3) При взаимодействии с уксусной кислотой (или уксусным ангидридом) – диацетатов и триацетатов.
ЦЕЛЛЮЛОЗА. НАХОЖДЕНИЕ В ПРИРОДЕ
Волокна хлопка, льна, конопли – почти чистая целлюлоза
Лен
Древесина содержит 50% целлюлозы
Конопля
Солома содержит 30% целлюлозы
Применение
Смесь моно- и динитро целлюлозы называют коллоксилином. Раствор коллоксилина в смеси спирта и диэтилового эфира — коллодий — применяют в медицине для заклеивания небольших ран и для приклеивания повязок к коже.
Лак и эмаль для ногтей предназначены для покрытия ногтей с целью придания им блеска и соответствующей окраски. В производстве лака и эмали для ногтей применяют полуфабрикат — нитролак HЛH, в состав которого входят: коллоксилин ПСВ, коллоксилин ВВ, спирт этиловый в коллоксилине, смола мочевиноформальдегидная, дибутилфталат, бутилацетат, ацетон, спирт этиловый
При высыхании раствора коллоксилина и камфары в спирте получается целлулоид — одна из пластмасс, которая впервые стала широко использоваться в повседневной жизни человека (из нее делают фото- и кинопленку, а также различные предметы широкого потребления). Растворы коллоксилина в органических растворителях применяются в качестве нитролаков. А при добавлении к ним красителей получаются прочные и эстетичные нитрокраски, широко используемые в быту и технике.
Как и другие органические вещества, содержащие в составе молекул нитрогруппы, все виды нитроцеллюлозы огнеопасны. Особенно опасна в этом отношении тринитроцеллюлоза — сильнейшее взрывчатое вещество. Под названием «пироксилин», она широко применяется для производства оружейных снарядов и проведения взрывных работ, а также для получения бездымного пороха.
Ацетилцеллюлоза служит сырьем для изготовления искусственного шелка. Для этого ее растворяют в ацетоне, а затем этот раствор продавливают через тонкие отверстия фильер (металлических колпачков с многочисленными отверстиями). Вытекающие струйки раствора обдувают теплым воздухом. При этом ацетон быстро испаряется, а высыхающая ацетилцеллюлоза образует тонкие блестящие нити, которые идут на изготовление пряжи. Ткани из такой пряжи называют ацетатным шелком.
видео
Ацетилцеллюлозу используют для получения лаков и красок.
Из ацетилцеллюлозы изготовляют также негорючие рентгеновскую и кинопленку.
Волокна - это полимеры линейного строения, которые пригодны для изготовления нитей, жгутов, пряжи и текстильных материалов.
ХИМИЧЕСКИЕ
НАТУРАЛЬНЫЕ
Животные
Растительные
Синтетические
Искусственные
Минеральные
Хлопок
Шерсть
Асбест
Минеральные
Шелк
Лен
Искусственные волокна
Искусственные волокна получают из природных высокомолекулярных соединений — целлюлозы, белков, металлов, их сплавов, силикатных стекол.
Наиболее распространенное искусственное волокно — вискозное, вырабатывается из целлюлозы. Для изготовления вискозного волокна используют обычно древесную, преимущественно еловую целлюлозу. Древесину расщепляют, обрабатывают химическими реагентами, превращают в прядильный раствор — вискозу.
Вискозные волокна вырабатывают в виде комплексных нитей и волокон, их применение различно.
Вискозное волокно гигиенично, имеет высокую гигроскопичность (11—12 %), изделия из вискозы хорошо впитывают влагу; оно устойчиво к щелочам; термостойкость вискозного волокна высокая.
Но вискозное волокно имеет недостатки:
— из-за низкой упругости сильно сминается;
— высокая усадка волокна (6—8 %);
— в мокром состоянии теряет прочность (до 50—60 %). Изделия не рекомендуется тереть и выкручивать.
Из других искусственных волокон используют ацетатные, триацетатные волокна.
Ацетатные волокна представляют собой сложные эфиры целлюлозы и уксусной кислоты. Сырьем для получения этих волокон является облагороженная древесина или хлопковый пух. Целлюлозу растворяют в смеси уксусного ангидрида, уксусной и серной кислоты. Полученный триацетат частично омыляют, растворяют в смеси ацетона и спирта и продавливают через фильтры. Формуют волокно сухим способом (в потоке горячего воздуха).
СВОЙСТВА ИСКУССТВЕННЫХ ВОЛОКОН
- Впитывают влагу хуже, чем хлопковое.
- Не подвержены воздействию бактерий и плесневых грибов.