Финал органики: полиолы с карбонилом, которые запасают энергию и строят стенки клеток. Глюкоза здесь — главная звезда.
Углеводы — полигидроксикарбонильные соединения (или их производные, дающие такие соединения при гидролизе). Общая формула многих: Cn(H2O)m — отсюда историческое название «гидраты углерода».
Не гидролизуются. Глюкоза, фруктоза C6H12O6 (гексозы), рибоза C5H10O5 (пентоза).
Гидролизуются на 2 моносахарида. Сахароза, мальтоза, лактоза — C12H22O11.
Гидролизуются на много моносахаридов. Крахмал, целлюлоза (C6H10O5)n.
Глюкоза существует в двух формах, находящихся в динамическом равновесии в растворе: открытая (альдегидная) и циклическая (пиранозная).
CH₂OH-(CHOH)₄-CHO — пятиатомный спирт с альдегидной группой на конце. Именно эта форма отвечает за реакции окисления (серебряное зеркало) и присоединения.
Гидроксил при C5 атакует карбонильный атом C1 (внутримолекулярно) — образуется 6-членное пиранозное кольцо с новым гидроксилом при C1 (полуацетальный, «гликозидный» гидроксил). Именно эта форма определяет способность к образованию гликозидных связей в ди- и полисахаридах.
Мягкие окислители (бромная вода, [Ag(NH₃)₂]OH, Cu(OH)₂) трогают только альдегидную группу → глюконовая кислота (одна COOH). Концентрированная азотная кислота окисляет и альдегид, и концевую спиртовую группу → глюкаровая кислота (две COOH). Название кислоты в задаче подсказывает, какой был окислитель.
Как альдегид (серебряное зеркало, Cu(OH)2 с нагревом) — из-за открытой формы, и как многоатомный спирт (синий раствор с Cu(OH)2 на холоду) — из-за 5 гидроксильных групп. Это единственный класс в курсе, объединяющий обе линии качественных реакций сразу.
Спиртовое брожение — пример внутримолекулярного окислительно-восстановительного процесса: часть атомов углерода глюкозы окисляется до CO2 (степень окисления растёт), а другая часть восстанавливается до этанола (степень окисления падает) — без участия внешнего окислителя (в отличие от горения, где окислитель — O2). Именно поэтому брожение идёт в анаэробных условиях (без доступа кислорода), а горение — только с кислородом.
Гликозидные гидроксилы обоих моносахаридов участвуют в связи — циклы «заблокированы», нет свободной альдегидной формы. Не даёт реакцию серебряного зеркала!
У одного из остатков гликозидный гидроксил свободен — сохраняется способность к раскрытию цикла. Дают реакцию серебряного зеркала (восстанавливающие сахара).
| Дисахарид | Из чего | Серебряное зеркало | Тип |
|---|---|---|---|
| Сахароза | глюкоза + фруктоза | нет | невосстанавливающий |
| Мальтоза | глюкоза + глюкоза | да | восстанавливающий |
| Лактоза | глюкоза + галактоза | да | восстанавливающий |
У фруктозы вместо альдегидной группы кетонная, поэтому по строению зеркала быть не должно. Но в щелочной среде реактива Толленса фруктоза изомеризуется в глюкозу и даёт и серебряное зеркало, и осадок с Cu(OH)₂. А вот с бромной водой (нейтральная среда) фруктоза не реагирует — это способ отличить её от глюкозы.
Бромной водой. Глюкоза (альдоза) окисляется и обесцвечивает бромную воду, давая глюконовую кислоту. Фруктоза (кетоза) с бромной водой в нейтральной среде не реагирует — цвет сохраняется. Серебряное зеркало обе дают из-за изомеризации в щёлочи, поэтому оно тут не помощник.
Оба — полимеры глюкозы (C6H10O5)n, но с разным типом связи между звеньями — отсюда полностью разные свойства и назначение.
| Крахмал | Целлюлоза | |
|---|---|---|
| Тип связи | α-1,4-гликозидная | β-1,4-гликозидная |
| Структура | спираль (амилоза) + ветви (амилопектин) | линейные нити, пучки водородных связей |
| Функция в природе | запас энергии (растения) | структурный материал (клеточные стенки) |
| Расщепляется в организме человека? | да, амилазой (есть фермент) | нет (у человека нет фермента целлюлазы) |
| Качественная реакция | + I₂ → синее окрашивание | нет характерной цветной реакции |
Молекулы амилозы крахмала свёрнуты в спираль, внутрь которой встраиваются молекулы йода — образуется комплекс включения синего цвета. Это чувствительный и специфичный тест именно на крахмал (не на любые полисахариды — целлюлоза с йодом такого эффекта не даёт).
А. М. Бутлеров в 1861 году впервые синтезировал сахароподобное вещество из формальдегида (реакция альдольной конденсации в щелочной среде с Ca(OH)2) — историческое доказательство, что органические вещества «жизни» можно получить без участия живых организмов.
Дано: 180 г глюкозы (M=180 г/моль) сбраживают дрожжами, выход реакции 90%.
n(глюкозы) = 180/180 = 1 моль. По уравнению 1 моль глюкозы даёт 2 моль CO2 теоретически.
n(CO2, практич.) = 1 × 2 × 0,9 = 1,8 моль.
V(CO₂) = 1,8 × 22,4 = 40,32 л (н.у.)
Дано: 9 г глюкозы (M=180 г/моль) вступает в реакцию серебряного зеркала.
n(глюкозы) = 9/180 = 0,05 моль. Реакция 1:2 (глюкоза:Ag).
n(Ag) = 0,1 моль → m(Ag) = 0,1 × 108 = 10,8 г
Глюкоза одновременно и альдегид, и многоатомный спирт. Отсюда весь набор её реакций — она отвечает и на пробу Толленса, и на пробу с Cu(OH)₂ без нагревания.
В растворе глюкоза существует в двух формах: открытой (альдегидной) и циклической (шестичленное кольцо). Они переходят друг в друга, но в любой момент времени открытой формы очень мало — около 0,1%. Именно она и вступает в реакции по альдегидной группе.
| Реакция | Какая группа работает | Что наблюдаем |
|---|---|---|
| Серебряное зеркало | альдегидная | налёт серебра → глюконовая кислота |
| Cu(OH)₂ при нагревании | альдегидная | красный осадок Cu₂O |
| Cu(OH)₂ без нагревания | гидроксильные | ярко-синий раствор |
| Восстановление H₂ | альдегидная | шестиатомный спирт сорбит |
| Брожение | вся молекула | спиртовое: C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂↑ |
Без нагревания — синий раствор (как глицерин, работают –OH группы). При нагревании — красный осадок (как альдегид). Это её визитная карточка: ни один одноатомный спирт и ни один обычный альдегид так не умеет.
В сахарозе альдегидная группа занята гликозидной связью — свободного карбонила нет, поэтому она не восстанавливающий сахар. А вот после гидролиза появляется свободная глюкоза, и зеркало пойдёт. Мальтоза и лактоза, в отличие от сахарозы, зеркало дают сразу.
| Крахмал | Целлюлоза | |
|---|---|---|
| Строение цепи | разветвлённая, спиральная | линейная, вытянутая |
| Тип связи | α-гликозидная | β-гликозидная |
| Роль | запас энергии | строительный материал клеточной стенки |
| Усваивается человеком | да | нет — нет нужного фермента |
| Качественная реакция | иод → синее окрашивание | не даёт с иодом |
| Особое | — | даёт сложные эфиры: тринитроцеллюлоза, ацетатное волокно |
Состав (C₆H₁₀O₅)ₙ одинаков, но тип гликозидной связи разный — и этого достаточно, чтобы картофель был едой, а вата нет. Наглядный аргумент в пользу теории Бутлерова: свойства определяются строением, а не только составом.
Реакция серебряного зеркала или Cu(OH)₂ при нагревании. Глюкоза даст налёт серебра / красный осадок — у неё есть свободная альдегидная группа. Сахароза не даст ничего. Если же сахарозу сначала прокипятить с кислотой (гидролиз), она тоже начнёт давать зеркало — появится свободная глюкоза.
Ответь мысленно, потом раскрой карточку.
Она имеет двойственное строение: открытая форма содержит альдегидную группу (даёт серебряное зеркало), а вся молекула содержит 5 групп OH (даёт синий раствор с Cu(OH)2 на холоду, как этиленгликоль/глицерин).
В сахарозе оба гликозидных гидроксила заняты связью между остатками — нет свободной альдегидной группы. В мальтозе один из остатков сохраняет свободный гликозидный гидроксил, способный раскрываться в открытую форму.
Синий — молекула йода встраивается внутрь спиральной структуры амилозы.
Крахмал имеет α-1,4-гликозидные связи, которые расщепляет фермент амилаза (есть у человека). Целлюлоза имеет β-1,4-связи — для их расщепления нужен фермент целлюлаза, которого у человека нет (есть у жвачных за счёт микрофлоры).
C₆H₁₂O₆ →(дрожжи) 2C₂H₅OH + 2CO₂↑ — этанол и углекислый газ.
Сорбит (шестиатомный спирт) — используется как подсластитель для диабетиков и в косметике.
Этерификация целлюлозы концентрированной HNO3 (с H2SO4 как катализатором) — получают тринитрат целлюлозы, применяется как бездымный порох и в производстве кинопленки.
n(глюкозы,M=180)=18/180=0,1 моль. Реакция 1:1 по Cu2O (M=144). m=0,1×144=14,4 г.
Впервые (1861) получен сахароподобный продукт (формоза) из неорганики (формальдегида) без участия живых организмов — доказательство, что «органические» вещества жизни подчиняются обычным законам химии.
Орбита оценит уровень по каждой из 34 тем ЕГЭ и сама подберёт, что решать дальше. Первая диагностика — 12 задач, регистрация по логину, почту не спрашиваем.
Начать бесплатно