Химические свойства моносахаридов обусловлены наличием:
- карбонильной группы (ациклическая форма моносахарида)
- полуацетального гидроксила (циклическая форма моносахарида)
- спиртовых ОН групп
Восстановление
- Продукты восстановления: многоатомные спирты –глициты
- Восстановитель: NaBH 4 или каталитическое гидрирование.
Глициты используются в качестве заменителей сахара.
При восстановлении альдоз происходит “уравнивание” функциональных групп на концах цепи. В результате из некоторых альдоз (эритрозы, рибозы, ксилозы, аллозы, галактозы) образуются оптически неактивные мезо-соединения, например. При восстановлении кетоз из карбонильной группы возникает новый хиральный центр и образуется смесь неравных количеств диастереомерных спиртов (эпимеров по С2):
Эта реакция доказывает, что D-фруктоза, D-глюкоза и D-манноза имеют одинаковые конфигурации хиральных центров С2, С3, и С4.
Окисление
Окислению могут подвергаться:
- карбонильная группа
- оба конца углеродной цепи (карбонильная группа и гидроксогруппа у шестого атома углерода)
- гидроксогруппа у шестого атома углерода независимо от карбонильной
Вид окисления зависит от природы окислителя.
Мягкое окисление. Гликоновые кислоты
- Окислитель : бромная вода
- Что окисляется : карбонильная группа альдоз. Кетозы в этих условиях не окисляются и могут быть таким образом выделены из смесей с альдозами.
- Продукты окисления : гликоновые кислоты (из ациклических моносахаридов), пяти- и шестичленные лактоны (из циклических).
Восстанавливающие моносахариды. Качественная реакция на альдегидную группу
- Окислитель : катионы металлов Ag + (OH - реактив Толенса) и Cu 2+ (комплекс Cu 2+ с тартрат-ионом - реактив Фелинга) в щелочной среде
- Что окисляется : карбонильная группа альдоз и кетоз
- Продукты окисления : гликоновые кислоты и продукты деструктивного распада
Альдоза + + → гликоновая кислота + Ag + продукты деструктивного окисления
Альдоза + Cu 2+ → гликоновая кислота + Cu 2 O + продукты деструктивного окисления
Восстанавливающие углеводы - углеводы, способные восстанавливать реактивы Толенса и Фелинга. Кетозы проявляют восстанавливающие свойства за счет изомеризации в щелочной среде в альдозы, которые и взаимодействуют далее с окислителем. Процесс превращения кетозы в альдозу происходит в результате енолизации. Образующийся из кетозы енол является общим для нее и 2-х альдоз (эпимеров по С-2). Так, в слабощелочном растворе в равновесии с D-фруктозой находятся ендиол, D-глюкоза и D-манноза.
Эпимеризация - взаимопревращения между альдозами, эпимерами по С2 в щелочном растворе.
Жесткое окисление. Гликаровые кислоты
- Окислитель : разбавленная азотная кислота
- Что окисляется : оба конца углеродной цепи. Окисление кетоз азотной кислотой протекает с расщеплением С-С связей.
- Продукты окисления : гликаровые кислоты
При образовании гликаровых кислот, происходит “уравнивание” функциональных групп на концах цепи и из некоторых альдоз образуются мезо-соединения.
Ферментативное окисление в организме. Гликуроновые кислоты
- Окислитель : ферменты в организме. В лабораторных условиях для защиты карбонильной группы проводят многостадийный синтез.
- Что окисляется : гидроксогруппа у шестого атома углерода независимо от карбонильной
- Продукты окисления : гликуроновые кислоты
Гликуроновые кислоты входят в состав полисахаридов (пектиновые вещества, гепарин). Важная биологическая роль D-глюкуроновой кислоты состоит в том, что многие токсичные вещества выводятся из организма с мочой в виде растворимых глюкуронидов.
Реакции полуацетального гидроксила. Гликозиды
Моносахариды способны присоединять соединения различной природы с образованием гликозидов. Гликозид - молекула, в которой остаток углевода связан с другой функциональной группой посредством гликозидной связи .
В присутствии кислот моносахариды взаимодействуют с соединениями, содержащими гидроксогруппу. В результате образуются циклические ацетали - .
Строение гликозидов
Молекула гликозида состоит из двух частей - углеводная компонента и агликон :
По типу связи углеводного остатка и агликона различают:
По размеру цикла гликозиды:
- пиранозиды
- фуранозиды
По природе углевода:
- глюкозиды (ацетали глюкозы)
- рибозиды (ацетали рибозы)
- фруктозиды (ацетали фруктозы)
По природе агликона:
- фенологликозиды
- антрахиноновые гликозиды
Получение гликозидов
Распространенный способ получения гликозидов - пропускание газообразного хлороводорода (катализатор) через раствор моносахарида в спирте:
Гидролиз гликозидов
Гликозиды легко гидролизуются в кислой среде, устойчивы к гидролизу в слабощелочной среде. Фуранозиды из-за напряженности цикла гидролизуются легче пиранозидов. В результате гидролиза гликозидов образуется соответствующее гидроксосодержащее соединение (спирт, фенол и т. д.) и моносахарид.
Образование простых эфиров
При взаимодействии спиртовых гидроксогрупп с алкилгалогенидами образуются простые эфиры. Простые эфиры устойчивы к гидролизу, а гликозидная связь гидролизуется в кислой среде:
Образование сложных эфиров
Моносахариды вступают в реакцию ацилирования с ангидридами органических кислород. В результате образуются сложные эфиры. Сложные эфиры гидролизуются как в кислой, так и в щелочной средах:
Дегидратация
Дегидратация углеводов происходит при нагревании с минеральными кислотами.
Углеводы - самые распространенные в природе органические соединения. Они встречаются в свободной и связанной формах в любой растительной, животной и бактериальной клетке. Они состоят из углерода, водорода и кислорода в следующем соотношении - на один атом углерода приходится одна молекула воды. Углеводы, как правило, образуются в зеленых растениях в ходе фотосинтеза.
Все углеводы делят на три группы: моносахариды, олигосахариды и полисахариды.
Моносахариды содержат 3-9 атомов углерода и к ним относятся такие вещества как глюкоза, фруктоза, галлактоза, рибоза.
Глюкоза (виноградный сахар) - в свободном виде содержится в ягодах и фруктах, из глюкозы состоят крахмал, гликоген и др., она является составной частью сахарозы, лактозы.
Фруктоза (плодовый сахар) - содержится в чистом виде в пчелином меде, винограде, яблоках, так же является составной частью сахарозы.
Олигосахариды - молекулы содержат от 2 до 10 остатков моносахаридов, соединенных гликозидными связями. К олигосахаридам относят сахарозу, мальтозу, лактозу, раффинозу и др. Сахароза представляет собой обычный пищевой сахар, мальтоза содержится только в молоке.
Полисахариды - к ним относят крахмал, гликоген, клетчатка и др.
Крахмал - наиболее распространенный углевод. Различают клубневый (картофель, батат) и зерновой (кукуруза, рис) крахмал. Он откладывается в клетках растений в виде зерен, из которых он легко выделяется механическим воздействием и при промывании водой. Крахмал состоит из двух фракций: амилоза (18-25 %) и амилопектин (75-82 %). В ходе технологической обработки под действием влаги и тепла крахмал способен адсорбировать влагу, набухать, клейстеризоваться, подвергаться деструкции.
Гликоген - углевод животного происхождения, накапливается в печени (около 10 %) и в мышцах (0.3-1 %) как запасной источник энергии. При его расщеплении образуются глюкоза, которая поступает в кровь и доставляется ко всем тканям организма.
Клетчатка - основной материал клеточных стенок растений. Ферменты желудочно-кишечного тракта человека не расщепляют клетчатку, и она относится к пищевым волокнам.
Пектиновые вещества - группа высокомолекулярных полисахаридов, входящих в состав клеточных стенок. Они содержаться в плодах, овощах в виде нерастворимого в холодной воде протопектина и растворимого пектина. Переход нерастворимых форм в растворимые происходит в процессе тепловой обработки. Пектиновые вещества способны образовывать гели в присутствии кислоты и сахара. Пектиновые вещества не усваиваются организмом, но играют в физиологии питания человека и технологии более активную роль, чем клетчатка. Они образуют комплексные соединения с тяжелыми металлами, выводя их из организма, и являются важным профилактическим средством для профилактики различных заболеваний.
Около 52-66% углеводов поступает с зерновыми продуктами, 14-26% с сахарами и сахаропродуктами, 8-10% с клубне-корнеплодами и 5-7% с овощами и фруктами. Количество углеводов в мясе и мясопродуктах сравнительно не велико и составляет около 1-1.5 %. Роль их в мясе определяется участием в биохимических процессах созревания мяса (изменение рН), формирования вкуса и аромата, изменения консистенции.
Углеводы выполняют следующие функции:
являются источниками энергии;
регуляторная (противостоят образованию кетоновых веществ при окислении жиров);
защитная (глюкуроновая кислота соединяясь с токсичными веществами, образует нетоксичные сложные эфиры, которые выводятся из организма);
участвуют в формировании органолептических характеристик продукта.
Среди углеводов есть представители, которые не усваиваются организмом, но выполняют важную физиологическую функцию, которые называются пищевые волокна. Благодаря специфическим функциональным свойствам они активно участвуют в регуляции биохимических процессов органов пищеварения (стимулируют моторную функцию кишечника, препятствуют всасыванию холестерина) и выведения из организма токсических веществ поступающих с водой, пищей и воздухом. Пищевые волокна являются профилактическими веществами таких заболеваний как сахарный диабет, ожирение, ишемическая болезнь сердца.
Углеводы при хранении пищевого сырья, его переработке претерпевают различные изменения, которые зависят от вида углеводов, условий процесса (влажность, температура, рН) и наличия ферментов. Важными превращениями углеводов являются: кислотный и ферментативный гидролиз ди- и полисахаридов, брожение, реакции меланоидинообразования и карамелизации.
План:
1.Определение понятия: углеводы. Классификация.
2. Состав, физические и химические свойства углеводов.
3.Рспространение в природе. Получение. Применение.
Углеводы – органические соединения, содержащие карбонильные и гидроксильные группировки атомов, имеющие общую формулу C n (H 2 O) m , (где n и m>3).
Углеводы – вещества, имеющие первостепенное биохимическое значение, широко распространены в живой природе и играют большую роль в жизни человека. Название углеводы возникло на основании данных анализа первых известных представителей этой группы соединения. Вещества этой группы состоят из углерода, водорода и кислорода, причем соотношение чисел атомов водорода и кислорода в них такое же, как и в воде, т.е. на каждые 2 атома водорода приходится один атом кислорода. В прошлом столетии их рассматривали как гидраты углерода. Отсюда и возникло русское название углеводы, предложенное в 1844г. К.Шмидтом. Общая формула углеводов, согласно сказанному, С м Н 2п О п. При вынесении «n» за скобки получается формула С м (Н 2 О) n , которая очень наглядно отражает название «угле - воды». Изучение углеводов показало, что существуют соединения, которые по всем свойствам нужно отнести в группу углеводов, хотя они имеют состав, не точно соответствующий формуле С м H 2п О п. Тем не менее старинное название «углеводы», сохранилось до наших дней, хотя наряду с этим названием для обозначения рассматриваемой группы веществ иногда применяют и более новое название – глициды.
Углеводы можно разделить на три группы : 1) Моносахариды – углеводы, способные гидролизоваться с образованием более простых углеводов. К данной группе относятся гексозы (глюкоза и фруктоза), а также пентоза (рибоза). 2) Олигосахариды – продукты конденсации нескольких моносахаридов (например, сахароза). 3) Полисахариды – полимерные соединения, содержащие большое число молекул моносахаридов.
Моносахариды . Моносахариды являются гетерофункциональными соединениями. В их молекулах одновременно содержатся и карбонильная (альдегидная или кетонная), и несколько гидроксильных групп, т.е. моносахариды представляют собой полигидроксикарбонильные соединения - полигидроксиальдегиды и полигидроксикетоны. В зависимости от этого моносахариды подразделяются на альдозы (в моносахариде содержится альдегидная группа) и кетозы (содержится кетогруппа). Например, глюкоза – это альдоза, а фруктоза – это кетоза.
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
Тема урока: « Углеводы» для 11 класса гуманитарного направленияЦели:
образовательные:
Сформировать у учащихся знания об углеводах, их составе и классификации. Рассмотреть зависимость химических свойств углеводов от строения молекул. Качественные реакции на глюкозу и крахмал. Дать представление о биологической роли углеводов, их значении в жизни человека.
развивающие:
Продолжить развивать у учащихся мыслительные операции: умение связывать уже имеющиеся знания с вновь приобретенными, умение выделять главное в изученном материале, обобщать изученный материал и делать выводы.
воспитательные:
Воспитание ответственного отношения к учебе, стремления к творческой, познавательной деятельности.
Тип: изучение нового материала
Вид: лекция
Метод : объяснительно-иллюстративный с компьютерным сопровождением
План проведения занятия
2. Мотивация занятия
Углеводы служат важным источником питания: мы потребляем зерно, или скармливаем его животным, в организме которых крахмал превращается в белки и жиры. Самая гигиеничная одежда сделана из целлюлозы или продуктов на её основе: хлопка и льна, вискозного волокна или ацетатного шелка. Деревянные дома и мебель построены из той же целлюлозы, образующей древесину. В основе производства фото- и кинопленки все та же целлюлоза. Книги, газеты, денежные банкноты – всё это продукция целлюлозно-бумажной промышленности. Значит, углеводы обеспечивают нас всем необходимым.
Кроме того, углеводы участвуют в построении сложных белков, ферментов, гормонов. Углеводами являются и такие жизненно необходимые вещества, как гепарин (он играет важнейшую роль - предотвращает свертывание крови), агар-агар (его получают из морских водорослей и применяют в микробиологической и кондитерской промышленности).
Единственным источником энергии на Земле (помимо ядерной) является энергия Солнца, а единственным способом его аккумулирования для обеспечения жизнедеятельности всех живых организмом является процесс фотосинтеза, протекающий в клетках растений и приводящий к синтезу углеводов из воды и углекислого газа. Кстати, именно при этом превращении образуется кислород, без которого жизнь на нашей планете была бы невозможно.
План лекции
1. Понятие об углеводах. Классификация углеводов.
2. Моносахариды
3. Дисахариды
4. Полисахариды
1. Понятие об углеводах. Классификация углеводов.
Углеводы - обширный класс природных соединений, которые играют важную роль в жизни человека, животных и растений.
Название «углеводы» эти соединения получили потому, что состав многих из них выражается общей формулой Сn (H 2 O ) m , т.е. формально являются соединениями углерода и воды. С развитием химии углеводов обнаружены соединения, состав которых не отвечает приведенной формуле, но обладающие свойствами веществ своего класса (например, дезоксирибоза С 5 Н 10 О 4). В то же время есть вещества, соответствующие общей формуле углеводов, но не проявляющие их свойства (например, спирт инозит С 6 Н 12 О 6).
Классификация углеводов
Все углеводы можно разделить на две группы: простые углеводы (моносахариды) и сложные углеводы.
Простые углеводы (моносахариды) – это простейшие углеводы, не гидролизующиеся с образованием более простых углеводов.
Сложные углеводы – это углеводы, молекулы которых состоят их двух или более числа остатков моносахаридов и разлагаются на эти моносахариды при гидролизе.
2. Моносахариды
Моносахариды представляют собой соединения со смешанными функциями. Они содержат альдегидную или кетогруппу и несколько гидроксильных групп, т.е. являются альдегидоспиртами или кетоноспиртами .
Моносахариды с альдегидной группой называются альдозами, а с кетогруппой – кетозами.
По числу углеродных атомов в молекуле моносахариды делятся на тетрозы, пентозы, гексозы и т.д.
Наибольшее значение среди моносахаридов имеют гексозы и пентозы.
Структура моносахаридов
Для изображения строения моносахаридов используют проекционные формулы Фишера. В формулах Фишера цепь углеродных атомов располагается в одну цепь. Нумерация цепи начинается с атома альдегидной группы (в случае альдоз) или с крайнего атома углерода, к которому ближе расположена кетогруппа (в случае кетоз).
В зависимости от пространственного расположения атомов Н и ОН-групп у 4-ого атома углерода у пентоз и 5-ого атома углерода у гексоз моносахариды относят к D – или L – ряду.
Моносахарид относят к D – ряду, если ОН-группа у этих атомов располагается справа от цепи.
Почти все встречающиеся в природе моносахариды относятся к D – ряду.
Однако моносахариды могут существовать также в циклических формах. Циклические формы гексоз и пентоз называют соответственно пиранозными и фуранозными.
В растворах моносахаридов устанавливается подвижное равновесие между ациклической и циклической формами – таутомерия.
Циклические формы принято изображать перспективными формулами Хеуорса.
В циклических формах моносахаридов появляется асимметрический атом углерода (С-1 у альдоз, С-2 у кетоз). Этот атом углерода называется аномерным. Если группа ОН у аномерного атома располагается под плоскостью, то образуется α–аномер, противоположное расположение приводит к образованию β-аномера.
Бесцветные кристаллические вещества, сладкие на вкус, хорошо растворимые воде, плохо растворимые в спирте. Сладость моносахаридов различна. Например, фруктоза слаще глюкозы в 3 раза.
(слайд 8 – 12.)
Химические свойства
Химические свойства моносахаридов обусловлены особенностями их строения.
Рассмотрим химические свойства на примере глюкозы.
1. Реакции с участием альдегидной группы глюкозы
а) восстановление (гидрирование) с образованием многоатомного спирта сорбита
СН=О СН 2 ОН
│ kat , t 0 │
(СНОН) 4 + Н 2 → (СНОН) 4
СН 2 ОН СН 2 ОН
б) окисление
реакция «серебряного зеркала»(с аммиачным раствором оксида серебра, t 0 ),
реакция с гидроксидом меди (II ) Cu (OH ) 2 в щелочной среде, t 0 )
CH=O COOH
│ NH 4 OH, t 0 │
(CHOH ) 4 + Ag 2 O → (CHOH ) 4
CH 2 OH CH 2 OH
Продуктом окисления является глюконовая кислота (соль этой кислоты – глюконат кальция – известное лекарственное средство).
CH =O COOH
│ t 0 │
(CHOH) 4 + 2Cu(OH) 2 → (CHOH) 4 + Cu 2 O↓ + 2H 2 O
│ голубой │ кирпично-красный
CH 2 OH CH 2 OH
Эти реакции являются качественными на глюкозу как альдегид.
Под действием сильных окислителей (например, азотной кислоты) образуется двухосновная глюкаровая кислота.
CH =O COOH
│ t 0 │
(CHOH ) 4 + HNO 3 → (CHOH ) 4
CH 2 OH COOH
2. Реакция глюкозы с участием гидроксильных групп (т.е. свойства глюкозы как многоатомного спирта)
а) взаимодействие с Cu (OH ) 2 на холоду с образованием глюконата меди (II ) – качественная реакция на глюкозу как многоатомный спирт.
3. Брожение (ферментация) моносахаридов
а) спиртовое брожение
С 6 Н 12 О 6 → 2С 2 Н 5 ОН + 2СО 2
б) маслянокислое брожение
С 6 Н 12 О 6 → СН 3 ─СН 2 ─СН 2 ─СООН + 2Н 2 + 2СО 2
в) молочнокислое брожение
С 6 Н 12 О 6 → 2СН 3 ─ СН ─ СООН
ОН
Биологическая роль глюкозы
D -глюкоза (виноградный сахар) широко распространена в природе: содержится в винограде и других плодах, в меде. Она является обязательным компонентом крови и тканей животных и непосредственным источником энергии для клеточных реакций. Уровень глюкозы в крови человека постоянен и находится в пределах 0,08-0,11%. Во всем объеме крови взрослого человека содержится 5-6 г. глюкозы. Такого количества достаточно для покрытия энергетических затрат организма в течение 15 мин. его жизнедеятельности. При некоторых патологиях, например, при заболевании сахарным диабетом, содержание глюкозы в крови повышается, и избыток её выводится с мочой. При этом количество глюкозы в моче может возрасти до 12% против обычного – 0,1%.
3. Дисахариды
(слайд 13.)
Дисахариды – продукты конденсации двух моносахаридов.
Важнейшие природные представители: сахароза (тростниковый или свекловичный сахар), мальтоза (солодовый сахар), лактоза (молочный сахар), целлобиоза. Все они имеют ту же эмпирическую формулу С 12 Н 22 О 11 , т.е. являются изомерами.
Дисахариды – типичные сахароподобные углеводы; это твердые кристаллические вещества, имеющие сладкие вкус.
(слайд 14-15.)
Строение
1. Молекулы дисахаридов могут содержать два остатка одного моносахарида или два остатка разных моносахаридов;
2. Связи, образующиеся между остатками моносахаридов, могут быть двух типов:
а) в образовании связи принимают участие полуацетальные гидроксилы обеих молекул моносахаридов. Например, образование молекулы сахарозы;
б) в образовании связи принимают участие полуацетальный гидроксил одного моносахарида и спиртовый гидроксил другого моносахарида. Например, образование молекул мальтозы, лактозы и целлобиозы.
(слайд 16-17.)
Химические свойства дисахаридов
1. Дисахариды, в молекулах которых сохраняется полуацетальный гидроксил (мальтоза, лактоза, целлобиоза), в растворах частично превращаются в открытые альдегидные формы и вступают в реакции, характерные для альдегидов, в частности в реакцию «серебряного зеркала» и с гидрокисдом меди (II ). Такие дисахариды называют восстанавливающими.
Дисахариды, в молекулах которых нет полуацетального гидроксила (сахароза) не могут переходить в открытые карбонильные группы. Такие дисахариды называются невосстанавливающими (не восстанавливают Cu (OH ) 2 и Ag 2 O ).
2. Все дисахариды являются многоатомными спиртами, для них характерны свойства многоатомных спиртов, они дают качественную реакции на многоатомные спирты – реакция с Cu (OH ) 2 на холоду.
3. Все дисахариды гидролизуются с образованием моносахаридов:
Н + , t 0
С 12 Н 22 О 11 + Н 2 О → С 6 Н 12 О 6 + С 6 Н 12 О 6
сахароза глюкоза фруктоза
В живых организмах гидролиз идет под действием ферментов.
4. Полисахариды
(слайд 18 - 20.)
Полисахариды – высокомолекулярные несахароподобные углеводы, содержащие от десяти до сотен тысяч остатков моносахаридов (обычно гексоз), связанных гликозидными связями.
Важнейшие природные представители: крахмал, гликоген, целлюлоза. Это природные полимеры (ВМС), мономером которого является глюкоза. Их общая эмпирическая формула (С 6 Н 10 О 5) n .
Крахмал – аморфный порошок белого цвета, без вкуса и запаха, плохо растворим в воде, в горячей воде образует коллоидный раствор. Макромолекулы крахмала построены из большого числа остатков α-глюкозы, связанных α-1,4-гликозидными связями.
Крахмал состоит из двух фракций: амилозы (20-30%) и амилопектина (70-80%).
Молекулы амилозы – очень длинные неразветвленные цепи, состоящие из остатков α-глюкозы. Молекулы амилопектина в отличие от амилозы сильно разветвлены.
Химические свойства крахмала:
(слайд 21.)
1. гидролиз
Н 2 О, ферменты
(С 6 Н 10 О 5) n → (С 6 Н 10 О 5) m → С 12 Н 22 О 11 → n C 6 H 12 O 6
крахмал декстрины мальтоза глюкоза
Реакцию превращения крахмала в глюкозу при каталитическом действии серной кислоты открыл в 1811 г. русский ученый К. Кирхгоф.
2. Качественная реакция на крахмал
(С 6 Н 10 О 5) n + I 2 → комплексное соединение сине-фиолетового цвета.
При нагревании окрашивание исчезает (комплекс разрушается), при охлаждении появляется вновь.
Крахмал – один из продуктов фотосинтеза, главное запасное питательное вещество растений. Остатки глюкозы в молекулах крахмала соединены достаточно прочно и в тоже время под действием ферментов легко могут отщепляться. Как только возникнет потребность в источнике энергии.
Гликоген – это эквивалент крахмала, синтезируемый в животном организме, т.е. это тоже резервный полисахарид, молекулы которого построены из большого числа остатков α-глюкозы. Содержится гликоген главным образом в печении мышцах.
Целлюлоза или клетчатка
Главная составная часть растительной клетки, синтезируется в растениях (в древесине до 60% целлюлозы). Чистая целлюлоза – белое волокнистое вещество, без вкуса и запаха, нерастворимое в воде.
Молекулы целлюлозы – это длинные цепи, состоящие из остатков β-глюкозы, которые соединяются за счет образования β-1,4-гликозидных связей.
В отличие от молекул крахмала целлюлоза состоит только из неразветвленных молекул в виде нитей, т.к. форма остатков β-глюкозы исключает спирализацию.
Целлюлоза не является продуктом питания человека и большинства животных, т.к. в их организмах нет ферментов, расщепляющих более прочные β-1,4-гликозидные связи.
(слайд 22- 23.)
Химические свойства целлюлозы:
1. гидролиз
При длительном нагревании с минеральными кислотами или под действием ферментов (у жвачных животных и кроликов) идет ступенчатый гидролиз:
Н 2 О
(С 6 Н 10 О 5) n → y (С 6 Н 10 О 5) x → n /2 С 12 Н 22 О 11 → n C 6 H 12 O 6
целлюлоза целлобиоза β-глюкоза
2. образование сложных эфиров
а) взаимодействие с неорганическими кислотами
б) взаимодействие с органическими кислотами
3. горение
(С 6 Н 10 О 5) n +6nO 2 → 6nCO 2 +5nH 2 O
4. термическое разложение целлюлозы без доступа воздуха:
t 0
(С 6 Н 10 О 5) n → древесный уголь +Н 2 О +летучие органические вещества
Являясь составной часть древесины, целлюлоза используется в строительном и столярном деле; как топливо; из древесины получают бумагу, картон, этиловый спирт. В виде волокнистых материалов (хлопок, лен) целлюлоза используется для изготовления тканей, нитей. Эфиры целлюлозы идут на изготовление нитролаков, пластмасс, медицинского коллодия, искусственного волокна.
Определение
Углеводы – это природные соединения, имеющие состав C$_n$(H$_2$O)$_m$. Исключение - дезоксирибоза С$_5$Н$_{10}$О$_4$.
Следует отметить, что молекулярная формула C$_n$(H$_2$O)$_m$ может описывать и другие классы соединений.
Углеводы входят в состав всех живых организмов, они составляют около 80% от сухой массы растений, а полисахарид целлюлоза является самым распространенным органическим веществом на Земле.
В растениях и животных углеводы выполняют разнообразные функции: служат источником энергии, являются "строительным материалом" клеточных стенок растений, определяют защитные свойства млекопитающих (наряду с белками). Углеводы служат исходными веществами для производства бумаги, искусственных волокон, взрывчатых веществ и др. Многие углеводы находят применение в медицине.
Среди наиболее известных углеводов можно выделить следующие (на рисунках приведены структурные формулы углеводов и их источники (для "а" , "б", "в") или их использование ("г")):
а) глюкоза - моносахарид, виноградный сахар.
б) сахароза - дисахарид, тростниковый сахар.
в) крахмал - полисахарид, синтезируемый разными растениями в хлоропластах, под действием света при фотосинтезе, основное питательное вещество в клетках растений.
г) целлюлоза - полисахарид, главная составная часть клеточных оболочек всех высших растений.
КЛАССИФИКАЦИЯ УГЛЕВОДОВ.
Исторически к углеводам относят вещества весьма разнообразного строения - от низкомолекулярных, построенных всего лишь из нескольких атомов углерода (чаще всего из пяти или шести), до полимеров с молекулярной массой в несколько миллионов.
Последние, называемые полисахаридами , в результате полного гидролиза образуют более простые соединения - моносахариды . Промежуточную группу составляют олигосахариды , включающие относительно небольшое количество мономерных звеньев.
Определение 1
Моносахариды - мономеры, из остатков которых состоят углеводы более сложного строения. Моносахариды не подвергаются гидролизу.
Определение 2
Олигосахариды – олигомеры, содержащие от 2 до 10 моносахаридных остатков.
Определение 3
Полисахариды – полимеры, включающие до нескольких тысяч моносахаридных звеньев
Моносахариды (например, глюкоза, фруктоза, галактоза и др.) относят к группе веществ, для которых вопрос строения важен как ни для какого другого класса соединений. Итак, моносахариды можно классифицировать по:
I. По количеству атомов углерода в цепи
триоза - три атома углерода
тетроза - четыре атома углерода в цепи
пентоза - пять атомов углерода в цепи
гексоза - шесть атомов углерода в цепи
II. По типу карбонильной группы
альдоза - содержит альдегидную группу ($-C(O)H$)
кетоза - содержит кето-группу ($-C(O)-$)
III. По конфигурации последнего хирального атома углерода
углеводы D-ряда
углеводы L-ряда
Разнообразие моносахаридов связано главным образом со стереохимическими различиями. Например, в молекулах пентоз или гексоз содержится от 2-х до 4-х хиральных (асимметрических) атомов углерода, поэтому одной и той же структурной формуле соответствует несколько изомеров.
Определение
Хиральный (или асимметрический ) атом углерода - атом углерода в $sp^3$-гибридизации, который имеет четыре разных заместителя . Соединения с хиральным атомом углерода (хиральным центром) обладают оптической активностью, т.е. способностью вещества в растворе вращать плоскость поляризованного света.
Для обозначения пространственного строения моносахаридов исторически используется D,L-система.
Положение гидроксильной группы у последнего центра хиральности справа свидетельствует от принадлежности моносахарида к D-ряду, слева - к L-ряду, например.
