Строение и общая характеристика углеводов
Углеводы — бифункциональные соединения, содержащие одновременно несколько гидроксильных групп и одну карбонильную группу (альдегидную или кетогруппу). Именно сочетание двух типов функциональных групп определяет всё многообразие химических свойств этого класса.
В строении молекулы преобладают σ-связи, гибридизация атомов углерода — sp³, за исключением одного атома углерода в карбонильной группе, который находится в sp²-гибридизации (одна π-связь). Для углеводов характерна пространственная изомерия; вещества, отличающиеся положением гидроксильных групп у асимметрических атомов, называются диастереомерами, а зеркальные формы — энантиомерами.
Физические свойства типичны: белые твёрдые вещества, хорошо растворимые в воде. Моно- и дисахариды обладают сладким вкусом, тогда как полисахариды (крахмал, целлюлоза) сладкими не являются.
Циклические формы и проекции Хеуорса
В водном растворе глюкоза существует преимущественно в циклической форме. Цикл образуется за счёт внутримолекулярной атаки гидроксильной группы пятого атома углерода на альдегидную группу первого атома, в результате чего возникает полуацеталь. У глюкозы образуется шестичленный пиранозный цикл (5 атомов углерода и 1 атом кислорода), у фруктозы — пятичленный фуранозный цикл.
В проекции Хеуорса цикл изображают как плоский шестиугольник: гидроксильные группы, расположенные справа в линейной формуле, опускают вниз, а слева — поднимают вверх. На ЕГЭ глюкозу можно записывать брутто-формулой C₆H₁₂O₆, особенно в задании 32 при написании реакций брожения.
Классификация углеводов
- По числу атомов углерода: пентозы (рибоза, дезоксирибоза) и гексозы (глюкоза, фруктоза, галактоза). Дезоксирибоза отличается от рибозы отсутствием OH-группы у второго атома углерода.
- По типу карбонильной группы: альдозы (содержат альдегидную группу — глюкоза, галактоза, рибоза) и кетозы (содержат кетогруппу — фруктоза). Эта классификация определяет химическое поведение.
- По числу мономерных звеньев: моносахариды, олигосахариды (включая дисахариды) и полисахариды.
Химические свойства моносахаридов
Свойства, обусловленные гидроксильными группами (общие для альдоз и кетоз):
- Реакция с активными металлами (Na, K) с выделением водорода.
- Этерификация с кислотами (наиболее популярна азотная кислота) с образованием сложных эфиров.
- Качественная реакция с Cu(OH)₂ без нагревания — образование ярко-синего раствора (признак многоатомного спирта).
Свойства альдоз (за счёт альдегидной группы):
- Реакции присоединения: с H₂, HCN, NaHSO₃.
- Реакции окисления: серебряного зеркала (с аммиачным раствором Ag₂O), Cu(OH)₂ при нагревании с образованием красно-оранжевого осадка Cu₂O, окисление KMnO₄, K₂Cr₂O₇, бромной водой до соответствующих кислот.
- Реакция восстановления водородом — образование шестиатомного спирта сорбита.
Особенности кетоз (фруктозы): сохраняются все спиртовые свойства и реакции присоединения, но полностью отсутствуют реакции окисления. Фруктоза не даёт реакции серебряного зеркала и не реагирует с Cu(OH)₂ при нагревании.
Дисахариды и их свойства
Наиболее важные дисахариды — мальтоза, лактоза и сахароза. Все они содержат остаток глюкозы. Способность дисахарида вступать в реакции окисления определяется природой второго (концевого) моносахаридного остатка, у которого должна сохраняться свободная полуацетальная (потенциально альдегидная) группа.
- Мальтоза (глюкоза + глюкоза) — восстанавливающий дисахарид, даёт реакцию серебряного зеркала и реакцию с Cu(OH)₂ при нагревании.
- Лактоза (галактоза + глюкоза) — также восстанавливающий дисахарид. Галактоза отличается от глюкозы пространственным положением одной OH-группы.
- Сахароза (глюкоза + фруктоза) — невосстанавливающий дисахарид: фруктоза является кетозой, поэтому реакции серебряного зеркала и окисления Cu(OH)₂, бромной водой, KMnO₄ не идут.
Реакции брожения
Реакции брожения катализируются ферментами и являются единственными реакциями углеводов, регулярно встречающимися в задании 32 ЕГЭ.
- Спиртовое брожение: C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂. Используется в производстве этанола.
- Молочнокислое брожение: C₆H₁₂O₆ → 2CH₃–CH(OH)–COOH. Образуется молочная кислота (2-гидроксипропановая). Происходит в мышцах человека и при скисании молока.
- Маслянокислое брожение: C₆H₁₂O₆ → C₃H₇COOH + 2CO₂ + 2H₂. Образуется масляная (бутановая) кислота.
Свойства полисахаридов
- Крахмал даёт характерное сине-фиолетовое окрашивание с йодом — это качественная реакция, используемая, например, для обнаружения крахмала в картофеле.
- Целлюлоза вступает в реакции этерификации: с уксусной кислотой образует ацетат целлюлозы, с азотной кислотой — нитроцеллюлозу (применяется в производстве взрывчатых веществ и плёнок).
- Сахароза при действии концентрированной H₂SO₄ обугливается: серная кислота отнимает воду, образуется уголь, выделяются CO₂ и SO₂.
- Все ди-, олиго- и полисахариды способны к гидролизу (чаще всего в кислой среде) с образованием соответствующих моносахаридов.
Ключевые моменты
- Углеводы — бифункциональные соединения с гидроксильными и карбонильной группами.
- Альдозы (глюкоза) проявляют все реакции окисления; кетозы (фруктоза) — нет.
- Качественные реакции на многоатомный спирт — Cu(OH)₂ без нагревания (синий раствор), на альдегидную группу — серебряное зеркало и Cu(OH)₂ при нагревании.
- Восстанавливающие дисахариды — мальтоза и лактоза; невосстанавливающий — сахароза.
- Три типа брожения: спиртовое, молочнокислое и маслянокислое — катализируются ферментами.
- Качественная реакция на крахмал — сине-фиолетовое окрашивание с йодом.
- Концентрированная H₂SO₄ вызывает обугливание сахарозы.
- Все сложные углеводы подвергаются гидролизу до моносахаридов.