Карбонильные соединения. Альдегиды и кетоны

Химические  свойства. Многообразие химических свойств моносахаридов объясняется их бифункциональностью.

1. Реакции образования эфиров. Моносахариды способны образовывать простые и сложные эфиры. Наиболее легко происходит замещение полуацетального (гликозидного) гидроксила:

Простые эфиры получили название гликозидов. В более жестких условиях возможно алкилирование и по другим оставшимся гидроксильным группам.

Моносахариды способны образовывать сложные эфиры как с минеральными, так и с карбоновыми кислотами, например:

Большое значение имеют эфиры фосфорной кислоты  рибозы и дезоксирибозы, являющиеся структурными фрагментами РНК и ДНК .

2. Реакция комплексообразования с гидроксидом меди (II). При взаимодействии свежеосажденного гидроксида меди (II) с моносахаридами происходит растворение гидроксида с образованием комплекса синего цвета (см. свойства многоатомных спиртов).

3. Окислительно-восстановительные реакции (ОВР). При каталитическом гидрировании моносахаридов происходит восстановление карбонильной группы до спиртового гидроксила:

Бромная вода окисляет альдегидную  группировку до карбоксильной:

ОВР с оксидом серебра (I) и гидроксидом  меди (II) используют как качественные реакции на альдозы и кетозы:

Кетозы дают те же самые реакции, так как в щелочной среде происходит их изомеризация в альдозы.

4. Реакция брожения. Моносахариды (например, глюкоза) способны расщепляться в зависимости от природы фермента до этанола, масляной или молочной кислоты:

Отдельные моносахариды. Глюкоза — бесцветное кристаллическое вещество, сладкое на вкус, хорошо растворимое в воде.

В организме человека и животных глюкоза подвергается ферментативному окислению, конечными  продуктами которого являются оксид  углерода (IV) и вода:

Фруктоза — структурный изомер глюкозы. Кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, более сладкое, чем глюкоза. В свободном виде содержится в мёде и фруктах. Химические свойства фруктозы обусловлены наличием кетонной и пяти гидроксильных групп.

Дезоксирибоза — бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде. В виде фуранозной формы входит в состав ДНК. Как и другие моносахариды, дезоксирибоза в растворе существует в ациклической и циклической формах, способна образовывать простые и сложные эфиры, принимает участие в ОВР и реакциях комплексообразования.

 

 

 

 

 

 

 

Рибоза — бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде. В виде фуранозной формы входит в состав РНК. Химические свойства рибозы обусловлены наличием альдегидной и гидроксильных групп. При восстановлении рибозы образуется спирт —рибит НОСН₂—(СНОН)₃—СН₂ОН, а при окислении — рибоновая кислота НОСН₂—(СНОН)₃—СООН. В растворе рибоза существует в ациклической и циклической формах:

Получают рибозу гидролизом мононуклеотидов.

Олигосахариды. Наиболее изученными олигосахаридами являются дисахариды, которые широко распространены в природе. Они содержатся во многих плодах и овощах, сахарной свекле, сахарном тростнике, меде.

Получение. Дисахариды получают из природных источников: сахарозу из сахарной свеклы или сахарного тростника, мальтозу — ферментативным гидролизом крахмала, лактозу — из коровьего молока, целлобиозу — гидролизом целлюлозы.

Физические свойства. Дисахариды — бесцветные кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде (исключение составляет лактоза), сладкие на вкус. Дисахариды можно рассматривать как гликозиды циклического моносахарида, в молекуле которого место алкила занято остатком другого моносахарида: С₆Н₁₁О₅-О-С₆Н₁₁О₅. Различают два вида дисахаридов:

1. Простые эфиры (гликозиды), образующиеся за счет взаимодействия полуацетального гидроксила одной из молекул моносахарида и одного из спиртовых гидроксилов (чаще всего у четвертого атома углерода) другой молекулы:

Молекула образующегося  при этом дисахарида содержит один полуацетальный гидроксил и способна переходить в ациклическую альдегидную форму. Подобные дисахариды способны восстанавливать такие вещества, как Ag₂O, Cu(OH)₂, за что их называют восстанавливающими сахарами.

К восстанавливающим сахаром относятся также целлобиоза и лактоза:

2. Простые эфиры, образующиеся за счет взаимодействия двух полуацетальных гидроксилов:

Дисахариды  этого типа не дают реакцию “серебряного зеркала” и не восстанавливают гидроксид меди (II), поэтому их называют невосстанавливающими сахарами.

Характерной особенностью дисахаридов является их способность взаимодействовать с гидроксидами металлов Са(ОН)₂, Сu(ОН)₂ с образованием хорошо растворимых комплексных соединений сахаратов (см. «Спирты.»)

В кислой среде дисахариды легко гидролизуются с образованием одинаковых (мальтоза, целлобиоза) или различных (лактоза, сахароза) моносахаридов (см. выше).

Полисахариды. Общая формула полисахаридов, образованных остатками пентоз (C₅H₈О₄)_n, гексоз (C₆H₁₀О₅), где n = 10³ - 10⁵. Наибольшее значение имеют производные глюкозы: крахмал и целлюлоза.

Крахмал является основным компонентом картофеля (20—24%), кукурузы (50—70%), пшеницы (до 70%), риса (до 80%).

Целлюлоза является главной  составной частью древесины (до 50%), льна (до 80% ), хлопка (90—97%).

Крахмал — белый порошок, нерастворимый в холодной воде, в горячей воде набухает, образуя крахмальный клейстер. Крахмал состоит из двух фракций: амилозы (15—25%) и амилопектина (75—85%).

Амилоза представляет собой линейный биополимер, состоящий из остатков глюкозы, соединенных через кислородные атомы в положении 1 и 4. Молекулярная масса амилозы от 150 000 до 500 000 а. е. м. в зависимости от вида растения.

Амилопектин — это биополимер, состоящий из остатков глюкозы, соединенных через кислородные атомы в положении 1—4 и 1—6. Молекулярная масса амилопектина составляет порядка миллиона а. е. м.

Подобно амилопектину построен гликоген (животный крахмал), макромолекулы которого отличаются большей разветвлённостью:

 

 

Характерным признаком  крахмала является его способность  последовательно гидролизоваться:

Крахмал не дает реакцию “серебряного зеркала” и не восстанавливает гидроксид меди (II).

Характерным свойством  крахмала является образование с раствором иода комплекса, имеющего синюю окраску.

Получают крахмал из природных  крахмалосодержащих продуктов, чаще всего картофеля и кукурузы. Он широко используется в качестве продукта питания, а также как сырье для производства глюкозы и этилового спирта.

Целлюлоза — белый волокнистый материал, нерастворимый в воде; имеет такой же элементный состав, как и крахмал. Различие между целлюлозой и крахмалом заключается в том, что: 1) в первом случае остатки глюкозы соединены β -гликозидной связью, а во втором — a -гликозидной связью; 2) в случае целлюлозы молекула имеет линейную форму, а в случае крахмала — форму трехмерной частицы; 3) молекулярная масса целлюлозы от 10⁶ до 10⁹ а.е.м.

 

 Целлюлоза, подобно крахмалу, в кислой среде гидролизуется:

Получают целлюлозу путем “варки” (нагревание под давлением) измельченной древесины с гидросульфитом кальция Са(НSO₃)₂.

Целлюлоза широко применяется для  изготовления бумаги, ее ацетатные  производные — для изготовления пленок (целлофан), искусственного шелка, нитропроизводные — для изготовления бездымного пороха (тринитроцеллюлоза — пироксилин).