Лекционный курс для учащихся дневного отделения Составила

Вид материала

Документы

Содержание Способы получения глюкозы Химические свойства Другие моносахариды Промышленный способ получения сахарозы Кто самый сладкий... Как созревают плоды

Подобный материал:

• Лекционный курс для подготовки к экзамену по дисциплине: «аналитическая химия» для, 961.07kb.
• График чтения обзорных лекций по биологии (5 курс дневного отделения и 6 курс заочного, 40.54kb.
• Учебное пособие по курсу «управление банковским продуктом» Составитель: к э. н., доцент, 955.86kb.
• Для учащихся школ и студентов (дневного отделения), 74.7kb.
• Методические рекомендации для студентов дневного отделения Тамбов, 652.18kb.
• Общий курс (для студентов II курса дневного отделения исторического факультета мгу), 244.37kb.
• Факультативный курс для учащихся 3-4 классов. Составила, 243.19kb.
• Учебно-методическое пособие для студентов-бакалавров Iкурса дневного отделения и студентов-специалистов, 1806.19kb.
• Программа по дисциплине «Теория вероятностей и математическая статистика» для студентов, 206.05kb.
• Календарный план лекций для студентов дневного отделения 3 курса педиатрического факультета,, 77.36kb.

МОНОСАХАРИДЫ

Каждая молекула моносахарида со­держит несколько гидроксильных групп и одну карбонильную группу. Большинство моносахаридов — бес­цветные кристаллические вещества, прекрасно растворимые в воде. Глюкоза со­держится в растительных и животных организмах, в особенности велико ее содержание в виноградном со­ке ( отсюда и название - виноградный сахар ) , в меде , а также в спелых фруктах и ягодах . Мно­гие моносахариды очень трудно вы­делить из раствора в виде кристаллов, так как они образуют вязкие раство­ры (сиропы), состоящие из различ­ных изомерных форм.

Самый известный моносахарид — виноградный сахар, или глюкоза (от греч. «гликис» — «сладкий»), С₆Н₁₂О₆. Глюкоза принадлежит к клас­су альдегидоспиртов — соединений, содержащих гидроксильные и альде­гидные группы. В молекуле глюкозы пять гидроксильных групп и одна альдегидная. Формулу глюкозы обычно приво­дят в сокращённом виде:




Общая формула: С_nH_2nO_n

Моносахариды существуют не только в виде линейных форм, но и в виде циклических; эти формы способны переходить одна в другую в водных растворах.

Динамическое равновесие между структурными изомерами называется таутомерией.

пиранозная форма альдегидная форма

по Хеуорсу по Фишеру


Образование циклических форм моносахаридов происходит в результате реакции внутримолекулярного присоединения гидроксильной группы - ОН к карбонильной –СН₂ . Наиболее устойчивыми являются 5- и 6 – членные циклы. 5-членные- фуранозные, 6-членные – пиранозные. Сущность таутомерного перехода альдегидной формы в цикли-ческую заключается в перемещении водородного атома от гидроксила при пятом углеродном атоме к кислороду карбонильной группы. В результате этого углеродный атом С-1 становится асимметрическим, а между атомами С-1 и С-5 устанавливается связь через атом кислорода (отсюда название окисная форма) с образованием шестичленного цикла. Эта связь называется глюкозидной. Вновь возникший асимметрический углеродный атом С-1 может иметь две антиподных конфигурации: в этом различие между α- и β-глюкозой.

Глюкоза (а также любой другой из семи изомерных ей сахаров) может существовать в виде двух оптиче­ских изомеров, молекулы которых являются зеркальным отображени­ем друг друга — D- и L-форм . Интересно, что в природных соеди­нениях обнаружен только D-изомер глюкозы, в отличие от аминокислот, которые встречаются в природе только в L-форме.


Фруктоза (фруктовый сахар) изо­мерна глюкозе, но в отличие от неё относится к кетоспиртам — соеди­нениям, содержащим кетоновые и карбонильные группы. Подобно глю­козе, фруктоза легко образует цикли­ческие полуацетали, только состоят они преимущественно из пятичленных циклов:



В щелочной среде её молекулы способны изомеризоваться в глюкозу, поэтому водные растворы фруктозы восстанавливают гидроксид меди (II) и оксид серебра (реакция «серебряного зеркала»).


Способы получения глюкозы:


1. В процессе фотосинтеза:

hν, хлорофилл

6СО₂ + 6Н₂О → С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

глюкоза

Источником углеводов в природе служит процесс фотосинтеза —превращение в зеленых листьях растений углекислоты воздуха в углеводы. Энергию для этого процесса дает солнечный свет. Фотосинтез служит единственным источником органических веществ в природе, поскольку животные не способны синтезировать органические вещества из неорганических, они лишь перерабатывают органические вещества, накопленные растениями. Велика роль продуктов фотосинтеза и в качестве источников энергии в промышленности, поскольку и каменный уголь, и нефть, и газ, и тем более древесина — все это «консервированная солнечная энергия», накоп-
ленная за счет процесса фотосинтеза.


2. Частичное окисление спиртов




СН₂ОН




Н – С – ОН




НО – С – Н




Н – С – ОН + [O]




Н – С – ОН




СН₂ОН

сорбит глюкоза


3. В промышленности глюкоза получают гидролизом крахмала ( в присутствий кислот), а также из древе­сины


Химические свойства:


Строение глюкозы выведено на основе изучения ее химических свойств . Так глюкоза проявляет свойства присущие:


а) спиртам - образует с металлами алкоголяты ( сахараты ) , сложный уксусный эфир , содержащий 5 кис­лотных остатков ( по числу гидроксильных групп ) . Следовательно, глюкоза - многоатомный спирт;


б) альдегидам - с аммиачным раствором оксида серебра она дает реакцию " серебряного зеркала " . Следо­вательно , глюкоза - альдегидоспирт, ее молекула может иметь строение .


Однако не все свойства глюкозы согласуются с ее строением как альдегидоспирта .


1. Реакция, доказывающая, что глюкоза имеет альдегидную группу – реакция «серебряного зеркала»:


О ОН







t,NН₄ОН

+ Ag₂О → + 2 Ag↓


В результате реакции из глюкозы образуется глюконовая кислота и наблюдаем образование на стенках пробирки серебряного налёта.

2. Реакция, доказывающая, что глюкоза является многоатомным спиртом:



СН₂ОН



Н – С – ОН

НО-

+ Сu ↓ → НО – С – Н

НО- + Н₂О

Н – С – О \

осадок Сu

голубого цвета

Н – С – О ⁄




СН₂ОН

раствор тёмно-синего цвета



В щелочной среде соли меди (II) образуют с глюкозой ярко окрашенные комплексы (1). При нагревании эти комплексы разрушаются: глюкоза восстанавливает медь до жёлтого гидроксида меди (I) CuОН, который превра-щается в красный оксид Сu₂О (II).

3. Реакция гидрирования (восстановления):

_О Н₂ ОН




t,Pt

+Н₂ →


В результате реакции образуется сорбит

4. Этерификация:
   

СН₂ – О – СО – СН₃




Н – С – О – СО – СН₃

t,H₂SO₄

+ 5 СН₃СООН ↔ СН₃ – СО – О – С – Н


Н – С – О – СО – СН₃



Н – С – О – СО – СН₃




СН₂ – О – СО – СН₃


В результате реакции образуется пентаацетилглюкоза – сложный эфир глюкозы и уксусной кислоты.


5. Брожение:


1) спиртовое брожение:

f дрожжей

С₆Н₁₂О₆ → 2 С₂Н₅ОН + 2 СО₂ ↑


2) молочнокислое брожение:

f живых клеток

С₆Н₁₂О₆ → 2 СН₃ – СН - СООН


ОН

3) маслянокислое брожение:

f живых клеток

С₆Н₁₂О₆ → СН₃ – СН₂ – СН₂ – СООН + 2 СО₂ ↑ + 2Н₂ ↑


4) лимоннокислое брожение:

ОН

f живых клеток

С₆Н₁₂О₆ → СООН – СН₂ – С – СН₂ – СООН + 2 Н₂О

СООН

лимонная кислота


Глюкоза широко распространена в природе. Её много в спелых фруктах и ягодах, а также в мёде. В связанном виде она входит в состав дисахарида — сахарозы и полисахаридов — крахмала и целлюлозы.

Глюкоза - ценное питательное вещество . При окислении ее в тканях освобождается энергия , неоходи-мая для нормальной жизнедеятельности .

Глюкоза применяется : в медицине , в кондитерском производстве , в производстве зеркал и игрушек (се­ребрение) . Ею пользуется при крашений и аппретировании тканей и кожи .

Фруктоза — самый сладкий из сахаров. Она содержится в мёде (около 40%), нектаре цветов, клеточном со­ке некоторых растений.


Другие моносахариды:




Строение гликозида синигрина, содержащегося в семенах горчицы и хрене. Он состоит из фрагмента D-глюкозы и калиевой соли сероорганического соединения, которое придаёт хрену и горчице характерный жгучий вкус.

Ксилоза («древесный сахар») — составная часть
полисахарида ксилана, сопровождающего целлюлозу в соломе,
кукурузных стеблях, хлопке; арабиноза, встречающаяся в расте-
ниях в виде полисахарида арабана, входящего в состав вишневого клея, аравийской камеди (отсюда и название арабиноза); рибоза, имеющая исключительное биологическое значение из-за своей связи с нуклеиновыми кислотами; манноза — составная часть полисахаридов маннанов; галактоза, входящая в состав дисахарида лактозы — молочного сахара, содержащегося в молоке млекопитающих.


ДИСАХАРИДЫ

- углеводы. которые при гидролизе распадаются на 2 молекулы моносахаридов.

Соединения, построенные из небольшого числа моносахаридов, называют олигосахаридами ( от oligos – мало).

Дисахариды по восстановительной способности делят на :

1. восстанавливающие- способны вступать в реакции окисления ( мальтоза, лактоза, целлобиоза);
   
2. невосстанавливающие- не способны вступать вреакции окисления (сахароза).
   

Различают два структурных типа дисахаридов, различие между которыми зависит от того, участвуют ли в создании связи оба гликозидных гидроксила или один гликозидный и один спиртовой. В дисахаридах такого типа нет свободных гликозидных гидроксилов. Это значит, что они не способны переходить в таутомерную альдегидную форму, а следовательно, не способны вступать в свойственные этой форме реакции. Не дают дисахариды гликозидно-гликозидного типа, в частности, и столь характерной для моносахаридов реакции серебряного зеркала, не восстанавливают реактива Фелинга. .Поэтому дисахариды такого типа обычно называют невосстанавливающами дисахаридами. Такие дисахариды способны вступать лишь в те реакции моносахаридов, которые обусловлены присутствием гидроксильных групп (алкилирование, ацилирование). Пример невосстанавливающего дисахарида — сахароза, состоящая из глюкозы и фруктозы.

Второй тип дисахаридов — это дисахариды гликозидно-гликозного типа, или восстанавливающие дисахариды. К этому типу относятся важнейшие природные продукты — целлобиоза, мальтоза, лактоза. Первые два состоят из молекул глюкозы и отличаются друг от друга лишь тем, что в молекуле целлобиозы имеется связь β-гликозидного типа, а в молекуле мальтозы — связь α-гликозидного типа. В состав дисахарида лактозы входит молекула глюкозы и молекула галактозы.

Практически дисахариды получают из природных источников.


Сахароза (свекольный или тростни­ковый сахар) С₁₂Н₂₂О₁₁ представляет собой дисахарид, образованный из остатков -глюкозы и -фруктозы (в форме полуацеталей), связанных друг с другом.

Сахароза не восстанав­ливает оксид серебра и гидроксид меди (II). В кислой среде сахароза гидролизуется — разлагается водой на глюкозу и фруктозу. Вот самый простой пример: сладкий чай кажет­ся ещё более сладким, если положить в него ломтик лимона, хотя, конечно, и кислым одновременно. Это проис­ходит благодаря присутствию ли­монной кислоты, которая ускоряет распад сахарозы на глюкозу и фрук­тозу.

При внесении сахарозы в раствор медного купороса в присутствии щёлочи образуется ярко-синий сахарат меди — вещество, в котором ато­мы металла связаны с гидроксильными группами углевода.




Сахар при взаимодействии с серной кислотой легко обуг-ливается. Образующаяся чёрная пена — результат выделения угле-кислого газа.


Глюкоза, входящая в состав молекулы сахарозы имеет правостороннее вращение, а фруктоза- левостороннее, но по величине угол вращения фруктозы больше , чем угол вращения глюкозы. Переход от правостороннего вращения в левостороннее носит название инверсии сахарозы.


Промышленный способ получения сахарозы:

сахарную свеклу измельчают и извлекают из неё сахарозу горячей водой в специальных аппаратах – диффузорах. Полученный раствор обрабатывают известью для осаждения примесей, а пропусканием через раствор углекислого газа осаждают в нём гидроксид кальция. Раствор упаривают в вакуумах – аппаратах, получая рафинированный (очищенный) сахар. В зависимости от условий кристаллизации он выделяется в виде мелких кристаллов или больших «сахарных» голов, который затем раскалывают.


КАРАМЕЛЬ

Когда сахар нагревают выше температуры плавления (до 190 °С), он час­тично разлагается. При этом выделяется вода и образуется карамель. Это аморфная жёлто-бурая вязкая масса, застывающая при охлаждении. В про­цессе карамелизации часть молекул сахарозы распадается на глюкозу и фруктозу, которые в дальнейшем разлагаются:



Другая часть молекул вступает в реакции конденсации с образованием окрашенных продуктов (например, карамелена С₃₆Н₅₀О₂₅ ярко-коричневого цвета). Иногда эти вещества добавляют в некоторые сорта сахара.

۩ Интересно знать

КТО САМЫЙ СЛАДКИЙ...

Из сладких веществ, несомненно, са­мое известное — обыкновенный пище­вой сахар (сахароза). В наши дни две трети его мирового производства (бо­лее 60 млн. тонн) — это тростниковый сахар, тогда как на долю продукта из сахарной свёклы приходится пример­но 35 млн. тонн. Рафинированная (99,9 %-ная) сахароза — одно из самых многотоннажных чистых орга­нических соединений, выпускаемых промышленностью. А головой урожай сахарного тростника — около 1 млрд. тонн (!) — значительно превышает объём заготовок любой другой сель­скохозяйственной культуры.

Сахарозу используют как стандарт при сравнении различных сладких веществ, которых известно великое множество. Обычно поступают так: го­товят сладкий раствор известной кон­центрации, а затем разбавляют его во­дой до тех пор, пока не перестанет чувствоваться сладковатый привкус. Одного человека для таких испытаний недостаточно — ведь вкусовая чувствительность у разных людей неодина­кова, поэтому определяют усреднён­ные данные, обобщая показатели чле­нов специальной комиссии экспертов. Опытный дегустатор чувствует присут­ствие сахарозы в воде при очень малой концентрации — около 10 ммоль/л, или примерно 0,35 г/л. Интересно, что та­кие сластёны, как пчёлы, в тысячи раз менее чувствительны к сахару, чем че­ловек: они не считают сладким даже раствор, в литре которого 20 г сахара (т. е. двухпроцентный). Этот странный на первый взгляд факт, становится понятным, если учесть, что в цветоч­ном нектаре сахаров куда больше — от 40 до 70 %. И пчела просто не отвле­кается на малопитательные продукты. Фруктоза — самый сладкий из при­родных сахаров, она в 1,7 раза слаще сахарозы, а вот глюкоза, как оказалось, вопреки распространённому мнению, в 1,3 раза менее сладкая, чем обычный сахар. Если же химическим путём за­менить в молекуле сахарозы три гидроксильные группы на атомы хлора, по­лучится вещество, которое слаще сахарозы в 2000 раз! В диетическом питании широ­кое распространение получили сорбит НОСН₂(СНОН)₄СН₂ОН (от лат. Sorbus aucuparia — «рябина») и ксилит НОСН₂(СНОН)₃СН₂ОН (от греч. «ксилон» — «дерево»). Восстановление глю­козы в сорбит осуществляется в про­мышленных масштабах при синтезе витамина С. Сладость сорбита в «саха­розных единицах» равна 0,5, тогда как у ксилита она в 4 раза выше. Ощущение сладкого вкуса от этих веществ сохра­няется дольше, чем от сахарозы, одно­временно они немного «холодят» язык. С химической точки зрения это, собст­венно, и не сахара вовсе, а многоатом­ные спирты вроде глицерина. Вот почему для усвоения сорбита и ксили­та не требуется инсулин и их могут упо­треблять больные сахарным диабетом, организм которых не способен усваи­вать глюкозу. Применяют их в качестве подсластителей пиши и желающие похудеть: эти вещества малокалорийны.


Лактоза:


- молочный сахар, яаляется восстанавливающим, получают из молока: в коровьем молоке содержится 4-5,5% лактозы, в женском- 5,5-8,4% !. Не тсыревает, т.к. отсутствует гигроскопичность. Это свойство имеет большое значение: если нужно приготовить с сахаром какой-либо порошок, содержащий легко гидролизующее лекарство, то берут молочный сахар, иначе легко гидролизующее лекарственное средство быстро разложится.

При гидролизе 1 молекула лактозы распадается на молекулу α-глюкозы и молекулу β-галактозы.

СН₂ОН



Лактоза восстанавливается до лактобионовой кислоты.


Мальтоза:



- солодоый сахар, яаляется восстанавливающим, получают из крахмала под действием солода

(солод - от лат. maltum) . В живых организмах образуется благодаря пищеварительным ферментам.

При гидролизе 1 молекула лактозы распадается на 2 молекулы α-глюкозы .

Мальтоза восстанавливается до мальтобионовой кислоты.


۩ Интересно знать

КАК СОЗРЕВАЮТ ПЛОДЫ

Хорошо известно, что неспелые ябло­ки, груши, сливы и другие плоды жёст­кие и кислые на вкус. Созревая, они постепенно становятся мягче и слаще. Отчего же это происходит?

Кислый вкус плода объясняется тем, что в его состав входят органиче­ские кислоты — яблочная, винная и ли­монная. По мере созревания концен­трация этих веществ понижается: они расходуются в процессе дыхания рас­тения, окисляясь до углекислого газа и выделяя энергию, необходимую для жизнедеятельности плода. Фрукты ста­новятся слаще и за счёт того, что в них увеличивается содержание глюкозы, образующейся при распаде (гидролизе) крахмала.

В клетках плодов много пектиновых веществ — высокомолекулярных со­единений, построенных из остатков галактуроновой кислоты (производного галактозы) или её эфиров.

По мере созревания (а также при хранении) под действием ферментов связи между отдельными молекулами галактуроновой кислоты разрываются, пектиновые вещества переходят в водорастворимую форму — и плод становится более рыхлым и мягким. Сход­ные процессы протекают и при варке овощей и фруктов.

Пектиновые вещества легко образу­ют студенистые растворы (гели), особен­но при нагревании в присутствии угле­водов, например, когда варят варенье, готовят джем и мармелад. При этом пектиновые вещества из фруктов пере­ходят в раствор, который постепенно загустевает. В получившемся геле моле­кулы пектина образуют пространствен­ную трёхмерную сетку. Её пустоты за­полняет вода с растворёнными в ней веществами (сахарами, минеральными солями). В кондитерской промышленно­сти для производства джемов использу­ют пектины, специально выделенные из лимонных корок или яблок.

У спелого плода и окраска ярче, чем у незрелого. Это связано с тем, что в процессе созревания активность не­которых ферментов, ответственных за синтез красителей (каротинов, антоцианов), повышается.