Углеводы – это, пожалуй, одна из самых вкусных составляющих

Углеводы. Классификация и состав
углеводов
Углеводы – это, пожалуй, одна из самых вкусных составляющих нашей пищи, и не только нашей, но и
животных.
В природе углеводы – это спелые ягоды и фрукты, сладкие овощи, мед. Да и многие наши привычные
сладости – мороженное, шоколад, конфеты, – это тоже прежде всего углеводы.
Название углеводы появилось примерно в начале 19 века, когда был выполнен впервые анализ этих
соединений. Оказалось, что состав углеводов можно выразить формулой, в которой на 1 атом углерода
приходится определенное количество молекул воды, т.е. уголь и вода. Тогда еще ничего не было
известно о структуре, и название прижилось. В пользу того, что углеводы – это уголь и вода, говорит,
например, следующий очень интересный эксперимент.
Если к углеводу-сахару ,или сахарозе, по- научному, добавить сильный водоотнимающий реактив,
например, концентрированную серную кислоту, происходят довольно интересные вещи. Серная
кислота образует очень прочные комплексы с молекулами воды и фактически забирает всю воду у
сахарозы. В результате при проведении эксперимента предварительно измельченную и смоченную
водой для усиления эффекта сахарозу поливают концентрированной серной кислотой. При этом очень
быстро происходит обугливание, сахар темнеет и начинает вспениваться.
Почему? Потому что образование комплекса серной кислоты с водой происходит с выделением
большого количества тепла, вода закипает, и поры буквально вспучивают остающийся углерод.
Получается такое вот объемное изделие из бывшего сахара.
Именно за свой сладкий вкус углеводы иногда еще называют сахарами.
Это более старинное их название. При этом далеко не все соединения, которые относятся к классу
углеводов, являются на вкус сладкими.
Углеводы наряду с белками и жирами входят в состав практически всех живых организмов, особенно в
состав растений. Хорошо известно, что практически вся современная жизнь существует благодаря
тому, что в растениях, в зеленых растениях, происходит синтез углевода глюкозы.
В процессе этого синтеза, кроме глюкозы, которая получается из углекислого газа и воды, выделяется
еще и кислород. Именно благодаря этому зеленые растения обеспечивают нас нужным кислородом для
дыхания. Поскольку процесс требует затрат энергии, и довольно больших затрат, растения берут эту
энергию из солнечного света, преобразуя его таким образом в простейший и наиболее
распространенный углевод – глюкозу.
Интересно, что, в отличие от многих других органических соединений, наиболее распространенные
углеводы не принято даже в научной среде называть по-научному, т.е. по систематической
номенклатуре. Это становится очевидным при попытке назвать. Попробуйте сказать. Вместо сахара
ученые говорят сахароза, но попробуйте сказать вместо сахарозы a-глюкопиронозил, βфруктофуранозид. Это не самое удобное из названий. Аналогичным путем называются и другие
углеводы, причем по строгой номенклатуре ИЮПАК их название еще более трудно произносимо.
И поэтому чаще всего используют еще старинные тривиальные названия, которые связаны либо с
источником, либо со свойствами.
Например, глюкоза, она же виноградный сахар.
Фруктоза – фруктовый сахар.
Лактоза – молочный сахар.
Современные данные по строению позволили выяснить, что практически все углеводы содержат
гидроксильные группы, а также карбонильные группы. Либо альдегидные, либо кетоные, т.е. углеводы
являются либо полигидроксиальдегидами, либо полигидроксикетонами.
Полигидроксиальдегиды называют еще альдозами, например, глюкоза.
Полигидроксикетоны называют еще кетозами, например, фруктоза.
Кроме того, что в углеводы входят альдегидные и гидрокси группы, их еще классифицируют по
способности к гидролизу, т.е. углеводы делят на три основных типа.
Те углеводы, которые гидролизу не подвергаются, т.е. в результате реакции с водой в присутствии
кислотного катализатора не изменяются, называются моносахариды. Типичные моносахариды–
глюкоза и фруктоза.
Углеводы, которые при гидролизе распадаются на несколько моносахаридов, от 2 до 20, называют
олигосахариды. Типичные олигосахариды – сахароза, которая при гидролизе превращается в смесь
глюкозы и фруктозы.
И, наконец, в природе очень распространены сложные полимерные образования, чаще всего на базе
глюкозы. Они уже называются полисахаридами, поскольку при гидролизе такого полисахарида
образуются от тысяч до десятков тысяч моносахаридов.
Например, самые распространенные природные полисахариды – это крахмал и целлюлоза, которые
составляют основную массу очень многих растительных объектов. Сами моносахариды еще
классифицируют по количеству атомов углеродов, входящих в одну молекулу.
Бывают трехуглеродные моносахариды, 4, 5, 6. Наиболее распространены в природе моносахариды с 5
атомами углерода, их называют пентозы. И с 6 атомами углерода, их называют гексозы. Наиболее
известны нам гексозы. Это глюкоза и фруктоза. И в школьном курсе принято хорошо помнить
название двух пентоз – рибоза и дезоксирибоза, которые входят в состав сложных молекул.
Моносахариды на примере глюкозы.
Строение глюкозы
Линейная форма глюкозы
На основании химических свойств глюкозы легко вывести общие закономерности её поведения, а
именно: в ней присутствуют спиртовые группы и альдегидные группы. Можно попытаться изобразить
её молекулярную и структурную формулу. Этой же формуле соответствует изомер глюкозы –
галактоза. В середине молекулы глюкозы содержится 4 асимметрических атома углерода, т. е.
обладающих оптической активностью. Значит, что каждый из них может дать глюкозе оптические
изомеры. Чтобы формула передавала пространственное строение глюкозы, нужно изобразить её
особенным образом, чтобы гидроксогруппы располагались справа и слева от цепочки. Имеем
стандартную проекционную форму. Рис. 1.
Рис. 1. Структурная формула глюкозы
Но кроме таких формул в научной литературе применяются более простые формы, не изображают
серединные атомы углерода и получается такое графическое изображение:
Проекционные формулы
На приведенных проекционных формулах изображены различные углеводы, т. е. те, которые наиболее
широко распространены. Рис. 2.
Рис. 2. Проекционные формулы углеводов
Здесь видно, что углевод фруктоза не содержит альдегидной группы в отличие от глюкозы, а вместо
неё содержит кетонную группу. Из-за этого химические свойства глюкозы и фруктозы несколько
отличаются. Но все равно эти формулы не отражают тех реальных формул, в виде которых эти
углеводы существуют в живой природе.
Циклическая форма глюкозы
Все углеводы находятся в циклической форме. Потому что осуществляется взаимодействие между
альдегидной и спиртовой группой в самой глюкозе. В результате этого получается циклическое
строение глюкозы. В водных растворах менее 1% глюкозы существует вне циклической формы.
Практически все водные растворы являются циклами. Рис. 3. Образующийся шестичленный цикл
является гетероциклом, т. к. включает атом кислорода. Все углеводы в водной среде находятся в
циклической форме.
Рис. 3. Циклическая глюкоза
Физические и химические свойства
глюкозы
Реакции для гидроксогруппы
Физические свойства глюкозы
Для того чтобы оценить физические свойства глюкозы, как и других моносахаридов, достаточно
вспомнить, как выглядит и как ведет себя обыкновенный сахар: его сладкий вкус, растворимость в
воде, внешний вид очень характерны для других распространенных углеводов.
Химические свойства глюкозы
К химическим свойствам углеводов относятся те, которые связаны с их функциональными группами.
Поскольку все углеводы содержат спиртовые группы, они, как и полагается спиртам, образуют
простые и сложные эфиры.
Образование эфиров
СН2ОН – (СНОН)4- СН=О + 5СН3-СООН → СН2ОСОСН3-(СНОСОСН3)4-СН=О + 5Н2О
С гидроксидом меди (II) образуется ярко-синее комплексное соединение глюконата меди. Рис. 1.
Рис. 1 Глюконат меди (II)
Окисление глюкозы
C5H11O5COOH + Cu2O↓ + 2H2O
C5H11O5-CH=O + 2Cu(OH)2
продуктами реакции являются глюконовая кислота C5H11O5COOH. Происходит изменение окраски из-за
образования красного осадка оксида меди (I) Cu2O↓ (рис. 2).
Рис. 2. Cu2O↓
Реакция «серебряного зеркала»
C5H11O5-CH=O + 2Ag2O
C5H11O5COOH + 2Ag↓
Восстановление
Восстановление глюкозы
СН2ОН – (СНОН)4- СН=О + Н2
СН2ОН – (СНОН)4- СН2-ОН (сорбит).
Сорбит используется как заменитель сахара и глюкозы, поскольку он хуже усваивается организмом и
не так вреден как избыток сахара. Его добавляют в жевательную резинку и в диетические продукты.
Биохимические реакции
Биохимические реакции с участием глюкозы
1. Спиртовое брожение глюкозы
С6Н12О6
2 С2Н5ОН + 2 СО2 ↑
Этот процесс является основой выпечки дрожжевого хлеба.
2. Молочнокислое брожение
Образуется молочная кислота. Этот процесс происходит при скисании молока, при брожении капусты.
3. Маслянокислое брожение.
С6Н12О6
2С3Н7СООН + 3СО2 ↑ + 2Н2 ↑
Масляная кислота обладает неприятным запахом. Эти продукты называют сивушными маслами.
Олиго- и полисахариды. Сахароза.
Гидролиз сахарозы. Крахмал
Молекулы углеводов моносахаридов способны взаимодействовать друг с другом, образуя цепи
различной длины. Посмотрим, как это происходит.
Взаимодействие происходит по механизму образования простых эфиров. Известно, что две молекулы
спирта, одинаковые или разные, могут взаимодействовать друг с другом с выделением молекулы воды
и образованием связи углерод – кислород, который и называется связью в простом эфире. Точно такие
же связи возникают между молекулами моносахаридов.
Например, из глюкозы и фруктозы легко образуется дисахарид – сахароза. Две молекулы моносахарида
глюкозы взаимодействуют друг с другом в кислой среде, образуя дисахарид – мальтозу. Самый
известный из дисахаридов и наиболее распространенный – это сахароза. В ее состав входят два
моносахарида: глюкоза в виде 6 членного цикла и фруктоза в виде 5 членного цикла.
В отличие от составляющих ее моносахаридов сахароза не дает характерных реакций, например, для
альдегидов. Все остальные свойства ее обычны. Сладкий вкус, растворимость в воде, способность
давать карамели.
А почему нет альдегидной реакции?
Потому что, во-первых, глюкоза в сахарозе находится в циклической форме.
Во-вторых, эта циклическая форма стабилизирована эфирной связью между двумя молекулами
моносахаридов, поэтому реакции окисления не идут.
Только одна реакция сахарозы не характерна для составляющих ее моносахаридов. Разумеется, эта
реакция обратная, т.е. гидролиз дисахарида в кислой среде или под действием ферментов с
образованием исходных моносахаридов – глюкозы и фруктозы.
Кроме дисахарида широко распространены полисахариды, которые нам хорошо известны. Это крахмал
и целлюлоза. Их формальный состав одинаков, т.е. это полимеры глюкозы. Тем не менее, свойства их
существенно различаются.
Крахмал является составной частью очень многих пищевых продуктов. Он входит в состав хлеба,
картофеля, всевозможных зерновых продуктов и ряда растений.
Молекула крахмала состоит из остатков a глюкозы. Структурную единицу одного звена можно
представить себе следующим образом: крахмал, как полисахарид, способен гидролизоваться с
образованием исходного моносахарида. Гидролиз идет либо в кислой среде при нагревании, либо под
действием ферментов. Продуктом гидролиза является глюкоза.
В воде крахмал ведет себя специфически. В холодной воде крахмал практически не растворяется, а при
нагревании и кипячении способен образовать вязкий раствор, так называемый крахмальный клейстер.
Рассмотрим эту реакцию на примере хорошо известного природного объекта – картофеля. Берем
картофелину, разрезаем и на свежий разрез картофеля наносим рисунок йодом. Видно, что
коричневатая окраска йода постепенно превращается в несколько иной цвет. В разбавленных водных
растворах это синеватый оттенок, на природном объекте это может быть почти черный или серочерный оттенок. Эта реакция характерна для всех природных продуктов, содержащих крахмал.
На основе этой реакции в химическом анализе используется так называемая йод-крахмальная бумага,
которая содержит йодид калия и раствор крахмала.
Целлюлоза. Искусственные полимеры
Состав и применение целлюлозы
Целлюлоза, или, как её еще называют, клетчатка, является основной частью оболочек клеток
растений. В древесине содержится около 50% по массе целлюлозы. Всевозможные волокнистые
растительные объекты, например волокна хлопчатника, содержат целлюлозу. Практически только из
целлюлозы состоит аптечная вата, бинт. (Рис. 1.). Кроме того, из окружающих нас предметов, в
основном из целлюлозы состоит обычная белая бумага.
Рис. 1. Вата, бинт
Целлюлоза является самым распространенным полимером глюкозы.
Крахмал и целлюлоза относятся к полисахаридам. Они являются природными полимерами. Их
молекулы состоят из сотен и тысяч групп атомов (C6H10O5)n, остатков молекулы глюкозы.Значения n в
них разные. Молекулы целлюлозы намного длиннее, чем крахмала.
nцеллюлозы > nкрахмала .
Волокна целлюлозы состоят из остатков β-глюкозы. При этом, в отличие от крахмала, в целлюлозе
практически нет ответвлений, и в результате полимер предствавляет собой сильно вытянутые нити. В
одной полимерной цепи целлюлозы может содержаться от 1500 до 12 тыс. фрагментов глюкозы. Рис. 2.
Рис. 2. Строение цепи целлюлозы
Химические свойства целлюлозы

Химические свойства целлюлозыГидролиз
(С6Н10О5)n + (n-1) H2O

nC6H12O6
Однако гидролиз целлюлозы протекает в значительно более жестких условиях по сравнению с
крахмалом.Сухая перегонка целлюлозы
При сухой перегонке происходит полное её разложение. В результате получается: древесный уголь,
деготь, летучие продукты: метанол, уксусная кислота, ацетон (рис. 3).
Рис. 3. Сухая перегонка целлюлозы

Образование сложных эфиров
В молекуле целлюлозы на каждый остаток глюкозы приходится три свободных гидроксильных группы.
Как и положено спиртам, эти гидроксогруппы реагируют с кислотами, образуя сложные эфиры.
R1- OH + R-COOH ⇆ R-COOR1 + H2O
Получение сложных эфиров целлюлозы
Растворы сложных эфиров целлюлозы можно продавливать сквозь узкие отверстия (фильеры). В
результате можно получать волокна.
Например, обрабатывая, целлюлозу уксусным ангидридом, получают сложный эфир триацетат
целлюлозы.
Из него получают волокно под названием ацетатный шелк.
[C6H7O2(OH)3] + 3n (CH3CO)2O → [C6H7O2(OCOCH3)3]n + 3n CH3COOH
Если подействовать на целлюлозу смесью концентрированных серной и азотной кислот, можно
получить эфиры азотной кислоты.
[C6H7O2(OH)3] + 3n HNO3 → [C6H7O2(ONO2)3]n + 3n H2O
Если этот процесс доходит до конца, то получается тринитрат целлюлозы, который чаще называют
пироксилином, или нитровата. Это вещество является основой для получения бездымного пороха.