Углеводы. 
Химия

Углеводы — бифункциональные соединения: альдегидоспирты или кетоноспирты. Большинство углеводов имеет общую формулу С"(Н₂0),", т. е. они состоят как бы из углерода и воды, отсюда и их название. Углеводы чрезвычайно широко распространены в природе, они являются непременными участниками процесса фотосинтеза растений и составляют до 80% их сухого остатка.

Углеводы делятся на две группы: моносахариды и полисахариды. К первой группе относятся глюкоза и фруктоза, ко второй — тростниковый (свекловичный) сахар, а также более сложные нерастворимые в воде полимеры, например крахмал, клетчатка.

Моносахариды глюкоза и фруктоза — изомеры состава С₆Н_]20₆. Глюкоза дает реакцию серебряного зеркала, при окислении дает только одну кислоту, образует сложный эфир с пятью молекулами уксусной кислоты. Фруктоза не дает реакции серебряного зеркала, при окислении дает две кислоты, как и глюкоза, образует сложный эфир с пятью молекулами уксусной кислоты. Из этих данных следует, что глюкоза содержит альдегидную группу, а фруктоза — карбонильную. Образование сложного эфира говорит о том, что оба моносахарида являются пятиатомными спиртами. Отсюда вытекает формула глюкозы СНО-СНОН-СНОН-СНОН-СНОН-СН₂ОН и фруктозы СН₂ОН-СО-СНОН-СНОН-СНОН-СН₂ОН. Обе молекулы имеют нормальные углеродные цепи, в которых тетраэдры СИОН могут вращаться вокруг ст-связей. При этом молекулы изгибаются и через атом кислорода замыкаются в шестичленное кольцо, в котором гидроксилы находятся, но обе стороны от плоскости. Глюкоза и в виде моносахарида, и в более сложных структурах дии полисахаридов существует в виде шестичленного кольца в двух изомерных формах:

тогда как фруктоза чрезвычайно легко изомеризуется, образуя пятичленное кольцо с двумя группами СН₂ОН.

Именно в этой форме фруктоза входит в состав дии полисахаридов.

Глюкоза и фруктоза — кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, сладкие на вкус. Их химические свойства определяются наличием двух функциональных групп. Восстановление моносахаридов водородом на никелевом катализаторе, амальгамой натрия, боргидридом или алюмогидридом лития ведет к образованию шестиатомных спиртов:

Полученный при восстановлении глюкозы спирт называется сорбит и используется как заменитель сахара при диабете.

При окислении моносахаридов образуются кислоты:

Важным свойством сахаров — простейших углеводов — является способность к брожению.

• Брожением называется процесс расщепления молекул сахаров с выделением С0₂ под влиянием ферментов.

Брожению подвергаются сахара с числом атомов углерода, кратным трем. Наиболее известно спиртовое брожение, которое происходит под влиянием фермента дрожжей зимазы. Механизм спиртового брожения сложен, он включает более 10 отдельных стадий, в которых участвуют сложные эфиры глюкозы, фруктозы, глицерина с фосфорной кислотой, уксусный альдегид, пировиноградная кислота СН₃—СО—СООН, а конечными продуктами являются этиловый (винный) спирт и С0₂:

Помимо спиртового, известны и другие виды брожения. Например, при бутаноловом брожении получаются ацетон и бутиловый спирт, лимоннокислое брожение используется для получения пищевой лимонной кислоты. Разумеется, каждый вид брожения протекает под действием своего фермента.

Из дисахаров наибольшее распространение в природе имеет сахароза Ci2H₂₂0,i, молекула которой состоит из двух циклических звеньев — глюкозы и фруктозы, соединенных кислородным мостиком:

Сахароза — свекловичный или тростниковый сахар, обычный пищевой сахар, который получают из сахарной свеклы или из сахарного тростника. При гидролизе в присутствии небольшого количества кислоты сахароза образует глюкозу и фруктозу, но сама сахароза не имеет альдегидной группы и не дает реакции серебряного зеркала. Изомерами сахарозы являются мальтоза — солодовый сахар, и лактоза — молочный сахар. Мальтоза образуется как промежуточный продукт при гидролизе крахмала под действием ферментов, существующих в солоде — проращенных зернах злаков, обычно ячменя. Лактоза (от лат. lactum — молоко) содержится в молоке.

Из более сложных полисахаридов большое значение имеют крахмал и целлюлоза (клетчатка). Оба они построены из молекул глюкозы, соединенных кислородными мостиками. Крахмал является одним из продуктов фотосинтеза и резервным веществом растений. Клубни картофеля содержат -20% крахмала, зерна пшеницы, ржи, кукурузы—70%, риса—80%.

Из целлюлозы (от лат. cellula — клетка) построены ткани растений, именно она придает растениям прочность и эластичность. Хлопковая вата, фильтровальная бумага — наиболее чистые формы целлюлозы (до 95%).

Крахмал и клетчатка — изомеры, их общая формула (C_GH₁₀O₅)". В крахмале элементарные звенья молекул глюкозы связываются через гидроксилы, лежащие, но одну сторону от плоскости кольца:

в клетчатке, построенной из звеньев р-глюкозы, молекулы связываются через гидроксилы, лежащие по разные стороны от плоскости кольца:

Такое, казалось бы, небольшое различие в строении приводит к существенной разнице в свойствах: клетчатка построена в основном из линейных цепей, тогда как в крахмале преобладают сильно разветвленные структуры. В растениях клетчатка образует волокна, а крахмал — сферические зернышки. Крахмал гидролизуется гораздо легче клетчатки, переходя в более простые структуры — декстрин, который легко дает коллоидные растворы, затем в растворимую мальтозу и, наконец, в глюкозу. Все эти процессы легко протекают при нагревании взвеси крахмала в воде. В организмах животных и человека они идут с участием ферментов при обычных условиях. Именно поэтому крахмал является одной из необходимых составных частей пищевых продуктов.

Клетчатка гидролизуется плохо и не усваивается животными организмами. Основные нуги ее применения связаны с получением натуральных волокон из хлопка, льна, конопли. Клетчатка древесины идет на изготовление бумаги. Значительная часть природной клетчатки подвергается химической переработке. Гидролизом в жестких условиях получают глюкозу, сбраживание которой дает этиловый спирт. Азотнокислые эфиры клетчатки используются в производстве целлулоида, нитролаков; полностью нитрованная клетчатка — [C₆H₆0₂(0N0₂)₃]_w, тринитроклетчатка, пироксилин является взрывчатым веществом (бездымный порох). Уксуснокислые эфиры (ацетилцеллюлоза) применяются в производстве кинопленки, лаков, искусственных волокон (ацетатный шелк).

Резюме

Кислородсодержащие органические соединения играют в нашей жизни весьма важную роль. Спирты, карбоновые кислоты, простые и сложные эфиры во многих случаях определяют вкус нашей пищи. Жиры, масла, углеводы — сама пища. Поэтому, хотя в нашей книге речь идет о свойствах химических соединений, информация об этих соединениях полезна с практической точки зрения.

Практикум

Вопросы для самоконтроля.

• 1. В чем заключается существенная разница в процессах окисления альдегидов и кетонов?
• 2. В чем заключается сходство и в чем различие растительных масел и животных жиров?
• 3. Какая реакция называется «реакцией серебряного зеркала?»

Аналитические задания

• 1. Объясните, почему кислотные свойства у фенолов выражены гораздо сильнее, чем у спиртов.
• 2. Основной формой существования глюкозы является шестичлсннос кольцо. Как вы считаете, все ли шесть атомов углерода лежат в одной плоскости? Все ли углы в этом кольце одинаковы?

Задачи для самостоятельного решения

• 1. Изобразите структурные формулы всех изомеров состава С₅Н_|0О. К каким классам соединений они относятся? Приведите их названия.
• 2. Изобразите структурные формулы всех изомерных карбоновых кислот и сложных эфиров состава С₄Н₈0₂. Приведите их названия.
• 3. Изобразите функциональные группы простых и сложных эфиров.
• 4. Сколько может быть изомерных сложных эфиров, молекулы которых построены из остатка глицерина и остатков трех различных кислот R, COOH, R₂COOH, R₃COOH? Изобразите структурные формулы этих изомеров.
• 5. Изобразите структурные формулы изомеров глюкозы и фруктозы. Какие и сколько функциональных групп включают эти молекулы?