Gliukozės sąveika su etilo alkoholiu. Gliukozės reakcijos pagal alkoholio grupes. Alkoholio gamybos mechanizmas

Laba diena, brangūs dešimtokai!

Pradedame susipažinti su nauja organinių junginių grupe – angliavandeniais.
Angliavandeniai... O tai tie patys saldumynai, kuriuos taip mėgstate (vaisiai, pyragaičiai, saldainiai, uogienė, šokoladas ir pan., vynuogėse ypač daug angliavandenių). Angliavandeniai yra gyvybiškai svarbios medžiagos, kurių reikia kiekvienam organizmui. Šios medžiagos yra suvartojamos, ir žmogus turi nuolat papildyti savo atsargas. Akivaizdu, kad medžiagos, sudarančios kūno audinius, nėra panašios į tas, kurias jis valgo. Žmogaus organizmas apdoroja maisto produktus ir savo gyvenimo procese nuolat vartoja energiją, kuri, kaip žinome, išsiskiria organizmo audiniuose oksidacijos metu, angliavandeniai yra nukleorūgščių dalis, vykdančių baltymų biosintezę ir paveldimų savybių perdavimas.
Gyvūnai ir žmonės nesintetina angliavandenių. Žaliuosiuose augaluose, dalyvaujant chlorofilui ir saulės šviesai, vyksta daugybė anglies dioksido, absorbuoto iš oro, ir vandens, absorbuoto iš dirvožemio, virsmo procesų. Galutinis šio proceso produktas, fotosintezė, yra sudėtinga angliavandenių molekulė.

Angliavandeniai yra svarbus organizmo energijos šaltinis ir dalyvauja medžiagų apykaitoje. Pagrindinis angliavandenių šaltinis yra augalinis maistas.

Fiziologai nustatė, kad esant 10 kartų didesniam fiziniam krūviui nei įprastai, riebios dietos besilaikantis žmogus jėgos netenka per pusvalandį. Tačiau angliavandenių dieta leidžia tą patį krūvį atlaikyti keturias valandas. Pasirodo, energijos gavimas iš riebalų organizmui yra ilgas procesas. Tai paaiškinama mažu riebalų, ypač jų angliavandenilių grandinių, reaktyvumu. Angliavandeniai, nors ir suteikia mažiau energijos nei riebalai, ją išskiria daug greičiau. Todėl jei jūsų laukia rimta treniruotė, geriau suvalgykite ką nors saldaus, o ne riebaus.

Angliavandenių klasifikacija.

Angliavandeniai yra didelė natūralių junginių klasė.
Pereikime prie schemos 1. „Angliavandenių klasifikacija“. Priklausomai nuo likučių skaičiaus molekulėje, monosacharidai skirstomi į monosacharidus, disacharidus ir polisacharidus.

Monosacharidai (paprasti angliavandeniai) - angliavandenių, kurie nėra hidrolizuoti. Priklausomai nuo anglies atomų skaičiaus, jie skirstomi į triozes, tetrozes, pentozes ir heksozes. Svarbiausia žmogui gliukozė, fruktozė, galaktozė, ribozė, dezoksiribozė.

Disacharidai - angliavandeniai, kurie hidrolizuojasi ir sudaro dvi monosacharidų molekules. Žmonėms svarbiausia sacharozė, maltozė ir laktozė.
Polisacharidai - didelės molekulinės masės junginiai yra angliavandeniai, kurie hidrolizuojasi ir susidaro daug monosacharidų molekulių. Virškinamajame trakte jie skirstomi į virškinamuosius ir nevirškinamus. Virškinamos apima krakmolo ir glikogeno, antra, jie svarbūs žmogui skaidulų, hemiceliuliozės ir pektino medžiagų.
Angliavandeniai dažnai skambina saldžių medžiagų ar cukrų. Jie gali būti beskoniai, saldūs ir kartūs. Jei sacharozės tirpalo saldumas laikomas 100 %, tai fruktozės saldumas yra 173 %, gliukozės – 81 %, maltozės ir galaktozės – 32 %, laktozės – 16 %.

Kokybiška angliavandenių sudėtis.

Angliavandeniai- organiniai junginiai, susidedantys iš anglies, vandenilio ir deguonies, o vandenilio ir deguonies yra santykiu (2: 1), kaip ir vandenyje, taigi ir pavadinimas.
Remdamasis šia analogija, rusų chemikas K. Schmidtas 1844 m. pasiūlė angliavandenių (anglies ir vandens) terminą ir bendrą angliavandenių formulę.Cn(H2O) m
Taigi, svarbiausias monosacharidų atstovas yra gliukozė. Studijuodami kai kurias temas, su kuriomis susipažinome chemijos ir biologijos kursuose: chemija – aldehidai, alkoholiai; biologija – fotosintezė, ląstelių sandara.

Gliukozės gavimas.

1. Fotosintezės reakcija.

6СО 2 + 6H 2 O –> С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 +Q

2. Polimerizacijos reakcija.

3. Krakmolo hidrolizė.

(C 6 H 10 O 5) n + nH 2 O –> nC 6 H 12 O 6

Fizinės savybės:

bespalvė kristalinė medžiaga, gerai tirpi vandenyje, saldaus skonio, lydymosi temperatūra 146 o C .

Gliukozės molekulės struktūra. Izomerizmas.

Išvada: taigi, gliukozė yra aldehido alkoholis, tiksliau, polihidroksinis aldehido alkoholis. Nustatyta, kad gliukozės tirpale yra ne tik jo aldehido forma; bet ir ciklinės struktūros molekules.
Nustatyta, kad trečiasis anglies atomas turi OH grupę, išsidėsčiusią kitaip nei kiti anglies atomai; bendra gliukozės struktūra atrodo taip:

Linijinės molekulės pavertimas cikline molekule yra suprantamas, jei prisimename, kad anglies atomai gali suktis aplink sigma ryšius. Aldehido grupė gali priartėti prie 5-ojo anglies atomo hidroksilo grupės, nes karbonilo grupės deguonies atomas turi dalinį krūvį, o hidroksilo grupės vandenilio atomas - dalinį + krūvį.

Vyksta savotiškas cheminis procesas: nutrūksta karbonilo grupės -jungtis, prie deguonies atomo pridedamas vandenilio atomas, o hidroksilo grupės deguonies atomas su anglies atomu uždaro grandinę. Ciklinės formos yra pusiausvyroje, virsdamos alfa ir beta formomis. Taigi vandeniniame gliukozės tirpale yra trys izomerinės formos. Kristalinė gliukozės molekulė turi alfa formą, ištirpusi vandenyje – atvirą, o paskui vėl ciklinę beta formą. Toks izomerija paskambino dinaminis (tautomerizmas).

Gliukozės cheminės savybės.
Monosacharidai dalyvauja cheminėse reakcijose, būdingose ​​karbonilo ir hidroksilo grupėms.

1) „Sidabrinio veidrodžio“ reakcija
Aldehido grupės buvimą gliukozėje galima įrodyti naudojant sidabro oksido amoniako tirpalą. Ši reakcija vadinama sidabro veidrodžio reakcija. Jis naudojamas kaip aukštos kokybės aldehidų atradimui . Gliukozės aldehido grupė oksiduojama į karboksilo grupę. Gliukozė paverčiama gliukono rūgštimi.
CH 2 OH – (CHOH) 4 – SON + Ag 2 O = CH 2 OH – (CHOH) 4 – COOH + 2Ag
(Sidabrinio veidrodžio reakcija pramonėje naudojama sidabruojant veidrodžius, gaminant kolbas termosams, puošiant eglutes).


2) Gliukozės reakcija su vario (II) hidroksidu

3) Gliukozės hidrinimas

Aldehido grupė gali būti redukuota į hidroksilo grupę, veikiant vandeniliui, esant katalizatoriui.

4) Specifinės savybės. Didelę reikšmę turi gliukozės fermentacijos procesai, vykstantys veikiant organiniams katalizatoriams-fermentams (juos gamina mikroorganizmai).

a) alkoholinė fermentacija (mielių įtakoje)

C6H12O6 = 2C 2H 5OH + 2CO 2

b) pieno fermentacija (veikiant pieno rūgšties bakterijoms)
konditerijos pramonėje minkštų saldainių, desertinių šokoladų, pyragų ir įvairių dietinių produktų gamyboje;

• kepant duoną, gliukozė pagerina rūgimo sąlygas, suteikia produktams poringumo, gero skonio, lėtina stingimą;

• gaminant ledus, jis sumažina užšalimo temperatūrą ir padidina jų kietumą;

• gaminant konservuotus vaisius, sultis, likerį, vyną, gaiviuosius gėrimus, nes gliukozė neužmaskuoja aromato ir skonio;

• pieno pramonėje, gaminant pieno produktus ir kūdikių maisto produktus, gliukozę rekomenduojama naudoti tam tikra proporcija su sacharoze, kad šie produktai turėtų didesnę maistinę vertę;

• veterinarijoje;

• paukštininkystėje;

• farmacijos pramonėje.

Kristalinę gliukozę patartina maitinti sergančius, sužalotus, sveikstančius, taip pat didelius krūvius dirbančius žmones.

Medicininė gliukozė naudojamas antibiotikams ir kitiems vaistams, įskaitant infuzijas į veną, ir vitamino C gamybai. Techninė gliukozė naudojama kaip reduktorius odos pramonėje, tekstilės pramonėje - viskozės gamyboje, kaip maistinė terpė auginimui. įvairių rūšių mikroorganizmų medicinos Ir mikrobiologinė pramonė .

Tvirtinimas:

Monosacharidų chemines savybes lemia jų sandaros ypatumai.

Pažvelkime į chemines savybes naudodami gliukozę kaip pavyzdį.

Monosacharidai pasižymi alkoholių ir karbonilo junginių savybėmis.

I. Karbonilo grupės reakcijos

1. Oksidacija.

a) Kaip ir visų aldehidų atveju, monosacharidų oksidacija sukelia atitinkamas rūgštis. Taigi, kai gliukozė oksiduojama amoniako sidabro oksido hidrato tirpalu, susidaro gliukono rūgštis („sidabro veidrodžio“ reakcija).

Gliukono rūgšties druska, kalcio gliukonatas, yra gerai žinomas vaistas.

b) Kaitinant monosacharidams su vario hidroksidu taip pat susidaro aldono rūgštys.

mėlyna plytų raudona

Šios reakcijos yra kokybiškos gliukozei kaip aldehidui.

c) Stipresni oksidatoriai ne tik aldehido grupę, bet ir pirminę alkoholio grupę oksiduoja į karboksilo grupę, todėl susidaro dvibazinės cukraus (aldaro) rūgštys. Paprastai tokiai oksidacijai naudojama koncentruota azoto rūgštis.

2. Atsigavimas.

Sumažinus cukrų susidaro polihidroksiliai alkoholiai. Kaip reduktorius naudojamas vandenilis, esant nikeliui, ličio aliuminio hidridas ir kt.

3. Nepaisant monosacharidų cheminių savybių panašumo su aldehidais, gliukozė nereaguoja su natrio hidrosulfitu (NaHSO 3).

II. Reakcijos, pagrįstos hidroksilo grupėmis

Reakcijos prie monosacharidų hidroksilo grupių paprastai vyksta pusacetaline (cikline) forma.

1. Alkilinimas (eterių susidarymas).

Kai metilo alkoholis veikia esant vandenilio chlorido dujoms, glikozidinio hidroksilo vandenilio atomas pakeičiamas metilo grupe.

Naudojant stipresnius alkilinimo agentus, tokius kaip metilo jodidas arba dimetilsulfatas, toks virsmas paveikia visas monosacharido hidroksilo grupes.

2. Acilinimas (esterių susidarymas).

Kai acto rūgšties anhidridas veikia gliukozę, susidaro esteris – pentaacetilgliukozė.

3. Kaip ir visi polihidroksiniai alkoholiai, gliukozė su vario (II) hidroksidu šaltyje susidarant vario (II) gliukonatui suteikia intensyvią mėlyną spalvą – kokybinė reakcija į gliukozę kaip daugiahidroksilį alkoholį.

ryškiai mėlynas tirpalas

III. Specifinės reakcijos

1. Degimas (taip pat ir visiška oksidacija gyvame organizme):

C6H12O6 + 6O26CO2 +6H2O

2. Fermentacijos reakcijos

Be minėtųjų, gliukozei būdingos ir kai kurios specifinės savybės – fermentacijos procesai. Fermentacija – tai cukraus molekulių skilimas veikiant fermentams. Cukrus, kurio anglies atomų skaičius yra trijų kartotinis, vyksta fermentacija. Yra daug fermentacijos tipų, tarp kurių žinomiausi yra šie:

a) alkoholinė fermentacija

C 6 H 12 O 6 → 2CH 3 – CH 2 OH (etilo alkoholis) + 2CO 2

b) pieno rūgšties fermentacija

c) sviesto rūgšties fermentacija

C 6 H 12 O 6 → CH 3 –CH 2 –CH 2 –COOH (sviesto rūgštis) + 2H 2 + 2CO 2

Minėtos mikroorganizmų sukeltos fermentacijos rūšys turi plačią praktinę reikšmę. Pavyzdžiui, alkoholinis – etilo alkoholiui gaminti, vyno gamyboje, alaus darykloje ir kt., o pieno rūgštis – pieno rūgšties ir rauginto pieno produktų gamybai.

Fruktozė patenka į visas reakcijas, būdingas daugiahidročiams alkoholiams, tačiau aldehido grupės reakcijos, skirtingai nei gliukozė, jai nėra būdingos.

Cheminės savybės ribozė C5H10O5 panašus į gliukozę.

D) Biologinis gliukozės vaidmuo.

D-gliukozė (vynuogių cukrus) yra plačiai paplitusi gamtoje: randama vynuogėse ir kituose vaisiuose, meduje. Tai esminis gyvūnų kraujo ir audinių komponentas bei tiesioginis ląstelių reakcijų energijos šaltinis. Gliukozės kiekis žmogaus kraujyje yra pastovus ir svyruoja nuo 0,08 iki 0,11%. Visame suaugusio žmogaus kraujo tūryje yra 5-6 g gliukozės. Šio kiekio pakanka 15 minučių organizmo energijos sąnaudoms padengti. jo gyvenimo veikla. Esant kai kurioms patologijoms, pavyzdžiui, sergant cukriniu diabetu, padidėja gliukozės kiekis kraujyje, o perteklius išsiskiria su šlapimu. Tokiu atveju gliukozės kiekis šlapime gali padidėti iki 12%, palyginti su įprastu 0,1%.

3. Disacharidai.

Oligosacharidai yra angliavandeniai, kurių molekulėse yra nuo 2 iki 8-10 monosacharidų liekanų, sujungtų glikozidiniais ryšiais. Pagal tai išskiriami disacharidai, trisacharidai ir kt.

Disacharidai yra sudėtingi cukrūs, kurių kiekviena molekulė hidrolizės metu skyla į dvi monosacharidų molekules. Disacharidai kartu su polisacharidais yra vienas iš pagrindinių angliavandenių šaltinių žmonių ir gyvūnų maiste. Pagal savo sandarą disacharidai yra glikozidai, kuriuose dvi monosacharidų molekulės yra sujungtos glikozidine jungtimi.

Struktūra

1. Disacharidų molekulėse gali būti dvi vieno monosacharido liekanos arba dvi skirtingų monosacharidų liekanos;

2. Ryšiai, susidarantys tarp monosacharidų likučių, gali būti dviejų tipų:

a) jungties formavime dalyvauja abiejų monosacharidų molekulių pusacetaliniai hidroksilai. Pavyzdžiui, sacharozės molekulės susidarymas;

b) susidarant ryšiui dalyvauja vieno monosacharido pusacetalinis hidroksilas ir kito monosacharido alkoholio hidroksilas. Pavyzdžiui, maltozės, laktozės ir celobiozės molekulių susidarymas.

Norint nustatyti disacharidų struktūrą, reikia žinoti: iš kokių monosacharidų jis sudarytas, kokia šių monosacharidų anomerinių centrų konfigūracija (- arba -), kokie ciklo matmenys (furanozė ar piranozė). ) ir dalyvaujant hidroksilams yra sujungtos dvi monosacharidų molekulės.

Disacharidai skirstomi į dvi grupes: redukuojančius ir neredukuojančius.

Iš disacharidų ypač plačiai žinomos maltozė, laktozė ir sacharozė.

Maltozė (salyklo cukrus), kuri yra α-gliukopiranozil-(1-4)-α-gliukopiranozė, susidaro kaip tarpinis produktas, veikiant amilazėms krakmolą (arba glikogeną), turi dvi α-D-gliukozės liekanas. Cukraus, kurio pusacetalio hidroksilas dalyvauja formuojant glikozidinę jungtį, pavadinimas baigiasi „yl“.

Maltozės molekulėje antroji gliukozės liekana turi laisvą hemiacetalio hidroksilą. Tokie disacharidai turi atkuriamųjų savybių.

Redukuojantiems disacharidams visų pirma priskiriama salyklo esanti maltozė (salyklo cukrus), t.y. daiginti, o paskui džiovinti ir susmulkinti javų grūdai.

(maltozė)

Maltozė susideda iš dviejų D-gliukopiranozės liekanų, kurios yra sujungtos (1–4)-glikozidine jungtimi, t.y. susidarant eteriniam ryšiui dalyvauja vienos molekulės glikozidinis hidroksilas ir kitos monosacharido molekulės ketvirtajame anglies atome alkoholio hidroksilas. Anomerinis anglies atomas (C1), dalyvaujantis formuojant šią jungtį, turi  konfigūraciją, o anomerinis atomas su laisvu glikozidiniu hidroksilu (pažymėtas raudonai) gali turėti ir α- (α-maltozę), ir β- konfigūracija (β- maltozė).

Maltozė yra balti kristalai, gerai tirpūs vandenyje, saldaus skonio, bet daug mažiau nei cukrus (sacharozė).

Kaip matyti, maltozėje yra laisvo glikozidinio hidroksilo, dėl kurio išsaugoma galimybė atidaryti žiedą ir virsti aldehido forma. Šiuo atžvilgiu maltozė gali įsitraukti į reakcijas, būdingas aldehidams, ir ypač sukelti „sidabro veidrodžio“ reakciją, todėl ji vadinama redukuojančiu disacharidu. Be to, maltozė patiria daug monosacharidams būdingų reakcijų, pavyzdžiui, susidaro eteriai ir esteriai.

Disacharidas laktozė (pieno cukrus) randamas tik piene ir susideda iš D-galaktozės ir D-gliukozės. Tai α-gliukopiranozil-(1-4)-gliukopiranozė:

Kadangi laktozės molekulėje yra laisvo hemiacetalio hidroksilo (gliukozės liekanoje), ji priklauso redukuojančių disacharidų skaičiui.

Vienas iš labiausiai paplitusių disacharidų yra sacharozė (cukranendrių arba runkelių cukrus), įprastas stalo cukrus. Sacharozės molekulė susideda iš vienos D-gliukozės liekanos ir vienos D-fruktozės liekanos. Todėl tai yra α-gliukopiranozil-(1-2)-β-fruktofuranozidas:

Skirtingai nuo daugumos disacharidų, sacharozė neturi laisvo hemiacetalio hidroksilo ir neturi redukuojančių savybių.

Neredukuojantys disacharidai yra sacharozė (runkelių arba cukranendrių cukrus). Jo yra cukranendrių, cukrinių runkelių (iki 28 % sausųjų medžiagų), augalų sultyse ir vaisiuose. Sacharozės molekulė sudaryta iš α, D-gliukopiranozės ir β, D-fruktofuranozės.

(sacharozė)

Priešingai nei maltozė, glikozidinį ryšį (1–2) tarp monosacharidų sudaro abiejų molekulių glikozidiniai hidroksilai, tai yra, nėra laisvo glikozidinio hidroksilo. Dėl to sacharozei trūksta redukcijos savybių, ji nesukelia „sidabro veidrodžio“ reakcijos, todėl priskiriama neredukuojantiems disacharidams.

Tarp natūralių trisacharidų nedaug jų yra svarbūs. Žinomiausia yra rafinozė, kurioje yra fruktozės, gliukozės ir galaktozės likučių, kurios dideliais kiekiais yra cukriniuose runkeliuose ir daugelyje kitų augalų.

Apskritai oligosacharidai, esantys augalų audiniuose, yra įvairesnės sudėties nei oligosacharidai iš gyvūnų audinių.

Visi jie turi tą pačią empirinę formulę C 12 H 22 O 11, t.y. yra izomerai.

Sacharozė yra balta kristalinė medžiaga, saldaus skonio, gerai tirpi vandenyje.

Sacharozei būdinga reakcija į hidroksilo grupes. Kaip ir visi disacharidai, sacharozė rūgštimi arba fermentine hidrolize paverčiama monosacharidus, iš kurių ji yra sudaryta.

Disacharidai yra tipiški į cukrų panašūs angliavandeniai; Tai kietos, bespalvės kristalinės medžiagos, labai tirpios vandenyje, saldaus skonio.

Iš disacharidų didžiausią reikšmę turi sacharozė C 12 H 22 O 11:

Sacharozės molekulė susideda iš gliukozės ir fruktozės molekulių likučių.

gliukozė C 6 H 12 O 6 yra balti kristalai, saldaus skonio, gerai tirpsta vandenyje. Linijinės formos gliukozės molekulėse yra viena aldehido grupė ir penkios hidroksilo grupės. Kristaluose gliukozės molekulės yra vienoje iš dviejų ciklinių formų (α- arba β-gliukozės), kurios susidaro iš linijinės formos dėl 5-ojo anglies atomo hidroksilo grupės sąveikos su karbonilo grupe:

Ši pusiausvyra egzistuoja vandeniniame tirpale. Raidė α monosacharidų ciklinių formų pavadinime reiškia, kad –OH grupė prie pirmojo anglies atomo ir –CH2OH grupė prie šeštojo anglies atomo yra priešingose ​​žiedo plokštumos pusėse; β-monosachariduose šios grupės yra vienoje žiedo plokštumos pusėje.

Ciklinių formų susidarymo procesas ( žiedinės grandinės tautomerija) gliukozė iš tiesinės gali būti pavaizduota taip. OH grupės vandenilio atomas prie 5-ojo anglies atomo pereina į aldehido grupės CH=O deguonies atomą ir per deguonies atomą užsimezga ryšys tarp C-1 ir C-5 atomų, susidarant šešiems. -nario žiedas ( ciklinis pusacetalis ):

Šešių narių ciklas vadinamas piranozė . Jei 4-ojo anglies atomo OH grupė sąveikauja su aldehido grupe, susidaro penkių narių žiedas, vadinamas furanozimas .

OH grupė prie pirmojo anglies atomo ciklinėmis formomis vadinama glikozidinis hidroksilas.Ši grupė savo savybėmis labai skiriasi nuo kitų OH grupių. Visų pirma, kai reaguoja su alkoholiais, dalyvaujant rūgštims, glikozidinis hidroksilas lengvai pakeičiamas OR grupe, kad susidarytų eteris.

Cheminės savybės Gliukozės yra dėl to, kad jos molekulėje yra aldehido (tiesinės formos) ir hidroksilo grupių.

1. Aldehido grupės reakcijos. Gliukozė reaguoja su sidabro oksido amoniako tirpalu:

arba supaprastinta:

Dėl šios reakcijos susidaro amonio druska gliukono rūgštis.

Kaitinant, gliukozė oksiduojama vario (II) hidroksidu į gliukono rūgštį:

Kai redukuojama gliukozės aldehidinė grupė, susidaro heksahidrinis alkoholis sorbitolis:

Kadangi ciklinėje gliukozės formoje nėra aldehido grupės, gliukozė nedalyvauja kai kuriose aldehidams būdingose ​​reakcijose, pavyzdžiui, reakcijose su NaHSO 3.

2. Hidroksilo grupių reakcijos. Su vario (II) hidroksidu be kaitinimo gliukozė reaguoja kaip polihidroksilis ir suteikia būdingą mėlyną spalvą.

Kai metilo alkoholis veikia esant kataliziniam kiekiui druskos rūgšties, glikozidinis hidroksilas pakeičiamas OCH 3 grupe ir susidaro gliukozės monometilo esteris.

3. Fermentacija heksozė ( pentozės nerūgsta) yra daugiapakopis biocheminis procesas, vykstantis veikiant fermentams, kuriuos išskiria mielės, bakterijos ar pelėsiai. Šie procesai yra daugelio vertingų cheminių produktų, tokių kaip etanolis (alkoholinė fermentacija), pieno ir citrinų rūgštis (pieno rūgšties ir citrinos rūgšties fermentacija) ir kt., Biotechnologijos pagrindas.Pagrindinės fermentacijos rūšys:

a) alkoholinė fermentacija:

b) pieno rūgšties fermentacija:

4. Epimerizacija monosacharidai silpnai šarminiuose tirpaluose. Epimerinis monosacharidai yra gliukozė, mannozė, fruktozė, kurių trečiasis, ketvirtasis ir penktasis anglies atomai turi tą pačią konfigūraciją. Esant šarmams, epimerai virsta tarpiniu enediolio susidarymu:

Gliukozė su kalkių vandeniu po 5 dienų duoda gliukozės (63%), fruktozės (31%) ir manozės (6%) mišinį. Epimerizacija vyksta biocheminiuose procesuose ir vyksta veikiant epimerazės fermentams.

Biologinis gliukozės vaidmuo. Gliukozė gamtoje susidaro fotosintezės procese, kuris vyksta saulės spindulių įtakoje augalų lapuose. Bendra fotosintezės lygtis yra tokia:

Gyvuose organizmuose gliukozė oksiduojama veikiant atmosferos deguoniui pagal atvirkštinę reakciją:

Tai išskiria energiją, kurią naudoja kūnas. Taigi, gliukozė atlieka saulės energijos akumuliatoriaus vaidmenį.

Fruktozė C 6 H 12 O 6 yra gliukozės izomeras. Kaip ir gliukozė, ji gali egzistuoti linijinėmis ir ciklinėmis formomis. Linijinėje formoje fruktozė yra ketono alkoholis su penkiomis hidroksilo grupėmis, o ciklinėje formoje daugiausia yra ketofuranozė, t.y. penkių narių žiedas su deguonies atomu:

Fruktozė patenka į visas daugiahidročių alkoholių reakcijas, tačiau, skirtingai nei gliukozė, nereaguoja su amoniako sidabro oksido tirpalu.

Monosacharidų chemines savybes lemia jų sandaros ypatumai.

Pažvelkime į chemines savybes naudodami gliukozę kaip pavyzdį.

Monosacharidai pasižymi alkoholių ir karbonilo junginių savybėmis.

I. Karbonilo grupės reakcijos

1. Oksidacija.

a) Kaip ir visų aldehidų atveju, monosacharidų oksidacija sukelia atitinkamas rūgštis. Taigi, kai gliukozė oksiduojama amoniako sidabro oksido hidrato tirpalu, susidaro gliukono rūgštis („sidabro veidrodžio“ reakcija).

Gliukono rūgšties druska, kalcio gliukonatas, yra gerai žinomas vaistas.

b) Kaitinant monosacharidams su vario hidroksidu taip pat susidaro aldono rūgštys.

mėlyna plytų raudona

Šios reakcijos yra kokybiškos gliukozei kaip aldehidui.

c) Stipresni oksidatoriai ne tik aldehido grupę, bet ir pirminę alkoholio grupę oksiduoja į karboksilo grupę, todėl susidaro dvibazinės cukraus (aldaro) rūgštys. Paprastai tokiai oksidacijai naudojama koncentruota azoto rūgštis.

2. Atsigavimas.

Sumažinus cukrų susidaro polihidroksiliai alkoholiai. Kaip reduktorius naudojamas vandenilis, esant nikeliui, ličio aliuminio hidridas ir kt.

3. Nepaisant monosacharidų cheminių savybių panašumo su aldehidais, gliukozė nereaguoja su natrio hidrosulfitu (NaHSO 3).

II. Reakcijos, pagrįstos hidroksilo grupėmis

Reakcijos prie monosacharidų hidroksilo grupių paprastai vyksta pusacetaline (cikline) forma.

1. Alkilinimas (eterių susidarymas).

Kai metilo alkoholis veikia esant vandenilio chlorido dujoms, glikozidinio hidroksilo vandenilio atomas pakeičiamas metilo grupe.

Naudojant stipresnius alkilinimo agentus, tokius kaip metilo jodidas arba dimetilsulfatas, toks virsmas paveikia visas monosacharido hidroksilo grupes.

2. Acilinimas (esterių susidarymas).

Kai acto rūgšties anhidridas veikia gliukozę, susidaro esteris – pentaacetilgliukozė.

3. Kaip ir visi polihidroksiniai alkoholiai, gliukozė su vario (II) hidroksidu šaltyje susidarant vario (II) gliukonatui suteikia intensyvią mėlyną spalvą – kokybinė reakcija į gliukozę kaip daugiahidroksilį alkoholį.

ryškiai mėlynas tirpalas

III. Specifinės reakcijos

1. Degimas (taip pat ir visiška oksidacija gyvame organizme):

C6H12O6 + 6O26CO2 +6H2O

2. Fermentacijos reakcijos

Be minėtųjų, gliukozei būdingos ir kai kurios specifinės savybės – fermentacijos procesai. Fermentacija – tai cukraus molekulių skilimas veikiant fermentams. Cukrus, kurio anglies atomų skaičius yra trijų kartotinis, vyksta fermentacija. Yra daug fermentacijos tipų, tarp kurių žinomiausi yra šie:

a) alkoholinė fermentacija

C 6 H 12 O 6 → 2CH 3 – CH 2 OH (etilo alkoholis) + 2CO 2

b) pieno rūgšties fermentacija

c) sviesto rūgšties fermentacija

C 6 H 12 O 6 → CH 3 –CH 2 –CH 2 –COOH (sviesto rūgštis) + 2H 2 + 2CO 2

Minėtos mikroorganizmų sukeltos fermentacijos rūšys turi plačią praktinę reikšmę. Pavyzdžiui, alkoholinis – etilo alkoholiui gaminti, vyno gamyboje, alaus darykloje ir kt., o pieno rūgštis – pieno rūgšties ir rauginto pieno produktų gamybai.

Fruktozė patenka į visas reakcijas, būdingas daugiahidročiams alkoholiams, tačiau aldehido grupės reakcijos, skirtingai nei gliukozė, jai nėra būdingos.

Cheminės savybės ribozė C5H10O5 panašus į gliukozę.

D) Biologinis gliukozės vaidmuo.

D-gliukozė (vynuogių cukrus) yra plačiai paplitusi gamtoje: randama vynuogėse ir kituose vaisiuose, meduje. Tai esminis gyvūnų kraujo ir audinių komponentas bei tiesioginis ląstelių reakcijų energijos šaltinis. Gliukozės kiekis žmogaus kraujyje yra pastovus ir svyruoja nuo 0,08 iki 0,11%. Visame suaugusio žmogaus kraujo tūryje yra 5-6 g gliukozės. Šio kiekio pakanka 15 minučių organizmo energijos sąnaudoms padengti. jo gyvenimo veikla. Esant kai kurioms patologijoms, pavyzdžiui, sergant cukriniu diabetu, padidėja gliukozės kiekis kraujyje, o perteklius išsiskiria su šlapimu. Tokiu atveju gliukozės kiekis šlapime gali padidėti iki 12%, palyginti su įprastu 0,1%.

3. Disacharidai.

Oligosacharidai yra angliavandeniai, kurių molekulėse yra nuo 2 iki 8-10 monosacharidų liekanų, sujungtų glikozidiniais ryšiais. Pagal tai išskiriami disacharidai, trisacharidai ir kt.

Disacharidai yra sudėtingi cukrūs, kurių kiekviena molekulė hidrolizės metu skyla į dvi monosacharidų molekules. Disacharidai kartu su polisacharidais yra vienas iš pagrindinių angliavandenių šaltinių žmonių ir gyvūnų maiste. Pagal savo sandarą disacharidai yra glikozidai, kuriuose dvi monosacharidų molekulės yra sujungtos glikozidine jungtimi.

Struktūra

1. Disacharidų molekulėse gali būti dvi vieno monosacharido liekanos arba dvi skirtingų monosacharidų liekanos;

2. Ryšiai, susidarantys tarp monosacharidų likučių, gali būti dviejų tipų:

a) jungties formavime dalyvauja abiejų monosacharidų molekulių pusacetaliniai hidroksilai. Pavyzdžiui, sacharozės molekulės susidarymas;

b) susidarant ryšiui dalyvauja vieno monosacharido pusacetalinis hidroksilas ir kito monosacharido alkoholio hidroksilas. Pavyzdžiui, maltozės, laktozės ir celobiozės molekulių susidarymas.

Norint nustatyti disacharidų struktūrą, reikia žinoti: iš kokių monosacharidų jis sudarytas, kokia šių monosacharidų anomerinių centrų konfigūracija (- arba -), kokie ciklo matmenys (furanozė ar piranozė). ) ir dalyvaujant hidroksilams yra sujungtos dvi monosacharidų molekulės.

Disacharidai skirstomi į dvi grupes: redukuojančius ir neredukuojančius.

Iš disacharidų ypač plačiai žinomos maltozė, laktozė ir sacharozė.

Maltozė (salyklo cukrus), kuri yra α-gliukopiranozil-(1-4)-α-gliukopiranozė, susidaro kaip tarpinis produktas, veikiant amilazėms krakmolą (arba glikogeną), turi dvi α-D-gliukozės liekanas. Cukraus, kurio pusacetalio hidroksilas dalyvauja formuojant glikozidinę jungtį, pavadinimas baigiasi „yl“.

Maltozės molekulėje antroji gliukozės liekana turi laisvą hemiacetalio hidroksilą. Tokie disacharidai turi atkuriamųjų savybių.

Redukuojantiems disacharidams visų pirma priskiriama salyklo esanti maltozė (salyklo cukrus), t.y. daiginti, o paskui džiovinti ir susmulkinti javų grūdai.

(maltozė)

Maltozė susideda iš dviejų D-gliukopiranozės liekanų, kurios yra sujungtos (1–4)-glikozidine jungtimi, t.y. susidarant eteriniam ryšiui dalyvauja vienos molekulės glikozidinis hidroksilas ir kitos monosacharido molekulės ketvirtajame anglies atome alkoholio hidroksilas. Anomerinis anglies atomas (C1), dalyvaujantis formuojant šią jungtį, turi  konfigūraciją, o anomerinis atomas su laisvu glikozidiniu hidroksilu (pažymėtas raudonai) gali turėti ir α- (α-maltozę), ir β- konfigūracija (β- maltozė).

Maltozė yra balti kristalai, gerai tirpūs vandenyje, saldaus skonio, bet daug mažiau nei cukrus (sacharozė).

Kaip matyti, maltozėje yra laisvo glikozidinio hidroksilo, dėl kurio išsaugoma galimybė atidaryti žiedą ir virsti aldehido forma. Šiuo atžvilgiu maltozė gali įsitraukti į reakcijas, būdingas aldehidams, ir ypač sukelti „sidabro veidrodžio“ reakciją, todėl ji vadinama redukuojančiu disacharidu. Be to, maltozė patiria daug monosacharidams būdingų reakcijų, pavyzdžiui, susidaro eteriai ir esteriai.

Disacharidas laktozė (pieno cukrus) randamas tik piene ir susideda iš D-galaktozės ir D-gliukozės. Tai α-gliukopiranozil-(1-4)-gliukopiranozė:

Kadangi laktozės molekulėje yra laisvo hemiacetalio hidroksilo (gliukozės liekanoje), ji priklauso redukuojančių disacharidų skaičiui.

Vienas iš labiausiai paplitusių disacharidų yra sacharozė (cukranendrių arba runkelių cukrus), įprastas stalo cukrus. Sacharozės molekulė susideda iš vienos D-gliukozės liekanos ir vienos D-fruktozės liekanos. Todėl tai yra α-gliukopiranozil-(1-2)-β-fruktofuranozidas:

Skirtingai nuo daugumos disacharidų, sacharozė neturi laisvo hemiacetalio hidroksilo ir neturi redukuojančių savybių.

Neredukuojantys disacharidai yra sacharozė (runkelių arba cukranendrių cukrus). Jo yra cukranendrių, cukrinių runkelių (iki 28 % sausųjų medžiagų), augalų sultyse ir vaisiuose. Sacharozės molekulė sudaryta iš α, D-gliukopiranozės ir β, D-fruktofuranozės.

(sacharozė)

Priešingai nei maltozė, glikozidinį ryšį (1–2) tarp monosacharidų sudaro abiejų molekulių glikozidiniai hidroksilai, tai yra, nėra laisvo glikozidinio hidroksilo. Dėl to sacharozei trūksta redukcijos savybių, ji nesukelia „sidabro veidrodžio“ reakcijos, todėl priskiriama neredukuojantiems disacharidams.

Tarp natūralių trisacharidų nedaug jų yra svarbūs. Žinomiausia yra rafinozė, kurioje yra fruktozės, gliukozės ir galaktozės likučių, kurios dideliais kiekiais yra cukriniuose runkeliuose ir daugelyje kitų augalų.

Apskritai oligosacharidai, esantys augalų audiniuose, yra įvairesnės sudėties nei oligosacharidai iš gyvūnų audinių.

Visi jie turi tą pačią empirinę formulę C 12 H 22 O 11, t.y. yra izomerai.

Sacharozė yra balta kristalinė medžiaga, saldaus skonio, gerai tirpi vandenyje.

Sacharozei būdinga reakcija į hidroksilo grupes. Kaip ir visi disacharidai, sacharozė rūgštimi arba fermentine hidrolize paverčiama monosacharidus, iš kurių ji yra sudaryta.

Disacharidai yra tipiški į cukrų panašūs angliavandeniai; Tai kietos, bespalvės kristalinės medžiagos, labai tirpios vandenyje, saldaus skonio.

Iš disacharidų didžiausią reikšmę turi sacharozė C 12 H 22 O 11:

Sacharozės molekulė susideda iš gliukozės ir fruktozės molekulių likučių.

Pavadinimas „angliavandeniai“ buvo išsaugotas nuo tų laikų, kai šių junginių struktūra dar nebuvo žinoma, tačiau buvo nustatyta jų sudėtis, atitinkanti formulę Cn(H 2 O) m. Todėl angliavandeniai buvo priskiriami anglies hidratams, t.y. į anglies ir vandens junginius – „angliavandenius“. Šiais laikais dauguma angliavandenių išreiškiami formule C n H 2n O n.
1. Angliavandeniai buvo naudojami nuo seniausių laikų – pats pirmasis angliavandenis (tiksliau angliavandenių mišinys), su kuriuo susipažino žmogus, buvo medus.
2. Cukranendrių gimtinė yra šiaurės vakarų Indija-Bengalija. Europiečiai su cukranendrių cukrumi susipažino Aleksandro Makedoniečio kampanijų dėka 327 m. pr. Kr.
3. Gryną runkelių cukrų tik 1747 metais atrado vokiečių chemikas A. Marggrafas.
4. Krakmolas buvo žinomas senovės graikams.
5. Celiuliozė, kaip medienos sudedamoji dalis, buvo naudojama nuo seno.
6. Terminą „saldus“ ir galūnę – osa – cukrinėms medžiagoms pasiūlė prancūzų chemikas J. Dula 1838 m. Istoriškai saldumas buvo pagrindinė savybė, pagal kurią tam tikra medžiaga buvo klasifikuojama kaip angliavandenis.
7. 1811 m. rusų chemikas Kirchhoffas pirmą kartą gavo gliukozę krakmolo hidrolizės būdu, o švedų chemikas J. Bertzemus 1837 m. pirmą kartą pasiūlė teisingą empirinę gliukozės formulę. C 6 H 12 O 6
8. Angliavandenių sintezę iš formaldehido, dalyvaujant Ca(OH) 2, atliko A.M. Butlerovas 1861 m
Gliukozė yra bifunkcinis junginys, nes yra funkcinės grupės – vienas aldehidas ir 5 hidroksilas. Taigi, gliukozė yra polihidroksinis aldehido alkoholis.

Gliukozės struktūrinė formulė yra tokia:

Sutrumpinta formulė yra tokia:

Gliukozės molekulė gali egzistuoti trimis izomerinėmis formomis, iš kurių dvi yra ciklinės, viena yra linijinė.

Visos trys izomerinės formos yra dinaminėje pusiausvyroje viena su kita:
ciklinis [(alfa forma) (37%)]<-->tiesinis (0,0026 %)<-->ciklinis [(beta forma) (63 %)]
Gliukozės ciklinės alfa ir beta formos yra erdviniai izomerai, kurie skiriasi pusacetalio hidroksilo padėtimi žiedo plokštumos atžvilgiu. Alfa-gliukozėje šis hidroksilas yra trans padėtyje su hidroksimetilo grupe -CH2OH, beta-gliukoze - cis padėtyje.

Cheminės gliukozės savybės:

Savybės dėl aldehido grupės buvimo:

1. Oksidacijos reakcijos:
a) su Cu(OH)2:
C 6 H 12 O 6 + Cu(OH) 2 ↓ ------> ryškiai mėlynas tirpalas

2. Atsigavimo reakcija:
su vandeniliu H2:

Šioje reakcijoje gali dalyvauti tik linijinė gliukozės forma.

Savybės dėl kelių hidroksilo grupių (OH):

1. Reaguoja su karboksirūgštimis ir susidaro esteriai(penkios gliukozės hidroksilo grupės reaguoja su rūgštimis):

2. Kaip daugiahidris alkoholis reaguoja su vario (II) hidroksidu, sudarydamas vario (II) alkoholį:

Specifinės savybės

Didelę reikšmę turi gliukozės fermentacijos procesai, vykstantys veikiant organiniams katalizatoriams-fermentams (juos gamina mikroorganizmai).
a) alkoholinė fermentacija (paveikiama mielių):

b) pieno rūgšties fermentacija (veikiant pieno rūgšties bakterijoms):

d) citrinų rūgšties fermentacija:

e) acetono-butanolio fermentacija:

Gliukozės gavimas

1. Gliukozės sintezė iš formaldehido dalyvaujant kalcio hidroksidui (Butlerovo reakcija):

2. Krakmolo hidrolizė (Kirhoffo reakcija):

Gliukozės biologinė reikšmė, panaudojimas

gliukozė– būtinas maisto komponentas, vienas pagrindinių medžiagų apykaitos organizme dalyvių, labai maistingas ir lengvai virškinamas. Jo oksidacijos metu išsiskiria daugiau nei trečdalis organizme naudojamo energijos resurso – riebalų, tačiau riebalų ir gliukozės vaidmuo skirtingų organų energijoje yra skirtingas. Širdis riebalų rūgštis naudoja kaip kurą. Skeleto raumenims „pradėti“ reikia gliukozės, tačiau nervų ląstelės, įskaitant smegenų ląsteles, veikia tik gliukoze. Jų poreikis yra 20-30% pagaminamos energijos. Nervinėms ląstelėms energijos reikia kas sekundę, o valgant organizmas gauna gliukozės. Gliukozė lengvai pasisavinama organizmo, todėl medicinoje naudojama kaip stiprinanti priemonė. Specifiniai oligosacharidai nustato kraujo grupę. Konditerijos gaminiuose, skirtuose gaminti marmeladą, karamelę, meduolius ir kt. Gliukozės fermentacijos procesai turi didelę reikšmę. Taigi, pavyzdžiui, rauginant kopūstus, agurkus ir pieną, vyksta pieno rūgšties fermentacija, gliukozė, taip pat silosuojant pašarus. Praktikoje alkoholio fermentacija taip pat naudojama, pavyzdžiui, alaus gamyboje.
Angliavandeniai iš tiesų yra labiausiai paplitusios organinės medžiagos Žemėje, be kurių gyvų organizmų egzistavimas neįmanomas. Gyvame organizme metabolizmo metu gliukozė oksiduojasi, išskirdama daug energijos: