Химические свойства углеводов
Химические свойства углеводов определяются их функциональными группами и строением молекул. В заданиях важно распознавать качественные реакции, гидролиз, окисление и восстановление, а также различать моносахариды, дисахариды и полисахариды.
1. Моносахариды: строение и основные реакции
Углеводы делят на моносахариды, дисахариды и полисахариды. Моносахариды не расщепляются гидролизом на более простые углеводы. Наиболее важны глюкоза \(\mathrm{C_6H_{12}O_6}\) и фруктоза с той же молекулярной формулой.
Глюкоза — альдегидоспирт: в открытой форме она содержит альдегидную группу \(\mathrm{-CHO}\) и несколько гидроксильных групп \(\mathrm{-OH}\). Фруктоза — многоатомный спирт с кетонной группой; в растворе она может переходить в формы, проявляющие восстановительные свойства.
Из-за наличия нескольких гидроксильных групп глюкоза реагирует со свежеполученным гидроксидом меди(II). При комнатной температуре образуется ярко-синий раствор комплексного соединения. Эта реакция показывает наличие нескольких групп \(\mathrm{-OH}\), но не является реакцией окисления.
При нагревании глюкоза восстанавливает гидроксид меди(II) до оксида меди(I), а сама окисляется до глюконовой кислоты. Это качественная реакция на альдегидную группу, аналогичная реакции альдегидов.
С аммиачным раствором оксида серебра глюкоза также даёт реакцию «серебряного зеркала». Альдегидная группа окисляется до карбоксильной, а ионы серебра восстанавливаются до металлического серебра.
Глюкоза вступает в реакцию с водородом: карбонильная группа восстанавливается до гидроксильной, образуется шестиатомный спирт сорбит.
Как многоатомный спирт глюкоза взаимодействует с этанолом в присутствии кислотного катализатора с образованием сложного эфира. В школьных задачах чаще используют общий вывод: наличие пяти гидроксильных групп в циклической форме позволяет образовывать многоатомные эфиры.
Глюкоза даёт реакции с \(\mathrm{Cu(OH)_2}\) при нагревании и с аммиачным раствором оксида серебра, потому что в растворе существует открытая форма с альдегидной группой. Фруктоза тоже даёт эти реакции в щелочной среде из-за взаимных превращений через ендиольную форму.
2. Брожение глюкозы
Глюкоза подвергается ферментативному брожению. Вид продуктов зависит от микроорганизмов и условий. При спиртовом брожении образуются этанол и углекислый газ; при молочнокислом — молочная кислота.
При спиртовом брожении из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы этанола и две молекулы углекислого газа. Это не горение: кислород воздуха в уравнение не входит.
3. Дисахариды: гидролиз и восстановительные свойства
Дисахариды состоят из остатков двух моносахаридов. При гидролизе они расщепляются водой на моносахариды. Например, мальтоза гидролизуется с образованием двух молекул глюкозы, а лактоза — глюкозы и галактозы.
Сахароза состоит из остатков глюкозы и фруктозы. При гидролизе она образует смесь глюкозы и фруктозы, которую называют инвертным сахаром.
Мальтоза и лактоза имеют свободный полуацетальный гидроксил, поэтому дают реакции «серебряного зеркала» и с нагретым \(\mathrm{Cu(OH)_2}\). Сахароза такого свободного центра не имеет и этих реакций не даёт, но после гидролиза продукты реакции их дают.
Какое вещество не даёт реакцию «серебряного зеркала»?
4. Полисахариды: крахмал и целлюлоза
Крахмал и целлюлоза — полисахариды, построенные из остатков глюкозы. Их общая формула записывается как \((\mathrm{C_6H_{10}O_5})_n\), но строение и свойства различаются. Крахмал состоит из амилозы и амилопектина, а целлюлоза имеет линейные цепи, образующие прочные волокна.
Крахмал обнаруживают раствором йода: появляется синее или сине-фиолетовое окрашивание. При нагревании окраска исчезает, а при охлаждении обычно восстанавливается. Это не реакция гидролиза, а образование окрашенного комплекса.
Раствор йода окрашивает крахмал в синий цвет. Глюкоза, сахароза и целлюлоза такой характерной синей окраски не дают.
Целлюлоза вступает в реакцию этерификации с азотной кислотой. В зависимости от количества замещённых гидроксильных групп образуются моно-, ди- или тринитраты целлюлозы. Тринитрат целлюлозы — легко воспламеняющееся вещество; реакция проводится с концентрированными кислотами.
Целлюлоза также реагирует с уксусной кислотой с образованием ацетатов целлюлозы. Подробное сравнение реакций сложных эфиров приведено на странице химические свойства сложных эфиров.
5. Как решать задания на свойства углеводов
В экзаменационном задании сначала определите класс вещества и функциональные группы. Затем сопоставьте их с реагентом: альдегидная группа восстанавливает серебро и медь(II), многоатомный спирт растворяет свежий гидроксид меди(II) с образованием синего раствора, крахмал окрашивается йодом, а дисахариды и полисахариды гидролизуются.
Как экспериментально различить растворы глюкозы и сахарозы? К обоим растворам добавляют свежеполученный \(\mathrm{Cu(OH)_2}\) и нагревают. В растворе глюкозы появляется красный осадок \(\mathrm{Cu_2O}\), потому что глюкоза восстанавливает медь(II). В растворе сахарозы осадок не образуется. Однако при гидролизе сахарозы и последующем нагревании с \(\mathrm{Cu(OH)_2}\) реакция становится положительной: образовавшиеся глюкоза и фруктоза проявляют восстановительные свойства.
Не путайте синее окрашивание раствора при взаимодействии глюкозы с \(\mathrm{Cu(OH)_2}\) без нагревания с красным осадком при нагревании. Не записывайте реакцию «серебряного зеркала» для сахарозы до гидролиза. Йод используют для обнаружения крахмала, а не для доказательства наличия любой глюкозы. При гидролизе дисахарида обязательно добавляется вода, поэтому сумма атомов водорода и кислорода должна увеличиваться на \(\mathrm{H_2O}\).
Проверь себя
Главное
- Глюкоза — альдегидоспирт; она даёт реакции с аммиачным раствором оксида серебра и нагретым \(\mathrm{Cu(OH)_2}\).
- Глюкоза подвергается спиртовому и молочнокислому брожению.
- Мальтоза и лактоза — восстанавливающие дисахариды; сахароза — невосстанавливающий.
- Крахмал с йодом окрашивается в синий цвет, а при гидролизе образует глюкозу.
- Крахмал и целлюлоза имеют формулу \((\mathrm{C_6H_{10}O_5})_n\), но различаются строением и свойствами.