Тема 5

ВУГЛЕВОДИ

Вуглеводами називають велику групу природних речовин загальної формули С_nН_2mО_m , де m = n або m = n+1. У загальному, вуглеводи можна зобразити і як гідрати вуглецю – С_n(Н₂О)_m , звідки і утворилась їх назва. Оскільки багато з вуглеводів солодкі на смак, то їх ще називають цукрами.

Вуглеводами є такі відомі речовини як глюкоза, цукор, крохмаль, целюлоза.

У природі вуглеводи утворюються в рослинах і мікроорганізмах зав­дяки процесу фотосинтезу, який полягає у взаємодії вуглекислого газу повіт­ря з водою під дією світла в присутності ферменту хлорофілу:

 

Розрізняють три групи вуглеводів:

- моносахариди (або монози) – вуглеводи, що не вступають у реакцію гідролізу;

- олігосахариди (або цукроподібні полісахариди) – вуглеводи, що всту­пають у реакцію гідролізу і утворюють внаслідок реакції декілька (2,3,4 і т.д.) молекул моносахаридів. Залежно від кількості молекул моносахаридів, що утворились внаслідок гідролізу, розрізняють ди-, три-, тетра- і т.д. сахариди. Найважливішими серед них є дисахариди;

- полісахариди або поліози (нецукроподібні полісахариди) – вугле­во­ди, що вступають у реакцію гідролізу в результаті якої утворюється велика кількість (як правило більше сотні) молекул моносахаридів.

Оліго- і полісахариди мають подібну будову і відрізняються лише кіль­кістю залишків моносахаридів, що з'єднані в одну макромолекулу. Тому часто їх об'єднують однією назвою – полісахариди. Класифікацію вугле­водів можна зобразити схемою:

ВУГЛЕВОДИ

ПОЛІСАХАРИДИ

+ x  H₂O  x моноз



 

 x = 2,3,4 ...   x>100

+Н₂О 

    

  

МОНОСАХАРИДИ

(монози)

ОЛІГОСАХАРИДИ

(цукроподібні

полісахариди)

ПОЛІОЗИ

(нецукроподібні

полісахариди)

Як видно із класифікації, основу будь-якого типу вуглеводів склада­ють моносахариди (монози), оскільки полісахариди є полімерами, що утво­рюються із моносахаридів внаслідок відщеплення від них молекул води (реакції поліконденсації).

Моносахариди є найпростішими вуглеводами, які не піддаються гід­ро­­лізу, із залшків яких побудовані молекули більш складних вуглеводів (полісахаридів). Назви всіх моносахаридів мають закінчення - оза, тому їх друга загальна назва монози (від моно – один).

Класифікація моносахаридів.  Моносахариди поділяють на окремі гру­пи залежно від двох ознак:

а) кількості атомів Карбону (або Оксигену), що входять до складу

однієї молекули моносахариду;

б) природи карбонільної групи, що міститься в молекулі моно­са­ха­риду.

Загальна формула моносахаридів, як правило, С_nН_2nО_n , де n =3, 4, 5, 6, 7 і т.д. Залежно від кількості атомів Карбону (або Оксигену), їх поділяють на тріози , тетрози, пентози, гексози і т.д.:

C₃H₆O₃  – тріози;

C₄H₈O₄  – тетрози;

C₅H₁₀O₅  – пентози;

C₆H₁₂O₆  – гексози і т.д.

Атоми Оксигену в молекулах моносахаридів входять до складу двох різ­них функціональних груп. Один із атомів Оксигену утворює карбонільну групу (групу >С=О), всі інші – гідроксильні групи (групи -ОН). Отже, за хімічною будовою моносахариди є багатоатомними оксоспиртами. Залежно від того, який клас сполук утворює карбонільна група – альдегіди чи кетони, вугле­води поділяють на альдози (мають групу ) і кетози (мають групу С=О).

При віднесенні моносахариду до того чи іншого типу враховують обидві ознаки їх будови. Наприклад, моносахариди С₆Н₁₂О₆, що мають альдегідну групу називають альдогексозами, а ті, що мають кетонну групу – кетогексозами.

Будова моносахаридів. Усі моносахариди мають нерозгалужений (нор­мальний) ланцюг вуглецевих атомів, містять одну карбонільну группу. Будь-яка гексоза містить п'ять гідроксильних групп. Отже, буль-якій альдо­гексозі і деяким кетогексозам повинні відповідати наступні формули:

O  O

        

CH₂– CH– CH– CH– CH– C– H   CH₂– CH– CH– CH– C– CH₂

         

 OH OH OH OH OH   OH OH OH OH OH

 альдогексози кетогексоза

Як видно з наведених формул будь-яка альдогексоза містить чотири, а кетогексоза – три асиметричні атоми вуглецю (С*). Отже, для моносахари­дів буде характерна оптична ізомерія. Відомо, що коли в молекулі речовини є n асиметричних атомів вуглецю, то дана речовина може існувати в виді 2ⁿ різних оптичних ізомерів. Тому альдогексози існують у виді 16 оптичних ізомерів (2⁴), а кетогексози – у виді 8 оптичних ізомерів (2³), які відрізняються розміщенням у просторі атомів Гідрогену і груп -ОН біля асиметричних атомів вуглецю. Для запису формули моносахаридів ви­ко­рис­товують проекційні формули Фішера, записуючи карбоновий ланцюг зверху вниз.

Всі ізомерні моносахариди поділяють на дві групи – моносахариди D-ряду і моносахариди L-ряду. Належність моноса­хариду до D- чи L-ряду визначають за розміщенням групи -ОН біля асимет­ричного атома Карбону, найбільш віддаленого від карбонільної групи, тобто по конфігурації групи:

 

H– C^ – OH   HO – C^ – H

 

CH₂– OH   CH₂ – OH

 D-ряд L-ряд

Моносахариди, які відрізняються просторовим розмі­щен­ням однієї з груп лише біля перших двох атомів Карбону, називають епімерами. Наприклад, епімерами глюкози будуть мано­за і фруктоза:

 D-глюкоза  D-маноза    D-фруктоза

у водних розчинах моносахариди існують одночасно в різних циклічних і відкритій формах, між якими існує динамічна рівновага. Явище, коли одна і та ж речовина може одночасно існувати в різних формах називають явищем таутомерії, а форми в яких існує дана речовина – тауто­мерними формами. Таутомерію вуглеводів називають цикло-ланцю­го­вою таутомерією, оскільки вона зумовлена одночасним існуванням цикліч­них і відкритих (ланцюгових) форм молекул моносахариду. Шести- і п'яти-членні гетероцикли з одним атомом Оксигену називають, відповідно, піраном і фураном, то ті моносахариди, що мають шестичленний цикл, називають піранозами, а ті, що мають п'ятичленний цикл – фуранозами.

Таутомерію D-глюкози можна зобразити схемою:

 -D-глюкопіраноза D-глюкоза   -D-глюкопіраноза

D-фруктоза існує у фуранозній формі:

 -D-фруктофураноза D-фруктоза   -D-фруктофураноза

Олігосахариди і полісахариди. Вуглеводи, які при взаємодії з водою утворюють декілька молекул моносахаридів, називають олігосахаридами або цукроподібними полісаха­ридами. Найважливішими серед олігосахаридів є дисахариди. Дисахариди вступають у реакцію гідролізу, утворюючи дві молекули моносахаридів.

Дисахариди утворюються з циклічних форм моносахаридів за раху­нок 1- 4 або 1-1 взаємодії. Залежно від способу утворення дисахариди поділяють на віднов­лю­ючі (глікозид-глюкози) і невідновлюючі (глікозид-глікозиди).

Відновлюючі дисахариди (мальтоза, целобіоза) містять один напів­ацетальний гідроксил і спиртові групи -ОН, тому для них характерні всі хімічні властивості моносахаридів.

Невідновлюючі дисахариди (цукроза, трегалоза) не мають напів­аце­тального гідроксилу, тому для них не характерні таутомерні перет­во­рен­ня і вони не мають властивостей карбонільних сполук.

Утворення мальтози і трегалози:

мальтоза

α-Д-глюкопіраноза

трегалоза

Полісахаридами або нецукроподібними полісахаридами нази-вають вуг­ле­во­ди, молекули яких при гідролізі дають від декількох де-сятків до декількох тисяч молекул моносахаридів. Утворюються полі-сахариди в живих організмах внаслідок полі­кон­ден­сації моносахаридів. Реакція поліконденсації відбувається за рахунок напів­ацетальних і спиртових груп -ОН різних молекул. Схема утворення крохмалю:

α-Д- глюкопіраноза крохмаль

Утворення целюлози можна зобразити схемою:

 -D-глюкопіраноза целюлоза

Целюлоза або клітковина – полісахарид, який є основною речовиною клітинних стінок рослин, в деревині її вміст досягає до 55%.

Хімічні властивості целюлози зумовлені наявністю в її макро­мо­ле­ку­лах спиртових груп -ОН, а також глікозил-глікозидних зв'язків між залиш­ками молекул -D-глюкопіранози (складовими ланками макромолекул). За рахунок груп -ОН целюлоза проявляє властивості спиртів, вступаючи в реак­ції заміщення атомів Гідрогену в групах -ОН (утворення алкоголятів, простих і складних ефірів целюлози), а за рахунок глікозил-глікозидних зв'язків – у реакцію гідролізу.

При гідролізі крохмалю і целюлози одержують важливі продукти. Особ- ливу увагу варта звернути на постадійний гідроліз крохмалю.

Важливими для целюлози є реакції заміщення атомів Гідрогену в групах -ОН (утворення алкоголятів, складних і простих ефірів), які використовують для модифікації властивостей целюлози і одержання вол­о­кон, пластмас, лаків, плівок. Геміцелюлози є полісахаридами, які складаються з залишків різних гексоз (гексозани) або пентоз (пентозани) і мають відносно невелику моле­кулярну масу. Серед геміцелюлоз найбільше значення має ксилан. З целюлози, геміцелюлоз і лігніну побудовані клітинні стінки дере­вини та рослин. Целюлозу одержують з деревини, розчиняючи у варочному розчині геміцелюлози, лігнін і інші органічні сполуки, що містяться в клі­тинах.