ХІМІЯ - Комплексна підготовка до зовнішнього незалежного оцінювання

РОЗДІЛ III. ОРГАНІЧНА ХІМІЯ

12. Оксигеновмісні органічні сполуки

12.6. Вуглеводи

Вуглеводи¹ — це речовини, які належать до класу полігідроксикарбонільних сполук. Це найпоширеніші в природі органічні сполуки, які є компонентами клітин усіх рослинних і тваринних організмів. Вуглеводи утворюються в рослинах у процесі фотосинтезу. Фотосинтез відбувається під впливом сонячної енергії у хлоропластах фотосинтезувальних організмів: вищих рослин, водоростей, ціанобактерій, а також фотоавтотрофних найпростіших і бактерій. Процес каталізують зелені пігменти хлорофіли²:

Під час дихання відбувається окиснення вуглеводів, у результаті чого виділяється енергія, необхідна для життєдіяльності живого організму:

Організми запасають енергію у вигляді вуглеводів: рослини — крохмалю, тварини — глікогену. Вуглевод целюлоза є основою клітинної стінки рослинної клітини. Залишки вуглеводів входять до складу нуклеїнових кислот та інших складних органічних речовин.

Класифікація

1. Усі вуглеводи складаються з окремих одиниць, мономерів. За кількістю мономерів, на які розкладаються вуглеводи під час гідролізу, їх ділять на:

✵ моносахариди — складаються з одного мономера, відповідно, не гідролізують (глюкоза, фруктоза, манноза, галактоза);

✵ олігосахариди (від гр. όλίγος — небагато) — вуглеводи, які розкладаються на 2-10 мономерів:

✵ дисахариди (сахароза, мальтоза, лактоза) — розкладаються на два мономери

✵ трисахариди (рафіноза) — розкладаються на три мономери...

✵ полісахариди (поліози) — вуглеводи, які містять більше 10 (іноді сотні й тисячі) моносахаридних залишків (крохмаль, глікоген, целюлоза, хітин, пектини, мурамін, декстрини, мукополісахариди):

✵ гомополісахариди складаються з однакових моносахаридних залишків;

✵ гетерополісахариди складаються з різних моносахаридних залишків.

2. Серед моносахаридів залежно від довжини карбонового ланцюга (від 3 до 10 атомів) розрізняють:

✵ тріози (дигідроксиацетон, гліцеральдегід)

✵ тетрози (еритрулоза, еритроза, треоза)

✵ пентози (рибулоза, рибоза, дезоксирибоза) у природі найбільш розповсюджені

✵ гексози (фруктоза, псикоза, сорбоза, тагатоза) у природі найбільш розповсюджені

✵ гептози (седогептулоза, маногептулоза)...

3. Крім кількох гідроксильних груп моносахариди містять карбонільну групу >С=О. Залежно від її положення у молекулі розрізняють:

✵ альдози, коли карбонільна група розташована у кінці карбонового ланцюга (такий моносахариди є апьдегідоспиртом);

✵ кетози, коли карбонільна группа розташована у середині карбонового ланцюга (такий моносахарид є кетоспиртом).

Оптична ізомерія

Моносахаридам, крім структурної, властива і просторова, оптична ізомерія (енантіомерія), яка є наслідком хіральності³. Серед оптично-активних ізомерів (енантіомерів), які називають також антиподами, розрізняють L- і D-ізомери⁴. Їхні розчини здатні повертати площину поляризованого променя світла в різні сторони (за годинниковою стрілкою та проти неї). Більшість речовин біологічних об’єктів має одну хіральність.

Так, у молекулі глюкози є 4 асиметричні атоми Карбону (хіральні), виділені напівжирним накресленням і позначені цифрами 1-4:

Між кількістю асиметричних атомів молекули і кількістю оптичних ізомерів існує математична залежність:

N = 2ⁿ,

де N — кількість оптичних ізомерів,

n — кількість асиметричних атомів Карбону в молекулі.

Отже, існує 2⁴ = 16 (8 пар) видів молекул глюкози альдегідної форми різної будови.

¹ Перші відомі вуглеводи мали брутто-формулу С_х(Н₂О)_у.

² Крім хлорофілів, рослини містять інші пігменти — каротиноїди, а деякі водорості та ціанобактерії — фікобіліни, що поглинають світло тих довжин хвиль, які хлорофіли поглинають слабо.

³ Хіральність (від гр. χειρ — рука) — одне з основну понять стереохімії, здатність будь-якого об’єкта мати своє дзеркальне відображення, не тотожне оригіналу.

⁴ Від латинських слів laevus — лівий та dexter — правий. Суміш однакової кількості L- та D-ізомерів називають рацематом.

12.6.1. Моносахариди

Моносахариди — білі кристалічні речовини, добре розчинні у воді, деякі з них солодкі на смак. Це полі-функціональні сполуки, які містять кілька гідроксильних груп та одну карбонільну (альдегідну) групу¹. Фруктоза (фруктовий цукор)² С₆Н₁₂O₆ та її ізомер глюкоза (виноградний цукор) — найважливіші представники моносахаридів-гексоз, містяться у багатьох ягодах, фруктах, нектарі квітів і меді.

Фруктоза — це п’ятьохатомний кетоноспирт, який є структурним ізомером глюкози. Фруктоза існує в карбонільній (розгорнутій) і циклічній формах: у кристалічному стані молекула фруктози має п’ятичленну гетероциклічну будову, у водному розчині існують обидві її форми — карбонільна і циклічна:

Явище взаємного переходу відкритої і циклічної форм моносахаридів у розчині називають таутомерією, а відповідні ізомери — таутомерами.

Глюкоза — це альдегідоспирт, який містить 5 гідроксильних груп і 1 альдегідну групу:

Часто користуються спрощеною формулою: СН₂ОН-(СНОН)₄-СНО.

У кристалічному стані молекули глюкози, як і фруктози, мають циклічну будову, а у водних розчинах у стані динамічної рівноваги існують альдегідна і циклічні форми (α-глюкози і β-глюкози):

Хімічні властивості глюкози

Хімічні властивості глюкози зумовлені наявністю гідроксильних функціональних груп, а у відкритій формі - ще й альдегідної, для якої характерні реакції окиснення і відновлення.

¹ Для спрощення цю реакцію іноді записують з оцтовою кислотою.

Добування глюкози

1. У природі глюкоза утворюється під час фотосинтезу:

2. Синтез Бутлерова:

Інші моносахариди

Іншим важливим типом моносахаридів є пентози. Найбільше значення мають рибоза С₅Н₁₀О₅ та дезоксирибоза С₅Н₁₀О₄. Вони також існують у карбонільній та циклічній формах:

Рибоза входить до складу рибонуклеїнових кислот (РНК), а дезоксирибоза — до дезоксирибонуклеїнових кислот (ДНК).

¹ Альдози, крім гідроксильних груп, містять альдегідну, а кетози — кетогрупу.

² Найбільш гігроскопічний з усіх вуглеводів.