Углеводы – особенности строения и практического использования

               

3.Физические свойства

-полисахаридов

Крахмал представляет собой безвкусный порошок, нерастворимый в холодной воде. В горячей воде набухает, образуя клейстер. 
Крахмал широко распространен в природе. Он является для различных растений запасным питательным материалом и содержится в них в виде крахмальных зерен. Наиболее богато крахмалом зерно злаков: риса (до 86%), пшеницы (до 75%), кукурузы (до 72% ), а также клубни картофеля (до 24% ). В клубнях картофеля крахмальные зерна плавают в клеточном соке, а в злаках они плотно склеены белковым веществом клейковиной. Крахмал является одним из продуктов фотосинтеза.

Чистая целлюлоза — белое твердое вещество, нерастворимое в воде и в обычных органических растворителях, хорошо растворимо в концентрированном аммиачном растворе гидроксида меди (II) (реактив Швейцера). Из этого раствора кислоты осаждают целлюлозу в виде волокон (гидратцеллюлоза). Клетчатка обладает довольно большой механической прочностью.

 

-моносахаридов

Моносахариды — бесцветные кристаллические вещества, плавящиеся с разложением, хорошо растворимые  в воде, в растворах вращающие  поляризованный свет, сладкие на вкус.

Изомерия моносахаридов обусловлена: 1) наличием альдегидной или кетонной группы; 2) наличием асимметрических атомов углерода; 3) существованием таутомерии.

 

-дисахаридов

Сахароза имеет сладковатый вкус. Растворимость (грамм на 100 грамм): в воде 179 (0°C) и 487 (100°C), в этаноле 0,9 (20°C). Малорастворима в метаноле. Не растворима в диэтиловом эфире. Плотность 1,5879 г/см³ (15°C). Удельное вращение для D-линии натрия: 66,53 (вода; 35 г/100г; 20°C). При охлаждении жидким воздухом, после освещения ярким светом кристаллы сахарозы фосфоресцируют. Не проявляет восстанавливающих свойств - не реагирует с реактивом Толленса и реактивом Фелинга. Не образует открытую форму, поэтому не проявляет свойств альдегидов и кетонов. Наличие гидроксильных групп в молекуле сахарозы легко подтверждается реакцией с гидроксидами металлов. Если раствор сахарозы прилить к гидроксиду меди (II), образуется ярко-синий раствор сахарата меди. Альдегидной группы в сахарозе нет: при нагревании с аммиачным раствором оксида серебра (I) она не дает «серебряного зеркала», при нагревании с гидроксидом меди (II) не образует красного оксида меди (I). Из числа изомеров сахарозы, имеющих молекулярную формулу С₁₂Н₂₂О₁₁, можно выделить мальтозу и лактозу.

 

4. Химические свойства классов

-полисахаридов

Небольшие различия в строении молекул обуславливают значительные различия в свойствах полимеров: крахмал — продукт питания, целлюлоза  для этой цели непригодна. 
1) Целлюлоза не дает реакции «серебряного зеркала» (нет альдегидной группы). Это позволяет рассматривать каждое звено С6Н10О5 как остаток глюкозы, содержащий три гидроксильные группы. Последние в формуле целлюлозы часто выделяют: 
 
За счет гидроксильных групп целлюлоза может образовывать простые и сложные эфиры. 
Например, реакция образования сложного эфира с уксусной кислотой имеет вид: 
[С6Н7O2(ОСОСН3)3]n+3nН2O®[С6Н7O2(ОН)3]n+3nСН3СООН 
При взаимодействии целлюлозы с концентрированной азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты в качестве водоотнимающего средства образуется сложный эфир — тринитрат целлюлозы:

 
Это — взрывчатое вещество, применяемое  для изготовления порохов. 
Таким образом, при обычной температуре целлюлоза взаимодействует лишь с концентрированными кислотами. 
2) Подобно крахмалу, при нагревании с разбавленными кислотами целлюлоза подвергается гидролизу с образованием глюкозы: 
nСбН12O6®(С6Н1006)n+nН2O 
Гидролиз целлюлозы, иначе называемый осахариванием, — очень важное свойство целлюлозы, он позволяет получить из древесных опилок и стружек целлюлозу, а сбраживанием последней — этиловый спирт. Этиловый спирт, полученный из древесины, называется гидролизным. 
На гидролизных заводах из 1 т древесины получают до 200 л этилового спирта, что позволяет заменить 1,5 т картофеля или 0,7 т зерна. 
Сырая глюкоза, полученная из древесины, может служить кормом для скота. 
Это только отдельные примеры применения целлюлозы. Целлюлоза в виде хлопка, льна или пеньки идет на изготовление тканей — хлопчатобумажных и льняных. Большие количества ее расходуются на производство бумаги. Дешевые сорта бумаги изготовляют из древесины хвойных пород, лучшие сорта — из льняной и хлопчатобумажной макулатуры. Подвергая целлюлозу химической переработке, получают несколько видов искусственного шелка, пластмассы, кинопленку, бездымный порох, лаки и многое другое.

 

-моносахаридов

Многообразие химических свойств моносахаридов объясняется  их дифункциональностью.

1. Реакции образования эфиров. Моносахариды способны образовывать простые и сложные эфиры. Наиболее легко происходит замещение полуацетального (гликозидного) гидроксила:

Простые эфиры получили название гликозидов. В более жестких условиях возможно алкилирование и по другим оставшимся гидроксильным группам.

Моносахариды  способны образовывать сложные эфиры как с минеральными, так и с карбоновыми кислотами, например:

 

 

Большое значение имеют эфиры фосфорной  кислоты рибозы и дезоксирибозы, являющиеся структурными фрагментами РНК и ДНК.

2. Реакция комплексообразования с гидроксидом меди (II). При взаимодействии свежеосажденного гидроксида меди (II) с моносахаридами происходит растворение гидроксида с образованием комплекса синего цвета.

3. Окислительно-восстановительные реакции (ОВР). При каталитическом гидрировании моносахаридов происходит восстановление карбонильной группы до спиртового гидроксила:

 

 

Бромная вода окисляет альдегидную группировку  до карбоксильной:

ОВР с оксидом серебра (I) и гидроксидом  меди (II) используют как качественные реакции на альдозы и кетозы:

Кетозы  дают те же самые реакции, так как в щелочной среде происходит их изомеризация в альдозы.

4. Реакция брожения. Моносахариды (например, глюкоза) способны расщепляться в зависимости от природы фермента до этанола, масляной или молочной кислоты:

 

-дисахаридов

Восстанавливающие дисахариды способны к таутомерии, поэтому остаток  моносахарида, сохранивший свой гликозидный  гидроксил может переходить в  открытую форму (не теряя при этом связи с остатком второго моносахарида):

По этой причине восстанавливающие  дисахариды способны к мутаротации  и эпимеризации. Они окисляются (отсюда и название - восстанавливающие):

Восстанавливаются амальгамой натрия или комплексными гидридами металлов:

Алкилируются спиртами в  кислой среде (обычно в присутствии HCl), образуя гликозиды дисахаридов:

И восстанавливающие и  не восстанавливающие дисахариды алкилируются галогеналкилами:

и ацилируются ангидридами  или галогенангидридами кислот:

При гидролизе, который происходит при нагревании водного раствора дисахарида в присутствии кислоты (обычно серной) образуются моносахариды, например при гидролизе сахарозы - смесь глюкозы и фруктозы, а  при гидролизе лактозы - смесь  галактозы и глюкозы.

5.Экспериментальное подтверждение свойств

Опыты с углеводами

Углеводы - один из "трех китов" нашего питания (два других - белки и жиры). Глюкоза и фруктоза, крахмал и клетчатка, десятки других углеводов образуются непрерывно и "сгорают" (окисляются) в растительных и животных клетках, служат важнейшим энергетическим материалом организма.

При всей несхожести отдельных  представителей углеводов есть у  них, конечно, общие, обязательные для  всех свойства. Это и позволяет  обнаружить углеводы даже в очень  малых количествах. Верный и к  тому же красивый способ их распознавания - цветная реакция Молиша.

 

Налейте в пробирку примерно 1 мл воды и бросьте несколько  крупинок сахарного песка (сахарозы), часть таблетки глюкозы или клочок фильтровальной бумаги (клетчатки). Теперь добавьте 2-3 капли спиртового раствора резорцина или тимола (эти вещества продают в аптеке). Наклоните пробирку и осторожно налейте по стенке 1-2 мл концентрированной серной кислоты. Будьте осторожны с кислотой, следите, чтобы она не попала на кожу!

 

Закрепите пробирку в вертикальном положении. Тяжелая кислота опустится на дно, а на границе ее с водой появится яркое красивое кольцо - красное, розовое или фиолетовое.

Если вещество, состав которого неизвестен, даст при реакции Молиша такое кольцо - можете не сомневаться, что углевод налицо. Помните только, что эта реакция настолько чувствительна, что ее может вызвать даже пылинка и волоконце на стенках пробирки. Поэтому посуду, в которой проводят реакцию, надо очень тщательно мыть, а ополаскивать лучше дистиллированной водой.

Сахар из опилок

Один из сахаров мы попытаемся получить из опилок гидролизом, т.е. разложением  водой. Это очень распространенный химический процесс. Опилки и другие древесные отходы содержат углевод клетчатку (целлюлозу). Из нее на гидролизных заводах готовят глюкозу, которую можно использовать затем по-разному; чаще всего ее сбраживают, превращая в спирт, исходный продукт для множества химических синтезов. Большая и самостоятельная отрасль химической индустрии носит название гидролизной промышленности.

 

Прежде чем воспроизвести  процесс гидролиза древесины, попытаемся понять, в чем его суть, а для  этого удобнее будет начать не с опилок, а с огурцов и лучинок.

Вымойте свежий огурец, натрите  его на терке и выжмите сок. Сок можно отфильтровать, но это  не обязательно.

 

Обугливание сахара конц. H₂SO₄

При перемешивании стеклянной палочкой 30 г сахарного песка, слегка смоченного водой, с 30 мл концентрированной  серной кислоты бурно протекает реакция обугливания сахара. Опыт проводят в химическом стакане емкостью 250—300 мл, помещенном в сосуд с песком или водой. Дегидратация глюкозы и сахарозы в этом случае протекает по уравнению

 

С₆Н₁₂О₆ = 6С + 6Н₂O и C₁₂H₂₂O₁₁ = 12C+11H₂O.

 

Благодаря выделяющимся при  реакции парам воды обугливающаяся масса вспучивается наподобие черной пены.  
Если у вас нет концентрированной серной кислоты, ее можно получить осторожным упариванием разбавленной кислоты при хорошей тяге (не делайте это в квартире!).  
Для этой цели разведенную серную кислоту нагревают на песочной бане до появления белых паров. При этом кислота приобретает темную окраску в результате обугливания примесей органических веществ. Нашему опыту это практически не мешает. В процессе нагревания кипение жидкости не желательно, поскольку в этом случае возможно разбрызгивание. Помните, что вдыхание паров и аэрозоля H₂SO₄ очень опасно.

 

 

 

 

Действие аммиачного раствора оксида серебра на глюкозу

В пробирку, содержащую 1-2 мл. раствора глюкозы, прилейте 1-2мл. аммиачного раствора оксида серебра и нагрейте пробирку на кипящей водяной бане.

Действие йода на крахмал

Приготовьте крахмальный  клейстер по следующей методике: в  стакан с 20 мл. воды, нагретой до кипения, добавьте 2 г. крахмала, хорошо размешайте образовавшуюся суспензию до образования прозрачного коллоидного раствора – крахмального клейстера. Налейте в пробирку 2-3 мл. охлажденного клейстера и добавьте несколько капель спиртового раствора йода. Нагрейте смесь в пробирке. Данная реакция является качественной реакцией на крахмал.

Действие гидроксида меди (II) на глюкозу

a)В пробирку прилейте 0,5 мл. раствора глюкозы и 2 мл. раствора гидроксида натрия. К полученной смеси добавьте 1 мл. раствора сульфата меди (II).

б) К полученному раствору аккуратно добавьте 1мл. воды и нагрейте на племени спиртовки пробирку, укрепив  ее наклонно так, чтобы нагревалась  только верхняя часть раствора. Прекратите нагревание, как только начнется изменение  цвета.

 

6. Применение

 

Глюкоза является ценным питательным продуктом. Так как глюкоза легко усваивается организмом, её используют в медицине в качестве укрепляющего лечебного средства при явлениях сердечной слабости, шоке , она входит в состав кровозаменяющих и противошоковых жидкостей. Широко применяют глюкозу в кондитерском деле (изготовление мармелада, карамели, пряников и т. д.), в текстильной промышленности в качестве восстановителя, в качестве исходного продукта при производстве аскорбиновых и гликоновых кислот, для синтеза ряда производных сахаров и т.д. 
Большое значение имеют процессы брожения глюкозы. Так, например, при квашении капусты, огурцов, молока происходит молочнокислое брожение глюкозы, так же как и при силосовании кормов. На практике используется также спиртовое брожение глюкозы, например при производстве пива.

Крахмал - основная часть важнейших продуктов питания: муки (75 - 80%), картофеля (25%), саго и др.

Получаемые с помощью  крахмала декстрины используются в  качестве клея, для загустения красок при нанесении рисунков на ткань. 
Крахмал применяют для накрахмаливания белья. Под горячим утюгом происходит частичный гидролиз крахмала и превращение его в декстрины. Последние образуют на ткани плотную пленку, которая придает блеск ткани и предохраняет ее от загрязнения. 
Крахмал и его производные также применяются при производстве бумаги, текстильных изделий,  в литейном и других производствах, а также в фармацевтической промышленности.

Целлюлоза  используется  человеком  для изготовления бумаги; получения вискозного, ацетатного, медно-аммиачного волокон.

 

Заключение

 

Нормальный обмен веществ  в организме, при котором совершаются  многочисленные сложные превращения  белков, жиров, углеводов и других веществ, и которые приходят в  организм человека с пищей, подразумевает  нормальный здоровый образ жизни  человека. Причем, очевидно, при нормальном обмене веществ речь идет не только о количестве потребляемой пищи, какой  бы высоко или низкокалорийной она  не была, но и о культуре питания.

Ожирение или избыточное отложение жира, как результат  деформированного обмена веществ, является результатом не избытка энергии  из потребляемых продуктов питания, а определяется характером потребляемых продуктов, то есть их составом - содержанием  в них белков, жиров и углеводов.