Азотсодержащие органические соединения

Тема 24.

Углеводы

Углеводы – органические соединения, содержащие карбонильную группу и несколько гидроксильных групп. Большинство углеводов имеют формулу С _n (H₂O) _m, где n и m ³ 3.

Важнейшие представители углеводов (названия знать, все встречаются в ЕГЭ, формулы можно не запоминать):

рибоза (компонент РНК) C₅H₁₀O₅;

глюкоза (виноградный сахар) С₆Н₁₂О₆;

фруктоза (фруктовый сахар) С₆Н₁₂О₆;

сахароза (тростниковый, свекловичный сахар) С₁₂Н₂₂О₁₁;

мальтоза (солодовый сахар) С₁₂Н₂₂О₁₁;

лактоза (молочный сахар) С₁₂H₂₂O₁₁;

крахмал и целлюлоза (С₆Н₁₀О₅) _n.

 

Углеводы являются неотъемлемым компонентом клеток и тканей всех живых организмов представителей растительного и животного мира, составляя (по массе) основную часть органического вещества на Земле. Источником углеводов для всех живых организмов является процесс фотосинтеза, осуществляемый растениями.

Упрощенно фотосинтез можно выразить реакцией:

 

n СO₂ + m H₂O  С _n (H₂O) _m + n O₂

При функционировании живых организмов идет обратный процесс, с выделением энергии:

С _n (H₂O) _m + n O₂ ® n СO₂ + m H₂O

 

Все углеводы состоят из отдельных «единиц», которыми являются сахариды. По способности к гидролизу на мономеры углеводы делятся на две группы: простые и сложные. Углеводы, содержащие одну единицу, называются моносахариды, две единицы – дисахариды, от двух до десяти единиц – олигосахариды, а более десяти – полисахариды.

Низкомолекулярные углеводы: моносахариды, дисахариды и олигосахариды называются сахара.

 

Моносахариды

Моносахариды (монозы) – это простейшие углеводы, именно они являются мономерами для всех более сложных углеводов – ди-, олиго- и полисахаридов.

В молекуле любого моносахарида присутствует одна карбонильная группа (альдегидная или кетонная) и несколько гидроксильных групп. Если моносахарид содержит альдегидную группу – его называют альдоза, если кетонную – кетоза.

Наиболее распространены моносахариды, содержащие 5 и 6 атомов углерода – пентозы и гексозы. В ЕГЭ встречаются три моносахарида: рибоза, глюкоза и фруктоза.

Рибоза и глюкоза содержат альдегидную группировку, фруктоза – кетонную:

Молекулы моносахаридов достаточно сложны, поэтому возможны различные пространственные изомеры (или стереоизомеры). Рассмотрим кратко на примере глюкозы. В молекуле любой альдогексозы 4 атома углерода содержат один –Н и одну группу –ОН, т.е. могут существовать 2⁴ = 16 стереоизомерных альдогексоз с различным взаимным положением этих заместителей. Глюкозой являются два из них, D -глюкоза и L -глюкоза, которые являются зеркальным отображением друг друга – т.е. оптическими изомерами:

D -глюкоза             L -глюкоза

 

В природе встречается почти исключительно D -моносахариды, например D -глюкоза, D - – это форма, у которой ОН-группа располагается справа от предпоследнего атома углерода (у глюкозы – 5).

На рисунке глюкоза изображена в форме линейной молекулы, в действительности глюкоза, как и другие сахара, образует циклические полуацетали. Вспомним свойства альдегидов: альдегиды со спиртами взаимодействуют по схеме

В молекуле D -глюкозы альдегидная группа реагирует с –ОН группой у 5 углерода. И при образовании цикла возможно 2 варианта! В зависимости от положения –Н и =О в альдегидной группе цикл может замкнутся по разному:

 

Итог – могут существовать циклы с разным положением вновь образованной группы –ОН – или под кольцом (a-изомер) или над кольцом (b-изомер). Обычно циклические формы углеводов изображают в виде проекций правильных многоугольников с заместителями над и под плоскостью цикла. Циклическую форму D -глюкозы правильно называть D -глюкопиранозой.

В растворах α-D-глюкопираноза и β-D-глюкопираноза (хотя чаще их называют просто α-глюкоза и β-глюкоза)существуют в равновесии и переходят друг в друга через образование открытой формы:

 

Химические свойства моносахаридов определяются присутствующими в них функциональными группами: гидроксильными, альдегидной или кетонной. Причем последние 2 могут проявлять себя только в растворе, и то не в полной мере, так как моносахариды преимущественно существуют в циклической форме.

Глюкоза и рибоза – альдегидоспирты, поэтому они проявляют свойства и альдегидов, и спиртов:

– по альдегидной группе глюкоза и рибоза способны восстанавливаться (например, реагировать с водородом) с образованием спирта. Глюкоза, например, восстанавливается до шестиатомного спирта сорбита:

– по альдегидной группе глюкоза и рибоза способны окисляться даже в мягких условиях (например, реагируют с аммиачным раствором Ag₂O (вступают в реакцию серебряного зеркала), Cu(OH)₂, HNO₃ разб. (концентрированная может дать сложные эфиры), бромной водой). Глюкоза, например, окисляется до глюконовой кислоты и ее солей, приведем реакцию серебряного зеркала:

См. видеоопыты: https://youtu.be/eOPpLE-Yfho

https://youtu.be/LLBLfDJpjhs

https://youtu.be/b1dMFqqbJTI?list=PLnbQh4j9gZkKZDdTU1xVdJZ8FQIvkJCWF

 

– как спирты, глюкоза и рибоза способны реагировать с кислотами с образованием сложных эфиров, например:

 

 

– как многоатомные спирты, глюкоза и рибоза способны растворять Cu (OH)₂ с образованием ярко-синего раствора (подробнее см. в разделе спирты);

– как все органические вещества моносахариды в жестких условиях окисляются с распадом цепи, например, глюкоза сгорает по реакции:

 

С₆Н₁₂О₆ + 6O₂ ® 6СO₂ + 6H₂O

 

– важнейшим свойством моносахаридов является их ферментативное брожение, именно так из глюкозы получают пищевой этанол, лимонную кислоту, молочную кислоту и др. Приведем в качестве примера спиртовое брожение глюкозы:

 

– моносахариды – это простейшие углеводы, они не подвергаются гидролизу в отличие от ди-, олиго- и полисахаридов.

Фруктоза – кетоноспирт, она, в отличие от глюкозы и рибозы, не способна окислятся в мягких условиях (не вступает в реакцию серебряного зеркала).

Дисахариды

 

Дисахариды – углеводы, молекулы которых состоят из остатков двух моносахаридов, связанных между собой так называемой гликозидной связью.

Наиболее известные дисахариды – это сахароза, мальтоза и лактоза.

 

В заданиях встречается, в основном, сахароза, перечислим ее свойства:

– сахароза не образует открытую форму, поэтому не проявляет свойств ни альдегидов (как глюкоза) ни кетонов (как фруктоза): при нагревании с аммиачным раствором оксида серебра(I) она не дает реакцию «серебряного зеркала», при нагревании с гидроксидом меди(II) не образует красного оксида меди(I);

см. опыт: https://youtu.be/_vuPVJ38ScM

!!! Надо учесть, что в отличие от сахарозы, мальтоза и лактоза могут в растворе образовывать открытую форму, поэтому мальтоза и лактоза могут проявлять восстанавливающие свойства альдегидов.

– как многоатомные спирты, сахароза способна растворять Cu (OH)₂: если раствор сахарозы прилить к гидроксиду меди(II), образуется ярко-синий раствор сахарата меди;

см. опыт: https://youtu.be/ocdieqlR-Dg

 

– как дисахарид, сахароза способна распадаться на составляющие моносахариды: при нагревании раствора сахарозы в присутствии кислоты происходит гидролиз по схеме:

 

С₁₂Н₂₂О₁₁ + Н₂О С₆Н₁₂О₆ + С₆Н₁₂О₆

                               сахароза               глюкоза  фруктоза

см. опыт: https://youtu.be/XkNqOkPP3O0

 

– обезвоживание концентрированной серной кислотой: концентрированная серная кислота может отнять воду и «обуглить» любой углевод, но особенно эффектно реакция протекает с кристаллами сахарозы:

https://youtu.be/p-PQoBt_ssU

 

Реакцию можно записать как:

 

С₁₂Н₂₂О₁₁ + H₂SO₄ конц. изб. ® 12С + 11Н₂О(в кислоту)

Полисахариды

 

Полисахариды – сложные углеводы, состоящие из большого количества (до ста тысяч) остатков моносахаридов. Полисахариды – это природные высокомолекулярные соединения.

Основные представители – крахмал и целлюлоза.

 

Крахмал

 

Часть глюкозы, образующейся в зелёных растениях при фотосинтезе, превращается в крахмал:

 

n C₆H₁₂O₆(глюкоза) → (C₆H₁₀O₅) _n + n H₂O

 

Крахмал образуется из молекул α- D -глюкопиранозы (упрощенно α-глюкозы):

 

 

Число звеньев цепочки n для крахмала относительно невелико – несколько тысяч. В горячей воде набухает, образуя коллоидный раствор – клейстер. При действии ферментов или нагревании с кислотами крахмал в растворе подвергается гидролизу по схеме:

 

(С₆Н₁₀О₅) _n ® (С₆Н₁₀О₅) _х ® (С₆Н₁₀О₅) _т ® n /2 (С₁₂Н₂₂О₁₁) ® n С₆Н₁₂О₆

 

крахмал   растворимый   декстрины           мальтоза              α-глюкоза

                   крахмал х < n     m < х

 

см. опыт:

https://youtu.be/9FkZHL0Yc6s?list=PLnbQh4j9gZkKZDdTU1xVdJZ8FQIvkJCWF

 

Этот процесс происходит в желудке человека и животного: крахмал превращается в α-глюкозу, которая усваивается организмом. Часть α-глюкозы может быть «отложена в запас» в виде полисахарида гликогена. Гликоген (животный крахмал) также состоит из остатков α-глюкозы, но имеет более разветвленное строение, чем обычный, растительный крахмал.

Химические свойства крахмала:

– главное свойство крахмала, как любого полисахарида – способность к гидролизу;

– крахмал не проявляет свойств альдегидов (как глюкоза): при нагревании с аммиачным раствором оксида серебра(I) он не дает реакцию «серебряного зеркала», при нагревании с гидроксидом меди(II) не образует красного оксида меди(I);

– характерной для крахмала является реакция с йодом: раствор йода окрашивает крахмал в синий цвет. Эта качественная реакция и на крахмал, и на йод;

см. опыт: https://youtu.be/yHQBu6MSsbI

 

– крахмал многоатомный спирт, но он малорастворим, поэтому реакция с Cu(OH)₂ практически не идет. Также для крахмала нехарактерно (хоть и возможно) образование сложных эфиров.

 

Целлюлоза

 

Целлюлоза (или клетчатка) – основная составная часть оболочки растительных клеток, самое распространенное органическое вещество. Образуется в растениях в процессе фотосинтеза.

Макромолекулы целлюлозы – это длинные цепи, состоящие из сотен или десятков тысяч остатков β- D -глюкопиранозы (β–глюкозы):

 

 

Химические свойства целлюлозы:

– отличие от крахмала целлюлоза не расщепляется в организме человека под действием ферментов и не может быть употреблена в пищу.

– целлюлоза нерастворима в воде, слабых кислотах и большинстве органических растворителей. Но целлюлоза подвергается гидролизу при нагревании измельченных древесных опилок и стружек в присутствии кислоты (т. н. осахаривание целлюлозы):

 

(С₆Н₁₀О₅) _n + n Н₂О   n С₆Н₁₂О₆

                   целлюлоза                           β–глюкоза

 

см. опыт: https://youtu.be/m6YvoPWuOtY

 

Полученную β–глюкозу используют в технических целях, например сбраживают в этиловый спирт. Такой спирт называют гидролизным, он содержит много вредных примесей, в том числе метанол, и может быть использован только в технических целях.

– целлюлоза не проявляет свойств альдегидов;

– образование сложных эфиров. В отличие от крахмала, для целлюлозы характерны реакции образования сложных эфиров. Каждое звено целлюлозы содержит 3 спиртовых группы –ОН:

Поэтому часто эти три группы в формуле целлюлозы выделяют: (С₆Н₁₀О₅) _n = (С₆Н₇О₂(ОН)₃) _n.

Наибольшее практическое значение имеют эфиры с азотной и уксусной кислотой.

Целлюлоза с концентрированной азотной кислотой образует сложный эфир – тринитрат целлюлозы:

(С₆Н₇О₂(ОН)₃) _n + 3HNO_{3 (конц.)} = (С₆Н₇О₂(ОNO₂)₃) _n + 3 n Н₂О

см. опыт: https://youtu.be/A0OtxEiNtcE

 

Сложный эфир тринитрат целлюлозы – пироксилин – взрывчатое вещество, на его основе изготавливают бездымный порох.

При взаимодействии целлюлозы с уксусной кислотой (а в промышленности с уксусным ангидридом) образуется сложный эфир триацетилцеллюлоза:

 

(С₆Н₇О₂(ОН)₃) _n + 3СН₃СООН _(конц.) = (С₆Н₇О₂(ОСОСН₃)₃) _n + 3 n Н₂О

 

Триацетатцеллюлозы используют для получения ацетатного шелка.

Структурные формулы этих эфиров можно посмотреть здесь: https://himija-online.ru/organicheskaya-ximiya/uglevody/cellyuloza.html

– целлюлоза нерастворима в воде, но ее можно перевести в раствор: например, целлюлоза растворяется в реактиве Швейцера – аммиачном растворе Cu(OH)₂, см. опыт

см. опыт: https://youtu.be/UtoBhauQN5k

 

В промышленности целлюлозу растворяют в NaOH (в присутствии Na₂S). При добавлении к полученному щелочному раствору H₂SO₄ целлюлоза выпадает в виде твёрдого вещества, которое выделяют и формуют: так получают вискозное волокно и целлофан.

 

Нитросоединения

Нитросоединения содержат функциональную группу –NO₂ (нитрогруппу), соединенную с углеводородным радикалом:

 

R–NO₂

 

Нитросоединения как таковые, не входят в кодификатор ЕГЭ, но они часто встречаются и в тестах, и в задачах.

Если в углеводородном радикале нет кратных связей, то общая формула таких предельных нитросоединений

 

С _n H_{2 n +1}NO₂

 

Введение нитрогруппы –NO₂ в органическое вещество называется нитрованием. Обычно нитрование проводят т.н. нитрующей смесью: смесь концентрированной НNO₃ (нитрующий агент) и концентрированной H₂SO₄ (водоотнимающий агент). Нитрование алканов осуществляют разбавленной азотной кислотой при нагревании (реакция Коновалова), например:

В лаборатории для получения нитросоединений часто используют реакцию Мейера – взаимодействие галогеналканов с нитритом серебра AgNO₂, например:

Главное свойство нитросоединений – способность восстанавливаться до первичных аминов по схеме (реакция Зинина):

 

 

Впервые реакция была осуществлена Николаем Николаевичем Зининым в 1842 г для получения анилина, в качестве восстановителя был использован сульфид аммония:

 

 

В дальнейшем, сульфид аммония заменили на водород, в промышленности нитросоединения гидрируют на катализаторе при температуре 200–300°С:

В лаборатории используется атомарный водород (водород, получаемый в момент его выделения), который является более сильным восстановителем, чем молекулярный. Для этого реакцию восстановления проводят с металлами цинком или железом в кислой среде или с алюминием в щелочной среде:

 

 

Амины

 

Амины обычно рассматривают как производные аммиака, в которых один, два или все три атома водорода замещены органическими радикалами.

По числу замещенных атомов водорода (иначе: по числу углеводородных радикалов, связанных с атомом азота) различают:

– первичные амины: замещен один –Н;

– вторичные амины: замещены два –Н;

– третичные амины: замещены все три –Н;

– соли алкиламмония или четвертичные амины: соединения, подобные солям аммония, см. рисунок ниже.

 

      первичный          вторичный           третичный           четвертичный

 

Номенклатура аминов

В простых случаях названия аминов образуют из названий углеводородных радикалов-заместителей и суффикса амин:

 

    метиламин             диметиламин                  триметиламин 

 

диметилпропиламин

 

Если углеводородный радикал – большой, то название формируется как для любых производных углеводородов:

 

 пентанамин-2

 

 

 2-метилпропанамин-2

 

Часто в молекуле содержатся несколько групп –NH₂ – это диамины, триамины и т.д., например:

 

этилендиамин (этандиамин-1,2)

 

гексаметилендиамин (гександиамин-1,6)

                                                (сополимер для получения нейлона)

 

Физические свойства аминов

Амины – производные аммиака и повторяют некоторые его свойства. H₃C–NH₂, CH₃–NH–CH₃, N(CH₃)₃ – газы с запахом аммиака, амины с С₄–С₁₅ – жидкости с имеют характерный и очень неприятный запах несвежей рыбы. Низшие амины (с небольшой молекулярной массой) растворяются в воде, их растворы имеют щелочную среду и изменяют окраску индикаторов (кроме анилина). Высшие амины – твердые вещества, в воде не растворяются.

 

Горение аминов.

Продуктами горения аминов, как и других азотсодержащих органических соединений, являются углекислый газ, вода и газ азот:

 

см. опыт

https://youtu.be/waBq3U31Nxw?list=PLnbQh4j9gZkKZDdTU1xVdJZ8FQIvkJCWF

 

7. Взаимодействие аминов с карбоновыми кислотами (а также их ангидридами, хлорангидридами, сложными эфирами). При этом происходит ацилирование – замена –Н на группу :

 

 

Ацилирование – важнейшее биохимическое свойство аминов (см. также свойство аминокислот – образование пептидов).

Если рассмотреть эту реакцию с другой стороны, то можно сказать, что в карбоновой кислоте карбоксильная группа –ОН может замещаться на аминогруппу. Существует отдельный класс органических соединений – амиды кислот.

Амиды кислот

 

Амидами кислот называются производные этих кислот, в которых гидроксильная группа замещена на аминогруппу:

 

 

Например, амид уксусной кислоты:

 

 

Полный амид двухосновной уксусной кислоты – карбамид или мочевина:

 

 

Амиды можно получить:

– прокаливанием аммонийных солей карбоновых кислот:

 

 

– действием аммиака на сложные эфиры:

 

 + NH₃ ®  + R2–OH

 

– мочевина – первое органическое вещество, полученное из неорганических: в 1828 г. немецкий химик Фридрихом Вёлер получил цианат аммония

 

а при его нагревании – мочевину:

 

До этого синтеза считали, что органическое вещество может быть получено только в живой природе.

В настоящее время мочевину (карбамид) получают из аммиака и углекислого газа:

 

 

Мочевину (карбамид) используют в качестве удобрения.

Некоторые амиды применяются для синтеза полимеров:

         амид акриловой кислоты               полиакриламид

 

Аминокислоты

Аминокислоты – это органические соединения, в молекулах которых одновременно содержатся две функциональные группы: аминогруппа –NH₂ и карбоксильная группа –СООН.

 

Номенклатура аминокислот

Для аминокислот широко используют все три вида номенклатуры.

По международной номенклатуре названия аминокислот строятся от названия кислоты (также, конечно, по IUPAC) с приставкой амино- и указанием цифрой места расположения аминогруппы. Нумерация углеродной цепи начинается с атома углерода карбоксильной группы. Например:

 

аминоэтановая            2-аминопропановая            6-аминогексановая

  кислота                        кислота                                 кислота

 

По рациональной номенклатуре название также строится от названия кислоты (по рациональной же номенклатуре) с приставкой амино-, но место аминогруппы указывается греческой буквой (a-, b-, g-, d-, e-, z-, h-). Напомним, что по рациональной номенклатуре углерод функциональной группы (в данном случае карбоксильной) не считается, a-углерод – это углерод, ближайший к –СООН, т.е. 2 углерод по международной номенклатуре.

a-аминопропионовая    b-аминомасляная                e-аминокапроновая

кислота                       кислота                          кислота

 

Известны около 500 встречающихся в природе аминокислот (хотя только 20 используются в генетическом коде). Иногда говорят о 22 важнейших протеиногенных кислотах (20 основных и 2 их модификации). Для этих двадцати двух α-аминокислот, которые играют исключительно важную роль в процессах жизнедеятельности животных и растений, применяются короткие исторические названия и даже трехбуквенные обозначения. Раньше на вступительных экзаменах в медицинские вузы спрашивали и названия, и формулы этих важнейших кислот. В ЕГЭ таких знаний не требуется, но исторические, традиционные названия аминокислот встречаются в заданиях: достаточно по названию понять, что это аминокислота. Поэтому приведем список 22 аминокислот, играющих важнейшую роль в жизни человека:

Глицин, аланин, валин, изолейцин, лейцин, пролин, серин, треонин, цистеин, метионин, аспарагиновая кислота, аспарагин, глутаминовая кислота, глутамин, лизин, аргинин, гистидин, фенилаланин, тирозин, триптофан, селеноцистеин, пирролизин.

Наиболее популярные из них:

глицин (аминоуксусная) (аминоэтановая)
аланин (a-аминопропионовая) (2-аминопропановая)
лейцин (a-аминоизокапроновая) (2-амино-4-метил-пентановая)
фенилаланин (a-амино-b-фенилпропионовая) (2-амино-3- фенилпропановая)

 

Из «не a-» аминокислот интерес представляет e-аминокапроновая кислота, которая используется для получения капрона:

 

 

При нагревании g-, d-, e-аминокислоты превращаются в циклические амиды – лактамы, например, e-аминокапроновая кислота превращается в капролактам:

 

 

Под действием водяного пара происходит раскрытие цикла и сшивание молекул в полимер капрон:

 

 

Образование внутренних солей.

Как у всех амфотерных соединений, у них в полной мере не раскрыты ни основные, ни кислотные свойства. К тому же, «основная» аминогруппа и «кислотная» гидроксильная группа могут реагировать между собой, образуя внутренние соли или биполярные ионы:

 

 

Среда в растворе аминокислот зависит от количества функциональных групп: имеют нейтральную, кислую или щелочную среду. Большинство аминокислот содержит одну карбоксильную группу и одну аминогруппу, поэтому имеют нейтральную реакцию.

см. опыт

https://youtu.be/6wzOzF6n2cM?list=PLnbQh4j9gZkKZDdTU1xVdJZ8FQIvkJCWF

 

2. Взаимодействие с кислотами и щелочами с образованием солей.

Как амфотерные соединения аминокислоты реагируют и с кислотами, и со щелочами, образуя два вида солей, например:

                                                              хлороводородная соль глицина

(такая оригинальная форма записи этой соли – анион вначале – представлена в решении 35 задачи ДемоЕГЭ-2020)

                                                                глицинат натрия

 

Тема 24.

Углеводы

Углеводы – органические соединения, содержащие карбонильную группу и несколько гидроксильных групп. Большинство углеводов имеют формулу С _n (H₂O) _m, где n и m ³ 3.

Важнейшие представители углеводов (названия знать, все встречаются в ЕГЭ, формулы можно не запоминать):

рибоза (компонент РНК) C₅H₁₀O₅;

глюкоза (виноградный сахар) С₆Н₁₂О₆;

фруктоза (фруктовый сахар) С₆Н₁₂О₆;

сахароза (тростниковый, свекловичный сахар) С₁₂Н₂₂О₁₁;

мальтоза (солодовый сахар) С₁₂Н₂₂О₁₁;

лактоза (молочный сахар) С₁₂H₂₂O₁₁;

крахмал и целлюлоза (С₆Н₁₀О₅) _n.

 

Углеводы являются неотъемлемым компонентом клеток и тканей всех живых организмов представителей растительного и животного мира, составляя (по массе) основную часть органического вещества на Земле. Источником углеводов для всех живых организмов является процесс фотосинтеза, осуществляемый растениями.

Упрощенно фотосинтез можно выразить реакцией:

 

n СO₂ + m H₂O  С _n (H₂O) _m + n O₂

При функционировании живых организмов идет обратный процесс, с выделением энергии:

С _n (H₂O) _m + n O₂ ® n СO₂ + m H₂O

 

Все углеводы состоят из отдельных «единиц», которыми являются сахариды. По способности к гидролизу на мономеры углеводы делятся на две группы: простые и сложные. Углеводы, содержащие одну единицу, называются моносахариды, две единицы – дисахариды, от двух до десяти единиц – олигосахариды, а более десяти – полисахариды.

Низкомолекулярные углеводы: моносахариды, дисахариды и олигосахариды называются сахара.

 

Моносахариды

Моносахариды (монозы) – это простейшие углеводы, именно они являются мономерами для всех более сложных углеводов – ди-, олиго- и полисахаридов.

В молекуле любого моносахарида присутствует одна карбонильная группа (альдегидная или кетонная) и несколько гидроксильных групп. Если моносахарид содержит альдегидную группу – его называют альдоза, если кетонную – кетоза.

Наиболее распространены моносахариды, содержащие 5 и 6 атомов углерода – пентозы и гексозы. В ЕГЭ встречаются три моносахарида: рибоза, глюкоза и фруктоза.

Рибоза и глюкоза содержат альдегидную группировку, фруктоза – кетонную:

Молекулы моносахаридов достаточно сложны, поэтому возможны различные пространственные изомеры (или стереоизомеры). Рассмотрим кратко на примере глюкозы. В молекуле любой альдогексозы 4 атома углерода содержат один –Н и одну группу –ОН, т.е. могут существовать 2⁴ = 16 стереоизомерных альдогексоз с различным взаимным положением этих заместителей. Глюкозой являются два из них, D -глюкоза и L -глюкоза, которые являются зеркальным отображением друг друга – т.е. оптическими изомерами:

D -глюкоза             L -глюкоза

 

В природе встречается почти исключительно D -моносахариды, например D -глюкоза, D - – это форма, у которой ОН-группа располагается справа от предпоследнего атома углерода (у глюкозы – 5).

На рисунке глюкоза изображена в форме линейной молекулы, в действительности глюкоза, как и другие сахара, образует циклические полуацетали. Вспомним свойства альдегидов: альдегиды со спиртами взаимодействуют по схеме

В молекуле D -глюкозы альдегидная группа реагирует с –ОН группой у 5 углерода. И при образовании цикла возможно 2 варианта! В зависимости от положения –Н и =О в альдегидной группе цикл может замкнутся по разному:

 

Итог – могут существовать циклы с разным положением вновь образованной группы –ОН – или под кольцом (a-изомер) или над кольцом (b-изомер). Обычно циклические формы углеводов изображают в виде проекций правильных многоугольников с заместителями над и под плоскостью цикла. Циклическую форму D -глюкозы правильно называть D -глюкопиранозой.

В растворах α-D-глюкопираноза и β-D-глюкопираноза (хотя чаще их называют просто α-глюкоза и β-глюкоза)существуют в равновесии и переходят друг в друга через образование открытой формы:

 

Химические свойства моносахаридов определяются присутствующими в них функциональными группами: гидроксильными, альдегидной или кетонной. Причем последние 2 могут проявлять себя только в растворе, и то не в полной мере, так как моносахариды преимущественно существуют в циклической форме.

Глюкоза и рибоза – альдегидоспирты, поэтому они проявляют свойства и альдегидов, и спиртов:

– по альдегидной группе глюкоза и рибоза способны восстанавливаться (например, реагировать с водородом) с образованием спирта. Глюкоза, например, восстанавливается до шестиатомного спирта сорбита:

– по альдегидной группе глюкоза и рибоза способны окисляться даже в мягких условиях (например, реагируют с аммиачным раствором Ag₂O (вступают в реакцию серебряного зеркала), Cu(OH)₂, HNO₃ разб. (концентрированная может дать сложные эфиры), бромной водой). Глюкоза, например, окисляется до глюконовой кислоты и ее солей, приведем реакцию серебряного зеркала:

См. видеоопыты: https://youtu.be/eOPpLE-Yfho

https://youtu.be/LLBLfDJpjhs

https://youtu.be/b1dMFqqbJTI?list=PLnbQh4j9gZkKZDdTU1xVdJZ8FQIvkJCWF

 

– как спирты, глюкоза и рибоза способны реагировать с кислотами с образованием сложных эфиров, например:

 

 

– как многоатомные спирты, глюкоза и рибоза способны растворять Cu (OH)₂ с образованием ярко-синего раствора (подробнее см. в разделе спирты);

– как все органические вещества моносахариды в жестких условиях окисляются с распадом цепи, например, глюкоза сгорает по реакции:

 

С₆Н₁₂О₆ + 6O₂ ® 6СO₂ + 6H₂O

 

– важнейшим свойством моносахаридов является их ферментативное брожение, именно так из глюкозы получают пищевой этанол, лимонную кислоту, молочную кислоту и др. Приведем в качестве примера спиртовое брожение глюкозы:

 

– моносахариды – это простейшие углеводы, они не подвергаются гидролизу в отличие от ди-, олиго- и полисахаридов.

Фруктоза – кетоноспирт, она, в отличие от глюкозы и рибозы, не способна окислятся в мягких условиях (не вступает в реакцию серебряного зеркала).

Дисахариды

 

Дисахариды – углеводы, молекулы которых состоят из остатков двух моносахаридов, связанных между собой так называемой гликозидной связью.

Наиболее известные дисахариды – это сахароза, мальтоза и лактоза.

 

В заданиях встречается, в основном, сахароза, перечислим ее свойства:

– сахароза не образует открытую форму, поэтому не проявляет свойств ни альдегидов (как глюкоза) ни кетонов (как фруктоза): при нагревании с аммиачным раствором оксида серебра(I) она не дает реакцию «серебряного зеркала», при нагревании с гидроксидом меди(II) не образует красного оксида меди(I);

см. опыт: https://youtu.be/_vuPVJ38ScM

!!! Надо учесть, что в отличие от сахарозы, мальтоза и лактоза могут в растворе образовывать открытую форму, поэтому мальтоза и лактоза могут проявлять восстанавливающие свойства альдегидов.

– как многоатомные спирты, сахароза способна растворять Cu (OH)₂: если раствор сахарозы прилить к гидроксиду меди(II), образуется ярко-синий раствор сахарата меди;

см. опыт: https://youtu.be/ocdieqlR-Dg

 

– как дисахарид, сахароза способна распадаться на составляющие моносахариды: при нагревании раствора сахарозы в присутствии кислоты происходит гидролиз по схеме:

 

С₁₂Н₂₂О₁₁ + Н₂О С₆Н₁₂О₆ + С₆Н₁₂О₆

                               сахароза               глюкоза  фруктоза

см. опыт: https://youtu.be/XkNqOkPP3O0

 

– обезвоживание концентрированной серной кислотой: концентрированная серная кислота может отнять воду и «обуглить» любой углевод, но особенно эффектно реакция протекает с кристаллами сахарозы:

https://youtu.be/p-PQoBt_ssU

 

Реакцию можно записать как:

 

С₁₂Н₂₂О₁₁ + H₂SO₄ конц. изб. ® 12С + 11Н₂О(в кислоту)

Полисахариды

 

Полисахариды – сложные углеводы, состоящие из большого количества (до ста тысяч) остатков моносахаридов. Полисахариды – это природные высокомолекулярные соединения.

Основные представители – крахмал и целлюлоза.

 

Крахмал