Дисахариды

Строение дисахаридов. Молекулы дисахаридов построены из остатков двух молекул моносахаридов, которые связаны между собой простой эфирной связью. Связывание может осуществляться двояким образом:

1. с участием полуацетальных ОН-групп циклических форм обоих моносахаридов. Пример – сахароза, молекула которой построена из остатка циклической формы -глюкозы и циклической формы -фруктозы:

Невосстанавливающие дисахариды. Дисахариды этого типа не могут существовать в открытой форме, и, следовательно, для них нехарактерны реакции альдегидных групп, в частности, они не способны окисляться мягкими окислителями (Br2, I₂, ионы Cu²⁺ или Ag⁺).

2. с участием спиртовой группы одной молекулы моносахарида и полуацетальной ОН-группы другой. Примеры: а) мальтоза (продукт неполного гидролиза крахмала), молекула которой состоит из двух остатков D-глюкозы, причем один из них содержит полуацетальную ОН-группу:

б) лактоза (молочный сахар), молекула которой состоит из остатков -D-галактозы (изомер глюкозы) и D-глюкозы, причем остаток D-глюкозы содержит полуацетальную ОН-группу:

Восстанавливающие дисахариды. Дисахариды этого типа могут существовать в открытой форме, и, следовательно, для них характерны реакции альдегидных групп, в частности, они способны окисляться мягкими окислителями.

Гидролиз дисахаридов. Осуществляют при нагревании с водной кислотой (катализатор). При гидролизе сахарозы образуется смесь D-глюкозы и D-фруктозы:

Получение сахарозы. Сахароза содержится в сахарной свекле и сахарном тростнике, откуда ее извлекают теплой водой. Для очистки от примесей полученный раствор обрабатывают кальций гидроксидом. При этом кислотные примеси осаждаются в виде солей, а кальций сахарат (комплексное соединение) остается в растворе. Очищенный таким образом раствор обрабатывают СО₂, при этом кальций сахарат разрушается, сахароза остается в растворе, а кальций карбонат выпадает в осадок.

Полисахариды

Строение полисахаридов. Это полимеры, построенные из остатков моносахарида. Наиболее широко распространены полисахариды на основе глюкозы – крахмал, целлюлоза, гликоген. Общая формула H-(С₆Н₁₀О₅)_n-OH.

Крахмал

Крахмал состоит из макромолекул линейного строения (амилоза) и разветвленного (амилопектин). Связи между остатками молекул -D-глюкозы осуществляются через ОН-группы у С-1 (полуацетальная ОН-группа) и С-4 атомов, разветвления в амилопектине осуществляются за счет ОН-группы у С-6 атома:

Степень полимеризации n в макромолекулах амилозы равна примерно 200, и молекулы свернуты в спираль. Величина n для разветвленных макромолекул амилопектина гораздо выше.

Физические свойства крахмала. Это белое аморфное вещество, нерастворимое в холодной воде, а в горячей воде образует клейстер.

Химические свойства крахмала.

1. Образование комплексов с молекулами иода. При добавлении раствора иода к крахмальному клейстеру появляется интенсивная синяя окраска, обусловленная внедрением молекул иода во внутренний канал спирали молекул крахмала.

Применение реакции: качественная реакция на крахмал (или на иод).

2. Гидролиз крахмала. Катализируется кислотами (или ферментами). Продукты частичного гидролиза – декстрины (олигосахариды с меньшей, чем у крахмала, молекулярной массой), мальтоза (дисахарид). Продукт полного гидролиза – глюкоза.

Применение реакции: получение глюкозы в промышленности.

Образование крахмала в растениях. Часть глюкозы, образующаяся в растениях при фотосинтезе, расходуется не сразу, а под действием ферментов превращается в крахмал (при этом протекает реакция поликонденсации).

Биологическая роль крахмала – запасающее вещество. Крахмал – важнейший источник углеводов для организмов. Под действием ферментов пищеварительного тракта он подвергается гидролизу до глюкозы (избыток глюкозы сохраняется организмом в печени в виде полисахарида гликогена).

Получение крахмала в промышленности – из картофеля, кукурузы или риса.

Целлюлоза

Целлюлоза состоит из остатков -D-глюкозы, связанных через ОН-группы у С-1 (полуацетальная ОН-группа) и С-4 атомов:

Макромолекулы целлюлозы линейны и имеют большую молекулярную массу (достигает нескольких миллионов). Степень полимеризации n достигает 10-14 тысяч. В отличие от крахмала, макромолекулы целлюлозы не свернуты в спираль, а находятся в форме вытянутых цепей.

Физические свойства целлюлозы. За счет множества водородных связей как между отдельными звеньями цепи, так и между макромолекулами, целлюлоза обладает механической прочностью. Целлюлоза не растворима в воде и ирганических растворителях, не плавится при нагревании (разлагается).

Химические свойства целлюлозы

3. Гидролиз целлюлозы. Катализируется кислотами. Продукт частичного гидролиза – целлобиоза (дисахарид). Продукт полного гидролиза – глюкоза.

Применение реакции: полученную глюкозу используют для производства спирта (гидролизный спирт).

1. Образование сложных эфиров. Для целлюлозы характерны реакции образования сложных эфиров с участием спиртовых групп:

В зависимости от соотношения реагирующих веществ можно получить производные по одной, двум или всем трем ОН-группам в каждом остатке глюкозы.

Применение реакции: а) в этих производных отсутствуют водородные связи между макромолекулами, поэтому они растворяются в органических растворителях; растворы используют в производстве лаков, пленок, волокна (ацетатное волокно).

Б) тринитрат целлюлозы (пироксилин) – основа бездымного пороха.

2. Образование медных комплексов. За счет наличия в молекуле целлюлозы 1,2-диольных фрагментов она образует растворимые комплексные гликоляты меди с аммиачным раствором медь гидроксида (строение гликолятов сложное, упрощенную структуру можно представить по аналогии с производными этиленгликоля).

Применение реакции: при подкислении раствора гликолята целлюлоза выделяется в аморфной модификации, и ее используют в производстве волокна вискозы.

3. Разложение целлюлозы происходит при сильном нагревании целлюлозы без доступа воздуха. Продукты разложения – углерод (уголь), метан, метанол, уксусная кислота, ацетон.

Применение реакции: получение древесного угля (адсорбент), растворителей.

Биологическая роль целлюлозы – конструкционный материал растений. В пищеварительном тракте человека отсутствуют ферменты, способные расщеплять связи между остатками -D-глюкозы макромолекул целлюлозы, поэтому она не может служить питательным веществом для человека. Целлюлозу усваивают жвачные животные, а также некоторые микроорганизмы.

Выделение целлюлозы из растительного сырья и применение. Целлюлоза в больших количествах содержится в хлопковом волокне (90-95%), древесине (40-50%), зеленых листьях, траве (10-25%).

В хлопковом волокне (а также в волокнах льна и др.) молекулы целлюлозы располагаются параллельно друг другу. Эти натуральные волокна используют для изготовления нитей, тканей, канатов, ваты.

Переплетенные волоконца целлюлозы, выделенные из древесины, используют в производстве бумаги. Получение бумаги сводится главным образом к отделению целлюлозы от других соединений, присутствующих в древесине (биополимер лигнин).

Хитин – биополимер, в основе которого лежит аминосахар глюкозамин:

Подобно целлюлозе в растениях, выполняет опорные и механические функции у насекомых и ракообразных (основа твердого наружного скелета).