Химические свойства углеводов

Прежде, чем перейти к изучению химических свойств углеводов, целесообразно ознакомиться с методом установления того факта, что моносахариды в растворе действительно образуют циклические формы. Важнейшим тестом на существование моноз в растворе в циклической форме является реакция с фуксин-сернистой кислотой.

Реакция с фуксин-сернистой кислотой

В основе этой реакции лежит способность главного компонента данного реагента – фуксина – взаимодействовать с альдегидными группами сахаров, образуя окрашенные в розовый цвет соединения (примером может служить реакция фуксина с формальдегидом).

Вполне понятно, что при образовании циклической формы моносахаридов их альдегидная группа оказывается связанной, и не может взаимодействовать с фуксином. При этом окраска раствора не должна изменяться.

К основным химическим свойствам моносахаридов и других углеводов традиционно относят следующие:

1. Окисление моносахаридов до моно-, дикарбоновых и альдоновых кислот.

2. Восстановление моносахаридов до спиртов.

3. Образование сложных эфиров.

4. Образование гликозидов.

5. Брожение: спиртовое, молочнокислое, лимоннокислое и маслянокислое.

В данной лабораторной работе нами будет рассмотрена редуцирующая (восстановительная) способность ряда моно- и дисахаридов, что связано с наличием у них реакционноспособной альдегидной группы. К редуцирующим сахарам относят альдозы (глюкоза, галактоза, рибоза, ксилоза и др.) и дисахариды, имеющие свободную, незадействованную в образовании гликозидной связи альдегидную группу (лактоза, мальтоза, целлобиоза и др.). Данные сахара, окисляясь в щелочной среде до альдоновых кислот (альдегидная группа окисляется до карбоксильной), восстанавливают соли оксида меди (II) до соли оксида меди (I), соли оксида висмута – до металлического висмута, соли серебра – до металлического серебра.

Реакция «серебряного зеркала»

Редуцирующие сахара способны восстанавливать оксид серебра с образованием металлического серебра за счет окисления собственных альдегидных групп до карбоксильных, при этом сами они превращаются в альдоновые кислоты.

Для проведения данной реакции глюкоза или фруктоза добавляются к аммиачному раствору гидрата окиси серебра. В случае глюкозы выделяется металлическое серебро либо в виде осадка черного цвета, либо в виде зеркального налета на стенках пробирки. Фруктоза не восстанавливает оксид серебра. Несмотря на то, что этот сахар также содержит карбонильную группу, но она представлена малореакционноспособной кето-группой, для окисления которой требуются более жесткие условия. В связи с этим кетозы не относятся к редуцирующим сахарам.

Амиачный раствор гидрата окиси серебра получают при взаимодействии нитрата серебра с гидроксидом натрия и гидроксидом аммония:

AgNo₃ + NaOH  AgOH + NaNO₃,

AgOH + 2 NH₄OH  Ag(NH₃)₂OH + H₂O,

аммиачный раствор серебра

Ag(NH₃)₂OH + 3 H₂O  Ag₂O + 4 NH₄OH.

Реакция Троммера на моносахариды

В щелочной среде альдозы и некоторые дисахариды, имеющие потенциально свободную альдегидную группу или свободный гликозидный гидроксил, окисляются до альдоновых кислот, одновременно восстанавливая медь (II) в медь (I).

В данной реакции образовавшийся вследствие взаимодействия NaOH и CuSO₄ гидроксид меди (II) (имеет синюю окраску) восстанавливается до гидроксида меди (I) (желтая окраска), который далее распадается до Cu₂O (красная окраска).

NaOH + CuSO₄  Cu(OH)₂ + NaSO₄

Лактоза, манноза, целлобиоза и некоторые другие дисахариды также способны восстанавливать металлы (например, медь). Это связано с наличием у них свободного гликозидного гидроксила у одного из двух остатков моносахаридов, входящих в состав дисахарида (лактоза, манноза, целлобиоза). При этом возможен распад циклической структуры одного из остатков моносахарида с высвобождением альдегидной группы (процесс перехода моносахарида в растворе из линейной формы в циклическую и наоборот является динамическим), которая и подвергается окислению.

Сахароза не способна восстанавливать металлы. Это обусловлено как наличием в ее составе кетозы (фруктозы), так и тем, что у обоих моносахаридов гликозидные гидроксилы (С₁ у глюкозы и С₂ у фруктозы) задействованы в образовании связи внутри молекулы дисахарида.

Важно отметить, что избыток медной соли маскирует реакцию, так как гидроксид меди (II) при нагревании теряет воду и дает черный оксид меди (II). В связи с этим, часто используется ниже изложенная модификация данного метода.