Березан О.В. Органічна хімія

§65. Моноcахариди

Моноcахариди — білі кристалічні речовини, добре розчинні у воді, солодкі на смак. Солодкість моносахаридів різна. Їхній хімічний склад описують загальною формулою СnН2nОn. Це поліфункціональні сполуки, які містять кілька гідроксильних груп та одну карбонільну (альдегідну) групу. Глюкоза (виноградний цукор) С6Н12О6 та її ізомер фруктоза (фруктовий цукор) — найважливіші представники моносахаридів.

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

Часто користуються спрощеною формулою: CН2ОН–(СНОН)4–СНО.

Укристалічному стані молекули глюкози мають циклічну будову, а у водних розчинах

устані динамічної рівноваги існують альдегідна (карбонільна) і циклічні форми (α і β):

Оптична ізомерія

Моносахаридам, крім структурної, властива і просторова, оптична ізомерія, яка є наслідком хіральності. У молекулі глюкози є 4 асиметричні — сполучених із чотирма різними атомами або групами — атоми Карбону (виділені напівжирним шрифтом):

CН2ОН–1СНОН–2СНОН–3СНОН–4СНОН–СНО

Між кількістю асиметричних атомів молекули і кількістю оптичних ізомерів існує ма-

тематична залежність:

N = 2n,

де N — кількість оптичних ізомерів,

n — кількість асиметричних атомів Карбону у молекулі.

Отже, існує 24 = 16 (8 пар) видів молекул глюкози альдегідної форми різної будови. Фруктоза — це п’ятиатомний кетоноспирт, який є структурним ізомером глюкози.

Фруктоза, як і глюкоза, існує в карбонільній і циклічній формах. У кристалічному стані молекула фруктози має п’ятичленну циклічну будову. У водному розчині існують обидві її форми — карбонільна і циклічна:

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

120

Рибоза входить до складу рибонуклеїнових кислот (РНК), а дезоксирибоза — до скла-

ду дезоксирибонуклеїнових кислот (ДНК).

13Після доливання до розчину глюкози свіжоосадженого Cu(OH)2, взятого в надлишку, спостерігається розчинення голубого осаду — утворюється прозорий розчин комплексної солі синього кольору купрум(ІІ) глюконату (якісна реакція для виявлення багатоатомних спиртів). Унаслідок нагрівання цього розчину відбувається окиснення альдегідної групи купрум(ІІ) гідроксидом, утворюється глю-

конова кислота, а Cu(OH)2 відновлюється до жовтого купрум(І) гідроксиду, який за подальшого нагрівання розкладається на купрум(І) оксид і воду (якісна реакція для виявлення альдегідної групи).

121

Отримання глюкози

У природі глюкоза утворюється внаслідок фотосинтезу:

хлорофіл, h

6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2

У промисловості глюкозу можна отримати з метаналю (синтез Бутлерова):

Ca(OH )2

6Н C6H12O6

§67. Дисахариди. Сахароза

Дисахариди — продукти реакції конденсації двох молекул моносахаридів. Прикладами дисахаридів є сахароза (буряковий або тростинний цукор), С12Н22О11, а також її ізомери — мальтоза (солодовий цукор) і лактоза (молочний цукор).

Молекула сахарози містить залишки α-глюкози та β-фруктози, сполучених між собою атомом Оксигену:

122

Хімічні властивості сахарози

1. Гідроліз відбувається внаслідок нагрівання сахарози з хлоридною кислотою або водним розчином сульфатної кислоти:

глюкоза фруктоза

2. Взаємодія з гідроксидами металічних елементів:

а) утворення кальцій сахарату (безбарвного розчину):

С12Н22О11 + Cа(OН)2 → С12Н22О11 • CаО + Н2О

б) унаслідок взаємодії сахарози зі свіжоосадженим купрум(II) гідроксидом спостерігається зникнення осаду Cu(OН)2 й утворення прозорого розчину яскраво-синього кольору, що свідчить про те, що сахароза — багатоатомний спирт.

У молекулі сахарози немає альдегідної групи, тому сахароза не взаємодіє з амоніачним розчином Ag2О та з надлишком купрум(II) гідроксиду внаслідок нагрівання.

Отримання сахарози

1.Промивання цукрового буряка, подрібнення на стружку, обробка гарячою (+75 °C) водою — сахароза переходить у розчин.

2.Одержаний розчин обробляють вапняним молоком: в осад випадає кальцій карбо-

нат, інші солі Кальцію, білки, а продукт взаємодії сахарози з Са(ОН)2 — кальцій сахарат — залишається в розчині.

3.Для його перетворення на сахарозу крізь розчин пропускають карбон(IV) оксид. Під дією карбонатної кислоти кальцій сахарат руйнується з утворенням сахарози:

С12Н22О11 • CаО + Н2СО3 → С12Н22О11 + CаСО3↓ + Н2О

4.Розчин сахарози уварюють, фільтрують та центрифугують: кристалічна сахароза відокремлюється від меляси (бурої рідкої маси, яка містить близько 65 % сахарози) — отримують «перший продукт».

5.Унаслідок повторного промивання та центрифугування отримують «другий продукт» (власне цукор-пісок), який сушать і фасують.

§68. Полісахариди. Крохмаль і целюлоза. Склад і будова молекул

Крохмаль і целюлоза — це природні полімери, їхній хімічний склад виражається одною формулою — (С6Н10О5)n. Крохмаль містить залишки α-глюкози (до 6000 ланок). Молекули мають не лише лінійну, але й розгалужену будову з молекулярною масою від 30 000 до 1 мільйона. Целюлоза містить залишки β-глюкози, молекули мають лише лінійну структуру, а відносна молекулярна маса може становити кілька мільйонів:

123

Утворення в природі

Спочатку внаслідок низки біохімічних процесів утворюється α-глюкоза:

або сумарно:

(C6H10O5)n + nH2O → nC6H12O6

Декстрини утворюються внаслідок термічної обробки продуктів, які містять крохмаль, під час ва́рення, смаження картоплі, випікання хліба тощо. Декстрини легше засвоюються організмом людини, ніж крохмаль;

б) частковий:

2. Взаємодія з йодом (йодокрохмальна реакція) — якісна реакція для виявлення крохмалю, утворюється сполука темно-синього кольору14.

Властивості целюлози

1. Гідроліз може відбуватися під дією ферментів або внаслідок нагрівання з водними розчинами кислот:

2. Целюлоза добре горить з виділенням значної кількості енергії:

(C6H10O5)n + 6nO2 → 6nCО2 + 5nH2O; Н < 0

3.Термічний розклад: унаслідок нагрівання без доступу повітря целюлоза розкладається на деревне вугілля та леткі органічні речовини (метанол, пропанон, етанову кислоту та інші оксигеновмісні органічні сполуки).

4.Естерифікація:

а) залежно від умов проведення реакції отримують моно-, дита тринітрати целюлози:

H

[С6Н7О2(ОН)3]n + 3nHO–NO2 [C6H7O2(ONO2)3]n + 3nH2O

тринітрат целюлози (піроксилін)

14Ниткоподібні молекули амілози скручуються в спіралі, усередину яких, як у пастку, можуть потрапляти молекули інших речовин — утворюється сполука за типом «гість–господар». Утворенням саме такого зв’язку пояснюють взаємодію крохмалю з йодом (спиртовим розчином).

124

б) з ангідридом етанової кислоти целюлоза також утворює естери — моно-, дита триацетати целюлози:

[С6Н7О2(ОН)3]n + 3n(СН3CO)2О → [С6Н7О2(ОСОСН3)3]n + 3nСН3COОН

триетаноат целюлози (триацетат целюлози)

Триетаноат целюлози розчиняється в органічних розчинниках, її використовують у виробництві ацетатного шовку, фото-, кінота рентгенівської плівки, пластичних мас, лаків.

§69. Застосування вуглеводів

1.Глюкозу використовують у кондитерській промисловості (для виготовлення карамелі, мармеладу, пряників); як відновник (реакція срібного дзеркала) у виготовленні дзеркал, ялинкових прикрас; у текстильній промисловості розчином глюкози обробляють тканини перед фарбуванням. З неї синтезують лікарські препарати (аскорбінову кислоту, кальцій глюконат).

2.Фруктоза майже у 2,33 разу солодша за глюкозу, тому її використовують у кондитерському виробництві дієтичних продуктів та продуктів для діабетиків.

3.Сахарозу використовують у харчовій промисловості, її гідролізом отримують штучний мед. Відходи виробництва цукру — меляса — є цінним кормовим продуктом для худоби і сировиною для виробництва пекарських дріжджів.

4.Крохмаль використовують для виготовлення глюкози, патоки (яку застосовують у кондитерському виробництві).

5.Целюлоза є основною складовою деревини, бавовни, льону, коноплі; ці природні матеріали з давніх-давен людина використовує для будівництва, виготовлення предметів побуту, як сировину для текстильного виробництва. Крім того, очищену целюлозу переробляють на папір, з неї виготовляють штучні волокна (ацетатний та віскозний шовк), пластмаси і полімерні плівки (целулоїд, целофан), бездимний порох, незаймисту кіноплівку, лаки та емалі, мийні засоби. Гідролізом целюлози отримують глюкозу, з якої виробляють гідролізний етанол: з 1 т відходів лісової промисловості можна отримати до 200 л спирту.

§70. Найважливіші поняття, терміни та правила

Аміло́за — молекули крохмалю, що мають ниткоподібну (лінійну) будову, розчиняються в гарячій воді, дають синє забарвлення з йодом. Крохмаль містить 25 % амілози.

Амілопекти́н — молекули крохмалю розгалуженої будови, які за умов нагрівання з водою утворюють клейстер. Масова частка амілопектину в крохмалі становить 75 %.

Ацета́тне волокно — штучне волокно, яке одержують з моно-, дита триетаноата целюлози. Бродіння — розщеплення молекул моносахаридів під дією ферментів.

Віско́зне волокно — штучне волокно, яке отримують хімічною переробкою целюлози.

Вторинний асиметричний атом Карбону — такий атом Карбону, що сполучений з різними атомами або групами атомів. Наявність таких атомів у молекулі органічної речовини зумовлює стереоізомерію.

Глікози́ди — похідні моносахаридів, у яких Гідроген у глікозидному гідроксилі заміщений на алкільний замісник. Містяться в листі, насінні, корі дерев, у багатьох лікарських рослинах.

Глікози́дний гідроксил — гідроксил, який виникає під час утворення циклічної форми моносахариду. Відзначається підвищеною реакційною здатністю.

Декстри́ни — проміжні продукти гідролізу крохмалю, більш прості полісахариди порівняно з крохмалем, краще засвоюються живими організмами, солодкі на смак.

125

Енантіомéри (оптичні ізомери, дзеркальні ізомери, антипо́ди) — це стереоізомери, які є неідентичними повними дзеркальними відображеннями один одного (як права і ліва рука). Мають ідентичні хімічні та фізичні властивості, але різну оптичну активність (здатність обертати площину поляризації світла). У клітині (усередині біологічного об’єкту) зазвичай виявляють різну фізіологічну активність.

Енантіомері́я— вид просторової ізомерії, який є наслідком хіральності. Більшість хіральних природних речовин існують у вигляді одного ізомеру. Зазвичай він виявляє значну біологічну активність. Натомість штучно виготовлені продукти часто містять лише малоактивний ізомер або рацемат (що має суттєве значення у фармацевтиці).

Коло́дій —- суміш етанолу, діетилового етеру і нітроцелюлози (масова частка — 4 %), використовують у медицині для заклеювання незначних ран і закріплення пов’язок.

Колоксилін́ — динітроцелюлоза, використовують для виготовлення нітролаків.

Меля́са (кормова па́тока) — бура сиропоподібна маса, що має специфічний запах. Її одержують у процесі виробництва цукру. Крім цукрів (переважно сахарози) та азотистих сполук (переважно амідів) містить вітаміни і мікроелементи. Використовують у виробництві чорного хліба, пекарських дріжджів, етилового спирту, лимонної та інших органічних кислот, як корм для великої рогатої худоби.

Оптична активність — здатність розчинів енантіомерів обертати площину поляризованого світла за годинниковою стрілкою та проти неї; розрізняють L- і D-ізомери15.

Па́тока — продукт неповного гідролізу крохмалю, містить декстрини (0–70 %), глюкозу

(0–50 %), мальтозу (19–85 %).

Піроксилі́н — продукт повної естерифікації целюлози нітратною кислотою (тринітратцелюлоза). Вибухова речовина, яку використовують для виготовлення бездимного пороху.

Рацема́т — суміш однакової кількості L- та D-ізомерів.

Сорбі́т С6Н14О6 — шестиатомний спирт, продукт відновлення глюкози. Застосовують для

Целуло́їд — матеріал, що виготовляють із суміші колоксиліну з камфорою.

Цу́кор — продукт харчування, який містить до 99,9 % сахарози. Цукор буряковий — цукор, який отримують із цукрового буряка; виноградний — глюкоза, що міститься у винограді та інших солодких плодах. Універсальне джерело енергії в організмі для забезпечення метаболічних процесів. Кров людини містить близько 0,1 % глюкози; молочний — лактоза, міститься в молоці, в 6 разів менш солодка, ніж сахароза; солодовий — мальтоза (ізомер сахарози), яку отримують неповним гідролізом крохмалю ферментами, що містяться в солоді (пророслому зерні злаків). Мальтоза у 3 рази менш солодка, ніж сахароза; тростинний — цукор, який отримують із цукрової тростини; фруктовий — фруктоза, що входить до складу багатьох фруктів та овочів, меду, майже удвічі солодша за цукор.

Шве́йцера реактив — амоніачний розчин купрум(ІІ) гідроксиду. Використовують для розчинення целюлози.

15 Від латинських слів laevus — лівий та dexter — правий.

126

Практичні завдання

595.Як розпізнати видані в пронумерованих пробірках глюкозу, гліцерол та етанол за допомогою одного реактиву? Напишіть рівняння реакцій.

596.Як за допомогою одного реактиву розпізнати глюкозу, сахарозу, етанову кислоту та етаналь? Опишіть хід аналізу, напишіть рівняння реакцій.

597.Унаслідок спиртового бродіння 72 г глюкози одержали 30,8 г спирту. Установіть вихід спирту.

598.Яка кількість речовини срібла утвориться внаслідок взаємодії 45 г глюкози з амоніачним розчином аргентум(І) оксиду, узятим у достатній кількості?

599.Напишіть рівняння реакцій, за якими клітковину можна перетворити на етилетаноат.

600. Унаслідок спиртового бродіння глюкози одержали 100 кг етанолу (вихід спирту —

92 %). Яку масу глюкози використали?

601.Яку масу водного розчину спирту з масовою часткою етанолу 30 % можна одержати із 72 г глюкози внаслідок спиртового бродіння, якщо вихід спирту становить 90 %?

602.Із 4 т крохмалю одержали 700 кг етанолу. Установіть вихід етанолу.

603.Який об’єм водню (н. у.) витратиться на відновлення 0,3 кг глюкози до шестиатомного спирту? Як називають цей спирт і для чого його використовують?

604.Яку масу глюконової кислоти можна одержати з 1,8 г глюкози, якщо вихід кислоти становить 90 %?

605.Унаслідок гідролізу 36 г фільтрувального паперу за наявності концентрованої хлоридної кислоти одержали 32 г глюкози. Установіть вихід глюкози.

606.Унаслідок реакції глюкози з купрум(II) гідроксидом утворилось 11,52 г червоного осаду. Вихід продукту реакції становить 80 %. Яка маса глюкози прореагувала?

607.Унаслідок спиртового бродіння глюкози одержали 34,5 г спирту. Який об’єм карбон(IV) оксиду (н. у.) виділився?

608. Скільки мономерних ланок C6H10O5 містить целюлоза: а) бавовняного волокна (Мr = 1,75 млн); б) лляного волокна (Мr = 5,9 млн)?

609.Середнє дерево за максимальної інтенсивності фотосинтезу здатне перетворювати за добу 25,5 л карбон(IV) оксиду (н. у.) на вуглеводи. Який об’єм кисню унаслідок цього виділяється?

610.Який об’єм карбон(IV) оксиду (н. у.) виділяється внаслідок спалювання 8,1 кг целюлози?

611.Яку масу глюкози використали для отримання 161 г етанолу, якщо його вихід становить 90 %?

612.Напишіть рівняння реакцій, за якими можна здійснити такі перетворення: сахароза → глюкоза → молочна кислота → калієва сіль молочної кислоти.

613.Яку масу спирту можна одержати з 20 кг кукурудзяного зерна, масова частка крохмалю

вякому становить 70 %?

614.Напишіть рівняння реакцій, за якими можна здійснити такі перетворення:

сахароза → фруктоза → карбон(IV) оксид

кальцій сахарат → сахароза

615. Напишіть рівняння реакцій, за якими можна здійснити такі перетворення: карбон(IV) оксид → крохмаль → глюкоза → глюконова кислота → кальцій глюконат

127

616. Напишіть рівняння реакцій, за якими можна здійснити перетворення целюлози на:

617.Яку масу молочної кислоти можна одержати внаслідок бродіння 126 г глюкози? Вихід молочної кислоти становить 80 %.

618.Напишіть рівняння реакцій, за якими можна здійснити такі перетворення: карбон(IV) оксид → глюкоза → целюлоза → мононітрат целюлози → динітрат целюлози → тринітрат целюлози.

619.Напишіть рівняння реакцій, за якими можна здійснити такі перетворення:

глюкоза ← целюлоза → діетаноат целюлози → триетаноат целюлози

620.Унаслідок кислотного гідролізу 844 кг тирси з масовою часткою целюлози 60 % отримали 250 кг глюкози. Установіть вихід глюкози.

621.Масова частка целюлози в деревині становить 55 %. Яку масу триетаноату целюлози можна одержати з 0,5 т деревини, якщо вихід продукту становить 70 %?

622.Обчисліть маси солей, що утворяться внаслідок пропускання вуглекислого газу, одержаного внаслідок спиртового бродіння 1,5 моль глюкози, крізь 2 л розчину лугу з концентрацією калій гідроксиду 2 моль/л.

623.Унаслідок відновлення 0,4 кг глюкози одержали 1,75 моль сорбіту. Установіть його вихід.

624.Газ, що утворився внаслідок спиртового бродіння 360 г глюкози, пропустили крізь вапняну воду, у якій містилося 148 г кальцій гідроксиду. Установіть масу солі, що утворилася.

625.Установіть невідомі речовини, укажіть їхні назви і напишіть рівняння реакцій, за якими можна здійснити такі перетворення:

дисахарид → моносахарид → етанол → етилетаноат полісахарид

626. Установіть невідомі речовини, укажіть їхні назви і напишіть рівняння реакцій, за якими можна здійснити такі перетворення:

вуглець → А → Б → глюконова кислота

сорбіт

627. Установіть невідомі речовини, укажіть їхні назви і напишіть рівняння реакцій, за якими можна здійснити такі перетворення:

крохмаль → А → Б → етилбутаноат молочна кислота

628.Напишіть рівняння реакцій, за якими клітковину можна перетворити на сорбіт.

629.Унаслідок дії надлишку амоніачного розчину Ag2O на 2,25 г технічної глюкози одержали 2,45 г осаду. Яку масу технічної глюкози потрібно переробити, щоб одержати 500 кг оцтової есенції, масова частка етанової кислоти в якій становить 85 %? Сумарні виробничі втрати становлять 25 %.

630.Із глюкози отримали етанол, який нагріли до 145 С за наявності концентрованої сульфатної кислоти. Одержали 250 мл рідини, яка є продуктом дегідратації спирту (її вихід — 70 %, густина — 0,925 г/мл). Який об’єм етену можна отримати з такої самої маси глюкози?

128

631.Напишіть рівняння реакцій, за допомогою яких можна здійснити такі перетворення: а) вуглець → карбон(IV) оксид → глюкоза → крохмаль → молочна кислота;

б) сахароза → кальцій сахарат → сахароза → глюкоза; в) кальцій глюконат ← глюкоза → глюконова кислота.

карбон(IV) оксид сорбіт

632.Напишіть рівняння реакцій, за якими можна здійснити перетворення:

а) вапняк → карбон(ІV) оксид → глюкоза → етанол → етанова кислота; б) крохмаль → Х → етанол → карбон(IV) оксид → крохмаль.

633.Обчисліть масу глюкози, унаслідок молочнокислого бродіння якої отримали 2,04 моль молочної кислоти (вихід — 85 %).

634.Яку масу глюкози можна отримати із 2 т картоплі, масова частка крохмалю в якій становить 20 %, а вихід вуглеводу — 80 %?

635.Спиртовим бродінням 400 г технічної глюкози, що містить 10 % домішок, які не окис-

нюються, одержали 177 г розчину етанолу з масовою часткою С2Н5ОН 96 %. Установіть вихід спирту.

636.Установіть масу кислої солі, що утвориться внаслідок пропускання всього карбон(IV) оксиду, отриманого спиртовим бродінням 270 г глюкози, крізь 2000 мл розчину калій гідроксиду із вмістом лугу 2 моль/л.

637.Яку масу целюлози потрібно використати для одержання 42,32 кг етанолу, якщо його вихід становить 92 %?

638.Унаслідок переробки 2 т крохмалю одержали 400 кг етанолу. Укажіть вихід спирту.

639.Які маси целюлози і нітратної кислоти витратяться для одержання 1 т тринітрату целюлози, якщо масова частка втрат становить 12 %?

640.Яка маса відходів деревини, що містять 50 % целюлози, витратиться на одержання 1 т гідролізного спирту (втрати у виробництві становлять 30 %)? Скільки тонн картоплі це зекономить? Масова частка крохмалю в картоплі становить 20 %, а втрати у виробниц-

тві — 15 %.

641.Яку масу етанолу можна одержати з 1 т пшениці, масова частка крохмалю в якій 70 %, якщо втрати у виробництві становлять 15 %?

642.Яка маса глюкози необхідна для отримання етанолу, якщо відомо, що внаслідок нагрі-

вання до 145 °С одержаного спирту за наявності концентрованої сульфатної кислоти отримали 250 мл рідини густиною 0,925 г/см3 (вихід — 70 %)?

643.Установіть невідомі речовини та напишіть рівняння реакцій, за якими можна здійснити

644. Деяку кількість глюкози розділили на дві частини, у яких кількості речовини відносились як 1 : 3. Меншу частину окиснили купрум(ІІ) гідроксидом унаслідок нагрівання й одержали 0,25 моль глюконової кислоти. Яку масу молочної кислоти можна одержати унаслідок молочнокислого бродіння решти глюкози, якщо вихід продукту становить 60 %?

129

*9 Березан О. Органічна хімія