ВУГЛЕВОДИ

и

Вуглеводи дуже поширені в природі і відіграють важливу роль у житті рослин, тварин і

м

людини. Вони є одним з основних джерел енергії, яка утворюється в результаті обміну

а

речовин організму. З вуглеводів складаються найважливіші харчові речовини (цукор,

крохмалисті

продукти та ін.); вони

входять до складу меду,

солодких

фруктів тощо.

Вуглеводи

широко застосовують у

промисловості. Такий

вуглевод,

т

як клітковина,

н

використовують у виробництві різних видів штучного волокна, паперу, вибухових речовин

(піроксиліну), пластичних мас, фото- і кіноплівок. Спиртове бродіння вуглеводів лежить в

е

основі виробництва багатьох галузей харчової промисловості (спиртового, пивоварного,

хлібопекарного, дріжджового та ін.).

Багато

вуглеводів

та їх похідних застосовують

у

медицині як фармацевтичні препарати.

д

КЛАСИФІКАЦІЯ. Вуглеводи поділяють на дві групи: 1) моносахариди, або монози

(глюкоза, фруктоза і т. д.); 2) полісахариди, або поліози.

Останні в свою чергу поділяють на дві групи: а) цукроподібні кристалічні полісахариди,

або олігосахариди (буряковий або тростинний цукор,

с

молочнийу

цукор

та ін.);

б)

нецукроподібні полісахариди (целюлоза, крохмаль та ін.).

т

МОНОСАХАРИДИ АБО МОНОЗИ

н

Будова моносахаридів. Найважливішими представниками моносахаридів є глюкоза

н

(виноградний цукор) та фруктоза (плодовий цукор), якія мають однаковий склад C6Н12O6,

тобто є ізомерами. Тому з будовою моносахаридів ми познайомимося на прикладах саме цих

речовин.

У 1860 p. Бертло під час нагрівання глюкози з органічними кислотами добув складні

ефіри і в зв’язку з цим зробив висновок, що глюкоза є багатоатомним спиртом.

с

австановив,

що при ацетилюванні глюкози

У 1869 p. А.А. Коллі експериментально

и

утворюється пентаацетильне похідне, тобто втмолекулі глюкози є п’ять гідроксильних груп.

Згодом було виявлено, що і фруктоза утворює пентаацетильне похідне.

р

глюкози

гідроген йодидом утворюється

вторинний

При енергійному відновлюванні

йодистий гексил нормальної будови. Під час обережного відновлення глюкози та фруктози

о

про

те, що в молекулах

утворюються нормальні шестиатомні спирти. Все це свідчить

к

глюкози і фруктози є нормальний ланцюг з шести атомів карбону.

и

для

карбонільної групи:

Глюкоза і фруктоза вступають у деякі реакції, характерні

глюкозова кислота з тією ж кількістю карбонових атомів, що й глюкоза. Це означає, що у

в

молекулі глюкози є альдегідна група.

Таким чином, виходячи з того, що глюкоза має нерозгалужений ланцюг карбонових

атомів, п’ять гідроксильнихя

груп, альдегідну групу, а один атом карбону здатний утримати

лише одну гідроксильну групу, можна записати структурну формулу глюкози таким чином:

д

л

CH OH

CHOH

CHOH

CHOH

CHOH

C O

2

H.

При енергійному окислюванні фруктози карбоновий ланцюг її молекули розривається і

утворюється винна та щавлева кислоти. Цей факт та інші властивості фруктози дають

підставу припуститил

, що фруктоза є багатоатомним кетоспиртом, причому кетонна група

перебуває в положенні 2-нормального шести карбонового ланцюга:

е

р

і

а

C O

CH OH

CHOH

CHOH

CHOH

CO

т

2

H

HOOC

CH(OH)

CH(OH)

COOH HOOC

COOH

винна кислота

щавлева кислота

Наведені вище структурні формули глюкози не можуть пояснити деяких властивостей

2

и

реакцій. Так, вони не приєднують бісульфіт натрію та не дають забарвлення з

фуксинсірчистою кислотою.

м

При нагріванні глюкози з метиловим спиртом у присутності хлористого водню один з

атомів водню гідроксильної групи заміщується метильною групою, і

а

утворюється

метилглюкозид, який не дає реакцій, властивих альдегідній групі; він легко гідролізується,

причому знову утворюються глюкоза і метиловий спирт.

т

гідроксильних груп заміщуються метильними групами, і утворюється пентаметильне

похідне, яке також не дає реакцій, властивих альдегідній групі.

е

Під час кислотного гідролізу цієї сполуки одна з метильних груп відщеплюєтьсян

значно

д

гідроксил, який відрізняється

своєю

реакційною

здатністю,

бере участь в утворенні

с

глюкозидів, тому його часто називають глюкозидним гідроксилому.

Вказані явища знайшли пояснення після того,

коли булот зроблено припущення, що

глюкоза має циклічну будову:

н

я

H

CH OH

CHOH

CHOH

CHOH

CHOH

C O

2

H

CH2OH

CH

CHOH

CHOH

CHOH

C

OH

а

O

.

2

т

H

Виходячи з властивостей глюкози, слід припуститин

, що в розчинах глюкоза існує у двох

таутомерних формах – альдегідній та циклічній з перевагою останньої в рівноважному стані:

с

OH

CH OH

CHOH

CHOH

CHOH

CO

C

р

и

O

.

H

CH2

CH CHOH CHOH

COH C OH

Фруктоза, як і глюкоза, може існувати в розчинах у двох таутомерних формах:

и

Як було встановлено, глюкозаоі фруктоза у твердому стані мають оксидну форму.

в

Таутомерні форми моносахаридівк

здатні до взаємопереходу в залежності від

середовища, умов проведення реакції та реагентів, що вступають у реакцію.

Уявлення про циклічні форми моносахаридів та про їх таутомерію у водних розчинах

я

дозволило пояснити всі особливості моносахаридів, які раніше здавалися незрозумілими.

л

л

д

CH2OH

H

CH2OH

H

O H

C

O

H

H

OHH

C

H C

HO

OH

H

OH

OH

C

C

OH

H

OH

або спрощено H

OH

Класифікаціяа

глюкоза

. Моносахариди, що містять подібно до глюкози альдегідну групу, дістали

і

назву альдоз; моносахариди, що містять подібно до фруктози кетонну групу, назвали

кетозамир .

е

За кількістю атомів кисню в молекулі розрізняють тетрози (C4H8О4), пентози (C5H10O5),

гептози (С7Н14О7),

октози (С8Н16О8),

нонози (C9H18O9) і, декози

гексози (С6Н12О6),

т(С10Н20О10). У природі найбільш поширені гексози та пентози.

Глюкозиди. Глюкозиди – це речовини, які складаються із залишків цукру (моно-, диабо

3

и

трисахариду) і якої-небудь іншої органічної сполуки – аглюкону. Містяться у рослинних і

тваринних організмах і надзвичайно різноманітні за своїм складом.

піранозиди:

CH2OH

CH2OH

м

CH2OH

CH2OH

H

а

H

O

H

O

C OH

H

C OH

OCH3

H

O

H

т

O

OCH3

H

H

OH

H

OH

H

OH

HO

HO

H

OH

H

OCH3

H

H

OCH3

H

H

н

H

H

H

H

OH

OH

OH

OH

α- метилглюкопіранозид β-метилглюкопіранозид

α- метилглюкофуранозид

β-метилглюкофуранозиде

У природі найчастіше зустрічаються β-піранозиди. Під час нагрівання з розведеними

д

кислотами або під впливом особливих ензимів глюкозиди розщеплюються на вуглевод та

аглюкон.

у

Стереохімія моносахаридів. Серед моносахаридів дуже поширена оптична ізомерія,

т

тому що їх молекули мають кілька асиметричних атомів вуглецю. Це видно з формул:

Hс

O

H

O

CH2OH

C

я

*

C

CH2OH

C

O

CHOH

*

CHOH

*

н

*

CHOH

C

O

CHOH

*

*

*CHOH

*CHOH

н

CHOH

CHOH

Формули

свідчать,

CH2OH

CH2OHа

є

CH2OH

CH2OH.

атоми

вуглецю, в

що в

альдотетрозах

два

асиметричних

т

альдопентозах – три, в альдогексозах – чотири, а в ряді кетоз кількість асиметричних атомів

с

вуглецю в кожній кетозі на один менша, ніж у відповідній за складом альдозі.

Представники кожної групи альдоз (а також кетоз)

з тією чи іншою обумовленою

и

кількістю вуглецевих атомів, відрізняються просторовим положенням Н- і ОН-груп. Так, для

альдогексоз у відповідності з формулоюр

N=2n можливе існування 24=16 стереоізомерів, які

поділяються на вісім пар, а для кетогексоз 23=8 стереоізомерів, які поділяються на чотири

о

пари. Члени кожної пари відносяться один до одного, як предмет до свого дзеркального

и

к

вправо, другий – на такий же кут вліво. Наприклад:

я

в

H

O

H

O

H

O

O

C

C

CH2OH

CH2OH

H

C

C

H

C

OH HO

C

H

C

O

C

O

HO

H

HO

H

C

C

HO

C

H

H

C

OH HO

C

H

H

C

OH

H

л

HO

H

C

OH

C

H

C

OH HO

C

H H

C

OH HO

C

H

H

л

д

HO

H

C

OH

C

H

C

OH HO

C

H H

C

OH HO

C

H

а

CH2OH

CH2OH

CH2OH

CH2OH

CH2OH

CH2OH

D-арабіноза

L-арабіноза

D-глюкоза

L-глюкоза

D-фруктоза

L-фруктоза

α- і β-Форми моносахаридів. При переході окисної форми у циклічну з’являється

новийіасиметричний атом вуглецю. Внаслідок цього циклічна форма повинна існувати в

е

двох стерео-ізомерних модифікаціях, які називаються α- і β-формами і відрізняються

т

просторовимр

положенням гідроксилу і атома водню при напівацетальному атомі вуглецю:

4

H

O

м

и

H

C

HO

C

H

C

OH