Лабораторная работа № 4. Углеводы

Углеводы, занимающие важное место среди природных соединений в клетках живых организмов, являются источниками и аккумулятора­ми энергии, в растениях и у некоторых животных выполняют роль опорного (скелетного) материала, служат исходным сырьем для био­синтеза соединений других классов, обуславливают протекание ряда важнейших биохимических реакций, входят в состав физиологически активных гликозидов, нуклеиновых кислот, гликолипидов и гликопро­теидов; с ними связаны иммунохимические свойства тканей, специфи­ческие реакции организма на внешние раздражители.

Моносахариды

Простейшими «кирпичиками», которые входят в состав всех углево­дов, являются моносахариды (монозы). Они относятся к полифункциональным соединениям, содержащим карбонильную и несколько гидро­ксильных групп. Моносахариды классифицируются по наличию альдегидной или кетонной группы. Сахара с альдегидной группой называются альдозами, а с кетогруппой - кетозами.

Например, глюкоза и галактоза - это альдозы, а фруктоза - кетоза. Глюкоза и фруктоза являются изомерами (их брутто-формула С₆Н₁₂О₆), которые различаются положением карбонильной группы. Моносахариды также разделяются по числу атомов углерода в молекуле на тетрозы (С₄), пентозы (С₅) и гексозы (С₆).

Большинство моносахаридов могут существовать как в открытой, так и в циклических формах и поэтому обладают свойством мутаротации (вспомните, что это за свойство).

В химическом отношении они представляют собой весьма лабильные вещества, вступающие в реак­ции, характерные для многоатомных спиртов и карбонильных соеди­нений.

Отличительной чертой моносахаридов от других углеводов являет­ся то, что при их гидролизе не образуются более простые соединения. Это кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде и имею­щие сладкий вкус.

Опыт 1. Реакция со щелочным раствором гидроксида меди (II) (доказательство наличия нескольких гидроксильных групп)

Налейте в пробирку 1 мл 1%-го раствора глюкозы и 1 мл 10%-го раствора NaOH, затем по каплям добавьте 5%-й раствор CuS0₄. Обра­зующийся вначале голубой осадок гидроксида меди (II) при встряхи­вании растворяется с образованием синего прозрачного раствора ком­плексного сахарата меди. Эта реакция характерна для соединений, со­держащих несколько гидроксильных групп (этиленгликоль, глицерин). Полученный раствор сохраните для следующего опыта.

Напишите уравнение реакции глюкозы с Cu(ОН)₂.

Опыт 2. Реакции на карбонильные группы в моносахаридах

а) Окисление моносахаридов гидроксидом меди(Н) в щелочной среде

Верхнюю часть полученного в предыдущем опыте щелочного сине­го раствора сахарата меди нагрейте осторожно до кипения. Через не­сколько секунд нагретая часть раствора меняет цвет на оранжево-­желтый (СuОН), а затем образуется желто-красный осадок оксида меди (I) (Сu₂О). При этом идет сложный процесс окисления глюкозы. Вме­сто ожидаемой глюконовой кислоты в результате реакции образуются глицериновая, гликолевая и муравьиная кислоты, т. е. в щелочной сре­де окисление сопровождается глубоким расщеплением молекулы глюкозы. Тот факт, что окисление глюкозы в щелочной среде с помощью таких слабых окислителей, как реактивы Фелинга или Толленса (см. следующие опыты), происходит уже при слабом нагревании, ука­зывает на то, что расщепление глюкозы сопровождается образованием продуктов, обладающих сильной восстанавливающей способностью. Это, например, гликолевый альдегид и формальдегид, которые при дальнейшем окислении образуют гликолевую и муравьиную кислоты. Среди продуктов окисления обнаружена и глюконовая кислота. В условиях опыта одинаково легко окисляются и альдозы (глюкоза), и кетозы (фруктоза).

б) Окисление моносахаридов реактивом Фелинга

В одну пробирку с 1 мл 1%-го раствора глюкозы, а в другую с 1 мл 1%-го раствора фруктозы прилейте по 1 мл растворов Фелинга № 1 и № 2. Содержимое пробирок перемешайте и верхнюю часть раствора осторожно нагрейте до начала кипения. В обеих пробирках появляется в месте нагревания желтый осадок гидроксида меди (I), переходящий в красный осадок оксида меди (I).

Объясните, почему эта реакция идет с фруктозой?

Реактивом Фелинга пользоваться удобнее, чем гидроксидом меди (II), так как при нагревании смеси с раствором моносахарида не проис­ходит образование черного осадка оксида меди (II) (избыток Сu(ОН)₂ при нагревании превращается в СuО), маскирующего красный цвет Сu₂О. Реакция с фелинговой жидкостью протекает быстрее и более чет­ко. Она используется для качественного и количественного анализа моносахаридов и для отличия восстанавливающих дисахаридов от невосстанавливающих.

Что содержат растворы Фелинга № I и № 2? Напишите уравнение реакции окисления D-галактозы до D-галактоновой кислоты реактивом Фелинга.

в) Окисление моносахаридов реактивом Толленса (реакция «серебряного зеркала»)

Поместите в две пробирки по 5 капель 0,2N раствора AgNO₃ и 5 ка­пель 2N NaOH, а затем добавьте по каплям 2N раствор NH₄OH до растворения образующегося осадка, при этом образуется [Ag(NH₃)₂]OH. В одну пробирку добавьте 5 капель 1%-го раствора глюкозы, а в другую — 5 капель 1%-го раствора фруктозы и слегка подогрейте их только до начала побурения раствора. Далее реакция идет без нагревания и в обеих пробирках металлическое серебро выде­ляется либо в виде черного осадка, либо, если стенки пробирки были чистыми, в виде блестящего зеркального налета.

При окислении моносахаридов в щелочной среде, как уже было указано выше, получается смесь продуктов, образующихся при глубо­ком расщеплении их молекул (в частности, альдоновые кислоты, к ко­торым относится и глюконовая кислота).

Напишите уравнение реакции окисления D-глюкозы до D-глюконовой кислоты аммиачным раствором гидроксида серебра ([Ag(NH₃)₂]OH).

г) Образование озазонов моносахаридов

Поместите в пробирку немного (на кончике лопаточки) солянокис­лого фенилгидразина и столько же ацетата натрия, а затем 2 капли 1%- го раствора глюкозы. Поставьте пробирку в нагретую до кипения во­дяную баню. Через 45 мин в пробирке появляется хорошо выраженный кристаллический осадок озазона глюкозы. С помощью пипетки пере­несите часть кристаллов на предметное стекло и рассмотрите под мик­роскопом. Кристаллы имеют форму иголок, соединенных в снопы.

Какие гексозы дают такой же озазон?

Опыт 4. Цветные реакции на моносахариды

а) Реакция Молиша. Общая реакция на углеводы с α -нафтолом

В пробирку с 1 мл воды добавьте немного порошка глюкозы и 2 ка­пли спиртового раствора α -нафтола, перемешайте и затем по стенке пробирки к смеси осторожно прилейте 1 мл концентрированной сер­ной кислоты так, чтобы кислота не смешивалась с водным слоем. На границе слоев быстро образуется фиолетовое кольцо. Эту реакцию да­ют все углеводы (альдозы дают окрашивание при концентрации 0,01%).

б) Реакция Селиванова на кетогексозы

В пробирке нагрейте до кипения 3 мл 2%-го раствора фруктозы с несколькими каплями 2N H₂S0₄. К полученной смеси прибавьте 1 мл концентрированной НСl и несколько кристаллов резорцина. Нагрейте только до начала кипения. Постепенно появляется красное окраши­вание.

в) Реакция на пентозы с уксуснокислым анилином

В пробирку поместите несколько крупинок арабинозы (или другой пентозы) и прилейте 2 мл раствора соляной кислоты 1:1. На полоску фильтровальной бумаги нанесите 1—2 капли анилина и 1—2 капли ук­сусной кислоты. Затем эту бумажку поднесите к отверстию пробирки со смесью арабинозы с соляной кислотой и кипятите эту смесь. Через 1-2 мин на бумаге появляется яркое розовато-красное пятно.

При нагревании пентоз с соляной кислотой происходит их дегидра­тация и образование фурфурола, который конденсируется с анилином, образуя окрашенные соединения.

Напишите уравнение реакции образования фурфурола из D-рибозы.