Вуглеводи

Вуглеводи (сахара) – це поліоксикарбонільні сполуки: багатоатомні альдегідо- або кетоспирти

з молекулярною формулою C_x(H₂O)_y, де x і y > 3

Вуглеводи містяться в клітинах рослинних і тваринних організмів і за масою складають основну частину органічної матерії Землі. Ці сполуки утворюють рослини в процесі фотосинтезу з вуглекислого газу і води. Тваринні організми нездатні до синтезу вуглеводів і отримують їх з рослинною їжею. Фотосинтез можна вважати процесом відновлення СО₂ з використанням сонячної енергії. Ця енергія вивільняється в тваринних організмах в результаті метаболізму вуглеводів, який, з хімічної точки зору, можна вважати окисненням.

Залежно від величини молекул і за фізичними властивостями вуглеводи поділяють на моносахариди, олігосахариди та полісахариди. До моносахаридів належать вуглеводи, які неможливо гідролізувати до простіших сполук. Олігосахариди містять від 2 до 10 залишків моносахаридів. Полісахариди є біополімерами, їх макромолекули містять від 10 до 3000-5000 вуглеводневих залишків. Під час каталітичного гідролізу оліго- і полісахариди розщеплюються на моносахариди.

ДЕЯКІ НАЙВАЖЛИВІШІ ВУГЛЕВОДИ
Прості (негідролізуються)	Складні (гидролізуються)
Моносахариди	Олігосахариди	Полісахариди
глюкоза С6Н12О6 фруктоза С6Н12О6 рибоза С5Н10О5	сахароза (дисахарид) С12Н22О11	крохмаль (С6Н10О5)n целюлоза (С6Н10О5)n

Моносахариди

В природі найбільш поширені моносахариди, в молекулах яких міститься пять вуглецевих атомів (пентози) або шість (гексози). Моносахариди - гетерофункційні сполуки, до складу їх молекул входить одна карбонільна група (альдегідна чи кетонна) і кілька гідроксильних. Наприклад:

Таким чином, моносахариди - це полігідроксиальдегіди (рибоза, глюкоза) або полігідроксикетони (фруктоза).

Моносахариди поділяють на альдози (що містять альдегідну групу) і кетози (що містять кетогрупу). За кількістю вуглецевих атомів їх поділяють на триози, тетрози, пентози, гексози та ін. Наприклад, альдогексоза – це моносахарид, що містить шість вуглецевих атомів й альдегідну групу (в природі переважно зустрічаються пентози й гексози).

Однак не всі властивості моносахаридів відповідають такій будові. Так, моносахариди не беруть участі в деякіх реакціях, що типові для карбонільної групи (якісні реакції на альдегідну групу - реакції з фуксинсірчистою кислотою та гідросульфітом натрію). Це пояснюється тим, що основною формою існування вуглеводів у розчинах є, як несподівано зясувалося, циклічна. Циклічна форма вуглеводів утворюється унаслідок внутришньомолекулярної реакції утворення напівацеталю, при взаємодії карбонільної групи з одним з гідроксилів цієї ж молекули (найчастіше - з пятим).

Циклічні - і -форми глюкози є просторовими ізомерами, які відрізняються положенням напівацетального гідроксилу відносно площини кільця. В -глюкозі цей гідроксил знаходиться в цис-положенні до гідроксилу при С₂, в -глюкозі - в транс-положенні:

Аналогічні процеси відбуваються і в розчині рибози:

В кристалічному стані моносахариди мають циклічну будову.

Залежно від розміру циклу, розрізнюють піранози та фуранози Оскільки шестичленні цикли, що містять кисень, нагадують за структурою піран, їх називають піранозними формами або просто піранозами. В менших кількостях в розчинах присутні фуранозні форми вуглеводів, які утворюються унаслідок реакції карбонільної групи з гідроксилом при четвертому атомі вуглецю.

Моносахариди, як й інші вуглеводи, містять кілька хіральних центрів. Якщо молекула має n хіральних центрів, то кількість можливих стереоізомерів визначається формулою 2ⁿ. Існує 16 пентофураноз, 16 пентопіраноз, 32 гексофуранози та 32 гексопіранози. Їх назви утворюються за допомогою комбінування кореня тривіальної назви моносахариду (глюко-, манно-, галакто-, рибо- і т.д.) і закінчення фураноза або піраноза.

Для визначення конфігурації стереоізомерних моносахаридів використовують DL – систему (див. розділ “Ізомерія”). Якщо ця конфігурація співпадає з конфігурацією D-гліцеринового альдегіду, то моносахарид відносять до D-ряду:

D-ізомери в циклічній формі мають угрупування СН₂ ОН з шостим (або пятим у рибози) атомом вуглецю розташоване над площиною кільця.

З внутрішньомолекулярним замкненням у цикл пов’язане виникнення нового хірального центру. Унаслідок цього утворюються дві хіральні циклічні напівацетальні форми – аномери. Якщо у моносахариді D-ряду гідроксил хірального С₁-атому орієнтований униз, то його вважають -формою, якщо навпаки, то -формою. Тобто аномери – це  і -ізомери одного моносахариду. -аномери зображують з аномерним гідроксилом під площиною кільця, а -аномери- над площиною кільця.

За даними рентгеноструктурного аналізу доведено, що гідроксил С₁-атома розміщений з правого боку для моносахаридів -D-ряду і з лівого боку для моносахаридів -D-ряду:

При розчиненні кристалічної D-глюкози у воді, відбувається більш чи менш швидка зміна кута обертання площини поляризованого світла (зміна оптичної активності) від 112 град до певного рівноважного значення (близько 53,8 град). В розчині присутня суміш всіх пяти форм D-глюкози (двох піранозних, двох фуранозних і лінійної). На долю лінійної форми приходиться менше 1%. В результаті циклоутворення виникає додатковий центр асиметрії, при вуглецевому атомі С₁. Конформація при цьому вуглецевому атомі визначає один з двох нових ізомерів - аномери (- і - аномери). Взаємоперетворення форм глюкози одна на одну через утворення лінійної конформації називається мутаротацією:

Правила переходу від лінійних форм до циклічних полягають в тому, що групи, що розташовані в лінійній формулі справа, в циклічних формах розташовані під кільцем, а ті, що зліва - над кільцем: