Реферат: Сахариды

Содержание

1. Моносахариды

2. Дисахариды

3. Полисахариды

К углеводам относятся сахара и вещества,превращающиеся в них при гидролизе. Углеводы – продукты растительного иживотного происхождения. Наряду с белками и жирами, они являются важнейшейсоставной частью пищи человека и животных; многие из них используются кактехническое сырье. Углеводы подразделяют на моносахариды, дисахариды иполисахариды.

Моносахариды – простейшие углеводы, они неподвергаются гидролизу – не расщепляются водой на более простые углеводы.

Глюкоза, или виноградный сахар, С6Н12О6– важнейший из моносахаридов; белые кристаллы сладкого вкуса, легкарастворяющиеся в воде. Содержится в соке винограда, во многих фруктах, а такжев крови животных и человека. Мышечная работа совершается главным образом засчет энергии, выделяющейся при окислении глюкозы.

Глюкоза являетсяшестиатомным альдегидоспиртом; строение ее можно представить формулой (а):

                 Н        Н      ОН      ОН                 О

/>/>       6           ‌           ‌         ‌           ‌         

/>НОСН2 – С 5 * — С 4 * — С 3* — С 2 * — С 1                               (а)

                   ‌           ‌          ‌          ‌ 

                 ОН     ОН     Н        ОН                Н

Глюкоза

                 Н        Н      ОН        О                  

       6           ‌           ‌         ‌           ‌ ‌        1

НОСН2 – С 5* — С 4 * — С 3 * — С 2 * — СН2 ОН                        (б)

                   ‌           ‌          ‌            

                 ОН     ОН     Н                             

Фруктоза

Глюкоза получается при гидролизе полисахаридовкрахмала и целлюлозы (под действием ферментов или минеральных кислот).Применяется как средство усиленного питания или как лекарственное вещество, приотделке тканей, как восстановитель – в производстве зеркал.

Фруктоза, или плодовый сахар, С6Н12О6 - моносахарид, спутник глюкозы во многих плодовых и ягодных соках;значительно слаще глюкозы; в смеси с ней входит в состав меда. Представляетсобой шестиатомный кетоноспирт; строение фруктозы выражает приведенная вышеформула (б).

В формулах глюкозы (а) ифруктозы (б) показано характерное для всех моносахаридов относительноепространственное расположение атомов Н и групп ОН  при входящих в углероднуюцепь ассиметрических атомов углерода  (они помечены звездочками).

Ассиметрический атом – это атом, в соединениекоторого имеется атом углерода, связанный с четырьмя разными атомами илигруппами атомов.

Моносахариды как альдегидо- или кетоноспиртыявляются  соединениями со смешанными функциями; природа их усложненавозможностью внутримолекулярных взаимодействий  спиртовых гидроксильных групп сальдегидной  или кетоновой  карбонильной  группой. Благодаря этому моносахаридысуществуют и вступают в реакции не только в открытой цепной форме, но еще и вциклических формах. Углеродная цепь моносахарида, например глюкозы (а), можетпринимать конформацию «клешни» (см. ниже  формула в); при этом 1-й С-атом,несущий карбонильную группу, сближается со спиртовой группой  при 5-ом С-атоме;атом Н из группы ОН перемещается  (как показано пунктирной стрелкой) ккарбонильному кислороду, а кислород при 5-ом С-атоме соединяется с 1-м(карбонильным) С-атомом (это тукже показано пунктирной стрелкой).

Конформация – это различные формы, которые можетпринимать цепь в пространстве, благодаря возможности вращения атомов вокруг осисвязи.

В результатезамыкается шестичленное, содержащее атом кислорода, кольцо. Так образуются двецикличные α- и β- формы глюкозы, отличающиеся пространственнымрасположение атома Н и группы ОН при 1-м (в цикле он становится ассиметричным)С-атоме. Это можно представить перспективными формулами *:

/>

Перспективныеформулы чаще пишут упрощенно – без символов С, образующих кольцо и соединенныхс ними символов Н:

/>

В формулахциклических форм показано (пунктирной стрелкой), что возможен обратный переходатома Н из группы  ОН при 1-ом С-атоме к кислороду кольца. Последнее при этом раскрывается и образуется цепная форма.

Природная кристаллическаяглюкоза (виноградный сахар) представляет собой циклическую α-форму  (т.пл. моногидрата 83˚ С, безводной 146˚ С). При растворении в воде она,как показано выше на схеме, переходит в цепную, а через нее в β-форму; приэтом устанавливается динамическое равновесие между всеми*. β-форма также может быть выделена вкристаллическом виде (т. пл. 148-150˚ С); в водном растворе и она образуетравновесную систему, содержащую все формы. Цепная же форма  существует лишь врастворах, причем в очень небольших количествах (доли процента), а в свободномвиде не выделена.

Изомерные формысоединений. Способные переходить  друг в друга, называют таутомерными формами,или таутомерами, а само существование их – явлением таутомерии; оно весьмараспространено среди органических соединений.

Дисахариды – углеводы,которые при нагревании с водой в присутствии минеральных кислот или подвлиянием ферментов подвергаются гидролизу, расщепляясь на две молекулы моносахаридов.

Свекловичный, или тростниковый,сахар 9сахароза), С12Н22О11– важнейший из дисахаридов. Получается из сахарной свеклы (в нейсодержится до 28% сахарозы от сухого вещества) или из сахарного тростника (откуда и происходит название); содержится также в соке березы, клена инекоторых фруктов. Сахароза – ценнейший пищевой продукт. При гидролизе онараспадается с образованием молекулы глюкозы и молекулы фруктозы (образующаясмесь этих моносахаридов называется  инвертным сахаром):

/>       С12Н22О11  + Н2О            С6Н12О6  + С6Н12О6 

       сахароза                         глюкоза    фруктоза

     

Полисахариды .эти углеводы во многом отличаются от моно- и дисахаридов – не имеют сладкоговкуса, в большинстве не растворимы в воде; они представляют собой  сложныевысокомолекулярные соединения, которые под каталитическим влиянием кислот илиферментов подвергаются гидролизу с образованием более простых полисахаридов,затем дисахаридов и, в конечном итоге, множества (сотен и тысяч) молекулмоносахаридов. Важнейшие представители полисахаридов – крахмал и целлюлоза(клетчатка). Их молекулы построены на звеньях – С6Н10О5-, являющихся остатками шестичленных цикличных форм молекул глюкозы, потерявшихмолекулу воды; поэтому состав и крахмала, и целлюлозы выражается общей формулой(С6Н10О5) х. Различие же всвойствах этих полисахаридов обусловлено пространственной  изомерией образующихих моносахаридных молекул: крахмал построен из звеньев α-, а целлюлоза –β-формы глюкозы.

Крахмал -  (С6Н10О5)х   — белый (под микроскопом зернистый) порошок, нерастворимый вхолодной воде; в горячей – набухает, образую коллоидный раствор (крахмальныйклейстер); с раствором йода дает синееокрашивание (характерная реакция). Молекулы крахмала неоднородны по величине–значение х в них колеблется  от сотен до 1000-5000 и более.

В технике превращениякрахмала в глюкозу (процесс осахаривания) осуществляется путем кипячения его втечении нескольких часов с разбавленной серной кислотой (каталитическое влияниесерной кислоты на осахаривание крахмала было обнаружено в 1811 г. русскимученым К.С.Кирхгофом). чтобы из полученного раствора удалить серную кислоту, кнему прибавляют мел, образующий с серной кислотой нерастворимый сульфаткальция. Последний  отфильтровывают и раствор упаривают. Получается густаясладкая масса, так называемая крахмальная патока, содержащая, кроме глюкозы,значительное количество других продуктов гидролиза крахмала. Патока применяетсядля приготовления кондитерских изделий и для различных технических целей.

Если требуетсяполучить чистую глюкозу, то кипячение крахмала ведут дольше, чем достигаетсяболее полное превращение его в глюкозу. Полученный после нейтрализации ифильтрования раствор сгущают, пока из него не начнут выпадать кристаллыглюкозы.

При нагреваниисухого крахмала до 200-250 ˚ С  происходит частичное разложение его иполучается смесь менее сложных, чем крахмал, полисахаридов, называемаядекстрином. Декстрин применяется для отделки тканей и изготовление клея.Превращением крахмала в  декстрин объясняется образование блестящей корки напеченом хлебе, а также блеск накрахмаленного белья.

Целлюлоза, или клетчатка,(С6Н10О5) х– волокнистое вещество, главная составная часть оболочек растительныхклеток.  Величина х в молекулах целлюлозы обычно составляет около 3000, но может достигать 6000-12000. Наиболее чистая природная целлюлоза – хлопковоеволокно – содержит 85-90 % целлюлозы. В древесине хвойных деревьев целлюлозысодержится около 50 % (в состав древесины на ряду с целлюлозой  входят ееспутники, среди них важнейшими являются лигнин – природный полимер, построенныйиз нескольких ароматических кислородосодержащих соединений ряда бензола, игемицеддюдозы – родственные целлюлозе полисахариды).

Значение целлюлозыочень велико. Достаточно указать, что огромное значение хлопкового волокна идетдля выработки хлопчатобумажных тканей. Из целлюлозы получают бумагу и картон, апутем химической переработки – целый ряд разнообразных продуктов: искусственноеволокно, пластические массы, лаки, бездымный порох, этиловый спирт и др.

Наиболеераспространенный  промышленный способ выделения целлюлозы из древесинызаключается в обработке измельченной древесины при повышенных температуре идавлении раствором  гидросульфита кальция Са(НSО3)2.  При этом древесинаразрушается, содержащийся в ней лигнин переходит в раствор, целлюлоза жеостается в неизмененном виде. Затем целлюлозу отделяют от раствора, промываютводой, сушат и направляют на дальнейшую переработку. Целлюлозу, полученнуюописанным выше способом, часто называют сульфитной целлюлозой.

Целлюлоза нерастворяется в воде, диэтиловом эфире и этиловом спирте, она не расщепляетсяпод влиянием разбавленных кислот, устойчива к действию щелочей и слабыхокислителей.

При обработке нахолоду концентрированной серной кислотой  целлюлоза растворяется в ней, образуявязкий раствор. Если этот раствор вылить в избыток воды, выделяется белыйхлопьевидный продукт, так называемый амилоид, представляющий собой частично гидролизованную целлюлозу. Он сходен скрахмалом по реакции с йодом (синее окрашивание; целлюлоза не дает этойреакции). Если не проклеенную бумагу опустить на короткое время вконцентрированную серную кислоту и затем сейчас же промыть, то образующийсяамилоид склеивает волокна бумаги, делая ее более плотной и прочной.  Такизготавливается пергаментная бумага.

При продолжительномдействии на целлюлозу концентрированных растворов минеральных кислот она принагревании подвергается гидролизу, конечным продуктом которого являетсяглюкоза.

В молекулахцеллюлозы содержатся спиртовые гидроксильные группы: в каждом остатке глюкозытаких групп три и формулу целлюлозы можно представить так: [С6Н7О2(ОН)3]х.Поэтому из нее могут быть получены простые и сложные эфиры.

Сложные эфирыцеллюлозы и азотной кислоты – нитраты целлюлозы (нитроцеллюлоза) – могут иметьсостав [С6Н7О2(ОН)2(ОNO2)]х, [С6Н7О2(ОН)(ОNO2)2]х  и[С6Н7О2(ОNO2)3]х. Они идут на изготовлениебездымного пороха (пироксилина), целлулоида, нитролаков и т.д. Из уксуснокислыхэфиров целлюлозы (ацетаты целлюлозы, или ацетилцеллюлоза), например  [С6Н7О2(ОСОСН3)3]х,изготовляют негорючую фото- и кинопленку, различные прозрачные пластическиемассы и лаки.

Большоепромышленное значение имеет химическая переработка целлюлозы в искусственноеволокно.

Производствоискусственного волокна  из целлюлозы осуществляется тремя  способами:вискозным, ацетатным и медноаммиачным.

Дляполучения волокна по вискозному способу  целлюлозу обрабатывают едкимнатром, а затем сероуглеродом. Образующуюся оранжевую массу, называемую ксантогенатом, растворяют в слабом растворе  слабого натра, получая такназываемую вискозу. Последнюю продавливают черезспециальные колпачки с мельчайшими отверстиями (фильеры) в осадительную ванну,содержащую водный раствор серной кислоты. При взаимодействии с серной кислотой щелочь нейтрализуется, и вискоза разлагается, расщепляя сероуглерод и образуюблестящие нити несколько измененной по составу целлюлозы. Эти нити представляютсобой вискозное волокно.

Приполучении по ацетатному способу  раствор ацетата целлюлозы в ацетонепродавливается через фильеры навстречу теплому воздуху.ацетон испаряется иструйки раствора превращаются в тончайшие нити – ацетатное волокно.

Менеераспространенным является  медноаммиачныйспособ, при которомиспользуется характерное свойство целлюлозы – ее способности растворяться ваммиачном растворе оксида меди (II) [ Cu(NН3)4](ОН)2  (реактивШвейцера). Из этого раствора действием кислот  вновь выделяют целлюлозу. Нитиволокна получают продавливанием медноаммиачного раствора сквозь фильеры восадительную ванну  с раствором кислоты.

Рассмотримполучение этилового спирта с помощью моно- и полисахаридов.

Этиловый(винный) спирт, или этанол, СН3СН2ОН (темп. кип. 78,4 º С) – одно из важнейшихисходных веществ в современной  промышленности  органического синтеза. Дляполучения его издавна пользуются различными сахаристыми веществами, напримервиноградным сахаром,, или глюкозой, которая путем «брожения», вызываемогодействием ферментов, вырабатываемых дрожжевыми грибками, превращается вэтиловый спирт. Реакция протекает согласно схеме:

/>С6Н12О6            2С2Н5ОН + 2 СО2 ↑

глюкоза            этиловый

                            спирт

Глюкоза в свободномвиде содержится, например, в виноградном соке, при брожении которого получаетсявиноградное вино с содержанием спирта от 8 до 16 %.

Исходным продуктомдля получения спирта может служить полисахарид крахмал, содержащийся, например,в клубнях картофеля, зернах ржи, пшеницы, кукурузы. Для превращения в сахарныевещества (глюкозу) крахмал предварительно подзаваривают горячей водой и поохлаждении добавляют  солод – проросшие,а затем просушенные и растертые с водой  зерна ячменя. В солоде содержится диастаз(сложная смесь ферментов), действующих напроцесс осахаривания  крахмала каталитически. По окончании осахаривания кполученной жидкости прибавляют  дрожжи, под действием фермента которых (зимазы) образуется спирт. Его отгоняют и затем очищаютповторной перегонкой.

В настоящее времяосазариванию подвергают только другой полисахарид –целлюлозу (клетчатку),образубщую главную массу древесины. Для этого целлюлозу, подвергают гидролизу вприсутствии кислот (например, древесные опилки при 150-170 º Собрабатывают 0,1-5% серной кислотой  под давлением 0,7 – 1,5 Мпа). Полученныйтаким образом продукт также  содержит глюкозу  и сбраживается на спирт припомощи дрожжей (гидролизный спирт).