Моносахариды: рибоза, дезоксирибоза, глюкоза, фруктоза. Понятие о пространственных изомерах углеводов. Циклические формы моносахаридов

Лекция Углеводы

Этим названием обозначаются широко распространенные в природе вещества. Они возникают в растительных организмах в результате сложной химической реакции, в которой участвуют вода, углекислый газ из воздуха и солнечная энергия, причем реакция происходит с участием зерен хлорофилла, находящегося в зеленой части растений.

Итак, углеводы (сахара) — одна из наиболее важных и распро­страненных групп природных органических соединений. Общая формула C_mH_2nO_n (m и n³3).

В растительном организме до 80% (сухого веса), а в животных организмах — до 2% (сухого веса) составляют углеводы.

В организме животных и человека углеводы (сахара) поступа­ют с различными пищевыми продуктами растительного проис­хождения, т.к. сахара не могут синтезироваться в организмах животного происхождения.

В растениях же углеводы образуются в процессе фотосинтеза из воды и углекислого газа (см. выше):

Углеводы имеют разное строение, их можно разделить на две группы: простые и сложные углеводы.

Простыми углеводами (моносахаридами) называются такие соединения, которые не могут гидролизоваться с образованием более простых углеводов.

Сложными углеводами (полисахаридами) называют такие со­единения, которые могут гидролизоваться с образованием про­стых углеводов.

Моносахариды: рибоза, дезоксирибоза, глюкоза, фруктоза. Понятие о пространственных изомерах углеводов. Циклические формы моносахаридов

В молекулах моносахаридов может содержаться от трех до девяти атомов углерода. Названия всех групп моносахаридов, а также названия отдельных представителей оканчиваются на -оза. В зависимости от числа атомов углерода в молекуле моноса­хариды делятся на тетрозы, пентозы, гексозы и т.д. Наибольшее значение имеют гексозы и пентозы.

Рибоза и дезоксирибоза

В природе часто встречаются пентозы. Из них большой инте­рес представляют рибоза и дезоксирибоза, т.к. они входят в состав нуклеиновых кислот.

Название «дезоксирибоза» показывает, что по сравнению с рибозой в ее молекуле на одну—ОН группу меньше.

Молекулы рибозы и дезоксирибозы могут иметь как линей­ное, так и циклическое строение:

Важнейшими представителями гексоз являются глюкоза и фруктоза, на примере которых рассмотрим строение, номенкла­туру, изомерию и свойства моносахаридов.

Строение

Глюкоза и фруктоза являются изомерами и имеют молеку­лярную формулу С₆Н₁₂О₆.

Строение моносахаридов было установлено с помощью реакций:

1) Восстановления глюкозы йодистым водородом, в результате этой реакции образуется 2-иодгексан.

2) Глюкоза вступает в реакцию с аммиачным раствором оксида серебра, что говорит о наличии в молекуле глюкозы альдегид­ной группы:

(С₅Н₁₁О₅)СОН+2[Ag(NH₃)₂]OH®(C₅H₁₁O₅)COONH₄+2Ag¯+3NH₃+H₂O

3) Глюкоза окисляется бромной водой в глюконовую кислоту:

(С₅Н₁₁О₆)СОН+Br₂+Н₂O®(С₅Н₁₁O₅)СООН+2HBr

4) При взаимодействии глюкозы с гидроксидом меди происходит окрашивание раствора в синий цвет — это качественная реак­ция для многоатомных спиртов. Количественные эксперимен­ты показали, что в молекуле глюкозы 5 гидроксильных групп. Таким образом, глюкоза — это пятиатомный альдегидоспирт.

5) В молекуле фруктозы также установлено наличие 5 спиртовых групп, но при энергичном окислении фруктоза образует две оксикислоты с двумя и четырьмя атомами углерода. Такое поведение характерно для кетонов. Таким образом, фрукто­за — многоатомный кетоноспирт:

Следовательно, моносахариды — это многоатомные альдегидо- или кетоноспирты.

Однако ряд экспериментальных фактов не находит объясне­ния в рамках такого строения моносахаридов: 1) моносахариды не дают некоторые реакции, характерные для альдегидов; в частности, они не образуют бисульфитных соеди­нений при взаимодействии с NaHSO₃;

2) при измерении оптической активности свежеприготовленных растворов глюкозы оказалось, что она с течением времени па­дает;

3) при нагревании моносахаридов с метиловым спиртом в присут­ствии HСl выпадает кристаллический осадок гликозида, кото­рый легко гидролизуется с образованием одной молекулы спирта.

Все эти факты нашли объяснение, когда предположили, что каждый моносахарид может существовать в виде несколь­ких таутомерных форм. В растворе, кроме развернутых цепей, существуют и циклические формы, которые образуются при внутримолекулярном взаимодействии альдегидной группы и гидроксильной группы при пятом атоме углерода:

Наличие циклической формы объясняет все вышеприведен­ные аномалии следующим образом:

1) в растворах преобладают циклические формы моносахаридов, открытые формы находятся в небольших количествах;

2) изменение оптической активности связано с установлением равновесия между открытой и циклической формами.

Образование гликозидов объясняется наличием гликозидного, или полуацетального гидроксила, который отличается большей ре­акционной способностью, чем остальные гидроксиды. Поэтому он легко взаимодействует со спиртами с образованием гликозидов. Хеуорс предложил изображать циклические формы Сахаров так, чтобы отчетливо были видны и кольцо, и заместители:

Циклические формы моносахаридов могут содержать пять или шесть атомов в цикле. Сахара с шестичленным циклом назы­ваются пиранозами, например, глюкоза — глюкопираноза; цик­лические формы Сахаров с пятичленным циклом называются фуранозами. Глюкоза с пятичленным циклом — глюкофураноза, а фруктоза с пятичленным циклом — фруктофураноза.

Номенклатура и изомерия моносахаридов Названия моносахаридов содержат греческие названия числа

атомов и окончание -оза (см. выше).

Наличие альдегидной и кетонной группы обозначается прибавлением слов альдоза, кетоза. Глюкоза — альдогексоза, фруктоза — кетогексоза.

Изомерия обусловлена наличием:

1) альдегидной или кетонной группы;

2) асимметричного атома углерода;

3) таутомерии (т.е. равновесия между разными формами молекулы).

Получение моносахаридов

1) В природе глюкоза и фруктоза (наряду с другими моносахари­дами) образуются в результате реакции фотосинтеза:

Исходя из этого можно сделать вывод, что ряд моносахаридов встречается в природе в свободном виде, например фруктоза и глюкоза содержатся в фруктах, фруктоза — в меде и т.д.

2) Гидролиз полисахаридов. Например, на производстве глюкозу чаще всего получают гидролизом крахмала в присутствии сер­ной кислоты:

3) Неполное окисление многоатомных спиртов.

4) Синтез из формальдегида в присутствии гидроксида кальция (предложен А. М. Бутлеровым в 1861 г.):

Физические свойства

Моносахариды представляют собой твердые вещества, спо­собные кристаллизоваться, гигроскопичны, хорошо растворимы в воде. Водные растворы их имеют нейтральную реакцию на лак­мус, большинство — сладкие на вкус. В спирте растворяются плохо, в эфире нерастворимы.

Глюкоза — бесцветное кристаллическое вещество, сладкое на вкус, хорошо растворимо в воде. Из водного раствора ее выделяют в виде кристаллогидрата С₆Н₁₂О₆•Н₂О.

Химические свойства

Химические свойства моносахаридов обусловлены наличием в их молекулах различных функциональных групп.

1. Окисление моносахаридов:

(С₅Н₁₁O₆)СОН+2[Ag(NH₃)₂]OH®(C₆H₁₁O₅)COONH₄+2Ag¯+3NH₃+H₂O

2. Реакция спиртовых гидроксидов:

а) взаимодействие с гидроксидом меди (II) с образованием алкоголята меди (II);

б) образование простых эфиров;

в) образование сложных эфиров при взаимодействии с карбоновыми кислотами — реакция этерификации. Например, вза­имодействие глюкозы с уксусной кислотой или ее хлорангидридом:

3. Образование гликозидов (см. выше).

4. Брожение. Брожение — это сложный процесс, при котором происходит расщепление моносахаридов под влиянием раз­личных микроорганизмов. Различают брожение:

а) спиртовое:

Химические свойства глюкозы показаны также в табл. 41.

Применение глюкозы

Глюкоза — ценный питательный продукт. В организме она подвергается сложному биохимическому превращению, при этом высвобождается энергия, которая накапливается в процессе фо­тосинтеза, который протекает ступенчато, и поэтому энергия вы­деляется медленно (см. рис. 51).

Большое значение имеют процессы брожения глюкозы. На­пример, при квашении капусты, огурцов, скисании молока про­исходит молочнокислое брожение глюкозы, так же как при сило­совании кормов. Широко используется на практике спиртовое брожение глюкозы, например, при производстве пива.

Фруктоза

Фруктоза имеет такую же, как и глюкоза, молекулярную формулу (С₆Н₁₂О₆), но является не полиоксиальдегидом, а полиоксикетоном. Молекула фруктозы содержит три асимметричес­ких атома углерода, причем конфигурация у них такая же, как и у соответствующих атомов в молекуле глюкозы. Итак, фрукто­за — изомер и «близкий родственник» глюкозы. Она хорошо рас­творима в воде, имеет сладкий вкус (примерно в 3 раза слаще глюкозы).

Фруктоза также наиболее часто встречается в циклических формах (a- или b-), но, в отличие от глюкозы, в пятичленных. В водных растворах фруктозы имеет место равновесие:

Фруктоза и глюкоза в больших количествах содержатся в сладких фруктах, пчелином меде.