39. Вуглеводи
Вуглеводи
Визначення. Вуглеводи – це органічні речовини, що належать до класу полігідроксикарбонільних сполук. Багато вуглеводів має склад, що відповідає загальній формулі Сn(H2О)m, але відомі також вуглеводи іншого складу. Разом з тим, цією формулою можна описати склад деяких органічних сполук, які не належать до вуглеводів (оцтова кислота С2Н4О2, формальдегід СН2O).
Класифікація. Вуглеводи поділяють на три групи: моносахариди (не гідролізуються), дисахариди (утворюють під час гідролізу дві молекули моносахаридів) та полісахариди – високомолекулярні речовини (утворюють під час гідролізу п молекул моносахаридів). Серед моносахаридів є альдози, що мають альдегідну групу, та кетози, які містять кетонну групу. Залежно від числа атомів кисню в молекулі розрізняють тріози, тетрози, пентози, гексози тощо.
Класифікацію вуглеводів можна зобразити такою схемою:
Номенклатура. Вживають ще такі загальні назви вуглеводів: сахариди, сахари та тривіальні назви їх представників: глюкоза, фруктоза, маноза, сахароза тощо.
ізомерія. У моносахаридів існує міжкласова та стереоізомерія. Альдози є ізомерами кетоз з однаковими молекулярними брутто-формулами (альдо- та кетогексози). Стереоізомерія моносахаридів обумовлена просторовою асиметрією вторинних атомів вуглецю (див. будову їх молекул). Серед альдогексоз, як і серед кетогексоз, що мають чотири таких атоми, відомо багато стереоізомерів. Усі ці ізомери є оптично активними речовинами (обертають площину поляризованого світла). Якщо обертання відбувається за годинниковою стрілкою, речовина є правообертаючим оптичним ізомером, проти годинникової стрілки – лівообертаючим. Кожний стереоізомер – моносахарид існує у вигляді двох таких оптичних ізомерів.
На відміну від інших ізомерів оптичні мають однакові хімічні та фізичні властивості (температури кипіння та плавлення, густину), але різну біологічну активність. Кетогексози ще характеризуються ізомерією положення карбонільної групи в ланцюзі.
Будова молекул. Молекули гексоз мають відкриту або циклічну форму. До складу відкритої молекули входять такі функціональні групи: альдегідна (у альдогексоз) чи кетонна (кетогексоз) та спиртові – первинна –СН2ОН і вторинні =СНОН. Альдогексози мають чотири групи =СНОН, кетогексози – три, але у останніх число вторинних атомів вуглецю теж становить чотири (разом з кетонною групою). Структурна формула усіх альдогексоз мас такий вигляд:
Будову стереоізомерів зображують формулами Фішера, які запропонував німецький хімік Е. Фішер (1852-1919), лауреат Нобелівської премії 1908 р. Наведемо формули деяких стереоізомерів моносахаридів:
Розглянемо утворення циклічної форми гексоз на прикладі глюкози. Вуглецевий ланцюг внаслідок обертання атомів відносно альфа-зв’язку може бути не тільки витягнутим, але й загнутим. Тоді карбонільна група >С=О наближається до п’ятого атома вуглецю, відбувається внутрішньомолекулярна взаємодія і виникає зв’язок між першим та п’ятим атомами вуглецю через кисень. Так утворюється шестичленне кільце – напівацетальна форма глюкози або будь-якої гексози:
Напівацетальними (напівацеталями) називають продукти взаємодії альдегідів і кетонів із спиртами. Вони мають таку будову:
У циклічній молекулі немає альдегідної групи. Замість неї біля першого атома вуглецю утворюється гідроксигрупа, яка називається напівацетальною гідроксигрупою. Вона легше вступає в реакції, ніж спиртові гідроксигрупи, тобто є більш реакційноздатною. Ця група може займати різне положення щодо площини молекули. Циклічна форма, в якій напівацетальна гідроксигрупа знаходиться під площиною кільця молекули, називається альфа-формою, над площиною – бета-формою.
Циклічну формулу зображають по-різному. Часто атоми вуглецю в кільці не позначаються (див. формулу бензолу). Щоб було чітко видно не лише кільце, а й розміщення атомів водню та гідроксигруп щодо площини кільця, англійський вчений У. Хеуорс запропонував зображати три зв’язки між атомами вуглецю, повернені вперед до читача, жирними лініями.
Дисахариди мають циклічну будову, яка складається з двох залишків моносахаридів (сахароза – з глюкози та фруктози, мальтоза – з двох залишків глюкози, лактоза – з глюкози та галактози).
Полісахариди (крохмаль, целюлоза) утворені із залишків глюкози.
Поширення у природі. Вуглеводи утворюються в зелених рослинах у результаті фотосинтезу з оксиду вуглецю (IV) та води. їх масова частка становить близько 80 % сухої маси речовини рослин і до 2 % – тваринних організмів.
Вуглеводи відіграють важливу роль у житті людини. Як і жири, вони є джерелом енергії в організмі. їжа людини приблизно на 70 % складається з вуглеводів. Вуглеводи є сировиною для виготовлення паперу, тканин.
У природі найбільш поширені правообертаючі глюкоза, галактоза, маноза, сахароза, лівообертаюча фруктоза.
Властивості вуглеводів розглянемо на прикладі глюкози, сахарози, крохмалю та целюлози.