10 класс. Химия. Моносахариды на примере глюкозы. Строение глюкозы

В природе наиболее распространены моносахариды, в молекулах которых содержится пять углеродных атомов (пентозы) или шесть (гексозы). Моносахариды - гетерофункциональные соединения, в состав их молекул входит одна карбонильная группа (альдегидная или кетонная) и несколько гидроксильных. Например:

Таким образом, моносахариды - это полигидроксиальдегиды (рибоза, глюкоза) или полигидроксикетоны (фруктоза).

Однако не все свойства моносахаридов согласуются с таким строением. Так, моносахариды не участвуют в некоторых реакциях, типичных для карбонильной группы. Одна из гидроксигрупп отличается повышенной реакционной способностью и ее замещение на группу -OR приводит к исчезновению свойств альдегида (или кетона).

Это приводит к выводу, что моносахаридам, кроме приведенных формул, свойственна также иная структура, возникающая в результате внутримолекулярной реакции между карбонильной группой с одним из спиртовых гидроксилов.

Реакция присоединения спирта к альдегиду приводит к образованию полуацеталя R-CH(OH)R'. Такая реакция внутри одной молекулы сопровождается ее циклизацией, т.е. образованием циклического полуацеталя.

Известно, что наиболее устойчивыми являются 5-ти и 6-ти членные циклы. Поэтому, как правило, происходит взаимодействие карбонильной группы с гидроксилом при 4-м или 5-м углеродном атоме (нумерация начинается с карбонильного углерода или ближайшего к нему конца цепи).

Таким образом, в результате взаимодействия карбонильной группы с одной из гидроксильных моносахариды могут существовать в двух формах: линейной (оксо-форме) и циклической (полуацетальной). В растворах моносахаридов эти формы находятся в равновесии друг с другом. Например, в водном растворе глюкозаы существуют следующие структуры:

Циклические a- и b-формы глюкозы представляют собой пространственные изомеры, отличающиеся положением полуацетального гидроксила относительно плоскости кольца. 

В a-глюкозе этот гидроксил находится в цис-положении к гидроксилу при С2, в b-глюкозе - в транс-положении.

С учетом пространственного строения шестичленного цикла (аним.5.1.1.) формулы этих изомеров имеют вид:

Равновесие трех форм глюкозы в одном растворе

В кристаллическом состоянии моносахариды имеют циклическое строение.

Химические свойства моносахаридов обусловлены наличием в молекуле функциональных групп двух видов: 

• глюкоза как многоатомный спирт образует простые и сложные эфиры
• комплексное соединение с гидроксидом меди (II)
• как альдегид она окисляется аммиачным раствором оксида серебра в глюконовую кислоту
• восстанавливается водородом в шестиатомный спирт - сорбит
• В полуацетальной форме глюкоза способна к нуклеофильному замещению полуацетального гидроксила на группу -OR (образование гликозидов, олиго- и полисахаридов). 

Практическое значение имеет реакция брожения - расщепление глюкозы под действием различных микроорганизмов:

а) спиртовое брожение

C6H12O6 --> 2C2H5OH + 2CO2

б) молочнокислое брожение

C6H12O6 --> 2CH3-CH-COOH 

                   I   

                    OH

(молочная кислота)

Аналогично ведут себя в химических реакциях и другие моносахариды.

Видео для урока:

• Качественная реакция глюкозы с гидроксидом меди (II)
• Качественная реакция глюкозы с аммиачным раствором оксида серебра (I)

• Распознавание глюкозы с помощью качественных реакций

• Окисление глюкозы кислородом воздуха в присутствии метиленового голубого

• Определение глюкозы в виноградном соке
• Применение глюкозы
• Задания:
• 1. Напишите уравнения химических реакций, характеризующие свойства глюкозы как альдегидоспирта
• 2. Задача. Смешали 100 г 10%-го раствора и 200 г 5%-го раствора глюкозы. Чему равна массовая доля (в процентах) углевода в полученном растворе? Ответ округлите до сотых долей.