О чём этот урок

Глюкоза — вещество, в молекуле которого одновременно встречаются сразу две уже знакомые вам функциональные группы. Это отличный повод увидеть, как из «строительных блоков» предыдущих уроков собираются более сложные природные молекулы. А ещё в этом уроке вы узнаете, почему крахмал усваивается организмом, а целлюлоза из той же самой глюкозы — нет.

Прежде чем начать

Пригодятся понятия из более ранних уроков этого курса:

• гидроксильная группа и свойства многоатомных спиртов (урок 13, вспомните реакцию глицерина с гидроксидом меди(II));
• карбонильная группа и свойства альдегидов, включая реакцию «серебряного зеркала» (урок 15);
• понятие изомерии, в том числе межклассовой (урок 6);
• понятие полимера как длинной цепи повторяющихся звеньев (общее представление, без деталей — они будут в уроке 22).

Разбираемся с нуля

Классификация углеводов

Углеводы делят на три группы по сложности молекулы:

• моносахариды — простейшие углеводы, не гидролизуются на более простые (глюкоза, фруктоза);
• дисахариды — состоят из двух остатков моносахаридов, гидролизуются на них (сахароза);
• полисахариды — длинные цепи из множества остатков моносахаридов (крахмал, целлюлоза).

Глюкоза: молекула с двумя знакомыми функциями сразу

Молекулярная формула глюкозы:

$$C_6H_{12}O_6$$

В открытой (цепной) форме молекулу глюкозы можно представить так: шесть атомов углерода образуют цепь, на одном конце которой — карбонильная группа, а на пяти остальных атомах углерода — по одной гидроксильной группе:

$$CH_2OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-CH=O$$

Присмотритесь: это одновременно пятиатомный спирт (пять групп $-OH$, урок 13) и альдегид (одна карбонильная группа на конце цепи, урок 15). Такое сочетание функций в одной молекуле называют многофункциональностью, и глюкоза — классический тому пример: она объединяет два класса, изученных в отдельных уроках, в одну молекулу.

Важно: в водном растворе открытая (цепная) форма глюкозы — не основная. Преобладает циклическая форма, в которой карбонильная группа взаимодействует с одной из гидроксильных групп той же молекулы, замыкая шестичленное кольцо. Открытая и циклическая формы находятся в подвижном равновесии, а все реакции по карбонильной группе идут за счёт небольшой доли открытой формы, которая постоянно восстанавливается.

Фруктоза — изомер глюкозы другого класса

У фруктозы та же молекулярная формула:

$$C_6H_{12}O_6$$

Но карбонильная группа во фруктозе расположена не на конце цепи, а внутри неё — это кетонная группа, а не альдегидная. Значит, глюкоза — альдегидоспирт (альдоза), а фруктоза — кетоноспирт (кетоза). Одинаковая молекулярная формула, но разные классы соединений — это в точности межклассовая изомерия, которую вы разбирали в уроке 6.

Химические свойства глюкозы

Раз в молекуле глюкозы есть уже знакомые вам группы, логично ожидать и знакомых реакций.

Реакция «серебряного зеркала» — доказательство альдегидной группы. Как и любой альдегид (урок 15), глюкоза при нагревании с аммиачным раствором оксида серебра восстанавливает серебро до металла, покрывая стенки пробирки зеркальным слоем:

$$CH_2OH(CHOH)_4CHO + Ag_2O \xrightarrow{NH_3, t} CH_2OH(CHOH)_4COOH + 2Ag\downarrow$$

Реакция с гидроксидом меди(II) — доказательство нескольких гидроксильных групп. Как и глицерин (урок 13), глюкоза при взаимодействии со свежеосаждённым $Cu(OH)_2$ растворяет его, образуя ярко-синий раствор — качественная реакция на многоатомный спирт с несколькими соседними группами $-OH$.

Обе реакции вместе — прямое экспериментальное подтверждение того, что в молекуле глюкозы одновременно есть и альдегидная группа, и несколько гидроксильных.

Сахароза — дисахарид

Сахароза (обычный сахар) — дисахарид, молекула которого состоит из остатка глюкозы и остатка фруктозы, соединённых друг с другом. При гидролизе (нагревание с водой в присутствии кислоты) сахароза распадается на исходные моносахариды:

$$C_{12}H_{22}O_{11} + H_2O \xrightarrow{H^+, t} C_6H_{12}O_6 \; (\text{глюкоза}) + C_6H_{12}O_6 \; (\text{фруктоза})$$

Обратите внимание на формальное сходство с гидролизом сложного эфира (урок 17): в обоих случаях крупная молекула распадается на два фрагмента при участии воды.

Крахмал и целлюлоза — два полисахарида из одного «кирпичика»

Оба этих вещества — полисахариды, построенные из остатков одной и той же глюкозы, повторяющихся тысячи раз подряд в длинной цепи. Разница между крахмалом и целлюлозой — не в составе «кирпичиков», а в том, как именно они соединены и как уложена вся цепь:

• Крахмал — цепи разветвлённые и свёрнутые в спираль. Такая рыхлая, «удобная» структура легко разбирается пищеварительными ферментами человека на отдельные молекулы глюкозы — крахмал усваивается организмом и служит запасным источником энергии в растениях (клубни картофеля, зёрна злаков).
• Целлюлоза — цепи линейные, вытянутые и плотно уложенные параллельно друг другу, скреплённые множеством связей между соседними цепями. Такая структура механически очень прочная, но ферменты пищеварительной системы человека не способны её расщепить — целлюлоза не усваивается человеком, зато она составляет основу клеточных стенок растений и служит опорным материалом (древесина, хлопковое волокно).

Важно: крахмал и целлюлоза — наглядный пример того, что свойства полимера определяются не только тем, из чего он состоит, но и тем, как уложены его цепи. Один и тот же «кирпичик» — глюкоза — даёт два вещества с совершенно разными свойствами.

Качественная реакция на крахмал

Крахмал даёт характерную реакцию с йодом: при добавлении раствора йода к крахмалу возникает интенсивное синее окрашивание. Это самая простая и надёжная качественная реакция на крахмал, которую легко проверить дома, капнув йодом на разрезанную картофелину.

Примеры и разбор

Пример 1. Какие группы докажет каждый реактив

Задача: К раствору глюкозы добавили аммиачный раствор оксида серебра и слегка нагрели, наблюдали серебряный налёт. В другой пробирке к раствору глюкозы добавили свежеосаждённый гидроксид меди(II), наблюдали ярко-синее окрашивание. Какую функциональную группу подтверждает каждый опыт?

Разбор: Серебряное зеркало — качественная реакция именно на альдегидную группу, значит, первый опыт подтверждает наличие $-CHO$ в молекуле глюкозы. Растворение $Cu(OH)_2$ с образованием синего раствора — качественная реакция на несколько соседних гидроксильных групп (как у глицерина), значит, второй опыт подтверждает многоатомноспиртовую природу глюкозы.

Вывод: два разных реактива подтверждают две разные функциональные группы одной и той же молекулы — прямое доказательство многофункциональности глюкозы.

Пример 2. Глюкоза и фруктоза — одна формула, разные вещества

Задача: У глюкозы и фруктозы одинаковая молекулярная формула $C_6H_{12}O_6$. Почему это разные вещества и как называется такое явление?

Разбор: У глюкозы карбонильная группа альдегидная (на конце цепи), у фруктозы — кетонная (внутри цепи). Разное расположение и тип карбонильной группы делают эти вещества представителями разных классов (альдоза и кетоза) при полном совпадении молекулярной формулы. Это межклассовая изомерия.

Вывод: совпадение молекулярной формулы не означает совпадения вещества — решает именно строение.

Пример 3. Почему целлюлозу нельзя есть, а крахмал — можно

Задача: И крахмал, и целлюлоза построены из остатков глюкозы, но человек усваивает только крахмал. Объясните почему.

Разбор: Дело не в составе, а в структуре цепи и типе связи между звеньями. Разветвлённая, рыхлая структура крахмала легко расщепляется пищеварительными ферментами человека до глюкозы. Линейная, плотно упакованная структура целлюлозы устойчива к этим же ферментам — у человека просто нет нужного фермента, способного разорвать такие связи (в отличие, например, от некоторых травоядных животных с иной микрофлорой кишечника).

Вывод: усвояемость полисахарида определяется структурой цепи, а не только тем, из какого моносахарида она построена.

Проверьте себя

1. Назовите три группы углеводов по сложности молекулы и приведите по одному примеру.
2. Какие две функциональные группы одновременно присутствуют в открытой форме глюкозы?
3. Какая форма глюкозы преобладает в водном растворе — открытая или циклическая?
4. Чем фруктоза отличается от глюкозы на уровне строения, хотя их молекулярные формулы совпадают?
5. Какая качественная реакция подтверждает альдегидную группу глюкозы, а какая — наличие нескольких гидроксильных групп?
6. На какие вещества гидролизуется сахароза?
7. Чем отличается структура цепи крахмала от структуры цепи целлюлозы и как это связано с усвояемостью?
8. Какой цвет даёт крахмал при реакции с йодом?

Коротко о главном

• Углеводы делятся на моносахариды, дисахариды и полисахариды по числу структурных звеньев в молекуле.
• Глюкоза $C_6H_{12}O_6$ в открытой форме — одновременно многоатомный спирт (пять групп $-OH$) и альдегид (одна карбонильная группа), при этом в растворе преобладает циклическая форма.
• Фруктоза — межклассовый изомер глюкозы: та же формула $C_6H_{12}O_6$, но кетоза, а не альдоза.
• Реакция «серебряного зеркала» подтверждает альдегидную группу глюкозы; реакция с $Cu(OH)_2$ (синий раствор) подтверждает несколько соседних гидроксильных групп.
• Сахароза — дисахарид, гидролизуется до глюкозы и фруктозы.
• Крахмал и целлюлоза — полисахариды на основе одной и той же глюкозы, но с разной структурой цепи: разветвлённой/спиральной (крахмал, усваивается) и линейной (целлюлоза, не усваивается человеком, но прочная).
• Крахмал даёт синее окрашивание с йодом — простая и надёжная качественная реакция.
• Целлюлоза — основной строительный материал клеточных стенок растений.

Куда дальше

Все углеводсодержащие соединения, которые мы разобрали, состояли из углерода, водорода и кислорода. В следующем уроке в молекуле впервые появится азот — мы разберём амины, органические соединения, которые можно рассматривать как «родственников» знакомого вам из неорганической химии аммиака.

➡ Урок 19: Амины: азотсодержащие органические соединения