Вход в личный кабинет | Регистрация
Избранное (0) Список сравнения (0)
Ваши покупки:
0 товаров на 0 Р
Итого: 0 Р Купить

Углеводы формулы и названия: Углеводы – классификация и свойства в таблице, общая формула (химия, 10 класс)

Содержание

Углеводы » HimEge.ru

Углеводы — органические вещества, молекулы которых состоят из атомов углерода, водорода и кислорода. Причем, водород и кислород в них стоит в тех соотношениях, что и в молекулах воды (1:2)
Общая формула углеводов Cn(H2O)m, т. е. они как бы состоят из углерода и воды, отсюда и название класса, которое имеет исторические корни. Оно появилось на основе анализа первых известных углеводородов. В дальнейшем было установлено, что имеются углеводы, в молекулах которых нет соотношения 1H : 2O, например, дезоксирибоза — C5H10O4 .  Известны так же органические соединения, состав которых подходит к приведенной общей формуле, но которые не принадлежат к классу углеводов.  К ним относятся, например формальдегид CH2O   и уксусная кислота CH3COOH.
Однако, название «углеводороды» укоренилось и является общепризнанным для этих веществ.
Углеводороды по их способности гидролизоваться можно разделить на три основные группы: моно-, ди- и полисахариды.

Моносахариды —  углеводы, которые не гидролизуются (не разлагаются водой). В свою очередь, в зависимости от числа атомов углерода. Моносахариды подразделяются на триозы (молекулы которых содержат три атома углерода), тетрозы (четыре атома),  пентозы (пять), гексозы (шесть) и т. д.
В природе моносахариды предоставлены преимущественно пентозами и гексозами. К пентозам относятся, например, рибоза C5H10O5  и дезоксирибоза (рибоза, у которой «отняли» атом кислорода) C5H10O4 .  Они входят в состав РНК и ДНК и определяют первую часть названий нуклеиновых кислот.
К гексозам, имеющим общую молекулярную формулу  C6H12O6, относятся, например, глюкоза, фруктоза, галактоза.
 Дисахариды – углеводы, которые гидролизуются с образованием двух молекул моносахаридов,  например гексоз.  Общую формулу подавляющего большинства  дисахаридов вывести несложно: нужно «сложить» две формулы гексоз и «вычесть» из получившейся  формулы молекулу воды – C

12H22O10. Соответственно, можно записать  и  общее уравнение гидролиза:

C12H22O10 + H2O → 2C6H12O6
К дисахаридам относятся:
1) Сахароза (обычный пищевой сахар), которая при гидролизе образует одну молекулы глюкозы и молекулу фруктозы. Она содержится в большом количестве в сахарной свекле, сахарном тростнике (отсюда и названия – свекловичный и тростниковый сахар), клене (канадские первопроходцы добывали кленовый сахар), сахарной пальме, кукурузе и т. д.

2)  Мальтоза (солодовый сахар), которая гидролизуется с образованием двух молекул глюкозы. Мальтозу можно получить при гидролизе крахмала под  действием ферментов, содержащихся в солоде, — пророщенных, высушенных и размолотых зернах ячменя.

3) Лактоза  (молочный сахар), которая гидролизуется с образованием  молекул глюкозы и  галактозы. Она содержится в молоке млекопитающих, обладает невысокой сладостью, и используется, как  наполнитель в  драже и аптечных таблеток.

Сладкий вкус разных моно- и дисахаридов различен. Так, самый сладкий  моносахарид – фруктоза —  в 1,5 раза слаще глюкозы, которую принимают за эталон. Сахароза (дисахарид), в свою очередь в 2 раза слаще глюкозы, и в 4-5 раз лактозы, которая почти безвкусна.

Полисахариды – крахмал, гликоген, декстрины, целлюлоза и т.д. – углеводы, которые гидролизуются с образованием множества молекул моносахаридов, чаще всего глюкозы.
Чтобы вывести формулу полисахаридов, надо от молекулы глюкозы «отнять» молекулу воды и   записать выражение с индексом  n: (C6H10O5)n . Ведь именно за счет отщепления молекул  воды в природе образуются ди- и полисахариды.

Роль углеводов в природе и их цена в жизни человека крайне важна. Образуясь в клетках растений в результате фотосинтеза,  они выступают источником энергии  для клеток животных. В первую очередь это относится к глюкозе.
Многие углеводы (крахмал, гликоген, сахароза) выполняют запасающую функцию, роль резерва питательных веществ.
Кислоты ДНК и РНК, в состав которых входят некоторые углеводы (пентозы-рибозы и дезоксирибоза), выполняют функции передачи наследственной информации.
Целлюлоза – строительный материал растительных клеток —  играет роль каркаса для оболочек этих клеток. Другой полисахарид – хитин—  выполняет аналогичную роль в клетках некоторых животных: образуется наружный скелет членистоногих (ракообразных), насекомых, паукообразных.
Углеводы в конечном итоге служат источником нашего питания: мы потребляет зерно, содержащее крахмал, или скармливаем его животным, в организме которых крахмал  превращается в жиры и белки. Самая гигиеническая  одежда изготовлена из целлюлозы или продуктов на ее основе: хлопка и льна, вискозного волокна, ацетатного шелка. Деревянные дома и мебель построены из той же целлюлозы, образующей древесину. В основе производства  кино- и фотопленки все та же целлюлоза. Книги, газеты, письма, денежные банкноты – все это продукция целлюлозно-бумажной промышленности. Значит, углеводы обеспечивают нас самым необходимым для жизни: пищей, одеждой, кровом.
Кроме того, углеводы участвуют в построении сложных белок, ферментов, гормонов. Углеводами являются и такие жизненно необходимые вещества, как гепарин (он играет важнейшую роль – предотвращает свертываемость крови), агар-агар (его получают из морских водорослей и применяют в микробиологической и кондитерской промышленности – вспомните  знаменитый торт «Птичье молоко»).
Необходимо подчеркнуть, что единственным видом энергии на Земле (помимо ядерной, разумеется) является энергия Солнца, а единственным способом ее аккумулирования для обеспечения жизнедеятельности всех живых организмов является процесс  фотосинтеза, протекающий в клетках и приводящий к синтезу углеводов из воды и углекислого газа. Именно при этом превращении образуется кислород, без которого жизнь на нашей планете была бы невозможна:
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2


Физические свойства и нахождение в природе

  Глюкоза и фруктоза – твердые и бесцветные вещества кристаллические вещества.  Глюкоза содержится в соке винограда (отсюда и название «виноградный сахар») вместе с фруктозой, которая содержится в некоторых фруктах и плодах (отсюда и название «фруктовый сахар»), составляет значительную часть меда. В крови человека и животных постоянно содержится около 0,1% глюкозы (80-120 мг в 100 мл крови). Наибольшая ее  часть (около 70%) подвергается в тканях медленному окислению с выделением энергии и образованием конечных продуктов – воды и углекислого газа (процесс гликолиза):
C6H12O6 + 6O

2   → 6CO2 + 6H2O + 2920 кДж
Энергия, выделяемая при гликолизе, в значительной степени обеспечивает энергетические потребности живых организмов.
Повышение содержания  глюкозы в крови уровня  180 мг на 100 мл свидетельствует о нарушении углеводного обмена и развитии опасного заболевания – сахарного диабета.

   Строение молекулы глюкозы

О строении молекулы глюкоз можно судить на основании опытных данных. Она реагирует с карбоновыми кислотами, образуя сложные эфиры, содержащие от 1 до 5 остатков кислоты. Если раствор глюкозы прилить к свежеполученному гидроксиду меди(||), то осадок растворяется и получается ярко-синий раствор соединения меди, т. е. происходит качественная реакция на многоатомные спирты. Следовательно, глюкоза является многоатомным спиртом. Если же подогреть полученный раствор, то вновь выпадает осадок, то уже красноватого цвета, т.е. произойдет качественная реакция на альдегиды. Аналогично, если раствор глюкозы разогреть с аммиачным раствором оксида серебра, то произойдет реакция «серебряного зеркала». Следовательно, глюкоза является одновременно многоатомным спиртом и альдегидом — 

альдегидоспиртом. Попробуем вывести структурную формулу глюкозы. Всего атомов углерода в молекуле C6H12O6  шесть. Один атом входит в состав альдегидной группы:
Остальные пять атомов связываются с гидроксигруппами. И наконец с учетом того, что углерод четырехвалентен, расположим атомы водорода:
или:
Однако установлено, что в растворе глюкозы помимо линейных(альдегидных) молекул существуют молекулы циклического строения, из которых состоит кристаллическая глюкоза. Превращение молекул линейной формы  в циклическую можно объяснить, если вспомнить, что атомы углерода могут свободно вращаться вокруг σ- связей, расположенных под углом 109о 28/ при этом альдегидная группа (1-й атом углерода) может приблизиться к гидроксильной группе пятого атома углерода. В первой, под влиянием гидроксигруппы разрывается  π – связь: к атому кислорода присоединяется атом водорода, и «потерявший» этот атом кислород гидроксигруппы  замыкает цикл.
В результате такой перегруппировки атомов образуется циклическая молекула. Циклическая формула показывает не только порядок связи атомов, но и их пространственное расположение. В результате взаимодействия первого и пятого атомов углерода, появляется новая гидроксигруппа у первого атома, которая может занять в пространстве два положения: над и под плоскостью цикла, а потому возможны две циклические формы глюкозы:
1)  α- форма глюкозы – гидроксильные группы при первом и втором атомах углерода расположены по одну сторону кольца молекулы;
2)  β- формы глюкозы – гидроксильные группы находятся по разные стороны кольца молекулы:
В водном растворе глюкозы в динамическом равновесии находятся три ее изомерные формы: циклическая  α- форма, линейная (альдегидная) форма и циклическая β- форма.
В  установившемся динамическом равновесии преобладает β-форма (около 63%), так как она энергетически предпочтительнее —  у нее ОН- группы у первого и второго углеродных атомов по разные стороны цикла. У α-формы (около 37%) ОН-группы у тех же углеродных атомов расположены по одну сторону плоскости, поэтому она энергетически меньше устойчива, чем β-форма. Доля же линейной формы в равновесии очень мала (всего около 0,0026%).
Динамическое равновесие можно сместить. Например, при действии на глюкозу аммиачного раствора оксида серебра количество ее линейной (альдегидной) формы, которой в растворе очень мало, пополняется все время за счет циклических форм, и глюкоза полностью подвергается окислению до глюконовой кислоты.
Изомером альдегидспирта глюкозы является кетоноспирт – фруктоза.

Химические свойства глюкозы

  Химические свойства глюкозы, как и любого органического вещества, определяются ее строением. Глюкоза обладает двойственной функцией, являясь и альдегидом, и многоатомным спиртом, поэтому для нее характерны свойства и многоатомных спиртов и альдегидов.

Реакции глюкозы, как многоатомного спирта
Глюкоза дает качественную реакцию многоатомных спиртов (вспомните глицерин) со свежеполученным гидроксидом меди (ǀǀ), образуя ярко-синий раствор соединения меди (ǀǀ).
Глюкоза, подобно спиртам, может образовывать сложные эфиры.
  Реакции глюкозы, как альдегида
1. Окисление альдегидной группы.  Глюкоза, как альдегид, способна окисляться к соответствующую (глюконовую) кислоту и давать качественные реакции на  альдегиды. Реакция «Серебряного зеркала» (при нагревании):
CH2-OH-(CHOH)4-COH + Ag2O → CH2OH-(CHOH)4-COOH + 2Ag↓
Реакция со свежеполученным Cu(OH)при нагревании:
CH2-OH-(CHOH)4-COH + 2 Cu(OH)→ CH2-OH-(CHOH)4-COOH + Cu2O↓ +H2O

2. Восстановление альдегидной группы. Глюкоза может восстанавливаться в соответствующий спирт (сорбит):
CH2-OH-(CHOH)4-COH + H2  → CH2-OH-(CHOH)4— CH2-OH
  Реакции брожения
Эти реакции протекают под действием особых биологических катализаторов белковой природы — ферментов.

1. Спиртовое брожение:
 C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2
Издавна применяемое человеком для получения этилового спирта и алкогольных напитков.
2. Молочнокислое брожение:
которое составляет основу жизнедеятельности молочнокислых бактерий и происходит при скисании молока, квашении капусты и огурцов, силосовании зеленых кормов

Углеводороды — Что такое Углеводороды?

Углеводороды (hydrocarbon) – это органические соединения, состоящие из углерода и водорода.
Углеводороды служат фундаментальной основой органической химии: молекулы любых других органических соединений рассматривают как их производные.

Соотношения между углеродом и водородом в углеводородах колеблются в широких пределах (10-90 %).
Соединения углеводородов отличаются друг от друга количеством атомов углерода и водорода, строением углеродного скелета и типом связей между атомами.

Большинство углеводородов в природе встречаются в сырой нефти.
Кроме того, основными источниками углеводородов являются природный газ, сланцевый газ, попутный нефтяной газ, горючие сланцы, уголь, торф.

Классификация углеводородов

Алканы (парафины) – углеводороды общей формулы CnH2n+2, в молекулах которых атомы углерода связаны между собой σ-связью, а остальные их валентности предельно насыщены атомами водорода.
Отсюда другое название алканов – предельные углеводороды.
Первым представителем данного гомологического ряда является метан СН4.

Алкены (олефины) относятся к непредельным углеводородам общей формулы CnH2n.
В молекуле алкена кроме σ-связей содержится одна π-связь.
Первый представитель гомологического ряда – этилен С2Н4, поэтому алкены называют также «этиленовыми углеводородами».

Диеновые углеводороды содержат в молекуле 2 двойные связи.
Общая формула СnН2n-2.
Первым представителем ряда является бутадиен СН2=СН–СН=СН2.

Алкинами называются углеводороды общей формулы CnH2n-2, молекулы которых содержат тройную связь.
Первый представитель гомологического ряда – ацетилен С2Н2, поэтому алкины называют также «ацетиленовыми углеводородами».

Молекулы циклоалканов содержат циклы разной величины, атомы углерода в которых связаны между собой только σ-связью.
Общая формула СnH2n.

Циклоалкены содержат одну двойную связь и имеют общую формулу СnН2n-2.
Углеводороды, имеющие кратные связи, легко вступают в реакции присоединения по месту разрыва π-связей.

Ароматические углеводороды (арены) – углеводороды общей формулы CnH2n-6.
Первые представители ароматических углеводородов были выделены из природных источников и обладали своеобразным запахом, поэтому и получили название «ароматические».
Важнейшим представителем ароматических углеводородов является бензол С6Н6.
В молекуле бензола 6 атомов углерода, соединяясь σ-связями, образуют правильный шестиугольник.
В результате сопряжения 6 свободных р-электронов образуется единое π-электронное облако над и под плоскостью кольца.

Природные источники углеводородов

Каменный уголь – плотная осадочная порода черного, иногда сepo-черного цвета, дающая на фарфоровой пластинке черную черту.
Каменный уголь представляет собой продукт глубокого разложения остатков растений, погибших миллионы лет назад (древовидных папоротников, хвощей и плаунов, а также первых голосеменных растений).
В органическом веществе угля содержится 75-92 % углерода, 2,5-5,7 % водорода, 1,5-15 % кислорода.
Международное название элемента углерода происходит от лат. carbō («уголь»).

Природный газ – полезное ископаемое, основным компонентом которого является метан СН4 (75-98 %).
В природном газе содержатся также его ближайшие гомологи: этан С2Н6, пропан С3Н8, бутан С4Н10 и следовые количества более тяжелых легкокипящих углеводородов.
Существует следующая закономерность: чем выше относительная молекулярная масса углеводорода, тем меньше его количество в природном газе.
Содержание сероводорода и его органических производных (тиолов) в природном газе в сумме может достигать 5-25 %.

Попутные нефтяные газы – газы, которые находятся в природе над нефтью или растворены в ней под давлением.
Их состав может быть выражен примерным соотношением компонентов: метан – 31 %, этан – 7,5 %, пропан – 21,5 %,
бутан – 20 %, пентан и гексан (легкокипящие жидкости) – 20 %.
С каждой тонной добытой нефти выделяется около 50 м3 газов, которые вплоть до середины 20го в. сжигали в факелах, причиняя двойной ущерб – теряли ценное сырье и загрязняли атмосферу.
Первым предприятием в России, на котором стали использовать попутные нефтяные газы, стала Сургутская ГРЭС.
6 основных энергоблоков, работающих на попутном газе, были введены в строй в 1985-1988 гг.
В настоящее время попутные нефтяные газы улавливают и используют как топливо (в том числе и автомобильное) и ценное химическое сырье.

Нефть – смесь углеводородов от светло-бурого до черного цвета с характерным запахом.
Нефть намного легче воды и в ней не растворяется.
В зависимости от происхождения нефть может содержать большое количество алифатических, циклических или ароматических углеводородов.
Так, например, бакинская нефть богата циклоалканами и содержит сравнительно небольшое количество алифатических предельных углеводородов.
Значительно больше алканов в грозненской, ферганской, а также нефти штата Пенсильвания (США).
Пермская нефть содержит ароматические углеводороды.
В небольших количествах в состав нефти могут входить также кислородсодержащие соединения, как, например, альдегиды, кетоны, эфиры и карбоновые кислоты.

1 Классификация и номенклатура

1.1 Классификация углеводов.

Углеводами (или сахарами) называют группу природных веществ, которые в соответствии с химической классификацией являются полигидроксиальдегидами или полигидроксикетонами либо продуктами их поликонденсации . Впервые термин “ углеводы “ был предложен профессором Дерптского (Тартуского) университета К.Шмидтом в 1884 году, в связи с тем, что первые из известных их представителей имели состав Сn2О)m, т. е. их рассматривали как соединения углевода с водой . Например, глюкоза и фруктоза имеют формулу С6Н12О6 = 6С6Н2О, сахароза (тростниковый сахар) — С12Н22О11= 12С11Н2О, крахмал целлюлоза — (С6Н10О5)n= (6С5Н2О)nи т.д.

В настоящее время известно множество углеводов, по составу не соответствующих этой формуле. Однако термин «углеводы» сохранился, хотя не отражает ни состава, ни химической природы этого класса соединений. Втрое название углеводов — (сахара) связано с тем, что многие представители этого класса соединений обладают сладким вкусом, обычный сахар С12Н22О11входит в их состав .

Углеводы подразделяются на три основные группы : моносахариды, олигосахариды и полисахариды .

Моносахариды (простые сахара) — углеводы, которые не способны гидролизоваться до более простых соединений.

Олигосахариды (низкомолекулярные сахара) — углеводы, которые при гидролизе распадаются на 2-8 моносахарида (“олигос” – по-гречески немногий).

Полисахариды (сложные сахара) — продукты конденсации моносахаридов, они способны гидролизоваться с образованием простых углеводов (от десятков до сотен тысяч молекул моносахаридов) .

По химической природе простые сахара делят на а) нейтральные сахара, содержащие только карбонильную и спиртовые группы; б) аминосахара, содержащие кроме этих групп аминогруппу, которая придает этим соединениям основные свойства ; в) кислые сахара, содержащие кроме карбонильной и спиртовых групп карбоксильные группы.

Моносахариды, относящиеся к нейтральным сахарам, в большинстве своем имеют состав, соответствующий общей формуле СnН2nОn, т. е. число атомов углерода равно числу атомов кислорода. Однако известны такие моносахариды, у которых число атомов кислорода меньше (например, СnН2nОn-1), чем число атомов углерода в молекуле, т. е. вместо гидроксильной группы в молекуле моносахарида присутствует атом водорода. Такие сахара называют дезоксисахарами.

Моносахариды (монозы) классифицируют по количеству атомов углерода и по характеру карбонильной группы.

По количеству атомов углерода различают триозы — сахара с тремя атомами углерода, тетрозы — с четырьмя, пентозы — с пятью, гексозы — с шестью и т. д. Сахара, содержащие семь и более атомов углерода, называют высшими сахарами.

Моносахариды, содержащие альдегидную группу, называют альдозами, кетонную — кетозами. Часто эти названия объединяют, чтобы одновременно показать и число углеродных атомов, и характер карбонильной группы. Например : глюкоза является альдогексозой, а фруктоза — кетогексозой, простейшей альдотриозой является глицериновый альдегид, а простейшей кетотриозой – дигидроксиацетон:

глицериновый альдегид

дигидроксиацетон

1.2 Номенклатура моносахаридов и их производных

Названия моносахаридов строят в соответствии с их классификацией с окончанием “оза” : альдопентоза, кетогексоза и т. д. Наиболее часто встречающиеся в природе моносахариды имеют тривиальные названия, например, альдопентозы — рибоза, ксилоза, арабиноза, дезоксирибоза, ликсоза; альдогексозы — глюкоза, манноза, галактоза, гулоза, иодоза; кетогексоза – фруктоза.

По номенклатуре ИЮПАК любая альдопентоза имеет название 2,3,4,5 — тетрогидроксипентаналь; альдогексоза — 2,3,4,5,6 — пентагидроксигексаналь; кетопентоза -1,3,4,5 — тетрагидроксипентанон-2; кетогексоза (фруктоза) — 1,3,4,5,6 — пентагидроксигексанон — 2 и т. д. Однако заместительная номенклатура в химии углеводов практически не употребляется и обычно пользуются тривиальными названиями.

Рибоза

(альдопентоза)

2-Дезоксирибоза

(альдопентоза)

Глюкоза

(альдогексоза)

Фруктоза

(кетогексоза)

От тривиальных названий производят названия дезоксисахаров, аминосахаров, карбоксилсодержащих сахаров. При образовании названий производных сахаров атомы углерода нумеруют, начиная с того конца, к которому ближе карбонильная группа; цифрами указывают положения заместителей; если заместитель связан не с углеродным атомом, то указывают атом, с которым заместитель связан непосредственно. Например :

2-дезокси-2-амино-3,4-ди-О-метилглюкоза

5-О-фосфат-рибоза

2-дезокси-2-N-ацетил-

аминоглюкоза

При окислении альдоз в мягких условиях, например, при действии аммиачного раствора гидроксида серебра [Аg(NH3)2OH], образуются кислоты, содержащие карбоксильную группу в первом положении. Их называют альдоновые (гликоновые) кислоты. Окончание “оза” в названии монозы меняют на “оновая кислота”. Окисление концевой первичноспиртовой — СН2ОН- группы переводит альдозы в уроновые кислоты. Их названия образуют, заменяя окончание “оза” на “уроновая кислота”, при нумерации отсчет ведут от альдегидной, а не от карбоксильной группы.

Кислоты, образующиеся при энергичном окислении альдоз и содержащие две карбоксильные группы в первом и последнем положениях углеродной цепи, называют альдаровыми ( окончание “оза” заменяют на “аровая кислота” ).

Галактоновая

кислота

Галактуроновая

Кислота

Галактаровая

кислота

Углеводы | Химия онлайн

Углеводы (сахара) — органические вещества, имеющие сходное строение и свойства, состав большинства которых отражает формула Cx(H2O)y,

где x, y ≥ 3.

Общеизвестные представители: глюкоза (виноградный сахар) С6Н12О6, сахароза (тростниковый, свекловичный сахар) С12Н22О11, мальтоза (солодовый сахар) С12Н22О11, лактоза (молочный сахар) С12H22O11, крахмал и целлюлоза (С6Н10О5)n.

Учебный фильм «Углеводы»

Известны также соединения, относящиеся к углеводам, состав которых не соответствует общей формуле, например, сахар рамноза С6Н12О5

В то же время есть вещества, соответствующее общей формуле углеводов, но не проявляющие их свойства (например, природный шестиатомный спирт инозит С6Н12О6).

Углеводы объединяют разнообразные соединения – от низкомолекулярных, состоящих из некоторых атомов (х=3), до полимеров [СxН2Оy]n с молекулярной массой в несколько миллионов (n=10000).

Биологическая роль углеводов

Углеводы содержатся в клетках растительных и животных организмов и по массе составляют основную часть органического вещества на Земле. Эти соединения образуются растениями в процессе фотосинтеза из углекислого газа и воды и при участии хлорофилла.

Животные организмы не способны синтезировать углеводы и получают их с растительной пищей. Углеводы составляют значительную долю пищи млекопитающих.

Фотосинтез можно рассматривать как процесс восстановления СО2 с использованием солнечной энергии:

В процессе дыхания происходит окисление углеводов, в результате чего выделяется энергия, необходимая для функционирования живых организмов:

Видеофильм «Механизм фотосинтеза»

Содержание углеводов в растениях составляет до 80% массы сухого вещества, в организмах человека и животных – до 20%. Они играют важную роль в физиологических процессах. Пища человека состоит примерно на 70% из углеводов.

Функции углеводов в живых организмах разнообразны.

Они служат источником запасной энергии (в растениях – крахмал, в животных организмах – гликоген). В растительных организмах углеводы являются основой клеточных мембран. В качестве одного из структурных компонентов остатки углеводов входят в состав нуклеиновых кислот.

Классификация углеводов

Все углеводы по числу входящих в их молекулы структурных единиц (остатков простейших углеводов) и способности к гидролизу можно разделить на две группы: простые углеводы, или моносахариды, и сложные углеводы (олигосахариды и полисахариды).

Простые углеводы (моносахариды) – это простейшие углеводы, не гидролизующиеся с образованием более простых углеводов.

Сложные углеводы (олигосахариды и полисахариды) – это углеводы, молекулы которых состоят из двух или большего числа остатков моносахаридов и разлагаются на эти моносахариды при гидролизе.

Моносахариды по числу атомов углерода подразделяют на тетрозы (С4Н8О4), пентозы (С5Н10О5),  и гексозы (С6Н12О6). Важнейшие пентозы —  ри­бо­за и дез­ок­си­ри­бо­за, гексозы – глюкоза и фруктоза.

Олигосахариды (продукты конденсации двух или нескольких молекул моносахаридов). Среди олигосахаридов наибольшее значение имеют дисахариды (диозы) – продукты конденсации двух молекул моносахаридов (например, сахароза — С12Н22О11, при гид­ро­ли­зе пре­вра­ща­ет­ся в смесь глю­ко­зы и фрук­то­зы).

Полисахариды (крахмал, целлюлоза) образованы большим числом молекул моносахаридов.

Олиго- и полисахариды расщепляются при гидролизе до моносахаридов. В молекулах олигосахаридов содержится от 2 до 10 моносахаридных остатков, в полисахаридах — от 10 до 3000—5000.

Раффиноза – содержится в сахарной свекле.

Гликоген – животный крахмал.

Номенклатура углеводов

Для большинства углеводов приняты тривиальные названия с суффиксом –оза (глюкоза, рибоза, сахароза, целлюлоза и т.п.).

Моносахариды. Глюкоза

Дисахариды. Сахароза.

Полисахариды. Крахмал. Целлюлоза

§ 1. Классификация и функции углеводов

Глава I. УГЛЕВОДЫ

§ 1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ФУНКЦИИ УГЛЕВОДОВ

Еще в древние времена человечество познакомилось с углеводами и научилось использовать их в своей повседневной жизни. Хлопок, лен, древесина, крахмал, мед, тростниковый сахар – это всего лишь некоторые из углеводов, сыгравшие важную роль в развитие цивилизации. Углеводы относятся к числу наиболее распространенных в природе органических соединений. Они являются неотъемлемыми компонентами клеток любых организмов, в том числе бактерий, растений и животных.  В растениях на долю углеводов приходится 80 – 90 % сухой массы, у животных – около 2 % массы тела. Их синтез из углекислого газа и воды осуществляется зелеными растениями с использованием энергии солнечного света (фотосинтез). Суммарное стехиометрическое уравнение этого процесса имеет вид:

Затем глюкоза и другие простейшие углеводы превращаются в более сложные углеводы, например, крахмал и целлюлозу. Растения используют эти углеводы для высвобождения энергии в процессе дыхания. Этот процесс в сущности обратен процессу фотосинтеза:

Интересно знать! Зеленые растения и бактерии в процессе фотосинтеза ежегодно поглощают из атмосферы приблизительно 200 млрд. т углекислого газа. При этом происходит высвобождение в атмосферу около 130 млрд. т кислорода и синтезируется 50 млрд. т органических соединений углерода, в основном углеводов.

Животные не способны из углекислого газа и воды синтезировать углеводы. Потребляя углеводы с пищей, животные расходуют накопленную в них энергию для поддержания процессов жизнедеятельности. Высоким содержанием углеводов характеризуются такие виды нашей пищи, как хлебобулочные изделия, картофель, крупы и др.

Название «углеводы» является историческим.  Первые представители этих веществ описывались суммарной формулой СmH2nOn или Cm(H2O)n. Другое название углеводов – сахара – объясняется сладким вкусом простейших углеводов. По своей химической структуре углеводы – сложная и многообразная группа соединений. Среди них встречаются как достаточно простые соединения с молекулярной массой около 200, так и гигантские полимеры, молекулярная масса которых достигает нескольких миллионов. Наряду с атомами углерода, водорода и кислорода в состав углеводов могут входить атомы фосфора, азота, серы и, реже, других элементов.

 

Классификация углеводов

Все известные углеводы можно подразделить на две большие группы – простые углеводы и сложные углеводы. Отдельную группу составляют углеводсодержащие смешанные полимеры, например, гликопротеины – комплекс с молекулой белка, гликолипиды – комплекс с липидом, и др.

Простые углеводы (моносахариды, или монозы) являются полигидроксикарбонильными соединениями, не способными при гидролизе образовывать более простые углеводные молекулы. Если моносахариды содержат альдегидную группу, то они относятся к классу альдоз (альдегидоспиртов), если кетонную – к классу кетоз (кетоспиртов). В зависимости от числа углеродных атомов в молекуле моносахаридов различают триозы (С3), тетрозы (С4), пентозы (С5), гексозы (С6) и т.д.: 

 

Наиболее часто в природе встречаются пентозы и гексозы.

Сложные углеводы (полисахариды, или полиозы)  представляют собой полимеры, построенные из остатков моносахаридов. Они при гидролизе образуют простые углеводы. В зависимости от степени полимеризации их подразделяют на низкомолекулярные (олигосахариды, степень полимеризации которых, как правило, меньше 10) и высокомолекулярные. Олигосахариды – сахароподобные углеводы, растворимые в воде и сладкие на вкус. Их по способности восстанавливать ионы металлов (Cu2+, Ag+) делят на восстанавливающие и невосстанавливающие. Полисахариды в зависимости от состава можно также разделить на две группы: гомополисахариды и гетерополисахариды. Гомополисахариды построены из моносахаридных остатков одного типа, а гетерополисахариды – из остатков разных моносахаридов.

Сказанное с примерами наиболее распространенных представителей каждой группы углеводов можно представить в виде следующей схемы:

Функции углеводов

Биологические функции полисахаридов весьма разнообразны.

Энергетическая и запасающая функция

В углеводах заключено основное количество калорий, потребляемых человеком с пищей. Основным углеводом, поступающим  с пищей, является крахмал. Он содержится  в хлебобулочных изделиях, картофеле, в составе круп. В рационе человека присутствуют также гликоген (в печени и мясе), сахароза (в качестве добавок к различным блюдам), фруктоза (во фруктах и меде), лактоза (в молоке). Полисахариды, прежде чем усвоиться организмом, должны быть гидролизованы с помощью пищеварительных ферментов до моносахаридов. Только в таком виде они всасываются в кровь. С током крови моносахариды поступают к органам и тканям, где используются для синтеза своих собственных углеводов или других веществ, либо подвергаются  расщеплению с целью извлечения из них энергии.

Освобождающаяся в результате расщепления глюкозы энергия накапливается в виде АТФ. Различают два процесса распада глюкозы: анаэробный (в отсутствие кислорода) и аэробный (в присутствии кислорода). В результате анаэробного процесса образуется молочная кислота

,

которая при тяжелых физических нагрузках накапливается в мышцах и вызывает боль.

В результате же аэробного процесса глюкоза окисляется до оксида углерода (IV) и воды:

В результате аэробного распада глюкозы освобождается значительно больше энергии, чем в результате анаэробного. В целом при окислении 1 г углеводов выделяется 16,9 кДж энергии.

Глюкоза может подвергаться спиртовому брожению. Этот процесс осуществляется дрожжами в анаэробных условиях: 

Спиртовое брожение широко используется в промышленности для производства вин и этилового спирта.

Человек научился использовать не только спиртовое брожение, но и нашел применение молочнокислому брожению, например, для получения молочнокислых продуктов и квашения овощей.

В организме человека и животных нет ферментов, способных гидролизовать целлюлозу, тем не менее целлюлоза является основным компонентом пищи для многих животных, в частности, для жвачных. В желудке этих животных в больших количествах содержатся бактерии и простейшие, продуцирующие фермент целлюлазу, катализирующий гидролиз целлюлозы до глюкозы. Последняя может подвергаться дальнейшим превращениям, в результате которых образуются масляная, уксусная, пропионовая кислоты, способные всасываться в кровь жвачных.

Углеводы выполняют и запасную функцию. Так, крахмал, сахароза, глюкоза у растений и гликоген у животных являются энергетическим резервом их клеток.

 

Структурная, опорная и защитная функции

Целлюлоза у растений и хитин у беспозвоночных и в грибах выполняют опорную и защитную функции. Полисахариды образуют капсулу у микроорганизмов, укрепляя тем самым  мембрану. Липополисахариды бактерий и гликопротеины поверхности животных клеток обеспечивают избирательность межклеточного взаимодействия и иммунологических реакций организма. Рибоза служит строительным материалом для РНК, а дезоксирибоза – для ДНК.

Защитную функцию выполняет гепарин. Этот углевод, являясь ингибитором свертывания крови, предотвращает образование тромбов. Он содержится в крови и соединительной ткани млекопитающих. Клеточные стенки бактерий, образованные полисахаридами, скреплены короткими аминокислотными цепочками, защищают  бактериальные клетки от неблагоприятных воздействий. Углеводы участвуют у ракообразных и насекомых в построение наружного скелета, выполняющего защитную функцию.

 

Регуляторная функция

Клетчатка усиливает перистальтику кишечника, улучшая этим пищеварение.

Интересна возможность использования углеводов в качестве источника жидкого топлива – этанола. С давних пор использовали древесину для обогрева жилищ и приготовления пищи. В современном обществе этот вид топлива вытесняется другими видами – нефтью и углем, более дешевыми и удобными в использовании. Однако растительное сырье, несмотря на некоторые неудобства в использовании, в отличие от нефти и угля является возобновляемым источником энергии. Но его применение в двигателях внутреннего сгорания затруднено. Для этих целей предпочтительнее использовать жидкое топливо или газ. Из низкосортной древесины, соломы или другого растительного сырья, содержащих целлюлозу или крахмал, можно получить жидкое топливо – этиловый спирт. Для этого необходимо вначале гидролизовать целлюлозу или крахмал и получить глюкозу:

,

а затем полученную глюкозу подвергнуть спиртовому брожению и получить этиловый спирт. После очистки его можно использовать в виде топлива в двигателях внутреннего сгорания. Надо отметить, что в Бразилии с этой целью ежегодно из сахарного тростника, сорго и маниока получают миллиарды литров спирта и используют его в двигателях внутреннего сгорания.

Моносахариды это: состав, строение, биологические функции

Углеводы

Строение углеводов и углеводсодержащих биополимеров

Важнейшие представители и их биологическое значение

Углеводы широко распространены в природе и выполняют в живых организмах различные важные функции:

— являются источниками углерода, который необходим для синтеза белков, нуклеиновых кислот, липидов и других соединений;

— выполняют энергетическую функцию, обеспечивая до 70% потребности организма в энергии;

— выполняют резервную функциюкрахмал и гликоген представляют собой форму хранения глюкозы;

структурную функциюцеллюлоза принимает участие в формировании клеточной стенки растений.

Углеводы делятся на:

моносахариды или простые сахара;

олигосахариды, содержащие в молекуле от 2 до 10 моносахаридных остатков;

полисахариды, которые представляют собой полимеры моносахаридов.

Моносахариды

Первые выделенные из природных источников сахара (так же, как и большинство известных в настоящее время) имели химическую формулу Сn(h3О)n.

Именно поэтому они получили название углеводы. В дальнейшем были получены:

— сахара, с другим соотношением углерода и кислорода;

— сахара, содержащие другие атомы (азот, серу).

Классификация моносахаридов

Существует несколько видов классификации моносахаридов:

1) По числу углеродных атомов, входящих в состав молекулы моносахариды делятся на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и т. д. В природе наиболее широко распространены пентозы и гексозы.

2) В молекулах моносахаридов одновременно содержится несколько функциональных групп: карбонильная группа (альдегидная или кетонная) и несколько гидроксильных групп.

В зависимости от вида карбонильной группы моносахариды подразделяются на:

альдозы — в моносахариде содержится альдегидная группа, которая локализуется у первого углеродного атома;

кетозы — содержится кетогруппа, которая у природных кетоз локализуется у второго углеродного атома.

Например, глюкоза – это альдоза, а фруктоза – это кетоза.

СТРОЕНИЕ, СТЕРЕОИЗОМЕРИЯ И НОМЕНКЛАТУРА МОНОСАХАРИДОВ

Классификация углеводов

— Моносахариды(простые сахара, например, глюкоза)

— Олигосахариды(углеводы, содержащие 2-10 остатков моносахаридов, например сахароза).

— Полисахариды (углеводы, содержащие более 10 остатков моносахаридов, но обычно – тысячи и миллионы).

СТРОЕНИЕ, СТЕРЕОИЗОМЕРИЯ И НОМЕНКЛАТУРА МОНОСАХАРИДОВ

Углеводы, соединения общей формулы Сn(h3O)n, от которой и получили свое название, представляют собой многоатомные альдегидоспирты или кетоспирты.

Углеводы являются энантиомерами.

Энантиомеры — пара стереоизомеров, зеркальные отражения молекул, не совмещаемые в пространстве. Энантиомеры имеют одинаковые химические и физические свойства, кроме способности вращать плоскость поляризации плоскополяризованного света на одинаковую величину угла, но в противоположных направлениях (оптическая активность). Свойством энантиомерии обладают соединения, содержащие хиральный атом. Ассимерический центр (центр хиральности, оптический центр) – это атом С, связанный с четырьмя различными заместителями.

Энантиомер именуется по направлению, в котором его раствор вращает плоскость поляризации света,что можно наблюдать при помощи поляриметра.

Если вращение происходит по часовой стрелке, то такой энантиомер называется (+), или правовращающим. Его оптический антипод именуется (–), или левовращающим. При прохождении света через раствор одного из энантиомеров происходит отклонение плоскости поляризации влево, другого — вправо на один тот же по величине угол α. Мерой оптической активности является [aD] -удельный угол вращения.

2.d/l-номенклатура энантиомеров была введена Э. Фишером для описания относительной конфигурации моносахаридов. Она основана на конфигурации глицеринового альдегида, существующего в виде двух энантиомеров, из которых путём последовательных реакций наращивания углеродной цепи можно получить производные моносахариды (тетрозы, пентозы, гексозы и т. д.).

.

Цепь атомов углеродного остова изображается как прямая вертикальная линия, сверху которой обозначена старшая функциональная группа.

При горизонтальных линиях изображены конформации у асимметрических углеродных центров (сами атомы углерода не показаны, они располагаются «в перекрестии»). В общем случае молекула с «n» хиральными центрами имеет 2n стереоизомеров.

Гомохиральность-природные хиральные аминокислоты и моносахариды представлены в виде единственного изомера из двух возможных.

В состав белков входят практически исключительно l-аминокислоты, а ДНК и РНК построены только на основе d-углеводов.

Две энантиомерные формы одной молекулы обычно имеют различную биологическую активность. Это связано с тем, что рецепторы, ферменты, антитела и другие элементы организма также обладают хиральностью, и структурное несоответствие между этими элементами и хиральными молекулами препятствует их взаимодействию.

3.R/S-номенклатура энантиомеров позволяет охарактеризовать энантиомер по его абсолютной конфигурации,установленной ренгентоструктурным анализом.Хиральному атому углерода присваивается обозначение R или S на основании взаимного расположения четырёх связанных с ним заместителей.

Молекулу ориентируют так, чтобы младший заместитель был направлен в сторону от наблюдателя, и устанавливают направление падения старшинства остальных трёх заместителей. Если старшинство уменьшается по часовой стрелке, то конфигурацию атома углерода обозначают R (лат. rectus — правый). В противоположном случае конфигурацию обозначают S (лат. sinister — левый). R/S-номенклатура не имеет непосредственной связи с (+/–)-обозначениями. Например, R-изомер может быть как правовращающим, так и левовращающим, в зависимости от конкретных заместителей при хиральном атоме.

Диастереомеры — стереоизомеры, не являющиеся зеркальными отражениями друг друга.

Диастереомерия возникает, когда соединение имеет несколько стереоцентров. Если два стереоизомера имеют противоположные конфигурации всех соответствующих стереоцентров, то они являются энантиомерами. Однако, если конфигурация различается лишь у некоторых стереоцентров, то такие стереизомеры являются диастереомерами. Если диастереомеры отличаются конфигурацией лишь одного стереоцентра, то они называются эпимерами.

Основной формой существования углеводов в твердом виде и растворах является циклическая форма.Циклическая форма углеводов появляется в результате внутримолекулярной реакции образования полуацеталя, когда карбонильная группа взаимодействует с одним из гидроксилов той же молекулы.

В результате циклообразования возникает дополнительный центр асимметрии, при углероде под номером 1. Конформация при этом атоме углерода теперь определяет один из двух новых изомеров, которые называют аномерами (α- и β- аномеры).

Гидроксильная группа при новом центре асимметрии является полуацетальной, что резко отличает ее по химическим свойствам от остальных гидроксилов в молекуле. Поэтому ее называют аномерным (или гликозидным) гидроксилом.

Мутаротация, или аномеризация — взаимопревращение аномерных форм моносахаридов.

Таким образом выглядят таутомерные формы фруктозы.

Конформации моносахаридов определяют пространственную вторичную структуру полисахаридов.

ПРОИЗВОДНЫЕ МОНОСАХАРИДОВ.

В номенклатуре IUPAC названия индивидуальных урононовых кислот образуются заменой суффикса -оза в названии соответствующей альдозы на суффикс -уроновая кислота, например — «глюкоза

глюкуроновая кислота».

Названия анионов этих кислот образуются заменой суффикса -оза в названии альдозы на суффикс -уронат, например — «глюкоза

глюкуронат»

В номенклатуре IUPAC названия индивидуальных альдоновых кислот образуются заменой суффикса -оза в названии соответствующей альдозы на суффикс -оновая кислота, например — «глюкоза

глюконовая кислота».

Названия анионов этих кислот образуются заменой суффикса -оза в названии альдозы на суффикс -онат, например — «глюкоза

глюконат»,

В номенклатуре IUPAC названия индивидуальных альдаровых кислот образуются заменой суффикса -оза в названии соответствующей альдозы на суффикс -аровая кислота.

Например — «глюкоза

глюкаровая кислота». Названия анионов этих кислот образуются заменой суффикса -оза в названии альдозы на суффикс -арат, например — «глюкоза глюкарат»,

Окисление глюкозы. При воздействии различными окислителями могут быть получены различные сахарные кислоты (гликаровые, гликоновые или гликуроновые):

!!!!!!!

Реактив Фелинга-тартратный комплекс Cu2+,реактив Бенедикта-цитратный комплекс Cu2+,реактив Толленса-аммиачный раствор оксида серебра

Биологическое значение уроновых кислот

1.входят в состав многих природных полисахаридов — гепарина, гиалуроновой кислоты. 2.Через промежуточное образование уроновых кислот идет побочный окислительный путь метаболизма глюкозо-6-фосфата, в результате чего из глюкозы образуются аскорбиновая кислота и пентозы.

Промежуточным метаболитом этого пути является уридиндифосфатглюкуроновая кислота (УДФ-глюконурат-активная форма глюкуроновой кислоты)

которая в гепатоцитах образует под действием даёт конъюгаты — глюкурониды с катаболитами (желчные пигменты, такие как билирубин, стероиды) и ксенобиотиками(амины, тиолы, фенолы, карбоновые кислоты).

Классификация углеводов: моносахариды, дисахариды и полисахариды

Углеводы широко распространены в природе и выполняют в живых организмах различные важные функции:

— являются источниками углерода, который необходим для синтеза белков, нуклеиновых кислот, липидов и других соединений;

— выполняют энергетическую функцию, обеспечивая до 70% потребности организма в энергии;

— выполняют резервную функциюкрахмал и гликоген представляют собой форму хранения глюкозы;

структурную функциюцеллюлоза принимает участие в формировании клеточной стенки растений.

Углеводы делятся на:

моносахариды или простые сахара;

олигосахариды, содержащие в молекуле от 2 до 10 моносахаридных остатков;

полисахариды, которые представляют собой полимеры моносахаридов.

Моносахариды

Первые выделенные из природных источников сахара (так же, как и большинство известных в настоящее время) имели химическую формулу Сn(h3О)n.

Именно поэтому они получили название углеводы.

В дальнейшем были получены:

— сахара, с другим соотношением углерода и кислорода;

— сахара, содержащие другие атомы (азот, серу).

Классификация моносахаридов

Существует несколько видов классификации моносахаридов:

1) По числу углеродных атомов, входящих в состав молекулы моносахариды делятся на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и т. д. В природе наиболее широко распространены пентозы и гексозы.

2) В молекулах моносахаридов одновременно содержится несколько функциональных групп: карбонильная группа (альдегидная или кетонная) и несколько гидроксильных групп.

В зависимости от вида карбонильной группы моносахариды подразделяются на:

альдозы — в моносахариде содержится альдегидная группа, которая локализуется у первого углеродного атома;

кетозы — содержится кетогруппа, которая у природных кетоз локализуется у второго углеродного атома.

Например, глюкоза – это альдоза, а фруктоза – это кетоза.

Общая характеристика и классификация углеводов

Углеводы −обширный класс природных соединений, которые играют важную роль в жизни человека, животных и растений.

Углеводы – это органические кислородосодержащие гетерофункциональные соединения со смешанными функциями содержащие карбонильные и гидроксильные группировки атомов, имеющие общую формулу Cn(h3O)m, (где n и m>3).

В линейных формах молекул углеводов всегда присутствует карбонильная группа (как таковая, или в составе альдегидной группы).

И в линейной, и в циклической формах молекул углеводов присутствуют несколько гидроксильных групп. Поэтому углеводы относят к двуфункциональным соединениям.

Впервые термин «углеводы» был предложен профессором Дерптского (ныне Тартуского) университета К.

Шмидтом в 1844 г. В то время предполагали, что все углеводы имеют общую формулу Cm(Н2O)n, т.е. углерод + вода. Отсюда и название «углеводы». Например, глюкоза и фруктоза имеют формулу С6(Н2О)6, тростниковый сахар (сахароза) — С12(Н2О)11, крахмал — [С6(Н2О)5]n и т.

д. В дальнейшем же оказалось, что ряд соединений, принадлежащих по своим свойствам к классу углеводов, содержат водород и кислород в несколько иной пропорции, чем указано в общей формуле (например, дезоксирибоза — С5Н10О4.

В то же время есть вещества, соответствующие общей формуле углеводов, но не проявляющие их свойства (например, спирт инозит С6Н12О6), C(h3O), то есть HCHO (формальдегид), или C2(h3O)2, то есть Ch4COOH (уксусная кислота).

Классификация моносахаридов

В 1927 г. Международная комиссия по реформе химической номенклатуры предложила термин «углеводы» заменить термином «глициды», однако он не получил широкого распространения. Старое название «углеводы» укоренилось и прочно удерживается в науке, являясь общепризнанным.

Углеводы можно разделить на три группы:

1) Моносахариды – углеводы, способные гидролизоваться с образованием более простых углеводов.

К данной группе относятся гексозы (глюкоза и фруктоза), а также пентоза (рибоза).

2) Олигосахариды – углеводы, способные гидролизоваться с образованием нескольких простых углеводов (от двух до десяти).

3) Полисахариды – полимерные соединения, углеводы, способные гидролизоваться с образованием большого числа молекул моносахаридов (от десяти до сотен тысяч остатков моносахаридов).

Моносахариды.

А) Классификация моносахаридов.

Моносахариды представляют собой соединения со смешанными функциями.

Они содержат альдегидную или кетогруппу и несколько гидроксильных групп, т.е. являются альдегидоспиртами или кетоноспиртами.

Моносахариды с альдегидной группой называются альдозами, а с кетогруппой –кетозами.

В зависимости от числа атомов С моносахариды делятся на:

С3 − триозы: С3Н6O3 −глицеральдегид, ПВК (пировиноград-ная кислота).

С4 − тетрозы: С4Н804 − эритроза.

С5 − пентозы: C5h20O5 − рибоза (входит в состав РНК), C5h20O4 − дезоксирибоза (входит в состав ДНК).

С6 − гексозы: С6Н12O6 − глюкоза (виноградный сахар), фруктоза (плодовый сахар), галактоза (в составе молочного сахара) − основные источники энергии, мономеры ди- и полисахаридов.

С7 − гептозы: С7Н14О7.

Наибольшее значение среди моносахаридов имеют гексозы и пентозы.

Б) Структура молекул моносахаридов.

Для изображения строения моносахаридов используют проекционные формулы Фишера. В формулах Фишера цепь углеродных атомов располагается в одну цепь.

Нумерация цепи начинается с атома альдегидной группы (в случае альдоз) или с крайнего атома углерода, к которому ближе расположена кетогруппа (в случае кетоз).

В зависимости от пространственного расположения атомов Н и ОН-групп у 4-ого атома углерода у пентоз и 5-ого атома углерода у гексоз моносахариды относят к D– или L – ряду.

Моносахарид относят к D – ряду, если ОН-группа у этих атомов располагается справа от цепи.

Почти все встречающиеся в природе моносахариды относятся к D – ряду.

Природные гексозы − глюкоза, фруктоза, манноза и галактоза, принадлежат, как правило, по стереохимической конфигурации к соединениям D-ряда.

Известно также, что природные моносахариды обладают оптической активностью.

Способность вращать плоскость поляризованного луча света − одна из важнейших особенностей веществ (в том числе моносахаридов), молекулы которых имеют асимметричный атом углерода или же асимметричны в целом.

Свойство вращать плоскость поляризованного луча вправо обозначают знаком ( + ), а в противоположную сторону − знаком (-). Так, D-глицеральдегид вращает плоскость поляризованного луча вправо, т. е. D-глицеральдегид является D( + )-альдотриозой, а L-глицеральдегид − L(-)-альдотриозой. Однако следует помнить, что направление угла вращения поляризованного луча, которое определяется асимметрией молекулы в целом, заранее не предсказуемо.

Моносахариды, относящиеся по стереохимической конфигурации к D-ряду, могут быть левовращающими. Так, обычная форма глюкозы, встречающаяся в природе, является правовращающей, а обычная форма фруктозы — левовращающей.

Однако моносахариды могут существовать также в циклических формах. Циклические формы гексоз и пентоз называют соответственно пиранозными и фуранозными.

В растворах моносахаридов устанавливается подвижное равновесие между ациклической и циклической формами – таутомерия.

Циклические формы принято изображать перспективными формулами Хеуорса.

В циклических формах моносахаридов появляется асимметрический атом углерода (С-1 у альдоз, С-2 у кетоз).

Этот атом углерода называется аномерным. Если группа ОН у аномерного атома располагается под плоскостью, то образуется α–аномер, противоположное расположение приводит к образованию β-аномера.

Глюкоза (пример альдогексозы)
Структурные формулы линейной формы Структурные формулы циклической формы
Фруктоза (пример кетогексозы)
Структурные формулы линейной формы Структурные формулы циклической формы
Рибоза (пример альдопентозы)
Структурные формулы линейной формы Структурные формулы циклической формы

Сложность химического и пространственного строения моносахаридов приводит к тому, что у них существует множество изомеров, так, например, существует несколько десятков изомерных гексоз.

Картина осложняется еще и тем, что при растворении моносахаридов у части молекул происходит обратимое раскрытие цикла, а обратная циклизация может привести к образованию другого изомера.

Для α-глюкозы (обычной кристаллической формы глюкозы) этот процесс выражается следующим уравнением:

Названия циклических форм моносахаридов включают в себя указания на конфигурацию аномерного центра (α- или β-), на название моносахарида и его ряда (D- или L-) и размер цикла (фураноза или пираноза).

Например, α, D- галактопираноза или β, D- галактофураноза.»

Структурные формулы и названия органических соединений

Валентность углерода равна … (цифра). Поэтому при записи структурных формул от углерода должно отходить четыре черточки, изображающие химические связи.
Форму записи состава органической молекулы, в которой каждый атом C показан отдельно со связями, называют с………. ф…….. . Химически связанные атомы углерода представляютуглеродный скелет молекулы вещества.

Три разновидности структурных формул

1. Самая полная форма записи формулы углеводорода – это когда каждый атом молекулы показан отдельно:

Такая запись громоздкая, занимает много места и используется редко.

2. Форма записи, в которой указывают общее число атомов водорода при каждом атоме С, а между соседними углеродами ставят черточки, 
означающие х……… с…. :

СН3–СН2–СН3, Сl–СН2–СН2–Br.

3. Структурная формула, в которой черточки между атомами, расположенными в записи на одной строке, не указывают, тогда как атомы, выходящие на другие строки, соединяют черточками с прямой цепью:

Иногда углеродные цепи изображают ломаными линиями, геометрическими фигурами (треугольник, квадрат, куб). При этом в каждом изломе цепи, а также в начале и в конце цепи подразумевают атом С. Например, изображениям

соответствуют структурные формулы

Ниже приведены некоторые свойства отдельных предельных углеводородов и формы их записи (табл. 1).

Таблица 1

Названия предельных углеводородов (алканов) линейного строения

Название
алкана
Молекулярная
формула
Структурная
формула
Агрегатное
состояние
Температура
кипения,  °С
МетанСН4СН4Газ–161,6
ЭтанС2Н6СН3СН3Газ–88,6
ПропанС3Н8СН3СН2СН3Газ–42,1
БутанС4Н10СН3СН2СН2СН3Газ–0,5
ПентанС5Н12СН3(СН2)3СН3Жидкость36,1
ГексанС6Н14СН3(СН2)4СН3Жидкость68,7
ГептанС7Н16СН3(СН2)5СН3Жидкость98,5
ОктанС8Н18СН3(СН2)6СН3Жидкость125,6
НонанС9Н20СН3(СН2)7СН3Жидкость150,7
ДеканС10Н22СН3(СН2)8СН3Жидкость174,0 

Составление названий разветвленных и замещенных алканов

1. Выбирают главную углеродную цепь и нумеруют ее таким образом (слева или справа), чтобы входящие заместители получили наименьшие номера.

2. Название начинают с цифрового локанта – номера углерода, при котором находится заместитель. После цифры через черточку пишут название заместителя. Разные заместители указывают последовательно. Если одинаковые заместители повторяются два раза, то в названии после цифровых локантов, указывающих положение этих заместителей, пишут приставку «ди». Соответственно при трех одинаковых заместителях приставка «три», при четырех – «тетра», при пяти заместителях – «пента» и т. д.

Названия заместителей

СН3С2Н5СН3СН2СН2Сl–F–Br––NO2
метилэтилпропилизопропилхлорфторбромнитро

Примеры:

3. Слитно с приставкой и заместителем пишут название углеводорода, пронумерованного в качестве главной углеродной цепи:

а) 2-метилбутан; б) 2,3-диметилпентан; в) 2-хлор-4-метилпентан.

Названия циклоалканов составляют аналогично, только к названию углеводорода – по числу атомов углерода в цикле – добавляют приставку «цикло»:

Вещества, сходные по строению, но различающиеся на одну или несколько групп –СН2–, известны как г……. . 
Примеры гомологов:

СН3–СН3, СН3–СН2–СН3, СН3–СН2–СН2–СН3.

Элемент сходства – алканы с линейной цепью:

Cходство трех формул веществ последнего примера – в каждом случае при втором атоме С главной углеродной цепи находится одинаковый заместитель – группа СН3.

Явление существования разных по строению и свойствам веществ, у которых одинаковый качественный и количественный состав, носит название и……. .
Вещества, у которых одинаковая м……….. формула, но разные с………. формулы – это и……
(табл. 2).

Таблица 2

Примеры изомерных углеводородов

Молекулярная формулаСтруктурные формулы
С4Н10СН3СН2СН2СН3
С5Н12СН3СН2СН2СН2СН3
С6Н14СН3(СН2)4СН3,   

 

Найди девять отличий

Правила составления изомеров на примере соединения С5Н11Сl.
1. Записывают линейную углеродную цепь С5:

С–С–С–С–С.

2. Определяют, к какому классу углеводородов принадлежит данное соединение. Определение производят с помощью общих формул для углеводородов разных классов (CnH2n+2, CnH2n и т. п.). Вещество С5Н11Сl – хлоралкан, т.е. является производным алкана вида CnH2n+2 (n = 5), в котором один атом Н замещен на Cl. Значит, все связи в молекуле одинарные и нет циклов.
3. Нумеруют атомы С углеродной цепи (углеродного скелета) и при С-1 помещают гетероатом Cl:

4. Записывают необходимое число атомов водорода при каждом углероде цепи, учитывая, что валентность С – IV. В результате получают изомер а):

5. Перемещают атом хлора по главной цепи С5, последовательно соединяя его с атомами С-2 и С-3. Так получают изомеры б) и в):

Дальнейшее смещение хлора вправо по цепи новых изомеров не дает. Так, изомер а*) тождественен изомеру а), изомер б*) идентичен изомеру б). Просто в изомерах а*) и б*) меняется направление нумерации атомов С, счет ведется справа налево (без звездочек было слева направо):

6. Исходя из углеродного скелета (см. пункт 3), крайний (пятый) атом С отрывают и помещают заместителем к внутреннему углероду цепи (сначала к С-2, потом к С-3). Получают главные цепи С4с углеродным заместителем при С-2 и С-3:

Записывают структурные формулы новых изомеров:

7. Помещая хлор при внутренних атомах С главной углеродной цепи С4, получают два дополнительных изомера:

8. Вещество формулы С5Н11Сl может иметь трехуглеродную главную цепь С3:

Таким образом, для вещества с молекулярной формулой С5Н11Сl можно составить восемь структурных формул изомеров а)–з), различающихся строением.

24.1: Наименования и структура углеводов

Цели

После заполнения этого раздела вы сможете:

  1. классифицирует конкретный углевод как моносахарид, дисахарид, трисахарид и т. Д., Учитывая структуру углевода или достаточную информацию о его структуре.
  2. классифицирует моносахариды по количеству присутствующих атомов углерода и по тому, содержит ли он альдегидную или кетоновую группу.

Ключевые термины

Убедитесь, что вы можете определить и использовать в контексте следующие ключевые термины.

  • альдоза
  • дисахарид
  • кетоза
  • моносахарид (простой сахар)
  • полисахарид

Углеводы — это самый распространенный класс органических соединений, обнаруженных в живых организмах. Они возникают как продукты фотосинтеза , эндотермической восстановительной конденсации углекислого газа, требующей световой энергии и пигмента хлорофилла.

\ [nCO_2 + n H_2O + Energy \ rightarrow C_nH_ {2n} O_n + nO_2 \]

Как здесь отмечено, формулы многих углеводов могут быть записаны как гидраты углерода, \ (C_n (H_2O) _n \), отсюда и их название.Углеводы являются основным источником метаболической энергии как для растений, так и для животных, которые питаются растениями. Помимо сахаров и крахмалов, которые выполняют эту жизненно важную роль в питании, углеводы также служат в качестве структурного материала (целлюлозы), компонента энерготранспортного соединения АТФ / АДФ, сайтов распознавания на поверхности клеток и одного из трех основных компонентов ДНК и РНК.

Углеводы называются сахаридами, или, если они относительно небольшие, сахарами.Несколько классификаций углеводов оказались полезными и представлены в следующей таблице.

Сложность

Простые углеводы
моносахариды

Сложные углеводы
дисахариды, олигосахариды
и полисахариды

Размер

Тетроза
C 4 сахара

Пентоза
C 5 сахара

Гексоза
C 6 сахара

Гептоза
C 7 сахара

и т.п.

C = O Функция

Альдоза
Сахаров с альдегидной функцией или эквивалентом ацетала.
Кетоза
Сахаров с кетонной функцией или эквивалентом ацетала.

Реакционная способность

Восстановление
сахаров, окисленных реагентом Толленса (или реагентами Бенедикта или Фелинга).
Невосстанавливающие
сахара, не окисленные реактивами Толленса или другими реагентами.

Упражнения

Вопросы

Q25.1.1

Классифицируйте каждый из следующих сахаров.

(а)

(б)

(в)

(г)

Решения

S25.1.1

(а) Альдотероза

(б) Кетопентоза

(c) Кетогексоза

(d) Альдопентоза

Авторы и авторство

Цели

После заполнения этого раздела вы сможете:

  1. изобразите проекцию Фишера моносахарида, учитывая его структуру с клиньями и ломаными линиями или молекулярную модель.
  2. нарисуйте структуру моносахарида с ломаной и клиньями с учетом его проекции Фишера или молекулярной модели.
  3. построить молекулярную модель моносахарида, учитывая его проекцию Фишера или структуру с ломаной и клиньями.

Ключевые термины

Убедитесь, что вы можете определить и использовать в контексте приведенный ниже ключевой термин.

Учебные заметки

При изучении этого раздела используйте свой набор молекулярных моделей, чтобы помочь вам визуализировать структуры обсуждаемых соединений.Важно, чтобы вы могли определить, представляют ли две явно разные проекции Фишера две разные структуры или одну единственную структуру. Часто самый простой способ проверить — построить молекулярную модель, соответствующую каждой формуле проекции, а затем сравнить две модели.

Проблема рисования трехмерных конфигураций на двумерной поверхности, например на листе бумаги, давно интересовала химиков. Обозначения клина и штриховки, которые мы использовали, эффективны, но могут быть проблематичными при применении к соединениям, имеющим много хиральных центров.В рамках своего лауреата Нобелевской премии исследования углеводов великий немецкий химик Эмиль Фишер разработал простую систему обозначений, которая до сих пор широко используется. На проекционном чертеже Фишера четыре связи с хиральным углеродом образуют крест с атомом углерода на пересечении горизонтальной и вертикальной линий. Две горизонтальные связи направлены к зрителю (вперед от стереогенного углерода). Две вертикальные связи направлены за центральный углерод (от зрителя). Поскольку мы рассматриваем такие структуры не так, как обычно, на следующей диаграмме показано, как вращается стереогенный углерод, расположенный в общей ориентации двух связей в плоскости (x – C – y определяют базовую плоскость). в ориентацию проекции Фишера (крайняя правая формула).При написании формул проекции Фишера важно помнить об этих условных обозначениях. Поскольку вертикальные связи простираются от зрителя, а горизонтальные — к зрителю, структура Фишера может быть повернута только на 180 ° внутри плоскости, таким образом сохраняя эту связь. Конструкцию нельзя переворачивать или поворачивать на 90º. .

На приведенной выше диаграмме, если x = CO 2 H, y = CH 3 , a = H & b = OH, полученная формула описывает ( R ) — (-) — молочную кислоту.Формула зеркального отображения, где x = CO 2 H, y = CH 3 , a = OH & b = H, конечно же, будет представлять ( S ) — (+) — молочную кислоту.

Проекция Фишера состоит из горизонтальных и вертикальных линий, где горизонтальные линии представляют атомы, которые направлены к наблюдателю, а вертикальная линия представляет атомы, направленные от наблюдателя. Точка пересечения горизонтальной и вертикальной линий представляет собой центральный углерод.

Используя обозначение проекции Фишера, стереоизомеры 2-метиламино-1-фенилпропанола нарисованы следующим образом. Обратите внимание, что обычно самую длинную углеродную цепь задают как вертикальную связку.

Полезность этой записи для Фишера в его исследованиях углеводов очевидна на следующей диаграмме. Существует восемь стереоизомеров 2,3,4,5-тетрагидроксипентаналя, группы соединений, называемых альдопентозами.Поскольку в этой структуре есть три хиральных центра, мы должны ожидать максимум 2 3 стереоизомеров. Эти восемь стереоизомеров состоят из четырех наборов энантиомеров. Если конфигурация в C-4 остается постоянной ( R в примерах, показанных здесь), четыре стереоизомера, которые образуются, будут диастереомерами . Формулы Фишера для этих изомеров, которые Фишер обозначил как «D» -семейство, показаны на диаграмме. Каждое из этих соединений имеет энантиомер, который является членом L-семейства, так что, как и ожидалось, всего имеется восемь стереоизомеров.Определение того, является ли хиральный углерод R или S, может показаться трудным при использовании проекций Фишера, но на самом деле это довольно просто. Если группа с самым низким приоритетом (часто водород) находится на вертикальной связи, конфигурация задается непосредственно из относительных положений трех заместителей с более высоким рангом. Если группа с самым низким приоритетом находится на горизонтальной связи, позиции оставшихся групп дают неправильный ответ (вы смотрите на конфигурацию с неправильной стороны), поэтому вы просто меняете ее.

Все изображенные выше альдопентозные структуры являются диастереомерами. Более избирательный термин, эпимер , используется для обозначения диастереомеров, которые различаются по конфигурации только в одном хиральном центре. Таким образом, рибоза и арабиноза являются эпимерами по C-2, а арабиноза и ликсоза являются эпимерами по C-3. Однако арабиноза и ксилоза не являются эпимерами, поскольку их конфигурации различаются как для C-2, так и для C-3.

Как делать прогнозы Фишера

Проекцию Фишера легче показать на примерах, чем на словах.Начнем с первого примера, превратив трехмерную структуру этана в двухмерную проекцию Фишера.

Пример 25.2.1

Начните с мысленного преобразования трехмерной структуры в структуру пунктирно-клиновидных линий. Помните, что атомы, направленные на зрителя, будут обозначены клиновидными линиями, а те, которые направлены от наблюдателя, будут обозначены пунктирными линиями.

Рисунок A Рисунок B

Обратите внимание, что красные шары (атомы) на рисунке A выше направлены от экрана.Эти атомы будут обозначены пунктирными линиями, как на рисунке B цифрами 2 и 6. Зеленые шары (атомы) направлены в сторону экрана. Эти атомы будут обозначены клиновидными линиями, как на рисунке B под номерами 3 и 5. Синие атомы находятся в плоскости экрана, поэтому они обозначены прямыми линиями.

Теперь, когда у нас есть структура пунктирно-клиновидных линий, мы можем преобразовать ее в проекцию Фишера. Однако, прежде чем мы сможем преобразовать эту структуру штрих-клина в проекцию Фишера, мы должны сначала преобразовать ее в «плоскую» структуру штрих-клина.Затем оттуда мы можем нарисовать нашу проекцию Фишера. Начнем с более простого примера. Вместо использования этана, показанного на рисунках A и B, мы начнем с метана. Причина в том, что это позволяет нам сосредоточиться только на одном центральном углероде, что немного упрощает задачу.

Рисунок C Рисунок D

Давайте начнем с этого трехмерного изображения и перейдем к изображению с пунктирными клиньями. Начните с того, что вы смотрите прямо на центральный углерод с левой стороны, как показано на рисунке C.Он должен выглядеть примерно так, как на рисунке D. Теперь возьмите этот рисунок D и расплющите его на поверхности бумаги, и вы должны получить изображение креста.

Напоминаем, что горизонтальная линия представляет атомы, выходящие из бумаги, а вертикальная линия представляет атомы, которые входят в бумагу. Поперечное изображение справа от стрелки — это проекция Фишера.

Авторы и авторство

Цели

После заполнения этого раздела вы сможете:

  1. идентифицируют конкретный энантионер моносахарида как D или L, учитывая его проекцию Фишера.
  2. определяют ограничения системы номенклатуры D, L для углеводов.
  3. присваивает конфигурацию R или S каждому из хиральных атомов углерода, присутствующих в моносахариде, с учетом его проекции Фишера.
  4. изобразите формулу проекции Фишера для моносахарида, учитывая его систематическое название, вместе с конфигурацией каждого хирального атома углерода.
  5. построить молекулярную модель моносахарида, учитывая его систематическое название, в комплекте с конфигурацией каждого хирального атома углерода.

Ключевые термины

Убедитесь, что вы можете определить и использовать в контексте следующие ключевые термины.

Учебные заметки

Если вы обнаружите, что забыли значения таких терминов, как правовращающий и поляриметр, вернитесь к Разделу 5.3, в котором были представлены основы оптической активности.

Как бы вы поставили задачу решить, имеет ли каждый хиральный углерод конфигурацию R или S ? Конечно, вы могли бы использовать молекулярные модели, но предположим, что набор моделей недоступен — что бы вы сделали тогда?

Один из подходов состоит в том, чтобы сосредоточиться на интересующем атоме углерода и нарисовать трехмерное представление конфигурации вокруг этого атома, помня о соглашении, используемом в проекциях Фишера: вертикальные линии представляют связи, входящие в страницу, а горизонтальные линии представляют выходящие связи. страницы.Таким образом, конфигурацию вокруг атома углерода 2 в структуре a можно представить следующим образом:

В уме вы должны представить, как эта молекула выглядела бы, если бы ее повернули так, чтобы связи, которые показаны как исходящие из страницы, теперь находятся в плоскости страницы. [Один из возможных способов сделать это — попытаться представить, как могла бы выглядеть молекула, если бы на нее смотрели из точки внизу страницы.] То, что вы должны увидеть в своем уме, — это представление, подобное изображенному ниже.

Чтобы определить, является ли конфигурация центрального атома углерода R или S , мы должны повернуть молекулу так, чтобы группа с самым низким приоритетом (H) была направлена ​​в сторону от зрителя. Этого эффекта можно достичь, удерживая гидроксильную группу в ее нынешнем положении и перемещая каждую из трех других групп на одно положение по часовой стрелке.

Порядок приоритета Кана-Ингольда-Прелога для трех оставшихся групп: ОН> СНО> СН (ОН) СН 2 ОН; таким образом, мы видим, что можем проследить путь против часовой стрелки, идущий от группы с наивысшим приоритетом ко второй и третьей по высоте, и заключаем, что центральный атом углерода имеет конфигурацию S .

Конфигурация глюкозы

Четыре хиральных центра в глюкозе указывают на то, что может быть до шестнадцати (2 4 ) стереоизомеров, имеющих такое строение. Они будут существовать в виде восьми диастереомерных пар энантиомеров, и первоначальной задачей было определить, какой из восьми соответствует глюкозе. Этот вызов был принят и решен в 1891 году немецким химиком Эмилем Фишером. Его успешное преодоление стереохимического лабиринта, представленного альдогексозами, было логическим проявлением силы, и вполне уместно, что за это достижение он получил Нобелевскую премию 1902 года по химии.Одна из первых задач, стоящих перед Фишером, состояла в том, чтобы разработать метод однозначного представления конфигурации каждого хирального центра. С этой целью он изобрел простую технику рисования цепочек хиральных центров, которую мы теперь называем формулой проекции Фишера. Щелкните по этой ссылке, чтобы просмотреть.

В то время, когда Фишер предпринял проект по глюкозе, было невозможно установить абсолютную конфигурацию энантиомера. Следовательно, Фишер произвольно выбрал (+) — глюкозу и установил сеть связанных альдозных конфигураций, которую он назвал семейством D .Затем зеркальные изображения этих конфигураций были обозначены как семейство альдоз L . Чтобы проиллюстрировать использование современных знаний, формулы проекции Фишера и названия для семейства D-альдозы (от трех до шести атомов углерода) показаны ниже, причем асимметричные атомы углерода (хиральные центры) окрашены в красный цвет. Последний хиральный центр в альдозной цепи (самый дальний от альдегидной группы) был выбран Фишером в качестве позиционного сайта D / L. Если гидроксильная группа в формуле проекции указывала вправо, она была определена как член D-семейства.Направленная влево гидроксильная группа (зеркальное отображение) тогда представляла L-семейство. Первоначальное назначение Фишером D-конфигурации было 50:50, но все его последующие выводы относительно относительных конфигураций различных альдоз были прочно обоснованы. В 1951 году рентгеновские флуоресцентные исследования (+) — винной кислоты, проведенные в Нидерландах Йоханнесом Мартином Бийвоетом, доказали, что выбор Фишера был правильным.

Важно понимать, что знак удельного вращения соединения (экспериментальное число) не коррелирует с его конфигурацией (D или L).Измерить оптическое вращение поляриметром просто. Определение абсолютной конфигурации обычно требует химического взаимопревращения с известными соединениями по стереоспецифическим реакционным путям.

Упражнения

Вопросы

Q25.3.1

Назначьте R и S для каждого хирального центра и определите, является ли каждый сахар D или L сахаром.

(а)

(б)

(в)

Решения

S25.3,1

(a) Сверху вниз, 2R, 3R, и это сахар D.

(b) Сверху вниз, 2S, 3R, 4S, и это L-сахар.

(c) Снизу вниз, 3R, 4S, и это L-сахар.

Авторы и авторство

Цели

После заполнения этого раздела вы сможете:

  1. изобразить структуры всех возможных альдотетрозов, альдопентозов и альдогексоз, не имея возможности присвоить названия отдельным соединениям.
  2. изобразите проекцию Фишера для D ‑ глицеральдегида, D ‑ рибозы и D ‑ глюкозы по памяти.

Четыре хиральных центра в глюкозе указывают на то, что может быть до шестнадцати (2 4 ) стереоизомеров, имеющих такое строение. Они будут существовать в виде восьми диастереомерных пар энантиомеров, и первоначальной задачей было определить, какой из восьми соответствует глюкозе. Этот вызов был принят и решен в 1891 году немецким химиком Эмилем Фишером. Его успешное преодоление стереохимического лабиринта, представленного альдогексозами, было логическим проявлением силы, и вполне уместно, что за это достижение он получил Нобелевскую премию 1902 года по химии.Одна из первых задач, стоящих перед Фишером, состояла в том, чтобы разработать метод однозначного представления конфигурации каждого хирального центра. С этой целью он изобрел простую технику рисования цепочек хиральных центров, которую мы теперь называем формулой проекции Фишера.

В то время, когда Фишер предпринял проект по глюкозе, было невозможно установить абсолютную конфигурацию энантиомера. Следовательно, Фишер произвольно выбрал (+) — глюкозу и установил сеть связанных альдозных конфигураций, которую он назвал семейством D .Затем зеркальные изображения этих конфигураций были обозначены как семейство альдоз L . Чтобы проиллюстрировать использование современных знаний, формулы проекции Фишера и названия для семейства D-альдозы (от трех до шести атомов углерода) показаны ниже, причем асимметричные атомы углерода (хиральные центры) окрашены в красный цвет.

Последний хиральный центр в альдозной цепи (самый дальний от альдегидной группы) был выбран Фишером в качестве сайта обозначения D / L. Если гидроксильная группа в формуле проекции указывала вправо, она была определена как член D-семейства.Направленная влево гидроксильная группа (зеркальное отображение) тогда представляла L-семейство. Первоначальное назначение Фишером D-конфигурации было 50:50, но все его последующие выводы относительно относительных конфигураций различных альдоз были прочно обоснованы. В 1951 году рентгеновские флуоресцентные исследования (+) — винной кислоты, проведенные в Нидерландах Йоханнесом Мартином Бийвоетом (произносится как «покупай ногу»), доказали, что выбор Фишера был правильным.

Важно понимать, что знак удельного вращения соединения (экспериментальное число) не коррелирует с его конфигурацией (D или L).Измерить оптическое вращение поляриметром просто. Определение абсолютной конфигурации обычно требует химического взаимопревращения с известными соединениями по стереоспецифическим реакционным путям.

Упражнения

Вопросы

Q25.4.1

Нарисуйте следующие сахара.

(а) D-ксилоза

(б) D-галактоза

(c) D-аллоза

Решения

S25.4.1

(а)

(б)

(в)

Авторы и авторство

Учебник по химии углеводов или сахаров

Учебник по химии углеводов или сахаров Больше бесплатных руководств Стать членом Члены Вход & тире; в Связаться с нами

Хотите игры по химии, упражнения, тесты и многое другое?

Вам необходимо стать членом AUS-e-TUTE!

Ключевые понятия

  • Углеводы — это соединения углерода, водорода и кислорода.
  • Общая формула углеводов: C x (H 2 O) y , или, C x H 2y O y .
  • Углеводы также известны как сахара или сахариды.
  • Самые распространенные простые углеводы содержат:
    ⚛ 5 атомов углерода (пентозы)
    ИЛИ
    ⚛ 6 атомов углерода (гексозы)
  • Моносахарид состоит из одного сахара (моно означает 1).
  • Дисахарид состоит из двух простых сахаров, химически соединенных вместе (ди означает 2).
  • Полисахарид состоит из множества простых сахаров, химически связанных вместе (поли означает «много»).
  • Моносахариды содержат гидроксильную (спирт, ОН) функциональную группу.
  • Дисахариды и полисахариды содержат как гидроксильную (спирт, ОН) функциональную группу, так и эфирную или гликозидную связь (R-O-R ‘) между двумя простыми молекулами сахара.
  • Два моносахарида вступают в реакцию конденсации с образованием дисахарида и воды.

Пожалуйста, не блокируйте рекламу на этом сайте.
Без рекламы = для нас нет денег = для вас нет бесплатных вещей!

Примеры углеводов

Углеводы Имя Формула Источник
Моносахариды
(простые сахара)
глюкоза C 6 H 12 O 6 фруктов
фруктоза C 6 H 12 O 6 фруктов, мед
галактоза C 6 H 12 O 6 не встречающиеся в природе

Дисахариды
(двойные сахара)
сахароза (глюкоза + фруктоза) C 12 H 22 O 11 сахарный тростник, сахарная свекла
лактоза (глюкоза + галактоза) C 12 H 22 O 11 молоко
мальтоза (глюкоза + глюкоза) C 12 H 22 O 11 прорастающее зерно

Полисахариды крахмал — (C 6 H 10 O 5 ) — n накопитель энергии в установках
гликоген — (C 6 H 10 O 5 ) — n Запас энергии у животных
(печень и мышцы)
целлюлоза — (C 6 H 10 O 5 ) — n растительное волокно

Структура моносахаридов

Глюкоза, фруктоза и галактоза — изомеры, они имеют одинаковую химическую формулу (C 6 H 12 O 6 ), но разные структуры.

Глюкоза, фруктоза и галактоза являются примерами гексоз, простых сахаров, содержащих 6 атомов углерода.

Структура дисахаридов

Сахароза, лактоза и мальтоза являются изомерами, имеют одинаковую химическую формулу, C 12 H 22 O 11 , но разные структуры.

Простая или гликозидная связь соединяет 2 моносахарида с образованием дисахарида.

Когда два моносахарида вступают в реакцию конденсации, продукты представляют собой дисахарид и молекулу воды.

Структура полисахаридов

Полисахариды — это полимеры моносахаридов.

Крахмал, гликоген и целлюлоза — все полимеры глюкозы, но они отличаются друг от друга количеством глюкозных единиц в цепи, количеством разветвлений и положением гликозидной или эфирной связи.

и nbsp Крахмал Гликоген Целлюлоза
Мономер глюкоза глюкоза глюкоза
Структура 2 компонента:
(a) амилопектин: 3000-6000 единиц глюкозы (разветвленная, открытая структура)
(b) амилоза: 60-300 единиц глюкозы (неразветвленная линейная структура)
более разветвленный, чем амилопектин, с открытой структурой Относительно неразветвленный линейный полимер с ~ 3000 единиц глюкозы.
Цепи, связанные водородными связями.
Растворимость в воде не растворим в холодной воде
растворим в горячей воде
(образует коллоид)
растворим в холодной воде
(образует коллоид)
нерастворим
Найдено в растений животных растений

Предупреждение!

Некоторое содержимое на этой странице не может быть отображено.

Пожалуйста, включите JavaScript и всплывающие окна для просмотра всего содержимого страницы.

© AUS-e-TUTE

www.ausetute.com.au

Номенклатура углеводов (основы) — Репетитор по органической химии

Хотя углеводы на самом деле ничем не отличаются от других органических молекул, у них есть своя собственная номенклатура углеводов. В основном это результат исторических названий, данных многим сахарам.И, как показывает история, эти имена как бы прижились и стали «нормой», которую вам теперь нужно знать на экзаменах.

Поскольку все углеводы имеют одну и ту же общую молекулярную формулу, C n (H 2 O) m , мы собираемся сосредоточиться на следующих структурных аспектах молекул:

  1. Размер молекулы: сколько атомов углерода в молекуле
  2. Тип функциональных групп в молекуле: альдегид или кетон в дополнение к спиртам
  3. Открытая цепь против циклической структуры

Обозначение Углеводная длина

Самый простой углевод имеет 3 атома углерода.Мы используем греческие цифры для обозначения числа, также известного как три-, тетра-, пента-, гекса-, и добавляем окончание -оза , чтобы обозначить, что это углевод. Например, триоза — это углевод с 3 атомами углерода, а гексоза — это углевод с 6 атомами углерода в молекуле. Например, глюкоза является примером гексозы, потому что она имеет шесть атомов углерода в молекуле.

Этот тип имени, однако, не раскрывает нам точную природу молекулы. Например, существует 24 различных гексозы (12 из которых существуют в природе).В этот список входят глюкоза, галактоза, фруктоза, манноза и т. Д. Поэтому, когда я говорю, что мы имеем дело с гексозой, это не имеет большого значения, за исключением того факта, что в молекуле содержится 6 атомов углерода.

Определение основной функциональной группы углеводов

Сахар или углеводы имеют две основные функциональные группы: альдегид или кетон (оба вместе называются карбонилами) и функциональную группу спирта. Углеводы обычно имеют несколько функциональных групп спирта, поэтому мы никогда не зацикливаемся на них.Однако сахара будут иметь только одну функциональную группу альдегида ИЛИ одну кетонную группу. Мы указываем это в названии, добавляя префикс aldo — или keto — к названию углевода. Как нетрудно догадаться, альдо- идет вместе с альдегидом, а кето- с кетонсодержащими углеводами.

Вот несколько примеров альдоз:

Примеры альдоз

Как вы можете видеть из этих примеров, мы начинаем название с того, что говорим, что молекула является альдегидом, с префиксом aldo-.Затем мы говорим, сколько атомов углерода содержится в молекуле. И мы заканчиваем добавлением окончания -ose, чтобы указать, что мы имеем дело с углеводом.

Мы можем сделать то же самое с кетозом. Поскольку кетозы содержат кетоновую функциональную группу, очевидно, что она не может находиться в начале цепи. Наиболее распространенные кетозы имеют кетоновую функциональную группу на втором атоме углерода в цепи.

Примеры кетозов

Номенклатура кетозов следует тем же принципам, что и альдозы: вы начинаете с того, что говорите кето-, чтобы указать функциональную группу.Затем скажите, сколько атомов углерода в молекуле, и добавьте -озу, чтобы обозначить углевод.

Стереохимия углеводов

Углеводы имеют несколько стереоцентров. Самый простой, глицеральдегид, имеет только один. Однако по мере того, как вы переходите к более сложным углеводам, вы получаете все больше и больше стереоцентров. Итак, для такой молекулы, как глюкоза, у вас есть 4 хиральных атома углерода. Это означает, что в глюкозе всего 16 стереоизомеров! Количество стереоизомеров = 2 n , где n — количество хиральных центров.У каждой из этих молекул есть собственное уникальное имя! Однако большинство инструкторов не требуют от вас запоминания всех структур. Тем не менее, неплохо было бы сохранить в памяти несколько наиболее распространенных. Такими обычными углеводами являются глюкоза, манноза, галактоза и фруктоза. Вы будете постоянно видеть их в биологических путях (особенно в глюкозе), поэтому вам станет легче, если вы сможете их распознать.

D и L конфигурации

Одна часть стереохимии, которую мы все же указываем, — это конфигурация последнего хирального углерода в цепи.Для этого мы используем буквы D и L . Почему бы не придерживаться старых добрых R и S? Из-за традиционного соглашения об именах, существовавшего до системы Кана-Ингольда-Прелога. Как я уже упоминал ранее, углеводы, как и многие биомолекулы, были известны довольно давно и приобрели свою собственную систему именования, которая застряла с нами. Конфигурация D и L относится к последним хиральным атомам углерода в молекуле:

Конфигурации D и L назначаются на основе самого низкого хирального углерода в проекции Фишера.

Молекуле с группой -ОН справа приписана D-конфигурация.Точно так же молекула с группой -ОН слева имеет L-конфигурацию.

Назначение конфигурации D&L

Буквы означают следующее: «D» означает «правовращающую» молекулу, а «L» означает «левовращающую» молекулу. Конфигурации D и L ДЕЙСТВИТЕЛЬНО НЕ соответствуют вращению плоскополяризованного света! Это соотношение справедливо ТОЛЬКО для глицеральдегида. D-сахар может быть как (+), так и (-), аналогично L-сахар может быть любым. Так же, как R и S, D и L — это просто способ, которым мы называем молекулы, и они не имеют никакого отношения к реальным физическим свойствам.

Все биологически релевантные углеводы имеют D-конфигурацию.

Как D и L соотносятся с R и S?

Строгие правила IUPAC всегда требуют конфигурации R и S для стереоцентров. Если вам когда-либо понадобится присвоить R и S углеводу, во-первых, вы должны помнить, что в проекции Фишера все вертикальные линии — это «тире», а все горизонтальные линии — «тире».

Давайте назначим R и S глицеральдегиду:

R и S для D и L глицеральдегида

Как правило, вы можете помнить, что сахара D — это R, а L сахара — это S.Однако помните, что этот ярлык работает только для обычных сахаров с открытой цепью. Итак, убедитесь, что вы действительно знаете, как назначать R и S.

ВАЖНО: D и L углеводы — это энантиомеры .

Это очень распространенное заблуждение, что разница между сахарами D и L заключается только в стереохимии последнего углерода. ЭТО НЕПРАВИЛЬНО! Одноименные сахара D и L на самом деле являются энантиомерами друг друга.

Разница между сахарами D и L

Пример выше иллюстрирует эту точку зрения.Если мы посмотрим на D- и L-ксилозу, они представляют собой несовмещаемые зеркальные изображения, то есть энантиомеры. Однако, если вы измените только последний стереоцентр в D-ксилозе, вы получите L-арабинозу, а НЕ L-ксилозу. Стереоизомеры, которые отличаются только одной конфигурацией стереоцентра, называются эпимерами . Таким образом, D-ксилоза и L-арабиноза являются C4-эпимерами, поскольку они различаются по 4-му атому углерода.

Циклические формы углеводов

Номенклатура углеводов также включает названия циклических форм.Поскольку углеводы содержат функциональные группы карбонила и спирта, они могут образовывать внутримолекулярные (циклические) полуацетали. Для этого углевод должен быть как минимум тетрозой, поэтому внутримолекулярные циклические формы не существуют для более мелких углеводов.

Вот пример того, как обычная сахарная D-галактоза образует две разные циклические формы:

Циклизация галактозы с образованием двух разных циклических продуктов

Когда -ОН на 4-м атоме углерода участвует в циклизации, вы получаете 5-членное кольцо.Когда 5-й атом углерода обеспечивает -ОН, вы получаете 6-членное кольцо. По аналогии с обычными кислородсодержащими гетероциклическими соединениями фуран и пиран, 5-членные кольца называются фуранозами, а 6-членные кольца — пиранозами.

Существует целый процесс этого равновесия и процесс преобразования между открытой и циклической формами. Однако эта статья посвящена номенклатуре, поэтому я расскажу о преобразовании между конформациями Фишера, Хаворта и стула в другой раз.

Прогнозы Хауорта

Мы часто используем специальные рисунки для изображения циклических форм углеводов. Мы называем их , проекции Хаворта, или формы. По сути, проекция Хауорта представляет собой циклическую структуру с традиционно углеродным №1 справа и нижней частью структуры, ориентированной на наблюдателя.

Проекции Хаворта для фуранозы (слева) и пиранозы (справа)

C1 в циклическом углеводе называется аномерным углеродом .Этот углерод раньше был углеродом C = O в структуре с открытой цепью до циклизации. Аномерный углерод является особенным, потому что он не имеет заданной стереохимии и может быть в α-форме или β-форме. Α- и β-формы определяются как транс- или цис-изомеры циклических углеводов, где мы смотрим на аномерный -ОН и углерод №5 или №6 для фураноз или пираноз соответственно.


α- и β-формы фуранозов и пиранозов

Стереохимия других атомов углерода в молекуле не имеет значения.

Это в значительной степени обобщает номенклатуру углеводов и основные термины, которые вам нужно знать, чтобы пройти тесты. Сообщите мне, если в комментариях ниже вы хотите увидеть больше примеров или похожих сообщений!

моносахаридов

моносахаридов

Химия 240


Лето 2001 г.
Моносахариды — структура глюкозы

Последний раз мы узнали как абсолютная конфигурация хирального соединения может быть описана R / S система именования.Мы также рассмотрели ситуации, которые могут возникнуть, когда соединение имеет два (или более) стереогенных углерода. Нашими примерами для этого были фактически сахара; моносахаридные альдотетрозы. Начнем с того, что структурный смысл этих терминов.

Сахар — это небольшие молекулы, принадлежащие к классу углеводов. Как следует из названия, углевод — это молекула, молекулярная формула которой можно выразить только через углерод и воду. Например, глюкоза имеет формулу C 6 (H 2 O) 6 и сахароза (таблица сахар) имеет формулу C 6 (H 2 O) 11 .Более сложные углеводы, такие как крахмал и целлюлоза, представляют собой полимеры глюкозы. Их формулы можно представить как C n (H 2 O) n-1 . В следующий раз мы рассмотрим их более подробно.

Можно увидеть разницу между моносахаридом и дисахаридом в следующем примере:

Быстрый взгляд говорит нам, что моносахарид имеет только одно кольцо, дисахарид. их два, а у полисахарида их много. Но помимо этого есть еще один важная конструктивная особенность.Посмотрите на дисахарид и сосредоточьтесь на кислород, который связывает два кольца вместе. Атом над ним связан к двум атомам кислорода, оба из которых находятся в ситуациях эфирного типа. Углерод и эти атомы кислорода находятся в ацетальной связи. (Связки тяжелее и синего цвета.)

Если мы посмотрим на соответствующее место в моносахариде и спросим какова бы ни была функциональная группа, мы видим, что это полуацеталь. (Здесь связки тяжелее и красного цвета.) Итак, еще один способ описать ситуация такова, что моносахарид имеет одно кольцо с полуацеталем. в нем дисахарид имеет два кольца, связанных ацетальной функциональной группой, и полисахарид имеет много колец, связанных множеством ацетальных функциональных групп.(Сравните это последнее утверждение с приведенной выше структурой полисахарида).

Как насчет «сахаров», которые мы видели в прошлый раз, всего с 4 атомами углерода. Почему они моносахариды, когда кольца нет? Если учесть, что ОН группа на нижнем углероде могла образовывать полуацеталь с альдегидной функцией, тогда мы получаем кольцо, и эта структура соответствует нашему описанию моносахарида.

Рассмотрим подробнее циклические и нециклические структуры. сахаров в ближайшее время.


Теперь давайте посмотрим, что означает альдотетроза.Принимая название, кроме справа налево, окончание «осе» означает сахар, который может быть моносахаридом, дисахаридом или олигосахаридом («коротким» полисахаридом). Средняя часть «тетр» означает, что в нашем сахаре четыре атома углерода связаны между собой. прямая неразветвленная цепь. Такие термины, как «пент» для пяти атомов углерода и «шестигранник». для шести атомов углерода также широко используются. Начало «альдо» означает, что в соединении есть альдегид. Альтернативой был бы кетон группа, для которой мы будем использовать приставку «кето.»

Глюкоза, наиболее распространенный моносахарид, представляет собой альдогексозу. Мы понимаем это означает, что это сахар, имеющий шесть атомов углерода в неразветвленной прямой цепь, которая заканчивается альдегидной группой. Мы можем представить эту структуру таким образом:

Эта структура включает четыре стереогенных атома углерода (отмечены значком звездочка *). Всего возможно шестнадцать стереоизомеров. Восемь из них являются энантиомерами других восьми. Остальные отношения диастереоизомеры.Поскольку группы вверху и внизу цепи не совпадают, нет мезо изомеров. Восемь из изомеры показаны здесь. Остальные восемь — зеркальные отражения этих и может быть легко нарисован.

Вопрос в том, какое из шестнадцати стереохимических представлений (Проекции Фишера, помните, что каждый показанный стереоизомер также имеет энантиомер, который не показан) описывает абсолютную конфигурацию глюкоза? Когда Эмиль Фишер занялся этой проблемой около 100 лет назад, он поняли, что невозможно определить, была ли глюкоза одной из восьми структуры, указанные выше, или один из не показанных энантиомеров.Он сделал предположение что это был один из вышеперечисленных, чтобы он мог работать над диастереоизомерными часть проблемы, надеясь, что дальнейшая работа решит вопрос из которых энантиомер лучше всего представляет глюкозу.

Фишер также разработал систему D / L для определения структуры сахаров. Если группа ОН на самом дальнем стереогенном углероде от альдегидной группы находится справа в проекции Фишера, то соединение представляет собой D-сахар. Все сахара в рисунок выше — это D-сахара.Если группа OH на стереогенный углерод, наиболее удаленный от альдегидной группы, находится слева в Согласно проекции Фишера, соединение представляет собой L-сахар. Энантиомеры всех сахаров на рисунке выше L сахара. Предположение Фишера сводится к утверждению, что глюкоза — это D-сахар. Позже работа разрешила этот вопрос, и Фишер был прав.


Как Фишер определил, какая из восьми структур выше была глюкоза? У него были образцы глюкозы и маннозы, обоих альдогексозы и арабиноза, альдопентоза.Он также научился уменьшать функциональную группу альдегида к первичному спирту. (Мы проиллюстрируем это с NaBH 4 , чтобы избежать изучения новой реакции, но он использовал другую реагент.) Он разработал метод удлинения углеродной цепи альдозного (называется расширением цепи Килиани-Фишера). У него также был поляриметр чтобы он мог определить, был ли образец оптически активным или нет. Возможно самое главное, у него была группа талантливых и преданных своему делу учеников.

Теперь немного данных.
Экспериментальный результат: когда альдегидная группа арабинозы была восстановлена ​​до группа первичных спиртов, продукт был оптически активным.
Вывод: Арабиноза имеет структуру 2 или 4 на схеме ниже. Это потому, что если бы арабиноза была 1 или 3, продукт имел бы плоскость симметрии (плоскость зеркала) и будет оптически неактивной.







Экспериментальный результат: когда альдегидная группа глюкозы была снижена до группа первичных спиртов, продукт был оптически активным.Тот же результат был получен для маннозы.
Заключение: структуры «X’d» ниже не представляют глюкозу. или манноза, поскольку продукты этих структур будут мезосоединениями.







Экспериментальный результат: удлинение цепи Килиани-Фишера, примененное к арабинозе производит глюкозу и маннозу.
Вывод: три нижних стереогенных атома углерода глюкозы и маннозы. имеют идентичную конфигурацию с тремя стереогенными атомами углерода арабинозы.Это означает, что глюкоза и манноза отличаются только конфигурацией. стереогенного атома углерода, ближайшего к альдегидной функциональной группе. Мы далее можно сделать вывод, что если один член пары альдогексозов (парных потому что их три нижних стереогенных атома углерода идентичны) вне, и другой.







Теперь посмотрим, что у нас осталось. Остались четыре структуры как кандидаты.Они справа внизу. Если мы вернемся к возможностям для арабинозы, мы находим, что два наверху происходят из структуры 2 для арабинозы, что было возможно, в то время как два внизу взяты из структура 3, которая ранее была исключена. Напрашивается вывод, что арабиноза представлен структурой 2, а глюкоза и манноза являются двумя структурами справа.

Но что такое глюкоза, а что манноза? Фишер заметил, что если реакции может быть разработан, который изменил альдегидную группу в первичный спирт и первичный спирт в альдегид (концы переключателя) одна из этих структур отдаст себя, а другой вернет новый L сахар.Реакции сложные, и мы не будем на них смотреть, но когда химия была применена к образцу под названием манноза, продукт был манноза. Когда химия была применена к образцу, называемому глюкозой, образовался новый сахар.

Предстояло еще многое сделать, чтобы подтвердить этот вывод, и синтезировать остальные шесть альдогексозов, но логические упражнения Фишера и специальные эксперименты привели к выводу, что восемь D-альдогексозов находятся:

Обратите внимание на то, что новый сахар, который был произведен из глюкозы «биржевой заканчивается «эксперимент с L-гулозой».Имена гексоз скажите нам, какой диастереоизомер у нас есть; D или L Обозначение дает нам, какой энантиомер у нас есть.

Соответствующие названия альдопентозов:


Чтобы закончить сегодня, посмотрим, что произойдет, когда полуацеталь образуется между углеродом альдегида и одной из групп ОН на цепочке. Мы рассмотрим два примера: рибоза, которая является ключевым компонентом. РНК и глюкозы из-за ее обилия. (Вы можете просмотреть механизм для образования полуацеталя.)

Поскольку в рибозе четыре группы ОН, мы могли ожидать четыре разных размеры колец. В трехатомных кольцах и четырехатомных кольцах валентные углы равны далеко от 109,5 o , поэтому эти кольца напряжены, имеют более высокие энергии и их трудно сформировать. (См. Стр. 68 в коричневом цвете.) Помните, что есть равновесие между полуацеталем и альдегидом / спиртом, из которого он происходит, и что высокоэнергетические материалы не сохраняются в равновесии. Мы остались с кольцами, содержащими пять или шесть атомов.На случай, если рибоза — важное кольцо (обнаруженное в РНК) — это пятичленное кольцо.

Обратите внимание, что углерод во вновь образованной полуацетальной группе является стереогенным. Это означает, что существует два возможных диастереоизомера циклического состав. Обычно образуются оба, и у них есть особое название — они являются аномерами друг друга. Углерод между двумя атомами кислорода в полуацетале группа называется аномерный углерод. Если группа OH не работает (на чертеже с кислородным кольцом сзади по центру или справа), обозначение этот аномер — альфа.Если группа OH вверх, обозначение — бета. С альфа- и бета-аномеры — диастереоизомеры, они обладают разными свойствами; в частности, различная оптическая активность. Термин для пятиатомного сахара кольцо «фураноза».

Глюкоза обычно образует полуацетальные циклические структуры с шестью атомными кольцами, хотя пятичленные кольца также могут образовываться, когда шестичленные кольца исключены. Такие шестичленные кольца названы термином «пираноза». Кольцевые формы выглядят так, учитывая, что альфа- и бета-аномеры здесь также задействованы:

Опять же, у нас есть равновесие между формой открытой цепи и двумя диастереоизомерные аномеры.

Об этих глюкопиранозах следует сделать еще одно замечание. В Структура, которую мы нарисовали для кольца, плоская. Связанные углы будут 120 o , что довольно далеко от нормального тетраэдрического значения 109,5 o . Атомы в кольце могут иметь валентные углы около 109,5 o , если кольцевые складки, как показано здесь:

Конечно, молекулы принимают эти складчатые формы (называемые конформациями стула). от их сходства с довольно широким креслом) автоматически.Ты можно просмотреть материал по циклогексану на стр 69-70 Брауна для более подробный анализ этого материала. Установлено, что в этих конформациях кресла молекулы имеют меньшую энергию, если более крупные заместители на атомах углерода находятся примерно в плоскости кольца сам. Эти положения называются «экваториальными», чтобы отличать их от другие положения (примерно перпендикулярно кольцу, называемые «осевыми»). Соединение, которое может иметь все более крупные заместители (все больше, чем водород) в экваториальном положении более устойчив, чем один что не может.бета-D-глюкоза имеет все заместители в экваториальных положениях и, таким образом, является наиболее стабильной гексопиранозой. это также самый распространенный.


Вернуться к содержанию курса

органическая химия — Как распознать молекулу углеводов?

Название «углевод», что буквально означает «гидрат углерода», происходит из-за их химического состава, который составляет примерно $ \ ce {(C.h3O) _n} $ , где $ n \ ge 3 $. Основные углеводные единицы — моносахариды.

Моносахариды или простые сахара представляют собой альдегидные или кетоновые производные многоатомных спиртов с прямой цепью, содержащих не менее трех атомов углерода. Такие вещества, например, D-глюкоза и D-рибулоза, не могут быть гидролизованы до образуют более простые сахариды.

Примеры моносахаридов:

Классификация

Моносахариды классифицируются по химическому природа их карбонильной группы и количество их атомов C.

Если карбонильная группа представляет собой альдегид, как в глюкозе, сахар представляет собой альдозу .Если карбонильная группа представляет собой кетон, как в рибулозе, сахар представляет собой кетозу , . Самые маленькие моносахариды с тремя атомами углерода — это триозы.

С четырьмя, пятью, шестью, семью и т. Д. Атомами углерода являются, соответственно, тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы и т. д. Эти термины могут быть объединены так, что, например, глюкоза представляет собой альдогексозу, тогда как рибулоза представляет собой кетопентозу.

Однако есть похожие молекулы с разными атомами, например азот, которые также считаются углеводами.Класс полисахаридов, известный как гликозаминогликаны (неразветвленные полисахариды с чередующимися остатками уроновой кислоты и гексозамина). Практическими примерами являются гиалуроновая кислота (связанный дисахарид). единицы, которые состоят из D-глюкуроновой кислоты и N-ацетил-D-глюкозамина) и гепарина (сульфатированные дисахаридные единицы):

Тем не менее, когда углеводы связываются с другими молекулами с образованием других более новых связей, им дают другие названия и не обязательно являются углеводами, но получают новые имена — хорошим примером являются гликопротеины (белки, ковалентно связанные с углеводами.)

Номер ссылки

Biochemistry Voet and Voet, Grisham

Школа биомедицинских наук вики

Из Вики Школы биомедицинских наук

Углеводы — это органическое соединение, состоящее из углерода, водорода и кислорода, которое считается одним из основных классов биомолекул. Общая формула углеводов: C n (H 2 O) n .Наиболее распространенные углеводы состоят из трех-шести атомов углерода. Углевод с тремя атомами углерода называется триозой, четыре — тетраозой, пять — пентозой и шесть — гексозой. Глюкоза, манноза, галактоза — это гексозы, а рибоза, ксилоза и арабиноза — это пентозы.

Моносахариды — это простейшие углеводы, часто называемые отдельными сахарами. Они являются строительными блоками, из которых состоят все более крупные углеводы [1] . Моносахариды существуют в виде открытых цепей или кольцевых форм, хотя только кольцевые формы существуют в виде изомеров.А сахара с 5 или более атомами углерода часто образуют кольца, потому что могут вступать в реакцию как карбонильные, так и спиртовые группы.

Одним из наиболее известных углеводов является глюкоза, которая является одним из основных источников энергии для живых организмов.
Моносахариды — это простейшие углеводы, такие как глюкоза и галактоза. Обычно они представляют собой альдегиды или кетоны, к которым присоединено несколько гидроксильных групп. Самыми маленькими моносахаридами являются дигидроксиацетон и D- и L-глицеральдегид. Дигидроксиацетон является кетозой, потому что он содержит кетогруппу, тогда как глицеральдегид является альдозой, потому что он содержит альдегидную группу [2] (есть два стереоизомера глицеральдегида из-за одного асимметричного атома углерода).

Когда простые моносахариды (такие как глюкоза) связаны друг с другом через 1,4-гликозидные связи с другими моносахаридами, образуется широкий спектр богатых информацией олигосахаридов, которые можно использовать в сложных процессах, таких как передача сигналов клетками [3] . Связь двух мономеров глюкозы образует дисахарид мальтозу, который является субстратом для прокариотического MBP [4] .

Полисахариды чрезвычайно информативны из-за сложности, которую можно создать с помощью разнообразия возможных связей.Это возможно из-за нескольких гидроксильных групп, что означает, что отдельные моносахариды могут соединяться через гликозидную связь несколькими различными способами — это также приводит к разветвлению некоторых полисахаридов, таких как гликоген и крахмал.

У эукариот как липиды, так и белки во внешнем слое плазматической мембраны могут иметь присоединенные к ним углеводы, и поэтому называются гликолипидами и гликопротеинами соответственно. Гликолипиды и гликопротеины также имеют общее название гликокаликс.Гликокаликс выполняет несколько функций, а именно распознавание, адгезию и защиту клеток [5] .

Список литературы

  1. ↑ Rsc.org. Химия для биологов: углеводы [Интернет]. 2015 г. [цитировано 4 декабря 2015 г.]. Доступно по адресу: http://www.rsc.org/Education/Teachers/Resources/cfb/carbohydrates.htm
  2. ↑ Берг Дж., Тимочко Дж. И Страйер Л. (2007) Биохимия, 6-е издание, Нью-Йорк: WH Freeman. стр. 304
  3. ↑ Берг Дж., Тимочко Дж. И Страйер Л.(2001) Биохимия, пятое издание, Нью-Йорк: WH Freeman. стр. 301
  4. ↑ Reuten R, Nikodemus D, Oliveira MB, Patel TR, Brachvogel B, Breloy I, Stetefeld J, Koch M (30 марта 2016) Мальтозо-связывающий белок (MBP), тег, повышающий секрецию для систем экспрессии белков млекопитающих. Доступно на www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27029048 — последний доступ 17.10.2016,
  5. ↑ Берг Дж., Тимочко Дж., Страйер Л. (2001) Биохимия, пятое издание, Нью-Йорк: WH Freemen page 307

Углеводов — Принципы биологии

Углеводы — это макромолекулы, с которыми большинство потребителей в некоторой степени знакомо.Чтобы похудеть, некоторые люди придерживаются «низкоуглеводной» диеты. Спортсмены, напротив, часто «нагружают углеводы» перед важными соревнованиями, чтобы убедиться, что у них достаточно энергии для соревнований на высоком уровне. Фактически, углеводы являются неотъемлемой частью нашего рациона; злаки, фрукты и овощи — все это естественные источники углеводов. Углеводы обеспечивают организм энергией, особенно через глюкозу, простой сахар. Углеводы также выполняют другие важные функции у людей, животных и растений.

Рис. 1 Хлеб, макаронные изделия и сахар содержат большое количество углеводов. («Пшеничные продукты» Министерства сельского хозяйства США находятся в открытом доступе)

Углеводы могут быть представлены стехиометрической формулой (CH 2 O) n , где n — количество атомов углерода в молекуле. Другими словами, соотношение углерода, водорода и кислорода в молекулах углеводов составляет 1: 2: 1. Эта формула также объясняет происхождение термина «углевод»: компонентами являются углерод («углевод») и компоненты воды (отсюда «гидрат»).Углеводы подразделяются на три подтипа: моносахариды, дисахариды и полисахариды.

Моносахариды

Моносахариды (моно- = «один»; sacchar- = «сладкий») представляют собой простые сахара, наиболее распространенным из которых является глюкоза. В моносахаридах количество атомов углерода обычно составляет от трех до семи. Большинство названий моносахаридов оканчиваются суффиксом -ose.

Химическая формула глюкозы: C 6 H 12 O 6 . У человека глюкоза является важным источником энергии.Во время клеточного дыхания из глюкозы выделяется энергия, которая используется для выработки аденозинтрифосфата (АТФ). Растения синтезируют глюкозу, используя углекислый газ и воду, а глюкоза, в свою очередь, используется для удовлетворения потребностей растений в энергии. Избыточная глюкоза часто хранится в виде крахмала, который катаболизируется (расщепление более крупных молекул клетками) людьми и другими животными, которые питаются растениями.

Галактоза (входит в состав лактозы или молочного сахара) и фруктоза (содержится в сахарозе, во фруктах) — другие распространенные моносахариды.Хотя глюкоза, галактоза и фруктоза имеют одинаковую химическую формулу (C 6 H 12 O 6 ), они различаются структурно и химически (и известны как изомеры) из-за разного расположения функциональных групп вокруг асимметричный углерод; все эти моносахариды имеют более одного асимметричного углерода. В одном моносахариде все атомы связаны друг с другом прочными ковалентными связями.

Рис. 2 Глюкоза, галактоза и фруктоза — это гексозы.Они являются структурными изомерами, то есть имеют одинаковую химическую формулу (C 6 H 12 O 6 ), но другое расположение атомов. Линии между атомами представляют собой ковалентные связи.

Дисахариды

Дисахариды (ди- = «два») образуются, когда два моносахарида подвергаются реакции дегидратации (также известной как реакция конденсации или синтез дегидратации). Во время этого процесса гидроксильная (ОН) группа одного моносахарида соединяется с водородом другого моносахарида, высвобождая молекулу воды и образуя ковалентную связь, которая соединяет два моносахарида вместе.

Общие дисахариды включают лактозу, мальтозу и сахарозу (рис. 3). Лактоза — это дисахарид, состоящий из мономеров глюкозы и галактозы. Он образуется в результате реакции дегидратации между глюкозой и молекулами галактозы, которая удаляет молекулу воды и образует ковалентную связь. связаны ковалентной связью. Он содержится в молоке. Мальтоза, или солодовый сахар, представляет собой дисахарид, состоящий из двух молекул глюкозы, связанных ковалентной связью. Наиболее распространенным дисахаридом является сахароза или столовый сахар, который состоит из мономеров глюкозы и фруктозы, также связанных ковалентной связью.

Рисунок 3 Общие дисахариды включают мальтозу (зерновой сахар), лактозу (молочный сахар) и сахарозу (столовый сахар).

Полисахариды

Длинная цепь моносахаридов, связанных гликозидными связями, известна как полисахарид (поли- = «много»). Цепь может быть разветвленной или неразветвленной, и она может содержать разные типы моносахаридов. Все моносахариды связаны ковалентными связями. Молекулярная масса может составлять 100000 дальтон или более в зависимости от количества соединенных мономеров.Крахмал, гликоген, целлюлоза и хитин являются основными примерами полисахаридов.

Крахмал — это хранимая в растениях форма сахаров, состоящая из смеси амилозы и амилопектина (оба полимера глюкозы). По сути, крахмал — это длинная цепь мономеров глюкозы. Растения способны синтезировать глюкозу, а избыток глюкозы, превышающий непосредственные потребности растения в энергии, хранится в виде крахмала в различных частях растения, включая корни и семена. Крахмал в семенах обеспечивает питание зародыша во время его прорастания, а также может служить источником пищи для людей и животных.Крахмал, потребляемый людьми, расщепляется ферментами, такими как амилазы слюны, на более мелкие молекулы, такие как мальтоза и глюкоза. Затем клетки могут поглощать глюкозу.

Гликоген — это форма хранения глюкозы в организме человека и других позвоночных, состоящая из мономеров глюкозы. Гликоген является животным эквивалентом крахмала и представляет собой сильно разветвленную молекулу, обычно хранящуюся в клетках печени и мышц. Когда уровень глюкозы в крови снижается, гликоген расщепляется с высвобождением глюкозы в процессе, известном как гликогенолиз.

Рисунок 4 Амилоза и амилопектин — две разные формы крахмала. Амилоза состоит из неразветвленных цепей мономеров глюкозы. Амилопектин состоит из разветвленных цепей мономеров глюкозы. Из-за способа соединения субъединиц цепи глюкозы имеют спиральную структуру. Гликоген (не показан) похож по структуре на амилопектин, но более разветвлен.

Целлюлоза — самый распространенный природный биополимер. Клеточная стенка растений в основном состоит из целлюлозы; это обеспечивает структурную поддержку клетки.Дерево и бумага в основном целлюлозные по своей природе. Целлюлоза состоит из мономеров глюкозы (рис. 5).

Рис. 5 В целлюлозе мономеры глюкозы связаны в неразветвленные цепи. Из-за способа соединения субъединиц глюкозы каждый мономер глюкозы переворачивается относительно следующего, что приводит к линейной волокнистой структуре.

Углеводы выполняют различные функции у разных животных. У членистоногих (насекомых, ракообразных и др.) Есть внешний скелет, называемый экзоскелетом, который защищает их внутренние части тела (как видно у пчелы на Рисунке 6).Этот экзоскелет состоит из биологической макромолекулы хитина, представляющей собой полисахаридсодержащий азот. Он состоит из повторяющихся единиц N-ацетил- β -d-глюкозамина, модифицированного сахара. Хитин также является основным компонентом клеточных стенок грибов; грибы не являются ни животными, ни растениями и образуют собственное царство в области Эукарии.

Рис. 6 У насекомых есть твердый внешний скелет, сделанный из хитина, типа полисахарида. (кредит: Луиза Докер)

Энергия может храниться в связях молекулы.Связи, соединяющие два атома углерода или соединяющие атом углерода с атомом водорода, являются высокоэнергетическими связями. Разрыв этих связей высвобождает энергию. Вот почему наши клетки могут получать энергию от молекулы глюкозы (C 6 H 12 O 6).

Полисахариды образуют длинные волокнистые цепи, которые могут создавать прочные структуры, такие как клеточные стенки.

Если не указано иное, изображения на этой странице лицензированы OpenStax в соответствии с CC-BY 4.


Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

*
*