ВАЖНЕЙШИЕ ДИСАХАРИДЫ, ИХ СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА - УГЛЕВОДЫ

Цели урока. Познакомить учащихся с важнейшими представителями дисахаридов: сахарозой, лактозой, мальтозой,— их строением, свойствами и значением.

Оборудование: сахароза, растворы CuSO₄, NaOH, НСl; фарфоровая чашка.

В соответствии с предлагаемым нами курсом материал по дисахаридам предназначен только для учащихся профильных классов. Поскольку он отсутствует в учебнике, мы приводим его в том объеме, который необходим по программе углубленного изучения химии.

Наряду с моносахаридами, в природе широко распространены дисахариды. Это всем хорошо известная сахароза (тростниковый или свекловичный сахар), лактоза (молочный сахар), мальтоза (солодовый сахар). В дисахаридах между собой связано два остатка моносахарида, которые можно получить гидролизом молекулы. Связывание двух моносахаридов в дисахарид может осуществляться либо за счет гликозидных гидроксилов обоих моносахаридов, либо с участием гликозидной гидроксильной группы одного и спиртовой гидроксильной группы другого моносахарида. В отличие от дисахаридов первого типа вторые обладают восстановительными свойствами.

I. Сахароза

Строение и нахождение в природе. Сахароза представляет собой дисахарид с молекулярной формулой C₁₂H₂₂O₁₁. Этот дисахарид образован двумя молекулами гексоз: α-D-глюкозой и β-D-фруктозой. В клетках растений сахароза образуется под действием ферментов за счет отщепления молекулы воды от гликозидных гидроксилов двух моносахаридов:

Учитель обращает внимание на то, что для удобства изображения молекулы сахарозы формула β-фруктозы развернута на 180° по сравнению с изображением на рисунке 36. Этот поворот ребята мысленно осуществляют относительно оси, проходящей через атом кислорода и середину связи С(3)—С(4).

В 1953 г. французским химиком Р. Лемье впервые в лабораторных условиях был осуществлен синтез сахарозы, который современники назвали «покорением Эвереста органической химии».

Сахароза — белое кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, имеет сладкий вкус. Она содержится в соке сахарного тростника (14-16%), сахарной свеклы (16-21%) и некоторых других растений.

Химические свойства. Поскольку связь между остатками моносахаридов в сахарозе образована за счет обоих гликозидных гидроксилов, она не обладает восстановительными свойствами и не дает реакции «серебряного зеркала». В этом легко убедиться, проведя пробу с реактивом Фелинга (нитрат серебра лучше сэкономить). У сахарозы сохраняются свойства многоатомных спиртов: она образует растворимые в воде сахараты с гидроксидами металлов, в частности с гидроксидом кальция. Эта реакция используется для выделения и очистки сахарозы на сахарных заводах.

При нагревании водного раствора сахарозы в присутствии сильных кислот или под действием фермента инвертазы происходит гидролиз этого дисахарида с образованием смеси равных количеств глюкозы и фруктозы. Эта реакция обратна процессу образования сахарозы из моносахаридов:

Несложный эксперимент позволяет продемонстрировать учащимся реакцию гидролиза сахарозы. В фарфоровой чашке с водой растворяют половину чайной ложки сахара, добавляют 10 капель соляной кислоты и нагревают в течение 3 мин. После такой процедуры проба на глюкозу с гидроксидом меди (II) дает положительный результат.

Полученная в результате гидролиза смесь моносахаридов называется инвертным сахаром и используется для производства карамели, подслащивания пищевых продуктов, предотвращения кристаллизации сахарозы, получения искусственного мёда, производства многоатомных спиртов.

II. Лактоза

Строение и нахождение в природе. Лактоза изомерна сахарозе и имеет молекулярную формулу С₁₂Н₂₂О₁₁. Это дисахарид, образованный двумя моносахаридами: β-D-галактозой и D-глюкозой.

Остаток D-глюкозы (справа) сохраняет гликозидную гидроксильную группу, поэтому может существовать как в а-, так и в [3- форме. Это отражено в записи формулы, в которой атом водорода и гидроксил при С(1) указаны через запятую. Молекула галактозы (слева) отличается от глюкозы положением гидроксильной группы при С(4) углеродном атоме. Учитель предлагает ребятам написать проекционную формулу Фишера галактозы.

Лактоза входит в состав молока, где ее содержание составляет от 3 до 8%. В промышленном масштабе лактозу получают как побочный продукт при производстве сыра. Она содержится в сыворотке — водном растворе, остающемся после извлечения белков молока. Молоко скисает, когда лактоза под действием бактерий превращается в молочную кислоту.

Химические свойства. В отличие от сахарозы, лактоза является восстанавливающим дисахаридом. Она реагирует с аммиачным раствором оксида серебра и реактивом Фелинга при нагревании, окисляясь в лактобионовую кислоту.

Кислотный или ферментативный гидролиз лактозы приводит к получению D-галактозы и D-глюкозы:

Лактоза, как и все углеводы, проявляет свойства многоатомных спиртов. Она имеет гораздо менее сладкий вкус, чем сахароза.

III. Мальтоза

Строение и нахождение в природе. Еще один дисахарид состава С₁₂Н₂₂О₁₁ — мальтоза. Тот факт, что при гидролизе мальтозы образуется только глюкоза, позволяет предположить, что ее молекула состоит из двух одинаковых моносахаридных звеньев. Остатки глюкозы связаны за счет гликозидного гидроксила одной молекулы и гидроксильной группы при С(4) другой:

Учитель спрашивает, является ли мальтоза восстанавливающим углеводом? Да, поскольку один из остатков глюкозы (правый) сохранил гликозидный гидроксил. Эта «замаскированная» альдегидная группа способна к окислению до карбоксильной, а также отвечает за существование α- и β-форм.

Мальтоза содержится в прорастающих зернах ячменя (солод), а также может быть получена при частичном гидролизе крахмала в присутствии фермента диастазы. Практическое применение мальтоза находит в микробиологии как компонент питательных сред.

Химические свойства. При окислении реактивами Толенса или Фелиша мальтоза превращается в монокарбоновую малътобионовую кислоту.

При кислотном или ферментативном (под действием фермента мальтозы) гидролизе мальтоза дает единственный моносахарид — глюкозу.

Как многоатомный спирт, мальтоза образует простые и сложные эфиры, дает растворимые в воде комплексы с гидроксидами металлов.