Węglowodany (Cukry) Część 2. Związki wielofunkcyjne

Transkrypt

1 Węglowodany (Cukry) Część 2 Związki wielofunkcyjne

2 Monosacharydy Glukoza, Fruktoza: - wzory łańcuchowe, wzory Fishera, - właściwości fizyczne i chemiczne (zależności między budową a właściwościami) - funkcje biologiczne, powstawanie poznanych związków (proces fotosyntezy, spalanie, rezerwa energetyczna cukry nierozpuszczalne w wodzie, fermentacja) - wzory taflowe Węglowodany część 2

3 Monosacharydy Wiemy, że monosacharydy należą do związków wielofunkcyjnych. W ich budowie możemy wyróżnić po kilka grup hydroksylowych, oraz grupę karbonylową: aldehydową lub ketonową. Można spodziewać się, że właściwości tych związków będą zależały od obecności odpowiednich grup funkcyjnych. Grupy hydroksylowe występują w cząsteczkach alkoholi wielowodorotlenowych, można więc spodziewać się podobnych do nich właściwości. Aldehydy i ketony również reagują z innymi związkami chemicznymi w charakterystyczny dla siebie sposób. 2-pentanon gliceryna propano-1,2,3-triol aldehyd masłowy butanal

4 Monosacharydy wzory cząsteczek W pierwszej kolejności przyjrzymy się najczęściej spotykanym w życiu codziennym monosacharydom: glukozie i fruktozie. Obie należą do tej samej grupy heksoz i są względem siebie izomerami konstytucyjnymi. Wzór sumaryczny ma postać: C 6 H 12 O 6 Glukoza jest aldoheksozą. Fruktoza, natomiast ketoheksozą. grupa ketonowa grupa aldehydowa D-glukoza D-fruktoza

5 Monosacharydy wzory cząsteczek Aby poprawnie zapisywać wszystkie centra stereogeniczne (asymetryczne atomy węgla) występujące w cząsteczkach glukozy i fruktozy, używa się wzory Fishera: wzór stereochemiczny wzór Fishera wzór stereochemiczny wzór Fishera D-glukoza D-fruktoza

6 Monosacharydy właściwości fizyczne Glukoza i fruktoza: - w temperaturze pokojowej, są substancjami krystalicznymi - mają biały kolor - mają słodki smak - bardzo dobrze rozpuszczają się w wodzie - nierozpuszczalne w alkoholu i innych rozpuszczalnikach organicznych - odczyn roztworu wodnego obu związków jest obojętny (ph=7) Bardzo dobrze rozpuszczalne w wodzie Nierozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych

7 Monosacharydy - właściwości chemiczne Właściwości chemiczne obu związków bada się pod kątem obecnych grup funkcyjnych. - Jako pierwszą reakcję charakterystyczną dla wielu grup hydroksylowych z powstawaniem rozpuszczalnych wiązań koordynacyjnych wodorotlenków niektórych metali. Reakcje przeprowadzone dla obu monosacharydów glukozy i fruktozy dały wynik pozytywny. Do 5cm 3 10% r-r NaOH dodano kilka kropli 2% r-r CuSO 4 : wytrąca się niebieski osad, który po dodaniu 3cm 3 10% r-r glukozy (r-r fruktozy); osad rozpuszcza się a r-r przybiera barwę lazurową. 2NaOH CuSO Cu( OH Na SO 4 ) kompleks o barwie lazurowej

8 Monosacharydy - właściwości chemiczne Dwie kolejne reakcje charakterystyczne, próba Trommera i Tollensa, pozwalały na odróżnienie aldehydów od ketonów. Po przeprowadzeniu ich dla glukozy (aldozy) i fruktozy (ketozy) otrzymano zaskakujące wyniki. próba Trommera Do świeżo strąconego niebieskiego osadu Cu(OH) 2 dodano wodnego roztworu glukozy (wodnego roztworu fruktozy) całość zamieszano i następnie podgrzano zawartość do wrzenia. Zaobserwowano zmianę zabarwienia osadu z niebieskiego na brązowy. Zmiana zabarwienia osadu świadczy o zajściu reakcji, glukoza, i tak samo fruktoza mają właściwości redukujące. Redukują miedź (II) do miedzi (I), a same utleniają się do kwasów organicznych. glukoza wodorotlenek miedzi (osad niebieski) kwas glukonowy tlenek miedzi (osad brązowy)

9 Monosacharydy - właściwości chemiczne próba Tollensa (próba lustra srebrowego) Do przygotowanego odczynnika Tollensa (5 cm 3 1% roztworu azotanu (V) srebra dodana 1 kropla roztworu wodorotlenku sodu, następnie mieszając powoli dodaje się roztworu 15% amoniaku, aż do rozpuszczenia osadu) wlewa się 1 cm 3 roztworu glukozy (roztworu fruktozy). Probówkę z mieszaniną ogrzewa się na łaźni wodnej o temperaturze 60 C. odczynnik Tollensa anion glukonowy W wyniku zachodzących reakcji na ściankach probówki pojawia się lustro srebrowe, które świadczy o zdolnościach redukujących glukozy i fruktozy. Zachodzi redukcja Ag(I) do srebra metalicznego, natomiast monosacharydy utleniają się do odpowiednich kwasów organicznych.

10 Monosacharydy - właściwości chemiczne Próba Trommera i Tollensa daje pozytywne wyniki dla glukozy z grupą aldehydową i fruktozy z grupą ketonową nie można posłużyć się nimi jako sposobem na odróżnianie aldoz od ketoz. Sprawdzono, że zdolności redukujące mają nie tylko aldehydy, ale też α-hydroksyketony czyli związki z ugrupowaniem CO-CHOH-. Aby odróżnić monosacharydy z grupą aldehydową od α-hydroksyketonów przeprowadza się reakcję z wodą bromową. 1 cm 3 5% r-r NaHCO 3 4 cm 3 wody bromowej 2 cm 3 20% roztworu glukozy fruktozy Rola wodorowęglanu sodu polega na utrzymywaniu lekko zasadowego środowiska reakcji. W takich warunkach glukoza utlenia się do kwasu glukonowego, następuje odbarwienie wody bromowej, natomiast fruktoza nie posiadająca grupy aldehydowej nie ulega reakcji.

11 Monosacharydy glukoza - funkcje biologiczne Glukoza jest jednym z najważniejszych związków występujących w przyrodzie. Funkcjonowanie życia na ziemi nierozerwalnie związane jest z syntezą, przemianami i degradacją glukozy. Glukoza jest wytwarzana przez rośliny zielone w procesie fotosyntezy. Fotosynteza polega na przekształcaniu dwutlenku węgla i wody w glukozę i tlen z wykorzystaniem energii światła słonecznego. glukoza Ocenia się, że w ciągu roku w procesie fotosyntezy powstaje na Ziemi około (czyli sto miliardów) ton glukozy. Następnie cząsteczki monosacharydu są przekształcane w komórkach roślinnych w inne związki takie jak aminokwasy oraz w pochodne węglowodanowe będące materiałem budulcowym - celuloza i zapasowym - skrobia. Wymienione związki służą z kolei jako pokarm dla zwierząt, w których organizmach rozkładane są ponownie do glukozy. Wieloetapowe spalanie w komórkach jest źródłem energii potrzebnej do życia. Przy udziale tlenu dochodzi do spalania, produkcji wody i dwutlenku węgla. Te produkty ponownie są wykorzystywane w procesie fotosyntezy. Człowiekowi glukoza potrzebna jest do celów spożywczych, część zużywa się w farmacji między innymi do produkcji witaminy C, w przemyśle włókienniczym do barwienia skór, w medycynie do konserwowania krwi, również jako środek wzmacniający serce.

12 Monosacharydy glukoza - zastosowania Glukozę wykorzystuje się już od czasów starożytnych do produkcji alkoholu, w procesie zywanym fermentacją alkoholową. Fermentacja alkoholowa polega na rozkładzie glukozy przy udziale enzymów zawartych miedzy innymi w drożdżach i utworzeniu etanolu i dwutlenku węgla. glukoza

13 Monosacharydy wzory taflowe Jak wykazały badania przeprowadzone w XIX i XX wieku glukoza nie zawsze reagowała w sposób charakterystyczny dla aldehydów. Ponadto występowała w dwóch formach, jedna która krystalizowała z roztworu w temperaturze pokojowej i druga, która krystalizowała w temperaturze 98 C. Okazało się, że kąty skręcania polaryzacji dla obu form są różne, po pewnym czasie jednak przyjmuje on stałą wartość +53 zjawisko to nosi nazwę mutarotacj. Zjawisko to możliwe dzięki zmianie konfiguracji cząsteczki i pojawieniu się dodatkowego asymetrycznego atomu węgla. D-glukoza w środowisku naturalnym występuje w dwóch postaciach: α - glukopiranoza β - glukopiranoza

14 Monosacharydy wzory taflowe Cząsteczka α glukopiranozy lub β glukopiranozy tworzy się w następujacy sposób: α - glukopiranoza Związek heterocykliczny o pierścieniu sześcioczłonowym z jednym atomem tlenu nosi nazwę piranu dlatego taką cykliczną formę glukozy nazywa się glukopiranozą. H 2 O β - glukopiranoza

15 Monosacharydy wzory taflowe Również fruktoza najczęściej występuje w postaci cyklicznej. Poniżej pokazano sposób tworzenia się α fruktofuranozy i β fruktofuranozy. Cykliczna fruktoza też może być uważana za pochodną furanu pięcioczłonowego pierścienia z atomem tlenu, stąd nazwa fruktofuranoza. α - fruktofuranoza β - fruktofuranoza