Страница 161 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

5.1. Дайте определение моносахарида. Можно ли отнести к моносахаридам 2,3-дигидроксипропаналь и 1,3-дигидроксипропанон-2? Ответ обоснуйте.

Решение

Сначала дадим определение моносахарида. Моносахариды — это гетерофункциональные органические соединения, являющиеся простейшими углеводами, которые не гидролизуются с образованием более простых углеводов. По химической природе они представляют собой полигидроксиальдегиды (альдозы) или полигидроксикетоны (кетозы). Общая формула большинства из них — $C_n(H_2O)_n$, где $n \geq 3$.

Теперь проанализируем предложенные соединения на соответствие этому определению, чтобы ответить на вопрос, можно ли их отнести к моносахаридам.

2,3-дигидроксипропаналь (тривиальное название — глицеральдегид). Его структурная формула $CHO-CH(OH)-CH_2OH$. Молекула содержит три атома углерода (это триоза), одну альдегидную группу ($-CHO$) и две гидроксильные группы ($-OH$). Наличие альдегидной и нескольких гидроксильных групп позволяет классифицировать его как полигидроксиальдегид, или альдозу. Таким образом, глицеральдегид является простейшей альдозой (альдотриозой) и полностью соответствует определению моносахарида.

1,3-дигидроксипропанон-2 (тривиальное название — дигидроксиацетон). Его структурная формула $CH_2OH-C(O)-CH_2OH$. Молекула также содержит три атома углерода (триоза), одну кетонную группу ($>C=O$) и две гидроксильные группы ($-OH$). Наличие кетонной и нескольких гидроксильных групп позволяет классифицировать его как полигидроксикетон, или кетозу. Таким образом, дигидроксиацетон является простейшей кетозой (кетотриозой) и также полностью соответствует определению моносахарида.

Ответ: Моносахариды – это полигидроксиальдегиды или полигидроксикетоны, не способные к гидролизу до более простых углеводов. Да, 2,3-дигидроксипропаналь и 1,3-дигидроксипропанон-2 можно отнести к моносахаридам. Обоснование: 2,3-дигидроксипропаналь является полигидроксиальдегидом (альдотриозой), а 1,3-дигидроксипропанон-2 – полигидроксикетоном (кетотриозой), что полностью соответствует химическому определению моносахаридов. Они являются простейшими представителями этого класса соединений.

5.2. К каким группам углеводов можно отнести: а) D-глюкозу; б) D-сахарозу?

а) D-глюкоза

D-глюкозу ($C_6H_{12}O_6$) можно классифицировать по нескольким признакам. Во-первых, по способности к гидролизу: глюкоза является простейшим углеводом и не расщепляется водой на более простые сахаристые вещества, поэтому она относится к моносахаридам. Во-вторых, по числу атомов углерода в молекуле: так как в молекуле глюкозы содержится шесть атомов углерода, её относят к гексозам. В-третьих, по характеру карбонильной группы: в своей ациклической (открытой) форме молекула глюкозы содержит альдегидную группу (-CHO), что позволяет отнести её к классу альдоз. Объединяя эти классификации, D-глюкозу можно назвать альдогексозой. Префикс "D" указывает на принадлежность к D-стереохимическому ряду (конфигурация хирального центра, наиболее удаленного от карбонильной группы, аналогична конфигурации D-глицеринового альдегида).

Ответ: D-глюкозу относят к группам моносахаридов, гексоз и альдоз (полное классификационное название — альдогексоза).

б) D-сахароза

D-сахарозу ($C_{12}H_{22}O_{11}$) классифицируют на основе её структуры и химических свойств. Во-первых, по способности к гидролизу: молекула сахарозы состоит из двух моносахаридных остатков (α-D-глюкозы и β-D-фруктозы), соединенных гликозидной связью. При гидролизе (в кислой среде или под действием ферментов) сахароза распадается на эти два моносахарида. Поэтому сахарозу относят к дисахаридам. Дисахариды, в свою очередь, являются частью более широкой группы олигосахаридов. Во-вторых, по восстанавливающей способности: в молекуле сахарозы гликозидная связь образована за счет гликозидных гидроксилов обоих моносахаридов (у первого атома углерода глюкозы и второго у фруктозы). В результате в молекуле отсутствуют свободные полуацетальные (или полукетальные) гидроксилы, из-за чего она не способна к таутомерии (не может раскрыть цикл с образованием альдегидной группы) и не проявляет восстанавливающих свойств (например, не вступает в реакцию "серебряного зеркала"). Следовательно, сахароза относится к невосстанавливающим сахарам.

Ответ: D-сахарозу относят к группам дисахаридов (которые входят в группу олигосахаридов) и невосстанавливающих сахаров.

5.3. Изобразите линейную форму D-глюкозы. Обозначьте все асимметрические центры. Сколько пространственных изомеров есть у этой молекулы?

Решение

Изобразите линейную форму D-глюкозы. Обозначьте все асимметрические центры.

D-глюкоза является альдогексозой, то есть шестиатомным моносахаридом, содержащим альдегидную группу ($–CHO$) и пять гидроксильных групп ($–OH$). Линейная (или ациклическая) форма D-глюкозы изображается с помощью проекции Фишера.

Структура строится следующим образом:

• Углеродная цепь из 6 атомов располагается вертикально.
• Наверху находится наиболее окисленная группа — альдегидная (атом C1).
• Внизу — первичная спиртовая группа ($–CH_2OH$) (атом C6).
• Принадлежность к D-ряду определяется положением гидроксильной группы у асимметрического центра, наиболее удаленного от альдегидной группы (у атома C5). Для D-изомеров эта группа находится справа.
• Расположение остальных гидроксильных групп у асимметрических центров для глюкозы: C2 — справа, C3 — слева, C4 — справа.

Асимметрический (хиральный) центр — это атом углерода, который связан с четырьмя различными атомами или группами атомов. В линейной форме глюкозы асимметрическими являются атомы углерода C2, C3, C4 и C5. Они обозначены на схеме звездочкой (*). Атом C1 (входит в альдегидную группу) и C6 (связан с двумя атомами водорода) не являются асимметрическими.

Ответ: Линейная форма D-глюкозы с обозначенными асимметрическими центрами (*) представлена на схеме выше. В молекуле D-глюкозы 4 асимметрических центра.

Сколько пространственных изомеров есть у этой молекулы?

Максимальное число пространственных изомеров (стереоизомеров) для молекулы с несколькими асимметрическими центрами рассчитывается по правилу Вант-Гоффа. Если молекула содержит $n$ асимметрических центров и не имеет плоскости симметрии (что верно для альдогексоз), то число стереоизомеров ($N$) равно $2^n$.

Как было установлено, в молекуле глюкозы содержится 4 асимметрических центра, следовательно, $n = 4$.

Подставим это значение в формулу:

$N = 2^n = 2^4 = 16$

Таким образом, существует 16 стереоизомерных альдогексоз, которые делятся на 8 пар энантиомеров (например, D-глюкоза и L-глюкоза, D-галактоза и L-галактоза и т.д.). D-глюкоза является одним из этих 16 изомеров.

Ответ: У этой молекулы существует 16 пространственных изомеров.

5.4. Почему углеводы хорошо растворяются в воде и плохо растворяются в бензоле?

Решение

Растворимость веществ определяется общим правилом «подобное растворяется в подобном». Это означает, что вещества с полярными молекулами, как правило, хорошо растворяются в полярных растворителях, а неполярные вещества — в неполярных.

Молекулы углеводов (например, глюкозы $C_6H_{12}O_6$ или сахарозы $C_{12}H_{22}O_{11}$) содержат большое количество гидроксильных групп ($-OH$). Наличие этих групп, в которых связь $O-H$ сильно поляризована, делает молекулы углеводов в целом сильно полярными.

Вода ($H_2O$) — это классический полярный растворитель. Молекула воды является диполем из-за высокой электроотрицательности кислорода. Это позволяет молекулам воды образовывать друг с другом прочные водородные связи. Когда полярный углевод попадает в воду, его гидроксильные группы образуют новые водородные связи с молекулами воды. Этот процесс энергетически выгоден: энергия, выделяющаяся при образовании новых связей «углевод-вода», компенсирует энергию, затраченную на разрыв связей в кристалле углевода и между молекулами воды. В результате углеводы хорошо растворяются.

Бензол ($C_6H_6$), напротив, является неполярным растворителем. Его молекула симметрична и не имеет дипольного момента. Между молекулами бензола действуют только слабые межмолекулярные силы (силы Ван-дер-Ваальса). При попытке растворить полярный углевод в неполярном бензоле сильные водородные связи между молекулами углеводов не могут быть заменены на энергетически сопоставимые связи с молекулами бензола. Энергии слабого взаимодействия между полярными и неполярными молекулами недостаточно, чтобы разрушить кристаллическую структуру углевода. Поэтому углеводы практически не растворяются в бензоле.

Ответ: Углеводы хорошо растворяются в воде, так как их молекулы, как и молекулы воды, полярны и способны образовывать друг с другом прочные водородные связи. В неполярном бензоле углеводы растворяются плохо, так как полярные молекулы углеводов не могут образовать прочных связей с неполярными молекулами бензола, и энергии взаимодействия недостаточно для разрушения кристаллической структуры углевода.

5.5. Запишите уравнения: а) спиртового брожения глюкозы; б) молочнокислого брожения глюкозы. Где применяется каждый из этих процессов?

а) спиртового брожения глюкозы

Спиртовое брожение — это анаэробный (протекающий без доступа кислорода) процесс расщепления углеводов, в частности глюкозы, под действием ферментов дрожжей. В результате реакции образуется этиловый спирт (этанол) и диоксид углерода (углекислый газ).

Суммарное уравнение реакции:

$C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{дрожжи} 2C_2H_5OH + 2CO_2 \uparrow$

Применение процесса: Этот процесс широко используется человеком. В хлебопечении выделяющийся диоксид углерода ($CO_2$) разрыхляет тесто, делая его пористым и пышным. В виноделии, пивоварении и производстве кваса спиртовое брожение является основой для получения целевых продуктов, содержащих этанол. В промышленности его используют для производства этанола, который применяется как биотопливо, растворитель и антисептическое средство.

Ответ: Уравнение реакции: $C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2C_2H_5OH + 2CO_2$. Применяется в хлебопечении, виноделии, пивоварении, а также для промышленного получения этанола.

б) молочнокислого брожения глюкозы

Молочнокислое брожение — это также анаэробный процесс расщепления углеводов, осуществляемый молочнокислыми бактериями. В результате из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы молочной кислоты.

Суммарное уравнение реакции:

$C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{молочнокислые \ бактерии} 2CH_3CH(OH)COOH$

Применение процесса: Молочнокислое брожение лежит в основе производства кисломолочных продуктов (йогурта, кефира, сметаны, творога, сыров). Оно используется при консервировании овощей (квашение капусты, соление огурцов), так как образующаяся молочная кислота является природным консервантом, подавляющим развитие гнилостных микроорганизмов. В сельском хозяйстве этот процесс применяют для силосования кормов — консервации сочных кормов для скота. Кроме того, молочнокислое брожение происходит в мышцах человека и животных при интенсивных физических нагрузках в условиях недостатка кислорода.

Ответ: Уравнение реакции: $C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2CH_3CH(OH)COOH$. Применяется при производстве кисломолочных продуктов, квашении овощей и силосовании кормов.

5.6. Углеводы являются полифункциональными соединениями (содержат несколько различных функциональных групп). Приведите примеры реакций, иллюстрирующие наличие у глюкозы: а) свойств альдегидов; б) свойств многоатомных спиртов.

Глюкоза ($C_6H_{12}O_6$) является классическим примером полифункционального соединения, так как её молекула содержит функциональные группы двух классов: альдегидную (в линейной форме) и спиртовые (гидроксильные). Соответственно, она проявляет свойства как альдегидов, так и многоатомных спиртов.

Свойства, характерные для альдегидов, глюкоза проявляет за счет наличия альдегидной группы ($-CHO$) в своей ациклической (линейной) форме, которая существует в растворе в равновесии с циклическими формами. Эти реакции, как правило, являются реакциями окисления альдегидной группы.

Пример 1: Реакция «серебряного зеркала».

При нагревании глюкозы с аммиачным раствором оксида серебра (реактивом Толленса) происходит окисление альдегидной группы до карбоксильной с образованием глюконовой кислоты (которая в щелочной среде присутствует в виде соли — глюконата аммония). Серебро при этом восстанавливается до металла и осаждается на стенках пробирки в виде блестящего налета — «зеркала».

Уравнение реакции для линейной формы глюкозы:

$CH_2OH-(CHOH)_4-CHO + 2[Ag(NH_3)_2]OH \xrightarrow{t^\circ} CH_2OH-(CHOH)_4-COONH_4 + 2Ag\downarrow + 3NH_3 + H_2O$

Пример 2: Реакция с гидроксидом меди(II) при нагревании.

Глюкоза, как и другие альдегиды, восстанавливает гидроксид меди(II) ($Cu(OH)_2$) синего цвета до оксида меди(I) ($Cu_2O$) кирпично-красного цвета. Альдегидная группа глюкозы окисляется до карбоксильной, образуя глюконовую кислоту.

Уравнение реакции:

$CH_2OH-(CHOH)_4-CHO + 2Cu(OH)_2 \xrightarrow{t^\circ} CH_2OH-(CHOH)_4-COOH + Cu_2O\downarrow + 2H_2O$

Ответ: Свойства альдегидов у глюкозы подтверждаются качественными реакциями окисления: реакцией «серебряного зеркала» с реактивом Толленса и реакцией с гидроксидом меди(II) при нагревании, в результате которых образуются глюконовая кислота и, соответственно, металлическое серебро или оксид меди(I).

Наличие в молекуле глюкозы пяти гидроксильных групп ($-OH$) обусловливает её свойства как многоатомного спирта.

Пример 1: Реакция со свежеосажденным гидроксидом меди(II) без нагревания.

В отличие от реакции при нагревании, при комнатной температуре глюкоза реагирует с гидроксидом меди(II) как многоатомный спирт (подобно глицерину). При этом голубой осадок $Cu(OH)_2$ растворяется с образованием ярко-синего раствора комплексного соединения — сахарата меди(II). Эта реакция является качественной на многоатомные спирты с гидроксогруппами у соседних атомов углерода.

Схематическое уравнение реакции:

$2C_6H_{12}O_6 + Cu(OH)_2 \rightarrow (C_6H_{11}O_6)_2Cu + 2H_2O$

Пример 2: Реакция этерификации (образование сложных эфиров).

Глюкоза способна реагировать с карбоновыми кислотами и их производными (например, ангидридами) с образованием сложных эфиров. Так, при взаимодействии с уксусным ангидридом в присутствии катализатора все пять гидроксильных групп глюкозы этерифицируются, образуя пентаацетилглюкозу. Это доказывает наличие именно пяти гидроксогрупп в молекуле.

Уравнение реакции (для циклической формы глюкозы):

$C_6H_7O(OH)_5 + 5(CH_3CO)_2O \rightarrow C_6H_7O(OCOCH_3)_5 + 5CH_3COOH$

Ответ: Свойства многоатомных спиртов у глюкозы доказываются её способностью образовывать ярко-синий растворимый комплекс с гидроксидом меди(II) без нагревания, а также вступать в реакции этерификации по всем пяти гидроксильным группам, например, с уксусным ангидридом с образованием пентаацетилглюкозы.

5.7. Назовите сходства и различия в химических свойствах глюкозы и фруктозы. Приведите необходимые уравнения реакций.

Глюкоза и фруктоза являются изомерами, имеют одинаковую молекулярную формулу $C_6H_{12}O_6$, но различаются строением. Глюкоза является альдогексозой (содержит альдегидную группу), а фруктоза — кетогексозой (содержит кетонную группу). Это структурное различие является причиной как сходств, так и различий в их химических свойствах.

На рисунке изображены линейные (проекции Фишера) и циклические (формулы Хеуорса) формы D-глюкозы и D-фруктозы.

Сходные свойства обусловлены наличием в обеих молекулах нескольких гидроксильных групп ($–OH$), то есть оба вещества являются многоатомными спиртами.

1. Реакция с гидроксидом меди(II) без нагревания. Как и все многоатомные спирты, глюкоза и фруктоза реагируют со свежеосажденным гидроксидом меди(II), образуя ярко-синий растворимый комплекс (сахарат меди(II)). Это качественная реакция на многоатомные спирты.

   $2 C_6H_{12}O_6 + Cu(OH)_2 \rightarrow (C_6H_{11}O_6)_2Cu + 2H_2O$

2. Реакция восстановления. При гидрировании (восстановлении водородом в присутствии катализатора, например, никеля) и глюкоза, и фруктоза превращаются в один и тот же шестиатомный спирт — сорбит.

   Восстановление глюкозы:

   $CH_2OH-(CHOH)_4-CHO + H_2 \xrightarrow{Ni, t, p} CH_2OH-(CHOH)_4-CH_2OH$

   Восстановление фруктозы:

   $CH_2OH-(CHOH)_3-CO-CH_2OH + H_2 \xrightarrow{Ni, t, p} CH_2OH-(CHOH)_4-CH_2OH$

3. Брожение. Оба моносахарида под действием дрожжей подвергаются спиртовому брожению с образованием этилового спирта и углекислого газа.

   $C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{дрожжи} 2 C_2H_5OH + 2 CO_2 \uparrow$

4. Этерификация. Благодаря наличию гидроксильных групп, оба углевода могут вступать в реакции этерификации, например, с уксусным ангидридом, образуя сложные эфиры.

Ответ: Общие свойства глюкозы и фруктозы обусловлены наличием в их молекулах нескольких гидроксильных групп (свойства многоатомных спиртов), а также способностью к брожению и восстановлению до шестиатомного спирта сорбита.

Различия в свойствах обусловлены наличием разных функциональных групп: альдегидной у глюкозы и кетонной у фруктозы.

1. Реакции окисления. Альдегидная группа глюкозы легко окисляется, в то время как кетонная группа фруктозы устойчива к действию мягких окислителей.

   а) Реакция «серебряного зеркала» (с аммиачным раствором оксида серебра). Глюкоза окисляется до глюконовой кислоты (в аммиачной среде образуется ее соль — аммония глюконат), а серебро восстанавливается до металлического, образуя на стенках сосуда зеркальный налет.

   $CH_2OH-(CHOH)_4-CHO + 2[Ag(NH_3)_2]OH \rightarrow CH_2OH-(CHOH)_4-COONH_4 + 2Ag \downarrow + 3NH_3 + H_2O$

   Фруктоза, будучи кетоном, сама по себе не должна вступать в эту реакцию. Однако в щелочной среде, создаваемой реактивом Толленса, происходит изомеризация фруктозы в глюкозу. Поэтому фруктоза также дает положительную реакцию «серебряного зеркала».

   б) Реакция с гидроксидом меди(II) при нагревании. Глюкоза, как альдегид, при нагревании восстанавливает синий гидроксид меди(II) до красного оксида меди(I).

   $CH_2OH-(CHOH)_4-CHO + 2Cu(OH)_2 \xrightarrow{t} CH_2OH-(CHOH)_4-COOH + Cu_2O \downarrow + 2H_2O$

   Фруктоза по той же причине (изомеризация в щелочной среде) также дает положительную реакцию с гидроксидом меди(II) при нагревании.

2. Реакция с бромной водой. Это качественная реакция, позволяющая отличить глюкозу от фруктозы. Бромная вода является мягким окислителем и действует в нейтральной или слабокислой среде, в которой изомеризация фруктозы не происходит.

   Глюкоза окисляется бромной водой до глюконовой кислоты, при этом раствор брома обесцвечивается.

   $CH_2OH-(CHOH)_4-CHO + Br_2 + H_2O \rightarrow CH_2OH-(CHOH)_4-COOH + 2HBr$

   Фруктоза с бромной водой не реагирует.

Ответ: Ключевое различие в химических свойствах заключается в реакции на мягкий окислитель в нейтральной среде (бромную воду): глюкоза (как альдегид) окисляется, а фруктоза (как кетон) — нет. В щелочной среде (реактивы Толленса и Фелинга) фруктоза изомеризуется в глюкозу, поэтому обе дают одинаковые положительные реакции (окисляются).

5.8. Почему для сахарозы можно определить температуру плавления, но нельзя определить температуру кипения?

Температура плавления сахарозы

Сахароза ($C_{12}H_{22}O_{11}$) является кристаллическим веществом. Как и для большинства кристаллических тел, для нее характерен фазовый переход из твердого состояния в жидкое при определенной температуре. Этот процесс называется плавлением и является физическим изменением, при котором химическая природа вещества сохраняется. При нагревании до температуры примерно 186 °C кристаллическая решетка сахарозы разрушается, и она становится жидкостью (расплавом). Таким образом, температуру плавления для сахарозы определить можно, и она является её физической константой.

Отсутствие температуры кипения у сахарозы

Кипение — это также физический процесс, представляющий собой переход вещества из жидкого состояния в газообразное. Однако сахароза является органическим соединением со сложной и термически нестабильной молекулой. Это означает, что при попытке нагреть жидкую сахарозу до температуры кипения, она не переходит в газовую фазу, а начинает химически разлагаться. Этот процесс разложения, известный как карамелизация, начинается уже при температурах, близких к температуре плавления. В ходе карамелизации молекулы сахарозы теряют воду и образуют сложную смесь новых, более тёмных по цвету соединений, а при дальнейшем нагреве обугливаются, превращаясь в углерод. Поскольку исходное вещество (сахароза) разрушается и превращается в другие химические соединения до того, как могло бы закипеть, у него нет определённой температуры кипения. Температура кипения — это характеристика вещества, способного существовать в жидкой и газообразной фазах без изменения химического состава.

Ответ: Для сахарозы можно определить температуру плавления, так как процесс плавления является физическим переходом, не изменяющим химический состав вещества. Температуру кипения определить нельзя, потому что сахароза является термически нестабильным соединением и при нагревании разлагается (карамелизуется) до того, как достигает температуры, при которой могло бы произойти кипение.

5.9. Запишите уравнения реакций D-глюкозы с: а) аммиачным раствором оксида серебра(I); б) гидроксидом меди(II); в) бромной водой.

D-глюкоза является альдозой (альдегидоспиртом), поэтому для неё характерны реакции окисления по альдегидной группе. Во всех трёх случаях альдегидная группа ($–CHO$) окисляется до карбоксильной группы ($–COOH$), образуя D-глюконовую кислоту или её соли. Для записи уравнений будем использовать сокращенную формулу D-глюкозы $CH_2OH-(CHOH)_4-CHO$.

а) аммиачным раствором оксида серебра(I)

Взаимодействие с аммиачным раствором оксида серебра(I) (реактивом Толленса) является качественной реакцией на альдегидную группу, известной как реакция «серебряного зеркала». D-глюкоза окисляется до D-глюконовой кислоты, которая в щелочной среде (избыток аммиака) образует соль — D-глюконат аммония. Комплексный ион диамминсеребра(I) $[Ag(NH_3)_2]^+$ восстанавливается до металлического серебра, которое выпадает в осадок.

$CH_2OH-(CHOH)_4-CHO + 2[Ag(NH_3)_2]OH \xrightarrow{t^\circ} CH_2OH-(CHOH)_4-COONH_4 + 2Ag \downarrow + 3NH_3 \uparrow + H_2O$

Ответ: $CH_2OH-(CHOH)_4-CHO + 2[Ag(NH_3)_2]OH \xrightarrow{t^\circ} CH_2OH-(CHOH)_4-COONH_4 + 2Ag \downarrow + 3NH_3 \uparrow + H_2O$

б) гидроксидом меди(II)

При нагревании D-глюкоза реагирует со свежеосажденным гидроксидом меди(II) ($Cu(OH)_2$). Это также качественная реакция на альдегиды. Голубой осадок гидроксида меди(II) восстанавливается до оксида меди(I) ($Cu_2O$) — осадка кирпично-красного цвета. Альдегидная группа D-глюкозы окисляется до карбоксильной, образуя D-глюконовую кислоту.

$CH_2OH-(CHOH)_4-CHO + 2Cu(OH)_2 \xrightarrow{t^\circ} CH_2OH-(CHOH)_4-COOH + Cu_2O \downarrow + 2H_2O$

Ответ: $CH_2OH-(CHOH)_4-CHO + 2Cu(OH)_2 \xrightarrow{t^\circ} CH_2OH-(CHOH)_4-COOH + Cu_2O \downarrow + 2H_2O$

в) бромной водой

Бромная вода ($Br_2$ в $H_2O$) — мягкий окислитель, который специфично окисляет альдегидную группу альдоз, не затрагивая спиртовые группы. В результате реакции D-глюкозы с бромной водой образуется D-глюконовая кислота и бромоводородная кислота.

$CH_2OH-(CHOH)_4-CHO + Br_2 + H_2O \rightarrow CH_2OH-(CHOH)_4-COOH + 2HBr$

Ответ: $CH_2OH-(CHOH)_4-CHO + Br_2 + H_2O \rightarrow CH_2OH-(CHOH)_4-COOH + 2HBr$

5.10. К углеводам иногда относят вещества, аналогичные им по строению, но в молекулах которых одна гидроксильная группа замещена на атом водорода. В названии таких веществ используют приставку «дезокси-». Определите молекулярную формулу дезоксирибозы.

Решение

Согласно условию, дезокси-углеводы — это вещества, аналогичные углеводам, в молекулах которых одна гидроксильная группа ($-OH$) замещена на атом водорода ($-H$). Название «дезоксирибоза» прямо указывает на то, что это вещество является производным рибозы.

Сначала определим молекулярную формулу рибозы. Рибоза относится к классу пентоз, то есть является моносахаридом, содержащим пять атомов углерода ($n=5$). Общая формула для большинства моносахаридов — $C_n(H_2O)_n$. Подставив $n=5$, получаем формулу рибозы: $C_5(H_2O)_5$, что в развернутом виде записывается как $C_5H_{10}O_5$.

Далее, чтобы получить формулу дезоксирибозы, необходимо произвести замену одной группы $-OH$ на атом $-H$ в формуле рибозы. Проанализируем изменение состава атомов:
1. Удаление гидроксильной группы $-OH$ приводит к уменьшению числа атомов водорода на 1 и числа атомов кислорода на 1.
2. Добавление атома водорода $-H$ приводит к увеличению числа атомов водорода на 1.

Суммарное изменение в молекулярной формуле будет следующим:
- число атомов углерода (C) не изменяется;
- число атомов водорода (H) не изменяется ($-1 + 1 = 0$);
- число атомов кислорода (O) уменьшается на 1.

Таким образом, исходя из формулы рибозы $C_5H_{10}O_5$, мы можем вывести формулу дезоксирибозы, отняв один атом кислорода: $C_5H_{10}O_{5-1} = C_5H_{10}O_4$.

Ответ: Молекулярная формула дезоксирибозы — $C_5H_{10}O_4$.

5.11. Приведите уравнение реакции, с помощью которой можно различить глюкозу и фруктозу.

Решение

Чтобы различить глюкозу и фруктозу, можно использовать их разное отношение к мягким окислителям. Глюкоза является альдогексозой, то есть содержит альдегидную группу (-CHO). Фруктоза — кетогексоза, содержит кето-группу (C=O). Альдегиды, в отличие от кетонов, легко окисляются.

Качественной реакцией, позволяющей отличить альдозы от кетоз, является реакция с бромной водой ($Br_2(aq)$). Бромная вода — мягкий окислитель, который в нейтральной или слабокислой среде окисляет альдегидную группу, но не затрагивает кето-группу и спиртовые гидроксилы. При этом происходит обесцвечивание бурого раствора брома.

Глюкоза вступает в реакцию с бромной водой, окисляясь до глюконовой кислоты. Раствор обесцвечивается.

Уравнение реакции для глюкозы:

$CH_2OH-(CHOH)_4-CHO + Br_2 + H_2O \rightarrow CH_2OH-(CHOH)_4-COOH + 2HBr$

Фруктоза с бромной водой не реагирует, и раствор сохраняет свою окраску.

Важно отметить, что такие реагенты, как реактив Толленса (аммиачный раствор оксида серебра) или реактив Фелинга (гидроксид меди(II)), не подходят для различения глюкозы и фруктозы. Хотя они и являются качественными реагентами на альдегидную группу, в щелочной среде, в которой проводят эти реакции, фруктоза (кетоза) способна изомеризоваться в глюкозу и маннозу (альдозы), что приводит к положительной реакции (выпадение "серебряного зеркала" или красного осадка $Cu_2O$ соответственно).

Ответ: Различить глюкозу и фруктозу можно с помощью реакции с бромной водой. Глюкоза обесцвечивает бромную воду, в то время как фруктоза не реагирует. Уравнение реакции для глюкозы:

$CH_2OH-(CHOH)_4-CHO + Br_2 + H_2O \rightarrow CH_2OH-(CHOH)_4-COOH + 2HBr$

5.12. Какая реакция, характерная для альдегидов, не свойственна глюкозе?

Глюкоза ($C_6H_{12}O_6$) является альдогексозой, то есть её молекула содержит альдегидную группу. Однако в растворах глюкоза существует преимущественно в циклических полуацетальных формах (α- и β-формах), которые находятся в равновесии с незначительным количеством (около 0,02%) открытой (ациклической) альдегидной формы.

Благодаря этому равновесию глюкоза вступает в некоторые качественные реакции, характерные для альдегидов. Например, она даёт реакцию "серебряного зеркала" с аммиачным раствором оксида серебра (реактив Толленса) и окисляется гидроксидом меди(II) (реактив Фелинга) при нагревании. В этих случаях равновесие смещается в сторону образования открытой формы по мере её расходования в реакции.

Тем не менее, существует качественная реакция на альдегиды, которая для глюкозы не свойственна. Это реакция с реактивом Шиффа (фуксинсернистой кислотой). Простые альдегиды восстанавливают розово-фиолетовую окраску этого реагента, в то время как глюкоза такого эффекта не даёт.

Причина этого заключается в том, что реактив Шиффа является относительно слабым реагентом, и крайне низкой концентрации открытой формы глюкозы в равновесной смеси недостаточно для проявления заметного результата. Реакция не идет с достаточной скоростью, чтобы сместить равновесие в сторону альдегидной формы. Таким образом, несмотря на наличие альдегидной группы в структуре, глюкоза не даёт положительную пробу с реактивом Шиффа.

Другим примером такой реакции является присоединение гидросульфита натрия ($NaHSO_3$), которое также характерно для альдегидов, но не протекает с глюкозой из-за низкой концентрации ациклической формы и стерических препятствий.

Ответ: Реакция с реактивом Шиффа.

5.13. Из глюкозы и фруктозы можно получить одно и то же вещество, содержащее 6 атомов углерода в молекуле. Что это за вещество?

Решение

Глюкоза и фруктоза являются изомерами и относятся к моносахаридам-гексозам, имея общую молекулярную формулу $C_6H_{12}O_6$. Оба эти вещества содержат по шесть атомов углерода. Их различие заключается в строении функциональных групп:

- Глюкоза является альдогексозой, так как её молекула содержит альдегидную группу (—CHO).

- Фруктоза является кетогексозой, так как её молекула содержит кетонную группу (>C=O).

Вещество, которое можно получить из обоих этих соединений, образуется в результате реакции восстановления (гидрирования). В этой реакции происходит присоединение водорода по двойной связи карбонильной группы (C=O) в присутствии катализатора (например, никеля, платины или палладия).

1. При восстановлении альдегидной группы глюкозы образуется шестиатомный спирт сорбит (глюцит):
$CHO-(CHOH)_4-CH_2OH \text{ (глюкоза)} + H_2 \xrightarrow{Ni, t^\circ} CH_2OH-(CHOH)_4-CH_2OH \text{ (сорбит)}$

2. При восстановлении кетонной группы фруктозы также образуется шестиатомный спирт сорбит (а также его стереоизомер маннит, но сорбит является одним из основных продуктов):
$CH_2OH-CO-(CHOH)_3-CH_2OH \text{ (фруктоза)} + H_2 \xrightarrow{Ni, t^\circ} CH_2OH-(CHOH)_4-CH_2OH \text{ (сорбит)}$

Таким образом, и из глюкозы, и из фруктозы можно получить одно и то же вещество, содержащее 6 атомов углерода, — шестиатомный спирт сорбит. Его химическая формула $C_6H_{14}O_6$.

Ответ: Это вещество — шестиатомный спирт сорбит (или глюцит).

5.14. Напишите уравнение реакции брожения глюкозы, при котором не выделяются газообразные продукты.

Решение

Брожение — это процесс анаэробного (без доступа кислорода) расщепления органических веществ, преимущественно углеводов, под действием микроорганизмов или их ферментов. Существует несколько видов брожения глюкозы, но не все они протекают без выделения газов.

Например, наиболее известное спиртовое брожение, используемое в виноделии и пивоварении, сопровождается выделением углекислого газа:

$C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{ферменты \ дрожжей} 2C_2H_5OH + 2CO_2\uparrow$

Здесь $C_6H_{12}O_6$ — глюкоза, $C_2H_5OH$ — этанол, $CO_2$ — диоксид углерода (газ).

Маслянокислое брожение также приводит к образованию газообразных продуктов — диоксида углерода и водорода:

$C_6H_{12}O_6 \rightarrow CH_3CH_2CH_2COOH + 2CO_2\uparrow + 2H_2\uparrow$

Здесь $CH_3CH_2CH_2COOH$ — масляная кислота, $CO_2$ — диоксид углерода (газ), $H_2$ — водород (газ).

Реакцией брожения глюкозы, при которой не выделяются газообразные продукты, является молочнокислое брожение. Этот процесс происходит в мышцах при интенсивной физической нагрузке, а также используется при квашении капусты, силосовании кормов и получении кисломолочных продуктов (кефир, йогурт, сметана). В результате этого процесса из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы молочной кислоты, которая при стандартных условиях является жидкостью.

Уравнение реакции молочнокислого брожения глюкозы выглядит следующим образом:

$C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{молочнокислые \ бактерии} 2CH_3CH(OH)COOH$

Продуктом реакции является молочная (или 2-гидроксипропановая) кислота. Как видно из уравнения, газообразные вещества в ходе данной реакции не образуются.

Ответ: $C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{молочнокислые \ бактерии} 2CH_3CH(OH)COOH$