Глюкоза и фруктоза

Углеводы — природные соединения состава \(\ce{C_n(H2O)_m}\); название отражает старое представление о них как о соединениях углерода с водой. По способности к гидролизу их делят на моносахариды (не гидролизуются: глюкоза, фруктоза, рибоза), дисахариды (сахароза, мальтоза, лактоза) и полисахариды (крахмал, гликоген, целлюлоза).

Строение глюкозы

Глюкоза \(\ce{C6H12O6}\) — самый распространённый моносахарид: она содержится в соке растений, мёде, крови человека (около 0,1 %). В открытой (линейной) форме глюкоза — альдегидоспирт: в молекуле пять гидроксильных групп и одна альдегидная:

\[ \ce{CH2OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-CHO}, \text{ или } \ce{CH2OH-(CHOH)4-CHO} \]

В растворе молекула сворачивается: группа \(\ce{OH}\) у пятого атома углерода присоединяется по альдегидной группе, и образуется шестичленный цикл. Циклических форм две — \(\alpha\) и \(\beta\), они различаются положением группы \(\ce{OH}\) у первого атома углерода. Все три формы находятся в равновесии, открытой формы в растворе меньше 0,1 %, но она постоянно восполняется, поэтому глюкоза вступает в реакции альдегидов. Из \(\alpha\)-глюкозы построены крахмал и гликоген, из \(\beta\)-глюкозы — целлюлоза.

Реакции альдегидной группы

Глюкоза даёт реакцию «серебряного зеркала» и восстанавливает гидроксид меди(II) при нагревании до красного \(\ce{Cu2O}\); альдегидная группа окисляется до карбоксильной, получается глюконовая кислота (или её соль):

\[ \ce{CH2OH-(CHOH)4-CHO + 2[Ag(NH3)2]OH ->[t^\circ] CH2OH-(CHOH)4-COONH4 + 2Ag v + 3NH3 + H2O} \]

\[ \ce{CH2OH-(CHOH)4-CHO + 2Cu(OH)2 ->[t^\circ] CH2OH-(CHOH)4-COOH + Cu2O v + 2H2O} \]

Бромная вода тоже окисляет глюкозу до глюконовой кислоты и обесцвечивается: \(\ce{CH2OH-(CHOH)4-CHO + Br2 + H2O -> CH2OH-(CHOH)4-COOH + 2HBr}\). При восстановлении водородом альдегидная группа превращается в спиртовую, и получается шестиатомный спирт сорбит (заменитель сахара):

\[ \ce{CH2OH-(CHOH)4-CHO + H2 ->[Ni, t^\circ] CH2OH-(CHOH)4-CH2OH} \]

Реакции гидроксильных групп

Как многоатомный спирт, глюкоза растворяет свежеосаждённый гидроксид меди(II) без нагревания, образуя ярко-синий раствор. Если затем раствор нагреть, выпадает красный осадок \(\ce{Cu2O}\). Так одним реагентом доказывают обе функции глюкозы. С уксусным ангидридом глюкоза образует пентаацетат — пять групп \(\ce{OH}\) этерифицируются.

Брожение и окисление

Под действием ферментов микроорганизмов глюкоза расщепляется — это брожение. Продукт зависит от микроорганизма:

\[ \ce{C6H12O6 ->[\text{дрожжи}] 2CH3-CH2-OH + 2CO2 ^} \quad (\text{спиртовое}) \]

\[ \ce{C6H12O6 ->[\text{бактерии}] 2CH3-CH(OH)-COOH} \quad (\text{молочнокислое: квашение, кисломолочные продукты}) \]

\[ \ce{C6H12O6 ->[\text{бактерии}] CH3-CH2-CH2-COOH + 2CO2 ^ + 2H2 ^} \quad (\text{маслянокислое}) \]

В клетках глюкоза окисляется до углекислого газа и воды; выделяющаяся энергия обеспечивает жизнедеятельность. Обратный процесс — фотосинтез — идёт в зелёных растениях на свету:

\[ \ce{C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O}; \qquad \ce{6CO2 + 6H2O ->[h\nu, \text{хлорофилл}] C6H12O6 + 6O2} \]

В промышленности глюкозу получают гидролизом крахмала.

Фруктоза

Фруктоза — изомер глюкозы, кетоноспирт: \(\ce{CH2OH-(CHOH)3-CO-CH2OH}\). Это самый сладкий природный сахар (мёд, фрукты). Как многоатомный спирт, фруктоза даёт синий раствор с \(\ce{Cu(OH)2}\) без нагревания, при гидрировании превращается в шестиатомный спирт. Альдегидной группы у неё нет; в щелочной среде фруктоза частично переходит в глюкозу и может давать «серебряное зеркало», но в заданиях ЕГЭ принято считать, что этой реакции фруктоза не даёт.