Кислородсодержащие органические соединения в химии — формулы и определения с примерами

Кислоты: классификация, номенклатура, физические и химические свойства

Моносахариды

Глюкоза: строение и физические свойства:

Примерно половина энергии, необходимой для деятельности человека, производится за счет превращений глюкозы, растворенной в крови.

В природе глюкоза содержится в виноградном соке, меде, спелых фруктах и ягодах. В организме человека глюкоза, наряду с мышцами, содержится в крови (около 0,1%) и в меньшем количестве во всех тканях. Образуется при фотосинтезе растений:

Получение: Глюкоза впервые была синтезирована из формальдегида (А. Бутлеров, 1861):

В промышленности глюкозу получают гидролизом крахмала или целлюлозы:

Примечание: В нашей республике глюкозу получают из промежуточных продуктов обработки кукурузы на Огузском заводе но производству глюкозы.

Изомерия: Глюкоза имеет несколько изомеров. Два из них называются фруктозой и галактозой.

Физические свойства: Глюкоза — белое кристаллическое вещество со сладким вкусом, хорошо растворимое в воде и малорастворимое в спирте. Из водного раствора она выделяется в виде кристаллогидрата Строение: Молекула глюкозы в водном растворе существует в трех изомерных формах — пятиатомного альдегидоспирта и в двух циклических —

В каждой из циклических форм глюкозы также содержится 5 -ОН групп, но альдегидная группа отсутствует:

Альдегидоспиртовая и две циклические формы молекулы глюкозы (атомы углерода кольца не показаны)

В водном растворе глюкозы альдегидоспиртовая форма присутствует в очень малом количестве ₁ и C₂ атомами углерода, расположены по одну сторону цикла молекулы, а в таутомерией, таутомерами. В растворах таутомеры находятся в динамическом равновесии.

Глюкоза: химические свойства и применение:

Одной из наиболее частых процедур в биохимических лабораториях является определение глюкозы в крови, моче или в других биологических жидкостях. С этой целью используется фермент глюкозооксидаза.

Реакции альдегидной группы глюкозы:

Восстановление глюкозы. В присутствии катализатора глюкоза восстанавливается водородом, образуя шестиатомный спирт — сорбит:

Знаете ли вы … Сладость сорбита составляет 60% сладости обычного сахара; сорбит используют в качестве сахарозаменителя для больных диабетом.

Окисление глюкозы: Глюкоза при действии оксида серебра (I) и при слабом нагревании с гидроксидом меди (II) окисляется в глюконовую кислоту. Обе реакции подтверждают наличие альдегидной группы в молекуле глюкозы:

Поскольку в этих реакциях углевод восстанавливает окислитель, то подобные углеводы называют восстанавливающими сахарами.

В организме в результате постадийного окисления глюкозы выделяется энергия, необходимая для жизнедеятельности живых существ.

Определение количества глюкозы в биологических жидкостях (крови, моче, и т.д.).

В ходе теста фермент глюкозооксидаза превращает глюкозу в глюконовую кислоту:

Образующийся пероксид водорода окисляет предварительно добавленный в систему бесцветный 2-метиланилин в окрашенный продукт:

Цветовые оттенки раствора позволяют определить количество глюкозы в образце.

Реакции гидроксильных групп глюкозы:

С активными металлами глюкоза образует сахараты типа алкоголятов; это подтверждает наличие в ее молекуле -ОН группы:

С гидроксидом меди (II) глюкоза образует ярко-синий раствор сахарата меди (II), что подтверждает наличие нескольких -ОН групп в ее молекуле:

Образование сложного эфира — пептаацетилглюкозы при взаимодействии глюкозы с уксусным ангидридом (или уксусной кислотой) указывает на наличие в ее молекуле 5 -ОН групп:

Реакция гликозидной -ОН группы (образование гликозидов):

B циклических формах глюкозы атом водорода -ОН группы, связанной с первым атомом углерода является более подвижным, чем атомы Н других 4-х -ОН групп. Например, глюкоза со спиртами реагирует только с участием этой -ОН группы, образуя гликозиды:

По этой причине-ОН группу, связанную с атомом углерода 1С, называют гликозидной.

Специфические свойства глюкозы:

Под действием ферментов глюкоза подвергается спиртовому(а), масляно-кислому(b) и молочнокислому(с) брожению:

Применение: Глюкоза — легкоусвояемое питательное вещество. Поэтому в медицине ее используют при консервации крови, а также как средство для укрепления организма. Она используется в текстильной промышленности при нанесении узоров на ткани, в кондитерской промышленности, а также при синтезе витамина С (аскорбиновой кислоты). На практике брожением глюкозы получают этиловый спирт (а).

Фруктоза, рибоза и дезоксирибоза:

Фруктоза, называемая также и плодовым сахаром, является уникальным A питательным веществом, которое может принимать любой из нас. В отличие от глюкозы, фруктоза медленно всасывается в кишечнике, однако быстро расщепляется. В это время выделяется много энергии.

A Фруктоза:

Фруктоза (С6Н12О6: плодовый сахар), являясь изомером глюкозы, вместе с ней встречается в сладких фруктах. Она слаще сахарозы в 1,5 раза и глюкозы в 3 раза. Большая сладость меда связана с присутствием в его составе фруктозы. В отличие от глюкозы, фруктоза — пятиатомный кетоноспирт:

В растворе фруктоза также существует в циклических

Как и многоатомные спирты, она реагирует с активными металлами, основаниями [Си(ОН)2, Са(ОН)2 и др.], образуя сахараты типа алкоголятов, а с кислородсодержащими кислотами -сложные эфиры. Поскольку в ее составе нет альдегидной группы, она, в отличие от глюкозы, не реагирует с оксидом серебра (I) и гидроксидом меди (II).

Под действием сильных окислителей фруктоза окисляется, образуя щавелевую и винную кислоты.

Другой изомер глюкозы называют галактозой. Она отличается от глюкозы только по расположению в пространстве атома Н и -ОН группы при четвертом атоме углерода (4С) цикла:

Рибоза (С5Н10О5) и дезоксирибоза (С5Н10О4) — представители пентоз. В альдегидоспиртовой форме рибоза — четырехатомный, а дезоксирибоза — пятиатомный альдегидоспирт.

В молекуле дезоксирибозы у 2-го атома углерода вместо -ОН группы расположен атом водорода. По этой причине состав дезоксирибозы (С5Н10О4) не соответствует общей формуле углеводов — Cn(H2O)m.

Как многоатомные альдегидоспирты, рибоза и дезоксирибоза окисляются по реакции «серебряного зеркала» и под действием гидроксида меди (II) восстанавливаются водородом, с гидроксидом меди (II) также образуют сахараты ярко-синего цвета, а с карболовыми кислотами — сложные эфиры.

При восстановлении рибозы водородом образуется пятиатомный спирт — рибит, а при окислении — рибоновая кислота:

Рибоза входит в состав рибонуклеиновых кислот (РНК), а дезоксирибоза -дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК). В составе нуклеиновых кислот рибоза и дезоксирибоза находятся в

Полисахариды

Крахмал:

В процессе созревания фруктов содержание крахмала в нем, как правило, уменьшается; например, в неспелых бананах содержание крахмала — 18%, а в спелых — 2%, в неспелом яблоке — 4-5%, а в спелом -1%.

Крахмал [(С6Н10О5)n] и целлюлоза в растительном мире широко распространенные полисахариды. Молекулы крахмала, целлюлозы, а также полисахарида гликогена состоят из большого числа остатков глюкозы, соединенных между собой гликозидной связью.

Крахмал накапливается в картофеле

Получение: Крахмал получают в основном из картофеля, риса и кукурузы. С этой целью из размельченного продукта крахмал вымывается на сите водой. Из суспензии крахмала, прошедшей через сито в виде «картофельного молока», крахмал осаждают методом отстаивания, раствор фильтруют и оставшийся крахмал высушивают.

Строение: Крахмал — природный полимер состава (С₆Н₁₀О₅)_n, состоящий из остатков (а):(а)получение крахмала неразветвленного строения (амилозы)  поликонденсацией глюкозы

Крахмал состоит из смеси двух полисахаридов — амилозы, неразветвленного строения (b), и амилопектина, разветвленного строения (c). В большинстве случаев крахмал содержит примерно 20-25% амилозы и 75-80% амилопектина. Молекулы амилозы скручены в форме спирали (b, d).

Из схемы а видно, что образование крахмала происходит с участием -ОН групп глюкозы, расположенных в положениях 1,4. Другими словами, В реакции поликонденсации Схемы макромолекул амилозы (b) участвуют гликозидные -ОН группы. По этой и амилопектина (с). причине в растворе в С6Н10О5 звеньях макромолекулы крахмала не могут образоваться альдегидные группы, и потому крахмал не восстанавливает оксид cepeбpa (I) и гидроксид меди (II).

Разветвление в амилопектине происходит за счет 1,6-гликозидных связей.

Физические свойства: Крахмал — белый порошок без вкуса, нерастворимый в холодной воде. В горячей воде набухает, образуя крахмальный клейстер.

Химические свойства: 1. Под действием ферментов или при нагревании с кислотами крахмал подвергается гидролизу. Конечный продукт гидролиза — глюкоза. В промышленности глюкозу получают этим путем:

В зависимости от условий гидролиз крахмала может протекать ступенчато, с образованием промежуточных продуктов:

2. Качественной реакцией па крахмал является образование синего окрашивания при действии на него йода (I2). В этом процессе молекулы йода проникают в пустоты, образованные молекулами амилозы при их скручивании в спираль (d).

За счет -ОН групп крахмал образует сложные эфиры, однако, ОНИ не имеют практического применения.    

Применение: Крахмал, как питательный продукт, удовлетворяет потребность человека в углеводах. В организме в результате гидролиза крахмала (точнее, продуктов его частичного гидролиза — декстринов) образуется глюкоза. Часть глюкозы усваивается организмом, а избыток ее превращается в гликоген (животный крахмал) и откладывается в печени как резервное вещество.

Из крахмала получают декстрины, патоку (смесь декстринов с глюкозой), используемые в производстве карамельных изделий, а также глюкозу и этанол. Он используется для приготовления клея, накрахмаливания белья, в бумажной и полиграфической промышленности. На его основе приготавливают антибиотики, витамины, присыпки, капсулы для лекарств и др.

Гликоген:

В отличие от крахмала — резервного полисахарида растений, гликоген (е) — резервное вещество для организма животных и человека. По составу он одинаков с крахмалом: (С6Н10O5)n. Однако макромолекулы гликогена имеют большую относительную молекулярную массу и более разветвленное строение.

В организме нормально развитого человека содержится около 350 г гликогена, равномерно распределённого в мышцах и печени. При возникновении потребности организма в глюкозе гликоген подвергается гидролизу, образуя глюкозу.

При термической обработке картофеля и хлеба химические превращения, происходящие с крахмалом, придают продуктам обработки больший вкус, а продукты превращения еще легче подвергаются гидролизу.

Целлюлоза:

Целлюлоза — наиболее распространенное в природе органическое вещество. В отличие от крахмала, целлюлоза в растениях встречается в виде волокон.

Целлюлоза [(С6Н10O5)n], по сравнению с крахмалом, более распространенный углевод. Она образует стенки всех растительных клеток; в древесине содержится около 50%, а в волокнах хлопка и фильтровальной бумаге -порядка 98% целлюлозы.

Получение: Целлюлозу выделяют из хлопка, древесины, тростника и др. Из древесины ее выделяют, в основном, сульфитным способом: измельченная древесина под давлением и в щелочной среде нагревается с раствором гидросульфита кальция Ca(HSO3)2.

Строение: Целлюлоза, как и крахмал, — природный полимер состава (С6Н10O5)n. Однако они имеют ряд различий. Так, средняя относительная молекулярная масса целлюлозы больше молекулярной массы крахмала и достигает значения в несколько миллионов.

Наконец, макромолекулы целлюлозы состоят не из остатков (b)образование целлюлозы поликонденсацией глюкозыНеразветвлённое строение молекулы целлюлозы и ее образование из остатков

Учитывая наличие трех -ОН групп в каждой структурной единице С6Н10O5, формулу целлюлозы можно представить и в следующем виде:

_r(волокна льна) _r(волокна хлопка) глюкозидазы. Поскольку этот фермент присутствует в пищеварительной системе только жвачных животных, то целлюлоза не переваривается в организме нежвачных животных и человека.

Организм человека переваривает из полисахаридов только крахмал и гликоген.

Физические свойства: Целлюлоза — белое твердое волокнистое вещество, не растворимое в воде и обычных растворителях (спирте, эфире, ацетоне). Нерастворимость целлюлозы и механическая прочность ее волокон обусловлены возникновением большого числа водородных связей между макромолекулами, имеющими неразветвлённое строение.

Однако, целлюлоза хорошо растворяется в растворе гидроксида меди (I) в аммиачной воде — реактиве Швейцера.

Химические свойства: При нагревании с разбавленными кислотами целлюлоза подвергается гидролизу, образуя глюкозу:

Гидролиз целлюлозы также протекает постадийно.

В присутствии концентрированной серной кислоты с концентрированной азотной кислотой образует сложные эфиры — моно-, ди- и тринитроцеллюлозу:

Тринитроцеллюлоза используется как мощное взрывчатое вещество и в изготовлении бездымного пороха. В технике продукт на основе тринитроцеллюлозы называют пироксилином, а на основе динитроцеллюлозы — коллоксилином. Из коллоксилина изготавливают коллодиум, применяемый в медицине, а из смеси коллоксилина с камфорой — целлулоид.

С уксусной кислотой или с уксусным ангидридом целлюлоза образует сложные эфиры — моно-, ди- и триацетилцеллюлозу. Они используются в производстве ацетатного шелка, негорючей фотопленки и органического стекла, пропускающего ультрафиолетовые лучи.

Из целлюлозы получают вискозный шелк и целлофан. Оба продукта по составу состоят из целлюлозы. Однако в отличие от обычной целлюлозы, в нитях вискозного шелка и в целлофане макромолекулы расположены в одном направлении. Это достигается в ходе ряда химических и физических превращений.

Поскольку в составе целлюлозы отсутствует альдегидная группа, то она, как и крахмал, не вступает в реакцию «серебряного зеркала». Целлюлоза хорошо горит:

При сильном нагревании в отсутствии воздуха целлюлоза разлагается -подвергается пиролизу. При пиролизе образуются древесный уголь, вода и органические вещества — метан, метанол, уксусная кислота, ацетон и др. В виде льна и хлопка целлюлоза используется в производстве тканей. Большое ее количество расходуется на производство бумаги и этилового спирта.

Выводы:

1. Большинство углеводов — природные полимеры с общей формулой C_n(H₂O)_m.
2. Углеводы подразделяются на моносахариды, дисахариды и полисахариды.
3. Моносахариды — углеводы, не подвергающиеся гидролизу.
4. Дисахариды — углеводы, при гидролизе которых из одной молекулы образуются две молекулы моносахаридов.
5. Полисахариды — углеводы, при гидролизе которых из одной молекулы образуется много молекул моносахарида.
6. Окончание «-оза» в названии вещества означает его принадлежность к углеводам.
7. Фруктоза и галактоза — изомеры глюкозы.
8. В растворе глюкоза существует в форме пятиатомного альдегидоспирта, а также в  и циклических формах.
9. Явление превращения и форм глюкозы друг в друга называется таутомерией, а и формы — таутомерами.
10. В кристаллическом состоянии глюкоза находится в циклической форме.
11. Под действием оксида серебра (I) или при слабом нагревании с гидроксидом меди (II) глюкоза окисляется в глюконовую кислоту.
12. В щелочной среде глюкоза с гидроксидом меди (II) образует ярко-синий раствор сахарата меди (II).
13. В зависимости от условий глюкоза подвергается брожению и превращается в этиловый спирт, масляную кислоту и молочную кислоту.
14. Фруктоза — пятиатомный кетоноспирт; она не окисляется оксидом серебра (I) и гидроксидом меди (II).
15. В молекуле сахарозы остатки глюкозы и фруктозы соединены между собой гликозидной связью.
16. Сахароза не окисляется оксидом серебра (I) и гидроксидом меди (II).
17. Мальтоза, лактоза, а также глюкоза, рибоза и дезоксирибоза относятся к восстанавливающим углеводам.
18. Крахмал, целлюлоза и гликоген — полисахариды.
19. Крахмал состоит из остатков глюкозы, а целлюлоза — глюкозы.
20. Макромолекулы крахмала имеют как разветвленное, так и неразветвлённое строение.
21. Макромолекулы крахмала неразветвлённого строения называются амилозой, а разветвленного строения — амилопектином.
22. В горячей воде крахмал образует крахмальный клейстер.
23. Под действием йода крахмал окрашивается в синий цвет.
24. Целлюлоза — биополимер неразветвлённого строения.
25. Целлюлоза хорошо растворяется в растворе гидроксида меди (II) в аммиачной воде.
26. Сложные эфиры целлюлозы находят широкое применение.

Пример №14

Назовите альдегиды а и b по Международной номенклатуре.

Решение:

По рациональной номенклатуре альдегиды называют как производные уксусного альдегида; например, вышеприведенный 2-метилпропаналь называется как диметилуксусный альдегид. Однако, этот способ применяется редко.

Тривиальные названия альдегидов производят от тривиальных названий карбоновых кислот, в которые они превращаются при окислении, например, муравьиный альдегид, уксусный альдегид, пропионовый альдегид и др.

Изомерия:Внутриклассовая структурная изомерия альдегидов обусловлена строением углеродной цепи, к которой присоединена альдегидная группа, и начинается с четвертого представителя гомологического ряда:

Предельные альдегиды и кетоны с одинаковым числом атомов углерода образуют межклассовую изомерию:

У альдегидов оптическая изомерия начинается с 2-метилбутаналя. В ее молекуле третичный атом углерода связан с четырьмя разными атомами и атомными группами (-Н, -СН3, -СНО, -С2Н5), в результате чего она существует в виде двух оптических изомеров:

Названия кетонов по Международной номенклатуре образуют из названия алкана, соответствующего самой длинной углеродной цепи, содержащей атом углерода С=O группы, с добавлением окончания «-он»:

Начиная с кетона состава С₅Н₁₀О указывают и номер атома углерода, связанного с атомом кислорода. Нумерация цепи начинается с того конца, к которому ближе рациональной номенклатуре к названиям радикалов, связанных кетон«; при этом название меньшего радикала указывают вначале:

В кетонах межклассовая изомерия начинается с первого представителя гомологического ряда, а внутриклассовая — с третьего (С5Н10О).

Получение, строение и физические свойства:

Для консервации анатомических препаратов,  а также для обработки хирургических инструментов, с целью их дезинфекции, используют формалин.

Альдегиды получают следующими способами.

1. Окисление или дегидрирование первичных спиртов. Альдегиды можно получить окислением первичных спиртов:

Например, при пропускании воздуха и паров этанола над раскаленной медной сеткой, покрытой пленкой оксида меди (II), образуется ацетальдегид:

В промышленности каталитическим окислением метанола кислородом воздуха получают формальдегид:

При пропускании паров первичных спиртов над катализатором (Сu, Ag или Pt) при 200-300°С спирты дегидрируются с образованием альдегидов:

При окислении одноатомных вторичных спиртов R1CH(OH)R2 образуются кетоны:

2. Окисление углеводородов. В промышленности каталитическим окислением метана кислородом воздуха получают формальдегид:

Для предотвращения окисления формальдегида в муравьиную кислоту смесь метана и воздуха пропускают через реакционную зону с большой скоростью.

Каталитическим окислением этилена получают ацетальдегид:

3. Гидратация ацетилена. В промышленности ацетальдегид получают также каталитической гидратацией ацетилена по реакции Кучерова:

При гидратации гомологов ацетилена образуются кетоны:

В промышленности ацетон получают сухой перегонкой древесины, окислением изопропилбензола и пропанола-2.

Строение: Электронное строение альдегидов на примере молекулы формальдегида приведено ниже:

Электронное строение молекулы формальдегида (а) и образование (b).В альдегидной группе атом углерода находится в состоянии sp²-гибридизации. Три (а). По этой причине молекула формальдегида имеет плоское строение, р-орбиталь атома углерода, не участвующего в гибридизации путем бокового перекрывания с р-орбиталью атома кислорода, образует

Поляризация С=0 связи наглядно видна на карте электронной плотности молекулы формальдегида: частичный отрицательный заряд (красная область) располагается вокруг атома кислорода, а частичный положительный (синяя область) — вокруг атома углерода.

Примечание. На карте электронной плотности двойную С=0 связь указывают одним стержнем.

Поляризация

Физические свойства: Из-за отсутствия в составе альдегидов -ОН группы их молекулы не образуют между собой водородные связи. Поэтому температура кипения альдегидов ниже температуры кипения спиртов и карбоновых кислот с тем же числом атомов углерода в молекуле.

Первый представитель гомологического ряда альдегидов — формальдегид -газообразное вещество, следующие — жидкости, а высшие — твердые вещества.

Формальдегид и ацетальдегид хорошо растворяются в воде. С ростом молекулярной массы растворимость альдегидов в воде уменьшается; бутаналь в воде практически не растворим.

Запах альдегидов различный. Например, формальдегид имеет неприятный запах; у высших альдегидов приятный запах, поэтому они широко используются в парфюмерии.

Разработал способы получения новых представителей альдегидов, кетонов и спиртов, пригодных для применения в качестве синтетических душистых веществ.

Формальдегид — бесцветный газ с резким запахом, очень ядовит; его 40%-ный водный раствор называют формалином.

Ацетальдегид — легколетучая ядовита.

Ацетон — бесцветная, горючая жидкость с характерным запахом. Он в воде хорошо растворим; кипит при температуре 56°С. Хорошо растворяет жиры, смолы и другие вещества; поэтому является одним из наиболее широко применяемых растворителей.

Химические свойства и применение:

Мебельные гарнитуры, изготовленные из прессованных древесных опилок и фенолформальдегидной смолы, обычно содержат до 0,01% формальдегида. Формальдегид, постепенно испаряющийся с поверхности этой мебели, представляет определенную опасность для человека.

Химические свойства: Альдегиды из-за наличия в их молекулах полярной С=O связи являются реакционноспособными веществами. Для них характерны реакции окисления и присоединения.

I. Реакции окисления. Альдегиды при нагревании с раствором оксида се-ребра (I) в аммиачной воде (а), например:

Эта реакция называется реакцией «серебряного зеркала» и используется для определения альдегидов (качественная реакция альдегидов).

* — из-за нерастворимости Ag2O в воде обычно используют раствор оксида серебра (I) в аммиачной воде (реактив Толленса).

Примечание: Поскольку в реакции «серебряного зеркала» аммичная вода берется в избытке, то карбоновая кислота образуется в виде аммонийной соли.

Альдегиды окисляются также и под действием свежеосажденного гидроксида меди (II). При этом вначале образуется желтый осадок гидроксида меди (I), который при слабом нагревании разлагается до оксида меди (I) красного цвета (b):

Эта реакция также является характерной реакцией альдегидов и применяется для их определения (качественная реакция альдегидов).

Общее уравнение горения альдегидов и кетонов (СnН2nО) выражают следующим образом:

Альдегиды окисляются даже кислородом воздуха. Поэтому при длительном хранении альдегиды держат в запаянной посуде в атмосфере азота.

В отличие от альдегидов, кетоны не окисляются ни гидроксидом меди (II), ни по реакции «серебряного зеркала «.

II. Реакции присоединения. Реакции присоединения к альдегидам и кетонам происходят в результате разрыва

При гидрировании альдегидов образуются первичные спирты, а кетонов — вторичные спирты.