cukry proste i dwucukry

Budowę cukrów można przedstawić wzorem ogólnym: C_n(H₂O)_m

      Są to substancje bardzo rozpowszechnione w świecie roślinnym i zwierzęcym. Szacuje się, że stanowią 80%  suchej masy roślinnej i około 2% zwierzęcej. Głównym producentem cukrów są rośliny zawierające zielony barwnik: chlorofil. Uaktywniony energią promieniowania słonecznego chlorofil wywołuje reakcję chemiczną pomiędzy dwutlenkiem węgla i wodą:



nCO₂ + mH₂O -> C_nH_2mO_m + nO₂


w przypadku, gdy n=m


nCO₂ + nH₂O -> C_nH_2nO_n + nO₂


Reakcja ta nazywana jest fotosyntezą.



      Ponieważ substancje, które wyodrębniono z tkanek organizmów żywych po uprażeniu rozkładały się na węgiel i wodę nadano im nazwę - węglowodany. Nazwa ta nie odzwierciedla jednak faktycznej budowy cukrów. Poza cukrami właściwymi (nazywanymi węglowodanami) istnieją również cukropodobne substancje pektynowe, hemicelulozy, gumy roślinne, mukopolisacharydy itp. Do grupy cukrów zaliczamy związki o różnych właściwościach. Należą do niej zarówno związki mało- jak i wielkocząsteczkowe, dobrze lub słabo rozpuszczalne w wodzie, słodkie i bez smaku.

Tę dużą klasę związków ogólnie można podzielić na trzy grupy:

Monosacharydy (cukry proste, jednocukry), które nie ulegają hydrolizie do prostszych cząsteczek, odpowiadają wzorowi C_nH_2nO_n gdzie n= 1, 2, 3, ... 10.

Oligosacharydy (wielocukry proste), czyli pochodne monosacharydów. W skład jednej cząsteczki oligosacharydu może wchodzić od 2 do 9 monosacharydów.

Polisacharydy (wielocukry złożone), makrocząsteczki złożone z wielkiej liczby cząsteczek monosacharydów.

CUKRY PROSTE

      Monosacharydy zawierają jedną grupę aldehydową (aldozy) lub ketonową (ketozy) i szereg grup hydroksylowych. Ze względu na ilość atomów tlenu obecnych w cząsteczce jednocukry dzielimy na triozy, tetrozy, pentozy, heksozy itd. Najprostsze związki należące do cukrów mają trzy atomy węgla i trzy atomy tlenu w cząsteczce: C₃H₆O₃, natomiast cukrami o największym znaczeniu są pentozy i heksozy.

      Budowę cząsteczek cukrów można przedstawić za pomocą wzorów łańcuchowych, półacetalowych i pierścieniowych (wzory Hawortha). Nazwę cukru w formie łańcuchowej tworzy się według wzoru rzutowego Fishera. Według tego wzoru łańcuch węglowy pisany jest pionowo, numerację węgli prowadzi się od góry łańcucha tak, by grupa karbonylowa była oznaczona jak najniższym numerem. Ponieważ cukry są substancjami czynnymi optycznie zasadnicze znaczenie ma ustalenie konfiguracji danego związku. Odmiana izomeryczna, która ma grupę hydroksylową umieszczoną na prawo przy węglu chiralnym o najwyższej numeracji należy do serii D, w przeciwnym wypadku - do serii L.

      Posługując się wzorami rzutowymi Fishera można także wyprowadzić wzór Hawortha odnoszący się do form pierścieniowych cukrów prostych. Dzięki wzorom pierścieniowym możliwe jest wytłumaczenie wielu zjawisk takich jak np. mutarotacja. Przyjmuje się, że cukry występują w dwóch odmianach tautomerycznych: o budowie pierścieniowej i o budowie łańcuchowej z grupą karbonylową. W strukturze pierścieniowej występuje dodatkowe centrum asymetrii przy węglu C₁ (lub C₂), tzw. węgiel anomeryczny. Skutkiem obecności węgla anomerycznego jest powstawanie dwóch odmian tzw. anomerów. Wielkość pierścienia można wyrazić dodając do nazwy cukry końcówkę - furanoza dla pierścienia pięcioczłonowego i - piranoza dla pierścienia sześcioczłonowego (np. glukopiranoza).

GLUKOZA

      Glukoza jest cukrem należącym do monosacharydów. Jest ona aldoheksozą, posiada grupę funkcyjną karbonylową -CHO oraz pięć grup hydroksylowych -OH. Wzór sumaryczny glukozy jest taki, jak innych monoheksoz: C₆ H₁₂O₆. Wzór strukturalny w postaci łańcuchowej przedstawia się następująco:

      Cząsteczka glukozy może występować w różnych formach: otwartej lub zamkniętej (półacetalowa). Występuje przeważnie jako glukopiranoza, a w niewielkim procencie jako glukofuranoza.

Właściwości fizyczne glukozy.

      Ciało stałe, krystaliczne, bezbarwne, o słodkim smaku. Ogrzewanie glukozy powyżej 150 stopni Celsjusza prowadzi do jej karmelizacji. Jest to substancja doskonale rozpuszczalna w wodzie. Procesowi rozpuszczania towarzyszy przemiana formy łańcuchowej w pierścieniową (obie formy znajdują się w stanie równowagi chemicznej). Uproszczony schemat tej przemiany przedstawia rysunek:





Występowanie glukozy.



      Glukoza występuje w sokach owoców, przede wszystkim winogron (stąd nazwa cukier gronowy), jagodach i miodzie. Występuje także w organizmie ludzkim, np. we krwi.




Wykrywanie glukozy.

      Glukozę wykrywamy wykorzystując jej właściwości redukcyjne, za pomocą prób: Trommera i Tollensa. Takie próby wykonuje się także przy wykrywaniu aldehydów.

próba Trommera

      Do probówki wlewamy po 1cm³  rozcieńczonych roztworów: siarczanu (VI) miedzi (II) CuSO₄ i wodorotlenku sodu NaOH. Do wytrąconego niebieskiego osadu dodajemy  około 5cm3 roztworu glukozy. Probówkę wstawiamy do zlewki z gorącą wodą i ogrzewamy. Powstały niebieski, galaretowaty osad zmienia barwę na ceglastą).
CuSO₄  + 2NaOH -> Cu (OH)₂ + Na₂SO₄
Cu(OH)₂ + glukoza -> Cu₂O + H₂O + kwas glukonowy

      Glukoza spowodowała redukcję dwuwartościowej miedzi w Cu(OH)₂ do miedzi jednowartościowej w Cu₂O.

Zastosowanie glukozy:

      Glukozę stosuje się w medycynie (jako środek leczniczy, do konserwowania krwi, kroplówek itp.), w przemyśle cukierniczym, przy barwieniu skór. Powstającą podczas hydrolizy skrobi glukozę poddaje się fermentacji katalizowanej przez enzymy drożdży:
C₆H₁₂O₆ ->-> 2C₂H₅OH + CO₂

FRUKTOZA

Jest izomerem glukozy, podobnie jak ona występuje w słodkich owocach i w miodzie.
      
      Fruktoza jest substancją stałą o smaku znacznie słodszym niż glukoza. W wodzie rozpuszcza się bardzo dobrze dając odmianę cykliczną, pięcioczłonową, z mostkiem tlenowym między C2 i C5.

      Jest reprezentantem ketoheksoz. Na skalę przemysłową otrzymuje się fruktozę poprzez hydrolizę sacharozy.

DWUCUKRY

SACHAROZA

      Z grupy dwucukrów najważniejsze znaczenie ma sacharoza czyli cukier buraczany lub trzcinowy. Jej sumaryczny wzór: C₁₂H₂₂O₁₁.



Występowanie.

      Duże ilości sacharozy zawierają buraki cukrowe i łodygi trzciny cukrowej, występuje także w soku brzozy, klonu i wielu owocach.

Właściwości fizyczne.

      Sacharoza jest substancją stałą, krystaliczną, słodszą od glukozy, dobrze rozpuszczalną w wodzie.


Właściwości chemiczne:

      Podczas ogrzewania w obecności jonów wodorowych sacharoza hydrolizuje z wytworzeniem jednej cząsteczki glukozy i jednej cząsteczki fruktozy:

C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O -> C₆H₁₂O₆ (glukoza) + C₆H₁₂O₆ (fruktoza)

      Sacharoza w odróżnieniu od powstającej podczas hydrolizy glukozy nie posiada właściwości redukujących.

MALTOZA I LAKTOZA

      Maltoza (cukier słodowy) i laktoza (cukier mleczny) to substancje stałe, krystaliczne, dobrze rozpuszczalne w wodzie. Podobnie jak sacharoza ulegają hydrolizie do cukrów prostych:

C₁₂H₂₂O₁₁ (maltoza) + H₂O -> C₆H₁₂O₆ (glukoza) + C₆H₁₂O₆ (glukoza)

C₁₂H₂₂O₁₁ (laktoza) + H₂O -> C₆H₁₂O₆ (glukoza) + C₆H₁₂O₆ (galaktoza)

      Maltoza i laktoza mają właściwości redukujące - wynika to z faktu, że w roztworze wodnym obu dwucukrów niektóre pierścienie otwierają się dając formę łańcuchową, zawierającą grupę aldehydową.