U sadržaju ove nastavne teme naučit ćete više o skupini složenih organskih spojeva, ugljikohidratima.

ISHODI UČENJA

Usvajanjem sadržaja ove Teme moći ćete odgovoriti na sljedeća pitanja:

• Pojasni podrijetlo naziva ugljikohidrati!
• Kako dijelimo ugljikohidrate i na osnovu čega je napravljena takva podjela?
• Koje funkcionalne skupine karakteriziraju ugljikohidrate?
• Kakve ugljikohidrate možemo razlikovati s obzirom na njihovu funkcionalnu skupinu?
• Nabroji najvažnije monosaharide!
• Strukturno prikaži glukozu i fruktozu!
• Što su anomeri?
• Prikaži anomere D-glukoze!
• Prikaži anomere D-fruktoze!
• Što je mutarotacija?
• Navedi fizikalna svojstva monosaharida!
• Koje su kemijske reakcije karakteristične za monosaharide? Napiši primjere tih reakcija!
• Kako dokazujemo glukozu u uzorku? Napiši kemijske reakcije i navedi reagense!
• Usporedi glukozu i fruktozu s obzirom na njihova fizikalna i kemijska svojstva?
• Obrazloži važnost glukoze i fruktoze za živi svijet!

UVOD

Ugljikohidrati su velika skupina prirodnih spojeva vrlo važnih za biljni, životinjski svijet i za čovjeka. Mogu biti i biljnog i životinjskog porijekla, a organizmima osiguravaju velik izvor energije za rad, izgrađuju stanice te sudjeluju u aktivnostima organizama. Svakodnevno konzumiramo ugljikohidrate. Primjerice, mlijeko i mliječni proizvodi, kruh, žitarice, tjestenina, voće i povrće sadrže ugljikohidrate.

Naziv “ugljikohidrati” potječe još od doba kada se nisu poznavala sva njihova svojstva i uloga, ali se znalo da sadrže isti omjer atoma vodika i kisika kao u molekuli vode (2:1). Naziv se zadržao do danas, iako se koristi i naziv SAHARIDI ili samo ŠEĆERI.

Opća formula ugljikohidrata je C_m(H₂O)_n . Dijelimo ih obično na 3 skupine: monosaharide, oligosaharide i polisaharide. Podjela je načinjena s obzirom na broj molekula ugljikohidrata. Jednostavni šećeri ili monosaharidi su građeni od jedne molekule i ne možemo ih rastaviti na jednostavnije jedinice. Monosaharidi su glukoza i fruktoza. O njima će biti više riječi u nastavku. Oligosaharidi su građeni od nekoliko molekula monosaharida, dok su polisaharidi građeni od velikog broja molekula monosaharida.

U strukturi ugljikohidrata možemo imati dvije mogućnosti funkcionalnih skupina, aldehidnu ili keto skupinu. Oni ugljikohidrati koji sadrže aldehidnu skupinu nazivaju se aldoze, a one koji sadrže keto skupinu nazivamo ketozama. Pri tome aldehidna skupina u lancu uvijek mora biti na broju C-1, a keto skupina se nalazi na položaju broj C-2.

MONOSAHARIDI

Jednostavni šećeri ili monosaharidi (grč. mono=jedan) su građeni od jedne molekule šećera. Njihova opća formula je C_nH_2nO_n. Imena monosaharida završavaju nastavkom -OZA. Najjednostavniji monosaharidi su trioze, tetroze, pentoze i heksoze. Triozama pripadaju gliceraldehid i dihidroksiaceton.

Najvažniji monosaharidi su heksoze: glukoza i fruktoza.

Izuzev dihidroksiacetona, svi ostali monosaharidi imaju kiralne centre i veći broj prostornih izomera. Broj mogućih stereoizomera iznosi 2ⁿ pri čemu n= broj kiralnih centara. Primjerice. gliceraldehid ima jedan kiralni centar i dva stereoizomera, D-gliceraldehid i L-gliceraldehid. (Prisjeti se Teme IZOMERIJA ORGANSKIH SPOJEVA!).

Monosaharidi se češće javljaju u cikličkom obliku. Ciklička struktura glukoze nastaje reakcijom aldehidne skupine sa hidroksilnom skupinom na C-5 atomu. Posljedica je stvaranje smjese poluacetalnih oblika, α-D-glukoze i β-D-glukoze.

Poluketalni oblik fruktoze nastaje reakcijom karbonilne skupine sa C-2 atoma i hidroksilne skupine sa C-5 atoma. Nastaje ciklička struktura sa 5 atoma u prstenu.

Karbonilni ugljik u cikličkoj strukturi postaje novi kiralni centar te se naziva ANOMERNIM UGLJIKOM.

α-D-glukoza i β-D-glukoza te α-D-fruktoza i β-D-fruktoza međusobno se razlikuju u konfiguraciji na C-1 atomu, odnosno C-2 atomu te takve dijastereoizomere nazivamo ANOMERIMA.

Međusobna interkonverzija anomera glukoze ili anomera fruktoze naziva se MUTAROTACIJA. Ovu pojavu pokazuju svi monosaharidi.

S obzirom na veličinu prstena cikličke poluacetale i poluketale imenujemo prema odgovarajućim heterocikličkim spojevima sa kisikom: piranu i furanu.

Monosaharide koji sadrže šesteročlani prsten nazivamo i piranozama, a monosaharide koji sadrže peteročlani prsten nazivamo furanozama. Piranozni prsten je sličan cikloheksanskom prstenu, a furanozni ciklopentanskom prstenu. Fisherove formule ne mogu prikazati ovakve cikličke oblike stoga koristimo Haworthove formule za njihov prikaz:

Skupine koje su u Fisherovoj formuli bile na desnoj strani u Haworthovoj formuli se pišu prema dolje, a one skupine koje su u Fisherovoj formuli bile na lijevoj strani u Haworthovoj formuli se pišu prema gore.

ZADATAK:

Prateći prethodne prikaze, Haworthovom formulom prikaži β-D-glukozu i β-D-fruktozu!

Glukoza se ciklički najčešće prikazuje konformacijom stolca s obzirom da se u takvom obliku nalazi i u stvarnosti. Najstabilnija konformacija je ona gdje se sve veće skupine (-OH i CH₂OH) nalaze u ekvatorijalnom položaju. Zbog svoje veće stabilnosti, β-D-glukoza je najrasprostranjeniji monosaharid u prirodi koji ujedno gradi možda i najznačajniji polisaharid celulozu. O polisaharidima će biti riječi u zasebnoj Temi!

Svojstva monosaharida

Fizikalna svojstva

Svojstva monosaharida posljedica su njihovih dviju funkcionalnih skupina: hidroksilne i karbonilne skupine. Monosaharidi su pretežito bezbojne kristalne tvari topljive u vodi, a netopljive u mastima.

Kemijska svojstva

Kemijska svojstva monosaharida posljedica su prvenstveno brojnih hidroksilnih skupina. Monosaharidi se lako oksidiraju. Aldoze već sa blagim oksidansima kao što su Fehlingov reagens i bromna voda oksidiraju u odgovarajuće aldonske kiseline, primjerice glukoza oksidira u glukonsku kiselinu.

URADI OVAJ JEDNOSTAVAN POKUS!

U epruvetu sa razrijeđenom otopinom glukoze dodaj par kapi Fehlingovog reagensa. Uoči boju sadržaja u epruveti! Sadržaj epruvete uroni u čašu s vrućom vodom ( ili oprezno zagrijavaj iznad blagog plamena do vrenja-nužne mjere opreza jer lako može doći do prsnuća zagrijavanog sadržaja). Uoči promjene! Zabilježi opažanja!

Napiši kemijsku reakciju opisanog procesa!

Koje svojstvo glukoze ispitujemo ovim pokusom?

Reakcijom monosaharida sa alkoholima poluacetalna ili poluketalna skupina zamjenjuje se alkoksilnom skupinom pri čemu nastaju GLIKOZIDI (ciklički acetali i ketali). Iz α-oblika monosaharida nastaje α-glikozid dok iz β-oblika monosaharida nastaje β-glikozid, primjerice iz α-D-glukoze nastaje α-D-glukozid. Glikozidi imaju nastavak -OZID.

Predstavnici monosaharida

Najznačajniji monosaharidi su glukoza i fruktoza pa će o njima biti više riječi u nastavku.

Glukoza, C₆H₁₂O₆

Glukoza (grč. glykys= sladak) je najvažnija aldoheksoza koja se u prirodi javlja ili kao samostalna ili kao dio složenih ugljikohidrata, disaharida i polisaharida. Glukoza je osnovni stanični šećer koji se nalazi u krvi pa se naziva i krvnim šećerom. Osnovni je izvor energije u organizmima, a nastaje procesom fotosinteze:

6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Glukoza je bijela kristalna tvar slatka okusa i topljiva u vodi. Nalazi se u voću, ponajviše grožđu pa se naziva i grožđanim šećerom. Zakreće ravninu polarizirane svjetlosti udesno pa se naziva i dekstroza.

Prethodno smo vidjeli da je glukoza reducirajući šećer tj. djelovanjem oksidansa dolazi do njezine oksidacije u glukonsku kiselinu. Istovremeno glukoza reducira kation metala iz reagensa pri čemu nastaje crveno obojenje. Kao oksidanse koristimo Fehlingov reagens, Tollensov reagens i Trommerov reagens.

Ove reakcije se koriste za dokazivanje glukoze u uzorcima.

Industrijski se glukoza proizvodi hidrolizom saharoze ili škroba.

Osim što je glukoza osnovni izvor energije za organizme značajna je njezina upotreba u medicini gdje se ubrizgava neposredno u krv teškim bolesnicima koji ne mogu uzimati hranu na usta, u slastičarstvu, prehrambenoj industriji. Glukoza je neophodan šećer za živi svijet, ali poznato nam je da svaka tvar u prevelikim količinama u našem organizmu postaje otrov. Količinu glukoze u krvi reguliraju hormoni gušterače inzulin i glukagon. Prevelike količine glukoze u krv kao posljedicu imaju šećernu bolest ili dijabetes koja ukoliko se adekvatno ne liječi može imati teške posljedice.

Fruktoza, C₆H₁₂O₆

Fruktoza (lat. fructis= plod) je najvažnija ketoheksoza. Ima istu kemijsku formulu kao i glukoza no strukturno se veoma razlikuju što se moglo uočiti na prethodnim prikazima. Fruktoza je vrlo sladak šećer, dvostruko slađa od glukoze. Nazivamo je i voćnim šećerom jer je sastojak voća, ali i meda. Topljiva je u vodi. Kovalentno vezana sa glukozom gradi možda najupotrebljivaniji šećer današnjice, saharozu.

Otopina fruktoze daje pozitivne reakcije sa prethodno navedenim reagensima za dokazivanje glukoze no znatno sporije prema čemu možemo razlikovati ova dva šećera. Fruktoza je također reducirajući šećer.

Fruktoza se industrijski dobiva izomerizacijom glukoze.

Dijabetičarima i pretilim osobama se preporučuje uzimanje šećera fruktoze kao zaslađivača.

Što čujem zaboravim, što vidim pamtim, što uradim znam!

UGLJIKOHIDRATI

e-učenje kemije