Какие свойства глюкозы позволяют делать выводы о строении ее молекулы
О строении молекулы глюкозы можно судить на основании опытных данных. Она реагирует с карбоновыми кислотами, образуя сложные эфиры, содержащие от 1 до 5 остатков кислоты. Если раствор глюкозы прилить к свежеполученному гидроксиду меди(II), то осадок растворяется и образуется ярко-синий раствор соединения меди, т.е. происходит качественная реакция на многоатомные спирты. Следовательно, глюкоза является многоатомным спиртом. Если же подогреть полученный раствор, то вновь выпадает осадок, но уже красноватого цвета, т.е. произойдет качественная реакция на альдегиды. Аналогично если раствор глюкозы нагреть с аммиачным раствором оксида серебра, то произойдет реакция «серебряного зеркала». Следовательно, глюкоза является одновременно многоатомным спиртом и альдегидом — альдегидо-спиртом. Попробуем вывести структурную формулу глюкозы. Всего атомов углерода в молекуле шесть C6H12O6.
Один атом входит в состав альдегидной группы:
Остальные пять атомов углерода связываются с пятью гидроксильными группами. И наконец, атомы водорода в молекуле распределим с учетом того, что углерод четырехвалентен:
Однако установлено, что в растворе глюкозы, помимо линейных (альдегидных) молекул, существуют молекулы циклического строения, из которых состоит кристаллическая глюкоза. Превращение молекул линейной формы циклическую можно объяснить, если вспомнить, что атомы углерода могут свободно вращаться вокруг у-связей, расположенных под углом 109 градусов 28 минут. При этом альдегидная группа (1-й атом углерода) может приблизиться к гидроксильной группе пятого атома углерода. В первой под влиянием гидроксильной группы разрывается р-связь: к атому кислорода присоединяется атом водорода и «потерявшийся» этот атом кислород гидроксидной группы замыкает цикл:
глюкоза физический химический соединение
В результате такой перегруппировки атомов образуется циклическая молекула. Циклическая формула показывает не только порядок связи атомов, но и их пространственное расположение. В результате взаимодействия первого и пятого атомов углерода появляется новая гидроксильная группа у первого атома, которая может занять в пространстве два положения: над и под плоскостью цикла, а потому возможны две циклические формы глюкозы: а) альфа форма глюкозы — гидроксильная группы при первом и втором атомах углерода расположены по одну сторону кольца молекулы и б) бета-форма глюкозы — гидроксильной группы находятся по разные стороны кольца молекулы:
В водном растворе глюкозы в динамическом равновесии находятся три ее изомерные формы — циклическая альфа-форма, линейная (альдегидная) форма и циклическая бета-форма:
В установившемся динамическом равновесии преобладает бета — форма (около 63%), так как она энергетически предпочтительнее — у нее OH — группы у первого и второго углеродных атомов по разные стороны цикла. У б — формы (около 37%) OH-группы у тех же углеродных атомов расположенных по одну сторону плоскости, поэтому она энергетически менее устойчива, чем в — форма. Доля же линейной формы в равновесии очень мала (всего около 0,0026%).
Динамическое равновесие можно сместить. Например, при действии на глюкозу аммиачного раствора оксида серебра количество ее линейной (альдегидной) формы, которой в растворе очень мало, пополняется все время за счет циклических форм, и глюкоза полностью подвергается окислению до глюконовой кислоты:
Изомером альдегидоспирта глюкозы является кетоноспирт — фруктоза:
Химические свойства глюкозы, как и других альдоз, обусловлены присутствием в ее молекуле: а)альдегидной группы; б) спиртовых гидроксилов; в) полуацетального (гликозидного) гидроксила.
Глюкоза
Специфические свойства
1. Брожение (ферментация) моносахаридов
Важнейшим свойством моносахаридов является их ферментативное брожение, т.е. распад молекул на осколки под действием различных ферментов. Брожению подвергаются в основном гексозы в присутствии ферментов, выделяемых дрожжевыми грибками, бактериями или плесневыми грибками. В зависимости от природы действующего фермента различают реакции следующих видов:
1) Спиртовое брожение
2) Молочнокислое брожение
(образуется в организмах высших животных при мышечных сокращениях).
3) Маслянокислое брожение
4) Лимоннокислое брожение
Реакции с участием альдегидной группы глюкозы (свойства глюкозы как альдегида)
1. Восстановление (гидрирование) с образованием многоатомного спирта
В ходе этой реакции карбонильная группа восстанавливается и образуется новая спиртовая группа:
Cорбит содержится во многих ягодах и фруктах, особенно много сорбита в плодах рябины.
2. Окисление
1) Окисление бромной водой
Качественные реакции на глюкозу как альдегид!
Протекающие в щелочной среде при нагревании реакции с аммиачным раствором Ag2O (реакция серебряного зеркала») и с гидроксидом меди (II) Cu (OH)2 приводят к образованию смеси продуктов окисления глюкозы.
2) Реакция серебряного зеркала
Соль этой кислоты – глюконат кальция – известное лекарственное средство.
Видеоопыт «Качественная реакция глюкозы с аммиачным раствором оксида серебра (I)»
3) Окисление гидроксидом меди (II)
В ходе этих реакций альдегидная группа – СНО окисляется до карбоксильной группы – СООН.
Реакции глюкозы с участием гидроксильных групп (свойства глюкозы как многоатомного спирта)
1. Взаимодействие с Cu (ОН)2с образованием глюконата меди (II)
Качественная реакция на глюкозу как многоатомный спирт!
Подобно этиленгликолю и глицерину, глюкоза способна растворять гидроксид меди (II), образуя растворимое комплексное соединение синего цвета:
Прильём к раствору глюкозы несколько капель раствора сульфата меди (II) и раствор щелочи. Осадка гидроксида меди не образуется. Раствор окрашивается в ярко-синий цвет.
В данном случае глюкоза растворяет гидроксид меди (II) и ведет себя как многоатомный спирт, образуя комплексное соединение.
Видеоопыт «Качественная реакция глюкозы с гидроксидом меди (II)»
2. Взаимодействие с галогеналканами с образованием простых эфиров
Являясь многоатомным спиртом, глюкоза образует простые эфиры:
Реакция происходит в присутствии Ag2O для связывания выделяющегося при реакции НI.
3. Взаимодействие с карбоновыми кислотами или их ангидридами с образованием сложных эфиров.
Например, с ангидридом уксусной кислоты: 
Реакции с участием полуацетального гидроксила
1. Взаимодействие со спиртами с образованием гликозидов
Гликозиды – это производные углеводов, у которых гликозидный гидроксил замещен на остаток какого-либо органического соединения.
Содержащийся в циклических формах глюкозы полуацетальный (гликозидный) гидроксил является очень реакционноспособным и легко замещается на остатки различных органических соединений.
В случае глюкозы гликозиды называются глюкозидами. Связь между углеводным остатком и остатком другого компонента называется гликозидной.
Гликозиды построены по типу простых эфиров.
При действии метилового спирта в присутствии газообразного хлористого водорода атом водорода гликозидного гидроксила замещается на метильную группу:
В данных условиях в реакцию вступает только гликозидный гидроксил, спиртовые гидроксильные группы в реакции не участвуют.
Гликозиды играют чрезвычайно важную роль в растительном и животном мире. Существует огромное число природных гликозидов, в молекулах которых с атомом С (1) глюкозы остатки самых различных соединений.
Реакции окисления
Более сильный окислитель – азотная кислота НNO3 – окисляет глюкозу до двухосновной глюкаровой (сахарной) кислоты:
В ходе этой реакции и альдегидная группа – СНО и первичная спиртовая группа — СН2ОН окисляются до карбоксильных – СООН.
Видеоопыт «Окисление глюкозы кислородом воздуха в присутствии метеленового голубого»
Углеводы
Моносахариды
— О каком веществе пойдет сейчас речь? (О глюкозе).
— Глюкоза – удивительное вещество, это энергетический резерв каждой клетки, без глюкозы клетка погибает, избыточное содержание глюкозы в крови приводит к заболеванию – сахарному диабету. Лекарства, кондитерские изделия и еще многим другим мы обязаны глюкозе. Она стоит того, чтобы урок посвятить ей.
— Сформулируйте тему второй части нашего урока: Глюкоза, ее строения и свойства. (слайд 5)
— Конечно, этих знаний недостаточно для полной характеристики глюкозы. Чтобы познакомиться с ее химическими свойствами и предположить ее строение, обратимся к эксперименту. Чтобы грамотно провести его, необходимо вспомнить ряд теоретических вопросов, на которые мы будем опираться в ходе эксперимента
— Какие вопросы (теории) нам необходимо вспомнить, чтобы правильно провести эксперимент, верно выдвинуть гипотезу?
1. Основные положения теории химического строения А.М. Бутлерова. Учитель: Строение вещества, взаимное влияние атомов определяют свойства вещества. Это положение — ведущая линия сегодняшнего урока.
2. Углеводы – это кислородсодержащие вещества. Вспомните классы органических соединений, которые также содержат кислород? (Спирты, альдегиды, карбоновые кислоты, эфиры ученик у доски записывает общие формулы данных классов соединений). Какие функциональные группы для них характерны?
3. С помощью каких качественных реакций можно распознать карбоновую кислоту, альдегид и многоатомный спирт? (Наличие карбоксильной группы, можно проверить с помощью индикатора — лакмуса. Качественный реактив на многоатомный спирт – взаимодействие со свежеприготовленным гидроксидом меди (II). Признак реакции – изменение цвета с голубого на ярко- синий. Качественный реактив на альдегид-взаимодействие с аммиачным раствором оксида серебра. Признак реакции – образование осадка – “серебряного зеркала” на стенках пробирки).
– Теоретические вопросы вспомнили. Перейдем к практике. Помните, что мы проводим эксперимент, что мы должны сделать сначала? (сначала выдвигаем гипотезу). (слайд 7)
Постановка проблемы: Глюкоза – важнейший представитель моносахаридов, следовательно это кислородсодержащее вещество. Какие функциональные группы могут содержаться в ее молекуле?
— Поэтому можно предположить, что в состав глюкозы могут входить одна или несколько гидроксильных групп, или альдегидная группа, или карбоксильная.
— Теперь проведем проверку выдвинутой гипотезы. Какие методы исследования мы будем использовать для этого? (Химический эксперимент и наблюдение).
— Помните, что проведение эксперимента требует точности, аккуратности, внимательности. Но прежде о правилах техники безопасности. Вспомним правила работы со спиртовкой при нагревании и закреплении пробирки, как работать с едкими веществами. (слайд 8)
Разделим класс на три группы, каждая из которой сейчас превратится в минилабораторию:
1-я группа исследует вещество глюкозу на наличие гидроксильных групп;
2-я группа – на наличие альдегидной группы; 3-я — на наличие карбоксильной группы и решает расчетную задачу на вывод формулы органического вещества. (Каждая группа получает задание и инструкцию). Результаты наблюдения запишите в таблицу. (слайд 9)
1-я группа делает вывод о том, что в результате взаимодействия вещества глюкозы со свежеприготовленным раствором гидроксида меди (II) наблюдается образование ярко-синего раствора, что характерно для многоатомных спиртов, следовательно, в состав вещества входят несколько гидроксильных групп, а при нагревании – получаем оранжевый осадок, что характерно для альдегидов. (для других групп опыт наглядно демонстрируется с диска 1С «Органическая химия 10-11 класс)
2-я группа делает вывод о том, что в результате взаимодействия вещества с аммиачным раствором оксида серебра наблюдается реакция «серебряного зеркала», которая характерна для альдегидной группы, следовательно, в состав вещества входит альдегидная группа (для других групп опыт наглядно демонстрируется с диска 1С «Органическая химия 10-11 класс).
3-я группа, представив решение задачи, делает вывод о том, что молекулярная формула вещества C6H12O6. Отсутствие изменения окраски индикатора говорит об отсутствии карбоксильной группы в молекуле глюкозы.
Дано: Решение:
% (С) = 40% (0,4) % (Н) = 6,7% (0,067) СхНуОz% (О) = 53,3% (0,533)
М(глюкоза) = 180 г/моль 1) х : у : z = 0,4/12 : 0,067/1 : 0,533/16
х : у : z = 0,033 : 0,067 : 0,033
формула = ? х : у : z = 1 : 2 : 1 ––> СН2О
2) n = М(глюкоза) / М(СН2О)
n = 180 / 30 = 6 ––> С6Н12О6
Ответ: формула – С6Н12О6.
— Что подтверждает наша гипотеза? К какому классу мы можем отнести глюкозу?
— Глюкоза имеет свойства и многоатомных спиртов, и альдегидов. Следовательно, глюкоза – многоатомный альдегидоспирт. (слайд 10)
— Итак, мы подошли к решению задачи по выведению структурной формулы глюкозы.
Знаем формулу С6Н12 О6 и химические свойства вещества на основании экспериментальных данных. Так попробуйте составить его структурную формулу. Помните: 1 – атом углерода 4-х валентен, 2 – вещество содержит одну альдегидную группу, 3 – спиртовых групп соответственно будет 5. О наличии 5-и гидроксильных групп подтверждает сложный эфир глюкозы, содержащий 5 остатков уксусной кислоты и экспериментально доказывает что все атомы С связаны между собой в прямую цепь. Запишем формулу, выражающую строение глюкозы.
— Как должны быть расположены гидроксогруппы: попарно у одного и того же углеродного атома или у разных?
Ответ учащихся:
— У разных, иначе молекула будет неустойчивой.
Установлено, что у третьего атома С группа — ОН расположена иначе, чем у других атомов С и распространённое строение глюкозы выглядит так:
Вывод: таким образом глюкоза — альдегидоспирт, точнее — многоатомный альдегидоспирт.
Знакомство с циклическими формами глюкозы.
Однако установлено, что в растворе глюкозы, помимо линейных молекул, существуют молекулы циклического строения, из которых состоит кристаллическая глюкоза. Таким образом, в водном растворе глюкозы в динамическом равновесии находятся три ее изомерные формы – циклическая α-форма, линейная и циклическая β- форма. В водных растворах глюкоза находится в основном в циклических формах и менее 1% — в альдегидной (открытой) форме. Альфа- и бетта – формы глюкозы изомерны друг другу. (слайд 11)
Учитель: молекулярному составу С6Н12О6 соответствует много веществ различного строения, знаете ли вы, какое вещество имеет такой же состав, что и глюкоза? (слайд 12)
( фруктоза)
— В чем отличие в строении этих двух веществ?
Фруктоза намного слаще глюкозы, не даёт реакций альдегидной группы глюкозы, плавится при более низкой температуре. Тем самым ещё раз подтверждается, что свойства веществ – это функция их химического строения.
— Как называются такие вещества, имеющие одну молекулярную формулу, но различное строение? (Ответ учащихся)
Химические свойства глюкозы.
— Выясняя строение молекулы глюкозы, ребята какие ее свойства мы уже определили?
1) взаимодействует с Сu(ОН)2, с образование ярко-синего раствора глюконата меди (II);
2) взаимодействует с Ag2O в аммиачном растворе с образованием свободного серебра и глюконовой кислоты;
3) взаимодействует с Сu(ОН)2, при нагревании образует красный осадок;
Химические свойства глюкозы: а) как альдегида б) как многоатомного спирта мы рассмотрели. Есть у нее и специфические свойства, она в определенных условиях подвергается реакциям брожения.
Учитель: Дома, пользуясь материалами учебника, выпишите химические свойства глюкозы. (стр 135 таблица 13).
В связи с рассмотрением химических свойств глюкозы интересно вспомнить эпизод из романа Валентина Пикуля “Нечистая сила”, где идет речь о неудачной попытке отравления Распутина в 1916 году.
“Лазоверт со скрипом натянул резиновые перчатки, растер в порошок кристаллы цианистого калия… Доктор щедро и густо насыщал внутренность пирожных страшным ядом.
…Распутин с неохотой съел пирожное с ядом. Понравилось – потянулся за вторым. Юсупов внутренне напрягся, готовый увидеть перед собой труп. Но Распутин спокойно доедал восьмой птифур…
Учитель. Почему цианистый калий не убил Распутина?
Учащиеся высказывают разные гипотезы, возникает оживленная беседа.
* Распутин считался святым.
* Имел крепкое здоровье.
* Был очень могучим человеком.
* Дело не в самом Распутине, а в действии вина, которым он запивал пирожное.
* Может, сказалось действие глюкозы и сахарозы, которые находились в пирожном?
* Яд был просрочен.
* Мало яда положили.
* Глюкоза нейтрализует яд, он теряет свои свойства.
Решение проблемы и выводы.
Учитель. Послушайте мнение ученых и решите, какая гипотеза дает ответ на этот вопрос.
C давних пор, при опасности отравления цианидами, рекомендовали держать за щекой кусочек сахара. Учеными было доказано, что глюкоза взаимодействует с цианидами с образованием нетоксичного соединения циангидрин глюкозы. Возьмите это на вооружение. (слайд 13)
Ребята удивляются и запоминают это свойство глюкозы.
Получение глюкозы
— Вспомните, какими способами можно получить глюкозу? (Ответ и запись уравнений реакций на доске).
Реакция фотосинтеза.
6СО2 +6 Н2О хлорофилл С6Н12О6 + 6О2 +Q
Гидролиз крахмала (уравнение записывает учитель).
Учитель. Можно ли получить глюкозу из известного вам вещества формалина? Когда собираются сохранить (законсервировать) ткань, убив в ней все живое — гнилостные микроорганизмы, грибки, бактерии, — дают такой совет: «Поместите препарат в формалин».
Возникает активная дискуссия, высказывается несколько противоположных мнений.
* Нет, т.к. формалин убивает все живое, а глюкоза поддерживает жизнь.
* Можно, но эту глюкозу нельзя будет в пищу употреблять.
* В химии все возможно.
* Можно, т.к. при химической реакции образуется новое вещество с новыми свойствами.
* Нет, у этих веществ свойства совсем разные.
Учитель. Спасибо за гипотезы. Какая из них правильная, вы убедитесь сами.
Но великий русский химик А.М.Бутлеров увидел в этом веществе один из источников жизни: в растворах слабых оснований молекулы формалина, соединяясь друг с другом, образуют цепочку углеводов. Реакция полимеризации.
Так в 1861 г. Бутлеров доказал, что смерть рождает жизнь. Внесите в тетрадь этот способ получения глюкозы. (слайд 15)
Рефлексивно-оценочный.
Тест по теме «Углеводы. Глюкоза»
Выбрать один ответ из четырёх:
1. Глюкоза относится к:
1) дисахаридам;
2) моносахаридам;
3) полисахаридам;
4) карбоновым кислотам.
2. Глюкоза по химическому строению является:
1) одноатомным спиртом;
2) альдегидом;
3) многоатомным спиртом;
4) многоатомным альдегидоспиртом.
3. Молекулярная формула глюкозы:
1) СН3СООН;
2) С6Н12О6;
3) С12Н22О11;
4) НСОН.
4. Изомером глюкозы является:
1) сахароза;
2) фруктоза;
3) лактоза;
4) крахмал.
5. Глюкоза образует циклические формы:
1) только 
-форма;
2) и 
-формы;
3) только -формы;
4) не образует.
6. Кристаллическая глюкоза содержит молекулы:
1) с открытой цепью атомов;
2) циклического строения;
3) альдегидная и циклическая формы.
7. Глюкоза как альдегид вступает в реакцию с
1) гидроксидом меди (II) при нагревании;
2) магнием;
3) гидроксидом меди (I) при нагревании;
4) гидроксидом меди (II) при комнатной температуре.
8. Глюкоза как многоатомный спирт вступает в реакцию с
1) гидроксидом меди (II) при нагревании;
2) магнием;
3) гидроксидом меди (I) при нагревании;
4) гидроксидом меди (II) при комнатной температуре.
Домашнее задание.
§32. Из курса биологии назовите области применения глюкозы и выполите тест.
Тест:
1) В начале XX в. доктора уже знали, что сахар – это «белая смерть», однако очень медленная и сладкая. Те же доктора, хорошенько изучив таблицу Д.И.Менделеева, нашли несколько полноценных заменителей сахара, не отличающихся от него по вкусу, но не вызывающих диабета и разрушения зубов.
Как называется один из заменителей сахара?
В а р и а н т ы о т в е т а. Пинакон, сорбит, глицерин.
2) Кровоточивость десен, язвы на слизистой рта, расшатывание и выпадение зубов, покрытие тела кровоподтеками – это признаки болезни – цинги.
При недостатке какого витамина в организме развивается эта мучительная болезнь?
В а р и а н т ы о т в е т а. С, D, A.
3) Как называется заболевание суставов, обусловленное нарушением обмена мочевой кислоты в организме, причиной которого является молочная кислота?
В а р и а н т ы о т в е т а. Ревматизм, радикулит, подагра.
4) Обыкновенная лягушка может провести зиму, вмерзнув в лед, а весной возвращается к жизни. Это явление основано на повышенном содержании в ее крови какого углевода?
В а р и а н т ы о т в е т а. Глюкозы, фруктозы, галактозы.
5) Как называют соль, которую применяют в медицинской практике при аллергических, кожных заболеваниях, легочных и носовых кровотечениях, при усиленном выделении кальция из организма?
В а р и а н т ы о т в е т а. Глюконат кальция, ацетат свинца, глицерат меди.
6) Продуктом одного из типов брожения глюкозы является вещество, которое применяется как раздражающее средство для обтираний, компрессов. Какое это вещество?
В а р и а н т ы о т в е т а. Метанол, этанол, бутанол.
7) Какой изомер глюкозы, за счет которого сперматозоиды получают энергию, синтезируется в семенных пузырьках?
В а р и а н т ы о т в е т а. Фруктоза, манноза, галоза.
8) Глюкоза применяется в производстве зеркал и елочных украшений. Какой тип xимических реакций лежит в основе этого производства?
В а р и а н т ы о т в е т а. Замещение, окисление, присоединение