Номер 754, страница 173 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

754. Напишите молекулярную и структурные (для линейной и двух циклических форм) формулы глюкозы. Какие функциональные группы имеются в молекуле глюкозы? Приведите уравнения реакций, позволяющих доказать наличие этих функциональных групп, опишите, что наблюдается в ходе этих реакций.

Молекулярная и структурные формулы глюкозы

Молекулярная формула глюкозы — $C_6H_{12}O_6$.

Глюкоза может существовать в линейной (альдегидной) и циклических (полуацетальных) формах, которые находятся в динамическом равновесии в растворе.

1. Линейная (ациклическая) форма D-глюкозы (проекция Фишера):
Это альдогексоза, то есть шестиатомный спирт с альдегидной группой.

O=C-H | H--C--OH |HO--C--H | H--C--OH | H--C--OH | CH₂OH

2. Циклические формы D-глюкозы (проекции Хеуорса):
Циклические формы образуются в результате внутримолекулярного взаимодействия альдегидной группы (у атома $C_1$) и гидроксильной группы (у атома $C_5$) с образованием шестичленного кольца (пиранозного цикла). При этом атом $C_1$ становится асимметрическим (аномерным), что приводит к существованию двух стереоизомеров — α- и β-аномеров. Они различаются положением гликозидной (полуацетальной) гидроксильной группы относительно плоскости кольца.

α-D-глюкопираноза (гликозидная группа $-OH$ у $C_1$ находится под плоскостью кольца, в транс-положении к группе $-CH_2OH$ у $C_5$):

Структурная формула α-D-глюкопиранозы:

β-D-глюкопираноза (гликозидная группа $-OH$ у $C_1$ находится над плоскостью кольца, в цис-положении к группе $-CH_2OH$ у $C_5$):

Структурная формула β-D-глюкопиранозы:

Ответ: Молекулярная формула глюкозы $C_6H_{12}O_6$. Структурная формула линейной формы — $CH_2OH-(CHOH)_4-CHO$. Циклические формы (α- и β-глюкопиранозы) образуются в результате замыкания цепи между $C_1$ и $C_5$.

Какие функциональные группы имеются в молекуле глюкозы?

Состав и строение молекулы глюкозы определяют наличие у нее следующих функциональных групп:

В линейной форме молекула глюкозы содержит:

одну альдегидную группу ($-CHO$);

пять гидроксильных (спиртовых) групп ($-OH$), одна из которых первичная ($-CH_2OH$), а четыре — вторичные.

В циклических формах альдегидная группа отсутствует в явном виде. Вместо нее появляется полуацетальный (гликозидный) гидроксил у атома $C_1$, который обладает особыми химическими свойствами. Остальные четыре гидроксильные группы сохраняются.

Таким образом, глюкоза является альдегидоспиртом, или многоатомным альдегидоспиртом.

Ответ: В молекуле глюкозы содержатся одна альдегидная группа и пять гидроксильных групп (в линейной форме) или пять гидроксильных групп, одна из которых полуацетальная (в циклических формах).

Приведите уравнения реакций, позволяющих доказать наличие этих функциональных групп, опишите, что наблюдается в ходе этих реакций.

Двойственная природа глюкозы (альдегид и многоатомный спирт) доказывается качественными реакциями.

1. Доказательство наличия альдегидной группы ($-CHO$):

Свойства альдегидов проявляются в реакциях окисления.

Реакция «серебряного зеркала». При нагревании раствора глюкозы с аммиачным раствором оксида серебра (реактивом Толленса) альдегидная группа окисляется до карбоксильной (которая в щелочной среде дает соль — глюконат аммония), а серебро восстанавливается до металлического.

Уравнение реакции:

$CH_2OH-(CHOH)_4-CHO + 2[Ag(NH_3)_2]OH \xrightarrow{t^\circ} CH_2OH-(CHOH)_4-COONH_4 + 2Ag \downarrow + 3NH_3 + H_2O$

Наблюдение: На стенках пробирки образуется блестящий налет металлического серебра («серебряное зеркало»).

Реакция с гидроксидом меди(II) при нагревании. При нагревании глюкозы со свежеосажденным гидроксидом меди(II) происходит окисление альдегидной группы до карбоксильной с образованием глюконовой кислоты, а медь(II) восстанавливается до меди(I).

Уравнение реакции:

$CH_2OH-(CHOH)_4-CHO + 2Cu(OH)_2 \xrightarrow{t^\circ} CH_2OH-(CHOH)_4-COOH + Cu_2O \downarrow + 2H_2O$

Наблюдение: Голубой осадок $Cu(OH)_2$ превращается в оранжево-красный (кирпично-красный) осадок оксида меди(I) $Cu_2O$.

2. Доказательство наличия нескольких гидроксильных групп ($-OH$), т.е. свойств многоатомного спирта:

Реакция с гидроксидом меди(II) без нагревания. Глюкоза, как и другие многоатомные спирты (с группами $-OH$ у соседних атомов углерода), реагирует со свежеосажденным гидроксидом меди(II) при комнатной температуре с образованием растворимого комплексного соединения — глюконата меди(II).

Уравнение реакции (упрощенно):

$2C_6H_{12}O_6 + Cu(OH)_2 \rightarrow (C_6H_{11}O_6)_2Cu + 2H_2O$

Наблюдение: Голубой студенистый осадок гидроксида меди(II) растворяется, образуя прозрачный раствор ярко-синего цвета.

3. Доказательство наличия пяти гидроксильных групп:

Реакция этерификации. Наличие пяти гидроксильных групп доказывается количественно реакцией с уксусным ангидридом или хлорангидридом. В результате образуется сложный эфир — пентаацетилглюкоза.

Уравнение реакции:

$C_6H_7O(OH)_5 + 5(CH_3CO)_2O \rightarrow C_6H_7O(OCOCH_3)_5 + 5CH_3COOH$

Наблюдение: Это количественный анализ, который показывает, что к одной молекуле глюкозы присоединяется пять ацетильных групп. Визуально наблюдается протекание реакции (например, выделение тепла) и образование нового вещества.

Ответ: Наличие альдегидной группы доказывается реакцией «серебряного зеркала» (выпадение серебра) и реакцией с $Cu(OH)_2$ при нагревании (образование красного осадка $Cu_2O$). Наличие нескольких гидроксильных групп доказывается реакцией с $Cu(OH)_2$ без нагревания (образование ярко-синего раствора). Наличие пяти гидроксильных групп подтверждается реакцией этерификации, в ходе которой образуется пентаацетат глюкозы.