Химические методы определения сахаров

Общее представление о веществах, обьединяемых под названием «сахара»

Пищевые продукты содержат главным образом дисахариды (сахароза, мальтоза, лактоза), моносахара (глюкоза, галактоза, фруктоза); из трисахаридов — в основном раффинозу. Для большинства продуктов нормируется суммарное содержание сахаров (общий сахар), а для некоторых веществ (карамель, патока и др.), кроме того, содержание редуцирующих сахаров, т. е. сахаров, способных легко окисляться. Все перечисленные выше сахара (за исключением сахарозы) обладают редуцирующей способностью. Общий сахар — это суммарное содержание сахарозы и восстанавливающих низкомолекулярных сахаров, выраженное в процентах сахарозы. В последние годы термин «сахара» применяют только по отношению к моносахаридам.

Молекулярная интерпретация химических — аналитически значимых — свойств сахаров

В природе моносахариды (монозы) распространены и имеют наибольшее значение пентозы общей формулы С₅Н₁₀О₅ и гексозы общей формулы С₆Н₁₂О₆, не могут гидролизоваться и превращаться в более простые углеводы. По химическому строению моносахариды представляют собой многоатомные спирты, имеющие альдегидную группу (альдегидоспирты, оксиальдегиды, альдозы — когда на конце углеродной цепи присутствует карбонильная группа) или кетонную группу (кетоспирты, оксикетоны, кетозы — когда карбонильная группа расположена в ином другом положении). Отсюда, глюкоза и фруктоза являются функциональными изомерами. Функциональные изомеры различаются и расположением гидроксильных групп, как это видно из сравнения структур глюкозы и галактозы. Такие пространственные изомеры называются диастереомерами. Они различаются физическими и химическими свойствами.

Для моносахаридов характерна оптическая изомерия (энантиомерия) (Э. Фишер). В их молекулах содержатся асимметрические (хиральные) атомы углерода (С*), находящиеся в sp³-гибридизации и связанные с четырьмя различными атомами или их группами. Энантиомеры имеют идентичные физические и химические свойства. Число оптических стереоизомеров связано с числом асимметрических атомов углерода формулой N = 2ⁿ. В общем случае молекула с "n" хиральными центрами имеет 2ⁿ стереоизомеров, которые представляют собой пары зеркальных антиподов.

В качестве обозначения противоположных конфигураций редуцирующих сахаров с одинаковыми названиями применяются буквы D и L, которые указывают принадлежность к двум рядам. Последний асимметрический атом углерода определяет принадлежность к стереохимическому ряду. Гидроксильная группа справа – D – ряд; слева – L – ряд. В природе одни моносахариды встречаются больше в Д-конфигурации, чем в L, другие наоборот (L-арабиноза часто встречается в растениях, тогда как D-арабиноза обнаружена только в некоторых видах бактерий).

Поскольку молекулы сахаров построены несимметрично, то для них не может быть оптически неактивных мезоформ. Экспериментальный факт, фиксируемый поляриметром, вращения поляризованного света вправо обозначается знаком (+); вращение влево — знаком (-). Символы знаков D(+) – и L(-) могут очень часто не совпадать.

Изображенные линейными формулами альдозы во многом не отражают физические и химические свойства моносахаридов. Такие структуры возможны в растворах, и то в незначительных количествах (тысячные доли процента). Так в УФ - и ИК-спектрах моносахаридов отсутствуют полосы поглощения, характеризующие карбонильную группу. В действительности, моносахариды с 5 и более атомами углерода обычно встречаются в водном растворе в циклических формах, в которых карбонильная группа образует ковалентную связь с атомом кислорода гидроксильных групп. А.А. Колли (русский химик-органик), предложил для всех моносахаридов циклические структуры.

В карбонильной группе связь между атомами углерода и кислорода осуществляется двумя парами электронов. Электронное облако связи смещено к кислороду как более электроотрицательному атому, в результате чего он приобретает частичный отрицательный .заряд (δ-). В то же время карбонильный углерод в результате оттягивания от него электронов приобретает частичный положительный заряд (δ +):

Это обусловливает большую реакционную способность органических соединений, содержащих карбонильную группу: с одной стороны, атом углерода приобретает электрофильные свойства и способен активно взаимодействовать с нуклеофильными реагентами, а атом кислорода приобретает нуклеофильные свойства и способен присоединять электрофильные реагенты и замещаться ими; с другой стороны, на атоме углерода связи С=О концевой карбонильной группы положительный заряд сильнее притягивает электрон от атома водорода альдегидной группы, последний становится более подвижным и легко вступает в какие-либо реакции, например, окисляется (редуцируется) при рН > 7.

Отсюда, появление пятого гидроксила, названного гликозидным, является следствием внутримолекулярной реакции между карбонильной группой и одним из гидроксилов сахара. Известно, что взаимодействие альдегидов (кетонов) со спиртами приводит к образованию полуацеталей (полукеталей):

На связь между устойчивостью цикла и его строением обратил внимание немецкий химик А. Байер. В своей теории он исходил из предположения, что все циклы являются плоскими, а за меру устойчивости цикла принял любое отклонение валентных углов от "нормального" угла 109° 28':

Такое отклонение создает в молекуле напряжение, которое, в свою очередь, понижает ее устойчивость. Расчет дал отклонение валентного угла от нормального для четырехчленного цикла +9°44', пятичленного 0°44', шестичленного -5° 16'.

Также позже было установлено, что пяти- и шестичленные циклы не находятся в одной плоскости, а принимают в пространстве определенную форму (конформацию: см. ниже — «кресло»: она устойчивее), что приводит к уменьшению углового напряжения, поэтому и к повышению устойчивости цикла.

Поэтому при образовании циклических структур сахаров-альдоз гидроксильная группа у предпоследнего (или пред-предпоследнего) реагирует с альдегидной группой, образуя пиранозный (или фуранозный) цикл, содержащий полуацетальную связь:

Сахара-кетозы также встречаются в форме α- и β-аномерных форм. В этих соединениях гидроксильная группа у предпоследнего (или последнего) реагирует с кетогруппой, образуя фуранозный (или пиранозный) цикл, содержащий полукетальную связь:

 

При образовании циклического полуацеталя сахаров появляется новый асимметрический атом углерода (аномерный центр (С-1)). Для указания его конфигурации используют обозначения a и b. α- и β-формы моноз превращаются друг в друга в водном растворе, этот процесс получил название мутаротации.

Возникновение циклических структур, существование которых предвидел Колли, обусловлено соответственно явлениями d- и g- оксициклотаутомерии.

Для D – ряда a - аномер имеет полуацетальный гидроксил внизу, b - аномер – вверху. Для L – ряда имеет место обратное отношение a - и b - аномеров.

Низкомолекулярные олигосахариды включают в себя также вещества, именуемые «сахара». Это — дисахариды (биозы — сложные сахара общей формулы С₁₂Н₂₂О₁₁) и трисахариды (триозы – сложные сахара общей формулы С₁₈Н₃₂О₁₆).

По химической структуре они представляют собой гликозиды, образованные в результате отщепления молекулы воды от двух (биозы) или трёх (триозы) моносахаридов за счет гидроксилов по одному от каждого из них. При этом один из гидроксилов является гликозидным. Если моносахариды все являются способными окисляться (редуцироваться), то среди олигосахаров существуют невосстанавливающие. Если отщепление молекулы воды произошло за счет гликозидных гидроксилов всех молекул моносахаридов, то образуется невосстанавливающие низкомолекулярные олигосахариды. Такие сахара существуют только в циклических конфигурациях и не могут переходить в цепные карбонильные формы и, следовательно, не обладают восстановительными свойствами. В частности, водные растворы их не реагируют с реактивом Фелинга, не подвергаются мутаротации и пр.

Если отщепление воды произошло за счет гликозидного гидроксила только одного из моносахаридов и негликозидного гидроксила других моносахаридов, то образуется восстанавливающие низкомолекулярные олигосахариды, в котором один из циклов сохраняет гликозидный гидроксил, способный в водных растворах изомеризоваться, превращаясь в цепную карбонильную форму.

Невосстанавливающие олигосахариды

 

Восстанавливающие олигосахариды

Данным сахарам также присуща мутаротация, и они существуют в a- и b-формах. в циклических и альдегидной таутомерных формах, находящихся в динамическом равновесии:

Гликозидная связь («кислородный» мостик) в молекуле олигосахаров способна очень легко разрываться под действием атаки полярных молекул воды (гидролиз), это весьма важная преданалитическая реакция. Происходит реакция инверсии:

Спирты, содержащие в молекуле свыше трех гидроксильных групп, называют спиртами высшей атомности.

Сахарные спирты или спирты-полиолы являются производными редуцирующих сахаров. По физическим свойствам спирты высшей атомности напоминают редуцирующие сахара — бесцветные, сладкие вещества, образующие сиропообразные растворы.

Химически эти вещества в отличие от сахаров всех видов монофункциональны — не имеют карбонильной группировки, а вместо нее находится группа -СН₂ОН (у полиолов, образованных от альдегидоспиртов) или –СНОН (у полиолов, образованных от кетоспиртов).

Таким образом, пентозы образуют спирты-пентиты общей формулы С₅Н₇(ОН)₅ и гексозы —спирты - гекситы общей формулы С₆Н₈(ОН)₆.

Известными представителями спиртов пятиатомных является арабит и ксилит, а наиболее распространенными шестиатомными спиртами являются сорбит, дульцит (галактит) и инозит. Так и называют эти спирты по тривиальной номенклатуре: в названиях соответствующих редуцирующих сахаров заменяют суффикс -оза на -ит. К некоторым имеются также и технические названия. Например:

Хотя их чаще всего получают искусственно (реакцией гидрирования на катализаторе никеле) и используют как пищевые добавки-подсластители (ксилит, сорбит), отдельные виды плодов и овощей содержат некоторых сахарных спиртов довольно много. Так, сорбитом богаты ягоды рябины, сок вишен, слив, яблок. Галактит содержится в различных растениях (жасмине, морских водорослях) и в дрожжах и т.д.

В таких сахарах, а также в нередуцирующих олигосахаридах, первостепенное аналитическое значение имеет наличие гидроксильных групп. Не имея карбонильной группы, данные виды сахаров не способны проявлять вышеуказанных свойств редуцирующих сахаров. Атом кислорода в молекуле сахара наиболее электроотрицателен; к нему смещена электронная плотность всех атомов. Следовательно, атом водорода гидроксильной группы имеет большую подвижность, чем атомы водорода в радикале:

Поэтому в химических реакциях они могут отдавать протон, вступая в частности в реакцию замещения-алкилирования. Алкилированием называют реакции введения в молекулы органических веществ алкильных или сходных по строению радикалов R. При нуклеофильном введении R в молекулу спирта вместо атома водорода ОН-групп получают простые эфиры.

Пентиты содержат два асимметрических атома углерода — С-2и С-4, третий атом имеет одинаковые заместители СН (ОН)СН₂ОН, известны 4 стереоизомера.

Гекситы содержат четыре асимметрических атома углерода, но число стереоизомеров меньше 16, и равно 10 благодаря особенностям строения молекулы. Благодаря наличию одинаковых заместителей у С-2 и С-3, и, соответственно, у С-5 и С-4 молекулы некоторых стереоизомеров имеют плоскость симметрии, находящуюся между атомами С-3 и С-4. Поэтому образовывать оптические стереоизомеры, отклоняя плоскость поляризованного света на поляриметре, могут только те представители, которые не имеют атрибутов симметрии.

Как и моносахариды, они образуют диастереоизомерные ряды (D-рибит и D-арабит).

 

 

Химические методы определения сахаров

 

Химические методы разнообразны, однако все они, как и большинство физико-химических, основаны на способности сахаров окисляться в щелочной среде, восстанавливая при этом другие химические вещества с образованием альдоновых кислот. Количество восстановленного другого вещества эквивалентно содержанию сахара в испытуемом растворе. Чаще применяют методы, основанные на окислении сахаров щелочным раствором окисного соединения меди с учетом количества восстановленной меди. Реже применяются методы, в которых используются другие окислители.

 

Определение восстанавливающих сахаров по методу Бертрана.

 

Метод Бертрана основан на способности альдегидной группы сахаров взаимодействовать с реактивом Фелинга и восстанавливать окись меди до закиси меди, выпадающей в виде осадка красного цвета:

СuSO₄ + 2NaOH ¾¾® Cu(OH)₂ + Na₂SO₄

Приведенная реакция не является стехиометрической. Поэтому при пересчете меди на сахар пользуются эмпирическими таблицами, которые составлены при строго определенных условиях протекания реакции.

Реактивы и материалы: а) Реактив Фелинга

20 см³ 4 %-ного раствора CuSO₄ + 20 см³ щелочного раствора сегнетовой соли {200 г сегнетовой соли растворяют в 500 см³ воды, 150 г едкого натра растворяют в 300 см³. Раствор щелочи осторожно приливают к раствору сегнетовой соли и доводят объем до 1 дм³}.

б) Раствор железоаммиачных квасцов

96 г квасцов растворяют в 500 см³ воды и осторожно по стенке приливают 200 г (108 см³) концентрированной серной кислоты. Объем доводят водой до 1 дм³.

в) 0,1 н. КМпО₄