В молекулах моносахаридов может содержаться от трех до девяти атомов углерода. Названия всех групп моносахаридов, а также названия отдельных представителей оканчиваются на -оза. В зависимости от числа атомов углерода в молекуле моносахариды делятся на тетрозы, пентозы, гексозы и т.д. Наибольшее значение имеют гексозы и пентозы.

Рибоза и дезоксирибоза

В природе часто встречаются пентозы. Из них большой интерес представляют рибоза и дезоксирибоза, т.к. они входят в состав нуклеиновых кислот.

Название «дезоксирибоза» показывает, что по сравнению с рибозой в ее молекуле на одну—ОН группу меньше.
Молекулы рибозы и дезоксирибозы могут иметь как линейное, так и циклическое строение:

Важнейшими представителями гексоз являются глюкоза и фруктоза, на примере которых рассмотрим строение, номенклатуру, изомерию и свойства моносахаридов.

Строение

Глюкоза и фруктоза являются изомерами и имеют молекулярную формулу С6Н12О6.
Строение моносахаридов было установлено с помощью реакций:
1) Восстановления глюкозы йодистым водородом, в результате этой реакции образуется 2-иодгексан.
2) Глюкоза вступает в реакцию с аммиачным раствором оксида серебра, что говорит о наличии в молекуле глюкозы альдегидной группы:
(С5Н11О5)СОН+2[Ag(NH3)2]OH(C5H11O5)COONH4+2Ag+3NH3+H2O
3) Глюкоза окисляется бромной водой в глюконовую кислоту:
(С5Н11О6)СОН+Br2+Н2O(С5Н11O5)СООН+2HBr
4) При взаимодействии глюкозы с гидроксидом меди происходит окрашивание раствора в синий цвет — это качественная реакция для многоатомных спиртов. Количественные эксперименты показали, что в молекуле глюкозы 5 гидроксильных групп. Таким образом, глюкоза — это пятиатомный альдегидоспирт.

5) В молекуле фруктозы также установлено наличие 5 спиртовых групп, но при энергичном окислении фруктоза образует две оксикислоты с двумя и четырьмя атомами углерода. Такое поведение характерно для кетонов. Таким образом, фруктоза — многоатомный кетоноспирт:

Следовательно, моносахариды — это многоатомные альдегидо- или кетоноспирты.
Однако ряд экспериментальных фактов не находит объяснения в рамках такого строения моносахаридов:

1) моносахариды не дают некоторые реакции, характерные для альдегидов; в частности, они не образуют бисульфитных соединений при взаимодействии с NaHSO3;

2) при измерении оптической активности свежеприготовленных растворов глюкозы оказалось, что она с течением времени падает;
3) при нагревании моносахаридов с метиловым спиртом в присутствии HСl выпадает кристаллический осадок гликозида, который легко гидролизуется с образованием одной молекулы спирта.
Все эти факты нашли объяснение, когда предположили, что каждый моносахарид может существовать в виде нескольких таутомерных форм. В растворе, кроме развернутых цепей, существуют и циклические формы, которые образуются при внутримолекулярном взаимодействии альдегидной группы и гидроксильной группы при пятом атоме углерода:

1) в растворах преобладают циклические формы моносахаридов, открытые формы находятся в небольших количествах;
2) изменение оптической активности связано с установлением равновесия между открытой и циклической формами.
Образование гликозидов объясняется наличием гликозидного, или полуацетального гидроксила, который отличается большей реакционной способностью, чем остальные гидроксиды. Поэтому он легко взаимодействует со спиртами с образованием гликозидов. Хеуорс предложил изображать циклические формы Сахаров так, чтобы отчетливо были видны и кольцо, и заместители:

Циклические формы моносахаридов могут содержать пять или шесть атомов в цикле. Сахара с шестичленным циклом называются пиранозами, например, глюкоза — глюкопираноза; циклические формы Сахаров с пятичленным циклом называются фуранозами. Глюкоза с пятичленным циклом — глюкофураноза, а фруктоза с пятичленным циклом — фруктофураноза.
Номенклатура и изомерия моносахаридов Названия моносахаридов содержат греческие названия числа атомов и окончание -оза (см. выше).
Наличие альдегидной и кетонной группы обозначается прибавлением слов альдоза, кетоза. Глюкоза — альдогексоза, фруктоза — кетогексоза.

Изомерия обусловлена наличием:

1) альдегидной или кетонной группы;
2) асимметричного атома углерода;
3) таутомерии (т.е. равновесия между разными формами молекулы).

Получение моносахаридов

1) В природе глюкоза и фруктоза (наряду с другими моносахаридами) образуются в результате реакции фотосинтеза:

Исходя из этого можно сделать вывод, что ряд моносахаридов встречается в природе в свободном виде, например фруктоза и глюкоза содержатся в фруктах, фруктоза — в меде и т.д.
2) Гидролиз полисахаридов. Например, на производстве глюкозу чаще всего получают гидролизом крахмала в присутствии серной кислоты:

3) Неполное окисление многоатомных спиртов.
4) Синтез из формальдегида в присутствии гидроксида кальция (предложен А. М. Бутлеровым в 1861 г.):

Моносахариды представляют собой твердые вещества, способные кристаллизоваться, гигроскопичны, хорошо растворимы в воде. Водные растворы их имеют нейтральную реакцию на лакмус, большинство — сладкие на вкус. В спирте растворяются плохо, в эфире нерастворимы.

Глюкоза — бесцветное кристаллическое вещество, сладкое на вкус, хорошо растворимо в воде. Из водного раствора ее выделяют в виде кристаллогидрата С6Н12О6•Н2О.

Химические свойства

Химические свойства моносахаридов обусловлены наличием в их молекулах различных функциональных групп.
1. Окисление моносахаридов:
(С5Н11O6)СОН+2[Ag(NH3)2]OH(C6H11O5)COONH4+2Ag+3NH3+H2O
2. Реакция спиртовых гидроксидов:
а) взаимодействие с гидроксидом меди (II) с образованием алкоголята меди (II);
б) образование простых эфиров;
в) образование сложных эфиров при взаимодействии с карбоновыми кислотами — реакция этерификации. Например, взаимодействие глюкозы с уксусной кислотой или ее хлорангидридом:

3. Образование гликозидов (см. выше).
4. Брожение. Брожение — это сложный процесс, при котором происходит расщепление моносахаридов под влиянием различных микроорганизмов. Различают брожение:
а) спиртовое:

Химические свойства глюкозы показаны также в табл. 41.

Глюкоза — ценный питательный продукт. В организме она подвергается сложному биохимическому превращению, при этом высвобождается энергия, которая накапливается в процессе фотосинтеза, который протекает ступенчато, и поэтому энергия выделяется медленно (см. рис. 51).
Большое значение имеют процессы брожения глюкозы. Например, при квашении капусты, огурцов, скисании молока происходит молочнокислое брожение глюкозы, так же как при силосовании кормов. Широко используется на практике спиртовое брожение глюкозы, например, при производстве пива.

Фруктоза

Фруктоза имеет такую же, как и глюкоза, молекулярную формулу (С6Н12О6), но является не полиоксиальдегидом, а полиоксикетоном. Молекула фруктозы содержит три асимметрических атома углерода, причем конфигурация у них такая же, как и у соответствующих атомов в молекуле глюкозы. Итак, фруктоза — изомер и «близкий родственник» глюкозы. Она хорошо растворима в воде, имеет сладкий вкус (примерно в 3 раза слаще глюкозы).

Фруктоза также наиболее часто встречается в циклических формах (- или -), но, в отличие от глюкозы, в пятичленных. В водных растворах фруктозы имеет место равновесие:

Фруктоза и глюкоза в больших количествах содержатся в сладких фруктах, пчелином меде.