"Уголь плюс вода"

Вещества, о которых дальше пойдет речь, по своему составу являются как бы соединением угля с водой, за что они и были названы углеводами. (Заметим, что с 1844 г., когда этот термин был предложен, стало известно много углеводов, не отвечающих этой формуле, но название осталось; другое общепринятое название этого класса соединений - сахара.) Состав подавляющего большинства таких соединений можно выразить общей формулой С_n(Н₂0)_m.

Но как же объединяются в одной молекуле атомы углерода и молекулы воды? Рассмотрим этот вопрос на примере одного из самых распространенных углеводов - глюкозы.

Итак, попробуем "установить" строение молекулы глюкозы. Ее формула С₆Н₁₂О₆. Если действовать на глюкозу уксусным ангидридом, то в реакцию вступает пять молекул ангидрида на одну молекулу глюкозы и образуется сложный эфир. Отсюда вывод - в молекуле глюкозы содержатся пять гидроксильных групп, т. е. это пяти атомный спирт.

Будем далее исследовать глюкозу. Глюкоза является восстановителем, дает реакцию серебряного зеркала (восстанавливает соли серебра), а сама при осторожном окислении образует одноосновную глюконовую кислоту. Отсюда второй вывод - в молекуле глюкозы присутствует альдегидная группа.

Если подействовать на глюкозу йодистым водородом, то получается 2-йодгексан. Третий вывод - в молекуле глюкозы нормальный, т. е. не разветвленный углеводородный скелет. Этих данных достаточно, чтобы построить структурную формулу глюкозы. Это пяти атомный альдегидоспирт:

Реакции, подтверждающие строение глюкозы (D - формы)

Однако продолжим наши эксперименты. Попробуем выполнить другие реакции, характерные для альдегидной группы. Так, альдегиды образуют соединения с бисульфитом NaHSO₃, дают окрашивание с фуксинсернистой кислотой. Глюкоза таких реакций не дает. Нагреем глюкозу с метиловым спиртом в присутствии сухого хлористого водорода. Образуется простой эфир, но в реакции участвует лишь один гидроксил из пяти. Значит, этот гидроксил чем-то отличается от остальных.

Все эти непонятные, казалось бы, особенности можно объяснить таким образом. Глюкоза существует в виде двух форм: альдегидной и циклической. В первой форме в явном виде присутствует альдегидная группа, она и восстанавливает серебро, она и окисляется в карбоксильную группу. Однако доля этой формы в растворе невелика, и поэтому не идет реакция ни с бисульфитом, ни с фуксинсернистой кислотой. В то же время в циклической форме один из гидроксилов имеет особое, привилегированное положение - он присоединен к атому углерода, который связан еще с одним атомом кислорода. Именно этот гидроксил и образует производное с метиловым спиртом. Этот гидроксил имеет и еще одну интересную особенность - он может находиться внизу или вверху от шестичленного кольца (считаем, что кольцо располагается всегда так, что кислород, входящий в кольцо, находится в дальнем от нас правом углу). Первая форма обозначается буквой α, вторая - β.