Đề cương ôn tập môn Hóa học Lớp 12 - Chuyên đề: Cacbohiđrat - Bài 1 đến 3

HÓA HỌC 12 - CHUYÊN ĐỀ: CACBOHIĐRAT BÀI 1 : GLUCOZƠ A. TÓM TẮT LÝ THUYẾT I. TÍNH CHẤT VẬT LÍ VÀ TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN Glucozơ là chất kết tinh, không màu, nóng chảy ở 146 oC (dạng ) và 150 oC (dạng ), dễ tan trong nước, có vị ngọt nhưng không ngọt bằng đường mía. Glucozơ có trong hầu hết các bộ phận của cây như lá, hoa, rễ,... và nhất là trong quả chín. Đặc biệt, glucozơ có nhiều trong quả nho chín nên còn gọi là đường nho. Trong mật ong có nhiều glucozơ (khoảng 30%). Glucozơ cũng có trong cơ thể người và động vật. Trong máu người có một lượng nhỏ glucozơ, hầu như không đổi (nồng độ khoảng 0,1%). II. CẤU TRÚC PHÂN TỬ Glucozơ có công thức phân tử là C6H12O6, tồn tại ở dạng mạch hở và mạch vòng. 1. Dạng mạch hở a. Các dữ kiện thực nghiệm - Khử hoàn toàn glucozơ thì thu được hexan. Vậy 6 nguyên tử C của phân tử glucozơ tạo thành 1 mạch hở không phân nhánh. - Glucozơ có phản ứng tráng bạc, khi tác dụng với nước brom tạo thành axit gluconic, chứng tỏ trong phân tử có nhóm –CHO. - Glucozơ tác dụng với Cu(OH) 2 tạo thành dung dịch mào xanh lam, chứng tỏ phân tử glucozơ có nhiều nhóm –OH kề nhau. - Glucozơ tạo este chứa 5 gốc CH3COO, vậy trong phân tử có 5 nhóm –OH. b. Kết luận Phân tử glucozơ có công thức cấu tạo thu gọn dạng mạch hở là : CH2OH–CHOH–CHOH–CHOH–CHOH–CH=O Hoặc viết gọn là : CH2OH[CHOH]4CHO 2. Dạng mạch vòng Glucozơ kết tinh tạo ra hai dạng tinh thể có nhiệt độ nóng chảy khác nhau. Các dữ kiện thực nghiệm khác đều cho thấy hai dạng tinh thể đó ứng với hai dạng cấu trúc vòng khác nhau. Nhóm –OH ở C5 cộng vào nhóm >C=O tạo ra hai dạng vòng 6 cạnh và  : 6 6 CH2OH CH2OH CH2OH 5 5 H O H H O H CH O OH H H 4 4 OH H 1   OH H 1 HO  HOCH CH=O  HO OH H 3 2 3 2 H OH HOCH CHOH H OH - glucozơ ( 36%) dạng mạch hở (0,003%)  - glucozơ ( 64%) Trong dung dịch, glucozơ tồn tại chủ yếu ở dạng vòng 6 cạnh ( và ). Hai dạng vòng này luôn chuyển hóa lẫn nhau theo một cân bằng qua dạng mạch hở. 1 Nhóm –OH ở vị trí số 1 được gọi là –OH hemiaxetal Để đơn giản, công thức cấu tạo của glucozơ có thể được viết như sau : OH O HO OH HO OH III. TÍNH CHẤT HÓA HỌC Glucozơ có các tính chất của anđehit và ancol đa chức 1. Tính chất của ancol đa chức (poliancol hay poliol) a. Tác dụng với Cu(OH)2 Trong dung dịch, ở nhiệt độ thường glucozơ hòa tan Cu(OH) 2 cho dung dịch phức đồng- glucozơ có màu xanh lam : 2C6H12O6 + Cu(OH)2  (C6H11O6)2Cu + 2H2O phức đồng - glucozơ b. Phản ứng tạo este Khi tác dụng với anhiđrit axetic, glucozơ có thể tạo este chứa 5 gốc axetat trong phân tử C6H7O(OCOCH3)5 2. Tính chất của anđehit a. Oxi hóa glucozơ Phản ứng tráng bạc: Cho vào dung dịch sạch 1 ml dung dịch AgNO 3 1%, sau đó nhỏ từng giọt dung dịch NH3% 5% và lắc đều cho đến khi kết tủa vừa tan hết. Thêm tiếp 1 ml dung dịch glucozơ. Đun nóng nhẹ ống nghiệm, Trên thành ống nghiệm thấy xuất hiện một lớp bạc sáng như gương. Giải thích : Phức bạc amoniac đã oxi hóa glucozơ thành amoni gluconat tan vào dung dịch và giải phóng bạc kim loại bám vào thành ống nghiệm. CH2OH[CHOH]4CHO + 2[Ag(NH3)2]OH CH2OH[CHOH]4COONH4 + 2Ag + 3NH3 + H2O amoni glucozơ Glucozơ có thể khử Cu (II) trong Cu(OH) 2 thành Cu (I) dưới dạng Cu 2O kết tủa màu đỏ gạch. Glucozơ làm mất màu dung dịch brom. b. Khử glucozơ Khi dẫn khí hiđro vào dung dịch glucozơ đun nóng (xúc tác Ni), thu được một poliancol có tên là sobitol : Ni, to CH2OH[CHOH]4CHO + H2  CH2OH[CHOH]4CH2OH Sobitol 3. Phản ứng lên men Khi có enzim xúc tác, glucozơ bị lên men cho ancol etylic và khí cacbonic : enzim,30 35o C C6H12O6  2C2H5OH + 2CO2 4. Tính chất riêng của dạng mạch vòng 2 Riêng nhóm –OH ở C1 (–OH hemiaxetal) của dạng vòng tác dụng với metanol có HCl xúc tác, tạo ra metyl glicozit : OH OH O O HCl khan + H2O HO OH + CH3OH  HO OCH3 HO HO OH OH Khi nhóm –OH ở C 1 đã chuyển thành nhóm –OCH 3, dạng vòng không thể chuyển sang dạng mạch hở được nữa. IV. ĐIỀU CHẾ VÀ ỨNG DỤNG 1. Điều chế Trong công nghiệp, glucozơ được điều chế bằng cách thủy phân tinh bột nhờ xúc tác axit clohiđic loãng hoặc enzim. Người ta cũng thủy phân xenlulozơ (có trong vỏ bào, mùn cưa) nhờ xúc tác axit clohiđric đặc thành glucozơ để làm nguyên liệu sản xuất ancol etylic. Hai phương pháp đó đều được tóm tắt bằng phương trình phản ứng như sau : H ,to (C6H10O5)n + nH2O  nC6H12O6 tinh bột hoặc xenlulozơ 2. Ứng dụng Glucozơ là chất dinh dưỡng có giá trị của con người, nhất là đối với trẻ em, người già. Trong y học, glucozơ được dùng làm thuốc tăng lực. Trong công nghiệp, glucozơ được dùng để tráng gương, tráng ruột phích và là sản phẩm trung gian trong sản xuất ancol etylic từ các nguyên liệu có chứa tinh bột và xenlulozơ. V. ĐỒNG PHÂN CỦA GLUCOZƠ : FRUCTOZƠ Fructozơ (C6H12O6) ở dạng mạch hở là một polihiđroxi xeton, có công thức cấu tạo thu gọn là : CH2OH – CHOH – CHOH – CHOH – C – CH2OH O Hoặc viết gọn là : CH2OH[CHOH]3COCH2OH Trong dung dịch, fructozơ tồn tại chủ yếu ở dạng , vòng 5 cạnh hoặc 6 cạnh. Ở trạng thái tinh thể, fructozơ ở dạng , vòng 5 cạnh : 6 O HOCH2 OH 5 2 H HO H CH2OH 4 3 1 OH H Dạng  - fructozơ Fructozơ là chất kết tinh, dễ tan trong nước, có vị ngọt hơn đường mía, có nhiều trong quả ngọt và đặc biệt trong mật ong (tới 40%) làm cho mật ong có vị ngọt đậm. Tương tự như glucozơ, fructozơ tác dụng với Cu(OH) 2 cho dung dịch phức màu xanh lam (tính chất của ancol đa chức), tác dụng với hiđro cho poliancol (tính chất của nhóm cacbonyl). 3 Fructozơ không có nhóm –CH=O nhưng vẫn có phản ứng tráng bạc và phản ứng khử Cu(OH) 2 thành Cu2O là do khi đun nóng trong môi trường kiềm nó chuyển thành glucozơ theo cân bằng sau : OH Fructozơ  Glucozơ BÀI 2 : SACCAROZƠ A. TÓM TẮT LÝ THUYẾT I. TÍNH CHẤT VẬT LÍ VÀ TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN Saccarozơ là chất kết tinh, không màu, vị ngọt, dễ tan trong nước, nóng chảy ở 185oC. Saccarozơ có trong nhiều loại thực vật và là thành phần chủ yếu của đường mía (từ cây mía), đường củ cải (từ củ cải đường), đường thốt nốt (từ cụm hoa thốt nốt). Ở nước ta, đường mía được sản xuất dưới nhiều dạng thương phẩm khác nhau : đường phèn là đường mía kết tinh ở nhiệt độ thường (khỏang 30 oC) dưới dạng tinh thể lớn. Đường cát là đường mía kết tinh có lẫn tạp chất màu vàng. Đường phên là đường mía được ép thành phên, còn chứa nhiều tạp chất, có màu nâu sẫm. Đường kính chính là saccarozơ ở dạng tinh thể nhỏ. II. CẤU TRÚC PHÂN TỬ Saccarozơ có công thức phân tử là C12H22O11. Người ta xác định cấu trúc phân tử saccarozơ căn cứ vào các dữ kiện thí nghiệm sau : - Dung dịch saccarozơ hòa tan Cu(OH) 2 tạo thành dung dịch mào xanh lam, chứng tỏ phân tử saccarozơ có nhiều nhóm –OH kề nhau - Dung dịch saccarozơ không có phản ứng tráng bạc, không bị oxi hóa bởi, chứng tỏ trong phân tử saccarozơ không có nhóm –CHO. - Đun nóng dung dịch saccarozơ có mặt axit vô cơ làm xúc tác, ta được glucozơ và fructozơ. Các dữ kiện thực nghiệm khác cho phép xác định được trong phân tử saccarozơ gốc - glucozơ và gốc  - fructozơ liên kết với nhau qua nguyên tử oxi giữa C 1 của glucozơ và C2 của fructozơ (C1 - O - C2). Liên kết này thuộc loại liên kết glicozit. Vậy, cấu trúc phân tử saccarozơ được biểu diễn như sau : 6 CH2OH 5 1 H O O H H HOCH2 4 H OH 1 2 5 H H HO HO O 6 2 CH2OH 3 3 4 H OH OH H gốc - glucozơ gốc  -fructozơ III. TÍNH CHẤT HÓA HỌC Saccarozơ không có tính khử vì phân tử không còn nhóm –OH hemiaxetal tự do nên không chuyển thành dạng mạch hở chứa nhóm anđehit. Vì vậy, saccarozơ chỉ có tính chất của ancol đa chức và có phản ứng của đisaccarit. 1. Phản ứng với Cu(OH)2 4 Thí nghiệm : Cho vào ống nghiệm vài giọt dung dịch CuSO 4 5%, sau đó thêm tiếp 1 ml dung dịch NaOH 10%. Gạn bỏ phần dung dịch, giữ lại kết tủa Cu(OH) 2, thêm khoảng 2 ml dung dịch saccarozơ 1%, sau đó lắc nhẹ. Hiện tượng : Kết tủa Cu(OH)2 tan trong dung dịch saccarozơ cho dung dịch xanh lam. Giải thích : Là một poliol có nhiều mhóm –OH kề nhau nên saccarozơ đã phản ứng với Cu(OH)2 sinh ra phức đồng - saccarozơ tan có màu xanh lam. 2C12H22O11 + Cu(OH)2 (C12H21O11)2Cu + 2H2O 2. Phản ứng thủy phân Dung dịch saccarozơ không có tính khử nhưng khi đun nóng với axit thì tạo thành dung dịch có tính khử là do nó bị thủy phân thành glucozơ và fructozơ : H ,to C12H22O11 + H2O  C6H12O6 + C6H12O6 saccarozơ glucozơ fructozơ Trong cơ thể người, phản ứng này xảy ra nhờ enzim. IV. ỨNG DỤNG VÀ SẢN XUẤT ĐƯỜNG SACCAROZƠ 1. Ứng dụng Saccarozơ được dùng nhiều trong công nghiệp thực phẩm, để sản xuất bánh kẹo, nước giải khát,...Trong công nghiệp dược phẩm để pha chế thuốc. 2. Sản xuất đường saccarozơ Glucozơ là chất dinh dưỡng có gía trị của con người, nhất là đối với trẻ em, người già. Trong y học, glucozơ được dùng làm thuốc tăng lực. Trong công nghiệp, sản xuất đường từ cây mía qua một số công đoạn chính thể hiện ở sơ đồ dưới đây : Cây mía (1) Ép Nước mía (12 – 15% đường) (2) + Vôi sữa, lọc bỏ tạp chất Dung dịch đường có lẫn hợp chất của canxi (3) + CO2, lọc bỏ CaCO3 Dung dịch đường (có màu) (4) + SO2 tẩy màu Dung dịch đường (không màu) 5 Lên men Đường kính Nước rỉ đường Rượu V. ĐỒNG PHÂN CỦA SACCAROZƠ : MANTOZƠ Trong số các đồng phân của saccarozơ, quan trọng nhất là mantozơ (còn gọi là đường mạch nha). Công thức phân tử C12H22O11. Ở trạng thái tinh thể, phân tử mantozơ gồm 2 gốc glucozơ liên kết với nhau của C 1 của gốc - glucozơ này với C4 của gốc - glucozơ kia qua một nguyên tử oxi. Liên kết - C 1 - O - C4 như thế được gọi là liên kết -1,4 - glicozit. Trong dung dịch, gốc - glucozơ của mantozơ có thể mở vòng tạo ra nhóm –CH=O : CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH H O H H O H O OH H H H H 1 H H 1 OH H 4 1 4 H OH H OH H H HO CH=O HO O HO O OH 2 H OH H OH H OH OH H Lieân keát -1,4 -glicozit Mantozơ kết tinh Dạng anđehit của mantozơ trong dung dịch Do cấu trúc như trên, mantozơ có 3 tính chất chính : Tính chất của poliol giống saccarozơ : tác dụng với Cu(OH) 2 cho phức đồng - mantozơ màu xanh lam. Tính khử tương tự glucozơ, ví dụ khử [Ag(NH3)2]OH và Cu(OH)2 khi đun nóng. Mantozơ thuộc loại đisaccarit có tính khử. Bị thủy phân khi có mặt axit xúc tác hoặc enzim sinh ra 2 phân tử glucozơ. Mantozơ được điều chế bằng cách thủy phân tinh bột nhờ anzim amilaza (có trong mầm lúa). Phản ứng thủy phân này cũng xảy ra trong cơ thể người và động vật. 6 BÀI 3 : TINH BỘT A. TÓM TẮT LÝ THUYẾT I. TÍNH CHẤT VẬT LÍ VÀ TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN Tinh bột là chất rắn vô định hình, màu trắng, không tan trong nước nguội. Trong nước nóng từ 65oC trở lên, tinh bột chuyển thành dung dịch keo nhớt, gọi là hồ tinh bột. Tinh bột có nhiều trong các loại hạt (gạo, mì, ngô, ), củ (khoai, sắn, ) và quả (táo, chuối, ). Hàm lượng tinh bột trong gạo khoảng 80%, trong ngô khoảng 70%, trong củ khoai tâu tươi khoảng 20%. II. CẤU TRÚC PHÂN TỬ Tinh bột là hỗn hợp của hai polisaccarit : amilozơ và amolopectin. Cả hai đều có công thức phân tử là (C6H10O5)n, trong đó gốc C6H10O5 là gốc - glucozơ . Amilozơ chiếm từ 20% - 30% khối lượng tinh bột, Trong phân tử amilozơ các gốc - glucozơ nối với nhau bởi liên kết -1,4 - glicozit (hình a) tạo thành chuỗi dài không phân nhánh (hình b). Phân tử khối của amilozơ vào khoảng 150.000 – 600.000 (ứng với n khoảng 1000 – 4000). Phân tử amilozơ không duỗi thẳng mà xoắn lại thành hình lò xo. CH OH 2 CH2OH CH OH 2 CH OH H O 2 H H O O H O 4 H H H OH 1 H H H H OH H H 4 OH H 1 HO O 1 1 4 OH H O O 2 OH H OH 2 H OH H OH H OH a) Mô hình phân tử amilozơ -1,4 - glicozit b) b) Các gốc gốc - glucozơ nối với nhau bởi liên kết -1,4 - glicozit Amolopectin chiếm khoảng 70% - 80 % khối lượng tinh bột. Amolopectin có cấu tạo mạch phân nhánh. Cứ khoảng 20 – 30 mắt xích - glucozơ nối với nhau bởi liên kết -1,4 - glicozit thì tạo thành một chuỗi. Do có thêm liên kết từ C1 của chuỗi này với C6 của chuỗi kia qua nguyên tử O (gọi là liên kết -1,6 - glicozit) nên chuỗi bị phân nhánh (hình c). Phân tử khối của amolopectin vào khoảng từ 300.000 – 3.000.000 (ứng với n khoảng 2000 – 200.000). 7 CH OH 2 CH2OH H O O H H 4 H H OH H 1 4 OH H HO O 1 O H OH H OH CH OH 2 CH2OH 6 CH2 CH OH H O 2 H H O H O H H H O 4 H H H OH H OH H 1 4 H OH H 1 HO O 1 4 4 OH H O 1 O 2 OH H OH 2 H OH H OH H OH c) Liên kết -1,4 - glicozit và liên kết -1,6 - glicozit III. TÍNH CHẤT HÓA HỌC 1. Phản ứng thủy phân a. Thủy phân nhờ xúc tác axit : Dung dịch tinh bột không có phản ứng tráng bạc nhưng sau khi đun nóng với axit vô cơ loãng ta được dung dịch có phản ứng tráng bạc. Nguyên nhân là do tinh bột bị thủy phân hoàn toàn cho glucozơ : H ,to (C6H10O5)n + nH2O  n C6H12O6 b. Thủy phân nhờ enzim : Phản ứng thủy phân của tinh bột cũng xảy ra nhờ một số enzim. Nhờ enzim - và  - amilaza (có trong nước bọt và trong mầm lúa) tinh bột bị thủy phân thành đextrin (C 6H10O5)x (x < n) rồi thành mantozơ, mantozơ bị thủy phân thành glucozơ nhờ enzim mantaza. 2 . Phản ứng màu với dung dịch iot Thí nghiệm : Nhỏ dung dịch iot vào ống nghiệm đựng dung dịch hồ tinh bột hoặc vào mặt cắt của củ khoai lang. Hiện tượng : Dung dịch hồ tinh bột trong ống nghiệm cũng như mặt cắt của củ khoai lang đều nhuốm màu xanh tím. Khi đun nóng, màu xanh tím biến mất, khi để nguội màu xanh tím lại xuất hiện. Giải thích : Phân tử tinh bột hấp thụ iot tạo ra màu xanh tím. Khi đun nóng, iot bị giải phóng ra khỏi phân tử tinh bột làm mất màu xanh tím đó. Khi để nguội, iot bị hấp thụ trở lại làm dung dịch có màu xanh tím. Phản ứng này được dùng đề nhận ra tinh bột bằng iot và ngược lại. IV. SỰ TẠO THÀNH TINH BỘT TRONG CÂY XANH Tinh bột được tạo thành trong cây xanh từ khí CO 2, nước và năng lượng ánh sáng mặt trời. Khí cacbonic được là cây hấp thụ từ không khí, nước được rễ cây hút từ đất. Chất diệp lục (clorophin) hấp thụ năng lượng của ánh mặt trời. Quá trình tạo thành tinh bột như vậy gọi là quá trình quang hợp. Quá trình xảy ra phức tạp qua nhiều giai đoạn, trong đó có giai đoạn tạo thành glucozơ, có thể được viết bằng phương trình hóa học đơn giản như sau : aùnh saùng 6nCO2 + 5nH2O clorophin (C6H10O5)n + 6nO2  8 9 BÀI 4 : XENLULOZƠ A. TÓM TẮT LÝ THUYẾT I. TÍNH CHẤT VẬT LÍ VÀ TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN Xenlulozơ là chất rắn hình sợi, màu trắng, không mùi, không vị, không tan trong nước ngay cả khi đun nóng, không tan trong các dung môi hữu cơ thông thường như ete, benzen, Xenlulozơ là thành phần chính tạo nên lớp màng tế bào thực vật, là bộ khung của cây cối. Xenlulozơ có nhiều trong bông (95 – 98%), đay, gai, tre, nứa (50 – 80%), gỗ (40 – 50%). II. CẤU TRÚC PHÂN TỬ Xenlulozơ (C6H10O5)n, có phân tử khối rất lớn (khoảng 1.000.000 – 2.400.000). Xenlulozơ là polyme hợp thành từ các mắt xích  - glucozơ nối với nhau bởi các liên kết  -1,4 - glicozit, phân tử xenlulozơ không phân nhánh, không xoắn. CH OH 2 H OH CH OH 2 H OH H O O H H O H 1 4 H O H OH OH H H 1 4 4 H H OH H O 4 OH H H H H 1 O O H 1 O 2 O H OH CH2OH H OH CH2OH Các mắt xích  - glucozơ trong phân tử xenlulozơ Mỗi mắt xích C6H10O5 có 3 nhóm –OH tự do, nên có thể viết công thức cấu tạo của xenlulozơ là [C6H7O2(OH)3]n III. TÍNH CHẤT HÓA HỌC Tương tự tinh bột, xenlulozơ không có tính khử ; khi thủy phân xenlulozơ đến cùng thu được glucozơ. Mỗi mắt xích C 6H10O5 có 3 nhóm –OH tự do, nên xenlulozơ có tính chất của ancol đa chức. 1. Phản ứng của polisaccarit Thí nghiệm : Cho một nhúm bông vào cốc đựng dung dịch H 2SO4 70%, đun nóng đồng thời khuấy đều cho đền khi thu được dung dịch đồng nhất. Trung hòa dung dịch thu được bằng dung dịch NaOH 10%, sau đó đun nóng với dung dịch AgNO3/NH3. Hiện tượng : Bạc kim loại bám vào thành ống nghiệm. Giải thích : Xenlulozơ bị thủy phân trong dung dịch axit nóng tạo ra glucozơ o H2SO4 ,t (C6H10O5)n + nH2O  n C6H12O6 Phản ứng thủy phân cũng xảy ra ở trong động vật nhai lại (trâu, bò, ) nhờ enzim xenlulaza. 2. Phản ứng của ancol đa chức ● Xenlulozơ phản ứng với HNO3 đặc có H2SO4 đặc làm xúc tác. Thí nghiệm : Cho 4 ml axit HNO3 vào cốc thủy tinh, sau đó thêm tiếp 8 ml H2SO4 đặc, lắc đều và làm lạnh hỗn hợp bằng nước. Thêm tiếp vào cốc một nhúm bông. Đặt cốc chứa hỗn hợp phản 10