Bài 4. Giới thiệu về carbohydrate. Glucose và fructose – Tóm tắt Hoá học 12

1. Khái niệm và phân loại carbohydrate

Định nghĩa

Carbohydrate là những hợp chất hữu cơ tạp chức, thường có công thức chung là $\mathrm{C}_n(\mathrm{H_2O})_m$ . Phân tử monosaccharide có nhiều nhóm hydroxyl $\mathrm{-OH}$ và một nhóm aldehyde $\mathrm{-CHO}$ (như glucose) hoặc nhóm ketone $\mathrm{>C=O}$ (như fructose); các carbohydrate phức tạp hơn (saccharose, tinh bột, cellulose) khi thuỷ phân tạo ra monosaccharide.

Nhiều carbohydrate có công thức dạng $\mathrm{C}_x(\mathrm{H_2O})_y$ với tỉ lệ số nguyên tử $\mathrm{H}:\mathrm{O}=2:1$ như trong nước, song không phải carbohydrate nào cũng vậy.

Loại	Dấu hiệu	Ví dụ
Monosaccharide	Không bị thủy phân	Glucose, fructose
Disaccharide	Thủy phân thu 2 phân tử monosaccharide	Saccharose, maltose, lactose
Polysaccharide	Thủy phân thu nhiều phân tử monosaccharide	Tinh bột, cellulose

Trong dung dịch, glucose tồn tại chủ yếu ở hai dạng mạch vòng 6 cạnh ( $\alpha$ -glucose và $\beta$ -glucose), cân bằng với một lượng nhỏ dạng mạch hở; fructose có dạng mạch vòng 5 cạnh. Khi viết phương trình các phản ứng của nhóm $\mathrm{-CHO}$ , ta dùng công thức mạch hở.

2. Glucose: cấu tạo và tính chất

Glucose - những điểm cốt lõi

Glucose (đường nho) có trong nước ép trái cây chín, mật ong, máu của động vật.
Công thức phân tử: $\mathrm{C_6H_{12}O_6}$ ; $M = 180$ .
Công thức mạch hở: $\mathrm{CH_2OH\!-\!(CHOH)_4\!-\!CHO}$ .
Nhóm chức: một nhóm aldehyde $\mathrm{-CHO}$ và 5 nhóm hydroxyl $\mathrm{-OH}$ ; glucose là hợp chất tạp chức, có tính chất của aldehyde và của alcohol đa chức (polyalcohol).
Tính chất vật lí: tinh thể màu trắng, vị ngọt, dễ tan trong nước.

Tính chất hoá học điển hình của glucose.

Glucose có tính chất của alcohol đa chức (do nhiều nhóm $\mathrm{-OH}$ kề nhau) và tính khử của aldehyde (do nhóm $\mathrm{-CHO}$ ).

Tính chất của alcohol đa chức: hoà tan $\mathrm{Cu(OH)_2}$ ở nhiệt độ thường tạo dung dịch màu xanh lam:

$2\mathrm{C_6H_{12}O_6} + \mathrm{Cu(OH)_2} \longrightarrow (\mathrm{C_6H_{11}O_6})_2\mathrm{Cu} + 2\mathrm{H_2O}$
Phản ứng khử bạc (dung dịch Tollens, đun nóng), tạo kính bạc:

$\begin{gather*} \mathrm{CH_2OH\!-\!(CHOH)_4\!-\!CHO} + 2[\mathrm{Ag(NH_3)_2}]\mathrm{OH} \longrightarrow \\ \mathrm{CH_2OH\!-\!(CHOH)_4\!-\!COONH_4} + 2\mathrm{Ag}\downarrow + 3\mathrm{NH_3} + \mathrm{H_2O} \end{gather*}$
Phản ứng với dung dịch Fehling, đun nóng, tạo kết tủa đỏ gạch $\mathrm{Cu_2O}$ :

$\begin{gather*} \mathrm{CH_2OH\!-\!(CHOH)_4\!-\!CHO} + 2\mathrm{Cu(OH)_2} + \mathrm{NaOH} \longrightarrow \\ \mathrm{CH_2OH\!-\!(CHOH)_4\!-\!COONa} + \mathrm{Cu_2O}\downarrow + 3\mathrm{H_2O} \end{gather*}$
Làm mất màu nước bromine (nhóm $\mathrm{-CHO}$ bị oxi hoá thành $\mathrm{-COOH}$ ):

$\begin{gather*} \mathrm{CH_2OH\!-\!(CHOH)_4\!-\!CHO} + \mathrm{Br_2} + \mathrm{H_2O} \longrightarrow \\ \mathrm{CH_2OH\!-\!(CHOH)_4\!-\!COOH} + 2\mathrm{HBr} \end{gather*}$
Lên men rượu ở điều kiện thích hợp nhờ enzyme:

$\mathrm{C_6H_{12}O_6} \xrightarrow{\mathrm{enzyme}} 2\mathrm{C_2H_5OH} + 2\mathrm{CO_2}\uparrow$

3. Fructose: cấu tạo và tính chất

Fructose - những điểm cốt lõi

Fructose (đường hoa quả) có trong mật ong, hoa quả chín.
Công thức phân tử $\mathrm{C_6H_{12}O_6}$ , $M=180$ : fructose là đồng phân cấu tạo của glucose.
Công thức mạch hở: $\mathrm{CH_2OH\!-\!(CHOH)_3\!-\!CO\!-\!CH_2OH}$ .
Nhóm chức: nhóm ketone $\mathrm{C=O}$ nằm trong mạch và 5 nhóm hydroxyl $\mathrm{-OH}$ .
Vị ngọt của fructose lớn hơn glucose, nên fructose được dùng làm chất tạo ngọt trong thực phẩm.
Tính chất hoá học: giống glucose, fructose hoà tan $\mathrm{Cu(OH)_2}$ ở nhiệt độ thường tạo dung dịch xanh lam, tác dụng với dung dịch Tollens tạo kết tủa bạc, với dung dịch Fehling tạo kết tủa đỏ gạch. Khác glucose, fructose không làm mất màu nước bromine.

Vì sao fructose không có nhóm aldehyde mà vẫn là đường khử?

Trong môi trường kiềm của dung dịch Tollens hoặc dung dịch Fehling, fructose chuyển hoá thành glucose (và mannose) rồi bị oxi hoá. Do đó cả fructose lẫn glucose đều làm bạc gương Tollens và đều tạo kết tủa $\mathrm{Cu_2O}$ ; hai chất không phân biệt được bằng hai thí nghiệm đó. Muốn phân biệt, dùng nước bromine: glucose làm mất màu, fructose thì không.

4. Điều chế và ứng dụng

Nguồn carbohydrate và điều chế glucose

Quang hợp ở thực vật dưới tác dụng của ánh sáng và diệp lục:

6\mathrm{CO_2} + 6\mathrm{H_2O} \xrightarrow{\text{ánh sáng, diệp lục}} \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\mathrm{O_2}

Trong công nghiệp, glucose thu được nhờ thủy phân tinh bột (hoặc cellulose) trong môi trường acid loãng, đun nóng:

(\mathrm{C_6H_{10}O_5})_n + n\mathrm{H_2O} \xrightarrow{\mathrm{H_2SO_4}\ \text{loãng},\, t^\circ} n\mathrm{C_6H_{12}O_6}

Glucose là nguồn cung cấp năng lượng quan trọng; dung dịch glucose $5\%$ dùng để tiêm truyền trong y tế.
Glucose dùng làm thực phẩm, nguyên liệu sản xuất ethanol bằng con đường lên men.
Fructose dùng làm chất tạo ngọt trong công nghiệp thực phẩm.

5. Phương pháp giải bài tập

Các bước thường dùng

1.
Xác định công thức phân tử; viết công thức mạch hở bằng cách kết hợp công thức với dữ kiện: số nhóm $\mathrm{-CHO}$ hoặc nhóm ketone, số nhóm $\mathrm{-OH}$ .
2.
Nhận biết carbohydrate khử: dùng dung dịch Tollens (kính bạc) hoặc dung dịch Fehling (kết tủa đỏ gạch $\mathrm{Cu_2O}$ ). Cả glucose và fructose đều cho hiện tượng trên.
3.
Chứng minh có nhiều nhóm $\mathrm{-OH}$ kề nhau: hoà tan $\mathrm{Cu(OH)_2}$ ở nhiệt độ thường tạo dung dịch xanh lam. Phân biệt glucose với fructose: dùng nước bromine.
4.
Tính toán theo phương trình hoá học đã viết, chú ý tỉ lệ: 1 mol glucose tạo ra 2 mol $\mathrm{Ag}$ hoặc 1 mol $\mathrm{Cu_2O}$ ; 1 mol glucose lên men tạo 2 mol $\mathrm{C_2H_5OH}$ và 2 mol $\mathrm{CO_2}$ .
5.
Khi viết phương trình phải ghi đủ điều kiện (nhiệt độ, xúc tác, môi trường); kết tủa, khí thoát ra phải ghi mũi tên.

6. Ví dụ minh hoạ

Ví dụ 1

Cho chất hữu cơ $\mathrm{X}$ có công thức phân tử $\mathrm{C_6H_{12}O_6}$ . Biết $\mathrm{X}$ là monosaccharide, trong mạch carbon của $\mathrm{X}$ có một nhóm ketone, không có nhóm aldehyde. Viết công thức mạch hở của $\mathrm{X}$ .

Lời giải · 2 bước

Monosaccharide không bị thủy phân. Với 6 nguyên tử carbon, một nhóm ketone nằm trong mạch và 5 nhóm hydroxyl, công thức mạch hở của $\mathrm{X}$ phải là:

\mathrm{CH_2OH\!-\!(CHOH)_3\!-\!CO\!-\!CH_2OH}

Bước 2

Đó là cấu tạo của fructose.

Ví dụ 2

Cho 18 gam glucose tác dụng với dung dịch Tollens dư, đun nóng. Tính khối lượng bạc thu được, biết $A_{\mathrm{r}}(\mathrm{Ag})=108$ .

Lời giải

Số mol glucose: $n=\dfrac{18}{180}=0{,}1$ mol. Theo phương trình đã cho, 1 mol glucose tạo 2 mol $\mathrm{Ag}$ , nên $n_{\mathrm{Ag}}=0{,}2$ mol. Khối lượng bạc: $m_{\mathrm{Ag}}=0{,}2\times 108=21{,}6$ gam.

Ví dụ 3

Lên men rượu một lượng glucose (hiệu suất $100\%$ ), thu được $7{,}437$ lít khí $\mathrm{CO_2}$ ở điều kiện chuẩn ( $25\,^\circ\mathrm{C}$ , $1$ bar). Tính khối lượng glucose đã lên men.

Lời giải

$n_{\mathrm{CO_2}}=\dfrac{7{,}437}{24{,}79}=0{,}3$ mol. Theo phương trình $\mathrm{C_6H_{12}O_6}\rightarrow 2\mathrm{C_2H_5OH}+2\mathrm{CO_2}$ , tỉ lệ $1$ mol glucose cho $2$ mol $\mathrm{CO_2}$ , suy ra $n_{\mathrm{glucose}}=0{,}15$ mol. Vậy $m=0{,}15\times 180=27$ gam.

Câu hỏi 1

Câu hỏi củng cố: có thể dùng dung dịch Tollens để phân biệt glucose và fructose không? Vì sao?

Gợi ý trả lời

Không thể. Vì trong môi trường kiềm fructose chuyển hoá thành glucose nên cả hai đều tạo kết tủa bạc. Để phân biệt, dùng nước bromine: glucose làm mất màu nước bromine, fructose thì không.

7. Lưu ý hay nhầm lẫn

Lưu ý

Không nhận biết carbohydrate chỉ qua công thức: acid acetic $\mathrm{CH_3COOH}=\mathrm{C_2(H_2O)_2}$ cũng có $\mathrm{H}:\mathrm{O}=2:1$ nhưng không phải carbohydrate; ngược lại có carbohydrate không đúng dạng $\mathrm{C}_x(\mathrm{H_2O})_y$ .
Glucose chỉ có một nhóm aldehyde (không phải aldehyde đa chức) nhưng có 5 nhóm $\mathrm{-OH}$ ; nó vừa có tính chất của aldehyde, vừa có tính chất của alcohol đa chức.
Fructose có nhóm ketone mà vẫn khử được Tollens; đừng vội kết luận chất có nhóm ketone thì không khử.
Phản ứng với $\mathrm{Cu(OH)_2}$ ở nhiệt độ thường (dung dịch xanh lam) là của nhóm $\mathrm{-OH}$ ; còn khi đun nóng trong môi trường kiềm tạo kết tủa đỏ gạch $\mathrm{Cu_2O}$ là của nhóm $\mathrm{-CHO}$ .
Khi tính toán phải lấy đúng tỉ lệ của từng phương trình (1:2 với $\mathrm{Ag}$ , 1:1 với $\mathrm{Cu_2O}$ , 1:1 với $\mathrm{Br_2}$ , 1:2 với ethanol).

Nhớ nhanh