Bài 7. Ôn tập chương 2 – Tóm tắt Hoá học 12

1. Khái niệm, phân loại và cấu tạo

Định nghĩa

Carbohydrate là những hợp chất hữu cơ tạp chức, phân tử có nhiều nhóm hydroxy và nhóm aldehyde hoặc ketone, hoặc khi thuỷ phân tạo nên các hợp chất đó. Carbohydrate thường có công thức chung $\mathrm{C}_n(\mathrm{H_2O})_m$ .

Phân loại carbohydrate

Loại	Thuỷ phân	Ví dụ	Công thức
Monosaccharide (đường đơn)	Không thuỷ phân được thành đơn vị nhỏ hơn	glucose, fructose	$\mathrm{C_6H_{12}O_6}$
Disaccharide (đường đôi)	Thuỷ phân tạo $2$ phân tử monosaccharide	saccharose, maltose, lactose	$\mathrm{C_{12}H_{22}O_{11}}$
Polysaccharide (đa đường)	Thuỷ phân tạo rất nhiều monosaccharide	tinh bột, cellulose, glycogen	$\mathrm{(C_6H_{10}O_5)_n}$

Glucose, fructose và maltose có tính khử (tráng bạc, tạo $\mathrm{Cu_2O}$ ); saccharose, tinh bột, cellulose không có tính khử. Đây là cơ sở dùng thuốc thử Tollens hoặc $\mathrm{Cu(OH)_2}$ / $\mathrm{NaOH}$ đun nóng để phân biệt.

1.1 Cấu tạo các carbohydrate tiêu biểu

Cấu tạo

Glucose $\mathrm{C_6H_{12}O_6}$ : mạch hở $\mathrm{CH_2OH-(CHOH)_4-CHO}$ ; trong dung dịch tồn tại chủ yếu ở dạng vòng 6 cạnh $\alpha$ và $\beta$ .
Fructose $\mathrm{C_6H_{12}O_6}$ : mạch hở $\mathrm{CH_2OH-CO-(CHOH)_3-CH_2OH}$ ; dạng vòng 5 cạnh.
Saccharose: $\alpha$ -glucose + $\beta$ -fructose, không mở vòng được. Maltose: hai $\alpha$ -glucose (liên kết $\alpha$ -1,4), mở vòng được.
Tinh bột: amylose (liên kết $\alpha$ -1,4, không nhánh) và amylopectin (thêm liên kết $\alpha$ -1,6, phân nhánh). Cellulose: các $\beta$ -glucose nối bằng liên kết $\beta$ -1,4, mạch không nhánh, $\mathrm{[C_6H_7O_2(OH)_3]_n}$ .

Glucose và fructose là đồng phân cấu tạo của nhau; saccharose và maltose cũng là đồng phân của nhau.

2. Tính chất hoá học

Tính chất của monosaccharide

Tính khử với thuốc thử Tollens ( $\mathrm{[Ag(NH_3)_2]OH}$ ), đun nóng, tạo kết tủa bạc:

$\begin{gather*} \mathrm{CH_2OH-(CHOH)_4-CHO} + 2[\mathrm{Ag(NH_3)_2}]\mathrm{OH} \longrightarrow \\ \mathrm{CH_2OH-(CHOH)_4-COONH_4} + 2\mathrm{Ag}\downarrow + 3\mathrm{NH_3} + \mathrm{H_2O} \end{gather*}$
Tính khử với $\mathrm{Cu(OH)_2}$ trong $\mathrm{NaOH}$ , đun nóng, tạo kết tủa đỏ gạch $\mathrm{Cu_2O}$ :

$\begin{gather*} \mathrm{CH_2OH-(CHOH)_4-CHO} + 2\mathrm{Cu(OH)_2} + \mathrm{NaOH} \longrightarrow \\ \mathrm{CH_2OH-(CHOH)_4-COONa} + \mathrm{Cu_2O}\downarrow + 3\mathrm{H_2O} \end{gather*}$
Glucose làm mất màu nước bromine (fructose thì không):

$\begin{gather*} \mathrm{CH_2OH-(CHOH)_4-CHO} + \mathrm{Br_2} + \mathrm{H_2O} \longrightarrow \\ \mathrm{CH_2OH-(CHOH)_4-COOH} + 2\mathrm{HBr} \end{gather*}$
Tính chất alcohol đa chức: glucose, fructose hoà tan $\mathrm{Cu(OH)_2}$ ở nhiệt độ thường tạo dung dịch màu xanh lam:

$2\mathrm{C_6H_{12}O_6} + \mathrm{Cu(OH)_2} \longrightarrow (\mathrm{C_6H_{11}O_6})_2\mathrm{Cu} + 2\mathrm{H_2O}$
Lên men rượu và lên men lactic:

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

$\mathrm{C_6H_{12}O_6} \xrightarrow{\text{enzyme}} 2\mathrm{CH_3-CH(OH)-COOH}$

Fructose cũng có tính khử

Fructose có nhóm ketone nhưng trong môi trường kiềm chuyển hoá được thành glucose:

\mathrm{CH_2OH-CO-(CHOH)_3-CH_2OH} \overset{\mathrm{OH^-}}{\rightleftharpoons} \mathrm{CH_2OH-(CHOH)_4-CHO}

Do đó fructose cũng tạo kết tủa bạc với thuốc thử Tollens và khử $\mathrm{Cu(OH)_2}$ / $\mathrm{NaOH}$ thành $\mathrm{Cu_2O}$ đỏ gạch khi đun nóng. Nước bromine (môi trường acid) không có sự chuyển hoá này nên fructose không làm mất màu nước bromine.

Tính chất của disaccharide và polysaccharide

Saccharose, maltose đều hoà tan $\mathrm{Cu(OH)_2}$ tạo dung dịch xanh lam. Maltose có tính khử; saccharose không có tính khử vì không mở vòng tạo nhóm $\mathrm{-CHO}$ được. Khi thuỷ phân saccharose, sản phẩm (glucose + fructose) có tính khử:

$\mathrm{C_{12}H_{22}O_{11}} + \mathrm{H_2O} \xrightarrow{\mathrm{H^+,\ t^\circ}} \mathrm{C_6H_{12}O_6} + \mathrm{C_6H_{12}O_6}$
Tinh bột không có tính khử; cho màu xanh tím với iodine. Thuỷ phân hoàn toàn:

$\mathrm{(C_6H_{10}O_5)_n} + n\mathrm{H_2O} \xrightarrow{\mathrm{H^+,\ t^\circ}} n\mathrm{C_6H_{12}O_6}$
Cellulose có cùng công thức $\mathrm{(C_6H_{10}O_5)_n}$ nhưng khác cấu trúc, thuỷ phân khó hơn (cần acid loãng ở điều kiện mạnh hơn hoặc enzyme):

$\mathrm{(C_6H_{10}O_5)_n} + n\mathrm{H_2O} \xrightarrow{\mathrm{H^+,\ t^\circ}} n\mathrm{C_6H_{12}O_6}$
Cellulose phản ứng với nitric acid (xúc tác $\mathrm{H_2SO_4}$ đặc) tạo cellulose trinitrate:

$\begin{gather*} \mathrm{[C_6H_7O_2(OH)_3]_n} + 3n\mathrm{HNO_3} \xrightarrow{\mathrm{H_2SO_4}\ \text{đặc}} \\ \mathrm{[C_6H_7O_2(ONO_2)_3]_n} + 3n\mathrm{H_2O} \end{gather*}$

Cellulose tan trong nước Schweizer.

3. Điều chế và ứng dụng

Glucose: tạo bằng quang hợp ở thực vật hoặc thuỷ phân tinh bột, cellulose; dùng làm thực phẩm, dịch truyền, nguyên liệu sản xuất ethanol.
Fructose: có nhiều trong hoa quả, mật ong; làm chất tạo ngọt.
Saccharose: từ mía, củ cải đường, thốt nốt; làm chất tạo ngọt, pha chế thuốc. Maltose: từ thuỷ phân tinh bột nhờ enzyme; làm kẹo mạch nha.
Tinh bột: từ gạo, ngô, khoai, sắn; lương thực, sản xuất glucose, ethanol.
Cellulose: từ bông, gỗ, đay; làm giấy, vải, tơ nhân tạo (tơ visco, tơ cellulose acetate), thuốc súng không khói (cellulose trinitrate).

4. Phương pháp giải bài tập

Nhận biết và phân biệt một số carbohydrate

1.
Dùng iodine: tinh bột cho màu xanh tím.
2.
Dùng thuốc thử Tollens hoặc $\mathrm{Cu(OH)_2}$ / $\mathrm{NaOH}$ , đun nóng: tạo kết tủa bạc hoặc kết tủa đỏ gạch là glucose, fructose, maltose; không phản ứng là saccharose, tinh bột, cellulose.
3.
Glucose và fructose đều tạo kết tủa bạc; phân biệt bằng nước bromine: glucose làm mất màu, fructose thì không.

Bài toán tính lượng trong thuỷ phân

Thuỷ phân saccharose: $1$ mol saccharose cho $1$ mol glucose + $1$ mol fructose.
Thuỷ phân tinh bột/cellulose: mỗi đơn vị $\mathrm{C_6H_{10}O_5}$ (khối lượng $162$ ) cho $1$ mol glucose (khối lượng $180$ ).
Khối lượng tăng thêm tương ứng với nước hấp thụ: $18$ cho mỗi đơn vị $162$ .

5. Ví dụ minh hoạ

Ví dụ 1

Có bốn mẫu chất rắn, mỗi mẫu là một chất riêng: glucose, fructose, saccharose, tinh bột. Hãy nhận biết từng chất.

Lời giải

1.
Nhỏ vài giọt dung dịch iodine vào từng mẫu hoà tan trong nước. Mẫu chuyển màu xanh tím là tinh bột.
2.
Với ba mẫu còn lại, thêm dung dịch Tollens rồi đun nóng nhẹ. Mẫu tạo kết tủa bạc: glucose, fructose. Mẫu không phản ứng: saccharose.
3.
Với hai mẫu glucose, fructose: nhỏ nước bromine vào. Mẫu làm mất màu nước bromine là glucose, mẫu còn lại là fructose.

Ví dụ 2

Cho $36$ gam glucose phản ứng hoàn toàn với lượng dư Tollens. Tính khối lượng bạc tạo thành.

Lời giải · 3 bước

n(\mathrm{glucose})=\frac{36}{180}=0{,}2 \text{ mol}.

Bước 2

Theo phương trình:

\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*}

Bước 3

Tỉ lệ $\mathrm{glucose}:\mathrm{Ag}=1:2$ , suy ra:

n(\mathrm{Ag})=2\times 0{,}2=0{,}4 \text{ mol}.

m(\mathrm{Ag})=0{,}4\times 108=43{,}2 \text{ gam}.

Ví dụ 3

Thuỷ phân hoàn toàn $32{,}4$ gam tinh bột. Tính khối lượng glucose thu được.

Lời giải · 3 bước

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

Bước 2

Số đơn vị $\mathrm{C_6H_{10}O_5}$ :

n_{\mathrm{đv}}=\frac{32{,}4}{162}=0{,}2.

Bước 3

Vậy $n(\mathrm{glucose})=0{,}2$ mol.

m(\mathrm{glucose})=0{,}2\times 180=36 \text{ gam}.

Ví dụ 4

Lên men $360$ gam glucose với hiệu suất $80\%$ . Tính khối lượng ethanol thu được.

Lời giải · 2 bước

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

Bước 2

$n(\mathrm{glucose})=\dfrac{360}{180}=2$ mol, theo lí thuyết $n(\mathrm{C_2H_5OH})=4$ mol. Do hiệu suất $80\%$ : $n(\mathrm{C_2H_5OH})=4\times 0{,}8=3{,}2$ mol.

m(\mathrm{C_2H_5OH})=3{,}2\times 46=147{,}2 \text{ gam}.

6. Lưu ý và ghi nhớ nhanh

Những chỗ dễ nhầm

Saccharose không có phản ứng tráng bạc, nhưng sau thuỷ phân sản phẩm glucose và fructose có tính khử.
Fructose có nhóm ketone nhưng vẫn có tính khử trong môi trường kiềm; fructose không làm mất màu nước bromine.
Tinh bột và cellulose cùng công thức $\mathrm{(C_6H_{10}O_5)_n}$ nhưng khác cấu trúc và mức độ thuỷ phân khác nhau.
Bài có hiệu suất: lượng sản phẩm thực tế = lượng lí thuyết $\times H$ ; lượng chất đầu cần dùng = lượng lí thuyết $: H$ .

Công thức nhớ nhanh: monosaccharide $\mathrm{C_6H_{12}O_6}$ ; disaccharide $\mathrm{C_{12}H_{22}O_{11}}$ ; polysaccharide $\mathrm{(C_6H_{10}O_5)_n}$ .
Phản ứng đặc trưng của glucose: hoà tan $\mathrm{Cu(OH)_2}$ (xanh lam), tráng bạc, tạo $\mathrm{Cu_2O}$ đỏ gạch, làm mất màu nước bromine, lên men.
Saccharose thuỷ phân cho glucose và fructose; tinh bột cho glucose và màu xanh tím với iodine.