CACBOHIDRAT LÀ GÌ? CẤU TẠO, TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG CỦA CACBOHIDRAT

I. KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI

1. Cacbohidrat là gì?

 - Cacbohidrat (còn gọi là gluxit hoặc saccarit) là những hợp chất hữu cơ tạp chức, với công thức chung là C_n(H₂O)_m 

2. Phân loại Cacbohidrat

Gluxit được chia thành 3 loại thường gặp là:

- Monosaccarit: glucozơ, fructozơ có CTPT là C₆H₁₂O₆

- Đisaccarit: saccarozơ và mantozơ có CTPT là C₁₂H₂₂O₁₁

- Polisaccarit: xenlulozơ và tinh bột có CTPT là (C₆H₁₀O₅)_n

II. TÍNH CHẤT VẬT LÍ VÀ TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN

1. Glucozơ

 - Glucozơ là chất kết tinh, không màu, nóng chảy ở 146^oC (dạng α) và 150^oC (dạng β), dễ tan trong nước

 - Có vị ngọt, có trong hầu hết các bộ phận của cây (lá, hoa, rễ…) đặc biệt là quả chín (còn gọi là đường nho)

 - Trong máu người có một lượng nhỏ glucozơ, hầu như không đổi (khoảng 0,1 %).

2. Fructozơ

 - Là chất rắn kết tính, dễ tan trong nước.

 - Vị ngọt hơn đường mía.

 - Có nhiều trong hoa quả và đặc biệt trong mật ong (40%), một số loại quả chín như dứa, xoài,...

3. Saccarozơ

 - Saccarozơ là chất kết tinh, không màu, dễ tan trong nước, ngọt hơn glucozơ 

 - Nhiệt độ nóng chảy: 185 độ C

 - Có nhiều trong cây mía (nên saccarozơ còn được gọi là đường mía), củ cải đường, thốt nốt…

 - Có nhiều dạng sản phẩm: đường phèn, đường kính, đường cát…

4. Tinh bột

 - Tinh bột là chất rắn vô định hình, màu trắng, không tan trong nước nguội

 - Trong nước nóng từ 65^oC trở lên, tinh bột chuyển thành dung dịch keo (hồ tinh bột)

 - Tinh bột có nhiều trong các loại ngũ cốc, củ (khoai, sắn), quả (táo, chuối)…

5. Xenlulozơ

 - Xenlulozơ là chất rắn hình sợi, màu trắng, không mùi, không vị, không tan trong nước và trong dung môi hữu cơ thông thường như benzen, ete

- Xenlulozơ là thành phần chính tạo ra lớp màng tế bào thực vật, bộ khung của cây cối

- Xenlulozơ có nhiều trong trong cây bông (95 – 98 %), đay, gai, tre, nứa (50 – 80 %), gỗ (40 – 50 %)

III. CẤU TRÚC PHÂN TỬ

1. Glucozơ

Glucozơ có công thức phân tử là C₆H₁₂O₆, tồn tại ở dạng mạch hở và dạng mạch vòng

a. Dạng mạch hở

 - Viết gọn là: CH₂OH[CHOH]₄CHO

b. Dạng mạch vòng

 - Nhóm – OH ở C5 cộng vào nhóm C = O tạo ra hai dạng vòng 6 cạnh α và β

 - Nếu nhóm – OH đính với C1 nằm dưới mặt phẳng của vòng 6 cạnh là α -, ngược lại nằm trên mặt phẳng của vòng 6 cạnh là β –

 - Nhóm – OH ở vị trí C số 1 được gọi là OH – hemiaxetal

2. Fructozơ

- Công thức phân tử C₆H₁₂O₆.

 - Công thức cấu tạo CH₂OH - CHOH - CHOH - CHOH - CO - CH₂OH.

 - Trong dung dịch, frutozơ tồn tại chủ yếu ở dạng β, vòng 5 hoặc 6 cạnh.

3. Saccarozơ

 Xác định cấu trúc phân tử saccarozơ căn cứ vào các dữ kiện thí nghiệm sau:

 

                                                 gốc ${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle }$${\displaystyle }$-glucozơ                       gốc ${\displaystyle \beta }$${\displaystyle }$${\displaystyle }$-fructozơ  

4. Mantozơ

 

5. Tinh bột

Tinh bột là hỗn hợp của hai loại polisaccarit : amilozơ và amilopectin, trong đó amilozơ chiếm 20 – 30 % khối lượng tinh bột

a. Phân tử amilozơ

 - Các gốc α – glucozơ liên kết với nhau bằng liên kết α – 1,4 – glicozit tạo thành mạch không phân nhánh

 - Phân tử amilozơ không duỗi thẳng mà xoắn lại thành hình lò xo. Mỗi vòng xoắn gồm 6 gốc glucozơ

b. Phân tử amilopectin

 - Các gốc α – glucozơ liên kết với nhau bằng 2 loại liên kết:

  + Liên kết α – 1,4 – glicozit để tạo thành một chuỗi dài (20 – 30 mắt xích α – glucozơ)

  + Liên kết α – 1,6 – glicozit để tạo nhánh

6. Xenlulozơ

 - Công thức phân tử: (C₆H₁₀O₅)_n

 - Xenlulozơ là một polime hợp thành từ các mắt xích β – glucozơ bởi các liên kết β – 1,4 – glicozit

IV. TÍNH CHẤT HÓA HỌC

1. Glucozơ

Glucozơ có các tính chất của anđehit (do có nhóm chức anđehit – CHO) và ancol đa chức (do có 5 nhóm OH ở vị trí liền kề)

a. Tính chất của ancol đa chức (poliancol hay poliol)

* Tác dụng với Cu(OH)₂ ở nhiệt độ thường

Dung dịch glucozơ hòa tan Cu(OH)₂ cho dung dịch phức đồng – glucozơ có màu xanh lam

2C₆H₁₂O₆ + Cu(OH)₂ → (C₆H₁₁O₆)₂Cu + 2H₂O

* Phản ứng tạo este

C₆H₇O(OH)₅ + 5(CH₃CO)₂O  → C₆H₇O(OOCCH₃)₅ + 5CH₃COOH

b. Tính chất của anđehit

* Oxi hóa glucozơ

 - Với dung dịch AgNO₃ trong NH₃, đun nóng (thuốc thử Tollens) cho phản ứng tráng bạc

CH₂OH[CHOH]₄CHO + 2Ag(NH₃)₂OH →  CH₂OH[CHOH]₄COONH₄+ 2Ag + 3NH₃ + H₂O

 - Với Cu(OH)₂ trong NaOH, đun nóng (thuốc thử Felinh) tạo thành Cu(I) dạng Cu₂O có kết tủa màu đỏ gạch. 

* Lưu ý: Glucozo tác dụng với Cu(OH)₂ trong NaOH có 2 hiện tượng, ở điều kiện thường tạo ra dung dịch phức màu xanh lam (thể hiện tính chất của ancol đa chức) nhưng khi đun nóng sẽ có kết tủa màu đỏ gạch (thể hiện tính chất của andehit).

 - Với dung dịch nước brom: Glucozo làm mất màu nước brom

* Khử glucozơ

 - Khi dẫn khí hiđro vào dung dịch glucozơ đun nóng (xúc tác Ni), thu được một poliancol có tên là sobitol:

CH₂OH[CHOH]₄CHO + H₂ → CH₂OH[CHOH]₄CH₂OH 

c. Phản ứng lên men

 - Khi có enzim xúc tác ở nhiệt độ khoảng 30 - 35⁰C, glucozơ bị lên men cho ancol etylic và khí cacbonic: 

C₆H₁₂O₆ →  2C₂H₅OH + 2CO₂

2. Fructozơ

 - Trong môi trường kiềm fructozơ chuyển hóa thành glucozơ nên fructozơ có phản ứng tráng gương, phản ứng với Cu(OH)₂ trong môi trường kiềm.

 - Vì vậy, fructozơ cũng tham gia phản ứng

  + Tác dụng với H₂ tạo sobitol.

  + Tráng gương với AgNO₃/NH₃

  + Tạo dung dịch phức màu xanh lam và đun nóng lên sẽ có kết tủa màu đỏ gạch với Cu(OH)₂/OH^-.

Nhưng fructozơ không có phản ứng làm mất màu dung dịch Brom.

* Lưu ý: Không phân biệt glucozơ và fructozơ bằng phản ứng tráng bạc hay phản ứng với Cu(OH)₂ trong môi trường kiềm khi đun nóng. Để phân biệt glucozo với fructozo dùng dung dịch nước brom.

3. Saccarozơ

a. Tính chất của poliol 

 - Tác dụng với Cu(OH)₂ cho phức đồng-saccarozơ màu xanh.

b. Phản ứng thủy phân

 - Khi đun nóng dd có axit làm xúc tác, saccarozơ bị thuỷ phân tạo ra glucozơ và fructozơ                 

C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O  →  C₆H₁₂O₆ + C₆H₁₂O₆       

                                   Glucozơ       Fructozơ

 - Phản ứng này còn xảy ra nhờ tác dụng của enzym

4. Mantozơ

5. Tinh bột

a. Phản ứng của polisaccarit (thủy phân)

* Thủy phân nhờ xúc tác axit vô cơ: dung dịch thu được sau phản ứng có khả năng tráng bạc

(C₆H₁₀O₅)_n + nH₂O → nC₆H₁₂O₆

* Thủy phân nhờ enzim

 - Quá trình làm bánh mì là quá trình đextrin hóa bằng men và bằng nhiệt. Cơm cháy là hiện tượng đextrin hóa bằng nhiệt

 - Ăn bánh mì, cơm cháy dễ tiêu và có vị hơi ngọt vì phân tử tinh bột đã được phân cắt nhỏ thành các đisaccarit và monosaccarit

b. Phản ứng màu với dung dịch iot (đặc trưng)

  - Hồ tinh bột + dung dịch I₂  hợp chất màu xanh tím

  - Đun nóng thì thấy mất màu, để nguội thì màu xanh tím lại xuất hiện

* Giải thích: Mạch phân tử của amilozơ không phân nhánh và xoắn thành dạng hình trụ. Các phân tử iot đã len vào, nằm phía trong ống trụ và tạo thành hợp chất bọc có màu xanh tím. Liên kết giữa iot và amilozơ trong hợp chất bọc là liên kết yếu. Ngoài ra, amilopectin còn có khả năng hấp thụ iot trên bề mặt các mạch nhánh. Hợp chất bọc không bền ở nhiệt độ cao, khi đun nóng màu xanh tím bị mất và khi để nguội màu xanh tím xuất hiện trở lại.

6. Xenlulozơ

a. Phản ứng của polisaccarit (thủy phân)

 - Xảy ra khi đun nóng xenlulozơ với dung dịch axit vô cơ

   (C₆H₁₀O₅)_n + nH₂O → nC₆H₁₂O₆

 - Phản ứng cũng xảy ra nhờ enzim xenlulaza (trong dạ dày trâu, bò…). Cơ thể con người không đồng hóa được xenlulozơ

b. Phản ứng của ancol đa chức

* Với HNO₃/H₂SO₄ đặc (phản ứng este hóa)

[C₆H₇O₂(OH)₃]_n + nHNO₃ (đặc) → [C₆H₇O₂(OH)₂ONO₂]n + nH₂O 

                                                        Xenlulozơ mononitrat

[C₆H₇O₂(OH)₃]_n + 2nHNO₃ (đặc) → [C₆H₇O₂(OH)(ONO₂)₂]n + 2nH₂O 

                                                         Xenlulozơ đinitrat

[C₆H₇O₂(OH)₃]_n + 3nHNO₃ (đặc) → [C₆H₇O₂(ONO₂)₃]_n + 3nH₂O

                                                         Xenlulozơ trinitrat

 - Hỗn hợp xenlulozơ mononitrat, xenlulozơ đinitrat được gọi là coloxilin. Coloxilin dùng để chế tạo chất dẻo xenluloit dùng để làm bóng bàn, đồ chơi…

 - Hỗn hợp chứa chủ yếu xenlulozơ trinitrat được gọi là piroxilin (làm chất nổ), dùng để chế tạo thuốc súng không khói. Phản ứng nổ xảy ra như sau:

  2[C₆H₇O₂(ONO₂)₃]_n → 6nCO₂ + 6nCO + 4nH₂O + 3nN₂ + 3nH₂

* Lưu ý: Xenlulozơ không phản ứng với Cu(OH)₂, nhưng tan được trong dung dịch [Cu(NH₃)₄](OH)₂ (nước Svayde) tạo chất lỏng nhớt dùng để tạo tơ đồng - amoniac.

V. ĐIỀU CHẾ

1. Glucozơ

- Thủy phân tinh bột với xúc tác là HCl loãng hoặc enzim

- Thủy phân xenlulozơ với xúc tác HCl đặc

(C₆H₁₀O₅)_n + nH₂O  → nC₆H₁₂O₆

2. Saccarozơ

 - Sản xuất đường saccarozơ từ cây mía qua một số công đoạn chính thể hiện ở sơ đồ dưới đây:

3. Tinh bột

 - Trong tự nhiên, tinh bột được tổng hợp chủ yếu nhờ quá trình quang hợp của cây xanh.

4. Xenlulozơ

 - Trong tự nhiên, tinh bột được tổng hợp chủ yếu nhờ quá trình quang hợp của cây xanh.

VI. ỨNG DỤNG

1. Glucozơ

 - Trong y học: dùng làm thuốc tăng lực cho người bệnh (dễ hấp thu và cung cấp nhiều năng lượng)

 - Trong công nghiệp: dùng để tráng gương, tráng ruốt phích (thay cho anđehit vì anđehit độc) 

2. Saccarozơ

 - Dùng làm thức ăn cho người

 - Là nguyên liệu cho công nghiệp thực phẩm

 - Là nguyên liệu để pha chế thuốc

 - Dùng trong sản xuất bánh kẹo, nước giải khát

 - Dùng tráng gương, tráng ruột phích.

3. Tinh bột

 - Chủ yếu được dùng làm lương thực cho người và gia súc.

4. Xenlulozơ

 - Xenlulozơ có nhiều ứng dụng quan trọng trong sản xuất và đời sống như sản xuất giấy, tơ, sợi, ancol etylic… 

Trung tâm luyện thi, gia sư - dạy kèm tại nhà NTIC Đà Nẵng