Химические свойства глюкозы: качественные реакции

Глюкоза удобна тем, что в одной молекуле собраны сразу два типа функциональных групп: одна альдегидная и пять гидроксильных. Поэтому она ведёт себя одновременно и как многоатомный спирт, и как альдегид, а её химические свойства складываются из реакций обоих классов. На этом и держатся качественные реакции глюкозы: их используют, чтобы доказать наличие альдегидной группы и отличить глюкозу от сахарозы или крахмала. Ниже собран этот набор реакций с уравнениями. Чтобы собрать запрос под свою задачу и получить разбор с уравнениями, заполните форму.

Строение глюкозы и две группы свойств

Молекулярная формула глюкозы $C_6H_{12}O_6$. В растворе она существует в виде равновесия между открытой (альдегидной) и циклической формами, но химические свойства удобно объяснять через открытую форму. В ней цепочка из шести атомов углерода: на первом углероде расположена альдегидная группа $-CHO$, а на остальных пяти атомах сидят гидроксильные группы $-OH$.

Рассчитать для своей задачи

Из этого строения и вытекают две группы свойств. Реакции по альдегидной группе дают окисление и присоединение и именно они служат качественными пробами. Реакции по гидроксильным группам роднят глюкозу с многоатомными спиртами вроде глицерина. Полная структурная формула: $CH_2OH-(CHOH)_4-CHO$.

Серебряное зеркало: проба Толленса

Самая наглядная качественная реакция на альдегидную группу глюкозы. При нагревании глюкозы с аммиачным раствором оксида серебра (реактивом Толленса) альдегидная группа окисляется до карбоксильной, а серебро восстанавливается из степени окисления $+1$ до металлического и осаждается тонким блестящим слоем на стенках пробирки.

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

В упрощённой школьной записи реакцию часто пишут как окисление до глюконовой кислоты с выделением серебра. Главный признак, который и дал название реакции, металлический налёт-зеркало на чистом стекле. Подробнее механизм этой пробы и расчёт массы серебра разобраны в отдельной статье про реакцию серебряного зеркала на альдегиды.

Рассчитать для своей задачи

Реакция с гидроксидом меди(II): два эффекта

Эта реакция дважды показательна, потому что задействует обе функциональные группы глюкозы, но в разных условиях.

Без нагревания свежеосаждённый гидроксид меди(II) $Cu(OH)_2$ растворяется в растворе глюкозы с образованием ярко-синего раствора. Это качественная реакция на многоатомные спирты: соседние гидроксильные группы образуют с медью растворимое комплексное соединение (сахарат меди) ярко-синего цвета. Так же реагирует и глицерин.

При нагревании картина меняется: вступает в работу альдегидная группа. Голубой осадок $Cu(OH)_2$ окисляет альдегид и сам восстанавливается, выпадая в виде красного осадка оксида меди(I):

CH2OH-(CHOH)4-CHO + 2Cu(OH)2 -t->
            CH2OH-(CHOH)4-COOH + Cu2O↓ + 2H2O

Красный осадок $Cu_2O$ это окончательный признак. Промежуточно при нагревании можно увидеть жёлтый осадок $CuOH$, переходящий в красный. Эта же логика подробно описана в статье про реакцию альдегидов с гидроксидом меди.

Реакции по гидроксильным группам

Пять гидроксильных групп делают глюкозу многоатомным спиртом, и она вступает в характерные для спиртов реакции. С карбоновыми кислотами и их ангидридами глюкоза образует сложные эфиры. Например, с уксусным ангидридом все пять гидроксилов могут этерифицироваться, давая пентаацетат глюкозы. Эта способность подтверждает наличие именно пяти $-OH$-групп и используется как доказательство строения.

Циклическая форма глюкозы содержит особый полуацетальный гидроксил у первого атома углерода. По нему идёт образование гликозидов, в том числе при сборке дисахаридов и полисахаридов. Так из остатков глюкозы построены крахмал и целлюлоза.

Восстановление и брожение

Альдегидную группу можно не только окислять, но и восстанавливать. При действии водорода в присутствии катализатора (никель) глюкоза превращается в шестиатомный спирт сорбит:

CH2OH-(CHOH)4-CHO + H2 -Ni-> CH2OH-(CHOH)4-CH2OH

Отдельно стоят реакции брожения под действием ферментов. При спиртовом брожении глюкоза распадается на этанол и углекислый газ:

C6H12O6 -ферменты-> 2C2H5OH + 2CO2↑

Существуют также молочнокислое и маслянокислое брожение, дающие соответственно молочную и масляную кислоты. Брожение это не качественная реакция, но важное химическое свойство глюкозы. Многие задачи на химические свойства глюкозы объединяют брожение с гидролизом дисахаридов, который разобран в материале про гидролиз сахарозы и мальтозы.

Как отличить глюкозу от других веществ

Качественные реакции нужны именно для распознавания. Глюкоза даёт серебряное зеркало и красный осадок с гидроксидом меди при нагревании, потому что у неё есть свободная альдегидная группа. Сахароза этих реакций не даёт: в ней полуацетальные гидроксилы связаны и свободной альдегидной группы нет, поэтому сахарозу относят к невосстанавливающим сахарам. Фруктоза формально кетоза, но в щелочной среде изомеризуется и тоже может давать положительную пробу с реактивом Толленса.

Чтобы отличить глюкозу от глицерина, используют нагревание с гидроксидом меди: оба дают синий раствор на холоде, но красный осадок при нагреве даст только глюкоза, потому что у глицерина нет альдегидной группы.

Частые ошибки

• Путают условия реакции с гидроксидом меди. Синий раствор на холоде это проба на многоатомный спирт, а красный осадок при нагревании на альдегид. В задаче важно указать, идёт нагрев или нет.
• Называют красный осадок медью. Выпадает оксид меди(I) $Cu_2O$, а не металлическая медь. Цвет кирпично-красный именно у оксида.
• Считают, что сахароза даёт серебряное зеркало. Не даёт: у неё нет свободной альдегидной группы. Это типичная ловушка в заданиях на распознавание.
• Забывают про аммиачный раствор. В пробе Толленса используют не просто нитрат серебра, а его аммиачный комплекс $[Ag(NH_3)_2]OH$, иначе реакция не пойдёт нужным образом.
• В реакции восстановления пишут продукт как спирт с альдегидной группой. После присоединения водорода группа $-CHO$ переходит в $-CH_2OH$, и продукт это шестиатомный спирт сорбит.

FAQ

Почему глюкоза даёт сразу две качественные реакции? Потому что в её молекуле есть и альдегидная, и гидроксильные группы. Серебряное зеркало и красный осадок при нагревании доказывают альдегид, а синий раствор с гидроксидом меди на холоде доказывает многоатомный спирт. Ни сахароза, ни обычный спирт не дают всего набора сразу.

Какого цвета осадок в реакции с гидроксидом меди? При нагревании выпадает кирпично-красный осадок оксида меди(I) $Cu_2O$. Иногда успевают заметить промежуточный жёлтый осадок гидроксида меди(I). До нагревания осадок гидроксида меди(II) голубой и растворяется в глюкозе с образованием синего раствора.

Как доказать, что перед нами глюкоза, а не сахароза? Проведите реакцию серебряного зеркала или нагрейте раствор с гидроксидом меди(II). Глюкоза даст серебряный налёт или красный осадок, а сахароза нет, потому что у сахарозы нет свободной альдегидной группы. Это и есть основа распознавания восстанавливающих и невосстанавливающих сахаров.

Коротко

Химические свойства глюкозы определяются двумя группами: альдегидной и пятью гидроксильными. Качественные реакции опираются на альдегидную группу: серебряное зеркало с реактивом Толленса и красный осадок оксида меди(I) при нагревании с гидроксидом меди(II). На холоде гидроксид меди даёт синий раствор, доказывая многоатомный спирт. Дополняют картину реакции этерификации по гидроксилам, восстановление до сорбита и брожение. Этот набор позволяет уверенно отличать глюкозу от сахарозы, фруктозы и глицерина.