CHUYÊN ĐỀ 16: CARBOHYDRATE – 1,01^365 = 37,8 (Mỗi nỗ lực, dù là nhỏ nhất, đều có Ý nghĩa)

CẨM NANG ÔN THI TỐT NGHIỆP

Nội dung bài học

GIỚI THIỆU VỀ CARBOHYDRATE GLUCOSE VÀ FRUCTOSE

Khái niệm và phân loại carbohydrate
Khái niệm

– Carbohydrate là những hợp chất hữu cơ tạp chức, thường có công thức chung là C_n(H₂O)_m.


Glucose (C₆H₁₂O₆)	Saccharose (C₁₂H₂₂O₁₁)	Tinh bột (C₆H₁₀O₅)_n

Phân loại

Nhóm	Đặc điểm	Ví dụ
Monosaccharide	Không bị thủy phân thành các phân tử nhỏ hơn.	Glucose, fructose
Disaccharide	Thủy phân hoàn toàn mỗi phân tử tạo thành hai phân tử monosaccharide.	Saccharose, maltose
Polysaccharide	Thủy phân hoàn toàn mỗi phân tử tạo thành nhiều phân tử monosaccharide.	Tinh bột, cellulose

Glucose và fructose
Tính chất vật lí, trạng thái tự nhiên và ứng dụng

Glucose

Fructose

♦ Là chất rắn, vị ngọt, dễ tan trong nước.

♦ Có trong các bộ phận của cây, đặc biệt là trong các quả chín.

– Glucose cũng có trong máu người và động vật. Nồng độ glucose trong máu người trưởng thành khoảng 4,4 – 7,2 mmol/L (hay 80 – 130 mg/dL).

♦ Glucose là chất dinh dưỡng quan trọng đối với con người. Dùng làm thực phẩm, đồ uống, tráng gương – tráng rột phích, dung dịch truyền tĩnh mạch glucose 5%, sản xuất ethanol, …

♦ Là chất rắn, vị ngọt hơn glucose, dễ tan trong nước.

♦ Fructose có nhiều trong mật ong (40% khối lượng) và các loại quả chín như dứa, xoài, …

♦ Vai trò cung cấp năng lượng cho tế bào, sản xuất siro, kẹo, nước trái cây đóng hộp, …

Cấu tạo phân tử

♦ Glucose: Công thức phân tử: C₆H₁₂O₆

– Dạng mạch hở: Có 5 nhóm -OH và 1 nhóm -CHO: CH₂OH – [CHOH]₄ – CHO

– Dạng mạch vòng: Vòng 6 cạnh, có 2 dạng là α và β (dạng tồn tại chủ yếu trong dung dịch).

– Dạng mạch hở và 2 dạng mạch vòng chuyển hóa qua lại lẫn nhau:

♦ Fructose: Công thức phân tử: C₆H₁₂O₆ (là đồng phân của glucose).

– Dạng mạch hở: Có 5 nhóm -OH và 1 nhóm -CO-: CH₂OH – [CHOH]₃ – CO – CH₂OH

– Dạng mạch vòng: Vòng 5 cạnh, có 2 dạng α và β (dạng tồn tại chủ yếu trong dung dịch).

– Dạng mạch hở và 2 dạng mạch vòng chuyển hóa qua lại lẫn nhau:

– Trong môi trường kiềm, glucose và fructose có thể chuyển hóa qua lại:

Glucose Fructose

Tính chất hóa học

– Glucose và fructose có tính chất của alcohol đa chức (polyalcohol) và tính chất của hợp chất carbonyl

(a) Tính chất của alcohol đa chức

– Phân tử glucose và fructose có nhiều nhóm -OH liền kề nên dung dịch glucose và dung dịch fructose có khả năng hòa tan Cu(OH)₂ trong môi trường kiềm ở điều kiện thường tạo thành dung dịch màu xanh lam: 2C₆H₁₂O₆ + Cu(OH)₂ → (C₆H₁₁O₆)₂Cu + 2H₂O

(b) Tính chất của aldehyde

+ Phản ứng với thuốc thử Tollens (AgNO₃/NH₃): Phản ứng tráng bạc

– Glucose có phản ứng với thuốc thử Tollens tạo thành kết tủa bạc kim loại do có nhóm -CHO.

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

Ammonium gluconate

– Fructose không có nhóm -CHO nhưng phản ứng trên xảy ra trong môi trường base nên fructose có thể chuyển hóa thành glucose và tham gia phản ứng tương tự glucose.

+ Phản ứng với Cu(OH)₂ trong môi trường kiềm

– Dung dịch glucose và fructose đều phản ứng với Cu(OH)₂ trong môi trường kiềm khi đun nóng tạo kết tủa đỏ gạch.

CH₂OH[CHOH]₄CHO + 2Cu(OH)₂ + NaOH CH₂OH[CHOH]COONa + Cu₂O↓ + 3H₂O

Sodium gluconate

+ Phản ứng với nước bromine

– Glucose làm mất màu nước bromine:

CH₂OH[CHOH]₄CHO + Br₂ + H₂O → CH₂OH[CHOH]₄COOH + 2HBr

gluconic acid

– Fructose không có phản ứng này do phản ứng xảy ra trong môi trường acid, fructose không chuyển hóa thành glucose nên không có nhóm -CHO Nước bromine là thuốc thử nhận biết glucose và fructose.

(c) Tính chất của nhóm hemiacetal

– Nhóm -OH hemiacetal của glucose có phản ứng với methanol khi có mặt HCl khan tạo thành methyl glucoside.

– Dạng β – glucose cũng có phản ứng tương tự, sản phẩm thu được có cả dạng α và β.

(d) Phản ứng lên men của glucose

– Glucose có thể lên men tạo thành các sản phẩm khác nhau tùy loại enzyme khác nhau.

Lên men rượu: C₆H₁₂O₆ 2C₂H₅OH + 2CO₂

ethanol

Lên men lactic: C₆H₁₂O₆ 2CH₃CH(OH)COOH

lactic acid

SACCHAROSE VÀ MALTOSE

Tính chất vật lí, trạng thái tự nhiên và ứng dụng

SACCHAROSE

MALTOSE

♦ Là chất rắn, vị ngọt, tan tốt trong nước.

♦ Có nhiều trong cây mía, củ cải đường và hoa thốt nốt đường mía, đường thốt nốt, …

♦ Làm chất tạo ngọt trong sản xuất thực phẩm như bánh, kẹo, nước giải khát.

Mía, thốt nốt chứa nhiều saccharose

♦ Là chất rắn, vị ngọt, tan tốt trong nước.

♦ Có trong ngũ cốc nảy mầm, mạch nha đường mạch nha. Maltose được tạo ra chủ yếu do quá trình thủy phân không hoàn toàn tinh bột.

♦ Làm nguyên liệu sản xuất bia và chất tạo ngọt cho một số bánh kẹo.

Mạch nha chứa nhiều maltose

– Độ ngọt: Fructose > saccharose > glucose > maltose.

Cấu tạo phân tử

♦ Saccharose: Công thức phân tử C₁₂H₂₂O₁₁

– Gồm 1 đơn vị α – glucose và 1 đơn vị β – fructose liên kết với nhau bằng liên kết α – 1, 2 – glycoside.

– Chỉ có dạng mạch vòng, không có nhóm -OH hemiacetal

♦ Maltose: Công thức phân tử C₁₂H₂₂O₁₁ (đồng phân của saccharose)

– Gồm 2 đơn vị glucose liên kết với nhau bằng liên kết α – 1, 4 – glycoside.

– Có cả dạng mạch vòng và dạng mở vòng, có nhóm -OH hemiacetal

⁽¹⁾ Nhóm OH có thể ở vị trí α hoặc β.

III. Tính chất hóa học của saccharose

Phản ứng với Cu(OH)₂ (tính chất của polyalcohol)

– Phân tử saccharose có nhiều nhóm -OH liền kề nên dung dịch saccharose hòa tan được Cu(OH)₂ trong môi trường kiềm tạo thành dung dịch màu xanh lam.

2C₁₂H₂₂O₁₁ + Cu(OH)₂ → (C₁₂H₂₁O₁₁)₂Cu + 2H₂O

Phản ứng thủy phân

– Saccharose bị thủy phân trong môi trường acid hoặc xúc tác enzyme tạo thành glucose và fructose.

C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O C₆H₁₂O₆ + C₆H₁₂O₆

(glucose) (fructose)

Saccharose không có phản ứng tráng bạc nhưng sản phẩm PƯ thủy phân saccharose thì có.

TINH BỘT VÀ CELLULOSE

Tính chất vật lí, trạng thái tự nhiên và ứng dụng

TINH BỘT

CELLULOSE

♦ Là chất rắn, màu trắng, hầu như không tan trong nước lạnh, trong nước nóng tinh bột tan tạo thành dung dịch keo nhớt gọi là hồ tinh bột.

♦ Có nhiều trong các loại hạt lúa, hạt ngô, củ sắn, củ khoai tây, quả chuối xanh, …

♦ Là nguồn lương thực chính của con người; là nguyên liệu để sản xuất bánh, mì sợi, mạch nha, glucose, ethanol, …; chất kết dính trong công nghiệp giấy và dệt may.

♦ Là chất rắn, dạng sợi, màu trắng, không tan trong nước ngay cả khi đun nóng, không tan trong ether, benzene, …

♦ Có nhiều trong gỗ, tre, nứa, sợi bông, …

♦ Dùng làm vật liệu xây dựng, sản xuất giấy, tơ, …; làm nguyên liệu điều chế ethanol và thuốc súng không khói.

Cấu tạo phân tử
Tinh bột

– Công thức phân tử (C₆H₁₀O₅)_n.

– Tinh bột gồm hai loại là amylose và amylopectin.

+ Amylose: Mạch không nhánh, xoắn lại, gồm nhiều đơn vị α – glucose liên kết với nhau bằng liên kết α – 1,4 – glycoside.

+ Amylopectin: Mạch phân nhánh, gồm các chuỗi chứa nhiều đơn vị α – glucose liên kết với nhau bằng liên kết α – 1,4 – glycoside. Các chuỗi này liên kết với nhau bằng liên kết α – 1,6 – glycoside tạo mạch nhánh.

– Trong tinh bột amylopectin thường chiếm tỉ lệ cao hơn (gạo nếp có 98%, gạo tẻ có 80% amylopectin).

Cellulose

– Công thức phân tử (C₆H₁₀O₅)_n hoặc [C₆H₇O₂(OH)₃]_n.

– Gồm nhiều đơn vị β – glucose liên kết với nhau bằng liên kết β – 1,4 – glycoside tạo thành chuỗi dài không phân nhánh.

III. Tính chất hóa học

Tính chất hóa học của tinh bột

(a) Phản ứng thủy phân

– Thủy phân hoàn toàn trong môi trường acid hoặc enzyme tạo thành glucose.

(C₆H₁₀O₅)_n + nH₂O nC₆H₁₂O₆

– Tinh bột bị thủy phân không hoàn toàn nhờ các enzyme trong quá trình tiêu hóa tạo thành dextrin (C₆H₁₀O₅)_x (x < n), maltose và glucose.

(b) Phản ứng màu với iodine (I₂)

– Phân tử tinh bột hấp phụ iodine tạo thành hợp chất có màu xanh tím Phản ứng đặc trưng dùng để nhận biết tinh bột.

– Giải thích: Trong tinh bột có khoảng 20 – 30% amylose. Phân tử amylose dạng vòng xoắn nên có khả năng bọc (hay hấp phụ) các phân tử iodine tạo thành hợp chất bọc có màu xanh tím.

Tính chất hóa học của cellulose

(a) Phản ứng thủy phân

– Cellulose bị thủy phân trong môi trường acid hoặc khi có mặt enzyme cellulase (thường có mặt trong dạ dày động vật ăn cỏ). Phản ứng thủy phân hoàn toàn tạo thành glucose.

(C₆H₁₀O₅)_n + nH₂O nC₆H₁₂O₆

(b) Phản ứng với nitric acid

– Mỗi đơn vị glucose trong cellulose có 3 nhóm OH (hydroxy). Các nhóm OH này có khả năng phản ứng với HNO₃ đặc khi có mặt H₂SO₄ đặc thường tạo ra cellulose dinitrate, cellulose trinitrate.

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

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

– Cellulose trinitrate được dùng làm thuốc súng không khói.

– Cellulose không tan trong nước nhưng tan trong nước Schweizer (dung dịch thu được khi hòa tan Cu(OH)₂ trong ammonia).

Sự tạo thành tinh bột trong cây xanh và sự chuyển hóa tinh bột trong cơ thể
Sự tạo thành tinh bột trong cây xanh

– Sự hình thành tinh bột trong thực vật diễn ra qua nhiều giai đoạn, trong đó có hai quá trình chính là quá trình quang hợp tạo thành glucose và quá trình kết hợp các đơn vị glucose tạo thành tinh bột.

6nCO₂ + 5nH₂O (C₆H₁₀O₅)_n + 6nO₂

Sự chuyển hóa tinh bột trong cơ thể

Dạng 1. Bài toán về phản ứng tráng bạc

LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI

– PƯ tráng bạc: C₅H₁₁O₅CHO C₅H₁₁O₅COONH₄ + 2Ag

(G, F) (ammonium gluconate)

– Ag tạo thành có thể được dùng tráng gương, tráng ruột phích.

– Thể tích: V = S_{bề mặt}. d_{(độ dày)}; khối lượng riêng: D = (g/cm³)

– G, F = 180; Ag = 108; 1 m = 10³ mm = 10⁶

Dạng 2. Bài toán về phản ứng lên men glucose

LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI

– PƯ lên men glucose: C₆H₁₂O₆ 2C₂H₅OH + 2CO₂

180 g 92 g 88 g

– Chuỗi điều chế:

– ;

– H%_{(quá trình)} = H₁.H₂.H₃…. (H₁, H₂, H_3,… là hiệu suất các giai đoạn).

Dạng 3. Bài toán điều chế cellulose trinitrate

LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI

– PƯ điều chế: [C₆H₇O₂(OH)₃]_n + 3nHNO₃ → [C₆H₇O₂(NO₃)₃]_n + 3nH₂O

162 g 189 g 297 g

– Hiệu suất phản ứng:

Dạng 4. Một số bài toán khác

LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI

– PƯ thủy phân: C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O C₆H₁₂O₆ + C₆H₁₂O₆

(S) (G) (F)

(C₆H₁₀O₅)_n + nH₂O nC₆H₁₂O₆

(TB, XL) (G)

– PƯ quang hợp: 6nCO₂ + 5nH₂O (C₆H₁₀O₅)_n + 6nO₂