Chương 2. Cacbohidrat [ Thi THPT quốc gia ]

A.Phản ứng cháy của cacbohiđrat

Phản ứng cháy của cacbohiđrat rất hiếm gặp trong sách giáo khoa hay các đề thi tuy nhiên trong thực tế việc sử dụng cacbohiđrat làm nhiên liệu (đặc biệt là xenlulozơ) thì rất phổ biến. Phản ứng cháy của cacbohiđrat có một số đặc điểm sau chúng ta cần chú ý:

- nO2 cần dùng = nCO2 sinh ra

- Dựa vào tỷ lệ số mol CO2 và số mol H2O chúng ta có thể xác định được loại cacbohiđrat đã đem đốt cháy. Cụ thể là:

+ Nếu tỷ lệ số mol CO2/H2O = 1 thì thuộc loại monosaccarit (glucozơ hoặc fructozơ)

+ Nếu tỷ lệ số mol CO2/H2O = 12/11 thì đó là đisaccarit (saccarozơ hoặc mantozơ)

+ Nếu tỷ lệ số mol CO2/H2O = 6/5 thì đó thuộc loại polisaccarit (tinh bột hoặc xenlulozơ)

Thực tế khi đun nóng saccarozơ bị mất dần nước và chuyển từ không màu sang màu vàng nhạt rồi vàng đậm, nâu rồi đen. Chúng ta thường sử dụng sản phẩm này để cho vào nấu cá, thịt để tạo màu (gọi là keo đắng hay nước hàng).

B.Lý thuyết về cacbohiđrat

I. ĐỊNH NGHĨA

- Cacbohiđrat (còn gọi là gluxit hoặc saccarit) là những HCHC tạp chức thường có công thức chung là Cn(H2O)m, có chứa nhiều nhóm OH và nhóm cacbonyl (anđehit hoặc xeton) trong phân tử.

- 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.

Khi đốt cháy gluxit chú ý:

+ nO2 = nCO2

+ Dựa vào tỷ lệ số mol CO2/số mol H2O để tìm loại saccarit.

II. GLUCOZƠ

- Công thức phân tử C6H12O6.

- Công thức cấu tạo CH2OH - (CHOH)4 - CHO.

- Glucozơ tồn tại ở cả hai dạng mạch hở và mạch vòng (dạng α là 36% dạng β là 64%)

1. Tính chất vật lí và trạng thái tự nhiên

- Là chất rắn, không màu, tan tốt trong nước, độ tan trong nước tăng khi nhiệt độ tăng.

- Có vị ngọt kém đường mía.

- Có nhiều trong các loại hoa quả: quả nho, mật ong (30%), máu người (0,1%)

2. Tính chất hóa học

Trong phân tử glucozơ có 5 nhóm OH nằm liền kề và 1 nhóm CHO nên glucozơ có các phản ứng của ancol đa chức và của anđehit.

a. Các phản ứng của ancol đa chức

- Hòa tan Cu(OH)2 ở ngay nhiệt độ thường tạo thành dung dịch màu xanh lam.

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

→ Phản ứng này chứng minh glucozo có nhiều nhóm OH

- Tác dụng với anhiđrit axit tạo thành este 5 chức:

CH2OH(CHOH)4CHO + 5(CH3CO)2O → CH3COOCH2(CHOOCCH3)4CHO + 5CH3COOH

→ Phản ứng này dùng để chứng minh trong phân tử glucozơ có 5 nhóm OH.

b. Các phản ứng của anđehit

- Tác dụng với H2 tạo thành ancol sobitol (sobit):

CH2OH(CHOH)4CHO + H2 → CH2OH(CHOH)4CH2OH (Ni, t0)

- Tác dụng với AgNO3/NH3 tạo thành Ag (phản ứng tráng gương)

CH2OH(CHOH)4CHO + 2AgNO3 + 3NH3 + H2O → CH2OH(CHOH)4COONH4 + 2Ag + 2NH4NO3

- Phản ứng với Cu(OH)2 ở nhiệt độ cao:

CH2OH(CHOH)4CHO + 2Cu(OH)2 + NaOH → CH2OH(CHOH)4COONa + Cu2O + 3H2O

- Phản ứng làm mất màu dung dịch Brom:

CH2OH(CHOH)4CHO + Br2 + H2O → CH2OH(CHOH)4COOH + 2HBr

→ Các phản ứng này chứng tỏ glucozơ có nhóm CHO.

c. Phản ứng lên men

C6H12O6 → 2CO2 + 2C2H5OH

d. Phản ứng với CH3OH/HCl tạo metylglicozit

- Chỉ có nhóm OH hemiaxetal tham gia phản ứng.

→ Phản ứng này chứng tỏ glucozo có dạng mạch vòng.

- Sau phản ứng nhóm metylglicozit không chuyển trở lại nhóm CHO nên không tráng gương được.

Ngoài ra khi khử hoàn toàn glucozơ thu được n-hexan chứng tỏ glucozơ có mạch 6C thẳng.

3. Điều chế

- Thủy phân saccarozơ, tinh bột, mantozơ, xenlulozơ:

+ Mantozơ:

C12H22O11 + H2O → 2C6H12O6 (glucozơ)

+ Tinh bột và xenlulozơ:

(C6H10O5)n + nH2O → nC6H12O6

+ Saccarozơ:

C12H22O11 + H2O → C6H12O6 (glucozơ) + C6H12O6 (fructozơ)

- Trùng hợp HCHO:

6HCHO → C6H12O6 (Ca(OH)2, t0)

III. 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.

1. Tính chất vật lí và trạng thái tự nhiên

- 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%).

2. Tính chất hóa học

Vì phân tử fructozơ chứa 5 nhóm OH trong đó có 4 nhóm liền kề và 1 nhóm chức C = O nên có các tính chất hóa học của ancol đa chức và xeton.

- Hòa tan Cu(OH)2 ở ngay nhiệt độ thường.

- Tác dụng với anhiđrit axit tạo este 5 chức.

- Tác dụng với H2 tạo sobitol.

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

IV. SACCAROZƠ

- Công thức phân tử C12H22O11.

- Công thức cấu tạo: hình thành nhờ 1 gốc α - glucozơ và 1 gốc β - fructozơ bằng liên kết 1,2-glicozit.

1. Tính chất vật lí và trạng thái tự nhiên

- Là chất kết tinh, không màu, vị ngọt, dễ tan trong nước.

- Có nhiều trong tự nhiên trong mía, củ cải đường, hoa thốt nốt. Có nhiều dạng: đường phèn, đường phên, đường cát, đường tinh luyện…

2. Tính chất hóa học

Do gốc glucozơ đã liên kết với gốc fructozơ thì nhóm chức anđehit không còn nên saccarozơ chỉ có tính chất của ancol đa chức.

- Hòa tan Cu(OH)2 ở nhiệt độ thường tạo thành dung dịch màu xanh lam.

- Phản ứng thủy phân:

C12H22O11 + H2O → C6H12O6 (glucozơ) + C6H12O6 (fructozơ)

3. Điều chế

Trong công nghiệp người ta thường sản xuất saccarozơ từ mía.

V. MANTOZƠ

- Công thức phân tử C12H22O11.

- Công thức cấu tạo: được tạo thành từ sự kết hợp của 2 gốc α-glucozơ bằng liên kết α-1,4-glicozit.

1. Tính chất hóa học

Do khi kết hợp 2 gốc glucozơ, phân tử mantozơ vẫn còn 1 nhóm CHO và các nhóm OH liền kề nên mantozơ có tính chất hóa học của cả Ancol đa chức và anđehit.

a. Tính chất của ancol đa chức

Hòa tan Cu(OH)2 ở nhiệt độ thường tạo thành dung dịch màu xanh lam.

b. Tính chất của anđehit

- Mantozơ tham gia phản ứng tráng gương:

C12H22O11 → 2Ag

- Phản ứng với Cu(OH)2 ở nhiệt độ cao tạo kết tủa đỏ gạch Cu2O, với dung dịch Brom.

c. Phản ứng thủy phân

C12H22O11 + H2O → 2C6H12O6 (glucozơ)

2. Điều chế

Thủy phân tinh bột nhờ men amylaza có trong mầm lúa.

VI. XENLULOZƠ (thường gọi là mùn cưa, vỏ bào)

- Công thức phân tử (C6H10O5)n.

- Công thức cấu tạo: do các gốc β-glucozơ liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4-glicozit tạo thành mạch thẳng, mỗi gốc chỉ còn lại 3 nhóm OH tự do nên có thể viết công thức cấu tạo ở dạng [C6H7O2(OH)3]n.

1. Tính chất vật lí và trạng thái tự nhiên

- Là chất rắn, hình sợi, màu trắng, không mùi, không vị.

- Không tan trong nước ngay cả khi đun nóng, không tan trong các dung môi hữu cơ thông thường như ete, benzen...

2. Tính chất hóa học

- Phản ứng thủy phân:

(C6H10O5)n + nH2O → nC6H12O6 (glucozơ)

- Phản ứng este hóa với axit axetic và axit nitric:

[C6H7O2(OH)3] + 3nCH3COOH → [C6H7O2(OOCCH3)3]n + 3nH2O

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

Từ xenlulozơ cho phản ứng với CS2 trong NaOH rồi phun qua dung dịch axit để sản xuất tơ visco.

VII. TINH BỘT

- Công thức phân tử (C6H10O5)n.

- Công thức cấu tạo: tinh bột do các gốc α-glucozơ liên kết với nhau bằng liên kết α-1,4-glicozit tạo mạch thẳng (amilozơ) hoặc bằng liên kết α-1,4-glicozit và α-1,6-glicozit tạo thành mạch nhánh (amilopectin).

1. Tính chất vật lí và trạng thái tự nhiên

- Chất rắn vô định hình, không tan trong nước lạnh, phồng lên và vỡ ra trong nước nóng thành dung dịch keo gọi là hồ tinh bột.

- Màu trắng.

- Có nhiều trong các loại hạt (gạo, mì, ngô...), củ (khoai, sắn...) và quả (táo, chuối...).

2. Tính chất hóa học

- Phản ứng của hồ tinh bột với dung dịch I2 tạo thành dung dịch xanh tím. (nếu đun nóng dung dịch bị mất màu, để nguội màu xuất hiện trở lại).

→ Phản ứng này thường được dùng để nhận biết hồ tinh bột.

- Phản ứng thủy phân:

(C6H10O5)n + nH2O → nC6H12O6 (glucozơ)

Khi có men thì thủy phân:

Tinh bột → đextrin → mantozơ → glucozơ

3. Điều chế

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

6nCO2 + 5nH2O → (C6H10O5)n + 6nO2 (clorofin, ánh sáng)

C.Một số phản ứng khác của cacbohiđrat

Bài viết này đề cập đến một số phản ứng khác của cacbohiđrat như phản ứng hiđro hóa, phản ứng với axit nitric của xenlulozơ, phản ứng màu với iot, ...

- Phản ứng hidro hoá: Thường chỉ xét với glucozơ và fructozơ. Các chất monosaccarit phản ứng với H2 tạo sản phẩm sobitol:

C6H12O6 + H2 → C6H14O6

- Phản ứng của xenlulozơ với axit nitric:

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

(xenlulozơ trinitrat)

- Hồ tinh bột tạo được dung dịch màu xanh tím với dung dịch I2.

IV.Phản ứng lên men của glucozơ và tinh bột

Trong dân gian hay trong công nghiệp chúng ta sản xuất rượu từ các nguồn nguyên liệu khác nhau như gạo, ngô, khoai, nho thậm chí từ mùn cưa, vỏ bào, bã mía... Nhưng các cách làm trên đều có phương trình hóa học chung là C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2. Phản ứng này là phản ứng lên men rượu, ta cũng có thể dùng phản ứng tổng của phản ứng thủy phân và phản ứng lên men sau:

(C6H10O5)n + nH2O → 2nC2H5OH + 2nCO2

Để làm bài tập phần này chúng ta nhớ lại một số khái niệm độ rượu. Độ rượu là % thể tích của ancol etylic trong dung dịch rượu. (Độ rượu trên 90o ta gọi là cồn nhé).

Các bạn cũng lưu ý rằng chúng ta thường chấp nhận khối lượng riêng của nước là 1g/ml.

Ngoài phản ứng lên men rượu glucozơ còn có một số phản ứng lên men khác nhưng ít gặp:

- Lên men lactic xảy ra trong quá trình chúng ta muối dưa hoặc làm sữa chua:

C6H12O6 → 2CH3CH(OH)COOH (axit lactic)

- Lên men butiric:

C6H12O6 → CH3CH2CH2COOH (axit butiric) + 2CO2 + 2H2

V.Phản ứng thủy phân cacbohiđrat

Trong các loại saccarit thì monosaccarit không bị thủy phân còn các loại saccarit khác bị thủy phân trong môi trường axit hoặc khi có men xúc tác. Cụ thể là:

- Saccarozơ:

C12H22O11 + H2O → C6H12O6 (glucozơ)+ C6H12O6 (fructozơ)

- Mantozơ:

C12H22O11 + H2O → 2C6H12O6 (glucozơ)

- Tinh bột:

(C6H10O5)n + nH2O → nC6H12O6 (glucozơ) nếu thủy phân trong môi trường axit.

Nếu thủy phân với xúc tác men: Tinh bột → đextrin → mantozơ → glucozơ

Đextrin là một loại oligosaccarit có công thức (C6H10O5)n với n = 5 đến 10.

Trong cơ thể tinh bột sau khi thủy phân thành glucozơ được chuyển trực tiếp vào máu và được lưu trữ ở dạng tinh bột động vật trong gan hay còn gọi là glicogen gồm nhiều gốc glucozơ liên kết với nhau thành mạch nhánh như amilopectin.

- Xenlulozơ:

(C6H10O5)n + nH2O → nC6H12O6 (glucozơ) nếu thủy phân trong môi trường axit.

VI.Phản ứng tráng bạc của cacbohiđrat

Trong số các saccarit thường gặp glucozơ và mantozơ có nhóm -CHO trong phân tử nên có khả năng tham gia phản ứng tráng bạc như một andehit đơn chức. Fructozơ mặc dù không có nhóm -CHO nhưng trong môi trường kiềm nó chuyển hóa thành glucozơ nên cũng có phản ứng tráng bạc như glucozơ. Thực tế glucozơ thường được dùng để tráng ruột phích, tráng gương do rẻ hơn anđehit và hoàn toàn không độc hại.

Saccarozơ, mantozơ, tinh bột và xenlulozơ sau khi thủy phân sinh ra glucozơ (và fructozơ) thì đều có phản ứng tráng bạc trong đó chúng ta thường hay mắc sai lầm với mantozơ sau khi thủy phân thì cả sản phẩm và bản thân mantozơ dư sau thủy phân cũng tráng bạc được.

- Monosaccarit:

C6H12O6 → 2Ag

- Mantozơ:

C12H22O11 → 2Ag