Reakcje charakterystyczne sacharydów

1)

Cel ćwiczenia

Ćwiczenie poświęcone jest przypomnieniu wiadomości z chemii dotyczących budowy

i właściwości sacharydów. Stosowane w doświadczeniach sacharydy (aldoheksoza – glukoza;
ketoheksoza – fruktoza; aldopentoza – arabinoza; disacharyd nieredukujący – sacharoza i
disacharyd redukujący – maltoza) oraz przewidziane w ćwiczeniu reakcje są tak dobrane, aby
na podstawie ich wyników możliwe było zaklasyfikowanie nieznanego sacharydu do
określonej grupy strukturalnej.

Rys.1. Wzory Hawortha najczęściej występujących mono- i disacharydów

α

-D-fruktofuranoza

α

-D-glukopiranoza

α

-D-rybofuranoza

β

-D-rybofuranoza

Maltoza

α

-D-glukopiranozylo-(1,4)-

α

-D-

glukopiranoza

Sacharoza

α

-D-glukopiranozylo-(1,2)-

β

-D-

fruktofuranozyd

β

-D-glukopiranoza

β

-D-fruktofuranoza

Laktoza

β

-D-galaktopiranozylo-(1,4)-

α

-D-glukopiranoza

Wprowadzenie

Wła

ś

ciwo

ś

ci redukuj

ą

ce cukrów

Właściwością sacharydów bardzo często wykorzystywaną w oznaczeniach jest ich

zdolność do redukowania innych związków, wynikająca z obecności wolnych grup
aldehydowej bądź ketonowej w ich cząsteczkach. W środowisku obojętnym i silnie kwaśnym
dominuje forma pierścieniowa cukrów natomiast w środowisku zasadowym dochodzi do
otwarcia pierścienia cukrowcowego i uwolnienia grupy aldehydowej lub ketonowej.
Właściwości redukujące mają wszystkie monosacharydy, natomiast spośród disacharydów te,
których wiązanie glikozydowe utworzone jest z udziałem jednego węgla acetalowego. W
takiej cząsteczce disacharydu może bowiem nastąpić w roztworze otwarcie pierścienia
piranozowego lub furanozowego z odtworzeniem grup: aldehydowej bądź ketonowej.
Wszystkie polisacharydy praktycznie nie wykazują właściwości redukujących ze względu na
zbyt małą ilość grup redukujących w stosunku do ilości cząsteczek cukru prostego
wchodzącego w ich skład. Najbardziej znane próby służące do badania właściwości
redukujących polegają na redukcji przez cukier kationów metali, np.: Cu

+2

– próba Benedicta,

Barfoeda. Cukry redukujące kationy metali utleniają się do hydroksykwasów.

Działanie kwasów na cukry

Cukry pod wpływem stężonych kwasów nieorganicznych (HCl, H

2

SO

4

) ulegają

odwodnieniu i cyklizacji. W reakcjach tych powstają pochodne furfuralowe. Heksozy tworzą
w tych warunkach 5-hydroksymetylofurfural, a pentozy furfural (Rys.2). Powstałe pochodne
furfuralowe mogą kondensować z pochodnymi związków fenolowych dając barwne związki
(reakcje: Molischa, Biala i Seliwanowa). Reakcje wykorzystujące działanie silnych kwasów
na cukry mogą służyć do odróżniania pentoz od heksoz (reakcja Biala), bądź też aldoz od
ketoz (reakcja Seliwanowa).

Rys.2. Powstawanie pochodnych furfuralowych w reakcjach cukrowców ze stężonymi
kwasami nieorganicznymi.

Reakcja charakterystyczna dla wszystkich cukrów

Reakcja Molischa
W środowisku silnie kwaśnym cukier ulega odwodnieniu do furfuralu lub

hydroksymetylofurfuralu, które kondensują z α-naftolem dając fioletowy produkt kondensacji
(Rys.3).

Rys.3. Reakcja Molischa charakterystyczna dla wszystkich cukrowców.

Reakcje charakterystyczne monosacharydów

Reakcja Benedicta – zachodzi w środowisku zasadowym, sprzyjającym przesunięciu

równowagi między formą pierścieniową i łańcuchową sacharydu w kierunku reaktywnej
formy łańcuchowej. W tych warunkach reakcji następuje utlenienie sacharydów redukujących
do odpowiednich hydroksykwasów, a obecne w odczynniku Benedicta jony Cu

2+

redukują się

do jonów Cu

+

wypadających z roztworu w postaci nierozpuszczalnego tlenku miedziawego

(Cu

2

O). Obecny w odczynniku Benedicta cytrynian trisodowy zapobiega wytrącaniu się

osadu Cu(OH)

2

, co może nastąpić przy małej ilości cukru (Rys.4).

Rys.4. Reakcja Benedicta pozwalająca wykrywać sacharydy redukujące.

Reakcja Barfoeda - redukcja jonów miedziowych Cu

+2

do Cu

+

przeprowadzana jest w

środowisku słabo kwaśnym, co powoduje znaczne obniżenie reaktywności sacharydów
Czerwony osad Cu

2

0 powstaje w reakcji z monosacharydem wkrótce po ogrzaniu mieszaniny

reakcyjnej. Reakcja ta pozwala na odróżnienie monosacharydów od disacharydów
redukujących.

Reakcja Biala – służy do odróżniania pentoz od heksoz. Pentozy przekształcają się w

furfural kondensujący z orcynolem, w wyniku czego powstaje produkt o barwie zielonej
(Rys.5).

Rys.5. Reakcja Biala służąca wykrywaniu pentoz.

Reakcja Seliwanowa – służy do odróżniania ketoz od aldoz. W reakcji tej produkt

odwodnienia ketoz hydroksymetylofurfural kondensuje z rezorcynolem tworząc produkt o
barwie łososiowej (Rys.6). W celu rozróżnienie ketoz od aldoz ważne jest zachowanie
odpowiednich warunków tej reakcji: kwasu o odpowiednim stężeniu (12%HCl) oraz
odpowiedniego czasu ogrzewania. Przy użyciu bardziej stężonego kwasu oraz wydłużeniu
czasu ogrzewania również aldozy dają odczyn dodatni w tej reakcji.

Rys.6. Reakcja Seliwanowa charakterystyczna dla ketoz.

Reakcje charakterystyczne disacharydów

Reakcja Benedicta – dodatni odczyn w reakcji Benedicta dają tylko te disacharydy, w

których jeden z monosacharydów ma wolny atom węgla anomerycznego. Ten monosacharyd
może przechodzić wówczas w formę łańcuchową i dzięki temu nadaje właściwości
redukujące cząsteczce disacharydu. Disacharydy utworzone z dwóch cukrów prostych
połączonych poprzez oba atomy węgli anomerycznych (np. sacharoza) nie wykazują
właściwości redukujących ze względu na brak możliwości odtworzenia wolnej grupy
karbonylowej.

Reakcja Barfoeda – ze względu na niższą reaktywność wolnych grup karbonylowych

pozytywny wynik tej reakcji dla disacharydów redukujących można jedynie uzyskać w
wyniku dłuższego ich ogrzewania.

Hydroliza kwasowa sacharozy – polega na rozpadzie sacharozy na cukry proste:

glukozę i fruktozę pod wpływem kationów H

+

i i podwyższonej temperatury.

Reakcje charakterystyczne polisacharydów

Reakcja skrobi i glikogenu z jodem

Skrobia i glikogen tworzą z jodem barwne połączenia, polegające na adsorpcji jodu na

powierzchni koloidowych cząsteczek tych polisacharydów. Skrobia tworzy z jodem
połączenie fioletowo-niebieskie, glikogen natomiast – brunatno-czerwone.

Reakcja Benedicta przed hydrolizą skrobi

Skrobia jako polisacharyd nie wykazuje właściwości redukujących. Brak

pozytywnego wyniku tej reakcji.

Reakcja Benedicta po hydrolizie skrobi

Skrobia pod wpływem kwasów ulega stopniowej hydrolizie przez stadium dekstryn,

poprzez maltozę aż do glukozy. W miarę hydrolizy wzrastają właściwości redukujące.

Identyfikacja nieznanego cukru w roztworze

W celu identyfikacji nieznanego cukru przeprowadzić kolejno reakcje w oparciu o

tabelę nr 1.

Odczynniki

1. 1% roztwór L-arabinozy.
2. 1% roztwór D-glukozy.
3. 1% roztwór D-fruktozy.
4. 1% roztwór maltozy.
5. 1% roztwór sacharozy.
6. 1% roztwór skrobi
7. 1% roztwór glikogenu
8. Stężony kwas solny.
9. Stężony kwas siarkowy.
10. 5% alkoholowy roztwór α-naftolu.
11. Odczynnik Benedicta
12. Odczynnik Barfoeda
13. Odczynnik Biala
14. Odczynnik Seliwanowa
15. Płyn Lugola

Wykonanie

1. Reakcja Molischa. Odmierzyć do dwóch probówek po 0,5 ml dowolnych

roztworów sacharydów. Do obydwu probówek dodać po 1 lub 2 krople α-naftolu (8),
wymieszać i następnie po ściance pochylonej probówki wprowadzić powoli 1,5 ml stężonego
kwasu siarkowego (7) tak, aby spłynął on na dno probówki. Nie mieszać.

2. Reakcja Benedicta charakterystyczna dla sacharydów redukujących. Odmierzyć do

czterech probówek po 0,5 ml: do pierwszej – glukozy (2), do drugiej – maltozy (4) do trzeciej
– sacharozy (5) a do czwartej – skrobi (6). Do każdej probówki dodać 1,25 ml odczynnika
Benedicta (10) i ogrzewać przez kilka minut we wrzącej łaźni wodnej.

3. Hydroliza kwasowa sacharozy. Odmierzyć do probówki 0,5 ml sacharozy, dodać 1

lub 2 krople stężonego kwasu solnego (6), wymieszać i ciągle mieszając ogrzewać przez
minutę nad płomieniem palnika. Ostudzić zawartość probówki, dodać 1,25 ml odczynnika
Benedicta i wstawić na kilka minut do wrzącej łaźni wodnej.

4.Reakcja Benedicta po hydrolizie skrobi. Do 0,5 ml skrobi dodać 0,1 ml stężonego

roztworu HCL i ogrzewać we wrzącej łażni wodnej przez 10 min., ostudzić, zobojętnić za
pomocą NaOH i wykonać próbę Benedicta.

5. Reakcja Barfoeda charakterystyczna dla monosacharydów redukujących.

Odmierzyć do jednej probówki 0,5 ml glukozy (2), a do drugiej 0,5 ml maltozy (4). Dodać po
1,25 ml odczynnika Barfoeda (11), wymieszać i ogrzewać przez 3 min we wrzącej łaźni
wodnej.

6. Reakcja Seliwanowa charakterystyczna dla ketoz. Odmierzyć do jednej probówki

0,5 ml fruktozy (3), do drugiej 0,5 ml glukozy (2), dodać po 1,5 ml odczynnika Seliwanowa
(13) i ogrzewać przez 1 minutę we wrzącej łaźni wodnej.

7. Reakcja Biala charakterystyczna dla pentoz. Do dwóch probówek odmierzyć po 2

ml odczynnika Biala (12) i ogrzewać przez 5 minut we wrzącej łaźni wodnej. Następnie do
jednej probówki dodać 0,5 ml arabinozy (1), do drugiej 0,5 ml glukozy (2), wymieszać i
ogrzewać przez kolejne 5 minut.

8. Reakcja skrobi i glikogenu z jodem. Do jednej probówki wlać 1ml skrobi, a do

drugiej 1ml roztworu glikogenu. Do obu probówek dodać kroplę roztworu jodu w jodku
potasu.

9. Identyfikacja nieznanego sacharydu. Pobrać z pokoju laboranta roztwór nieznanego

sacharydu (próbę do zbadania), przeprowadzić odpowiednie reakcje charakterystyczne
pozwalające na stwierdzenie, który z badanych poprzednio rodzajów sacharydu znajdował się
w tym roztworze.

Opracowanie wyników

W sprawozdaniu należy podać wnioski wypływające z wykonanych reakcji

charakterystycznych oraz ich zasadę. Które z tych reakcji były konieczne dla jednoznacznego
określenia sacharydu w nieznanym roztworze, jaki to był sacharyd?

Glukoza

Fruktoza

Arabinoza

Sacharoza

Maltoza

Skrobia

Reakcja

Benedicta

+

+

+

_

+

_

Reakcja

Barfoeda

+

+

+

_

_

_

Reakcja

Biala

_

_

+

_

_

_

Reakcja

Seliwanowa

_

+

_

+

_

_

Reakcja z

jodem

_

_

_

_

_

+

Tabela nr 1. Identyfikacja nieznanego sacharydu; + pozytywny wynik reakcji
- brak reakcji

Pytania

1. Napisać wzory L- i D- oraz α- i β-: glukozy, fruktozy i arabinozy; wyjaśnić różnice.
2. Napisać wzory sacharozy i maltozy. Jakie wiązania występują w tych

disacharydach?

3. Które z wykonywanych na ćwiczeniu reakcji są wspólne dla roztworów: glukozy,

fruktozy i arabinozy, a które pozwolą na ich odróżnienie. Na jakiej zasadzie oparte jest to
rozróżnienie?

4. Która z wykonywanych na ćwiczeniu reakcji pozwoli na odróżnienie roztworów

sacharozy i maltozy? Na czym polega ta reakcja?

5. Wyjaśnić, dlaczego w reakcji z odczynnikiem Seliwanowa uzyskuje się łososiowe

zabarwienie próby nie tylko w roztworze fruktozy, ale również w roztworze sacharozy?

6. Czy skrobia i glikogen mają właściwości redukujące? Odpowiedź uzasadnić.

Literatura

1. L. Stryer Biochemia Wydawnictwo PWN Warszawa 2000
2. L. Kłyszejko-Stefanowicz

Ć

wiczenia z biochemii Wydawnictwo PWN

Warszawa 2003

3. A. Dubin, B. Turyna Praktikum z biochemii Wydawnictwo Instytutu Biologii

Molekularnej UJ Kraków 2001