Химическое строение целлюлозы

Содержание
  1. Структурная и молекулярная формулы целлюлозы (клетчатки)
  2. Химическое строение
  3. Нахождение и образование в природе
  4. Физические свойства
  5. Способы получения
  6. Промышленные методы
  7. Применение целлюлозы
  8. Роль в биологии живых организмов
  9. Клетчатка в организме человека
  10. Целлюлоза, свойства, получение и применение
  11. Целлюлоза, формула, строение, вещество, характеристика:
  12. Нахождение целлюлозы в природе:
  13. Физические свойства целлюлозы:
  14. Химические свойства целлюлозы. Химические реакции целлюлозы:
  15. Производство и получение целлюлозы:
  16. Механический метод получения целлюлозы:
  17. Химический метод получения целлюлозы:
  18. Применение целлюлозы:
  19. Целлюлоза | Химия онлайн
  20. Строение целлюлозы
  21. Нахождение в природе
  22. Физические свойства целлюлозы
  23. Химические свойства целлюлозы
  24. Получение целлюлозы
  25. Применение целлюлозы
  26. Производные целлюлозы
  27. Х и м и я
  28. Химическое строение полисахаридов.
  29. Классификация полисахаридов
  30. Крахмал
  31. Химическое строение крахмала
  32. Гидролитическое расщепление крахмала
  33. Гликоген
  34. Химическое строение гликогена
  35. Функции гликогена в метаболизме
  36. Целлюлоза (клетчатка)
  37. Химическое строение целлюлозы
  38. Использование целлюлозы

Структурная и молекулярная формулы целлюлозы (клетчатки)

Химическое строение целлюлозы

1001student.ru > Химия > Структурная и молекулярная формулы целлюлозы (клетчатки)

Целлюлоза — формула вещества (C6H10O5)n — биологический полимер, имеет природное происхождение и считается самым распространённым среди органических веществ на планете. Название происходит от французского слова cellulose, которое имеет корень, произошедший от латинского cellula — клетка. Более привычное наименование для этого вещества — клетчатка.

Химическое строение

Целлюлоза является полисахаридом, её молекула состоит из множества мономерных звеньев, представляющих собой остатки глюкозы. Этот линейный полимер имеет прямую форму.

Молекулярная формула (C6H10O5)n, где n обозначает число мономеров в неразветвленной макромолекулярной цепочке. Таких звеньев может быть от двух до двух с половиной десятков тысяч.

Структурная формула даёт более подробное представление о строении молекулы вещества.

Нахождение и образование в природе

В процессе фотосинтеза в растениях образуется глюкоза. Полученное в результате цикла Кальвина (назван по имени учёного, его открывшего) вещество становится исходным материалом для производства в тканях растений в том числе и целлюлозы.

Находится в клеточных стенках клетчатка в виде так называемых микрофибрилл — образований, состоящих из нескольких десятков макромолекул.

У некоторых растений это соединение из 24 полимерных молекул, у других их примерно 36. Они соединены между собой в подобие плоского листа при помощи водородных связей.

[attention type=yellow]

В свою очередь, листы микрофибрилл соединяются посредством таких же связей, а также гликанами и пектинами.

[/attention]

Трёхмерная структура микрофибрилл образует клеточные стенки, устойчивые к воздействию ферментов и механическим воздействиям.

Целлюлоза содержится в растениях:

  • хло́пок (95−98%);
  • лён (60−85%);
  • конопля (65−70%).

В древесине содержится около 50% целлюлозы, в соломе — 30%, в растительных остатках (листьях, стеблях и прочих.) — от 40 до 90%.

Животные в большинстве своём не имеют ферментов, которые позволяли бы разрушать клетчатку. Но существуют целлюлозоразрушающие бактерии, а также некоторые виды плесневых грибов, которые способны уничтожить это вещество. Многие травоядные животные способны усваивать целлюлозу только за счёт симбиоза с микроорганизмами, живущими в их пищеварительном тракте.

Физические свойства

Из физических характеристик целлюлозы можно выделить высокую механическую прочность волокон. Основные свойства вещества представлены в таблице:

Цветбелый
Запахнет
Вкусотсутствует
Агрегатное состояние при н. у.твёрдое вещество волокнистой структуры
Плотность при н. у., г/см 31,52−1,54
Растворимость в воденерастворима
Молярная масса отдельного мономерного звена С 6 Н 10 О 5, г/моль162,1406

В органических веществах целлюлозу растворить не удастся. Однако, это возможно сделать, например, в реактиве Швейцера, который представляет собой раствор гидроксида меди (II) в аммиаке. Из кислот, способных к растворению клетчатки, можно выделить ортофосфорную и серную.

Способы получения

Целлюлозе свойственны реакции, характе́рные для химии многоатомных спиртов, т. к. в каждом звене она имеет по 3 гидроксильных группы. Скелет макромолекулы может никак не затрагиваться, а взаимодействие будет идти только по свободным гидроксилам. Так же как и многоатомные спирты, клетчатка может:

  1. Реагировать с щелочами [(C6H10O5)2] n + nNaOH → [(C6 H10O5)(C6H9O5Na)]n + nH2O. Процесс обработки целлюлозы щелочами с получением прочного вещества — щелочной целлюлозы или алкалицеллюлозы, называется мерсеризацией.
  2. Образовывать алкоголяты при реакции с щелочными металлами (точнее, с их растворами в жидком аммиаке) [(C6H7O2 (OH)3]n + 3nNa → [(C6H7O2 (ONa)3] n + 3/2nH2
  3. Гидролиз. (C6H10O5)n + nH2O → nC6H12O6 (t°, H2SO4) В результате реакции гидролиза, которая проходит в кислой среде, образуется глюкоза.
  4. Реакция с азотной кислотой [(C6H7O2 (OH)3] n + 3nHNO3 → [(C6H7O2 (ONO2)3]n + 3nH2O Происходит в смеси азотной и серной кислот. Серная в этом случае является водоотнимающим агентом. Образующиеся в результате нитраты целлюлозы или азотнокислые эфиры часто ошибочно называют нитроцеллюлозой.
  5. Реакция с уксусным ангидридом (этерификация). Взаимодействие происходит в присутствии кислоты. Необходимо наличие небольшого количества H2SO4 в качестве катализатора. В результате происходит образование уксуснокислых эфиров целлюлозы (ацетатов целлюлозы). [(C6H7O2 (OH)3]n + 3n (CH3CO)2O→ [(C6H7O2 (OCOCH3)3]n + 3nCH3COOH.
  6. Пиролиз клетчатки В бескислородной среде при температурах, превышающих 350 °C, целлюлоза подвергается пиролизу (или термолизу). Результатом разложения являются: уголь, различные аэрозоли и газы (в частности, углекислый), прочие продукты сложного строения.
  7. Горение. (C6H10O5)n + 6nO2 → 6nCO2 + 5nH2O (t°) При нагревании клетчатка не плавится. Разложение в кислородной среде наступает при температуре около 100 °C. Без доступа кислорода при 140—150°С начинается крайне медленная реакция, способная ускоряться лишь незначительно при повышении температуры до 250—260°С. Бурное разложение начинается при нагревании выше 260 °C. При этом происходит выделение сложной смеси летучих органических веществ и воды.
  8. Окисление. Действие на клетчатку окислителей: озон, хлорноватистая кислота, перекись водорода или перманганат приводит к образованию сложной смеси продуктов, носящих название оксицеллюлоз.

Промышленные методы

Чтобы получить целлюлозу в промышленности, используют различные методы обработки измельчённой древесины (щепы) и другого сырья растительного происхождения. Методы разделяют на 2 вида:

  • химические;
  • механические.

Химические разделяют:

  • на кислые (сульфитный);
  • на щелочные (натронный, сульфатный).

Методы первого типа предполагают использование в качестве реагентов кислоты, а вторые — щёлочи.

Раствор, используемый для сульфитного метода получения целлюлозы, содержит сернистую кислоту и ее соль (это может быть гидросульфит натрия).

Метод, называемый натронным, предполагает использование раствора гидроксида натрия в качестве реактива для получения клетчатки. Самым распространённым способом получения является сульфатный.

Раствор, используемый для этого метода, содержит гидроксид и сульфид натрия.

Его применение позволяет получать целлюлозу высокого качества и высокой степени очистки из любого сырья растительного происхождения.

Продуктом обработки растительного сырья является техническая целлюлоза. Она содержит примеси, которые в дальнейшем удаляются. После чего целлюлозу отбеливают. Отбелка может производиться разными методами (с применением хлора или других окислителей — озона, перекиси водорода, кислорода).

Механический метод заключается в измельчении, размалывании и истирании древесного сырья в водной среде. В результате такой обработки под действием воды и находящихся в ней реагентов, древесина распадается на волокна. Полученная таким способом целлюлоза не может быть полностью очищена от примесей, она имеет высокую жёсткость и цвет древесины.

Применение целлюлозы

Целлюлоза является сырьём для производства бумаги, картона, тканей, пластмасс, плёнок (для кино- и фотоиндустрии), лаков и многого другого. Эфиры целлюлозы используют для производства искусственных волокон (ацетатного, вискозного и др.). Используется целлюлоза и в фармацевтической промышленности, а также для получения глюкозы и в производстве этилового спирта.

Роль в биологии живых организмов

Целлюлоза относится к многомолекулярным углеводам или полисахаридам. В живых организмах она выполняет такие же функции, какие свойственны большинству других углеводов:

  1. Структурная и опорная. Являясь основным строительным материалом для клеточных стенок растений, клетчатка отвечает за их прочность.
  2. Функция защиты. Прочность волокон клетчатки позволяет растениям формировать образования (шипы, колючки), способные защитить растение.
  3. Анаболическая или пластическая функция. Являясь высокомолекулярным соединением, клетчатка участвует в химических процессах пластического обмена (или анаболизма) — той части обмена веществ, что направлена на образование полимерных соединений в организме.
  4. Запасающая. Сохранение живыми организмами в тканях углеводов позволяет делать запас питательных веществ на будущее.
  5. Энергетическая функция. Клетчатка, как и другие углеводы, является источником энергии для живых организмов.
  6. Осмотическая. Целлюлоза участвует в регуляции осмотического давления в тканях.
  7. Рецепторная функция. Некоторые углеводы входят в состав рецепторных клеток.

Клетчатка в организме человека

Человеческий организм не вырабатывает специфических ферментов, способных разрушать молекулы клетчатки. Их гидролиз происходит только в толстом кишечнике под действием бактериальной микрофлоры. Результатом разложения являются глюкоза и целлобиоза. Первая может перерабатываться самими бактериями (при этом образуются органические кислоты), а может и всасываться в кровоток.

Попадая в организм человека, клетчатка:

  • стимулирует перистальтику кишечника и желчеотделение;
  • формирует каловые массы;
  • эмульгирует жиры;
  • абсорбирует холестерин и токсичные вещества.

Также считается, что регулярное употребление в пищу клетчатки может способствовать профилактике атеросклероза, диабета, кариеса, ожирения и рака толстого кишечника.

Источник: https://1001student.ru/himiya/strukturnaya-i-molekulyarnaya-formuly-tsellyulozy-kletchatki.html

Целлюлоза, свойства, получение и применение

Химическое строение целлюлозы

Целлюлоза – природное высокомолекулярное органическое соединение, углевод, полисахарид с формулой (C6H10O5)n.

Целлюлоза, формула, строение, вещество, характеристика:

Целлюлоза, клетчатка (фр. cellulose от лат. cellula – «клетка») – природное высокомолекулярное органическое соединение, углевод, полисахарид с формулой (C6H10O5)n.

Молекулы целлюлозы представляют собой неразветвлённые цепочки из остатков β-D-глюкозы, соединённых гликозидными (водородными) связями β-(1→4).

Химическая формула целлюлозы (C6H10O5)n либо [С6Н7О2(ОН)3]n.

Строение молекулыцеллюлозы, структурная формула целлюлозы:

Молекула целлюлозы образована из множества (от нескольких сотен до десятков тысяч) остатков β-D-глюкозы, связанных между собой гликозидными (водородными) связями.

Молекула целлюлозы имеет линейное строение и склонна принимать вытянутую стержневую конформацию.

Так как макромолекула целлюлозы представляет собой смесь молекул (мономерных звеньев) с различной степенью полимеризации (т.е.

числом мономерных звеньев в молекуле полимера), то она неоднородна по молекулярной массе.

Целлюлоза из древесины имеет типичную длину цепи от 300 до 1700 единиц мономерных звеньев C6H10O5, хлопок и другие растительные волокна, а также бактериальная целлюлоза имеют длину цепи от 800 до 10 000 единиц звеньев C6H10O5.

Молярная масса мономерного звена целлюлозы С6Н10О5 составляет 162,1406 г/моль

Целлюлоза – это растительный полисахарид, являющийся самым распространенным органическим веществом.

Целлюлозаявляется главной составляющей частью и структурным материалом оболочки растительной клетки.

[attention type=red]

 Кроме целлюлозы в состав клеточных оболочек входят еще несколько других углеводов, известных под общим названием гемицеллюлозы (ксилан, маннан, галактан, арабан и др.).

[/attention]

Внешне целлюлоза в чистом виде представляет собой белое твердое волокнистое вещество, без вкуса и запаха.

Волокна целлюлозы обладают высокой механической прочностью.

Целлюлоза не растворяется в воде, слабых кислотах и большинстве органических растворителей. Растворяется в некоторых растворителях, например, в водных смесях комплексных соединений гидроксидов переходных металлов (Сu, Cd, Ni) с NH3 и аминами, в серной и ортофосфорной кислотах, а также в аммиачном растворе гидроксида меди (II) – реактиве Швейцера.

Хорошо впитывает воду из-за наличия гидроксильных групп в своем составе.

Подвергается разложению при участии микроорганизмов и при действии ультрафиолетовых лучей.

Не разрушается при нагревании до 200 оС.

Различные виды целлюлозы (из различных растительных материалов) структурно неоднородны, т.к. расстояние между молекулами  или звеньями молекул целлюлозы, а также взаимное расположение этих молекул  могут быть различны.

Соответственно изменяются прочностные связи между молекулами, а также физические и химические свойства различных видов целлюлозы. Свойства также зависят от количества звеньев в молекуле целлюлозы (т.е. от степени полимеризации).

Например, чем больше расстояние между молекулами или звеньями молекул и чем меньше прочность связи между ними, тем больше гигроскопичность целлюлозы, ее окрашиваемость, более реакционноспособна в процессах этерификации, протекающих в кислой среде, и т.д.

Целлюлоза со степенью полимеризации менее 1000 растворима в концентрированной ортофосфорной кислоте, а целлюлоза со степенью полимеризации ниже 200 – также и в 10-12 % растворе гидроксида натрия.

Нахождение целлюлозы в природе:

В чистом виде в природе не содержится.

Целлюлоза образуется в растениях (в т.ч. водорослях) в результате сложных биохимических реакций в процессе фотосинтеза из простейших углеводов. Она представляет собой составную часть оболочки клеток растений, обеспечивая механическую прочность и эластичность растительной ткани.

В большом количестве целлюлоза содержится в волокнах хлопка – 95-98 %, льна – 60-85 %, в тканях древесины – 40-55 %, в растительных остатках, попадающих в почву (листьях, стеблях и пр.), – 40-90 %, в соломе – до 30 %.

Целлюлоза также встречается у грибов и животных: у некоторых простейших и у оболочников (Tunicata). У последних она выделяется клетками наружных покровов и образует наружную оболочку, или тунику, животного.

Целлюлоза вырабатывается  также некоторыми бактериями, например, бактериями рода Acetobacter.

Физические свойства целлюлозы:

Наименование параметра:Значение:
Цветбелый
Запахбез запаха
Вкусбез вкуса
Агрегатное состояние (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.)твердое вещество
Плотность (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.), г/см31,52-1,54
Плотность (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.), кг/м31520-1540
Температура разложения, °C210
Температура плавления, °C467
Температура кипения, °C
Температура воспламенения, °C275
Температура самовоспламенения, °C420
Удельная теплота сгорания, МДж/кг16,40
Молярная масса мономерного звена целлюлозы С6Н10О5, г/моль162,1406

Химические свойства целлюлозы. Химические реакции целлюлозы:

Из-за наличия трёх гидроксильных групп в каждом звене целлюлоза проявляет свойства многоатомных спиртов, поэтому для нее характерны все химические реакции, свойственные спиртам: образование простых и сложных эфиров органических и неорганических кислот, получение щелочной целлюлозы и др.

Основные химические реакции целлюлозы следующие:

1. гидролиз целлюлозы:

(C6H10O5)n    +   nH2O → nC6H12O6 (t°, H2SO4).

(целлюлоза)                      (глюкоза)

В результате реакции образуется глюкоза.

2. реакция нитрования целлюлозы (т.е. реакция целлюлозы с азотной кислотой).

3. реакция этерификации целлюлозы с уксусной кислотой.

4. реакция пиролиза целлюлозы:

При температуре выше 350 °C в отсутствии кислорода целлюлоза подвергается пиролизу (также называемому “термолизом”), разлагаясь на твердый уголь, пары, аэрозоли и газы, такие как углекислый газ и пр. продукты сложного строения.

5. реакция горения целлюлозы:

(C6H10O5)n + 6nO2 → 6nCO2 + 5nH2O (t°).

В результате реакции происходит полное окисление целлюлозы до углекислого газа и воды.

Производство и получение целлюлозы:

Поскольку в природе в чистом виде целлюлоза не содержится, а, как правило, образуется в растениях, то ее в основном получают из древесины. Производство (получение) целлюлозыявляется одним из этапов производства бумаги.

целлюлозы в древесине составляет порядка 40-55 %. Остальное  – гемицеллюлоза (ксилан, маннан, галактан, арабан и др.) и лигнин. Лигнин (от лат.

lignum – дерево, древесина) – это вещество, характеризующее одеревеневшие стенки растительных клеток, и представляющее собой смесь  ароматических полимеров родственного строения.

[attention type=green]

На лигнин приходится от 18 до 24 % массы древесины лиственных пород и 23-50 % массы хвойных пород. Причем (лигнин) последний выполняет функцию связующего вещества между волокнами целлюлозы.

[/attention]

Если образно сравнить древесину с железобетоном, то получается, что волокна целлюлозы, обладающие высокой прочностью на растяжение, подобны арматуре в железобетоне, а лигнин, обладающий высокой прочностью на сжатие, – бетону.

Гемицеллюлоза в древесине выполняет функцию укрепления волокон целлюлозе.  Она представляет собой растительные гомо- и гетерополисахариды с меньшей, чем у целлюлозы, молекулярной массой (10 000-40 000 г/моль), состоящие из остатков разных пентоз и гексоз.

Целлюлоза получается (выделяется) из древесины двумя методами: механическим и химическим. При любом методе получения целлюлозы древесина предварительно измельчается в щепу.

Механический метод получения целлюлозы:

При механическом методе получения целлюлозы древесную щепу, как правило, истирают или размалывают в водной среде в присутствии специальных реагентов.

Под действием воды, тепла и специальных реагентов лигнин размягчается, и древесина распадается на отдельные волокна. Затем волокна очищаются.

Однако полностью лигнин из полученных волокон не удаляется, а остается на поверхности и внутри них, что сказывается на качестве полученной целлюлозы и в будущем – на получаемых бумажных листах.

Выход «механической» древесной массы получается достаточно высоким.

Бумажные листы из «механической» древесной массы имеют низкую плотность, высокую твердость и жесткость, а также цвет исходной древесины.

Химический метод получения целлюлозы:

Химический метод получения целлюлозы заключается в том, что древесную щепу помещают в кипящий раствор, где варят в  течении длительного времени.

По типу применяемых реагентов различают несколько способов варки древесной щепы:

  • сульфитный. Варочный раствор содержит сернистую кислоту и её соль, например, гидросульфит натрия. Варка происходит при повышенной температуре и давлении. Этот способ варки применяется для получения целлюлозы из малосмолистых пород древесины: ели, пихты;
  • натронный. Используется раствор гидроксида натрия. Данным способом получают целлюлозу из лиственных пород древесины и однолетних растений;
  • сульфатный. Наиболее распространённый способ на сегодняшний день. В качестве реагента используют раствор, содержащий гидроксид и сульфид натрия. Данный способ  пригоден для получения целлюлозы из любого вида растительного сырья.

В процессе варки получают техническую целлюлозу, которая выпадает в осадок, а лигнин взаимодействует с варочным раствором, в результате чего получаются различные химические вещества (кормовые дрожжи, сульфатный лигнин, сульфатное мыло, фитостерин, талловое масло, канифоль, сернистые соединения, метанол, скипидар и пр.).

Техническая целлюлоза для удаления гемицеллюлозы и облагораживания обрабатывается холодным или горячим раствором щелочи, а для удаления остаточного лигнина – хлором, озоном, кислородом, пероксидом водорода, после чего – щелочью. Процесс удаления лигнина также называется отбелкой целлюлозы и имеет цель придание ей белизны.

В итоге получается чистая целлюлоза. Общий объем получаемой химическим способом целлюлозы зависит от способа варки, а так же от вида древесины. Выход составляет от 40 до 65 %.

В отличие от целлюлозы, полученной механическим способом, целлюлоза, полученная химическим способом, имеет белый цвет, большую длину волокон, становится более гибкой.

Применение целлюлозы:

  • для производства бумаги и картона,
  • в качестве наполнителя в таблетках в фармацевтике,
  • для получения искусственных волокон (вискозного, ацетатного, медно-аммиачного шёлка, искусственного меха),
  • для изготовления тканей (хлопок, который большей частью состоит из целлюлозы – 95-98 %),
  • для производства пластмасс, оргстекла, кино и фото пленок и пр.,
  • для производства лаков,
  • для производства порохов,
  • для изготовления нитей, канатов,
  • получение глюкозы, этилового спирта.

Источник публикации

Источник: https://allbreakingnews.ru/cellyuloza-svojstva-poluchenie-i-primenenie/

Целлюлоза | Химия онлайн

Химическое строение целлюлозы

Целлюлоза(клетчатка) — растительный полисахарид, являющийся самым распространенным органическим веществом на Земле.

Этот биополимер обладает большой механической прочностью и выполняет роль опорного материала растений, образуя стенку растительных клеток.

Состав целлюлозы, так же как и крахмала, выражается формулой (C6H10O5)n.

Строение целлюлозы

Макромолекулы целлюлозы – это длинные цепи, состоящие из большого числа  остатков β–глюкозы, связанных β-1,4-гликозидными связями.

Иллюстрация. Фрагмент молекулы целлюлозы

Молекулярная масса целлюлозы — от 400 000 до 2 млн.

Молекулы целлюлозы, в отличие от крахмала, имеют линейное (неразветвленное) строение, вследствие чего целлюлоза легко образует волокна.

Иллюстрация. Строение целлюлозы

Нахождение в природе

Целлюлоза была обнаружена и описана французским химиком Ансельмом Пайеном в 1838 году.

В большом количестве целлюлоза содержится в тканях древесины (40-60%), в волокнах льна (60-85%) и хлопка (95-98%), в вате и фильтрованной бумаге – до 90%. Основная составная часть оболочки растительных клеток. Образуется в растениях в процессе фотосинтеза.

Иллюстрация. Бумага

Иллюстрация. Древесина

Иллюстрация. Картон

Древесина состоит на 50% из целлюлозы, а хлопок и лён, конопля практически чистая целлюлоза.

Хитин (аналог целлюлозы) – основной компонент наружного скелета членистоногих и других беспозвоночных, а также в составе клеточных стенок грибов и бактерий.

Физические свойства целлюлозы

Целлюлоза – твердое волокнистое вещество белого цвета, без вкуса и запаха, нерастворимое в воде и органических растворителях, но хорошо растворимое в аммиачном растворе гидрокисда меди (II) (реактив Швейцера). Из этого раствора кислоты осаждают целлюлозу в виде волокон (гидратцеллюлоза).

Волокна целлюлозы обладают высокой механической прочностью, так как она является основной составной частью стенок и клеток растений.

В отличие от крахмала она не может служить человеку пищей, поскольку не расщепляется в его организме под действием ферментов.

опыт «Растворение целлюлозы в аммиачном растворе гидроксида меди (II)»

Химические свойства целлюлозы

1. Гидролиз целлюлозы

Подобно крахмалу, целлюлоза при нагревании с разбавленными кислотами подвергается гидролизу. Гидролиз целлюлозы происходит при нагревании в кислой среде. Конечным продуктом гидролиза является глюкоза.

При длительном нагревании с минеральными кислотами или под действием ферментов (у жвачных животных) идет ступенчатый гидролиз целлюлозы:

опыт «Кислотный гидролиз целлюлозы»

Гидролиз целлюлозы, иначе называемый осахариванием, — очень важное свойство целлюлозы, он позволяет получить из древесных опилок и стружек глюкозу, а сбраживанием последней – этиловый спирт. Этиловый спирт, полученный из древесины, называется гидролизным.

[attention type=yellow]

2. Образование сложных эфиров (реакция этерификации)

[/attention]

Целлюлоза также не дает реакцию «серебряного зеркала» (нет альдегидной группы), но для нее характерны реакции образования сложных эфиров.

Каждое структурное звено целлюлозы содержит три свободных гидроксила.

Следовательно, целлюлоза может вступать в реакции, характерные для многоатомных спиртов.

Наибольшее практическое значение имеют реакции с азотной кислотой и уксусным ангидридом.

а) Нитрование

При обычной температуре целлюлоза взаимодействует лишь с концентрированными кислотами.

При взаимодействии целлюлозы с концентрированной азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты в качестве водоотнимающего средства образуется сложный эфир -тринитрат целлюлозы:

опыт«Получение и свойства нитроцеллюлозы»

Полностью этерифицированная клетчатка – это тринитрат целлюлозы (пироксилин) – взрывчатое вещество, на его основе изготавливают бездымный порох.

В зависимости от условий нитрования можно получить динитрат целлюлозы, который в технике называется коллоксилином. Он так же используется при изготовлении пороха и твердых ракетных топлив. Кроме того, на основе коллоксилина изготавливают целлулоид.

в) Взаимодействие с уксусным ангидридом

При взаимодействии целлюлозы с уксусным ангидридом в присутствии уксусной и серной кислот образуется триацетилцеллюлоза:

Из триацетата целлюлозы изготавливают лаки, кинопленку и ацетатное волокно.

3. Горениеполноеокисление

4. Термическое разложение целлюлозы без доступа воздуха

Получение целлюлозы

Промышленным методом целлюлозу получают методом варки щепы на целлюлозных заводах, входящих в промышленные комплексы (комбинаты). По типу применяемых реагентов различают следующие способы варки целлюлозы:

  • Кислые:
    • Сульфитный. Варочный раствор содержит сернистую кислоту и её соль, например гидросульфит натрия. Этот метод применяется для получения целлюлозы из малосмолистых пород древесины: ели, пихты.
  • Щелочные:
    • Натронный.Используется раствор гидроксида натрия. Натронным способом можно получать целлюлозу из лиственных пород древесины и однолетних растений. Преимущество данного метода — отсутствие неприятного запаха соединений серы, недостатки — высокая стоимость получаемой целлюлозы. Метод практически не используется.
    • Сульфатный.Наиболее распространенный метод на сегодняшний день. В качестве реагента используют раствор, содержащий гидроксид и сульфид натрия, и называемый белым щелоком. Свое название метод получил от сульфата натрия, из которого на целлюлозных комбинатах получают сульфид для белого щёлока. Метод пригоден для получения целлюлозы из любого вида растительного сырья. Недостатком его является выделения большого количества дурно пахнущих сернистых соединений: метилмеркаптана, диметилсульфида и др. в результате побочных реакций.

Получаемая после варки техническая целлюлоза содержит различные примеси: лигнин, гемицеллюлозы. Если целлюлоза предназначена для химической переработки (например, для получения искусственных волокон), то она подвергается облагораживанию — обработке холодным или горячим раствором щелочи для удаления гемицеллюлоз.

Для удаления остаточного лигнина и придания целлюлозе белизны проводится её отбелка. Традиционная для 20 века хлорная отбелка включала в себя две ступени:

  • обработка хлором — для разрушения макромолекул лигнина;
  • обработка щелочью — для экстракции образовавшихся продуктов разрушения лигнина.

Применение целлюлозы

Целлюлоза используется в производстве бумаги и картона, искусственных волокон, пленок, пластмасс, лакокрасочных материалов, бездымного пороха, взрывчатки, твердого ракетного топлива, для получения гидролизного спирта и многое другое.

  • Изготовление нитей, канатов, бумаги.
  • Получение глюкозы, этилового спирта (для получения каучука).
  • Получение ацетатного шёлка – искусственное волокно, оргстекла, негорючей плёнки из ацетилцеллюлозы.
  • Получение бездымного пороха из триацетилцеллюлозы (пироксилин).
  • Получение коллодия (плотная плёнка для медицины) и целлулоида   (изготовление киноленты, игрушек) из диацетилцеллюлозы.

Иллюстрация. Применение природных волокон, содержащих целлюлозу

Иллюстрация. Применение сложных эфиров целлюлозы

Производные целлюлозы

К важнейшим производным целлюлозы относятся искусственные полимеры/

Метилцеллюлоза (простые метиловые эфиры целлюлозы) общей формулы

[С6Н7О2(ОН)3-х(ОСН3)х]n (х=1, 2 или  3)

Ацетилцеллюлоза (триацетат целлюлозы) – сложный эфир целлюлозы и уксусной кислоты

[С6Н7О2(ОСОСН3)3]n

Нитроцеллюлоза (нитраты целлюлозы) – сложные азотнокислые эфиры целлюлозы

[С6Н7О2(ОН)3-х(ОNO2)х]n (х=1, 2 или  3)

Вискозное волокно. Целлофан

Эти полимерные материалы состоят из практически чистой целлюлозы, но для их получения исходную целлюлозу путем химической модификации сначала превращают в растворимую форму, а затем в процессе формования восстанавливают.

Углеводы

Полисахариды

Источник: https://himija-online.ru/organicheskaya-ximiya/uglevody/cellyuloza.html

Х и м и я

Химическое строение целлюлозы

На этой странице мы рассмотрим несахароподобные полисахариды.

Полисахариды — общее название класса сложных высокомолекулярных углеводов, молекулы которых состоят из десятков, сотен или тысяч мономеров — моносахаридов.

Важнейшие представители несахароподобных полисахаридовкрахмал и целлюлоза (клетчатка).

Эти углеводы во многом отличаются от моно- и олигосахаридов. Они не имеют сладкого вкуса, большинство из них не растворимо в воде. По этой причине их называют несахароподобными (в отличие от сахароподобных олигосахаридов, которые также относятся к полисахаридам).

Олигосахариды имеют знаительно меньший размер молекул и свойства, близкие к моносахаридам.

Несахароподобные полисахариды представляют собой высокомолекулярные соединения, которые под каталитическим влиянием кислот или ферментов подвергаются гидролизу с образованием более простых полисахаридов, затем дисахаридов и, в конечном итоге, множества (сотен и тысяч) молекул моносахаридов.

Химическое строение полисахаридов.

По химической природе полисахариды стоит рассматривать как полигликозиды (полиацетали). Каждое звено моносахарида связано гликозидными связями с предыдущим и последующим звеньями.

При этом для связи с последующим звеном предоставляется полуацетальная (гликозидная) гидроксильная группа, а с предыдущим – спиртовая гидроксильная группа.

На конце цепи находится остаток восстанавливающегося моносахарида. Но поскольку доля концевого остатка относительно всей макромолекулы весьма невелика, то полисахариды проявляют очень слабые восстановительные свойства.

[attention type=red]

Гликозидная природа полисахаридов обусловливает их гидролиз в кислой и высокую устойчивость в щелочной средах.

[/attention]

Полисахариды имеют большую молекулярную массу. Им присущ характерный для высокомолекулярных веществ более высокий уровень структурной организации макромолекул.

Наряду с первичной структурой, т.е. определённой последовательностью мономерных остатков, важную роль играет вторичная структура, определяемая пространственным расположением молекулярной цепи.

Классификация полисахаридов

Полисахариды можно классифицировать по разным признакам.

Полисахаридные цепи могут быть:

  • разветвлёнными или
  • неразветвлёнными (линейными).

Также, различают:

  • гомополисахаридами – полисахариды, состоящие из остатков одного моносахарида,
  • гетерополисахариды – полисахариды, состоящие из остатков разных    моносахаридов.

Наиболее изучены гомополисахариды.

Их можно разделить по их происхождению:

  • гомополисахариды растительного происхождения
  •      – Крахмалл,      – Целюлоза,      – Пектиновые вещества и т.д.

  • гомополисахариды животного происхождения
  •      – Гликоген,      – Хитин и т.д.

  • гомополисахариды бактериального происхождения
  •      – Гекстраны.

Гетерополисахариды, к числу которых относятся многие животные и бактериальные полисахариды, изучены меньше, однако они играют важную биологическую роль.

Гетерополисахариды в организме связаны с белками и образуют сложные надмолекулярные комплексы.

Для полисахаридов используется общее название гликаны.

Гликаны могут быть:

  • гексозанами (состоят из гексоз),
  • пентозанами, (состоят из пентоз).

В зависимости от природы моносахарида различают:

  • глюканы (в основе – моносахарид глюкоза),
  • маннаны (в основе – моносахарид манноза),
  • галактаны (в основе – моносахарид галактоза) и т.п.

Крахмал

Крахмал (С6Н10О5)n – белый (под микроскопом зернисый) порошок, нерастворимый в холодной воде. В горячей воде крахмал набухает, образуя коллоидный раствор (крахмальный клейстер). С раствором йода даёт синее окрашивание (характерная реакция).

Крахмал образуется в результате фотосинтеза, в листьях растений, и запасается в клубнях, корнях, зёрнах.

Химическое строение крахмала

Крахмал представляет собой смесь двух полисахаридов, построенных из глюкозы (D-глюкопиранозы): амилозы (10-20%) и амилопектина (80-90%).

Дисахаридным фрагментом амилозы является мальтоза. В амилозе D-глюкопиранозные остатки связаны альфа(1-4) гликозидными связями.

По данным рентгеноструктурного анализа макромолекула амилозы свёрнута в спираль. На каждый виток спирали приходится 6 моносахаридных звеньев.

Амилопектин в отличие от амилозы имеет разветвлённое строение.

В цепи D-глюкопиранозные остатки связаны альфа(1-4)-гликозидными связями, а в точках разветвления – бета(1-6)-гликозидными связями. Между точками разветвления располагается 20-25 глюкозидных остатков.

Цепь амилозы включает от 200 до 1000 глюкозных остатков, молекулярная масса
160 000. Молекулярная масса амилопектина достигает 1-6 млн.

Гидролитическое расщепление крахмала

В пищеварительном тракте человека и животных крахмал подвергается гидролизу и превращается в глюкозу, которая усваивается организмом.

В технике превращение крахмала в глюкозу (процесс осахаривания) осуществляется путём кипячения его в течение нескольких часов с разбавленной серной кислотой. Впоследствии серную кислоту удаляют.

Получается густая сладкая масса, так называемая крахмальная патока, содержащая, кроме глюкозы, значительное количество других продуктов гидролиза крахмала.

[attention type=green]

Патока применяется для приготовления кондитерских изделий и различных технических целей.

[/attention]

Если требуется получить чистую глюкозу, то кипячение крахмала ведут дольше. Этим достигается более высокая степень гидролиза крахмала.

При нагревании сухого крахмала до 200-500 град. С происходит частичное разложение его и получается смесь менее сложных, чем крахмал полисахаридов, называемых декстринами.

Разложением крахмала на декстрины объясняется образование блестящей корки на печёном хлебе. Крахмал муки, превращённый в декстрины, легче усваивается вследствие большей растворимости.

Гликоген

В животных организмах этот полисахарид является структурным и функциональным аналогом растительного крахмала.

Откладывается в виде гранул в цитоплазме во многих типах клеток (главным образом печени и мышц).

Химическое строение гликогена

По строению гликоген подобен амилопектину (структурную формулу см. выше). Но молекулы гликогена значительно больше молекул амилопектина и имеют более разветвленную структуру. Обычно между точками разветвления содержится 10-12 глюкозных звеньев, а иногда даже 6.

Сильное разветвление способствует выполнению гликогеном энергетической функции, так как только при наличии большого числа концевых остатков можно обеспечить быстрое отщепление нужного количества молекул глюкозы.

Молекулярная масса у гликогена необычайно велика. Измерения показали, что она равна 100 млн. Такой размер макромолекул содействует выполнению функции резервного углевода. Так, макромолекула гликогена из-за большого размера не проходит через мембрану и остаётся внутри клетки, пока не возникнет потребность в энергии.

Функции гликогена в метаболизме

Гликоген является основной формой хранения глюкозы в животных клетках.

Гликоген образует энергетический резерв, который может быть быстро мобилизован при необходимости восполнить внезапный недостаток глюкозы.

Гликогеновый запас, однако, не столь ёмок в калориях на грамм, как запас триглицеридов (жиров). Он имеет скорее локальное значение. Только гликоген, запасённый в клетках печени (гепатоциты) может быть переработан в глюкозу для питания всего организма.

Гидролиз гликогена в кислой среде протекает очень легко с количественным выходом глюкозы.

Аналогично гликогену в животных организмах, в растениях такую же роль резервного полисахарида выполняет амилопектин, имеющий менее разветвлённое строение.

Меньшая разветвлённость связана с тем, что в растениях значительно медленнее протекают метаболические процессы и не требуется быстрый приток энергии, как это иногда бывает необходимо животному организму (стрессовые ситуации, физическое или умственное напряжение).

Целлюлоза (клетчатка)

Целлюлоза – наиболее распространённый растительный полисахарид. Она обладает большой механической прочностью и выполняет роль опорного материала растений.

Наиболее чистая природная целлюлозахлопковое волокно – содержит 85-90% целлюлозы. В древесине хвойных деревьев целлюлозы содержится около 50%.

Химическое строение целлюлозы

Структурной единицей целлюлозы является D-глюкопираноза, звенья которой связаны бета(1-4)-гликозидными связями.

Биозный фрагмент целлюлозы представляет собой целлобиозу. Макромолекулярная цепь не имеет разветвлений, в ней содержится от 2500 до 12 000 глюкозных остатков, что соответствует молекулярной массе от 400 000 до 1-2 млн.

Бета-Конфигурация аномерного атома углерода приводит к тому, что макромолекула целлюлозы имеет строго линейное строение. Этому способствует образование водородных связей внутри цепи, а также между соседними цепями.

Такая упаковка цепей обеспечивает высокую механическую прочность, волокнистость, нерастворимость в воде и химическую инертность, что делает целлюлозу прекрасным материалом для построения клеточных стенок растений.

Целлюлоза не расщепляется обычными ферментами желудочно-кишечного тракта, но она является необходимым для питания баластным веществом.

Использование целлюлозы

Значение целлюлозы очень велико. Достаточно указать, что огромное количество хлопкового волокна идёт для выработки хлопчатобумажных тканей.

Из целлюлозы получают бумагу и картон, а путём химической переработки – целый ряд разнообразных продуктов: искусственное волокно, пластические массы, лаки, этиловый спирт.

Большое практическое значение имеют эфирные производные целлюлозы: ацетаты (искусственный шёлк), ксантогенты (вискозное волокно, целлофан), нитраты (взрывчатые вещества, коллоксилин) и др.

Источник: http://xn----7sbb4aandjwsmn3a8g6b.xn--p1ai/views/alchemy/theory/chemistry/biochemistry/polysaccharides.php

Сам себе врач
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: