Bài 4. Giới thiệu về carbohydrate. Glucose và fructose
Tìm hiểu về carbohydrate, cấu tạo và tính chất của glucose và fructose.
Lý thuyết Carbohydrate - Glucose - Fructose
1 1. Giới thiệu về Carbohydrate
a) Định nghĩa
Carbohydrate (Glucid): Hợp chất hữu cơ tạp chức có công thức chung Cₙ(H₂O)ₘ
Tên gọi: Carbohydrate = Carbon + Hydrate (hydrat carbon)
Lưu ý: Không phải tất cả carbohydrate đều có công thức Cₙ(H₂O)ₘ
- Deoxyribose: C₅H₁₀O₄ (không theo công thức)
- Acid glucuronic: C₆H₁₀O₇ (không theo công thức)
b) Phân loại
1. Monosaccharide (Đường đơn):
- Không thủy phân được
- Ví dụ: Glucose (C₆H₁₂O₆), Fructose (C₆H₁₂O₆), Ribose (C₅H₁₀O₅)
2. Disaccharide (Đường đôi):
- Thủy phân → 2 phân tử monosaccharide
- Ví dụ: Saccharose (C₁₂H₂₂O₁₁), Maltose (C₁₂H₂₂O₁₁), Lactose (C₁₂H₂₂O₁₁)
3. Polysaccharide (Đường đa):
- Thủy phân → nhiều phân tử monosaccharide
- Ví dụ: Tinh bột (C₆H₁₀O₅)ₙ, Cellulose (C₆H₁₀O₅)ₙ, Glycogen
c) Vai trò sinh học
1. Nguồn năng lượng:
- Glucose: Nguồn năng lượng chính (4 kcal/g)
- Tinh bột: Dự trữ năng lượng (thực vật)
- Glycogen: Dự trữ năng lượng (động vật)
2. Cấu trúc tế bào:
- Cellulose: Thành phần thành tế bào thực vật
- Chitin: Vỏ giáp xác côn trùng
3. Di truyền:
- Ribose, Deoxyribose: Thành phần RNA, DNA
4. Khác:
- Heparin: Chống đông máu
- Hyaluronic acid: Bôi trơn khớp
d) Nguồn carbohydrate
Thực vật:
- Tinh bột: Gạo, ngô, khoai, sắn
- Cellulose: Gỗ, bông, cây cỏ
- Saccharose: Mía, củ cải đường
Động vật:
- Glycogen: Gan, cơ
- Lactose: Sữa
2 2. Glucose (C₆H₁₂O₆)
a) Cấu tạo phân tử
Công thức phân tạo dạng mạch hở:
CHO-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-CH₂OH
Có 1 nhóm aldehyde (-CHO) và 5 nhóm hydroxyl (-OH)
Công thức vòng (dạng α và β):
- Glucose tồn tại chủ yếu ở dạng vòng 6 cạnh (pyranose)
- Dạng α-glucose: Nhóm -OH ở C₁ hướng xuống
- Dạng β-glucose: Nhóm -OH ở C₁ hướng lên
b) Tính chất vật lý
- Chất rắn kết tinh, không màu
- Vị ngọt (ngọt hơn saccharose)
- Tan tốt trong nước
- Nhiệt độ nóng chảy: 146°C
- Quay mặt phẳng phân cực ánh sáng (phải)
c) Tính chất hóa học
1. Phản ứng của nhóm -CHO (tính khử):
a) Tráng gương (Tollens):
C₆H₁₂O₆ + 2AgNO₃ + 3NH₃ + H₂O → C₆H₁₂O₇ + 2Ag↓ + 2NH₄NO₃
Glucose → Acid gluconic + Bạc
b) Với Cu(OH)₂:
Ở nhiệt độ thường:
C₆H₁₂O₆ + Cu(OH)₂ → Phức màu xanh lam
Đun nóng:
C₆H₁₂O₆ + 2Cu(OH)₂ → C₆H₁₂O₇ + Cu₂O↓ (đỏ gạch) + H₂O
2. Phản ứng của nhóm -OH:
a) Phản ứng este hóa:
C₆H₁₂O₆ + 5CH₃COOH → C₆H₇O(OCOCH₃)₅ + 5H₂O
Tạo glucose pentaacetate
3. Phản ứng lên men:
C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂ (men rượu, 30-35°C)
Lên men rượu
C₆H₁₂O₆ → 2CH₃-CH(OH)-COOH (men lactic, 35-40°C)
Lên men lactic (tạo sữa chua)
d) Điều chế
1. Thủy phân tinh bột:
(C₆H₁₀O₅)ₙ + nH₂O → nC₆H₁₂O₆ (H⁺, t°)
2. Quang hợp:
6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ (ánh sáng, diệp lục)
e) Ứng dụng
- Thực phẩm: Đường ăn, nước giải khát
- Y tế: Truyền dịch, cấp năng lượng
- Công nghiệp: Sản xuất ethanol, vitamin C
- Mỹ phẩm: Kem dưỡng da
3 3. Fructose (C₆H₁₂O₆)
a) Cấu tạo phân tử
Công thức dạng mạch hở:
CH₂OH-CO-CHOH-CHOH-CHOH-CH₂OH
Có 1 nhóm ketone (>C=O) và 5 nhóm hydroxyl (-OH)
Công thức vòng:
- Fructose tồn tại chủ yếu ở dạng vòng 5 cạnh (furanose)
b) Tính chất vật lý
- Chất rắn kết tinh, không màu
- Vị ngọt nhất (ngọt hơn glucose và saccharose)
- Tan tốt trong nước
- Nhiệt độ nóng chảy: 103°C
- Quay mặt phẳng phân cực ánh sáng (trái)
c) Tính chất hóa học
1. Tính khử (yếu hơn glucose):
Fructose có nhóm ketone nhưng vẫn có tính khử do chuyển hóa thành glucose trong môi trường kiềm
a) Tráng gương:
C₆H₁₂O₆ (fructose) → C₆H₁₂O₆ (glucose) → Tráng bạc
b) Với Cu(OH)₂:
Tương tự glucose, tạo phức xanh lam và Cu₂O đỏ gạch khi đun nóng
2. Phản ứng lên men:
C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂ (men rượu)
d) So sánh Glucose và Fructose
| Đặc điểm | Glucose | Fructose |
|---|---|---|
| Công thức | C₆H₁₂O₆ | C₆H₁₂O₆ |
| Nhóm chức | Aldehyde (-CHO) | Ketone (>C=O) |
| Vòng | 6 cạnh (pyranose) | 5 cạnh (furanose) |
| Vị ngọt | Ngọt | Ngọt nhất |
| Tính khử | Mạnh | Yếu hơn |
| Quang hoạt | Phải (+) | Trái (-) |
| Nguồn | Tinh bột, mật ong | Hoa quả, mật ong |
e) Ứng dụng Fructose
- Thực phẩm: Đường cho người tiểu đường
- Nước giải khát: Ngọt tự nhiên
- Mật ong: Thành phần chính
- Y tế: Truyền dịch (hấp thụ chậm hơn glucose)
Các dạng bài tập
1 Dạng 1: Bài toán tráng gương glucose
Phương pháp:
- Viết PTHH tráng gương
- Tính mol Ag theo glucose
- Lưu ý: 1 mol glucose → 2 mol Ag
Ví dụ minh họa
Tính số mol glucose:
M(C₆H₁₂O₆) = 180 g/mol
n(glucose) = 18 / 180 = 0.1 mol
a) Phản ứng tráng gương:
C₆H₁₂O₆ + 2AgNO₃ + 3NH₃ + H₂O → C₆H₁₂O₇ + 2Ag↓ + 2NH₄NO₃
n(Ag) = 2 × n(glucose) = 2 × 0.1 = 0.2 mol
m(Ag) = 0.2 × 108 = 21.6g
b) Với Cu(OH)₂ đun nóng:
C₆H₁₂O₆ + 2Cu(OH)₂ → C₆H₁₂O₇ + Cu₂O↓ + H₂O (t°)
n(Cu₂O) = n(glucose) = 0.1 mol
M(Cu₂O) = 144 g/mol
m(Cu₂O) = 0.1 × 144 = 14.4g
c) So sánh:
| Phản ứng | Tráng gương | Cu(OH)₂ |
|---|---|---|
| Tỉ lệ mol | 1 : 2 | 1 : 1 |
| Sản phẩm | Ag (bạc) | Cu₂O (đỏ gạch) |
| Nhiệt độ | Đun nhẹ | Đun sôi |
Đáp án: a) 21.6g Ag; b) 14.4g Cu₂O
2 Dạng 2: Bài toán lên men glucose
Phương pháp:
- Viết PTHH lên men
- Tính mol sản phẩm
- Tính theo hiệu suất
Ví dụ minh họa
Tính số mol glucose:
n(glucose) = 360 / 180 = 2 mol
a) Tính thể tích ethanol:
C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂
n(C₂H₅OH) lý thuyết = 2 × 2 = 4 mol
n(C₂H₅OH) thực tế = 4 × 80% = 3.2 mol
m(C₂H₅OH) = 3.2 × 46 = 147.2g
V(C₂H₅OH) = 147.2 / 0.8 = 184 ml
b) Tính thể tích CO₂:
n(CO₂) = n(C₂H₅OH) = 3.2 mol
V(CO₂) = 3.2 × 22.4 = 71.68 lít
c) Tính độ rượu:
Độ rượu = V(ethanol) / V(dung dịch) × 100%
Độ rượu = 184 / 500 × 100% = 36.8°
Đáp án: a) 184 ml; b) 71.68 lít; c) 36.8°
3 Dạng 3: Bài toán thực tế - Sản xuất ethanol từ nguyên liệu
Phương pháp:
- Tính glucose từ nguyên liệu
- Tính ethanol qua lên men
- Đánh giá hiệu quả kinh tế
Ví dụ minh họa
a) Tính khối lượng ethanol:
Bước 1: Tính tinh bột
m(tinh bột) = 10,000 × 75% = 7,500 kg
Bước 2: Thủy phân tinh bột
(C₆H₁₀O₅)ₙ + nH₂O → nC₆H₁₂O₆
162n kg → 180n kg
7,500 kg → x kg
x = 7,500 × 180 / 162 = 8,333 kg glucose (lý thuyết)
m(glucose) thực tế = 8,333 × 90% = 7,500 kg
Bước 3: Lên men glucose
C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂
180 kg → 92 kg
7,500 kg → y kg
y = 7,500 × 92 / 180 = 3,833 kg (lý thuyết)
m(ethanol) thực tế = 3,833 × 85% = 3,258 kg
b) Tính lợi nhuận:
Chi phí:
- Gạo: 10,000 × 15,000 = 150,000,000 đ
- Enzyme, năng lượng: ~30,000,000 đ
- Tổng: 180,000,000 đ
Doanh thu:
V(ethanol) = 3,258 / 0.8 = 4,072.5 lít
Doanh thu = 4,072.5 × 25,000 = 101,812,500 đ
Lợi nhuận:
Lỗ = 180,000,000 - 101,812,500 = -78,187,500 đ
Nhận xét: Sản xuất ethanol từ gạo không hiệu quả kinh tế!
c) So sánh với ethanol từ dầu mỏ:
| Tiêu chí | Từ gạo | Từ dầu mỏ |
|---|---|---|
| Nguyên liệu | Gạo (lương thực) | Ethylene (dầu mỏ) |
| Hiệu suất | 76.5% (90%×85%) | 95% |
| Chi phí | Cao (gạo đắt) | Thấp hơn |
| Môi trường | Tái tạo, carbon neutral | Không tái tạo, CO₂ |
| Đạo đức | Cạnh tranh lương thực | Không ảnh hưởng |
Khuyến nghị:
- Không nên dùng gạo (lương thực) để sản xuất ethanol
- Nên dùng: Mía, sắn, rơm rạ (cellulose)
- Ethanol sinh học chỉ hiệu quả với nguyên liệu rẻ
Đáp án: a) 3,258 kg; b) Lỗ 78 triệu đồng; c) Không hiệu quả
Sẵn sàng thử thách bản thân?
Hoàn thành 22 câu hỏi để củng cố kiến thức và kiểm tra mức độ hiểu bài
Làm bài tập ngay