Szervetlen kémia – Klór (Inorganic Chemistry - Chlorine)

Szervetlen kémia - Klór

A klór a periódusos rendszer egy kémiai eleme. Vegyjele Cl, rendszáma 17. A VII. főcsoportba, a halogének közé tartozik. Erősen mérgező, szúrós szagú, zöld színű gáz, melyet kétatomos klórmolekulák (Cl2) alkotnak. Reakciókészsége nagy, csaknem minden elemmel reagál. Vegyértékelektronszerkezete : 3s2, 3p5. Oxidációs száma -1

Molekulaszerkezete lineáris, molekulapolaritása apoláris, molekularács jellemző rá. A levegőnél nagyobb sűrűségű, apoláris jellege miatt apoláris oldószerekben jól oldódik. Vízben is viszonylag jól oldódik, mert kémiai reakció megy végbe. A klór erős oxidálószer, fertőtlenítő hatása baktériumölő tulajdonságán alapul, amelyet először Semmelweis Ignác magyar szülészorvos alkalmazott eredményesen a gyermekágyi láz visszaszorításában.

Reakciója hidrogénnel robbanásszerű, mert exoterm láncreakció. A klór szénhidrogénekkel addíciós és szubsztitúciós reakciókba lép. Előfordulása: Vegyületekben: Kősó (NaCl) Előállítása: laboratóriumban sósavból (elektrolízissel)

Szervetlen kémia

A szervetlen kémia a kémia egyik jelentős ága, mely a szervetlen vegyületek tulajdonságaival és reakcióival foglalkozik. Általánosságban szervetlen vegyületek azok az anyagok, melyek nem tartoznak a szerves kémia hatáskörébe, azaz minden olyan vegyület, mely nem tartalmaz szén-szén, illetve szén-hidrogén kötéseket. Ilyenformán tehát a fentieken kívül a periódusos rendszer minden eleme és azok vegyületei a szervetlen kémia tárgykörébe tartoznak.

A határ a két tudományterület között nem éles, bár a legtöbb esetről egyszerűen eldönthető, hogy hova tartozik. A szervetlen szénvegyületek, mint például a karbonátok egyértelműen a szervetlen kémia tárgykörébe tartoznak. (A szénhidrogének, szénhidrátok szerves vegyületek.)

A szervetlen kémia területei 

A szervetlen kémia többek között az alábbiakkal foglalkozik:

• Ásványok, sók, szilikátok
• Fémek (pl.: vas, réz, cink) és ezek ötvözetei (például bronz)
• Fémes és nemfémes elemek (pl.: hidrogén, oxigén, klór, foszfor) és ezek vegyületei (pl.: víz, szén-dioxid)
• Fémkomplexek és kelátok

A szervetlen kémia az elméleti kémia, elsősorban a fizikai kémia eredményeire támaszkodik. Számos egyéb tudományágat alapoz meg, vagy van velük szoros kapcsolatban (pl.: analitikai kémia, geokémia, környezeti kémia, ásványtan)

A szervetlen kémia speciális területei a fémorganikus kémia és a bioszervetlen kémia. Ez utóbbi a szerves és a szervetlen kémia határterületének is tekinthetők.

Szerves kémia (Organic chemistry)

A szerves kémia a szénvegyületek kémiája. A szénatomok különleges tulajdonsága, hogy egymással kovalens kötést képezve elvileg korlátlan számú szénatom összekapcsolódhat láncokká, gyűrűkké.

Képletek írása: Egy szerves vegyület azonosításához nem elég az összegképletét felírni. Már a legegyszerűbb összegképletek is többféle anyagot jelenthetnek, pl. C2H6O lehet egy éter vagy etil-alkohol képlete is. A szénatom a szerves vegyületekben mindig négy kovalens kötést képez.

Szerkezeti képletek: A szerkezeti vagy konstitúciós képlet megmutatja az atomok egymáshoz való kapcsolódásának a sorrendjét, de nem adja vissza a vegyület térszerkezetét. Az egyszerűsített vonalképletek esetén a vegyjeleket nem írjuk ki, csak vonalakat, félkonstitúciós képlet: CH3-CH2-CH3.

Miért alakult ki a szerves kémia?

• a szénnek egyedülálló kémiája van
  
  • kapcsolódni tud az összes többi elemhez
  • hosszú láncokban tud saját magához kapcsolódni
• a szerves kémia változatossága lenyûgözô
  
  • sok lehetséges molekulaszerkezet
  • sok lehetséges reakció

Miért tanulunk szerves kémiát?

• mit csinálnak a szerves kémikusok?
  
  • molekulaszerkezetek, reakciók megértése
  • a molekulaszerkezet és a tulajdonság viszonya
  • egyéni tulajdonságú vegyületek elõállítása
• kinek van még szüksége a szerves kémiára?
• az összes életfolyamat alapja
  a sok lehetséges molekulaszerkezet és reakció teszi lehetõvé az életet

Hogyan kezeljük a változatosságot?

• nevezéktan (nomenklatúra)
• világos módszerek a molekulák és a reakciók elnevezésére
• molekulák
  
  • funkciós csoportok szerint csoportosítva
• reakciók
  
  • reakciótípus szerint csoportosítva (mi történik?)
  • reakciómechanizmus szerint csoportosítva (hogyan történik?)

Mit kell a szerves kémiával megoldanunk?

• összetett nevekbõl meghatározni a molekulaszerkezetet
• összetett szerkezetekben funkciós csoportokat felismerni, jellemzõ tulajdonságokat megjósolni
• reakciómechanizmusokkal dolgozni - hogyan viselkedhet egy molekula bizonyos körülmények között
• "úgy gondolkodni, ahogy egy molekula"

Vegyünk egy reakciót!

• CH₃OH + HCl —> CH₃Cl + H₂O
• Reakciótípus?
  
  • sav/bázis, oxidáció/redukció, addíció/elimináció, szubsztitúció, átrendezõdés
  • szubsztitúció -- Cl-t OH-ra (határozzuk meg a felszakadó és keletkezõ kötéseket)
• Reakciómechanizmus ?
  
  • hogyan zajlik a reakció (lépésrõl lépésre)

Nézzünk egy reakciómechanizmust!

• Szedjük szét a molekulát atomokra!
• Rakjuk össze a termékké!
• Mi a rossz ezzel a mechanizmussal?
• Túl sok energiát igényelne (szükségtelenül).

Egy jobb mechanizmust...

• Egyensúlyozzuk a kötés felhasítását kötés kialakításával.
• Elõször egy sav-bázis reakció:
  CH₃OH + HCl —> CH₃OH₂⁺ + Cl^-
• Majd egy szubsztitúció:
  CH₃OH₂⁺ + Cl^- —> CH₃Cl + H₂O

A periódusos rendszer

• atomszám (meghatározza az elemet)
• atomtömeg (izotópok)
• elektron -- elektronhéjak (sorok)
• csoportok (hasonló tulajdonságok)
• betöltött elektronhéjak (nemesgázok)
• vegyérték-elektronok (kémiai kötéshez)

Lewis-szerkezetek

• az oktett szabály
  - az atomok arra törekszenek, hogy 8 vegyérték-elektronjuk legyen (betöltött héjl)
• ionos kötés
  - elektronfelvétel vagy -leadás
  - az elektrosztatikus vonzás stabilizálja
• kovalens kötés
  - elektronmegosztás
  - a legáltalánosabb kötés a szerves molekulákban

Atompályák

• hullámfügvények
  - leírják az elektronok helyét
• s pályák (gömbölyû)
• p pályák (három: x,y,z)
  - (súlyzó alakú - 2 lebeny)
• d pályák (4 lebeny)
  - általában nem szükséges a szerves kémiához
• hibrid pályák
  - kombinált pályák

Hibrid pályák

• sp hibridek (egy s plusz egy p)
  - két azonos pályát ad (egyenes)
• sp2 hibridek (egy s plusz két p)
  - három azonos pályát ad (háromszög alakú)
• sp3 hibridek (egy s plusz három p)
  - négy azonos pályát ad (tetraéderes)

Kötés

• vonzás a negatív elektronok és a pozitív mag között
  - taszítás az elektronok között
  - taszítás a magok között
• a kötés a vonzóerõk és a taszítóerõk egyensúlya
• jellemzõ kötéstávolság és kötéserõsség

Molekulapályák

• az atompályák átfedése
• az elektronok két mag közelében vannak
• kötõ és nem kötõ kombinációk

Szigma-kötések

• hengerszimmetria
• az atompályák végeinek átfedésével keletkezik

Pi-kötések

• a kötéstengelyen keresztül csomósík
• az atompályák oldalának átfedésével keletkezik

Szerves molekulák ábrázolása

• Lewis-képlet
  - minden elektront ábrázolunk
• Kekulé-képlet
  - a kötéseket vonalak jelölik
  - a magános elektronpárokat néha elhagyjuk
• vonalas képlet
  - elhagyjuk a magános elektronpárokat
  - elhagyjuk a hidrogént a szénatomokon
  - elhagyjuk a szénatomokat
  (feltételezzük, hogy minden kötés végén szén van)

3 dimenziós szerkezetek

• pontozott vonal / ék
• golyó és pálcika
• térkitöltés

---

A kémiai szerkezet megjelenítése

• Név (triviális vagy szisztematikus)
• Tömör képlet (ahogy általában nyomtatva van)
• Lewis-képlet (az összes atom és kötés fel van tüntetve)
• Vonalas képlet (elhagyja a hidrogéneket; a szénatomokat a csúcsok jelentik)
• 3-D szerkezet (jelzi a kötések térbeli elhelyezkedését)
• Golyó és pálcika képlet (mit egy molekulamodell)
• Térkitöltéses modell (az elektroneloszlás teljes méretét közelíti) 

Jellemzõ vegyérték

• H: 1 vegyérték-elektron, 1 kötés
• C: 4 vegyérték-elektron, 4 kötés
• N: 5 vegyérték-elektron, 3 kötés + 1 magános elektronpár
• O: 6 vegyérték-elektron, 2 kötés + 2 magános elektronpár
• F: 7 vegyérték-elektron, 1 kötés + 3 magános elektronpár

Molekulapályák

• H + H —> H-H
• s + s —> szigma-kötés
• H-H kötéshossz: 0,74 A
• H-H kötéserõsség: 104 kcal/mol

Metán

• C + 4 H —> CH₄
• sp³ + s —> négy szigma-kötés
• C-H kötéshossz: 1,10 A
• C-H kötéserõsség: 104 kcal/mol
• elhelyezkedés - tetraéderes
• kötésszögek: 109,5^o

Miért hibrid pályák?

• jó alak (irány)
• a kötésnél nagyfokú átfedés lehetséges
• maximális az elektronok sûrûsége az atomok között
• jó irányítottság
• minimális taszítás a pályák között

Etán

• CH₃CH₃
• egy C-C szigma-kötést tartalmaz
• sp³ - sp³ pályák átfedése
• C-C kötéshossz: 1,54 A
• C-C kötéserõsség: 88 kcal/mol
• C-H kötéshossz: 1,10 A
• C-H kötéserõsség: 98 kcal/mol
• irányítottság - két tetraéder

Etilén

• CH₂=CH₂
• egy C=C kettõs kötést tartalmaz (alkén család)
• sp² - sp² pályák átfedése (szigma-kötés)
• p - p pályák átfedése (pi-kötés)
• C-C kötéshossz : 1,33 A
• C-C kötéserõsség: 152 kcal/mol
• C-H kötéshossz: 1,08 A
• C-H kötéserõsség: 103 kcal/mol
• irányítottság - sík
• kötésszög 120^o

Acetilén

• HC⁼CH
• egy C⁼C hármas kötést tartalmaz (alkin család)
• sp - sp pályák átfedése (szigma-kötés)
• p - p pályák átfedése (két pi-kötés)
• C-C kötéshossz: 1,20 A
• C-C kötéserõsség: 200 kcal/mol
• C-H kötéshossz: 1,06 A
• C-H kötéserõsség: 125 kcal/mol
• irányítottság - egyenes

Kötéstendenciák

A kötéshosszak Angströmben (a kötéserõsségek kcal/mol-ban)

Vegyület	Hibridizáció	C-C kötés	C-H kötés
Etán	sp3	1.54 (88)	1.10 (98)
Etilén	sp2	1.33 (152)	1.08 (103)
Acetilén	sp	1.20 (200)	1.06 (125)

• a többszörös kötések erõsebbek
• a rövidebb kötések erõsebbek

Elektronegativitás

• egy atom elektronvonzó hajlama
• a periódusos rendszerben az elektronegativitás jobbra és felfelé növekszik
• F > O > Cl ~ N > Br > C > H > fémek

Poláris kovalens kötés

• a kovalens kötésben résztvevõ elektronok nem mindig egyformán megosztottak
  a H-Cl ténylegesen d⁺ H-Cl d^-
  ahol a d⁺ és a d^- a parciális töltést jelöli

A szén kötéseinek polárossága

• a C-C kötés nem poláros
• a C-H kötés általában apolárosnak tekinthetõ
• a C-X kötés polarizált (d⁺)
  X = F, Cl, Br, I, O, S, N
• a C-M kötés polarizált (d^-)
  M = fém

Bronsted-Lowry sav-bázis elmélet

• sav - H⁺ donor
• bázis - H⁺ akceptor
  NH₃ + H₂O <==> NH₄⁺ + OH^-
  bázis + sav <==> sav + bázis
• figyeljük meg a konjugált sav-bázis párt
  (H⁺-nal különböznek)

A sav disszociációs állandója (K_a)

• HA + H₂O <==> H₃O⁺ + A^-

általában leegyszerûsítve
HA <==> H⁺ + A^-

• K_a = [H⁺] [A^-] / [HA]

Saverõsség (pK_a)

• erõsebb savaknak nagyobb a K_a-értékük
  HCl esetén K_a = 10⁷
  CH₃COOH (ecetsav) esetén K_a = 10^-5
  
• pK_a = - log K_a
• erõsebb savaknak kisebb a pK_a -értékük
  HCl: pK_a = -7
  CH₃COOH: pK_a = 5

pH és pK_a

• K_a = [H⁺][A^-]/[HA]
• pK_a = pH - log([A^-]/[HA])
• pH = pK_a, [A^- ] = [HA]
• pH < pK_a, HA van túlsúlyban
• pH > pK_a, A^- van túlsúlyban
  például az ecetsav esetében pH = 7 mellett
  [CH₃COO^-] > [CH₃COOH]

Sav-bázis reakciók

CH3COOH + OH- <==> CH3COO- + H2O
sav	bázis	bázis	sav

pK_a = 5;  pK_a = 15.7
erõsebb sav
a reakció a jobb oldal felé tolódik el

CH3COOH + H2O <==> CH3COO- + H3O+
sav	bázis	bázis	sav

pK_a = 5;   pK_a = 1.7
a reakció a bal oldal felé tolódik el

HC=CH + Na+NH2- <==> HC=C-Na+ + NH3
sav	bázis	bázis	sav

pK_a = 25;   pK_a = 35
a reakció a jobb oldal felé tolódik el

CH3OH + CN- <==> CH3O- + HCN
sav	bázis	bázis	sav

pK_a = 16;   pK_a = 9
a reakció a bal oldal felé tolódik el

Lewis-savak

• sav - felvesz egy elektronpárt
• bázis - lead egy elektronpárt
• (kialakul egy új kovalens kötés)

H⁺ + H₂O <==> H₃O⁺
L-sav L-bázis új O-H kötés

BF₃ + NH₃ <==> F₃B-NH₃
L-sav L-bázis új B-N kötés

Formális töltés

• vegyérték-elektronok száma - (kötések száma + magános elektronok száma)
• (Hány e^- van "szabály szerint" ebben az atomban?)
  - (Hány e^- van ebben a vegyületben?)

Rezonancia

• egynél több lehetséges Lewis-struktúra egy vegyülethez
• Melyik a legjobb Lewis-struktúra?
• Kövesd az oktett szabályt!
• Az elektronegativitás határozza meg a töltés helyét
  szén-monoxid
  nitro-metán

Színképelemzés (Spectroscopy)

Színképelemzés

Az izzó szilárd anyagok fényt bocsátanak ki. Ezeknek a színeknek a színképe folytonos, nem úgy, mit a gázoknál és gőzöknél.

A színképelemzés vagy spektrumanalízis az összetevőire bontott elektromágneses sugárzás, a színkép vizsgálatát jelenti. A színképelemzéssel foglalkozó tudományágat spektroszkópiának nevezzük.

A csillagok atmoszférájának az összetételére és a fizikai állapotára vonatkozó ismereteinket a csillagászati színképelemzés eredményei tették lehetővé. (Az általános értelemben vett színképelemzéshez lásd: Spektroszkópia.) A csillagászati színképelemzés során megvizsgálják az egyes hullámhossz-tartományok intenzitását, erősségét ill. fényességét, továbbá az ún. Fraunhofer-vonalak helyzetét és szélességét. Ez utóbbiakat a földi anyagok színképelemzési eredményeivel összehasonlítva bizonyos elemeknek és vegyületeknek a csillag légkörében való előfordulására következtethetünk. A fényintenzitás folytonos színképbeli eloszlása a hőmérséklettől és az anyagi összetételtől függ, így ebből meghatározható a csillagok egyik legfontosabb tulajdonsága, a felszíni hőmérséklet. A színképvonalak Doppler-eltolódásának vizsgálatával információt nyerhetünk a csillag látóirányú (radiális) sebességéről, majd ebből közvetve - kettős vagy többesrendszer esetén - a rendszer tagjainak tömegére és egyéb fizikai tulajdonságaira következtethetünk.

A Fraunhofer által megfigyelt spektrumvonalak közül a legjelentősebbek (köztük a híres Na-dublett)

Fraunhofer- jelölés	Hullámhossz (nm)	A vonal kémiai eredete	Ekvivalens szélesség (pm)
A	759,370	atmoszférikus O2	-
B	686,719	atmoszférikus O2	-
C	656,281	hidrogén alfa (Hα)	402,0
D1	589,592	semleges nátrium (Na I)	56,4
D2	588,995	semleges nátrium (Na I)	75,2
E	527,039	semleges vas (Fe I)
F	486,134	hidrogén béta (Hβ)	368,0
G	431,42	CH molekula
H	396,847	ionizált kalcium (Ca II)	1546,7
K	393,368	ionizált kalcium (Ca II)	2025,3
L	382,044	vas
N	358,121	vas
P	336,112	ionizált titán
T	302,108	vas

A spektroszkópia tudományág kialakulása Newton 1666-os kísérletére vezethető vissza, amikor napszínképet állított elő prizma segítségével. Felfedezéséről és észrevételeiről az 1704-ben megjelent Optika című művében írt, ahol tisztázta a színek természetét, és az ún. törésmutató hullámhossztól való függését. A XVIII. század elején többen (Descartes, Hook, Herschel) is elvégezték ugyanezt a kísérletet. A jelenség behatóbb tanulmányozásához Wollaston (1766-1828) rést is alkalmazott a kísérleteinél, s első ízben felfedezte a napszínkép abszorpciós (elnyelési) vonalait. Szám szerint 7 spektrumvonalat figyelt meg - köztük a Na-dublettet -, jelentőségüket azonban nem ismerte fel. Ezt egy német optikus, Fraunhofer (1787-1826) tette meg, aki - távcsőhöz csatolva diszperzív optikai elemet - a Nap spektrumában mintegy 600, mai néven Fraunhofer-vonalat talált; melyek közül 350-nek a pontos pozícióját is meghatározta, kiszámítva az általuk letakart színek törésmutatóját. Ezzel 1814-ben megszületett a csillagászati spektroszkópia.

Fraunhofer felfedezésével egy időben, 1823-ban, W. H. Fox Talbot és John Herschel (William Herschel fia) különféle elemekkel festett lángok színképét vizsgálták, és utaltak rá, hogy ez alapján kémiai analízis végezhető. Brewster 1832-ben felfedezte, hogy a Fraunhofer-féle vonalak földi fényforrással is előállíthatók. A salétromsav gőzén átbocsátott napfény színképében mintegy 2000 vonalat számlált meg. Azt is megfigyelte, hogy a vonalak száma nő, ha növeljük a gázréteg vastagságát, sűrűségét vagy hőmérsékletét. E kísérletei nyomán Brewster úgy gondolta, hogy a Nap fehér fényéből a Föld légköre szűr ki bizonyos színeket, és ezek helyén észleljük a Fraunhofer-féle vonalakat. 1849-ben Foucault különféle eredetű színképek vizsgálatával szintén egy alapvető felismerésre jutott: a spektrum abszorpciós vagy emissziós volta attól függ, hogy a fény közvetlenül a fényforrásból érkezik hozzánk, vagy a fényforrást elhagyva egy adott anyagon haladt át. 1859-ben Foucault, és Bunsen (1811-1899) eredményeit felhasználva Kirchhoff (1824-1887) felállította a klasszikus spektrumanalízis 3 alaptörvényét:

Szénhidrogének (Hydrocarbons)

 

A szénhidrogének molekulái csak szén-és hidrogénatomokat tartalmaznak. A szénhidrogéneket többféle szempont szerint osztályozhatjuk.

1. A kötések alapján lehetnek

• Telített szénhidrogének – csak egyszeres C-C kötést tartalmaznak
• Telítetlen szénhidrogének – kettős vagy hármas kötést is tartalmazhatnak
• Aromás szénhidrogének – különleges delokalizált kötést tartalmaznak

2. A szénlánc alakja szerint lehetnek

• Nyílt láncú szénhidrogének
• Zárt láncú vagy gyűrűs szénhidrogének

Izoméria: Azokat a vegyületeket, amelyeknek összegképletük azonos, de molekulájuk szerkezete, vagyis a szénatomok kapcsolódási módja más, konstitúciós izomereknek nevezzük.

Elnevezés: A normális láncú (elágazás nélküli) szénhidrogének első négy tagjának régi eredetű neve van, az ötszénatomostól kezdve úgy nevezzük el őket, hogy a szénatomszámnak megfelelő görög számnév tövéhez -án végződést illesztünk.

Az elágazó láncú paraffinok elnevezéséhez be kell vezetnünk az alkilcsoport fogalmát. Az alkilcsoportot úgy kapjuk meg, ha egy alkán egyik szénatomjáról gondolatban elveszünk egy hidrogénatomot, a nevét úgy képezzük, hogy a szénhidrogén nevének -án végződését -il végződésre változtatjuk, pl. metil CH3-, etil CH3-CH2-

A normális láncú szénatomok és az alkilcsoportok nevének ismeretében már bonyolult, elágazó láncú szénhidrogéneket is el tudunk nevezni.

Az elágazó láncú molekulában kikeressük a leghosszabb összefüggő szénláncot. Ez az alapvegyület, neve megegyezik az azonos szénatomszámú alkán nevével. Ennek a leghosszabb láncnak a szénatomjait megszámozzuk, a láncnak azon a végén kezdve a számozást, ahová az első elágazás közelebb esik, ha ez azonos, akkor azon a végén, amelyhez közelebb több elágazás van. Az alaplánc neve előtt felsoroljuk az elágazást alkotó alkilcsoportokat, a helyzetüket megjelölő számmal együtt.

Homológ sor: Homológ sornak nevezzük a vegyületek olyan sorozatát, amelyek összetételükben egymástól csak egy CH2- csoporttal térnek el, kémiai sajátosságaik nagyon hasonlóak, fizikai állandóik a szénatomszám növekedésével fokozatosan változnak. Az n szénatomszámú alkán általános összegképlete: CnH2n+2

Szénhidrátok (Carbohydrates)

Szénhidrátok

Def.: Polihidroxi aldehidek vagy ketonok, vagy olyan vegyületek, melyek hidrolízisével polihidroxi aldehidek vagy ketonok keletkeznek.

Összetétel

• Elemi összetétel:
  
  - Mindegyik tartalmaz szenet (C), hidrogént (H) és oxigént (O).
  - Tartalmazhat nitrogént (N) {pl. kinin}, gyakoriak a foszfátészter-származékaik is.
  
  
• Összegképlet:
  
  - Általában C_n(H₂O)_m formában írható fel.
  
  

Funkcióscsoportok

• polihidroxi vegyületek,
  
• nyíltláncú formájuk oxocsoportot tartalmaz,
  
• gyűrűs alakjuk és a di-, valamint a poliszacharidok étercsoportot is tartalmaznak.
  
  

Elnevezés

A nevet -óz képzővel kell ellátni.

Csoportosítás

MONOSZACHARIDOK	DISZACHARIDOK	OLIGOSZACHARIDOK	POLISZACHARIDOK
Hidrolízissel nem bomlanak egyszerűbb vegyületekre.	Hidrolízissel két vagy néhány monoszacharidra bonthatók.		Óriásmolekulák. Hidrolízissel sok monoszacharidra bonthatók.

Monoszacharidok

A legkisebb - C₃-C₇ - szénatomszámú, hidrolízissel tovább már nem bontható szénhidrátok, összegképletük általában C_nH_2nOn.
a

Csoportosítás

Az oxocsoport típusa szerint:

• aldóz
  
• ketóz

Szerkezetük általános jellemzői

• A formilcsoport (aldehidcsoport) láncvégi; a ketoncsoportot a természetben előforduló monoszacharidok molekuláiban mindig a második szénatom képezi!
  
• A többi szénatom általában egy-egy hidroxilcsoportot (-OH) hordoz.
  
• A láncközi H-C-OH részlet szénatomjai - mivel a molekula két vége eltérő - kiralitáscentrumok.
  
• A természetben előforduló monoszacharidok utolsóelőtti (oxocsoporttal ellentétes végétől számított második) szénatomjának konfigurációja meghatározott: pl. D-glicerinaldehid. (A D és az L konfiguráció a glicerinaldehid kétféle konfigurációjára visszavezetett relatív konfiguráció: ls. Sztereokémia c. fejezet!)

Néhány biológiailag fontos monoszacharid

A természetben a D-konfigurációjú monoszacharidok terjedtek el!

A monoszacharidok gyűrűs konstitúciója

Azok a hidroxilcsoportok, amelyek reakciójakor öt- vagy hattagú gyűrű alakulhat ki, addíciós folyamat során képes az oxocsoportot hordozó szénatomhoz kapcsolódni! A folyamatot a nukleofil ("atommagot kedvelő") oxigénatom indítja el, mely nemkötő elektronpárjával datív kötés létesítésére képes! (A triózók nem képesek gyűrű létesítésére!)

• A létrejött gyűrűs molekulában az oxocsoport hidroxilcsoporttá, ún. glikozidos hidroxilcsoporttá alakul.
  
• A glikozidos hidroxilcsoportot hordozó szénatom új kiralitáscentrumot képez!
  
• Minden gyűrűképzésre hajlamos monoszacharidnak van egy nyíltláncú és legalább két, az 1. számú szénatomon különböző konfigurációjú (alfa [aα] és béta [β]) gyűrűs molekulája!
  

A képződött, hatatomos gyűrű legstabilisabb, ekvatoriális -CH₂OH csoportot hordozó konformációjában az axiális helyzetű glikozidos hidroxilcsoportot hordozó molekula az α-D-glükóz, az ekvatoriális helyzetű glikozidos hidroxilcsoportot hordozó molekula a β-D-glükóz. A kétféle gyűrűs molekula a nyíltláncú formán keresztül alakulhat át egymásba. Az α-D-glükóz és a β-D-glükóz diasztereomerek, hisz csak egyetlen kiralitáscentrum konfigurációjában (1. szénatom, glikozidos -OH) különböznek. Ebből következik, hogy energiatartalmuk nem egyforma. A szerkezet alapján arra következtethetünk, hogy a b-anomer az alacsonyabb energiatartalmú, mert valamennyi nagy térkitöltésű csoportja (-OH, -CH₂OH) ekvatoriális helyzetű. Vizes oldatban az előfordulás aránya kb.:

A monoszacharidok tulajdonságai

Fizikai tulajdonságok

• Fehér, többnyire szilárd anyagok.
  
• Édes ízűek.
  
• Vízben jól oldódnak (hidrogénkötések kialakulása!).
  
  

Kémiai sajátságok

• Az aldózok nyíltláncú molekulái viszonylag könnyen oxidálhatók (ezüsttükör és Fehling-próba) [aldehidcsoport!].
  
  
• A nyíltláncú és a gyűrűs molekulák között vizes oldatban egyensúly áll fenn, ezért a nyílt szénláncú molekulák oxidációja miatt eltolódó egyensúly következtében a gyűrűs molekulák is felbomlanak, vagyis a monoszacharid teljes mennyisége átalakítható.
  
  
• Az oxocsoport mellett levő hidroxilcsoport lehetővé teszi a ketózok molekulán belüli átrendeződését aldózzá, ezért - a ketonoktól eltérően - a ketózok az aldózokhoz hasonlóan adják az ezüsttükör- és a Fehling-próbát.
  
  
• A monoszacharidok hidroxilcsoportjai észteresíthetők: az élő szervezet biokémiai folyamatainak fontos köztes vegyületei a cukrok foszfátészterei!

Diszacharidok

Származtatásuk

Két monoszacharidból vízelvonással:

A diszacharidok olyan szénhidrátok, amelyek savas hidrolízissel két monoszacharidra bonthatók.

Fontosabb diszacharidok

	MALTÓZ	CELLOBIÓZ	SZACHARÓZ	LAKTÓZ
Éterkötés	1. szénatom glikozidos OH-ja és a 4. szénatom OH-ja között. (1-4' éterkötés)		1. és 2. szénatom glikozidos OH-ja között.	(1-2') 1-4' éterkötés.
Térszerkezet	A két gyűrű egyenlítői síkja szöget zár be.	A két gyűrű egyenlítői síkja többé-kevésbé egybe esik.
	A molekula szerkezetét hidrogénkötések stabilizálják!
Jellemzők	Fehér, szilárd, édes, vízben jól oldódó vegyületek.
	Vizes oldatuk adja az ezüsttükörpróbát (az egyik gyűrű kinyílhat, és a szabad glikozidos OH-csoport visszaalakulhat aldehidcsoporttá).		Nem redukáló di-szacharid! (a két glikozidos -OH van kötésben!)	Redukáló diszacharid.
Előfordulás	A keményítő hidrolízisének köztiterméke.	A cellulóz hidrolízisének közti-terméke.	Gyümölcsökben, cukorrépában, cukornádban.	Tejben

Poliszacharidok

Cellulóz

• β-D-glükóz egységekből épül fel.
  
• Általános képlete: (C6H₁₀O5)n.
  
• Az egységek 1-4'-b-glikozidkötéssel kapcsolódnak össze (ls. cellobióz).
  
• Fonalszerű, lineáris molekula.
  
• A konformációt hidrogénkötések stabilizálják egyrészt az egymás után következő glükózrészek között, másrészt a láncok között (kötegekbe rendeződés).
  
• Fehér színű, íztelen, szilárd anyag.
  
• Vízben gyakorlatilag oldhatatlan.
  
• Nem redukáló! (A molekula egyetlen glükózegysége elvileg képes redukálni, de ez elenyésző hatású a molekula egészét tekintve.)
  
• Biológiai jelentősége: növényi vázanyag (sejtfal).
  
• Felhasználás: papír- és textilipari nyersanyag; filmek, lakkok, műszálak gyártása.
  
  

Keményítő

• α-D-glükózegységekből épül fel.
  
• Általános képlete: (C6H₁₀O5)n
  
• Amilóz és amilopektin egységekből épül fel!
  
• Az amilózban a-1-4'-glikozidkötésekkel kapcsolódnak a cukormolekulák; az amilopektin esetében az a-1-4'-glikozidkötések mellett kb. 20-25 glükózegységenként elágazások találhatók a-1-6'-glikozidkötésekkel!
  
• Az amilóz spirális lefutású (hélix), az amilopektin helyenként spirális de az elágazódások miatt ágas-bogas szerkezetű.
  
• A konformációt hidrogénkötések stabilizálják egyrészt az egymás után következő glükózrészek között, másrészt a spirál "emeletei" között.
  
• Fehér színű, íztelen, szilárd anyag.
  
• Hideg vízben nem oldódik, forró vízben kolloid rendszert képez.
  
• Nem redukáló!
  
• Biológiai jelentőség: a növények raktározott tápanyaga.
  
  

Glikogén

• Az amilopektinhez hasonló szerkezetű, de nagyobb moláris tömegű vegyület, még gyakoribb elágazódásokkal!
  
• Biológiai jelentőség: állati tartaléktápanyag (máj, izmok).
  

Kitin

• A cellulózhoz hasonló szerkezetű.
  
• Alapegységei N-acetil-glükózamin molekulák.
  
• Biológiai jelentőség: Az ízeltlábúak és egyes férgek kültakaróját képezi.

Heparin

• Glükózamin és glükuronsav (a 6. szénatomon karboxilcsoport található!) alapegységekből épül fel.
  
• Vízoldékony.
  
• Biológiai jelentőség: alvadásgátló.