Estructura y características generales de los carbohidratos
Los carbohidratos son compuestos bifuncionales que contienen simultáneamente varios grupos hidroxilo y un grupo carbonilo (un grupo aldehído o cetona). Precisamente la combinación de dos tipos de grupos funcionales determina toda la diversidad de propiedades químicas de esta clase.
En la estructura molecular predominan los enlaces σ; la hibridación de los átomos de carbono es sp³, a excepción de un átomo de carbono en el grupo carbonilo, que se encuentra en hibridación sp² (un enlace π). Los carbohidratos se caracterizan por la isomería espacial; las sustancias que se diferencian por la posición de los grupos hidroxilo en los átomos asimétricos se denominan diastereoisómeros, y las formas especulares, enantiómeros.
Las propiedades físicas son típicas: sustancias sólidas blancas, altamente solubles en agua. Los monosacáridos y disacáridos tienen un sabor dulce, mientras que los polisacáridos (almidón, celulosa) no son dulces.
Formas cíclicas y proyecciones de Haworth
En disolución acuosa, la glucosa existe predominantemente en forma cíclica. El ciclo se forma debido al ataque intramolecular del grupo hidroxilo del quinto átomo de carbono sobre el grupo aldehído del primer átomo, lo que da lugar a un hemiacetal. En la glucosa se forma un ciclo piranósico de seis miembros (5 átomos de carbono y 1 átomo de oxígeno), y en la fructosa, un ciclo furanósico de cinco miembros.
En la proyección de Haworth, el ciclo se representa como un hexágono plano: los grupos hidroxilo situados a la derecha en la fórmula lineal se orientan hacia abajo, y los de la izquierda hacia arriba. Para el examen, la glucosa se puede escribir con su fórmula molecular C₆H₁₂O₆, especialmente en la pregunta 32 al escribir las reacciones de fermentación.
Clasificación de los carbohidratos
- Según el número de átomos de carbono: pentosas (ribosa, desoxirribosa) y hexosas (glucosa, fructosa, galactosa). La desoxirribosa se diferencia de la ribosa por la ausencia de un grupo OH en el segundo átomo de carbono.
- Según el tipo de grupo carbonilo: aldosas (contienen un grupo aldehído: glucosa, galactosa, ribosa) y cetosas (contienen un grupo cetona: fructosa). Esta clasificación determina el comportamiento químico.
- Según el número de unidades monoméricas: monosacáridos, oligosacáridos (incluidos los disacáridos) y polisacáridos.
Propiedades químicas de los monosacáridos
Propiedades debidas a los grupos hidroxilo (comunes para aldosas y cetosas):
- Reacción con metales activos (Na, K) con desprendimiento de hidrógeno.
- Esterificación con ácidos (el más popular es el ácido nítrico) con formación de ésteres.
- Reacción cualitativa con Cu(OH)₂ en frío (formación de una solución azul brillante, característica de un polialcohol).
Propiedades de las aldosas (debido al grupo aldehído):
- Reacciones de adición: con H₂, HCN, NaHSO₃.
- Reacciones de oxidación: del espejo de plata (con solución amoniacal de Ag₂O), Cu(OH)₂ en caliente con formación de un precipitado rojo-anaranjado de Cu₂O, oxidación con KMnO₄, K₂Cr₂O₇, agua de bromo hasta los ácidos correspondientes.
- Reacción de reducción con hidrógeno: formación del alcohol hexatómico sorbitol.
Características de las cetosas (fructosa): se conservan todas las propiedades de los alcoholes y las reacciones de adición, pero ausencia total de reacciones de oxidación. La fructosa no da la reacción del espejo de plata ni reacciona con Cu(OH)₂ en caliente.
Disacáridos y sus propiedades
Los disacáridos más importantes son maltosa, lactosa y sacarosa. Todos ellos contienen un residuo de glucosa. La capacidad de un disacárido para participar en reacciones de oxidación está determinada por la naturaleza del segundo residuo de monosacárido (terminal), el cual debe conservar un grupo hemiacetal libre (potencialmente aldehído).
- Maltosa (glucosa + glucosa): disacárido reductor, da la reacción del espejo de plata y la reacción con Cu(OH)₂ en caliente.
- Lactosa (galactosa + glucosa): también un disacárido reductor. La galactosa se diferencia de la glucosa en la posición espacial de un grupo OH.
- Sacarosa (glucosa + fructosa): disacárido no reductor; la fructosa es una cetosa, por lo que no se producen las reacciones del espejo de plata ni la oxidación con Cu(OH)₂ en caliente, agua de bromo o KMnO₄.
Reacciones de fermentación
Las reacciones de fermentación son catalizadas por enzimas y son las únicas reacciones de carbohidratos que aparecen regularmente en la pregunta 32 del examen.
- Fermentación alcohólica: C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂. Se utiliza en la producción de etanol.
- Fermentación láctica: C₆H₁₂O₆ → 2CH₃–CH(OH)–COOH. Se forma ácido láctico (ácido 2-hidroxipropanoico). Ocurre en los músculos humanos y durante el agriado de la leche.
- Fermentación butírica: C₆H₁₂O₆ → C₃H₇COOH + 2CO₂ + 2H₂. Se forma ácido butírico (ácido butanoico).
Propiedades de los polisacáridos
- El almidón da una característica coloración azul-violeta con yodo; esta es una reacción cualitativa utilizada, por ejemplo, para detectar almidón en las patatas.
- La celulosa participa en reacciones de esterificación: con ácido acético forma acetato de celulosa, y con ácido nítrico, nitrocelulosa (utilizada en la producción de explosivos y películas).
- La sacarosa en presencia de H₂SO₄ concentrado se carboniza: el ácido sulfúrico sustrae el agua, se forma carbón y se desprenden CO₂ y SO₂.
- Todos los di-, oligo- y polisacáridos son capaces de sufrir hidrólisis (más frecuentemente en medio ácido) para formar los monosacáridos correspondientes.
Puntos clave
- Los carbohidratos son compuestos bifuncionales con grupos hidroxilo y carbonilo.
- Las aldosas (glucosa) muestran todas las reacciones de oxidación; las cetosas (fructosa) no.
- Reacciones cualitativas: para polialcoholes, Cu(OH)₂ en frío (solución azul); para el grupo aldehído, espejo de plata y Cu(OH)₂ en caliente.
- Disacáridos reductores: maltosa y lactosa; no reductor: sacarosa.
- Tres tipos de fermentación: alcohólica, láctica y butírica, catalizadas por enzimas.
- Reacción cualitativa para el almidón: coloración azul-violeta con yodo.
- El H₂SO₄ concentrado provoca la carbonización de la sacarosa.
- Todos los carbohidratos complejos se someten a hidrólisis hasta monosacáridos.