15.2 คารโ์บไฮเดรต (Carbohydrates) คารโ์บไฮเดรตในภาษาอังกฤษมคีวามหมายมาจาก hydrates of carbon ซึ่งก็คือสารประกอบที่

ประกอบด้วยธาตคุารบ์อนและโมเลกลุน้ำ*า (H2O) ซึ่งมสีตูรทัว่ไปเป็น Cx(H2O)y เป็นสารประกอบประเภท polyhydroxy aldehyde หรอื polyhydroxyketone หรอืสารประกอบที่เมื่อถกูไฮโดรไลซ์

แล้วได ้ polyhydroxyaldehyde หรอื ketone น้ำ*าตาลหรอื saccharides จดัเป็น สารประกอบคารโ์บไฮเดรตอยา่งง่าย ซึ่งชื่อของน้ำ*าตาลมกัลงท้ายด้วย -ose เชน่ sucrose, maltose,

glucose เป็นต้นsaccharides สามารถแบง่เป็นประเภทใหญ่ ๆ ได้ดังนี*ก. Monosaccharides เชน่ glucose , fructose จดัเป็นหน่วยยอ่ยที่สดุของ

คารโ์บไฮเดรต monosaccharides ทกุชนิดเป็น reducing sugarข. Disaccharides ซึ่งอาจเป็น reducing หรอื non-reducing

disaccharides ก็ได้ เชน่ maltose เป็น reducing disaccharides สว่น sucrose เป็น non-reducing disaccharides เป็นต้น

ค. Polysaccharides เชน่ แป้ง, เซลลโูลส สารประกอบประเภทนี*ไมจ่ดัเป็นน้ำ*าตาลและเป็น non-reducing saccharides

15.2.1 monosaccharides น้ำ*าตาลโมเลกลุเดี่ยวหรอื monosaccharide สามารถแบง่ประเภทตามหมูฟ่งัก์ชนัได้เป็น 2 ประเภท

คือ aldose ซึ่งเป็นสารประกอบ polyhydroxyaldehyde กับ ketose ซึ่งเป็นสารประกอบ polyhydroxyketone นอกจากนี*ยงัอาจจ้ำาแนกตามจ้ำานวนคารบ์อนในโมเลกลุได้อีกด้วยดังนี*

จ้ำานวนคารบ์อน aldehyde ketone6 aldohexose ketohexose5 aldopentose ketopentose4 aldotetrose ketotetrose3 aldotriose ketotriose

Epimer คือ monosaccharide aldose ที่ม ี configuration ต่างกันเฉพาะที่ คารบ์อนต้ำาแหน่งที่ 2 เชน่ D-(+)-glucose เป็น epimer ของ D-(+)-mannose , D-(-)-

ribose เป็น epimer ของ D-(-)-arabinose เป็นต้นoptical isomer ที่เป็นไปได้ส้ำาหรบั monosaccharide แต่ละตัวมจี้ำานวน = 2n โดย

n คือจ้ำานวน chiral center ที่มอียูใ่นโมเลกลุ ดังนั *น glucose มีoptical isomer จ้ำานวน = 24 = 16 ไอโซเมอร์ สว่น fructose มีoptical isomer จ้ำานวน = 23 = 8 ไอโซเมอร์ เป็นต้น

monosaccharide สว่นใหญ่มรีสหวาน โดยที่ fructose มคีวามหวานมากท่ีสดุ ละลายน้ำ*าได้ดี มสีมบตัิรดิีวซ ์ สามารถรดิีวซส์ารประกอบเชงิซอ้น Cu(II) เป็น Cu2O (ตะกอนสแีดงอิฐ)

monosaccharide สามารถเกิดโอซาโซน (osazone) ซึ่งสามารถใชใ้นการวนิิจฉัยชนิดของ saccharide ได ้ นอกจากนี*ก็ยงัเกิดปฏิกิรยิาเคมอ่ืีน ๆ แบบเดียวกับ aldehyde , ketone และ alcohol ทัว่ไปได้

1

ตัวอยา่ง mono saccharides

2

น้ำ*าตาลที่เป็นของแขง็มโีครงสรา้งแบบวงปิดเป็น cyclic hemiacetal ซึ่งเกิดจากปฏิกิรยิาระหวา่งหมู่ คารบ์อนิล (C=O) ของ aldhyde หรอื ketone กับหมูไ่ฮดรอกซลิ (–OH) ของ alcohol ดังนี*

จะเหน็วา่เมื่อ glucose แบบโซเ่ปิด เกิดการเปล่ียนโครงสรา้งเป็นวง hemiacetal ที่ต้ำาแหน่งคารบ์อนท ี่ 1 สามารถเกิดเป็น hemiacetal ได ้ 2 แบบ คือหมูไ่ฮดรอกซลิของ hemiacetal อยูด้่านบนหรอืด้านล่าง

ของวง เราเรยีกวา่การเกิด cyclic tautomer โดยเรยีกคารบ์อนที่เป็น hemiacetal วา่ anomeric carbon และโครงสรา้งท่ีมหีมูไ่ฮดรอกซลิของ anomeric carbon อยูด้่านบนของวง

เรยีกวา่ -anomer สว่นโครงสรา้งที่มหีมูไ่ฮดรอกซลิของ anomeric carbon อยูด้่านล่างของวงเรยีก วา่ -anomer เชน่

ในการปิดวงเป็น hemiacetal ถ้าได้วงที่มสีมาชกิ 6 อะตอม จะเรยีกวา่วง pyranose สว่นวงที่มสีมาชกิ 5 อะตอมเรยีกวา่ furanose

3

mutarotation การเปล่ียนแปลงค่า specific rotation ของสารละลายน้ำ*าตาลจนกระทัง่คงที่ที่สมดลุ เกิดจากการเปล่ียนแปลงของ saccharide จากรูปแบบ -form เป็น -form เมื่อมกีรดอยูด้่วย โดยเกิด

ผ่านสารมธัยนัตร์ (intermediate) ที่เป็นโซเ่ปิดจนเขา้สูส่มดลุ

การเขยีนแสดงโครงสรา้งของ monosaccharide เขยีนได้หลายแบบเชน่ โครงสรา้งแบบ Fischer และแบบ Haworth (มกัใชก้ับโครงสรา้งแบบวงปิด) โครงสรา้งแบบ Fischer แสดงด้วยเสน้

ตรงในแนวตั*งและแนวนอน โดยจุดตัดของเสน้แนวตั*งและแนวนอนแทนคารบ์อนที่เป็น chiral center การ เขยีนโครงสรา้งแบบ Harworth จากโครงสรา้งแบบ Fischer ท้ำาได้โดยเขยีนโครงสรา้งวงหลักดังนี*

หมูท่ี่อยูด้่านขวามอืของ chiral center ในสตูรแบบ Fischer จะอยูด้่านล่างของวง สว่นคารบ์อนอะตอม สดุท้ายซึ่งเป็นหมู่ -CH2OH จะอยูด้่านบนของวงเสมอดังนี*

ปฏิกิรยิาของ monosaccharides .א การเกิด acetal

4

สารประกอบ acetal ของคารโ์บไฮเดรตทัว่ไปเรยีกวา่glycosides สว่น acetal ของ glucose เรยีกวา่ glucoside

O O

H

H

CH2OHCH3

-glycoside

.ב การเกิด ether

.ג การเกิด ester

.ד oxidationง.1 Br2/H2O

ง.2 HNO3

ตัวอยา่ง

5

ง.3 สารละลาย Benedict และ สารละลาย Fehling สารละลาย Benedict ประกอบด้วยสารประกอบเชงิซอ้นของ Cu(II) กับ citrate ion ในสารละลายเบส สว่น สารละลาย Fehling เป็นสารประกอบเชงิซอ้นของ Cu(II) กับ tartrate

ion ในสารละลายเบส ใชส้้ำาหรบัทดสอบสมบติัรดีิวซข์องน้ำ*าตาล โดย monosaccharide และ น้ำ*าตาลที่มสีมบตัิรดิีวซจ์ะท้ำาปฏิกิรยิากับสารละลายทั*งสองชนิดได้ตะกอนสแีดงอิฐของ Cu2O

.ה reduction

ตัวอยา่ง

.ו isomerizationmonosaccharides ในสารละลายเบสสามารถเกิด keto-enol tautomerization ได้เป็นไอโซเมอรห์ลายชนิดเชน่ D-glucose ในสารละลายเบสเกิด

ปฏิกิรยิาได้ของผสมของ D-glucose, D-mannose และ D-fructose

.ז การเกิด osazone

6

monosaccharide ที่เป็นค ู่ epimer และท่ีม ีconfiguration ของคารบ์อนตั*งแต่ อะตอมที่สามเป็นต้นไปเหมอืนกันจะให้ osazone ชนิดเดียวกันเชน่

.ח Kiliani-Fischer synthesis

7

เป็นปฏิกิรยิาที่ใชเ้พิม่จ้ำานวนคารบ์อนของน้ำ*าตาล aldose ได้ผลิตภัณฑ์เป็น 2 ชนิดที่เป็นคู่

epimer กัน

.ט Ruff degradation เป็นปฏิกิรยิาที่ใชล้ดจ้ำานวนคารบ์อนของน้ำ*าตาล aldose

8

H3O+H3O+H3O

+

H3O+

15.2.2 dissacharidesdisaccharides คือคารโ์บไฮเดรตที่ประกอบด้วย monosaccharide 2 หน่วยมาเชื่อมต่อ

กันด้วยพนัธะไกลโคซดิิก (glycosidic linkage) ถ้าน้ำา disaccharide 1 โมเลกลุ มาไฮโดรไลซจ์ะได้ monosaccharide 2 โมเลกลุที่เป็นสว่นประกอบยอ่ยดังนี*

maltose glucose + glucoselactose glucose + galactosesucrose glucose + fructosecellobiose glucose + glucose

disaccharides แบง่เป็น 2 ประเภทคือ15.2.2.1 reducing disaccharide ยงัมสีว่นที่เป็น hemiacetal จงึ

สามารถเกิดการเปล่ียนแปลงเป็นโครงสรา้งแบบโซเ่ปิด ท้ำาใหม้สีมบตัิรดิีวซแ์ละสามารถเกิด osazone รวม ทั*งเกิด mutarotation ได้ด้วย เชน่

maltose

cellobiose

Lactose

9

H+

H2O

15.2.2.2 non-reducing dissacharides ไมม่สีมบตัิรดีิวซ ์ ไมม่ี mutarotation และไมเ่กิด osazone เพราะไมม่หีม ู่ hemiacetal ในโมเลกลุ มแีต่หมู ่acetal ซึ่งไมส่ามารถเกิดการเปล่ียนแปลงกลับไปเป็นโครงสรา้งแบบโซเ่ปิดได้อีก เชน่ sucrose

invert sugar คือสารละลายที่ได้จากการไฮโดรไลซ ์ sucrose ซึ่งมกีารเปล่ียนค่า specific rotation ([]) ไปเป็นค่าที่มเีครื่องหมายตรงกันขา้ม เชน่ ค่า specific rotation ของการไฮโดรไลซ ์sucrose เปล่ียนจาก +66.5o เป็น -19.9o

sucrose D-glucose + D-fructose

[] = +66.5o [] = 52.7o [] = -92.4o

ผลรวม [] = -19.9o

15.2.3 polysaccharides เป็นสารประกอบที่มี monosaccharide หลายหน่วยเชื่อมต่อกันเชน่ แป้ง (starch) เป็นแหล่ง

สะสมอาหารของพชื, ไกลโคเจน (glycogen) เป็นแหล่งสะสมอาหารของสตัว์, เซลลโูลส (cellulose) เป็น สว่นประกอบในโครงสรา้งของพชื โดย polysaccharide ทั*ง 3 ชนิดนี*มหีน่วยเล็กที่สดุคือ glucose

15.2.3.1 starch เป็น polymer ของ -glucose ซึ่งเชื่อมต่อกันที่ต้ำาแหน่ง 1,4 คือ 1,4--D-glucopyranose และท่ีต้ำาแหน่ง 1,6 คือ 1,6--D-glucopyranose มอีงค์ประกอบ 2 ชนิดคือ amylose และ amylopectinamylose เป็น polymer ของ 1,4--glucosidic linkage

amylopectin มโีครงสรา้งคล้าย amylose คือเป็นสาย polymer ของ 1,4--glucosidic linkage แต่มกีารเชื่อมระหวา่งสาย amylose ด้วย 1,6--glucosidic linkage

10

H3O+

H3O+

ถ้าไฮโดรไลซแ์ป้ง (starch) จะได้ผลิตภัณฑ์เป็น saccharides ที่มสีายโซส่ั *นลงเรื่อยจนกระทัง่เมื่อไฮโดรไลซ์ อยา่งสมบูรณ์จะได้ D-glucose ตามแผนภาพ

starch amylodextrin erythrodextrin

D-glucose maltose achrodextrin15.2.3.2 glycogen มโีครงสรา้งคล้าย amytopectin มากแต่

glycogen จะมกีิ่งก้านสาขามากกวา่ amylopectin15.2.3.3 cellulose คือ เป็น polymer ของ -glucose

ถ้าน้ำา cellulose มาไฮโดรไลซ ์ จะได้สาร polysaccharide ที่สั *นลงเรื่อย ๆ เชน่กัน จนกระทัง่ได้ disaccharide cellobiose และ monosaccharide glucose ในที่สดุ มกีารน้ำา cellulose และอนุพนัธข์องมนัมาใชป้ระโยชน์ในอุตสาหกรรมเยื่อกระดาษ, เสน้ใย และสารเตรยีมวตัถรุะเบดิ (nitrocellulose)

11