Tinh bột và cellulose đều là polysaccharide, cùng có công thức phân tử (C6H10O5)n. Mỗi mắt xích C6H10O5 có phân tử khối 162 và chính là một đơn vị glucose đã mất đi một phân tử nước khi nối vào mạch (180 − 18 = 162). Hai chất cùng công thức nhưng tính chất khác hẳn nhau, và toàn bộ sự khác nhau đó nằm ở kiểu liên kết giữa các mắt xích.
Tinh bột không phải một chất duy nhất mà là hỗn hợp của hai polysaccharide:
— Amylose chiếm khoảng 20–30%, mạch không phân nhánh, các mắt xích nối nhau bằng liên kết α-1,4-glycoside. Mạch amylose xoắn lại thành hình lò xo, tạo ra những khoang rỗng ở giữa — chính khoang này giữ phân tử iodine và sinh ra màu xanh tím đặc trưng.
— Amylopectin chiếm khoảng 70–80%, mạch phân nhánh: ngoài liên kết α-1,4-glycoside dọc mạch chính còn có liên kết α-1,6-glycoside tại các điểm rẽ nhánh.
Cellulose chỉ có một dạng: mạch không phân nhánh và không xoắn, các mắt xích nối nhau bằng liên kết β-1,4-glycoside. Các mạch thẳng nằm song song và liên kết hydrogen với nhau thành bó sợi rất bền. Mỗi mắt xích còn giữ đúng ba nhóm –OH tự do, nên cellulose thường được viết là [C6H7O2(OH)3]n — cách viết này bắt buộc phải nhớ khi làm bài về phản ứng nitro hoá và acetyl hoá.
| Tiêu chí | Tinh bột | Cellulose |
|---|---|---|
| Công thức | (C6H10O5)n | (C6H10O5)n hay [C6H7O2(OH)3]n |
| Liên kết giữa các mắt xích | α-1,4-glycoside và α-1,6-glycoside | Chỉ β-1,4-glycoside |
| Dạng mạch | Amylose xoắn, amylopectin phân nhánh | Thẳng, không phân nhánh, không xoắn |
| Trạng thái | Bột vô định hình, màu trắng | Chất rắn dạng sợi, màu trắng |
| Tính tan | Không tan trong nước lạnh; nước nóng cho hồ tinh bột | Không tan trong nước dù đun nóng; tan trong nước Schweizer |
| Phản ứng với iodine | Cho màu xanh tím | Không có phản ứng |
| Thuỷ phân | Xúc tác acid hoặc enzyme amylase, cho glucose | Cần acid đặc hoặc enzyme cellulase, cho glucose |
| Vai trò trong sinh giới | Chất dự trữ năng lượng của cây | Chất tạo bộ khung của thành tế bào |
Ghi nhớ đường ruột người có enzyme phân giải liên kết α nhưng không có enzyme phân giải liên kết β, vì vậy ta tiêu hoá được cơm và khoai nhưng không tiêu hoá được bông và gỗ. Trâu bò ăn được rơm cỏ là nhờ vi sinh vật trong dạ cỏ tiết ra cellulase.
a) Phản ứng thuỷ phân. Cả hai chất khi đun với dung dịch acid đều bị cắt hết liên kết glycoside và cho sản phẩm cuối cùng là glucose:
(C6H10O5)n + nH2O → nC6H12O6
Điểm mấu chốt khi tính toán: một mắt xích cho đúng một phân tử glucose, tức số mol glucose bằng số mol mắt xích, bằng khối lượng polysaccharide chia cho 162. Khối lượng tăng lên là do nước cộng vào, nên khối lượng glucose luôn lớn hơn khối lượng tinh bột ban đầu theo tỉ số 180 : 162, tức 1,111 lần.
b) Phản ứng màu với iodine. Hồ tinh bột tác dụng với dung dịch iodine cho hợp chất màu xanh tím; đun nóng thì màu biến mất vì mạch xoắn duỗi ra, để nguội màu lại hiện ra vì mạch xoắn lại. Đây là phản ứng dùng để nhận biết tinh bột hoặc nhận biết iodine. Cellulose không có mạch xoắn nên không cho phản ứng này.
c) Phản ứng của các nhóm –OH trong cellulose. Đun cellulose với HNO3 đặc, xúc tác H2SO4 đặc, cả ba nhóm –OH của mỗi mắt xích đều bị ester hoá:
[C6H7O2(OH)3]n + 3nHNO3 → [C6H7O2(ONO2)3]n + 3nH2O
Sản phẩm là cellulose trinitrate, mắt xích có phân tử khối 297 (mỗi lần thay một nguyên tử H bằng nhóm NO2 thì phân tử khối tăng 45, ba lần là 135, cộng vào 162 được 297). Chất này là thuốc súng không khói. Tương tự, cellulose tác dụng với anhydride acetic cho cellulose triacetate dùng làm tơ acetate.
d) Cellulose không có phản ứng tráng bạc. Trong mạch polysaccharide, nhóm chức aldehyde của glucose đã tham gia tạo liên kết glycoside nên không còn ở dạng tự do. Tinh bột và cellulose vì thế đều không khử được thuốc thử Tollens; muốn có phản ứng tráng bạc phải thuỷ phân trước để giải phóng glucose.
Tinh bột và cellulose được tạo ra trong cây xanh nhờ quá trình quang hợp:
6nCO2 + 5nH2O → (C6H10O5)n + 6nO2 (ánh sáng, chất diệp lục)
Tinh bột là nguồn lương thực chính của con người, là nguyên liệu sản xuất glucose và ethanol sinh học. Cellulose là nguyên liệu sản xuất giấy, sợi bông, tơ visco, tơ acetate và thuốc súng không khói. Ethanol sản xuất từ tinh bột đi qua hai bước: thuỷ phân thành glucose, rồi lên men glucose theo phương trình C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2; hệ số 2 ở đây là chỗ rất hay bị bỏ quên khi tính toán.
Điểm khác thứ nhất là kiểu liên kết glycoside. Trong tinh bột, các mắt xích glucose nối nhau bằng liên kết α-1,4-glycoside, riêng amylopectin còn có thêm liên kết α-1,6-glycoside ở chỗ rẽ nhánh. Trong cellulose chỉ có một kiểu liên kết duy nhất là β-1,4-glycoside.
Điểm khác thứ hai là dạng mạch. Tinh bột gồm amylose mạch không phân nhánh nhưng xoắn thành hình lò xo, và amylopectin mạch phân nhánh. Cellulose có mạch thẳng, không phân nhánh và không xoắn, các mạch nằm song song rồi liên kết hydrogen với nhau thành bó sợi bền chắc.
Điểm khác thứ ba là số nhóm –OH tự do được khai thác. Với cellulose ta luôn viết [C6H7O2(OH)3]n để nhấn mạnh ba nhóm –OH của mỗi mắt xích, vì các nhóm này tham gia phản ứng với HNO3 đặc và anhydride acetic. Cách viết đó không được dùng cho tinh bột trong chương trình phổ thông.
Giải thích màu xanh tím: mạch amylose xoắn thành lò xo tạo ra một khoang rỗng chạy dọc trục. Phân tử iodine chui vừa vào khoang này và bị giữ lại, tạo thành hợp chất bọc có màu xanh tím. Cellulose mạch thẳng, không có khoang nào để giữ iodine nên không đổi màu. Đun nóng hồ tinh bột thì mạch xoắn duỗi ra, iodine thoát ra và màu biến mất; để nguội mạch xoắn lại, màu xanh tím xuất hiện trở lại.
Bước 1 — tính số mol mắt xích. Tinh bột có công thức (C6H10O5)n, mỗi mắt xích C6H10O5 có phân tử khối 6·12 + 10·1 + 5·16 = 72 + 10 + 80 = 162. Số mol mắt xích là 32,4 : 162 = 0,2 mol.
Bước 2 — viết phương trình và đọc tỉ lệ. (C6H10O5)n + nH2O → nC6H12O6. Một mắt xích cho đúng một phân tử glucose, nên nếu phản ứng hoàn toàn thì số mol glucose bằng 0,2 mol. Đây là điểm cần nhớ nhất của dạng bài này: chỉ số n không ảnh hưởng tới phép tính vì nó bị triệt tiêu khi chuyển sang đếm theo mắt xích.
Bước 3 — nhân hiệu suất. Vì hiệu suất chỉ đạt 80% nên số mol glucose thực tế là 0,2·0,8 = 0,16 mol.
Bước 4 — tính khối lượng. Glucose C6H12O6 có phân tử khối 6·12 + 12·1 + 6·16 = 72 + 12 + 96 = 180. Khối lượng glucose là 0,16·180 = 28,8 gam.
Đối chiếu nhanh: nếu hiệu suất đạt 100% thì khối lượng glucose sẽ là 36 gam, lớn hơn 32,4 gam tinh bột ban đầu đúng theo tỉ số 180 : 162. Kết quả 28,8 gam nhỏ hơn 36 gam nên hợp lý; nếu ai đó ra con số lớn hơn 36 gam thì chắc chắn đã chia cho hiệu suất thay vì nhân.
Bước 1 — viết công thức cellulose theo dạng nêu rõ nhóm –OH: [C6H7O2(OH)3]n. Mỗi mắt xích vẫn có phân tử khối 162, nên số mol mắt xích là 16,2 : 162 = 0,1 mol.
Bước 2 — viết phương trình. [C6H7O2(OH)3]n + 3nHNO3 → [C6H7O2(ONO2)3]n + 3nH2O. Cả ba nhóm –OH của mỗi mắt xích đều bị thay, nên mỗi mắt xích cellulose cho đúng một mắt xích cellulose trinitrate và tiêu thụ ba phân tử HNO3.
Bước 3 — tính phân tử khối mắt xích sản phẩm. C6H7O2(ONO2)3 có phân tử khối 6·12 + 7·1 + 2·16 + 3·62 = 72 + 7 + 32 + 186 = 297. Tính nhanh hơn: mỗi lần thay một nguyên tử H bằng nhóm NO2 thì phân tử khối tăng 46 − 1 = 45, ba lần là 135, cộng vào 162 được 297.
Bước 4 — nhân hiệu suất rồi tính khối lượng. Số mol sản phẩm thực tế là 0,1·0,6 = 0,06 mol, khối lượng bằng 0,06·297 = 17,82 gam.
Kiểm tra: nếu hiệu suất 100% thì được 29,7 gam; 60% của 29,7 đúng bằng 17,82 gam. Lỗi hay gặp là dùng phân tử khối 207 của mononitrate hoặc 252 của dinitrate, xảy ra khi quên rằng đề đã nói rõ sản phẩm là trinitrate.