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.
Vì sao một chi tiết nhỏ như hướng của cầu oxygen lại đổi hẳn tính chất? Ở liên kết α-1,4 hai mắt xích kề nhau cùng chiều, mạch bị bẻ đều về một phía nên nó cuộn lại thành lò xo — amylose. Ở liên kết β-1,4 mắt xích sau phải lật 180° mới nối được, hai lần lật thì trở lại vị trí cũ, kết quả là mạch duỗi thẳng tuyệt đối. Mạch thẳng cho phép hàng nghìn mạch nằm song song và khoá nhau bằng liên kết hydrogen thành bó sợi rất bền: đó là lí do sợi bông kéo được thành chỉ còn hạt gạo thì bở.
Vì sao ta tiêu hoá được cơm mà không tiêu hoá được bông? Enzyme có tính chọn lọc hình học: amylase trong nước bọt và trong ruột chỉ khớp với liên kết α-1,4, hoàn toàn không cắt được β-1,4. Người không có cellulase nên cellulose đi qua ruột nguyên vẹn và chỉ đóng vai trò chất xơ. Trâu bò tiêu hoá được cỏ là nhờ vi sinh vật trong dạ cỏ tiết cellulase, không phải nhờ chính con vật.
Thiếu điều kiện thì hỏng ở đâu? Thuỷ phân tinh bột phải có acid loãng và đun nóng; để nguội hoặc quên acid thì phản ứng gần như không chạy. Cellulose cứng đầu hơn: acid loãng không đủ, phải dùng acid đặc. Nitro hoá cellulose bắt buộc có H2SO4 đặc bên cạnh HNO3 đặc — H2SO4 hút nước sinh ra để kéo cân bằng sang phải; thiếu nó thì nước tích lại và sản phẩm bị thuỷ phân ngược, hiệu suất tụt thấy rõ.
Tinh bột nối các mắt xích glucose bằng liên kết α-1,4-glycoside; riêng amylopectin có thêm liên kết α-1,6 ở chỗ rẽ nhánh. Cellulose chỉ có một kiểu duy nhất là β-1,4-glycoside. Đây là điểm gốc, hai điểm còn lại đều là hệ quả của nó.
Vì liên kết β buộc mắt xích sau lật 180°, hai lần lật là trở về chỗ cũ nên mạch cellulose duỗi thẳng và xếp bó được.
Với cellulose ta viết [C6H7O2(OH)3]n để nêu rõ ba nhóm –OH tự do của mỗi mắt xích, vì chính ba nhóm này phản ứng với HNO3 đặc (cho thuốc súng không khói) và với anhydride acetic (cho tơ acetate). Chương trình phổ thông không dùng cách viết đó cho tinh bột.
Mạch amylose xoắn lò xo tạo một khoang rỗng chạy dọc trục, đường kính vừa đúng cỡ phân tử I2. Iodine chui vào và bị giữ lại, tạo hợp chất bọc hấp thụ ánh sáng vàng lục nên ta thấy màu xanh tím. Cellulose mạch thẳng, không có khoang nào nên iodine không bị giữ, dung dịch không đổi màu.
Nếu lời giải trên đúng thì đun nóng hồ tinh bột phải làm mất màu, vì nhiệt duỗi mạch xoắn ra và iodine thoát khỏi khoang; để nguội mạch xoắn lại và màu xanh tím trở lại. Thí nghiệm đúng như vậy, và đó là bằng chứng cho thấy đây là hợp chất bọc chứ không phải một phản ứng hoá học tạo chất mới.
Ba điểm khác: kiểu liên kết (α-1,4 và α-1,6 so với β-1,4), dạng mạch (xoắn hoặc phân nhánh so với thẳng, xếp bó), cách khai thác nhóm –OH (chỉ cellulose viết dạng ba nhóm –OH). Chỉ hồ tinh bột cho màu xanh tím vì chỉ mạch xoắn mới có khoang giữ được I2.
Đừng nói "hai chất khác nhau vì công thức phân tử khác nhau": cả hai đều là (C6H10O5)n, mắt xích đều nặng 162. Cũng đừng nói iodine "phản ứng" với tinh bột — đun nóng mà màu mất rồi trở lại thì không thể là phản ứng tạo chất mới.
Tinh bột là (C6H10O5)n; mỗi mắt xích C6H10O5 nặng 6·12 + 10 + 5·16 = 162.
$$n_{\text{mắt xích}} = \frac{32{,}4}{162} = 0{,}2\ \text{mol}$$Chia cho 162 chứ không phải 180: phân tử nước chỉ được cộng vào lúc thuỷ phân, trong mạch thì mỗi mắt xích đã mất một H2O.
Một mắt xích cho đúng một phân tử glucose, nên khi đếm theo mắt xích thì n biến mất khỏi phép tính — không cần biết n bằng bao nhiêu. Nếu hiệu suất 100% thì được 0,2 mol glucose.
Hiệu suất tính theo chất phản ứng nên nhân 0,8; chỉ khi đề hỏi "cần bao nhiêu tinh bột để điều chế…" mới chia cho 0,8.
Glucose C6H12O6 có M = 6·12 + 12 + 6·16 = 180.
$$m = 0{,}16 \times 180 = 28{,}8\ \text{gam}$$Hiệu suất 100% sẽ cho 0,2 × 180 = 36 gam, lớn hơn 32,4 gam tinh bột ban đầu đúng theo tỉ số 180 : 162 = 1,111 (phần dư chính là nước đã cộng vào). Đáp số 28,8 gam nằm dưới trần 36 gam nên hợp lí. Bảo toàn khối lượng cũng khớp: 0,16 mol mắt xích đã phản ứng nặng 25,92 gam, cộng 0,16 × 18 = 2,88 gam nước, đúng 28,8 gam.
Khối lượng glucose thu được là 28,8 gam.
Chia 32,4 cho 180 thì ra 0,18 mol và đáp số thành 25,92 gam — hụt gần 3 gam. Chia cho hiệu suất thay vì nhân thì ra 0,25 mol tức 45 gam, vượt cả trần 36 gam: hễ thấy khối lượng glucose lớn hơn 1,111 lần khối lượng tinh bột là biết đã làm ngược.
Cellulose viết là [C6H7O2(OH)3]n; mắt xích vẫn nặng 162 vì đây chỉ là cách viết khác của C6H10O5.
$$n_{\text{mắt xích}} = \frac{16{,}2}{162} = 0{,}1\ \text{mol}$$Cả ba nhóm –OH đều bị thay nên mỗi mắt xích cellulose cho đúng một mắt xích trinitrate và ăn 3 phân tử HNO3. HNO3 dư nên tính theo cellulose.
Đếm trực tiếp: 6·12 + 7·1 + 2·16 + 3·62 = 72 + 7 + 32 + 186 = 297. Tính nhanh: thay một H bằng nhóm NO2 làm khối lượng tăng 46 − 1 = 45, ba lần là 135.
$$M = 162 + 3 \times 45 = 297$$Phần cellulose đã phản ứng là 0,06 mol (9,72 gam), HNO3 đã dùng 0,18 mol (11,34 gam), tổng 21,06 gam. Sản phẩm 17,82 gam cộng 0,18 mol nước (3,24 gam) cũng bằng 21,06 gam. Khớp.
Khối lượng cellulose trinitrate thu được là 17,82 gam.
Dùng nhầm mononitrate (M = 207) thì ra 12,42 gam, dinitrate (M = 252) thì ra 15,12 gam — đề đã nói rõ "trinitrate" nên phải lấy 297. Bẫy thứ hai là quên hiệu suất, ra 29,7 gam; bẫy thứ ba là chia cho 0,6 thay vì nhân, ra 49,5 gam, lớn hơn cả lượng lí thuyết nên chắc chắn sai.