《纺织化学 教学课件 ppt 作者 魏玉娟 主编 胡雪敏 崔景东 副主编第12章碳水化合物》由会员分享，可在线阅读，更多相关《纺织化学 教学课件 ppt 作者 魏玉娟 主编 胡雪敏 崔景东 副主编第12章碳水化合物（26页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,第十二章 碳水化合物,本章引述及小结,碳水化合物又称为糖类，是自然界中分布最广的天然有机化合物。葡萄糖、果糖、淀粉、纤维素等都是碳水化合物。它们对于生命活动起着极其重要的作用。此外，碳水化合物还是纺织，造纸、建材、食品和医药工业的重要原料。 碳水化合物含有碳、氢、氧三种元素，且许多碳水化合物中氢原子和氧原于的比例为21，可用通式Cm(H2O)n表示。由于早先不了解这类化合物的结构，从形式上把它们看成是由碳和水所组成的化合物，并因此称为碳水化合物。后来发现有些性质上应属碳水化合物一类的化合物并不符合这一通式，而有些符合这一通式但不具有碳水化合物一类的性质。更为重要的是，它们并不是碳的水合物。虽
2、然，“碳水化合物”这一名称早巳失去原来涵义，但沿用已久，至今仍被普遍采用。本章主要介绍碳水化合物分类，葡糖糖、果糖、麦芽糖、纤维二糖及淀粉的化学结构及主要性质，阐述了淀粉的糊化性能及变性淀粉在浆纱上的应用。,碳水化合物从结构上来看：它是多羟基醛或多羟基酮类，以及能被水解成多羟基醛或多羟基酮的化合物. 碳水化合物一般分为三类：单糖、低聚糖、多糖。,第一节 单糖,单糖从化学结构上可分为醛糖和酮糖两大类。 一、葡萄糖的结构： 1、葡萄糖的开链式结构 分子式C6H12O6 还原葡萄糖： 正己六醇 正己烷 （葡萄糖分子的碳架没有支链） 与过量的乙酐作用 葡萄糖五乙酸酯 （葡萄糖分子中含有5个羟基） 能与
3、羟胺作用，能发生银镜反应 （葡萄糖分子中含有醛基）,所以推断：葡萄糖的开链式结构为：（费舍尔投影式） 2、葡萄糖的环状半缩醛式结构 3、开链式结构与环氧式结构的互变异构（见下图） 4、葡萄糖的构象,二、果糖的结构 分子式C6H12O6 结构： 三、单糖的性质 1、氧化 单糖能被许多氧化剂氧化。例如，用较弱的氧化剂溴水可把D葡萄糖中醛基氧化成羧基，得到D葡萄糖酸，用较强的氧化剂硝酸，则可生成D-葡萄糖二酸。 费林试剂和多伦试剂是常用的碱性弱氧化剂，它们可使醛和羟基酮类化合物氧化，例如，醛糖的醛基氧化成羧基，酮糖的羟基氧化成羰基，析出氧化亚铜或金属银。常用费林试剂和多伦试剂来鉴别还原糖与非还原糖。
4、葡萄糖的还原性比果糖强，工业上常作为还原剂。,2、还原 用还原剂钠汞齐或用催化加氢的方法可把醛糖和酮糖还原成己六醇，如D葡萄糖被还原成D葡萄糖醇。 3、脎的生成 单糖与苯肼反应生成苯腙，如苯肼过量则可生成糖脎，例如，D葡萄糖与苯肼生成葡萄糖脎。此反应常用于糖的鉴别。 HOCH2(CHOH)4HC=O + C6H5NHNH2 D葡萄糖 苯肼 （过量） HOCH2(CHOH)3C(NNHC6H5)HC=N2C6H5 D葡萄糖脎 4、糖甙的生成 单糖分子中的甙羟基比醇羟基活泼，易与其他羟基化合物作用，失水生成缩醛或缩酮，这种产物称为糖甙。糖甙在结构上可看作糖分子中甙羟基上的氢原子被其他基团取代的产物
5、。,例如，D葡萄糖与氯化氢的甲醇溶液反应可生成甲基D葡萄糖甙，由于D葡萄糖有、两种异构体，所以甲基D葡萄糖甙也有、两种，它们是非对映体。 D甲基葡萄糖甙 D甲基葡萄糖甙 如把D葡萄糖与强烈的甲基化试剂硫酸二甲酯在碱的存在下作用，则环状结构中的一个甙羟基和四个醇羟基全部发生醚化反应，生成五甲基-D葡萄糖甙.,第二节 双糖 一、麦芽糖 麦芽糖是淀粉在淀粉糖化酶或唾液作用下部分水解的产物。能溶于水，甜味不如蔗糖。麦芽糖用无机酸水解生成两分子D葡萄糖。它具有单糖的一些性质，能被费林试剂或多伦试剂氧化，能与苯肼作用生成脎，有和两种异构体，在溶液中有变旋现象。这些事实说明，麦芽糖分子中含有一个甙羟基。经研
6、究证明，它是由一分子D吡喃葡萄糖C1上的甙羟基与另一分子D葡萄糖C4上的醇羟基脱水缩合而成的，这种结合方式称为1，4甙键，因此麦芽糖是一种D葡萄糖甙。麦芽糖在结晶状态下它的甙羟基是型的，其结构如下：,二、纤维二糖 纤维二糖可由纤维素部分水解得到。与麦芽糖一样，水解后生成两分子D葡萄糖，它的分子中含有一个甙羟基，具有单糖的一些性质，能被费林试剂或多伦试剂氧化，能与苯肼作用成脎，有和两种异构体，在溶液中有变旋现象。所不同的是，它是由D葡萄糖C1甙羟基与另一分子D葡萄糖C4上的醇羟基脱水缩合而成的，这种结合方式称为1，4甙键，因此纤维二糖是一种D葡萄糖甙。,三、蔗糖 蔗糖水解后生成等量的D（+）葡萄
7、糖和D（-）果糖。研究表明，蔗糖是由D葡萄糖的苷羟基与D果糖的苷羟基脱水缩合而成的，蔗糖既是葡萄糖苷，又是D果糖苷。其结构式为： 蔗糖分子中两个单糖组分都不含苷羟基，在溶液中不能转变成开链式结构。因此蔗糖不与费林试剂和多伦试剂反应，也不与苯肼反应，没有变旋现象。,第三节 多糖（淀粉和纤维素） 多糖是由许多个单糖分子的甙羟基和醇羟基脱水缩合的产物。最重要的多糖是淀粉和纤维素。 一、淀粉 1、淀粉的分子结构 淀粉是由许多个麦芽糖分子缩合而成的，或由许多个D-葡萄糖 分子通过型甙键连接而成的缩聚物。 （1）直链淀粉 （2）支链淀粉,天然淀粉,分解淀粉,淀粉衍生物,交联淀粉,物理处理淀粉,二、 淀粉的
8、结构与性质,（一）淀粉的结构 不同植物来源的淀粉具有不同的形态结构，他们的颗粒形态在大小和形状上有明显的不同，尺寸分布范围为1m100m。在电镜下观察，马铃薯淀粉颗粒表面最光滑，但在原子力显微镜下仍可以看到有200nm500nm的突出物，在较大的玉米淀粉颗粒表面可以看到“针眼”和赤道凹槽或犁沟。淀粉的很多物理化学性质，如浆液透光率、直链淀粉含量、膨胀能力和结合水的能力都与淀粉颗粒的平均尺寸密切相关。,淀粉颗粒不溶于冷水，与水混合成为白色不透明的悬浮液，称为淀粉乳。升高温度，淀粉颗粒吸水膨胀，颗粒破裂，成为半透明的淀粉糊。发生糊化的温度称为淀粉的糊化温度。不同来源的淀粉具有不同的糊化温度，糊化淀
9、粉具有增稠、凝胶、粘合、成膜等特性。淀粉颗粒的物理性质见下表。,淀粉是由多个麦芽糖分子脱水缩合而成的，由许多个D葡萄糖分子通过型苷键连接而成的缩聚物。分子式为(C6H10O5)n，n位聚合度。不同淀粉的聚合度差别较大，马铃薯淀粉聚合度可达10006000，玉米淀粉的聚合度较小，为2001200。D葡萄糖在淀粉中结合方式的不同，存在着两种不同的淀粉，即直链淀粉和支链淀粉。如图13-1，图13-2所示。,直链淀粉,直链淀粉主要是由D葡萄糖通过1，4苷键连接而成的化合物，但在直链上尚有少量的支链，其构象盘旋成螺旋状，分子量约为150,000600，000。,支链淀粉的主链也是由D葡萄糖通过1，4苷键
10、连接而成的，但每隔2025个葡萄糖单元就有一个1，6苷键相连的一个支链。支链大约由20个葡萄糖单元以1，4苷键相结合的。支链淀粉分子量较直链淀粉大，约在1，000，0006，000，000之间，大多数的淀粉中支链淀粉约占8090。,直链和支链淀粉的性能差别,直链和支链淀粉在水溶性方面有较大差别。直链淀粉溶解于热水，但是当它们冷却以后，分子间以氢键结合发生凝沉(老化)。由于氢键力的累积，这种结合很强，类似于纤维素分子的聚集，使老化的直链淀粉很难溶于水，常常需要高温高压才能溶解。 而当淀粉颗粒糊化时，首先溶解的是直链淀粉，支链淀粉先是溶胀，然后淀粉颗粒破坏。当支链淀粉分散于水中后，被水溶剂化，当温
11、度降低后与水形成氢键，由于支链的空间阻碍互相不易靠近，因此支链淀粉不易聚沉，有较好的稳定性。,2、淀粉的性质,淀粉分子中每个葡萄糖单位含有三个羟基和一个甙键，分子间作用力大，不溶于一般有机溶剂。 （1）水解反应 淀粉在酸性条件下，大分子中的葡萄糖单元间的甙键与酸能水解，使大分子断裂，聚合度降低。 （2）与碘作用 淀粉与碘发生灵敏的颜色反应，可以用来鉴别碘的存在。,二、纤维素 1、纤维素的分子结构 纤维素是由葡萄糖剩基以1，4甙键连接成的线型大分子 1.每个葡萄糖剩基上有三个羟基，其中2，3位上是仲羟基，6位上是伯羟基。 2.含有大量的1，4甙键易在酸性条件下水解。 3.纤维素大分子两个末端基的
12、性质是不同的。,2、纤维素的性质 纯净的纤维素为无色、无臭、无味的纤维状物质，不溶于水和有机溶剂。分子中的甙键在酸或纤维素酶的作用下最终水解成葡萄糖，但人体内不含有能使甙键水解的纤维素酶，因此人类不能从纤维素类食物中直接获得葡萄糖，纤维素分子中的羟基是纤维素纤维染色、化学整理、变性和制备各种衍生物的基础。 （1）溶解性能 可以与铜氨溶液作用形成络合物而溶解。 （2）与碱作用 碱液与纤维素分子中的羟基作用生成化合物碱纤维素。由于碱的水化作用，碱纤维素能吸附大量的水，使分子链间距离扩大，发生溶胀，使试剂易于渗入，从而提高了纤维素的反应性能。 （3）酸的作用 纤维素对酸较敏感，因为CellOH大分子
13、中的1，4-甙键对酸敏感，所以酸处理应严格控制工艺条件，防止纤维损伤。,（4）氧化反应 （5）成酯反应 纤维素分子中羟基能与酸或酸酐等作用，形成纤维素酯类。 a. 纤维素与浓硝酸和浓硫酸作用后，生成纤维素硝酸酯(俗称硝化纤维)。 b.纤维素与醋酸酐和醋酸混合物，在少量浓硫酸催化作用下，可 得到纤维素三醋酸酯。,纤维素三醋酸酯能溶于许多有机溶剂，但不溶于丙酮中。如将其部分水解，则得到纤维素二醋酸酯，它能溶于丙酮。将纤维素二醋酸酯的乙醇和丙酮溶液，通过细孔或窄缝压入热空气中，溶剂蒸发后，即成丝状或片状物质。醋酸酯的最大用途是用来制造人造丝及电影胶片。 c.碱纤维素与二硫化碳反应则生成纤维素黄原酸盐
14、。 纤维素黄原酸钠溶于稀氢氧化钠溶液中，成为一种粘稠的溶液，把这种粘液经过细孔压入稀硫酸中时，纤维素从黄原酸盐再生而成丝状。这就是制造人造丝(或粘胶丝)的基本原理。 （6）成醚反应 纤维素分子中羟基上的氢，如被烃基或连有其他基团的烃基取代后，即得到纤维素醚类。,其中最重要的是羟乙基纤维素和羟甲基纤维素。碱纤维素与环氧乙烷作用，可制得羟乙基纤维素： 羟乙基纤维素是白色无定形粉末，它具有高度化学稳定性，耐热，耐寒以及机械性能都好，通常用来制造喷漆，在纺织工业中可以代替淀粉，作经纱上浆用，也可用作染料的乳化剂等。碱纤维素与一氯醋酸作用，可制得羧甲基纤维素的钠盐，简称C.M.C。 羧甲基纤维素的钠盐是
15、一种无味无臭的白色粉状，易溶于水成透明的胶体，溶液呈中性或弱碱性，很稳定，可以长期保存。羧甲基纤维素钠盐是一种用途广泛的水溶性高分子化合物，在纺织工业中用作浆料，其效率较淀粉浆高，还可用作粘合剂等。,阅读材料 诺贝尔化学奖获得者-霍沃斯,霍沃斯（Walter Norman Haworth，1883-1950）英国化学家，霍沃斯在曼彻斯特大学求学，在格廷根大学瓦拉赫们的指导下做研究生，并于1910年获得博士学位。他的许多研究工作是关于糖的结构方面的研究，他填补了费希尔遗留下来未做的工作。霍沃斯创立了一种代表糖分子的环状结构式（不是将碳原子排成直线），这种结构式更为准确地体现出糖分子的结构，而且用它来描述有糖参加的化学反应时更为有用。这种结构式至今称为霍沃斯分子式。二战期间，霍沃思研究了用气体扩散法分离铀同位素。还研究血浆的糖类代用品。霍沃思主要著作有糖的构成一书，于1929年出版。霍沃思后期从事维生素研究，1934年他与英国化学家赫斯特成功地合成了维生素C，这是人工合成的第一种维生素。这一研究成果不仅丰富了有机化学的研究内容，而且可生产廉价的医药用维生素C(即抗坏血酸)。由于他在糖类和维生素研究上的重大贡献与瑞士化学家Karrer（从事类胡萝卜、核黄素以及维生素A、B2的研究）于1937年共获诺贝尔化学奖。,
