有机化学 第十六章碳水化合物

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1、第十六章第十六章 碳水化合物碳水化合物第一节第一节 碳水化合物的涵义及分类碳水化合物的涵义及分类一、碳水化合物的涵义一、碳水化合物的涵义 糖 多羟基醛和多羟基酮及其缩合物多羟基醛和多羟基酮及其缩合物，或水解后能产生多羟基醛、酮的一类有机化合物。 因这类化合物都是由这类化合物都是由C、H、O三种元素组成三种元素组成，且都符合Cn(H2O)m的通式，所以称之为碳水化合物。例如： 葡萄糖的分子式为C6H12O6，可表示为C6(H2O)6， 蔗糖的分子式为C12H22O11，可表示为C12(H2O)11等。 但有的糖不符合碳水化合物的比例，例如：鼠李糖C5H12O5（甲基糖）；脱氧核糖C5H10O4。

2、 有些化合物的组成符合碳水化合物的比例，但不是糖。例如甲酸（CH2O）、乙酸（C2H4O2）、乳酸（C3H6O3）等。因此，最好还是叫做糖类较为合理。二、分类二、分类 根据其水解的情况不同分为： 单糖 不能再水解的多羟基醛或多羟基酮。 低聚糖（寡糖）含210个单糖结构的缩合物。以二糖最为多 见，如蔗糖、麦芽糖、乳糖，等。 多糖（高聚糖） 含10个以上单糖结构的缩合物。如淀粉、纤维素，等。 糖类化合物广泛存在于自然界，是植物进行光合作用的产物。植物在日光的作用下，在叶绿素催化下将空气中的二氧化碳和水转化成葡萄糖，并放出氧气： 葡萄糖在植物体内还进一步结合生成多糖淀粉及纤维素。地球上每年由绿色植物

3、经光合作用合成的糖类物质达数千亿吨。它既是构成掌握的组织基础，又是人类和动物赖以生存的物质基础，也为工业提供如粮、棉麻、竹、木等众多的有机原料。 三、存在与来源三、存在与来源我国物产丰富，许多特产均是含糖衍生物，具有特殊的药用功效，有待我们去研究、开发。第二节第二节 单单 糖糖一、单糖的结构一、单糖的结构（一）单糖的构造式 葡萄糖、果糖等的结构已在上个世纪由被誉为“糖化糖化学之父学之父”的费歇尔（Fischer）及哈沃斯（Haworth）等化学家的不懈努力而确定。 实验证明，葡萄糖的分子式为C6H12O6，为2,3,4,5,6-五羟基己醛的基本结构。果糖为1,3,4,5,6-五羟基己酮的基本结

4、构。其构造式如下：（二）单糖的构型（二）单糖的构型葡萄糖有四个四个手性碳原子，因此，它有24=16个对映异构体。所以，只测定糖的构造式是不够的，还必须确定它的构型。1相对构型的确定相对构型的确定糖的相对构型(D系列和L系列)是以D-(+)甘油醛和L-(-)甘油醛作为标准，将其进行与糖类化合物有关联的一系列反应联系，得到相应的糖类。这样糖类的相对构型也就可以确定了。 19世纪末，20世纪初，费歇尔（EFischer）首先对糖进行了系统的研究，确定了葡萄糖的结构。葡萄糖的构型如下： 十六个己醛糖都经合得到，其中十二个是费歇尔一个人取得的（于1890年完成合成）。所以费歇尔被誉为“糖化学之父”。也因

5、而获得了1902年的诺贝尔化学奖。（38岁出成果，50岁获诺贝尔化学奖）2构型的标记和表示方法构型的标记和表示方法（1）构型的标记 糖类的构型习惯用D / L名称进行标记。即编号最大的编号最大的手性碳原子手性碳原子上上OH在右边的为在右边的为D型，型，OH在左边的为在左边的为L型型。八个D型的己醛糖的名称及构型见P581，另有八个L型异构体。（2）构型的表示方法 糖的构型一般用费歇尔式表示，但为了书写方便，也可以写成省写式。其常见的几种表示方法为： 另一种表示方法是用楔型线表示指向纸平面的键，虚线表示指向纸平面后面的键。如D-(+)葡萄糖可表示为： 应当注意的是：碳链上的几个碳原子并不在一条直

6、线上，这可从分子模型看出。把结构式横写更容易看出分子中各原子团之间的立体关系。（三）单糖的环状结构（三）单糖的环状结构 单糖的开链结构是由它的一些性质而推出来的，因此，开链结构能说明单糖的许多化学性质，但开链结构不能解释单糖的所有性质，如： 不与品红醛试剂反应不与品红醛试剂反应、与NaHSO3反应非常迟缓（这说明单糖分子内无典型的醛基）。 单糖只能与一分子醇生成缩醛单糖只能与一分子醇生成缩醛（说明单糖是一个分子内半缩醛结构）。 变旋光现象变旋光现象，如： 葡萄糖晶体 常温下用乙醇结晶而得（型） 高温下用醋酸结晶而得（型） m.p 146 150 新配溶液的D +112 +19 新配溶液放置 D

7、 逐渐减少至52 D 逐渐增高至52 由变旋现象说明，单糖并不是仅以开链式存在，还有其它的存在形式。19251930年，由X射线等现代物理方法证明，葡萄糖主要是以氧环式氧环式（环状半缩醛结构）存在的。1氧环式结构氧环式结构 糖分子中的醛基与羟基作用形成半缩醛时，由于C=O为平面结构，羟基可从平面的两边进攻C=O，所以得到两种异构体构型和构型。两种构型可通过开链式相互转化而达到平衡。这就是糖具有变旋光现象的原因。 构型生成的半缩醛羟基与决定单糖构型的羟基在同一侧。 构型生成的半缩醛羟基与决定单糖构型的羟基在不同的两侧。 -型糖与-型糖是一对非对映体，-型与-型的不同在C1的构型上， 故有称为端基

8、异构体和异头物。2环状结构的环状结构的构型和构型和构型构型 糖的半缩醛氧环式结构不能反映出各个基团的相对空间位置。为了更清楚地反映糖的氧环式结构，哈沃斯透视式是最直观的表示方法。 将链状结构书写成哈沃斯式的步骤如下：将碳链向右放成水平，使原基团处于左上右下的位置。将碳链水平位置弯成六边形状。 以C4-C5为轴旋转120使C5上的羟基与醛基接近，然后成环（因羟基在环平面的下面，它必须旋转到环平面上才易与C1成环。 糖的哈沃斯结构和吡喃相似，所以，六元环单糖又称为吡喃型单糖。因而葡萄糖的全名称为： -D-(+)-吡喃葡萄糖 -D-(+)-吡喃葡萄糖3环状结构的环状结构的哈沃斯哈沃斯式（式（Hawo

9、rth）透视式）透视式（四）单糖的构象（四）单糖的构象 研究证明，吡喃型糖的六元环主要是呈椅式构象存在与自然界的。 从D-(+)-吡喃葡萄糖的构象可以清楚的看到，在-D-(+)-吡喃葡萄糖中，体积大的取代基-OH和-CH2OH，都在e键上；而在-D-(+)-吡喃葡萄糖中有一个-OH在a键上。故型是比较稳定的构象，因而在平衡体系中的含量也较多。 （五）果糖的结构（五）果糖的结构1构型 D-果糖为2-己酮糖，其C3、C4、C5的构型与葡萄糖一样。2果糖的环状结构 果糖在形成环状结构时，可由C5上的羟基与羰基形成呋喃式环，也可由可由C6上的羟基与羰基形成吡喃上的羟基与羰基形成吡喃式环式环。两种氧环式

10、都有型和型两种构型，因此，果糖可能有五种构型。二、单糖的化学性质二、单糖的化学性质1成脎反应成脎反应 单糖与苯肼反应生成的产物叫做脎。生成糖脎的反应是发生在生成糖脎的反应是发生在C1和和C2上上。不涉及其他的碳原子，所以，如果仅在第二碳上构型不同而其他碳原子构型相同的差向异构体差向异构体，必然生成同一个脎。例如，D-葡萄糖、D-甘露糖、D-果糖的C3、C4、C5的构型都相同，因此它们生成同一个糖脎。 糖脎为黄色结晶，不同的糖脎有不同的晶形，反应中生成的速度也不同。因此，可根据糖脎的晶型和生成的时间来鉴别糖根据糖脎的晶型和生成的时间来鉴别糖。2氧化反应氧化反应（1）吐伦试剂、费林试剂氧化吐伦试剂

11、、费林试剂氧化（碱性氧化） 醛糖与酮糖都能被像吐伦试剂或费林试剂这样的弱氧化剂氧化，前者产生银镜，后者生成氧化亚铜的砖红色沉淀，糖分子的醛基被氧化为羧基。 凡是能被上述弱氧化剂氧化的糖，都称为还原糖，所以，果糖也是还原糖。 果糖具有还原性的原因原因： 差向异构化作用果糖在稀碱溶液中可发生酮式-烯醇式互变，酮基不断地变成醛基（吐伦试剂和费林试剂都是碱性试剂，故酮糖能被这两种试剂氧化）。（3）硝酸氧化）硝酸氧化 稀硝酸的氧化作用比溴水强，能使醛糖氧化成糖二酸。（4）高碘酸氧化）高碘酸氧化 糖类象其他有两个或更多的在相邻的碳原子上有羟基或羰基的化合物一样，也能被高碘酸所氧化，碳碳键发生断裂。反应是定

12、量的，每破裂一个碳碳键消耗一摩尔高碘酸。因此，此反应是研究糖类结构的重要手段之一。（2）溴水氧化（）溴水氧化（酸性氧化酸性氧化） 溴水能氧化醛糖，但不能氧化酮糖，因为酸性条件下，不会引起糖分子的异构化作用。可用此反应来区用此反应来区别醛糖和酮糖别醛糖和酮糖。3还原反应还原反应 单糖还原生成多元醇。D-葡萄糖还原生成山梨醇，D-甘露糖还原生成甘露醇，D-果糖还原生成甘露醇和山梨醇的混合物。 山梨醇、甘露醇等多元醇存在于植物中，山梨醇无毒，有轻微的甜味和吸湿性，用于化妆品和药物中。4递升和递降递升和递降（1）递升将低一级的糖经与HCN加成而增加一个碳原子后，在水解、还原生成高一级的糖的方法称为递升

13、。（2）递降从高一级糖减去一个碳原子而成低一级糖的方法称为递降。常用的递降法为沃尔（Wohl）递降法。5成苷反应成苷反应（生成配糖物） 糖分子中的活泼半缩醛羟基与其它含羟基的化合物（如醇、酚），失水而生成缩醛的反应称为成苷反应。其产物称为配糖物配糖物，简称为“苷苷”，全名为某糖某苷。注意几点： 苷似醚不是醚，它比一般的醚键易形成，也易水解。 苷用酶水解时有选择性 糖苷没有变旋光现象，没有还原糖的反应。 糖苷在自然界的分布极广，与人类的生命和生活密切相关。6甲基化反应甲基化反应 将葡萄糖甲苷进行甲基化（用硫酸二甲酯和氢氧化钠）可得到O-五甲基葡萄糖。此反应可用于推测糖的环状结构的大小。第三节第三

14、节 二二 糖糖一、还原性二糖一、还原性二糖（一）麦芽糖麦芽糖1来源 在淀粉酶催化下由淀粉水解而得。2性质性质 与葡萄糖相似3麦芽糖的结构(1)麦芽糖水解时得两分子葡萄糖（说明是有两分子葡萄糖缩合而成）。(2) 说明麦芽糖为-1,4苷键结合2,3,4,6-四-O-甲基-D-葡萄糖 2,3,6-三-O-甲基-D-葡萄糖(3)由上推得麦芽糖的结构为：（二）纤维二糖纤维二糖 纤维二糖也是还原糖，化学性质与麦芽糖相似，纤维二糖与麦芽糖的唯一区别是苷键的构型不同，麦芽糖为-1,4苷键，而纤维二躺糖为-1,4苷键。（三）乳糖乳糖 存在于哺乳动物的乳汁中，人乳中含乳糖58%，牛乳中含乳糖46%。乳糖的甜味只有

15、蔗糖的70%。结构： 由-D-吡喃半乳糖的苷羟基与D-吡喃葡萄糖C4上的羟基缩合而成的半乳糖苷。 性质： 具有还原糖的通性。 -型半乳糖 -型半乳糖二、非还原性二糖二、非还原性二糖 非还原性二糖主要是蔗糖蔗糖，是广泛存在于植物中的二糖，利用光合作用合成的植物的各个部分都含有蔗糖。例如，甘蔗含蔗糖14%以上，北方甜菜含蔗糖16-20%，但蔗糖一般不存在于动物体内。1.蔗糖的结构蔗糖的结构 以上说明蔗糖是由-D-吡喃葡萄糖的苷羟基和-D-呋喃果糖的苷羟基脱水而成。2蔗糖的性质蔗糖的性质(1)不能与吐伦试剂和费林试剂反应（无游离的醛基）。(2)不能与苯肼反应。(3)无变旋光现象。(4)蔗糖水解后，旋

16、光度发生改变。 由于水解前后旋光度发生改变（由右旋变为左旋），所以蔗糖的水解产物叫做转化糖，转化糖具有还原糖的一切性质。第四节第四节 多糖多糖一、纤维素及其应用一、纤维素及其应用 纤维素是构成植物细胞壁及支柱的主要成分。 棉花 含纤维素 90% 以上 分子量 57万 亚麻 80% 184万 木材 40 60% 9-15万1纤维素的结构纤维素的结构 将纤维素用纤维素酶（-糖苷酶）水解或在酸性溶液中完全水解，生成D-(+)-葡萄糖。由此推断，纤维素是由许多葡萄糖结构单位以-1,4苷键互相连接而成的。 生理功能：人的消化道中没有水解-1,4葡萄糖苷键的纤维素的酶，所以人不能消化纤维素，但人对纤维素又

17、是必不可少的，因为纤维素可帮助肠胃蠕动，以提高消化和排泄能力。2性质与用途性质与用途 二、淀粉二、淀粉1直链淀粉直链淀粉(1)由-D-(+)-葡萄糖以-1,4苷键结合而成的链状高聚物。(2)性质 不溶于冷水，不能发生还原糖的一些反应，遇碘显遇碘显深蓝色深蓝色，可用于鉴定碘的存在。 原因：直链淀粉不是伸开的一条直链，而是螺旋状结构。 螺旋状空穴正好与碘的直径相匹配，允许碘分子进入空穴中，形成包合物而显色。 淀粉碘包合物（深蓝色），加热解除吸附，则蓝色退去。2支链淀粉支链淀粉（不溶性淀粉） 支链淀粉在结构上除了由葡萄糖分子以-1,4苷键连接成主链外，还有以-1,6苷键相连而形成的支链（每个支链大约20个葡萄糖单位）。其基本结构如下所始：