2022届高中化学竞赛辅导碳水化合物

丙醛糖 醛糖 丁醛糖 单糖 戊醛糖糖 寡糖 酮糖 己醛糖 多糖定义：多羟基的醛或酮或经简单水解能生成这类醛酮的化合物称为糖。因这类化合物都是由C、H、O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。

第十讲碳水化合物.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。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，称之为糖类较为合理。根据其单元结构分为：单糖——不能再水解的多羟基醛或多羟基酮。低聚糖——含2~10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——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经光合作用合成的糖类物质达数千亿吨。它既是构成植物的组织基础，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。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。§1单糖的开链结构葡萄糖,实验事实：1.碳氢定量分析，实验式CH2O2.经分子量测定，确定分子式为C6H12O6.3.能起银镜反应，能与一分子HCN加成，与一分子

NH2OH缩合成肟，说明它有一个醛羰基。4.能酰基化生成酯。乙酰化后再水解，一分子酰基化后的葡萄糖可得五分子乙酸，说明分子中有五个羟基。5.葡萄糖用钠汞齐还原后得己六醇；己六醇用HI彻底还原得正己烷。这说明葡萄糖是直链化合物。按照经验，一个碳原子一般不能与两个羟基同时结合，因为这样是不稳定的，根据上述性质，如果羰基是个醛基，则它的构造式应是：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。

用醛氧化后得相应得酸，碳链不变。而酮氧化后引起碳链的断裂，应用这一性质就可确定是醛糖或酮糖。葡萄糖用HNO3氧化后生成四羟基己二酸，称葡萄糖二酸。因此，葡萄糖是醛糖。6.确定羰基的位置。葡萄糖与HCN加成后水解生成六羟基酸，后者被HI还原后得正庚酸，这进一步证明葡萄糖是醛糖。

同样的方法处理果糖，最后的产物是α-甲基己酸。

因此，果糖的羰基是在第二位

综合上述反应和分析，就确定了葡萄糖和果糖的构造式。

单糖的构型葡萄糖有四个手性碳原子，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）构型的标记

糖类的构型习惯用D/L名称进行标记。即编号最大的手性碳原子上OH在右边的为D型，OH在左边的为L型。八个D型的己醛糖的名称及构型见P216，另有八个L型异构体。在1951年以前还没有适当的方法测定旋光物质的真实构型。这给有机化学的研究带来了很大的困难。当时，为了研究方便，为了能够表示旋光物质构型之间的关系，就选择一些物质作为标准，并人为地规定他们的构型，如甘油醛有一对对映体（+）—甘油醛和(－)—甘油醛。1．相对构型的确定（人为规定）

当时人为规定右旋的甘油醛具有（Ⅰ）的构型（即当醛基—CHO排在上面时,H在左边,OH在右边）,并且用符号“D“标记它的构型“dextro”即右旋；左旋的甘油醛具有（Ⅱ）得构型，用符号L标记它的构型“levo”即左旋。右旋甘油醛就称为D-(+)-甘油醛，左旋甘油醛称为L-(-)-甘油醛，在这里+、-表示旋光方向，D,L表示构型。构型与旋光性之间没有一一对应关系。H左，HO右，D系列H右，HO左，L系列2单糖的链式结构及表示方法19世纪末，20世纪初，费歇尔（E•Fischer）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：单糖分子都有手性，具有旋光异构体。如：丁醛糖4；戊醛糖8；己醛糖16。可通过甘油醛逐步增加C的方法导出

（p216)从D-赤藓糖和D-苏阿糖出发，用与HCN加成水解，还原等同样方法，可各衍生出两个戊糖,共四个D-戊醛糖，从四个D-戊醛糖出发可各得两个己糖,共八个D-己醛糖。实例 系统命名法 习惯命名法类别

3。单糖的命名(2R)-2,3-二羟基丙醛 D-(+)甘油醛 丙醛糖(2R,3R,4R)-2,3,4,5-

四羟基戊醛 D-(-)-核糖戊醛糖

(3S,4R,5R)-1,3,4,5,6

五羟基已-2-酮

D-(-)-果糖 已酮糖1.葡萄糖的变旋现象，某些特性及环型结构的提出2.葡萄糖环型结构的画法--哈武斯（Haworth)透视式3.葡萄糖的构象式§2

单糖的环型结构1.葡萄糖的变旋现象，

某些特性及环型结构

一个有旋光的化合物，放入溶液中，它的旋光度逐渐变化，最后达到一个稳定的平衡值，这种现象称为变旋现象。(1).葡萄糖的变旋现象D-(+)-葡萄糖-D-(+)-葡萄糖（无结晶水）-D-(+)-葡萄糖在乙醇中重结晶在吡啶中重结晶在HOAc中重结晶mp146oCmp148-150oCH2OH2O浓缩()-D-(+)-葡萄糖

的水溶液()-D-(+)-葡萄糖的水溶液[]D=+112o放置[]D=+18.7o放置所得溶液[]D=52.7o(2)葡萄糖的其它特性D-葡萄糖只能与一个醇（甲醇）形成缩醛。

（说明单糖是一个分子内半缩醛结构）不与NaHSO3反应。IR图谱中没有羰基的伸缩振动。1HNMR图谱中没有醛基质子的吸收峰。能与斐林试剂、土伦试剂、H2NOH、HCN、Br2水等发生反应。（有醛基）无醛基葡萄糖的链式结构无法合理解释上述各种特性环状半缩醛、半缩酮的启迪，糖环形结构的提出。(3).糖环形结构的提出HOCH2CH2CH2CHOHOCH2CH2CH2CH2CHO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。1925~1930年，由X射线等现代物理方法证明，葡萄糖主要是以氧环式（环状半缩醛结构）存在的。

1．氧环式结构2．环状结构的α构型和β构型

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α构型和β构型。两种构型可通过开链式相互转化而达到平衡。将碳链向右放成水平，使原基团处于左上右下的位置。这就是糖具有变旋光现象的原因。

α构型——生成的半缩醛羟基与决定单糖构型的羟基在同一侧。

β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。

α-型糖与β-型糖是一对非对映体，α-型与β-型的不同在C1的构型上故有称为端基异构体和异头物。

2将碳链水平位置弯成六边形状。③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。αβ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：

α-D-(+)-吡喃葡萄糖β-D-(+)-吡喃葡萄糖果糖的结构

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C6上的羟基与羰基形成吡喃式环。两种氧环式都有α型和β型两种构型，因此，果糖可能有五种构型。葡萄糖的构象式-D-吡喃葡萄糖-D-吡喃葡萄糖稳定性（1）>（3）>（4）>（2），所以，混合物中-D-吡喃葡萄糖多。(1)(2)(3)(4)3.1糖的递增反应克里安尼氰化增碳法3.2糖的递降反应1)佛尔递降反应2)芦福递降法3.3差向异构化3.4形成糖脎3.5氧化3.6还原3.7形成糖苷3.8酯化反应§3单糖的反应3.1糖的递增反应--克里安尼氰化增碳法pH=3-5HCNH3O+H3O+Na-HgH2ONa-HgH2OpH=3-5*1.原来分子的手性碳原子，对新生的手性碳原子具有一定的感应作用，所以两个差向异构体是不等量的。*2.若用Na-Hg乙醇溶液还原，则产物两端均为醇。*3.该反应产率不高，主要用于研究结构。*3.2糖的递降反应1佛尔递降法-HCNH2NOH,Ac2ONaOAc-HOAcMeO-MeOHMeOHMeO-醛加HCN的逆反应碱乙酰化酯交换2芦福递降法（氧化脱羧）CaBr2,CaCO3H2O2,Fe3+40oC-CO2D-阿拉伯糖电解氧化3.3差向异构化在弱碱性条件下，糖中与羰基相邻的不对称碳原子的构型发生变化，这称为差向异构化。D-果糖弱碱如吡啶、三级胺等（差向异构化）D-葡萄糖D-甘露糖烯二醇糖酸在类似的条件下也能发生差向异构化。糖酸的差向异构化

Na-HgH2OpH=3-5CaBr2,CaCO3Ca(OH)2,125oCH+差向异构化电解氧化D-阿拉伯糖D-核糖3.4形成糖脎（sa)

一分子糖和三分子苯肼反应，在糖的1,2-位形成二苯腙（称为脎）的反应称为成脎反应。(p224)生成糖脎的反应是发生在C1和C2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，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。成脎反应的应用：1.用来鉴别各种糖（因为不同的糖脎结晶形状不同，熔点不同，形成的时间也不同）。糖脎都是黄色晶体。2.用于研究糖的构型（葡萄糖、甘露糖、果糖具有相同的糖脎，这说明这三个糖除第一和第二个碳原子构型不同外，其它碳原子的构型完全相同）3.将葡萄糖转变成果糖。3.5糖的氧化反应还原糖和非还原糖的概念：凡是对斐林试剂、土伦试剂、本尼迪特试剂呈正反应的糖称为还原糖，呈负反应的糖称为非还原糖。斐林试剂（硫酸酮和碱性酒石酸钾钠）土伦试剂（硝酸银的氨水溶液）本尼迪特试剂（柠檬酸、硫酸铜、碳酸钠配制成）1.用斐林试剂、土伦试剂、本尼迪特(Benedict)试剂氧化---醛糖和α-C上有羟基的酮糖斐林试剂or土伦试剂or本尼迪特试剂D-葡萄糖D-葡萄糖酸2.用溴水氧化-形成糖酸（区别酮糖和醛糖）Br-H2OpH=5与C5上羟基成酯与C4上羟基成酯在弱酸性条件下不会发生异构化。D-葡萄糖酸--内酯D-葡萄糖酸--内酯D-葡萄糖酸3.电解氧化（用来制备糖酸）CaBr2,CaCO3CaBr2+H2O+CO2CaBr2Ca(OH)2+Br2

H2OD-葡萄糖酸钙（钙片）电解氧化-CHO+Br2-COOH+Ca(OH)2电解H2O-COOH+HBr-COO1/2Ca2HBr+CaCO3过程（1）稀硝酸能把醛糖氧化成糖二酸。（2）稀硝酸氧化酮糖时导致C1-C2键断裂， 用来区别醛糖和酮糖或用来测定结构。（3）浓硝酸能使二级醇氧化，进一步导致C-C键断裂，因此不能使用。4.用硝酸氧化稀HNO35.用高碘酸氧化RCHO+R’CHO+H3IO4反应机理+5HIO45HCOOH

+CH2O3.6单糖的还原1糖→糖醇H2

，兰尼Ni,orNaBH4D-葡萄糖醇（L-山梨糖醇）3.7形成糖苷

环状糖的半缩醛羟基能与另一分子化合物中的羟基、氨基或硫羟基等失水，生成的失水产物称为糖苷，也称为配糖体。由葡萄糖衍生的糖苷叫葡萄糖苷，失水时形成的键叫苷键。苷似醚不是醚，它比一般的醚键易形成，也易水解

糖苷没有变旋光现象，没有还原糖的反应。糖苷的名称由三部分组成：配基+糖的残基+（糖）苷甲基--D-吡喃葡萄糖苷甲基--D-吡喃葡萄糖苷CH3OHH+CH3OHH+-苷键-苷键配基在酸催化下，只有糖的半缩醛羟基能与另一分子醇反应形成醚键。但用威廉森反应可使糖上所有的羟基（包括半缩醛的羟基）形成醚。最常用的甲基化试剂是：（1）30%NaOH+(CH3)2SO4

（2）Ag2O+CH3I糖苷从结构上看是缩醛，在碱性条件下是稳定的，但可用温和的酸性条件水解，生成糖和配基。而普通的醚键在温和的酸性条件下是稳定的，只有在强的HX作用下才分解。关于半缩醛羟基和一般羟基反应的几点注意酶也能促使糖苷水解，而且是立体专一的（例如，从酵母中分离得到的α-D-葡萄糖苷酶只能水解α-D-吡喃葡萄糖苷，而从杏仁中得到的β-D-葡萄糖苷酶只水解β-D-葡萄糖苷。醛和酮可以和糖分子中邻位顺式羟基缩合形成环状的缩醛和缩酮，该反应可以用来保护羟基（一般规律是丙酮与邻位顺式羟基缩合形成环状的缩酮，而苯甲醛与1,3-二醇生成六元环的缩醛）3.8酯化反应

应用制备酯的通用方法可以在糖中的每一个有羟基的地方发生成酯反应。-D-吡喃葡萄糖五乙酸酯-D-吡喃葡萄糖五乙酸酯-D-吡喃葡萄糖-D-吡喃葡萄糖快Ac2O慢快Ac2O0oCNaAc0oCNaAc0oC100oC相对较快无水ZnCl2Ac2OAc2O,NaOAc100oC相对较慢ZnCl2α-D-吡喃葡萄糖-6-磷酸酯葡萄糖磷酸酯（ATP)α-D-吡喃葡萄糖-1-磷酸酯+D-果糖-1，6-二磷酸酯二羟基丙酮磷酸酯D-甘油醛-3-磷酸酯代谢过程中经多步反应酶α-D-吡喃葡萄糖-6-磷酸酯L-(+)-阿拉伯糖 D-(+)-木糖 D-(-)-核糖 D-(-)-2-脱氧核糖一些重要的单糖及其衍生物氨基糖D-(+)-葡萄糖 D-(+)-甘露糖 D-(+)-半乳糖 D-(-)-果糖N-甲基--L-2-氨基葡萄糖

-D-2-氨基葡萄糖 维生素C的合成Cu-CrH2D-葡萄糖L-山梨糖醇醋酸菌氧化L-山梨糖维生素C酯交换保护羟基氧化去保护酯化烯醇化1纤维二糖的结构和命名2乳糖的结构和命名3麦芽糖的结构和命名4蔗糖的结构和命名§4双糖

双糖的定义、组成、表达方式（Fisher投影式、Haworth透视式、构象式）、命名（名称和苷键）、结构测定。要求同学掌握定义：水解后产生两分子单糖的低聚糖称为双糖。（或称：一分子单糖中的半缩醛羟基和另一分子单糖中的羟基发生失水反应得到的糖为双糖）（1）纤维二糖是纤维素水解的产物。纤维二糖水解产生一分子β-D-吡喃葡萄糖和一分子D-吡喃葡萄糖。（2）因为整个分子中保留了一个半缩醛的羟基，能与土伦、斐林、本尼迪特试剂反应，所以是还原糖。β-D-吡喃葡萄糖D-吡喃葡萄糖1纤维二糖的结构和命名（C12H22O11）231页β-1,4-苷键4-O-（β-D-吡喃葡萄糖基）-D-吡喃葡萄糖β-(+)-纤维二糖（3）命名时选保留半缩醛羟基的糖为母体，另一个糖为取代基。（1）乳糖水解产生一分子β-D-吡喃半乳糖和一分子

D-吡喃葡萄糖。（2）分子中保留了一个半缩醛的羟基，所以是还原糖。2乳糖的结构和命名（C12H22O11）β-1,4-苷键4-O-（β-D-吡喃半乳糖基）-D-吡喃葡萄糖-(+)-乳糖（3）命名时选保留半缩醛羟基的糖为母体，另一个糖为取代基。（1）麦芽糖是淀粉水解的产物。麦芽糖水解产生一分子-D-吡喃葡萄糖和一分子D-吡喃葡萄糖。（2）麦芽糖分子中保留了一个半缩醛羟基，是还原糖。3麦芽糖的结构和命名1.组成和命名成苷部分未成苷部分-1，4-苷键（3）命名时选保留半缩醛羟基的糖为母体，另一个糖为取代基。4-O-（-D-吡喃葡萄糖基）-D-吡喃葡萄糖β-(+)-麦芽糖*怎样证明麦芽糖是还原糖？（1）有变旋现象；（2）可以被土伦试剂、斐林试剂、本尼迪特试剂氧化；（3）能与苯肼反应生成糖脎；Br2-H2OC6H5NHNH2HOAc（4）能被溴水氧化成麦芽糖酸（1）麦芽糖只能被

-D-吡喃葡萄糖苷酶水解，不能被β-D-

吡喃葡萄糖苷酶水解，所以证明两个糖以

-苷键相连；（2）成苷必须有半缩醛羟基参加，所以成苷部分必然是提供

1-位键；（3）通过甲基化反应，可以确定苷键的另一个位置是4位。（见下页的反应式）综合(1)，(2)，(3)，证明麦芽糖具有

-1,4-苷键。*3.怎样证明麦芽糖具有-1,4-苷键Br2-H2O(CH3)2SO4

NaOHH3+O1.组成和命名（1）是由

-D-吡喃葡萄糖和-D-呋喃果糖的两个半缩醛

羟基失水而成的。（2）蔗糖中已无半缩醛羟基，所以不是还原糖。4蔗糖的结构和命名-1,2-苷键2-O-(-D-吡喃葡萄糖基)--D-呋喃果糖苷1-O-（-D-呋喃果糖基）--D-吡喃葡萄糖苷（3）两种糖均可作为母体，所以有两种学名。（1）经元素分析及相对分子量测定得出蔗糖的分子式为C12H22O11;（2）[]D=+66.5,无变旋现象，不与土伦试剂、斐林试剂、本尼迪特试剂反应，也不与苯肼反应生成糖脎（说明蔗糖无半缩醛羟基露在外面）所以蔗糖是非还原糖。（3）酸性水解实验表明：蔗糖既可用α-D-葡萄糖苷酶（又称麦芽酶）水解（说明葡萄糖出α-苷键），也可用-D-果糖苷酶（又称转化酶）水解（说明果糖出

-苷键）结论：蔗糖是由一分子α-D-葡萄糖和一分子-D-果糖的半缩醛羟基失水生成的。*2.蔗糖结构的测定转化糖：蔗糖水解后，旋光发生了变化，现将蔗糖的水解产物称为转化糖。C12H22O11+H2OC6H12O6+C6H12O6

H+酶[]D=+66.5[]D=+52.7[]D=-92.03.用HIO4氧化分解法测环的大小-HCOOH3HIO4Br2-H2OH2O将碎片拼接成环A1A2B1B24用甲基化反应测定结构Ag2OCH3I八-O-甲基蔗糖H3+O+其它碎片蒸馏分离HNO3HNO3+其它碎片§5多糖

多糖是重要的天然高分子化合物，是由单糖通过苷键连接而成的高聚体。多糖与单糖的区别是：无还原性，无变旋光现象，无甜味，大多难溶于水，有的能和水形成胶体溶液。在自然界分布最广，最重要的多糖是淀粉和纤维素。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%