碳水化合物-part 2

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单糖反应环状结构立体化学反应机理

单糖的化学性质

看懂单糖的氧化、还原、成苷与成酯反应及环状结构差异

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单糖反应环状结构立体化学反应机理

单糖的化学性质

看懂单糖的氧化、还原、成苷与成酯反应及环状结构差异

1第 1 页 · 单糖的化学性质

什么是糖脎

上页我们盘点了单糖的几个化学性质——氧化、还原、酯化等。其中有个反应特别'贪心':还原糖遇过量苯肼,一口气吞下三分子苯肼,把 C1 与 C2 都挂上相同'印章'。该产物叫糖脎。

反应条件
还原糖 + 过量苯肼,净消耗 3 分子苯肼(1 挂 C1,1 做氧化剂,1 挂 C2)
结构标志
C1 与 C2 都接上苯腙基 =N-NH-C₆H₅,原本的手性差异被擦掉
命名方式
糖名 -ose → -osazone;例:glucosazone、fructosazone
鉴别价值
晶形与熔点专属,可作糖的'指纹';C2 起构型相同的糖产同一糖脎
鉴定师把头两道指纹涂黑对应 →苯肼抹平 C1/C2 构型差异

原本靠前两位区分的糖(葡/甘/果)变成同一指纹

$$R\text{-}CH\!=\!N\text{-}NH\text{-}C_6H_5$$ $$\Big\vert$$ $$R'\text{-}CH\!=\!N\text{-}NH\text{-}C_6H_5$$
2第 2 页 · 什么是糖脎

糖脎形成的反应机理

糖脎的形成是一段三步曲:苯肼先加成、再让邻位羟基消除,最后再加成一次——总共吃掉三分子苯肼。

1
加成缩合
苯肼进攻C1羰基,脱一分子水,生成苯腙
2
氧化消除
第二分子苯肼把C2的CHOH氧化为羰基,再脱水重排出新C=N
3
再加成
第三分子苯肼抓住C2新羰基,生成1,2-双苯腙——糖脎
3第 3 页 · 糖脎形成的反应机理

葡萄糖→葡萄糖脎的完整路径

结构式逐步变化展示

葡萄糖→葡萄糖脎的完整路
结构式逐步变化展示
4第 4 页 · 葡萄糖→葡萄糖脎的完整路径

为什么不同糖产生相同糖脎

上页我们看到葡萄糖如何一步步变成葡萄糖脎。但有个反常现象:葡萄糖、果糖、甘露糖——这三种明明不同的糖,最终却生成同一种糖脎。秘密藏在C1和C2发生了什么。

C1、C2手性消失
反应中C1、C2都变成C=N—NHPh,碳上不再连四种不同基团,构型差异被抹平
只剩C3-C5决定身份
糖脎分子中手性中心只剩下C3、C4、C5三个碳上的OH朝向
三糖共享同一组构型
葡萄糖、果糖、甘露糖的C3、C4、C5构型完全相同
产出同一糖脎
起点不同,但终产物由C3-C5决定,因此三种糖生成完全相同的糖脎
换掉上衣的三人对应 →破坏C1、C2手性

上衣不同对应C1/C2差异,换成同款制服后只看下半身(C3-C5),分不出来

CH=N-NHPh-C(=N-NHPh)-CHOH-CHOH-CHOH-CH2OH\text{CH=N-NHPh-C(=N-NHPh)-CHOH-CHOH-CHOH-CH}_2\text{OH}
5第 5 页 · 为什么不同糖产生相同糖脎

差向异构化的本质

上页说到葡萄糖和甘露糖能形成同一个糖脎,但它们自己在 C2 位却是不同构型。它们之间能互转,靠的就是烯二醇中间体——这就是差向异构化的本质。

差向异构体
仅在一个手性碳上构型不同的两个糖,互为差向异构体
烯二醇中间体
C1-C2 间形成 C=C 双键,C2 由 sp³ 变 sp²,临时失去手性
C2 构型可翻转
平面型 sp² 碳两侧等价,重新质子化可得到两种构型
葡萄糖 ↔ 甘露糖
经典 C2 差向异构对,经烯二醇中间体可相互转化
立着的硬币对应 →烯二醇中间体

硬币立着时正反未定,倒下随机落向一面——烯二醇的 C2 也是平面「未定态」

HO–CH=C(OH)–(CHOH)3–CH2OH\text{HO–CH=C(OH)–(CHOH)}_3\text{–CH}_2\text{OH}
6第 6 页 · 差向异构化的本质

葡萄糖↔甘露糖的互变

通过碱催化烯二醇中间体,C2位构型可逆翻转,葡萄糖与甘露糖由此互通。

图解渲染中…
CC1=C2 双键,sp² 平面,两面均可接受质子BOH⁻夺走C2的α-H,触发烯醇化D1re面:与离去H同侧,C2构型不变D2si面:背面进攻,C2-OH翻转
7第 7 页 · 葡萄糖↔甘露糖的互变

果糖也能发生差向异构化

酮糖的C1和C2差向异构

果糖也能发生差向异构化
酮糖的C1和C2差向异构
8第 8 页 · 果糖也能发生差向异构化

不同氧化产物的对比

同样是"糖被氧化",醛糖酸氧化C1,糖醛酸氧化C6,糖二酸两头都氧化。羧基位置不同,性质天差地别。

醛糖酸
  • C1位的醛基被氧化成羧基(-CHO → -COOH)
  • C6位仍是羟甲基(-CH₂OH)
  • C1已无醛基,不能成脎,无还原性
  • 例子:葡萄糖 → 葡萄糖酸
糖醛酸
  • C6位的羟甲基被氧化成羧基(-CH₂OH → -COOH)
  • C1位仍是醛基(-CHO)
  • C1可继续被氧化,也可成脎
  • 例子:葡萄糖 → 葡萄糖醛酸
三种产物,氧化位置决定性质:醛糖酸氧化C1无还原性;糖醛酸氧化C6仍有还原性;糖二酸两头都氧化。
9第 9 页 · 不同氧化产物的对比

溴水氧化——醛糖的检测

上页硝酸把葡萄糖氧化到底,得到糖二酸。但若只想温和动醛基、保留醇羟基呢?这要请出溴水——精准手术刀式氧化剂。

温和氧化剂
溴水(Br₂/H₂O)氧化能力较弱,远不如硝酸、KMnO₄等强氧化剂
只氧化醛基
醛基C-H键活泼,醇羟基C-H键被溴水氧化极慢,故羟基保留
产物为糖酸
醛糖的-CHO被氧化为-COOH,生成aldonic acid(糖酸)
酮糖不反应
果糖等酮糖无游离醛基,不与溴水反应——这是区分醛糖与酮糖的经典方法
精准手术刀对应 →溴水的选择性氧化

只切目标组织(醛基),肌腱神经(醇羟基)一根不碰

\ceRCHO+Br2+H2O>RCOOH+2HBr\ce{R-CHO + Br2 + H2O -> R-COOH + 2HBr}
10第 10 页 · 溴水氧化——醛糖的检测

硝酸氧化——糖二酸的制备

上次的溴水温和氧化只动了醛基一头。换成更猛烈的浓硝酸,另一头的伯醇(CH2OH)也一并拿下——两端都变成 COOH,得到的就叫'糖二酸'(aldaric acid)。

HNO3 是强氧化剂
比溴水猛烈得多,需加热浓硝酸;醛基和末端 CH2OH 同时被氧化
醛糖 → 糖二酸
葡萄糖氧化后,C1 与 C6 都变成 COOH,产物叫葡萄糖二酸
易成内酯
两端都是 COOH,易分子内成 5 元或 6 元内酯,溶液中内酯与开链共存
酮糖命运不同
酮糖羰基不易被氧化,反而在 C2-C3 处 C-C 键断裂,生成较短二元酸混合物
装修只换一扇门 vs 整栋翻新对应 →Br 水氧化 vs HNO3 氧化

Br 水温和只动 CHO 一头;HNO3 狠,两头伯醇醛基一起改,故名'二酸'

HOCH2-(CHOH)4-CHOHNO3HOOC-(CHOH)4-COOH\text{HOCH}_2\text{-(CHOH)}_4\text{-CHO} \xrightarrow{\text{HNO}_3} \text{HOOC-(CHOH)}_4\text{-COOH}
11第 11 页 · 硝酸氧化——糖二酸的制备

醛糖的还原反应

前几页我们一直在讲氧化——醛基被氧化成羧基。现在反过来思考:能不能把醛基「还原」回去?答案是能,而且产物是工业上很有用的糖醇。

反应本质
醛基(-CHO)接受2个[H],变成伯醇基(-CH₂OH),碳骨架不变
还原条件
NaBH₄(温和首选)、H₂/催化剂、Na/乙醇等都可提供氢
产物是糖醇
只比原料多2个H;葡萄糖→山梨醇,甘露糖→甘露醇,半乳糖→半乳糖醇
酮糖也能还原
果糖C=O还原后产生新手性中心,得到山梨醇与甘露醇的混合物
实际应用
山梨醇(甜味剂E420)、甘露醇(渗透性利尿药)都是临床或食品常用物质
前页的氧化反应对应 →本页的还原反应

氧化把醛基的H「拿走」换成O得糖酸;还原则把H「加回去」变成醇得糖醇,同一个官能团两个相反方向

R-CHONaBH4R-CH2OH\text{R-CHO} \xrightarrow{\text{NaBH}_4} \text{R-CH}_2\text{OH}
12第 12 页 · 醛糖的还原反应

常见的还原糖醇

三行平行:左列是母体糖(带醛基),右列是还原后的糖醇(端基变羟基)。横看一个反应,纵看三组对比。

图解渲染中…
gD-葡萄糖,己醛糖(C6)xD-木糖,戊醛糖(C5),少一个碳soC2 构型与甘露醇相反,差向异构体
13第 13 页 · 常见的还原糖醇

什么是递升反应

前面学的差向异构化只能翻 C2,碳数纹丝不动——那让糖链真正多长一个碳靠什么?这就要请出递升反应,把戊糖拉成己糖、己糖拉成庚糖。

递升反应
把醛糖的碳链延长一个碳,从 n 碳糖得到 (n+1) 碳糖的合成方法
Kiliani-Fischer 三步
HCN 加成得氰醇 → 酸性水解为糖酸 → 内酯还原为醛糖
必然产生一对差向异构体
原醛基 C 由 sp² 变 sp³,新增手性中心 → C2 差向异构体对
经典实例
D-阿拉伯糖(5C) → D-葡萄糖 + D-甘露糖(6C)
递升 vs 递降
递升加碳(Kiliani-Fischer),递降减碳(Ruff/Wohl),方向相反
乐高塔最顶上方块的朝向对应 →递升产生一对 C2 差向异构体

新加的 sp³ 碳就是塔顶方块,朝左或朝右,决定两种异构体

R-CHO+HCNR-CH(OH)-CN\text{R-CHO} + \text{HCN} \rightarrow \text{R-CH(OH)-CN}
14第 14 页 · 什么是递升反应

Kiliani-Fischer合成法

Kiliani-Fischer 让醛糖的碳链多出一格:先接一个新碳,再把它降级为新醛基,全套三步到位。

1
氰醇形成
HCN 加成到醛基上,C1 变成手性中心,得到一对 C2 差向异构体
2
水解内酯化
碱性水解 -CN 为糖酸,加热脱水闭环生成 γ-内酯
3
钠汞齐还原
钠汞齐在内酯羰基上供氢,还原得到碳链多一格的醛糖
15第 15 页 · Kiliani-Fischer合成法

递降反应简介

递升反应我们把糖从五碳变六碳——那反过来,怎么把六碳糖缩成五碳?这就是递降反应要做的事:碳链缩短一格,产物依然是醛糖。

递降反应定义
把醛糖碳链从n碳缩短到n−1碳,得到少一个碳的新醛糖
与递升对称
递升加一碳(Kiliani-Fischer),递降减一碳,配对反复可调糖链长度
Ruff降解
糖二酸钙盐在Fe³⁺催化下用H₂O₂氧化,C1以CO₂形式脱去
Wohl降解
糖脎的乙酰化衍生物在碱性条件下脱去HCN,C1端被切掉
拆积木塔顶那块对应 →递降反应丢掉C1

糖的醛端C1就是塔尖,Ruff和Wohl都是把这一块拿走重组

D-葡萄糖Ruff降解D-阿拉伯糖+CO2D\text{-葡萄糖} \xrightarrow{\text{Ruff降解}} D\text{-阿拉伯糖} + CO_2
16第 16 页 · 递降反应简介

Ruff降解法

Ruff降解把醛糖从顶端切掉一个碳,得到少一碳的新醛糖,整个过程分四步推进。

1
氧化成糖酸
用溴水温和氧化C1的醛基为羧基,生成对应的糖酸
2
制备钙盐
糖酸与碳酸钙成钙盐,提升溶解度并为脱羧做准备
3
氧化脱羧
Fe³⁺催化下,H2O2把C1连同羧基以CO2形式脱去
4
获得递降醛糖
原C2~Cn重组为新醛糖,比原料少一个碳原子
17第 17 页 · Ruff降解法

Wohl降解法

一次递降脱去 C1,关键在于把醛基一路转成易脱离的腈基再丢掉。

1
形成醛肟
醛糖与羟胺缩合,C1 的 CHO 变成 CH=N-OH,为脱水成腈埋伏笔
2
脱水成腈
乙酸酐使肟脱水,N-OH 转化为 C≡N,其余羟基被乙酰化
3
脱乙酰基
氨水或碱性甲醇处理脱去全部 OAc,得到游离氰醇
4
失 HCN
氰醇在碱性下不稳定,丢失 HCN,C1 还原为醛基
18第 18 页 · Wohl降解法

酮糖与醛糖的反应差异

上页讲过溴水只氧化醛糖,但费林试剂能氧化酮糖——差别藏在反应条件里。温和酸性下酮基确实比醛基更不活泼;碱性下酮糖会经烯二醇变身醛糖,间接被氧化。

醛基位于末端
C1位羰基只连一个R基,空间位阻小、羰基碳电子充分暴露
酮基夹在链中
C=O两侧各连烃基,位阻大、电子被分散,亲核进攻更困难
速率差10倍以上
醛基亲核加成速率常为酮基的10–100倍,差距源于位阻与电子效应叠加
温和氧化只认醛糖
溴水(pH≈5)只把醛糖氧化为糖酸,酮糖完全不反应
碱性下打通界限
OH⁻催化烯二醇形成,酮糖↔醛糖互变,酮糖被间接氧化
走廊尽头敞开的门对应 →醛基羰基的可及性

酮基相当于走廊中段的门——左右都被堵死;醛基只一侧有墙

酮糖  OH烯二醇  醛糖\text{酮糖}\;\underset{\text{烯二醇}}{\overset{\text{OH}^-}{\rightleftharpoons}}\;\text{醛糖}
19第 19 页 · 酮糖与醛糖的反应差异

酮糖的递升与递降

酮糖的碳链修饰特点

酮糖的递升与递降
酮糖的碳链修饰特点
20第 20 页 · 酮糖的递升与递降

果糖的递升产物

沿箭头读:果糖先烯醇化成2,3-烯二醇中间体,C3从任一面重新接氢,分别回到果糖或翻转为阿洛酮糖。

图解渲染中…
a2烯二醇:C2=C3双键,C3手性消失,两侧均可质子化a1果糖,常见酮糖,甜度约为蔗糖1.7倍a3阿洛酮糖,果糖C3差向异构体,热量极低
21第 21 页 · 果糖的递升产物

单糖反应自测

点击作答

D-葡萄糖、D-甘露糖和 D-果糖与过量苯肼反应均得到相同的糖脎,最根本的原因是?

22第 22 页 · 单糖反应自测

四类反应横向对比

糖脎与差向异构都聚焦 C1-C2,氧化与链长修饰却波及整个分子——边界在哪?

C1-C2 局部反应
  • 糖脎:C1、C2 同时接苯肼成腙,生成 C1=C2 双腙
  • 差向异构:仅 C2 上羟基构型翻转
  • 共用烯二醇中间体,两类反应可互通
  • 不改碳数,不改氧化态,只动 C1-C2
整体骨架反应
  • 氧化:醛基→羧酸/糖二酸;还原:醛基→醇
  • 链长:递升 +1C,递降 −1C
  • 直接动氧化态或碳骨架,不经烯二醇
  • 用于结构鉴定与碳链增减合成
想保留碳数和氧化态、只在 C1-C2 试身手(构型互变/鉴定)选局部反应;想动糖的"身份"(碳数/氧化态)选整体反应。
23第 23 页 · 四类反应横向对比

本单元核心要点

  • C1-C2 是主战场:脎、差向、醛氧化都绕不开它
  • 氧化深度定产物:溴水止于醛糖酸,硝酸直通糖二酸
  • 递升与递降:在两端加减一个碳的标准化操作
  • 同脎现象 = C1-C2 构型屏蔽了下游碳的差异
  • 递升必产差向异构对:新增二号碳天生有两种取向
延伸主题:双糖的成苷与水解多糖的结构与功能糖代谢的酶与通路
24第 24 页 · 本单元核心要点

课后思考

先自己想一会儿,再点开参考答案对照思路。

1葡萄糖、果糖、甘露糖结构差异不小,为什么却都能生成相同的糖脎?从C1/C2反应的角度解释,本质是什么?

参考答案糖脎的形成只涉及C1、C2两个碳。无论起始糖是醛糖还是酮糖、C2羟基朝哪边,只要经过两次苯肼缩合,C1/C2就被「抹平」成同一苯腙结构,C3以下的差异原封保留——三个糖殊途同归。

2手头有一份未知单糖样品,你有溴水、硝酸、苯肼和硼氢化钠。怎么组合实验推断它是醛糖还是酮糖、大致碳数?

参考答案思路:①溴水氧化阳性→醛糖,阴性→酮糖或非还原糖。②苯肼成脎阳性说明是还原糖。③脎晶形/熔点与已知对照可粗判碳数。④硼氢化钠还原后看旋光变化进一步佐证。

3如果把单糖C2位的羟基替换成氢(即2-脱氧糖),它还能形成糖脎吗?差向异构化、递升、递降这些反应还成立吗?

参考答案C2没有羟基,第二个苯肼无法缩合,糖脎反应失败。差向异构化也因C2缺OH而失效。递升/递降主要发生在C1或碳链末端,对C2修饰不敏感,理论上仍可进行。

25第 25 页 · 课后思考