文档介绍：第十八章碳水化合物
概论
碳水化合物也称糖,是自然界存在最广泛的一类有机物。它们是动、植物体的重要成分,又是人和动物的主要食物来源。绿色植物光合作用的主要产物就是碳水化合物,在植物中的含量可达干重的80%,植物种子中的淀粉,根茎、叶中的纤维素,甘蔗和甜菜根部所含的蔗糖,水果中的葡萄糖和果糖都是碳水化合物。动物的肝脏和肌肉内的糖元,血液中的血糖,软骨和结缔组织中的粘多糖也是碳水化合物。
碳水化合物由碳、氢、氧三种元素组成。人们最初发现这类化合物,除碳原子外,氢与氧原子数目之比与水相同,可用通式Cm(H2O)n表示,形式上像碳和水的化合物,故称碳水化合物。如葡萄糖、果糖等的分子式为C6H12O6,蔗糖的分子式为C12H22O11等。但后来发现,有些有机物在结构和性质上与碳水化合物十分相似,但组成不符合Cm(H2O)n的通式,如鼠李糖(C6H12O5),脱氧核糖(C5H10O4)等;而有些化合物如乙酸(C2H4O2),乳酸(C3H6O3)等,分子组成虽然符合上述通式,但其结构和性质与碳水化合物相差甚远。可见碳水化合物这一名称是不确切的,但因历史沿用己久,故至今仍在使用。从分子结构的特点来看,碳水化合物是一类多羟基醛或多羟基酮,以及能够水解生成多羟基醛或多羟基酮的有机化合物。碳水化合物按其结构特征可分为三类:
:不能水解的多羟基醛或多羟基酮。是最简单的碳水化合物,如葡萄糖、半乳糖、甘露糖、果糖、山梨糖等。
:也称为寡糖,能水解产生2~10个单糖分子的化合物。根据水解后生成的单糖数目,又可分为二糖、三糖、四糖等。其中最重要的是二糖,如蔗糖、麦芽糖、纤维二糖、乳糖等。
:水解产生10个以上单糖分子的化合物。如淀粉、纤维素、糖元等。
单糖的结构
按照分子中的羰基,可将单糖分为醛糖和酮糖两类;按照分子中所含碳原子的数目,又可将单糖分为丙糖,丁糖,戊糖和己糖等。这两种分类方法常结合使用。例如,核糖是戊醛糖,果糖是己酮糖等。在碳水化合物的命名中,以俗名最为常用。自然界中的单糖以戊醛糖、己醛糖和己酮糖分布最为普遍。例如,戊醛糖中的核糖和阿拉伯糖,己醛糖中的葡萄糖和半乳糖,己酮糖中的果糖和山梨糖,都是自然界存在的重要单糖。
单糖的构型
最简单的单糖是丙醛糖和丙酮糖,除丙酮糖外,所有的单糖分子中都含有一个或多个手性碳原子,因此都有旋光异构体。如己醛糖分子中有四个手性碳原子,有24=16个立体异构体,葡萄糖是其中的一种;己酮糖分子中有三个手性碳原子,有23=8个旋光异构体,果糖是其中的一种。
单糖构型通常采用D、L构型标记法标记,即以甘油醛为标准,通过逐步增长碳链的方法来确定。凡由D-(+)-甘油醛经过逐步增长碳链的反应转变而成的醛糖,其构型为D-构型;由L-(-)-甘油醛经过逐步增长碳链的反应转变成的醛糖,其构型为L-构型。例如,从D-甘油醛出发,加成、水解、内酯化、再还原,可得两种D-构型的丁醛糖。
在D-(+)--可以从羰基所在平面的两侧进攻羰基碳原子,从而派生出两个构型相反的新手性碳原子。由于原来甘油醛中手性碳原子的构型在整个转化过程中保持不变,因此两种丁醛糖仍为D-构型,分别称为D-(-)-赤藓糖和D-(-)-苏阿糖。
D-(-)-赤藓糖
D-(-)-苏阿糖
同样,可以导出四种D-型戊醛糖、八种D-型己醛糖。
为简便起见,在构型式中可以省去手性碳原子上的氢原子,并以半短线“-”表示手性碳原子上的羟基,用一竖线表示碳链。自然界存在的单糖绝大部分是D-构型。图12-1列出了由D-(+)-甘油醛导出的D-型醛糖,其中最重要的是D-(-)-赤藓糖、D-(-)-核糖、D-(-)-阿拉伯糖、D-(+)-木糖、D-(+)-葡萄糖、D-(+)-甘露糖和D-(+)-半乳糖。
醛单糖的D-构型异构体

从L-甘油醛出发,也可导出L-构型的醛糖,它们与D-构型的醛糖互为对映体。例如,D-(+)-葡萄糖与L-(-)-葡萄糖是对映体,它们的旋光度相同,旋光方向相反。
D-(+)-葡萄糖 L-(-)-葡萄糖
在自然界中,也发现一些D-型酮糖,它们的结构一般在2-位上具有酮羰基,比相同碳数的醛糖少一个手性碳原子,所以异构体的数目也相应减少。例如,存在于甘蔗、蜂蜜中的D-果糖为六碳酮糖;存在于鳄梨树果实中的D-甘露庚酮糖是七碳酮糖。
单糖的构型通过与甘油醛对比来确定。单糖分子中虽然可能有多个手性碳子,但决定其构型的仅是距羰基最远的手性碳原子。即单糖分子中距羰基最远的手性碳原子与D-(+)-甘油醛的手性碳原子构型相同时,称为D-构型;与L-(-)-甘油醛构型相同时,称为L-构型。例如:下面各糖括出的碳原子的构型与D-(+)-甘油醛的手性碳原子的构型相同,因此都是D-构