高中化学奥林匹克竞赛辅导讲座：第15讲《生物分子化合物和高分子化合物初步》

-1-高中化学奥林匹克竞赛辅导讲座第15讲生物分子化合物和高分子化合物初步【竞赛要求】糖的基本概念。葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖。糖苷。纤维素与淀粉。氨基酸、多肽与蛋白质的基本概念。DNA与RNA。【知识梳理】一、糖类糖类物质是指多羟基醛或多羟基酮以及能水解生成多羟基醛或多羟基酮的化合物。糖类可分为单糖、低聚糖和多糖。（一）单糖1、单糖的组成及结构（1）葡萄糖的组成及结构①链状结构式由元素分析和分子量测定确定了葡萄糖的分子式为C6H12O6。其平面结构式为：CH2OHCHOHCHOHCHOHCHOHCHO其费歇尔投影式为：D–（+）–葡萄糖在葡萄糖的投影式中，定位编号最大的手性碳原子上的羟基位于右边，按照单糖构型的D、L表示法规定，葡萄糖属于D–型糖，又因葡萄糖的水溶液具有右旋性，所以通常写为D–（+）–葡萄糖。葡萄糖是已醛糖，分子中有4个手性碳原子，应有16个光学异构体，其中8个为D型，8个为L型。2、变旋光现象及环状结构式变旋光现象：某些旋光性化合物的旋光度在放置过程中会逐渐上升或下降，最终达到恒定值而不再改变的现象。实验发现，结晶葡萄糖有2种。一种是从乙醇溶液中析出的晶体（熔点146℃），配成水溶液测得其比旋光度为+112度，通常称为α–D–（+）–葡萄糖，该水溶液在放置过程中，其比旋光度逐渐下降到+52.7度的恒定值；另一种是从吡啶溶液中析出的晶体（熔点150℃），配成水溶液测得其比旋光度为+19度，称为β–D–（+）–葡萄糖，该水溶液在放置过程中，CHOCH2OHOHOHHOOHHHHH-2-比旋光度逐渐上升到+52.7度的恒定值。上述实验现象用开链式结构难以解释。人们提出：葡萄糖具有分子内的醛基与醇羟基形成半缩醛的环状结构。由于六元环最稳定，故由C5上的羟基与醛基进行加成，形成半缩醛，并构成六元环状结构，组成环的原子中除了碳原子外，还有一个氧原子。所以糖的这种环状结构又叫做氧环式结构。+D-（+）-葡萄糖由链状结构转变为环状半缩醛结构时，醛基中的碳原子由sp2杂化转变为sp3杂化，而且该碳原子上连有4个不相同的基团，从而产生一个新的手性碳原子，这个新引入的手性中心使得葡萄糖的半缩醛式可以有2个光学异构体，它们是非对映体关系，两者之间只是C1构型不同，其它构型均相同，故称之为端基异构体，也称异头物。C1羟基称为苷羟基。通常苷羟基位于碳链右边的构型称为α–型，位于碳链左边的称为β–型。由于葡萄糖存在2种环状结构，在水溶液中，两种环状结构中任何一种均可通过开链结构相互转变，最后达到动态平衡状态。此时其比旋光度为+52.7度，此即葡萄糖变旋光现象产生的原因。③哈沃斯式在葡萄糖的环状结构式中，C–O–C键拉得很长，这是与实际情况不符合的。为了合理地表达单糖的环状结构，哈沃斯建议按下列规则将费歇尔投影式换写成哈沃斯式。第一，所有费歇尔投影式中，连在手性碳原子右边的羟基在哈沃斯式中位于环平面的下方，反之，位于环平面上方的羟基相当于费歇尔投影式中连在手性碳原子左边的羟基。第二，费歇尔投影式中D–型糖的羟甲基在哈沃斯式中应指向环平面的上方，L–型糖的羟甲基则指向环平面的下方。将D–葡萄糖由开链式转变成哈沃斯式时，只要糖分子中各个碳原子构型表达无误即可，这种透视式可以更形象地显示糖的环状立体结构。CHOCH2OHOHOHOHOHHHHHOHOHOHOHHHHHCOHHOOHOHOHOHHHHHCOHHOCHOCH2OHOHOHHOOHHHHHOHOHOHOHHHHHCOHHOOHOHOHOHHHHHCHOHOOOHOHOHOHHHHHCH2OHOOHOHOHOHHHHHCH2OH-3-α–D–（+）–吡喃葡萄糖β–D–（+）–吡喃葡萄糖对于含5个碳原子和1个氧原子的六元环单糖可以看成是杂环化合物吡喃的衍生物，称为吡喃糖。把含有4个碳原子和1个氧原子的五元单糖看成是杂环化合物呋喃的衍生物，称为呋喃糖。故把上述两个化合物称为α–D–（+）–吡喃葡萄糖和β–D–（+）–吡喃葡萄糖。（2）果糖的组成及结构果糖的分子式也是C6H12O6，是葡萄糖的同分异构体。果糖是已酮糖，其结构式中C3、C4、C5的构型与葡萄糖相同。在果糖的投影式中，编号最大的手性碳原子上的羟基位于右边，故属于D–型糖，果糖具有左旋性，故称为D–（–）–果糖。与葡萄糖相似，D–果糖开链结构中的C5或C6上的羟基可以和酮基结合生成半缩酮，因而可以形成呋喃环或吡喃环两种环状结构的果糖。这些环状结构都有各自的α型和β型异构体。在水溶液中，D–果糖也可以由一种环状结构通过开链结构转变成另一种环状结构，形成互变平衡体系。因此，果糖也具有变旋光现象，达到平衡时，其比旋光度为–92度。++OCH2OHHOOHHHOHHOHHHOCH2OHOHHOHOHHHOH2CHOHOHHOCH2OHCOHHHCH2OHOHOHHOCH2OHCOHHHCH2OHOHOHHOCH2OHCOHHHCH2HOOHOHHOCH2OHCOHHHCH2OHOHHOCH2OHCOHHHOHHOHHOCH2OHCOHHHHHO-4-α–D–（–）–吡喃果糖α–D–（–）–呋喃果糖2、单糖的化学性质（1）差向异构体将D–葡萄糖用稀碱处理时，可得到D–葡萄、D–甘露糖和D–果糖这三种糖的混合物，这种现象称为差向异构体。（2）氧化反应醛糖的分子中含有醛基，所以容易被弱氧化剂氧化，能将斐林试剂还原生成氧化亚铜砖红色沉淀，能将多伦试剂还原生成银境。此外还有一种弱氧化剂叫做班氏试剂也能被醛糖还原生成氧化亚铜砖红色沉淀，常在临床检验中使用。+托伦试剂（斐林试剂）+Ag↓(Cu2O↓)酮糖具有α–羟基酮的结构，在碱性溶液中可发生差向异构体，故也能被上述弱氧化剂氧化，利用上述碱性试剂不能区分醛糖和酮糖。+托伦试剂（斐林试剂）+Ag↓(Cu2O↓)在不同条件下，醛糖可被氧化成不同产物，比如葡萄糖，用硝酸氧化时，得到葡萄糖二酸，而用溴水氧化则得到葡萄糖酸。反应式如下：D-葡萄糖二酸D-葡萄糖酸CHOCH2OHOHOHHOOHHHHHCOOHCH2OHOHOHHOOHHHHHCOOHCH2OHOHOHHOOHHHHHOHOHHOCH2OHCOHHHCH2OH硝酸CHOCH2OHOHOHHOOHHHHHCOOHCOOHOHOHHOOHHHHH溴水CHOCH2OHOHOHHOOHHHHHCOOHCH2OHOHOHHOOHHHHH-5-在葡萄糖的溶液中加入溴水，稍加热后，溴水的棕红色即可褪去，而果糖与溴水无作用，所以，用溴水可以区别醛糖和酮糖。凡是能够还原多伦试剂或斐林试剂的糖都称还原糖。从结构上看，还原糖都含有α–羟基醛或α–羟基酮或含有能产生这些基团的半缩醛或半缩酮结构。3、还原反应在活性镍催化下，葡萄糖或果糖都可以在碱性及一定条件下被氢化，羰基被还原成相应的羟基，结果生成山梨醇和甘露醇。+山犁醇甘露醇4、成脎反应单糖具有醛或酮羰基，可与苯肼反应，首先生成腙，在过量苯肼存在下，α–羟基继续与苯肼作用生成不溶于水的黄色晶体，称为糖脎。不同的糖脎晶形不同，熔点也不同，因此利用该反应可作糖的定性鉴别。另外，单糖的成脎反应一般都发生在C1和C2上，因此，除C1及C2外，其余手性碳原子构型均相同的糖都能生成相同的糖脎。例如，D–葡萄糖、D–果糖和D–甘露糖的糖脎是同一个化合物。5成苷反应单糖的半缩醛羟基较其它羟基活泼，在适当条件下可与醇或酚等含羟基的化合物失水，生成具有缩醛结构的化合物，称为糖苷。如在干燥的氯化氢气体催化下，D–葡萄糖与甲醇作用，失水生成甲基–D–吡喃葡萄糖苷。反应式如下：苯肼苯肼CHOCH2OHOHOHHOOHHHHHCH=NNHC6H5CH2OHOHOHHOOHHHHHCH=NNHC6H5CH2OHOHNNHC6H5HOOHHHHHH2镍CHOCH2OHOHOHHOOHHHHHCH2OHCH2OHOHOHHOOHHHHHCH2OHCH2OHOHHOHOOHHHHHOOHOHHHHOHCH2OHOH干盐酸OOHOHHHHOHCH2OHOCH3-6-+CH3OH甲基-D-吡喃葡萄糖苷6、脱水反应（显色反应）莫利许反应：（作为糖类和其它有机物的鉴别）在糖的水溶液中加入α–萘酚的醇溶液，然后沿着试管壁再缓慢加入浓硫酸，不得振荡试管，此时在浓硫酸和糖的水溶液交界处能产生紫红色。塞利瓦诺夫反应（作为醛糖和酮糖的鉴别）在醛糖和酮糖中加入塞利瓦诺夫试剂，加热，酮糖能产生鲜红色，而醛糖则不能。（二）二糖1、蔗糖蔗糖是植物中分布最广的二糖，在甘蔗和甜菜中含量较高。纯的蔗糖为无色晶体，易溶于水，难溶于乙醇和乙醚中。蔗糖水溶液的比旋光度为+66。5度。蔗糖的分子式为C12H22O11，对其结构的研究已经证明：蔗糖分子是由α–D–（+）–吡喃葡萄糖的半缩醛羟基与β–D–（–）–呋喃果糖的半缩酮羟基间失水生成的，单糖间以1，2–糖苷键连接。在蔗糖的分子中已无半缩醛羟基存在，不能转变为醛式，因此，蔗糖是一种非还原性二糖，没有变旋光现象，也不能形成糖脎，不能被氧化剂氧化。2、麦芽糖麦芽糖可由淀粉酶水解制得，麦芽糖在大麦芽中含量很高。麦芽糖是由1分子α–D–葡萄糖的半缩醛羟基和另1分子葡萄糖的C4羟基脱水形成的二糖。在麦芽糖的分子中还保留了一个半缩醛羟基，因此具有还原性，属于还原性二糖。能产生变旋光现象，能被氧化剂氧化，也能形成糖脎。麦芽糖蔗糖（三）多糖OOHOOHHCH2OHOHHHOH2CCH2OHOHOHHHHOHHOOOHHCH2OHOHHOHOHOHHHOHOCH2OHHHHH-7-1、淀粉淀粉是人类最主要的食物，广泛存在于各种植物及谷类中。淀粉用水处理后，得到的可溶解部分为直链淀粉，不溶而膨胀的部分为支链淀粉。一般淀粉中含直链淀粉10℅~20℅，支链淀粉80℅~90℅。直链淀粉的基本结构单位是D–葡萄糖。许多D–葡萄糖通过α–1，4–苷键结合成链状。支链淀粉的主链也是由D–葡萄糖经过α–1，4-苷键连接而成，但它还有通过α–1，6–苷键或其它方式连接的支链。淀粉溶液与碘作用生成蓝色复合物，常作为淀粉的鉴别。2、纤维素及其衍生物纤维素是自然界中最丰富的多糖，它是植物细胞的主要成分。棉花是含纤维素最多的物质，含量达92℅-95℅。纤维素是由几千个葡萄糖单位经β–1，4–苷键连接而成的长链分子，一般无分支链。纤维素的衍生物主要由纤维素酯类和纤维素醚类。二、氨基酸、蛋白质、核酸（一）氨基酸分子中既含有氨基又含有羧基的双官能团化合物称为氨基酸。根据氨基酸分子中所含氨基和羧基的相对数目，可将氨基酸分为：中性氨基酸（其分子中氨基与羧基的数目相等）、碱性氨基酸（其分子中氨基比羧基的数目多）和酸性氨基酸（其分子中羧基比氨基的数目多）。碱性氨基酸一般显碱性，酸性氨基酸显酸性，但中性氨基酸不呈中性而呈弱酸性，这是由于羧基比氨基的电离常数大些所致。氨基酸的主要性质：α–氨基酸都是无色晶体，具有较高的熔点。1、两性与等电点氨基酸分子中，含有氨基和羧基，一个是碱性基团，一个是酸性基团，两者可相互作用而成盐，这种盐称为内盐。内盐内盐分子中，既有带正电荷的部分，又有带负电荷的部分，所以又称两性离子。实验证明，在氨基酸晶体中，氨基酸并不是以分子的形式存在，而是以两性离子的形式存在。氨基酸在水溶液中，形成如下的平衡体系：负离子两性离子正离子从上述平衡可以看出，当加入酸时，平衡向右移动，氨基酸主要以正离子形式存，当pH1时，氨基酸几乎全为正离子。当加入碱时，平衡向左移动，氨基酸主要以负离子形式存在，RCHCOOHNH2NH3+RCHCOO－H+H+NH3+RCHCOO－NH3+RCHCOOHNH2RCHCOO－-8-当pH11时，氨基酸几乎全部为负离子。氨基酸溶液置于电场之中时，离子则将随着溶液pH值的不同而向不同的极移动。碱性时向阳极移动，酸性时向阴极迁移。对于中性氨基酸来说，其水溶液中所含的负离子要比正离子多，为了使它形成相等的解离，即生成两性离子，应加入少量的酸，以抑制酸性解离，即抑制负离子的形成。也就是说，中性氨基酸要完全以两性离子存在，pH值不是为7，而是小于7