第一章 碳水化合物(单糖的结构和化学性质)
糖类的化学性质pdf
引言：糖类是一类无色结晶固体，可溶于水，具有甜味的有机化合物。
它们在生物体内广泛存在，并在能量转化、生理功能和食品工业中扮演着重要角色。
本文将探讨糖类的化学性质，介绍其结构和性质，并对其在食品工业中的应用进行详细阐述。
概述：糖类是一类碳水化合物，由碳、氢、氧原子构成。
它们的基本化学式为（CnH2O）n，其中n代表糖分子中含有的碳原子数目。
糖类可分为单糖、双糖和多糖三大类。
单糖是糖类中最简单的单元，包括葡萄糖、果糖和半乳糖等；双糖由两个单糖分子通过酯或糖苷键相连，例如蔗糖和乳糖；多糖则由多个单糖分子经过缩合反应而形成，如淀粉和纤维素。
糖类具有多样的化学性质，包括酸碱性、还原性和缩合反应等。
正文内容：1.酸碱性糖类是含有羟基的化合物，可与酸或碱反应形成相应的盐。
它们能够与强酸和强碱反应，在适当条件下失去或获得羟基，形成盐。
此外，糖类还可以通过酸催化或酶催化反应形成酯。
1.1单糖的酸碱性单糖的酸碱性取决于其官能团和溶液pH值。
以葡萄糖为例，它具有一个羟基和一个醛基，可在强碱条件下脱去羟基，生成相应的醛盐。
1.2双糖和多糖的酸碱性双糖和多糖的酸碱性较弱，与其结构和分子量有关。
通常情况下，它们需要较高的酸碱浓度和温度才能进行反应。
2.还原性糖类具有还原性，即能够与氧化剂反应，发生氧化反应，自身被氧化并使氧化剂还原。
还原性来源于糖类分子中的羟基或醛基。
葡萄糖是一种典型的还原性糖，它能够与氧化剂如硝酸银反应，生成还原产物。
2.1还原糖呈阳性反应的糖被称为还原糖，如葡萄糖、果糖和半乳糖。
它们的结构中含有醛基或酮基。
2.2非还原糖呈阴性反应的糖被称为非还原糖，如蔗糖和乳糖。
它们的结构中的醛基或酮基被缩合反应所消耗。
3.缩合反应糖类分子中的羟基与醛基或酮基发生缩合反应，形成糖苷键。
缩合反应是糖类合成、降解和转化的重要反应。
例如，葡萄糖分子间的缩合反应形成淀粉分子。
3.1单糖缩合反应单糖的缩合反应一般在酸或酶催化下进行，生成双糖或多糖。
单糖的开链结构和构型
单糖的开链结构和构型单糖是一种最简单的碳水化合物，由一个单糖分子组成。
根据单糖分子的功能基团不同，单糖可以分为醛糖和酮糖两类。
单糖的开链结构和构型，对于了解碳水化合物的化学性质和生物活性具有重要意义。
本文将详细介绍单糖的开链结构和构型，并探讨其在生物体内的重要作用。
单糖的开链结构指的是单糖分子中碳骨架的直线排列。
根据开链结构的不同，单糖可分为醛糖和酮糖。
醛糖中，以一个乙醛基为功能基团，可将其分为2个亚类：半乳糖和全糖。
半乳糖中乙醛基位于内碳原子上，全糖中乙醛基位于末尾碳原子上。
酮糖中，以一个酮基为功能基团，可将其分为内酮糖和外酮糖。
内酮糖中酮基位于内碳原子上，外酮糖中酮基位于末尾碳原子上。
以葡萄糖为例，其开链结构如下所示：H─C─C─C─C─C─C─C─C─O─H││││││││H─OH─OH─OH─OH─OH─H─OH构型是指在空间中单糖分子的排列方式。
单糖分子由一个或多个手性中心组成，手性中心是指碳原子上有四个不同取代基团，从而导致立体异构体的生成。
最常见的单糖构型为D-和L-构型。
根据单糖的骨架，D-构型意味着羟基在最右边，而L-构型则意味着羟基在最左边。
目前研究表明，生物体内主要存在D-构型的单糖。
以葡萄糖为例，其D-构型的示意图如下所示：H─C─C─C─C─C─C─C─O─H││││││││OH─H─OH─OH─OH─OH─H─OH总结起来，单糖的开链结构和构型是指单糖分子中碳骨架的直线排列和在空间中的立体异构体。
通过研究单糖的开链结构和构型，我们可以更好地理解单糖在生物体内的重要作用，为疾病的治疗和预防提供理论依据。
1 糖类
38% 0.02%
62%
D-葡萄糖在水溶液中主要以 吡喃糖(pyranose) 存在， 呋喃糖(furanose) 次之。
<0.5%
<0.5%
5 6
• D-果糖在水溶液中主要以呋喃糖存在，吡喃糖次之。
果糖 酮糖
寡糖(oligo-)： oligo来自希 腊文，意为少。
寡糖
(2-20)
能水解产生10-20个 单糖分子的糖称为 低聚糖
二糖：麦芽糖(maltose) 乳糖(lactose) 蔗糖(sucrose)
三糖：棉子糖 四糖 五糖
六糖
大部分单糖和寡糖都是结晶状化合物，溶于水，并有甜味。
多糖也是单糖的聚合物，有很长的链，其结构为线型或 分支型。按照它们的结构可分为两大类。
对称碳原子的构型与D-甘油醛一致的就称其为D型糖，不一 致的就是L型糖（DL要大写）。任何糖都可以看作是由甘油 醛或二羟丙酮派生出来的。离醛基或离酮基最远的手性碳的 羟基的方向来确定糖的DL构型。 • DL仅指一种构型，指以甘油醛为标准而确定的相对构型，不 表示旋光方向。旋光方向是以（+）、（–）来加以表示的。
• 因此糖实际上应当称之为多羟基半缩醛和半缩 酮。
Haworth投影式
异头碳羟基与末端羟甲基是反式的为α异头物，顺式为β异头物
吡喃糖和呋喃糖
• 开链的单糖形成环状半缩醛时，最容易出现五元环(呋喃） 和六元环（吡喃）。
• D-葡萄糖C5上的羟基与C1的醛基加成生成 六元环的为 吡喃（型）葡萄糖（glucopyranose）。
均一多糖（同多糖）：一种单糖聚合而成,
第01章糖化学-2015
糖类化学
Saccharide,Carbohydrate
教学内容
概述
第一节 第二节
糖类的概念、分类
单糖的结构与化学性质 寡糖—重要的双糖
第三节
多糖
2
糖的概念及分类 (saccharide,carbohydrates)
一、糖的定义
一类多羟基醛、多羟基酮 及其缩聚物或衍生物，习 惯称碳水化合物
CHO H C OH CH2OH
2
：C5，参照甘油醛
D/L构型
HO
C1 *C
H距羰基最远的手性碳原子所连 O *C3 H H * 距羰基碳最 CHO H C4 OH CHO HO 的羟基在费歇尔投影式中的位置 远的手性碳 *C H OH H HO 原子上的 H - HO 5 OH 右侧记为 D 、左侧记为 L 。 OH 位置 CH OH CH OH CH OH
52
直链淀粉（amylose），由葡萄糖以α-1，4-糖苷键 连接而成，没有分支.
有两端 还原端 （reducing end） 非还原端
G半缩醛羟基游离，能被碱性弱 氧化剂氧化
半缩醛羟基已经形成糖苷键， （nonreducing end） 能被碱性弱氧化剂氧化
53
支链淀粉（amylopectin）也由以α-1，4-糖苷键 连接而成，不过每隔20-30个葡萄糖就出现一个分支， 分支点的G以α-1，6-糖苷键连接。
葡萄糖
果糖
42
（五）异构反应
在细胞内，醛-酮异构反应是由酶催化进行的。
例如：
糖酵解的中间步骤之一。
43
（五）异构反应
2、差向异构反应：
仅一个手性碳原子构型不同的手性分子称为差 向异构体（epimer）。
碳水化合物的分类与结构
碳水化合物的分类与结构碳水化合物（carbohydrates）是生物体内最常见的有机化合物之一，也是人们日常饮食中的主要能量来源。
它们以碳、氢和氧的化学元素组成，一般的化学式为（CH2O）n，其中n表示重复单元的个数。
碳水化合物按照分子大小和结构可以分为单糖、双糖和多糖，下面将对它们的分类和结构进行详细介绍。
一、单糖（Monosaccharides）单糖是碳水化合物中最简单的一类，并且不能被水解为更简单的糖类。
常见的单糖有三种，分别是葡萄糖、果糖和半乳糖。
1. 葡萄糖（Glucose）是人体内能量代谢的重要物质之一，它是一种六碳糖，化学式为C6H12O6，是人体细胞内呼吸的主要能源。
2. 果糖（Fructose）是水果、蜂蜜中富含的一种单糖，化学式同样为C6H12O6。
与葡萄糖相比，果糖甜度更高，但是人体对果糖的吸收利用需要经过肝脏的转化。
3. 半乳糖（Galactose）在天然状态下很少存在，通常以乳糖的形式存在于乳制品中。
它也是一种六碳糖，化学式同样为C6H12O6。
二、双糖（Disaccharides）双糖由两个单糖分子通过缩合反应而成，常见的双糖有三种，分别是蔗糖、乳糖和麦芽糖。
1. 蔗糖（Sucrose）是甘蔗和甜菜的主要成分，也是我们日常饮食中常见的糖分。
它由一个葡萄糖分子和一个果糖分子组成，化学式为C12H22O11。
2. 乳糖（Lactose）存在于乳制品中，由一个葡萄糖分子和一个半乳糖分子组成，化学式同样为C12H22O11。
3. 麦芽糖（Maltose）是麦芽中的主要成分，由两个葡萄糖分子组成，化学式同样为C12H22O11。
三、多糖（Polysaccharides）多糖由多个单糖分子缩合而成，是碳水化合物中分子量最大的一类。
常见的多糖有淀粉、糖原和纤维素。
1. 淀粉（Starch）是植物细胞中贮存能量的主要形式，主要存在于谷类、豆类等植物食物中。
淀粉由大量的葡萄糖分子通过α-1,4-键和α-1,6-键连接而成，化学式为（C6H10O5）n。
单糖的结构和性质PPT优秀资料
第7章 糖类和糖生物学
引言 单糖的结构和性质 重要的单糖和单糖衍生物 寡糖 多糖 糖缀合物
细菌杂多糖
则叫某单糖苷。 α,α -海藻糖或叫海藻糖： α-G（ 1→ 1） α-G
（三）自然界中常见的双糖 • 麦芽糖： α-葡糖 （ 1→4） α-葡糖 （还原性糖） • 乳糖：β-半乳糖（ 1→4） α-葡糖 （还原性糖） • 蔗糖： α-葡糖（ 1→2） β-果糖苷（非还原性糖） • α,α -海藻糖或叫海藻糖： α-G（ 1→ 1） α-G • 纤维二糖：β-葡糖（1→4） α-葡糖（还原性糖）
2、糖类的命名
（1）少数简单的单糖,根据官能团命名。
（2）糖类物质多用俗名,通俗名称往往与它的来 源有关,如葡萄糖、果糖等。
（3）依据其碳原子数目命名，如丙糖，丁糖。
（4）有时把碳原子数目与羰基类型结合起来命名。 丙醛糖，丁醛糖,丙酮糖,丁酮糖等.
三、单糖的结构和性质
（一）链状结构:单糖具链状结构。 （二）单糖的环状结构
2（★、1单 ）单糖少残数基简糖间单连的的接单键糖重的,根类据型要官能团衍命名生。 物：糖醇、糖醛酸、氨基糖、糖苷等。
1、糖的分类, 根据糖类的聚合度进行分类。 1、先写出非还原端单糖残基的名称，称为某糖基，并在其名称前写上O-，O表示连接键是通过氧原子。 （2）糖类物质多用俗名,通俗名称往往与它的来源有关,如葡萄糖、果糖等。 3、参与形成糖苷键的两个碳原子的位置，常用箭头连接起来的两个序号表示。 3、寡糖中是否含有游离的异头碳，含游离异头碳的一端是还原端，另一端是非还原端。 α,α -海藻糖或叫海藻糖： α-G（ 1→ 1） α-G 变旋现象：单糖分子在水溶液中具有链式和环式的互变，所以旋光性也会发生变化，直到达到平衡状态，旋光度才不会发生变化，这 种现象叫变旋现象 戊糖： D-核糖、D-2-脱氧核糖、核酮糖和木酮糖。 1、糖的分类, 根据糖类的聚合度进行分类。
碳水化合物。单糖
醛糖（D-葡萄糖）
过量
酮糖
己糖
• 己糖与苯肼作用生成脎时，只是C-1HE C-2的 基团发生反应。因此，凡C-3、C-4、C-5构型 相同的己糖，所生成的脎都是相同的。
关于脎
• 脎都是不溶于水的亮黄色晶体，有一定 的熔点。不同的糖脎，结晶形态不同， 熔点也不同。正因为如此可以利用脎的 生成对糖进行鉴定。
• 所以葡萄糖与甲醇生成的化合物就叫做甲基葡 萄糖苷
• 葡萄糖在溶液中有α-和β-两种半缩醛结构。
• 因此与甲醇作用所生成的苷也有α-和β-两种。 在糖苷分子中没有苷羟基。这种环状结构没有 变旋光现象，也不具有羰基的特性。
• 糖苷的酸性水解：
（4）吡喃糖的构象
• 前边提到过D-葡萄糖水溶液中，β-D-葡萄糖含 量比α-D-葡萄糖多，这是因为前者比后者稳定。 而这种相对的稳定性与它们的构象有关。
• 为什么天然存在的单糖大多数是D型的？而且单糖中葡 萄糖在自然界存在量最多，分布最广？例如自然界中 的葡萄糖和果糖都是D型糖，这些都不是偶然的，下边 再说。
（3）单糖的环状结构，变旋光现 象和糖苷
• 葡萄糖的开链结构是由它的一些性质推导出来的，但 是还有一些性质却与这种结构式不符合。例如：
• 1：葡萄糖在碱的存在下，与硫酸二甲酯作用，把五个 羟基甲基化，生成的五甲基葡萄糖应该还有醛基的特 性，但是实际上却没有；
• 在肝糖的生物合成和降解过程中的中间 体：α-D-吡喃葡萄糖基磷酸酯和6-磷酸D-葡萄糖酯。
• 重要的化合物：核苷酸。
• 核苷酸是组成核酸的单体。
• 戊醛糖的核糖及2-脱氧核糖与某些碱性 杂环化合物形成β-糖苷（生物化学上称 为核苷），之后核苷的5位羟基与磷酸形 成的酯既是核苷酸。
单糖
单糖糖类化合物亦称碳水化合物，是自然界存在最多、分布最广的一类重要的有机化合物。
葡萄糖、蔗糖、淀粉和纤维素等都属于糖类化合物。
糖类化合物是一切生物体维持生命活动所需能量的主要来源。
它不仅是营养物质，而且有些还具有特殊的生理活性。
例如：肝脏中的肝素有抗凝血作用；血型中的糖与免疫活性有关。
此外，核酸的组成成分中也含有糖类化合物——核糖和脱氧核糖。
因此，糖类化合物对医学来说，具有更重要的意义。
糖类化合物由C，H，O三种元素组成，分子中H和O的比例通常为2：1，与水分子中的比例一栗，可用通式Cm（H2O ）n表示。
因此，曾把这类化合物称为碳水化合物。
但是后来发现有些化合物按其构造和性质应属于糖类化合物，可是它们的组成并不符合Cm（H2O ）n 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，其组成虽符合通式Cm（H2O ）n，但结构与性质却与糖类化合物完全不同。
所以，碳水化合物这个名称并不确切，但因使用已久，迄今仍在沿用。
从化学构造上看，糖类化合物是多羟基醛、多羟基酮以及它们的缩合物。
糖类化合物可根据能还被水解及水解产物的情况分为三类。
单糖：不能水解的多羟基醛或多羟基酮。
如葡萄糖、果糖等。
二糖：水解后生成两分子单糖的糖。
如蔗糖、麦芽糖等。
多糖：能水解生成许多分子单糖的糖。
如淀粉、糖原、纤维素等。
糖类常根据其来源而用俗名。
第一节单糖单糖一般是含有3-6个碳原子的多羟基醛或多羟基酮。
最简单的单糖是甘油醛和二羟基丙酮。
按碳原子数目，单糖可分为丙糖、丁糖、戊糖、己糖等。
自然界的单糖主要是戊糖和己糖。
根据构造，单糖又可分为醛糖和酮糖。
多羟基醛称为醛糖，多羟基酮称为酮糖。
例如，葡萄糖为己醛糖，果糖为己酮糖。
单糖中最重要的与人们关系最密切的是葡萄糖等。
一、单糖的结构葡萄糖的分子式为C6H12O6，分子中含五个羟基和一个醛基，是己醛糖。
其中C-2，C-3，C-4和C-5是不同的手性碳原子，有16个（α4=16）具有旋光性的异构体，D-葡萄糖是其中之一。
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二、糖的分类（Classifications）
1. 单糖（monosaccharide）及其衍生物：所谓单 糖，即不能再被简单地水解成为更小的糖分子的糖。
2. 寡糖（oligosaccharide） 也称低聚糖，一般可 看作是由两个到十个左右的单糖失水而成的糖类。如 蔗糖是一个寡糖（双糖），水解后，得到一分子果糖 和一分子葡萄糖。
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复习：醛与醇、亚硫酸钠的加成
(无水) (无水)
不稳定 稳定
.
2. 糖的环状结构和变旋现象
实验事实：
（1）葡萄糖不能发生醛的NaHSO3加成反应； （2）葡萄糖不能和醛一样与两分子的醇形成缩醛， 只能与一分子的醇反应； （3）变旋现象
用糖的环状结构可以解释上述事实。
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环状结构的形成
CHO
OH HO
.
环状结构的表示方法（例子）
C H O H
2O
6 OC H 2O H
OO H
C H 2O H O C H 2O H
H O
4 5
O H O H
5
H O2
O H
O H
O H
O H
5
O H
C H 2O H
O H
O H2
O H
O H
C H 2O H-D -frucopyranose -D -frucopyranose -D -frucofuranose
.
六、单糖的结构
1. 单糖的开链结构
.
单糖的结构
1. 在同一分子中含有羟基和羰基是糖的基本 结构特征，这是糖的物理性质以及化学性质 的结构基础 比如：糖可以发生氧化还原反应 亲核加成反应 成醚和酯化反应 等
2. 绝大多数具有一个或一个以上的手性中心 ，这也是糖的生命功能的重要结构基础
.
• 手性碳原子：人们将连有四个不同基团 的碳原子形象地称为手性碳原子。
4 OH
OH
OH
OH
-D-(+)-glucopyranose
CH2OH
Haworth perspective
5 O OH
4 OH
OH
OH . -D-(+)-glucopyranose
Haworth 式的书写规律
标记碳号，C链按顺时针排列。 Fischer式中在垂直碳链右边的羟基，在Haworth式中则
2）作为结构成分 3）参与构成活性物质 4）作为合成其他生物分子的碳源
.
四、食品原料中的碳水化合物
1、食品原料中的碳水化合物根据是否可溶于水，分为 水溶性和水不溶性的。一般来说，游离的单糖和寡糖 是水溶性的，而多糖水溶性较差，甚至不溶。 2、淀粉在水溶液中的溶解性很小，它对食品的甜味没 有贡献，只有水解成低聚糖或葡萄糖才对食品的甜味 有贡献。
向下；Fischer 式中在垂直碳链左边的羟基，在 Haworth 式中则向上； 碳链卷曲，C5旋转120°
a - forms —— 半缩醛羟基与决定糖构型的碳原子（C5） 上的CH2OH处在碳链的异侧 b - forms —— 半缩醛羟基与决定糖构型的碳原子（C5） 上的CH2OH处在碳链的同侧。
C H 2O H O O H O H
O H
C H 2O H
-D -frucofuranose
D -Frucose
.
.
变旋现象 —— 一种构型的糖其旋光度在溶液中会 发生改变，最终达到一恒定值的现象。 其化学本质是 —— 一种环状结构可通过开链结构 转变为另一种环状结构。
D —— 相距醛(酮)基最远的手性碳上的羟基处在右边 L —— 相距醛(酮)基最远的手性碳上的羟基处在左边
.
单糖的构型
.
常用Fischer投影式表示糖的结构：
mirror
1CHO HO 2 H
CHO H OH
1CH2OH 2C O
3CH2OH
CH2OH
3CH2OH
L-glyceraldehyde D-glyceraldehyde
第一章
碳水化合物
Carbohydr义、分类及功能） 二、单糖（重点讲述）
（一）结构（构型和构象） （二）化学性质 三、糖苷 四、二糖（简述） 五、多糖（简述）
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一、糖的化学组成与定义
Cn(H2O)m —— 碳水化合物（Carbohydrates） 并非所有的糖的组成都符合上述通式
.
糖 淀粉的转化
水果这种后熟现象和谷粒、块茎及根中的糖转 化成淀粉的过程正好相反。.
大多数植物源食物中只含有少量的游离糖， 通常食用的谷物也只含有少量的游离糖，大部分游 离糖输送至种子中并转变为淀粉。
.
五、碳水化合物和食品质量
1、碳水化合物是人类营养的基本物质之一。 2、具有游离的醛基或酮基的还原糖在热作用下可与食 品中的其他成分形成一定的色泽。 3、游离糖本身有甜度，对食品的口感有重要作用。 4、食品的黏弹性也与碳水化合物有很大关系 5、食品中含有膳食纤维 6、某些多糖或寡糖具有特定的生理功能，是保健食品 的主要活性成分
4 OH 5 OH
顺转90
HHOOHH2C2C5
HO
4
OHOH H H
C
OOHHOHO HOHOO
碳
链
卷
曲
5 CH2OH
4
OH OH
H
O
OH OH
CH2OH D-(+)-glucose
Fischer projection
C4-C5旋 转 120
HOH2C
AA
5 OH 4 OH B H O
OH
OH
B
CH2OH 5O
• 判定方法： • 1、手性碳原子一定是饱和碳原子； • 2、手性碳原子所连接的四个基团要是不
同的。
.
.
单糖的构型
构型：是指一个分子由于分子内各原子特有的固定空 间排列顺序，而是该分子具有的特定的立体化学形式 ，任何分子的构型发生改变，都必须通过共价键的断 裂和再形成而实现。
构型的划分：D型，L型
3. 多糖（polysaccharide）：多糖可以看作是十个 以上甚至几百、几千个单糖失水而成的糖类。如淀粉 水解，得到几百或几千个葡萄糖分子。
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三、糖类的生物学意义
1、分布：糖原、葡萄糖、含糖生物分子 2、功能：构成细胞结构和储藏物质
1）作为能源物质：提供的能量占总能量的65 %，分 为快速释放型和缓慢释放型
dihydroxyacetone
L-甘油醛
D-甘油醛
二羟基丙酮
Fischer projection formulas
糖一般使用俗名，采用D- 和 L- 表示构型异构。
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糖常可用下列几种方法表示，
(i)为糖的 Fischer 投影式， (ii)将手性碳上的氢省略 (iii)将手性碳上的氢与羟基均省略