分子球棍模型的使用(五)

分子球棍模型的使用（五）：葡萄糖结构的初步知识（1）
作者敬言：编写《分子球棍模型的使用》，意在与中学师生共享共勉，目前作为大家开展课外活动的参考资料，也为今后立志从事生命科学和生物科技的同学打下一点入门的基础，算是一个“中升大”的“兴趣班”吧！
“葡萄糖在生物学领域具有重要地位，是活细胞的能量来源和新陈代谢中间产物，即生物的主要供能物质”，这段话已经说明了学习葡萄糖结构和性质的重要意义了。

我们在中学算是接触到了葡萄糖，继续学习葡萄糖将会感到有很多结构和性质上的难点知识，以我自己的体会，如果老师照本宣科地讲，学生即使认真地听，也很难听懂的。

我这里用分子球棍模型作为学习葡萄糖结构和性质的工具是很有效的，大家要有一个动手动脑的学习习惯，讲到哪种有机物的性质和结构，先搭建好它的分子球棍模型。

事实上，你在搭建模型的过程中，不但是一个动手的过程，更是一个动脑的过程，这样边学这做，学得快，记得牢，是一种不错的学习方法。

一，葡萄糖的结构（1）
1，葡萄糖的链式结构，
我们已知的是一种开链式结构，其结构简式大家很熟悉（略），但这个简式不能反映各原子或基团在空间的排布。

后来，有一个德国化学家费歇尔，经过毕生的
研究，形成“费歇尔投影式”，为此他得了1902年的化学诺贝尔奖。

他把葡萄糖的
结构用下面的式子表示：
左边的表示图，标出了碳原子的序号、各原子或基团的左右位置，有星号的是手性
碳原子（碳原子的四个键连接着的四个基团各不相同）；右边的表示法是以“△”
代表－CHO，-CH2OH用“○”表示，羟基用“－”表示，而碳、氢原子则不写出，显然，
更简化了费歇尔表示法。

现在，我们第一个学习内容，就是由费歇尔表示法来建立球棍模型，尽管这个球棍模型远远不是葡萄糖分子的真实样子，但它能加深对于葡萄糖分子结构的想象，这是一种很重要的学习方法。

开始搭建这个模型是有一定难度的！当你按上面这个费歇尔式搭建葡萄糖的分子球棍模型时，是否感到有些不顺利！下面一边说明碰到的问题是什么，一边指出
解决方法：○1为了要满足各原子的排列关系，搭成的模型没有规律，“扯不直，
拉不伸”，六个碳原子不在一个平面上，纽来纽去的！这是经常碰到的情况。

解决的办法是：先把这六个碳原子连成锯齿形，并使所有的碳原子都在一个平面上，再插上每个碳原子的键，这个操作很容易的吧；
○2按照左图来看，碳链是一条直线，“在左”“在右”是很明显的，
而实际上我们连接出来的是一个“弯来弯去的”碳链，且各个键又是成109.5度，不是90度，所以“在左”“在右”怎么判断呢？
解决的方法是：你观察每个碳原子的键，我们把向下倾的定为“向左”，向上倾的则定为“向右”，这个方法好极了，就按照这样连好各个原子或基团，整个搭
建只分成这两步完成了。

照上面的方法连好后，正确的模型是：每一个碳原子都各有一个氢原子或羟基落在桌面上（最后一个是两个氢在桌面上），否则要稍加调整。

下面是作者搭建的模型照片：
图1 葡萄糖的链式结构图
注意：一定要亲手搭建这个模型，它会加深你对有机化合物的空间概念，搭建好后，你对葡萄糖的环状结构一定有一个崭新映象的收获感。

现在你再看“羟基在左在右”的问题好不好判断？健向下倾的就是在左，键向上倾的就是在右，这个在左在右的概念从球棍模型来观察是十分直观的，不用你去想象。

而这个在左在右的概念又是一个十分重要的概念。

2,葡萄糖的环状结构：
科学家在实验中发现，多数情况下，葡萄糖不是开链式结构，而是环状结构，其原因是葡萄糖中既有醛基，又有羟基，它们会发生醇醛缩合反应，实验测出，大多数情况下，是醛基和第5个碳的羟基生成半缩醛，即一个醛基和一个羟基的反应，但这个反应是动态平衡，如下图形所示：
图2 半缩醛平衡的示意图
这个反应的实质，我们用球棍模型进行练习从而加深认识：打开醛基的碳氧双键，将碳-5的羟基上的氢原子加在醛基的氧原子上，形成一个红色的半缩醛羟基；然后醛基的碳原子和碳-5的氧原子相连接。

我们这样用球棍模型多练习几次，把半缩醛反应的实质和过程就清清楚楚的弄明白了。

这种动手动脑式的学习，效果很明显，比起凭空想象是大不相同的。

下面是作者搭建的葡萄糖分子环状结构的球棍模型照片：
图3α-葡萄糖β-葡萄糖
这个半缩醛模型的结构和开链式结构比较已经发生了很大的变化，有很多基本知识要弄清楚：
○1它生成的半缩醛葡萄糖是两种，如上所示，左边的那一个的半缩醛羟基是处在碳-1
的a键上，竖直向下；右边的那一个半缩糖羟基是处在碳-1的e键上，其它的结构都相同。

○2半缩醛的六元环不是图2所示的平面，从图3的照片中显然看出，它是一个和前面所搭建的环已烷相似的椅式六元环，如下图所示：
6 5 4 3 2 1
○3碳原子的编号规定：这个编号都是统一的，也就是前面费歇尔式中的编号，它的规定
仍然是我们学过的以离官能团最近来编号。

确定环中的碳原子顺序分成三步，首先找到环中的氧原子，接着看与环中氧原子相连接的两个碳原子中有羟基的那个碳原子就是碳1，其他的碳原子依次为2 3 4 5 6，最后一步你要问，碳原子序号是顺时针还是反时针，这要看环中氧原子的两个键的倾向：向下倾时是顺时针；向上倾时则是反时针。

○4六元环的结构特点：六元环是椅式结构，各个碳原子相互是交叉排列；当氧原子
的两个键向下倾时，与氧原子相连和相对的三个碳原子是倒立的，与氧原子相间的两个碳原子是直立的；直立的3个原子在一个平面上，倒立的3个碳原子在另一个平面上。

○5各个原子和基团的空间位置以环为准，称为“在环的上方或下方”，不再称为“在
左”“在右”：
α葡萄糖各原子或基团的空间排列如下
碳1的羟基在环的下方且属a键，氢原子在环的上方，属e键；
碳2的羟基在环的下方且属e键，氢原子在环的上方，属a键；
碳3的羟基在环的上方且属e键，氢原子在环的上方，属a键；
碳4的羟基在环的下方且属e键，氢原子在环的上方，属a键；
碳5没有羟基，氢原子在环的下方，属a键；
-CH2OH在环的上方，因为C5-C6键能旋转，当碳6和碳5成交叉排列时的构象最稳定。

β葡萄糖各原子或基团的空间排列除碳1的氢和羟基位置与α-葡萄糖互换外，其他都相同。

○6β葡萄糖稳定性为什么比α葡萄糖大：其一是α-体的C-1位上羟基取a键，它与
C-3和C-5位上的氢原子（a键），有空间排斥作用（1，3-干扰）。

而β-体的C-1位上羟基取e键，没有这种作用，（这种排斥作用当你在模型中转动碳1的羟基时就能清楚地看出来！）其二是β-体环上所有比较大的基团都处在e键，相互之间距离最远，没有空间排斥作用。

○7对于α-及β-两个异构体来说，又以β-异构体占优势构象，故在平衡体系中存在量也较多，我们可以用下图表示出来：
上面这个平衡图示可知，葡萄糖的存在形式，以环状结构为主，环状结构中β葡萄糖的量大于α葡萄糖。

1，不看资料，自己搭建α葡萄糖和β-葡萄糖，注意这是一个必须完成的操作！
2, 仔细观察葡萄糖的结构,根据它的六元环是椅式结构，且大的基团一般都e键上，你怎样记住环上各个碳原子的氢原子和羟基的空间位置?这个问题的回答有多种叙述方法，但都包括以下知识点：
○1六元环是椅式结构，相邻原子都是交叉相连，故1，3，5原子和2，4，6原子分别共平面。

○2椅式六元环中，若1，3，5为倒立碳原子，则2，4，6为直立碳原子
○3直立碳原子a键向上，与之连接的原子或基团在环的上方，e键下倾，与之连接的原子或基团在环的下方; 倒立碳原子与此相反。

○4碳原子的直立倒立是相对的：从环上氧原子来判断，当氧原子的键向下倾时，1，3，5碳原子是倒立的；当氧原子的键向上倾时，1，3，5碳原子是直立的；
○5大的基团一般都连在e键上，故除α-葡萄外，羟基都在e键上，
本题的回答方法是不一样的，例如下面的参考答案是以上述5点为判断依据，而以各个碳原子上的原子或基团来分述，回答如下：
β-葡萄糖的主体结构是一个椅式五碳一氧六元环，其中：
碳1的氢原子在a键上，位于环的下方；羟基在e键上，位于环的上方；
碳2的氢原子在a键上，位于环的上方；羟基在e键上，位于环的下方；
碳3的氢原子在a键上，位于环的下方；羟基在e键上，位于环的上方；
碳4的氢原子在a键上，位于环的上方；羟基在e键上，位于环的下方；
碳5的氢原子在a键上，位于环的下方；无羟基，有一个CH2OH在e键上，位于环的上方。

这个回答，就是前面讲过的，你可以总结出一些规律出来，也许是更精练的答案。