第一节 糖类

一、糖类

1.1 组成与结构

1. 糖类：从分子结构上看，糖类通常是多羟基醛、多羟基酮，以及它们的脱水缩合物。
2. 糖类分子中常含有羟基、醛基或酮羰基等官能团，因此既具有羟基的性质，也可能具有醛或酮的性质。
3. 很多糖类的组成可以用\(\ce{C_m(H2O)_n}\)表示，因此糖类曾被称为碳水化合物。
4. 但不能把“符合\(\ce{C_m(H2O)_n}\)通式”作为判断糖类的唯一依据：
   1. 有些符合该通式的物质不是糖类，如甲醛\(\ce{HCHO}\)、乙酸\(\ce{CH3COOH}\)等。
   2. 有些糖类不符合该通式，如脱氧核糖\(\ce{C5H10O4}\)。
5. 糖类分子中可以存在链状结构和环状结构。在葡萄糖水溶液中，链状葡萄糖和环状葡萄糖之间存在平衡，其中绝大部分葡萄糖以环状结构存在。

{此处插入糖类转化关系图，显示单糖、二糖、多糖之间的水解和缩合关系}

1.2 分类

糖类可以根据能否水解以及水解后的产物分为单糖、低聚糖和多糖。

1. 单糖：
   1. 通常不能水解。
   2. 常见单糖有葡萄糖、果糖、核糖、脱氧核糖等。
2. 低聚糖：
   1. 1 mol 低聚糖水解后能产生2-10 mol 单糖。
   2. 若1 mol 糖水解生成2 mol 单糖，则称为二糖。
   3. 常见二糖有蔗糖、麦芽糖、乳糖等。
3. 多糖：
   1. 1 mol 多糖水解后能产生10 mol 以上单糖。
   2. 常见多糖有淀粉、纤维素、糖原等。
4. 从还原性角度看，糖类还可分为还原糖和非还原糖：
   1. 含醛基的糖通常能被银氨溶液或新制\(\ce{Cu(OH)2}\)氧化，具有还原性，属于还原糖。
   2. 若某种糖不能发生银镜反应，也不能与新制\(\ce{Cu(OH)2}\)反应，则通常为非还原糖。
   3. 葡萄糖、麦芽糖属于还原糖；蔗糖属于非还原糖。

二、单糖

2.1 葡萄糖与果糖

葡萄糖和果糖的分子式均为\(\ce{C6H12O6}\)，二者互为同分异构体。

1. 葡萄糖

1. 葡萄糖是自然界中分布最广的单糖，存在于水果、蜂蜜以及植物的种子、叶、根、花中。
2. 葡萄糖是无色晶体，有甜味，易溶于水。
3. 葡萄糖分子中含有醛基，能发生银镜反应，也能与新制\(\ce{Cu(OH)2}\)反应生成砖红色沉淀。
4. 银镜反应：

\(\ce{CH2OH(CHOH)4CHO + 2[Ag(NH3)2]OH ->[\Delta] CH2OH(CHOH)4COONH4 + 2Ag v + 3NH3 + H2O}\)

1. 与新制\(\ce{Cu(OH)2}\)反应：

\(\ce{CH2OH(CHOH)4CHO + 2Cu(OH)2 + NaOH ->[\Delta] CH2OH(CHOH)4COONa + Cu2O v + 3H2O}\)

1. 葡萄糖在人体内能缓慢氧化，为生命活动提供能量：

\(\ce{C6H12O6 + 6O2 ->[enzyme] 6CO2 + 6H2O}\)

1. 葡萄糖能发生酯化反应。由于葡萄糖分子中含有多个羟基，在一定条件下可与酸发生酯化。
2. 葡萄糖在酒化酶作用下可发酵生成乙醇和二氧化碳：

\(\ce{C6H12O6 ->[zymase] 2C2H5OH + 2CO2 ^}\)

2. 果糖

1. 果糖与葡萄糖分子式相同，但结构不同，属于同分异构体。
2. 果糖分子中含有多个羟基和酮羰基，本身不含醛基。
3. 果糖在碱性条件下能发生转化，生成含醛基的有机物，因此也能发生银镜反应，也能与新制\(\ce{Cu(OH)2}\)反应。
4. 果糖属于酮糖，但仍然表现还原性。

{此处插入葡萄糖还原性实验图，显示银镜反应和与新制氢氧化铜反应的操作及现象}

2.2 核糖与脱氧核糖

1. 核糖分子式为\(\ce{C5H10O5}\)，结构简式可写为\(\ce{CH2OH(CHOH)3CHO}\)。
2. 脱氧核糖分子式为\(\ce{C5H10O4}\)，结构简式可写为\(\ce{CH2OHCHOHCHOHCH2CHO}\)。
3. 核糖和脱氧核糖都是戊糖。
4. 核糖是核糖核酸，即 RNA 的重要组成部分。
5. 脱氧核糖是脱氧核糖核酸，即 DNA 的重要组成部分。

三、二糖

3.1 蔗糖与麦芽糖

蔗糖和麦芽糖的分子式均为\(\ce{C12H22O11}\)，二者互为同分异构体。

3.2 蔗糖

1. 蔗糖分子中不含醛基，属于非还原糖。
2. 蔗糖不能发生银镜反应，也不能与新制\(\ce{Cu(OH)2}\)反应生成砖红色沉淀。
3. 蔗糖在酸或酶的作用下可水解生成葡萄糖和果糖：

\(\ce{C12H22O11 + H2O -> C6H12O6 + C6H12O6}\)

其中，反应物为蔗糖，产物分别为葡萄糖和果糖。

1. 书写糖类水解方程式时，最好在化学式下面或正文中标明具体名称，避免把同分异构体混淆。

3.3 麦芽糖

1. 麦芽糖分子中含有醛基，属于还原糖。
2. 麦芽糖能发生银镜反应，也能与新制\(\ce{Cu(OH)2}\)反应。
3. 麦芽糖在酸或酶的作用下水解生成葡萄糖：

\(\ce{C12H22O11 + H2O -> 2C6H12O6}\)

其中，反应物为麦芽糖，产物为葡萄糖。

1. 麦芽糖是制作糖人的原料之一，也存在于淀粉水解过程中。

四、多糖

4.1 淀粉与纤维素

淀粉和纤维素的通式均可表示为\(\ce{(C6H10O5)_n}\)，但二者的\(n\)值不同，结构不同，因此不互为同分异构体，也不互为同系物。

4.2 淀粉

1. 淀粉是天然有机高分子。
2. 淀粉没有甜味，不溶于冷水，在热水中可形成胶状淀粉糊。
3. 淀粉无还原性，不能发生银镜反应，也不能与新制\(\ce{Cu(OH)2}\)反应。
4. 淀粉遇碘单质变蓝，该反应常用于检验淀粉。
5. 淀粉在酸或酶的作用下可逐步水解，最终生成葡萄糖：

\(\ce{(C6H10O5)_n + nH2O -> nC6H12O6}\)

其中，反应物为淀粉，产物为葡萄糖。

1. 淀粉可为人体生命活动提供能量。

4.3 纤维素

1. 纤维素是天然有机高分子。
2. 纤维素是白色、无甜味的纤维状物质，不溶于水，也不溶于一般有机溶剂。
3. 纤维素无还原性。
4. 纤维素在酸或酶的作用下可水解，最终生成葡萄糖：

\(\ce{(C6H10O5)_n + nH2O -> nC6H12O6}\)

其中，反应物为纤维素，产物为葡萄糖。

1. 纤维素能发生酯化反应，可用于制取纤维素硝酸酯、纤维素乙酸酯等。
2. 人体内没有能使纤维素水解的酶，因此纤维素不能为人体提供能量；但纤维素对人体有益，可以促进胃肠蠕动。

五、糖类的检验与水解程度判断

5.1 还原糖的检验

1. 糖类的还原性通常表现为能发生银镜反应，或能与新制\(\ce{Cu(OH)2}\)反应生成砖红色沉淀。
2. 常见还原糖：
   1. 葡萄糖。
   2. 果糖。
   3. 麦芽糖。
3. 常见非还原糖：
   1. 蔗糖。
   2. 淀粉。
   3. 纤维素。
4. 用新制\(\ce{Cu(OH)2}\)鉴别蔗糖和麦芽糖：
   1. 蔗糖溶液与新制\(\ce{Cu(OH)2}\)加热，试管内无明显现象，说明蔗糖为非还原糖。
   2. 麦芽糖溶液与新制\(\ce{Cu(OH)2}\)加热，试管内产生砖红色沉淀，说明麦芽糖为还原糖。

5.2 蔗糖、麦芽糖水解实验

1. 蔗糖是非还原糖，本身不能发生银镜反应，也不能与新制\(\ce{Cu(OH)2}\)反应。
2. 蔗糖水解产物葡萄糖和果糖均具有还原性，因此水解液经处理后可发生银镜反应，也可与新制\(\ce{Cu(OH)2}\)反应。
3. 麦芽糖本身就是还原糖，因此不能仅凭水解液能发生银镜反应来判断麦芽糖是否已经完全水解。
4. 糖类水解通常在酸性条件下进行。如果要用银氨溶液或新制\(\ce{Cu(OH)2}\)检验水解产物中的葡萄糖，必须先加入\(\ce{NaOH}\)溶液中和酸，使溶液呈碱性，再进行检验。

5.3 淀粉水解程度的判断

判断淀粉水解程度时，要同时检验两类物质：

1. 用银氨溶液或新制\(\ce{Cu(OH)2}\)检验是否生成葡萄糖。
2. 用碘水检验是否仍然存在淀粉。

实验思路：

1. 将淀粉溶液加入稀硫酸并微热，使淀粉发生水解。
2. 取一部分水解液，加入\(\ce{NaOH}\)溶液中和至碱性，再加入银氨溶液并水浴加热；若出现银镜，说明已经生成葡萄糖。
3. 另取一部分水解液，直接加碘水；若溶液变蓝，说明仍有淀粉存在。

不同现象对应的结论：

注意事项：

1. 检验还原糖前必须先中和酸，否则酸会与银氨溶液或新制\(\ce{Cu(OH)2}\)反应，导致实验失败。
2. 用碘水检验淀粉时，应直接取水解后的混合液加碘水；若先加入\(\ce{NaOH}\)溶液，碘会与\(\ce{NaOH}\)反应，影响淀粉检验。

{此处插入淀粉水解程度判断流程图，重点观察银镜反应和碘水显色对应的结论}

六、糖类知识的归纳

6.1 结构决定性质

1. 含醛基的糖通常具有还原性。
2. 含多个羟基的糖可发生酯化反应。
3. 二糖和多糖中的糖苷键可以水解。
4. 淀粉和纤维素都属于天然有机高分子，但由于结构不同，性质和用途不同。

6.2 常见判断

1. 葡萄糖与果糖分子式相同，互为同分异构体。
2. 蔗糖与麦芽糖分子式相同，互为同分异构体。
3. 淀粉和纤维素通式相同，但\(n\)值不同，结构不同，不互为同分异构体。
4. 葡萄糖、果糖、麦芽糖具有还原性；蔗糖、淀粉、纤维素无还原性。
5. 蔗糖水解生成葡萄糖和果糖；麦芽糖水解只生成葡萄糖。
6. 淀粉和纤维素水解最终都生成葡萄糖。