《有机化学》第二章－单糖的环状结构及旋光现象

1.变旋现象

人们发现，D-葡萄糖有两种不同的晶体，从酒精中结晶出来的，熔点为146℃，比旋光为＋112°；从吡啶中结晶出来的，熔点为150℃，比旋光为＋18.7°。如果把两种不同的D-葡萄糖分别溶解于水中，放置一段时间，测得比旋光度都逐渐发生变化，前者从＋112°逐渐下降至＋52.7°，后者则从＋18.7°上升至＋52.7°。当两者的比旋光变化至＋52.7°后，都不再发生变化。像这样一个有旋光性的化合物，放到溶液中，它的旋光度逐渐变化，最后达到一个稳定的平衡值，这种现象称为变旋现象。此外，在通常条件下，葡萄糖不与亚硫酸氢钠发生加成反应；在干燥的HCl存在下，葡萄糖只和一个分子醇作用即可生成稳定的缩醛。对于以上现象和反应，都无法用葡萄糖的开链式结构解释。

为了解释这些现象，有人提出，糖分子中的中羰基和羟基在分子内进行加成，形成环状的半缩醛（或半缩酮）结构。

2.单糖的氧环式结构

单糖分子中含有多个羟基，羰基到底和哪个羟基成环呢？根据环的大小与稳定性关系可知：五元环和六元环是最稳定的环，因此，对于五碳糖和六碳糖来说，在一般情况下形成的都是五元和六元环。组成环的原子除碳外，还有一个氧，所以糖的这种环状半缩醛结构又称为氧环式结构。

例如，D-葡萄糖主要形成六元环，即醛基与C5羟基加成形成半缩醛，从而使醛基碳（C1）由sp2杂化转变为sp3杂化，成为一个新的手性碳原子，所以羟基加上去的结果是形成了C1构型不同的两种环氧式结构。C1上新形成的羟基（也称半缩醛羟基）与决定构型的羟基处于碳链的同一侧，称为称α-型；处于异侧，称为β-型。显然，α-D-葡萄糖和β-D-葡萄糖是非对映体，它们的区别在于C1的构型不同，而其他手性碳原子的构型完全相同，因此α-D-葡萄糖和β-D-葡萄糖也称为C1差向异构体。葡萄糖环状结构如下所示：

单糖的环状结构能解释它的变旋现象。当D-葡萄糖的两个环状结构溶于水后，由于活泼的半缩醛羟基的存在，α-D-葡萄糖和β-D-葡萄糖可以通过开链式结构互相转化，最后达到动态平衡，比旋光度也达到一个平衡值＋52.7°。平衡时，溶液中有约含37%的α-D-葡萄糖和63%的β-D-葡萄糖，以及少量的开链葡萄糖。开链式结构在平衡混合物中很少，仅占0.01%，因此与饱和NaHSO3的加成反应不易发生。由于葡萄糖分子主要以环状半缩醛形式存在，因此只能与一个分子的醇起作用，生成缩醛型结构。

实验证明，除了葡萄糖，其他单糖在溶液中也主要以氧环式结构存在，都有变旋现象。单糖的氧环式结构中，五元环与呋喃环相似，六元环与吡喃环相似。因此将五元环单糖称为呋喃糖，如D-果糖在溶液中主要以五元氧环式结构存在，有α-D-呋喃果糖和β-D-呋喃果糖；六元环单糖称为吡喃糖，如α-D-吡喃葡萄糖和β-D-吡喃葡萄糖。

3.哈沃斯（Haworth）式

单糖的氧环式结构不能反映各个原子或基团在空间的相对位置，为了更接近真实和更能形象地表达单糖的环状结构，一般采用哈沃斯透视式（简称哈沃斯式）来表示糖的氧环式结构。现以葡萄糖为例，说明哈沃斯式的书写规则：首先将开链式D-葡萄糖的费歇尔投影式（Ⅰ）式向右倒成水平的（Ⅱ）式，右侧基团在下面，左侧基团在上面；将（Ⅱ）式中C5上的H、OH、CH2OH按顺时针交换位置，构型保持不变，得到（Ⅲ）式；再将C5上的基团绕着C4，C5之间的键轴旋转120°，使C5羟基与醛基接近，得到（Ⅳ）式；C5羟基进攻羰基碳形成半缩醛环状结构，得到两种异构体。若新产生的半缩醛羟基与C5上的羟甲基（也称尾基）处在环平面的异侧，则为α-D-吡喃葡萄糖；若新产生的半缩醛羟基与C5上的羟甲基（也称尾基）处在环平面的同侧，则为β-D-吡喃葡萄糖。形成过程如下：

D-果糖也可以形成哈沃斯式，主要有五元环和六元环状结构。五元环是C2上的羰基与C5上的羟基成环；六元环是C2上羟基与C6上羟基成环。自然界中的果糖衍生物以五元环呋喃果糖为主。D-果糖的四种哈沃斯式如下：

从单糖的链状费歇尔投影式转变成哈沃斯式的一般书写规则：

①首先写出表示氧环式结构的六元或五元含氧环，把前面的三根链用粗线表示，六元环氧通常写在环中的右上角，五元环氧写在正后方。成环碳原子位次以顺时针方向排列。(www.xing528.com)

②将费歇尔式碳键右侧基团或原子写在哈沃斯式环平面的下方，左侧基团或原子写在环平面上方。遵循“左上右下”的原则。

③羟甲基（—CH2OH）在环平面的上方为D-型糖，羟甲基在环平面的下方为L-型糖。

④在D-型糖中，半缩醛羟基在环平面下方为α-型，在环平面上方为β-型；在L-型糖中正好相反。

在书写哈沃斯式时，遵守以上规则就能确定单糖的D和L以及α和β构型。有时为了书写需要，其环平面可以在纸平面上旋转，此时成环碳原子位次仍是顺时针方向排列，并且环上碳原子连接基团的上下位置不变；环平面也可以翻转，此时成环碳原子位次由顺时针方向排列变为逆时针排列，环上碳原子所连接基团的上下位置需颠倒过来。

下面是其他几种常见单糖的哈沃斯式：

4.单糖的构象

在哈沃斯式中，吡喃型糖的六元环表示在一个平面上。但实际上，近代X射线分析技术对单糖的研究表明，晶体状态的吡喃葡萄糖中成环的碳原子和氧原子不在同一平面，而是与环己烷类似，以椅式构象存在。D-吡喃葡萄糖的两种椅式构象表示如下：

从以上两个构象中可以看出，在β-型中所有较大基团都占据e键，而在α-型中C1上的半缩醛羟基处于直立健a键上，所以β-型比α-型更稳定。在变旋平衡体系中，β-D-葡萄糖所占比例（63%）大于α-D-葡萄糖（37%）。

思考题12-2　写出下列糖的哈沃斯式。

（1）α-D-吡喃阿洛糖　（2）α-D-吡喃甘露糖　（3）β-D-吡喃半乳糖

思考题12-3　写出下列单糖的全名称。