葡萄糖結(jié)構(gòu)的探究與應(yīng)用

王建文

(甘肅省隴南市西和縣第一中學(xué) 742100)

葡萄糖(化學(xué)式C6H12O6)又稱為玉米葡糖、玉蜀黍糖，簡(jiǎn)稱為葡糖.化學(xué)名稱:2，3，4，5，6-五羥基己醛，是自然界分布最廣且最為重要的一種單糖，它是一種多羥基醛.1747年，德國(guó)化學(xué)家馬格拉夫在柏林首次分離出葡萄糖，1838年才被命名.人教版選修5化學(xué)教材中對(duì)葡萄糖的結(jié)構(gòu)只是做了簡(jiǎn)單的介紹，通過(guò)2個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，只是驗(yàn)證了葡萄糖中含有醛基.設(shè)計(jì)葡萄糖結(jié)構(gòu)的探究，不僅對(duì)學(xué)過(guò)的知識(shí)有整合和復(fù)習(xí)作用，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的認(rèn)知態(tài)度、嚴(yán)密的邏輯推理能力、科學(xué)的思維方法和正確的學(xué)習(xí)方法.

案例已知葡萄糖的分子式為C6H12O6，推測(cè)其分子中可能含有哪些官能團(tuán)或特殊結(jié)構(gòu)？

通過(guò)計(jì)算，在葡萄糖結(jié)構(gòu)中有一個(gè)不飽和度，常見的含有一個(gè)不飽和度的官能團(tuán)有：—COOH (羧基)、—CHO(醛基) 、—OH(羥基)、 —COOR(酯基)、>C=C<(碳碳雙鍵)、>C=O(羰基或酮基)等，結(jié)構(gòu)有脂環(huán)化合物等.

1 推測(cè)

在葡萄糖分子的組成中含有6個(gè)碳原子、6個(gè)氧原子和12個(gè)氫原子，根據(jù)分子組成，推測(cè)葡萄糖結(jié)構(gòu)中有一個(gè)不飽和度，分子中可能含有的官能團(tuán)有：羥基、羧基、醛基.

1.1 存在羥基(-OH)

存在羥基的有機(jī)物可能發(fā)生的反應(yīng)有：

(1)發(fā)生酯化反應(yīng)；

(2)與Na反應(yīng)放出氫氣;

(3)與NaOH(不包括酚羥基)、Na2CO3不反應(yīng).

1.2 存在羧基(-COOH)

存在羧基的有機(jī)物可能發(fā)生的反應(yīng)有：

(1)與指示劑作用；

(2)與NaHCO3反應(yīng)放出CO2;

(3)發(fā)生酯化反應(yīng)；

(4)與含有酚酞的NaOH溶液反應(yīng)等.

1.3 存在醛基(-CHO)

(1)與銀氨溶液水浴加熱發(fā)生銀鏡反應(yīng)；

(2)與新制Cu(OH)2加熱生成磚紅色沉淀；

(3)與氫氣發(fā)生加成反應(yīng)；

(4)與氧化劑發(fā)生反應(yīng).

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 檢驗(yàn)羥基

2.1.1 可通過(guò)葡萄糖與鈉的反應(yīng)進(jìn)行檢驗(yàn)

準(zhǔn)確稱量一定質(zhì)量的葡萄糖粉末，量取一定體積的水(要保證葡萄糖全部溶解)，然后加入過(guò)量的鈉，結(jié)果有大量的氫氣放出，此實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單，但實(shí)驗(yàn)操作比較困難.有關(guān)的化學(xué)方程式為：

2CH2ONa(CHONa)4CHO+5H2↑

2.1.2 可通過(guò)與乙酸酐反應(yīng)

葡萄糖溶液能夠和乙酸酐反應(yīng)，生成具有芳香氣味的酯類，而葡萄糖溶液與NaOH、Na2CO3不反應(yīng).

通過(guò)與鈉的反應(yīng)，可先計(jì)算出鈉與水反應(yīng)放出的氫氣的體積，再用總體積減去鈉與水生成氫氣的體積，可得出葡萄糖與鈉反應(yīng)放出的氫氣的體積，進(jìn)而可以計(jì)算出在葡萄糖中可能含有多個(gè)羥基.

2.2 檢驗(yàn)羧基

2.2.1 與碳酸氫鈉溶液混合

葡萄糖溶液與碳酸氫鈉溶液混合，在試管中加入適量的碳酸氫鈉溶液，然后加入用膠頭滴管逐滴加入葡萄糖溶液并用力振蕩，無(wú)現(xiàn)象產(chǎn)生，說(shuō)明在葡萄糖中沒(méi)有羧基.

2.2.2 與紫色的石蕊試液作用

在試管中加入適量的葡萄糖溶液，用膠頭滴管滴入1～2滴紫色的石蕊試液，溶液未變紅，說(shuō)明不是酸性的，沒(méi)有羧基.

2.3 檢驗(yàn)醛基

2.3.1 與新制的銀氨溶液反應(yīng)：

在潔凈的試管中加入1mL 2%的AgNO3溶液，然后邊振蕩邊逐滴滴入2%的稀氨水，至最初產(chǎn)生的沉淀恰好溶解為止，制得銀氨溶液.再滴入3～5滴葡萄糖溶液，放在熱水浴中溫?zé)?觀察到在試管內(nèi)表面附著了一層銀單質(zhì)，說(shuō)明葡萄糖中含有醛基.

CH2OH(CHOH)4COONH4+2Ag↓+3NH3+H2O

2.3.2 與新制的氫氧化銅懸濁液反應(yīng)

在試管里加入2mL 10%的NaOH溶液,滴入5%的CuSO4溶液5滴，再加入2 mL 10%的葡萄糖溶液，加熱，觀察到有磚紅色的沉淀生成，說(shuō)明葡萄糖中含有醛基.化學(xué)方程式為：

CH2OH(CHOH)4CHO+2Cu(OH)2+NaOH

3 查閱資料

信息1：多元醇中加入新制Cu(OH)2懸濁液顯絳藍(lán)色.實(shí)驗(yàn)事實(shí):在葡萄糖溶液與新制的氫氧化銅懸濁液反應(yīng)時(shí)，若不加熱，溶液顯示絳藍(lán)色，加熱時(shí)會(huì)出現(xiàn)磚紅色的沉淀.大量的事實(shí)證明，葡萄糖中含多個(gè)羥基，多羥基都可以與Cu(OH)2懸濁液反應(yīng)，形成絳藍(lán)色溶液，如乙二醇、丙三醇等都可以，絳藍(lán)色主要是形成了配合物的顏色.由此可知在葡萄糖分子含有多個(gè)-OH.

信息2：在一定條件下，1mol的葡萄糖與1mol H2反應(yīng)，還原成直鏈己六醇(同一個(gè)碳原子上連接2個(gè)羥基不穩(wěn)定). 終上所述，葡萄糖的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式應(yīng)為：

CH2OH—CHOH—CHOH—CHOH—CHOH—CHO

4 應(yīng)用

通過(guò)上述方法，已經(jīng)知道葡萄糖的結(jié)構(gòu)，可以簡(jiǎn)單地記為“五羥一醛”(1mol的葡萄糖中有5mol的羥基和1mol的醛基)，下面通過(guò)幾道例題進(jìn)行鞏固.

例1已知甲醛、乙醛、乙二醛、葡萄糖中都含有醛基，試計(jì)算1mol的這些有機(jī)物與足量的銀氨溶液充分反應(yīng)，分別得到多少摩爾的銀？

解析可根據(jù)這些有機(jī)物與足量的銀氨溶液反應(yīng)的化學(xué)方程式可知，分別得到4mol、2mol、4mol、2mol的銀，此題主要考察葡萄糖中的醛基性質(zhì)以及醛基與銀氨溶液反應(yīng)的比例關(guān)系，可以把醛基與銀氨溶液反應(yīng)時(shí)的計(jì)量數(shù)簡(jiǎn)單地記為“一醛二銀三氨”，即1mol醛基與足量的銀氨溶液反應(yīng)，可以生成2mol的銀和3mol氨，而在上述1mol的有機(jī)物中依次含有的醛基為2mol、1mol、2mol、1mol，再根據(jù)化學(xué)方程式比例關(guān)系的計(jì)算可以很簡(jiǎn)單的得出結(jié)果.

例2己知葡萄糖的分子式為C6H12O6,在分子中含有醛基和羥基兩種官能團(tuán).

(1)試設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證葡萄糖中醛基的存在.

(2)已知葡萄糖在酒化酶催化的條件下會(huì)產(chǎn)生乙醇，這一性質(zhì)常用于釀酒，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，探究葡萄糖的酒化程度.

解析(1)取少許的葡萄糖粉末，溶于適量的水中，配成葡萄糖溶液，在潔凈的試管中加入少許新制的銀氨溶液，再加入少許葡萄糖溶液，振蕩，然后在水浴中加熱，過(guò)會(huì)兒在試管內(nèi)壁會(huì)有一層銀生成，說(shuō)明葡萄糖中含有醛基.(2)取2支潔凈的試管編號(hào)為A和B,分別加入10mL酒化液，然后在A中加入適量新制的銀氨溶液，水浴加熱，B加入少許重鉻酸鉀溶液，現(xiàn)象及結(jié)論如下：如果A中有銀鏡產(chǎn)生，B中溶液變成綠色，說(shuō)明葡萄糖部分酒化；如果A中無(wú)銀鏡，B中溶液變綠，完全酒化：A中有銀鏡，B中未變綠，沒(méi)有酒化.

例3目前最普遍疾病“三高癥”是指高血糖、高血脂和高血壓癥，是現(xiàn)代社會(huì)中流行的“富貴病”，發(fā)病率很高，對(duì)人體帶來(lái)了極大地危害.

(1)血液中血糖就是葡萄糖.葡萄糖的分子式是____.在水浴加熱條件下，葡萄糖與新制的氫氧化銅反應(yīng)，觀察到的現(xiàn)象是____，化學(xué)方程式為____.此方法曾經(jīng)用于檢測(cè)糖尿病；在水浴加熱條件下，葡萄糖溶液也可與新制的銀氨溶液反應(yīng)，觀察到的現(xiàn)象是____，化學(xué)方程式為____.此法常用于____(填一項(xiàng)).

(2)血脂是血液中所含脂類物質(zhì)的總稱，油脂對(duì)人體的作用之一是____，但過(guò)量攝入，可能引起肥胖、高血脂、高血壓.

(3)食用醋可消化脂肪和糖，飲用適量的醋，不僅可以減肥，還可以促進(jìn)身體健康.醋所含氨基酸能干擾脂肪的合成，起到消耗身體脂肪的作用，又可以使糖、蛋白質(zhì)的新陳代謝順利進(jìn)行，故有輔助性的減肥效果.熱水瓶中的水垢可用食醋出去，發(fā)生主要反應(yīng)的化學(xué)方程式是____，現(xiàn)象為____.

答案：(1)C6H12O6有磚紅色的沉淀生成

CH2OH(CHOH)4CHO+2Cu(OH)2+NaOH

試管內(nèi)壁上有銀附著

CH2OH(CHOH)4COONH4+2Ag↓+3NH3+H2O

制鏡業(yè)

(2)儲(chǔ)備能量

(CH3COO)2Ca+H2O+CO2↑

葡萄糖常用于制鏡業(yè)，在制鏡業(yè)中，常用葡萄糖作還原劑，用銀氨溶液做弱氧化劑，發(fā)生銀鏡反應(yīng).鉻鞣劑制造中，以葡萄糖或二氧化硫?yàn)檫€原劑，在硫酸溶液中將重鉻酸鹽還原成堿式硫酸鉻，即制成鉻鞣液，鞣液經(jīng)濃縮、干燥后，可得到粉狀鉻鞣劑等.葡萄糖在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中用途十分廣泛，如葡萄糖注射液、葡萄糖酸鈣注射液、葡萄糖口服液、葡萄糖酸鈣(鋅)口服溶液等都是常見的醫(yī)療藥劑，在保健品中，可用于膠囊、片劑、口服液、沖劑等直接服用.在日常生活中，葡萄糖用于面制品中的饅頭、面包、糕點(diǎn)、餅干、方便面等.