葡萄糖結(jié)構(gòu)的探究與應(yīng)用

摘要：葡萄糖（C6H12O6）是一種很重要的單糖，它是一種多羥基醛，分子內(nèi)部含有5個(gè)羥基和一個(gè)醛基，通過對其結(jié)構(gòu)的探究，學(xué)生除熟悉葡萄糖的結(jié)構(gòu)外，更能分析結(jié)構(gòu)合理的步驟和方法，提高學(xué)生的分析問題、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的科學(xué)思維能力，適應(yīng)現(xiàn)代高考的過程性評價(jià)模式.

關(guān)鍵詞：葡萄糖;結(jié)構(gòu);官能團(tuán);高中化學(xué)

中圖分類號：G632文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1008-0333（2022）15-0125-03

收稿日期：2022-02-25

作者簡介：王建文（1975.12-），男，甘肅省隴南人，本科，中學(xué)一級教師，從事高中化學(xué)教學(xué)研究.

葡萄糖（化學(xué)式CHO）又稱為玉米葡糖、玉蜀黍糖，簡稱為葡糖.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)教材中對葡萄糖的結(jié)構(gòu)只是做了簡單的介紹，通過2個(gè)簡單的實(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，不僅對學(xué)過的知識有整合和復(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.

研究有機(jī)物一般經(jīng)過以下幾個(gè)基本步驟：“分離、提純 → 確定實(shí)驗(yàn)式 → 確定分子式 → 確定結(jié)構(gòu)式”.葡萄糖的分子式為CHO，它的結(jié)構(gòu)如何呢？在人教版《有機(jī)化學(xué)選修5》中，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了確定有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)的幾種方法，無論用哪一種方法，首先要掌握有機(jī)化合物的成鍵特點(diǎn)，尤其要弄清組成有機(jī)化合物常用元素的成鍵特點(diǎn).比如根據(jù)紅外光譜對葡萄糖進(jìn)行研究，可知道在葡萄糖分子中有C—H鍵，O—H鍵，CO鍵，C—C鍵等化學(xué)鍵和官能團(tuán)，再對葡萄糖進(jìn)行核磁共振氫譜分析，結(jié)合碳、氧、氫原子的成鍵特點(diǎn)，可知葡萄糖的結(jié)構(gòu)簡式為：CHOH—CHOH—CHOH—CHOH—CHOH—CHO.下面用另一種方法探究葡萄糖的結(jié)構(gòu).

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

通過計(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

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）、NaCO3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NaHCO反應(yīng)放出CO;

（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）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），然后加入過量的鈉，結(jié)果有大量的氫氣放出，此實(shí)驗(yàn)原理簡單，但實(shí)驗(yàn)操作比較困難.有關(guān)的化學(xué)方程式為：

2CHOH（CHOH）CHO+10Na→

2CHONa（CHONa）CHO+5H↑

2Na+2H2O=2NaOH+H↑

2.1.2 可通過與乙酸酐反應(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、NaCO不反應(yīng).

通過與鈉的反應(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，無現(xiàn)象產(chǎn)生，說明在葡萄糖中沒有羧基.

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，說明不是酸性的，沒有羧基.

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)，說明葡萄糖中含有醛基.

CHOH（CHOH）CHO+2Ag（NH）OH→

CHOH（CHOH）COONH+2Ag↓+3NH+HO

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CuSO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，說明葡萄糖中含有醛基.化學(xué)方程式為：

CHOH（CHOH）CHO+2Cu（OH）2+NaOH

→CHOH（CHOH）COONa+CuO↓+3HO

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）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)簡式應(yīng)為：

CHOH—CHOH—CHOH—CHOH—CHOH—CHO

4 應(yīng)用

通過上述方法，已經(jīng)知道葡萄糖的結(jié)構(gòu)，可以簡單地記為“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)算可以很簡單的得出結(jié)果.

例2己知葡萄糖的分子式為CHO，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?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，過會(huì)兒在試管內(nèi)壁會(huì)有一層銀生成，說明葡萄糖中含有醛基.（2）取2支潔凈的試管編號為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，說明葡萄糖部分酒化;如果A中無銀鏡，B中溶液變綠，完全酒化：A中有銀鏡，B中未變綠，沒有酒化.

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，對人體帶來了極大地危害.

（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，油脂對人體的作用之一是_______，但過量攝入，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）CHO有磚紅色的沉淀生成

CHOH（CHOH）CHO+2Cu（OH）+NaOH

→CHOH（CHOH）COONa+CuO↓+3HO

試管內(nèi)壁上有銀附著

CHOH（CHOH）CHO+2Ag（NH）OH→

CHOH（CHOH）COONH+2Ag↓+3NH+H2O

制鏡業(yè)

（2）儲備能量

（3）2CHCOOH+CaCO

（CHCOO）Ca+HO+CO↑

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.

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[責(zé)任編輯：季春陽]