葡萄糖结构的探究与应用

摘要：葡萄糖（C6H12O6）是一种很重要的单糖，它是一种多羟基醛，分子内部含有5个羟基和一个醛基，通过对其结构的探究，学生除熟悉葡萄糖的结构外，更能分析结构合理的步骤和方法，提高学生的分析问题、发现问题、解决问题的科学思维能力，适应现代高考的过程性评价模式.

关键词：葡萄糖;结构;官能团;高中化学

中图分类号：G632文献标识码：A文章编号：1008-0333（2022）15-0125-03

收稿日期：2022-02-25

作者简介：王建文（1975.12-），男，甘肃省陇南人，本科，中学一级教师，从事高中化学教学研究.

葡萄糖（化学式CHO）又称为玉米葡糖、玉蜀黍糖，简称为葡糖.化学名称：2，3，4，5，6-五羟基己醛，是自然界分布最广且最为重要的一种单糖，它是一种多羟基醛.1747年，德国化学家马格拉夫在柏林首次分离出葡萄糖，1838年才被命名.人教版选修5化学教材中对葡萄糖的结构只是做了简单的介绍，通过2个简单的实验，只是验证了葡萄糖中含有醛基.设计葡萄糖结构的探究，不仅对学过的知识有整合和复习作用，更重要的是培养学生科学的认知态度、严密的逻辑推理能力、科学的思维方法和正确的学习方法.

研究有机物一般经过以下几个基本步骤：“分离、提纯 → 确定实验式 → 确定分子式 → 确定结构式”.葡萄糖的分子式为CHO，它的结构如何呢？在人教版《有机化学选修5》中，学生已经学习了确定有机化合物的结构的几种方法，无论用哪一种方法，首先要掌握有机化合物的成键特点，尤其要弄清组成有机化合物常用元素的成键特点.比如根据红外光谱对葡萄糖进行研究，可知道在葡萄糖分子中有C—H键，O—H键，CO键，C—C键等化学键和官能团，再对葡萄糖进行核磁共振氢谱分析，结合碳、氧、氢原子的成键特点，可知葡萄糖的结构简式为：CHOH—CHOH—CHOH—CHOH—CHOH—CHO.下面用另一种方法探究葡萄糖的结构.

案例已知葡萄糖的分子式为CHO，推测其分子中可能含有哪些官能团或特殊结构？

通过计算，在葡萄糖结构中有一个不饱和度，常见的含有一个不饱和度的官能团有：—COOH （羧基）、—CHO（醛基） 、—OH（羟基）、 —COOR（酯基）、>C=C<（碳碳双键）、>C=O（羰基或酮基）等，结构有脂环化合物等.

1 推测

在葡萄糖分子的组成中含有6个碳原子、6个氧原子和12个氢原子，根据分子组成，推测葡萄糖结构中有一个不饱和度，分子中可能含有的官能团有：羟基、羧基、醛基.

1.1 存在羥基（-OH）

存在羟基的有机物可能发生的反应有：

（1）发生酯化反应;

（2）与Na反应放出氢气;

（3）与NaOH（不包括酚羟基）、NaCO3不反应.

1.2 存在羧基（-COOH）

存在羧基的有机物可能发生的反应有：

（1）与指示剂作用;

（2）与NaHCO反应放出CO;

（3）发生酯化反应;

（4）与含有酚酞的NaOH溶液反应等.

1.3 存在醛基（-CHO）

（1）与银氨溶液水浴加热发生银镜反应;

（2）与新制Cu（OH）加热生成砖红色沉淀;

（3）与氢气发生加成反应;

（4）与氧化剂发生反应.

2 实验

2.1 检验羟基

2.1.1 可通过葡萄糖与钠的反应进行检验

准确称量一定质量的葡萄糖粉末，量取一定体积的水（要保证葡萄糖全部溶解），然后加入过量的钠，结果有大量的氢气放出，此实验原理简单，但实验操作比较困难.有关的化学方程式为：

2CHOH（CHOH）CHO+10Na→

2CHONa（CHONa）CHO+5H↑

2Na+2H2O=2NaOH+H↑

2.1.2 可通过与乙酸酐反应

葡萄糖溶液能够和乙酸酐反应，生成具有芳香气味的酯类，而葡萄糖溶液与NaOH、NaCO不反应.

通过与钠的反应，可先计算出钠与水反应放出的氢气的体积，再用总体积减去钠与水生成氢气的体积，可得出葡萄糖与钠反应放出的氢气的体积，进而可以计算出在葡萄糖中可能含有多个羟基.

2.2 检验羧基

2.2.1 与碳酸氢钠溶液混合

葡萄糖溶液与碳酸氢钠溶液混合，在试管中加入适量的碳酸氢钠溶液，然后加入用胶头滴管逐滴加入葡萄糖溶液并用力振荡，无现象产生，说明在葡萄糖中没有羧基.

2.2.2 与紫色的石蕊试液作用

在试管中加入适量的葡萄糖溶液，用胶头滴管滴入1～2滴紫色的石蕊试液，溶液未变红，说明不是酸性的，没有羧基.

2.3 检验醛基

2.3.1 与新制的银氨溶液反应：

在洁净的试管中加入1mL 2%的AgNO3溶液，然后边振荡边逐滴滴入2%的稀氨水，至最初产生的沉淀恰好溶解为止，制得银氨溶液.再滴入3～5滴葡萄糖溶液，放在热水浴中温热.观察到在试管内表面附着了一层银单质，说明葡萄糖中含有醛基.

CHOH（CHOH）CHO+2Ag（NH）OH→

CHOH（CHOH）COONH+2Ag↓+3NH+HO

2.3.2 与新制的氢氧化铜悬浊液反应

在试管里加入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，加热，观察到有砖红色的沉淀生成，说明葡萄糖中含有醛基.化学方程式为：

CHOH（CHOH）CHO+2Cu（OH）2+NaOH

→CHOH（CHOH）COONa+CuO↓+3HO

3 查阅资料

信息1：多元醇中加入新制Cu（OH）2悬浊液显绛蓝色.实验事实：在葡萄糖溶液与新制的氢氧化铜悬浊液反应时，若不加热，溶液显示绛蓝色，加热时会出现砖红色的沉淀.大量的事实证明，葡萄糖中含多个羟基，多羟基都可以与Cu（OH）悬浊液反应，形成绛蓝色溶液，如乙二醇、丙三醇等都可以，绛蓝色主要是形成了配合物的颜色.由此可知在葡萄糖分子含有多个-OH.

信息2：在一定条件下，1mol的葡萄糖与1mol H2反应，还原成直链己六醇（同一个碳原子上连接2个羟基不稳定）. 终上所述，葡萄糖的结构简式应为：

CHOH—CHOH—CHOH—CHOH—CHOH—CHO

4 应用

通过上述方法，已经知道葡萄糖的结构，可以简单地记为“五羟一醛”（1mol的葡萄糖中有5mol的羟基和1mol的醛基），下面通过几道例题进行巩固.

例1已知甲醛、乙醛、乙二醛、葡萄糖中都含有醛基，试计算1mol的这些有机物与足量的银氨溶液充分反应，分别得到多少摩尔的银？

解析可根据这些有机物与足量的银氨溶液反应的化学方程式可知，分别得到4mol、2mol、4mol、2mol的银，此题主要考察葡萄糖中的醛基性质以及醛基与银氨溶液反应的比例关系，可以把醛基与银氨溶液反应时的计量数简单地记为“一醛二银三氨”，即1mol醛基与足量的银氨溶液反应，可以生成2mol的银和3mol氨，而在上述1mol的有机物中依次含有的醛基为2mol、1mol、2mol、1mol，再根据化学方程式比例关系的计算可以很简单的得出结果.

例2己知葡萄糖的分子式为CHO，在分子中含有醛基和羟基两种官能团.

（1）试设计实验验证葡萄糖中醛基的存在.

（2）已知葡萄糖在酒化酶催化的条件下会产生乙醇，这一性质常用于酿酒，请设计一个实验，探究葡萄糖的酒化程度.

解析（1）取少许的葡萄糖粉末，溶于适量的水中，配成葡萄糖溶液，在洁净的试管中加入少许新制的银氨溶液，再加入少许葡萄糖溶液，振荡，然后在水浴中加热，过会儿在试管内壁会有一层银生成，说明葡萄糖中含有醛基.（2）取2支洁净的试管编号为A和B，分别加入10mL酒化液，然后在A中加入适量新制的银氨溶液，水浴加热，B加入少许重铬酸钾溶液，现象及结论如下：如果A中有银镜产生，B中溶液变成绿色，说明葡萄糖部分酒化;如果A中无银镜，B中溶液变绿，完全酒化：A中有银镜，B中未变绿，没有酒化.

例3目前最普遍疾病“三高症”是指高血糖、高血脂和高血压症，是现代社会中流行的“富贵病”，发病率很高，对人体带来了极大地危害.

（1）血液中血糖就是葡萄糖.葡萄糖的分子式是_____.在水浴加热条件下，葡萄糖与新制的氢氧化铜反应，观察到的现象是____，化学方程式为____.此方法曾经用于检测糖尿病;在水浴加热条件下，葡萄糖溶液也可与新制的银氨溶液反应，观察到的现象是______，化学方程式为_____.此法常用于______（填一项）.

（2）血脂是血液中所含脂类物质的总称，油脂对人体的作用之一是_______，但过量摄入，可能引起肥胖、高血脂、高血压.

（3）食用醋可消化脂肪和糖，饮用适量的醋，不仅可以减肥，还可以促进身体健康.醋所含氨基酸能干扰脂肪的合成，起到消耗身体脂肪的作用，又可以使糖、蛋白质的新陈代谢顺利进行，故有辅助性的减肥效果.热水瓶中的水垢可用食醋出去，发生主要反应的化学方程式是______，现象为_______.

答案：（1）CHO有磚红色的沉淀生成

CHOH（CHOH）CHO+2Cu（OH）+NaOH

→CHOH（CHOH）COONa+CuO↓+3HO

试管内壁上有银附着

CHOH（CHOH）CHO+2Ag（NH）OH→

CHOH（CHOH）COONH+2Ag↓+3NH+H2O

制镜业

（2）储备能量

（3）2CHCOOH+CaCO

（CHCOO）Ca+HO+CO↑

葡萄糖常用于制镜业，在制镜业中，常用葡萄糖作还原剂，用银氨溶液做弱氧化剂，发生银镜反应.铬鞣剂制造中，以葡萄糖或二氧化硫为还原剂，在硫酸溶液中将重铬酸盐还原成碱式硫酸铬，即制成铬鞣液，鞣液经浓缩、干燥后，可得到粉状铬鞣剂等.葡萄糖在医学领域中用途十分广泛，如葡萄糖注射液、葡萄糖酸钙注射液、葡萄糖口服液、葡萄糖酸钙（锌）口服溶液等都是常见的医疗药剂，在保健品中，可用于胶囊、片剂、口服液、冲剂等直接服用.在日常生活中，葡萄糖用于面制品中的馒头、面包、糕点、饼干、方便面等.

参考文献：

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[2] 杨海朋，陈仕国，李春辉，等.纳米电化学生物传感器[J].化学进展，2009（01）：210-216.

[3] 郭丽丽，任彩玲.甘丙肽对骨骼肌细胞葡萄糖转运蛋白4的影响[J].中国组织工程研究，2012（50）：213-216.

[责任编辑：季春阳]