第二节　单糖的结构

一、有关旋光异构的几个概念

旋光异构现象在生物分子中普遍存在，并有重要的生物学意义。

1.旋光异构

同分异构现象是指化合物具有相同的分子式，但具有不同结构的现象。主要有两种类型：结构异构和立体异构。

结构异构是由于分子中原子连接的次序不同而造成的异构现象。原子连接在一起的次序叫做化合物的构造，用结构式表示。结构异构体分为碳架异构体、位置异构体和功能异构体。立体异构具有相同的结构式，但原子在空间的分布不同。原子在空间的相对分布与排布称为分子的构型，用立体模型、透视式或投影式来区分立体异构体。

立体异构又可分为旋光异构（光学异构）和几何异构。旋光异构（光学异构）是由于分子中存在手性原子造成的，最常见的是分子内存在不对称碳原子。旋光异构体是一组至少存在一对不可叠合的镜像体的立体异构体，一般具有旋光性。几何异构，也称顺反异构，是由于分子中双键或环的存在或其他原因限制原子间的自由旋转引起的。几何异构体中不存在不可叠合的镜像对，因而不具有旋光性。

2.旋光性与不对称碳原子

当平面偏振光通过旋光物质的溶液时，光的偏振面会向右（顺时针方向或正向，符号+）旋转或向左（逆时针方向或负向，符号-）旋转。使偏振面向右旋转的，称为右旋物质，如（+）-甘油醛；使偏振面向左旋转的，称为左旋物质，如（-）-甘油醛。旋光物质使平面偏振光的偏振面发生旋转的能力称为旋光性、光学活性或旋光度。

表示旋光物质旋光性的特征常数是比旋度或旋光度，用[α]表示，比旋度前面加+或-，以指明旋光方向。某一物质的[α]值和旋光方向，与测定时的温度、光波波长、溶剂种类、溶质浓度以及pH等有关。因此测定比旋度时，必须标明这些因素。

不对称碳原子是指与4个不同的原子或原子团共价连接并因而失去对称性的四面体碳，也称不对称中心或手性中心，常用C*表示。根据对称性原理，凡分子中存在对称面、对称中心或四重交替对称轴这些对称元素之一的，化合物都可以和它的镜像叠合，因而没有旋光性；凡分子中没有上述三种对称元素的，都不能与它的镜像叠合，因而具有旋光性。不能与自己镜像叠合的分子，称为手性分子。手性与旋光性为一对孪生子。

3.构型的投影式表示

旋光异构体的构型，是指不对称碳原子的4个取代基在空间的相对取向。这种构型形成两种可能的四面体形式，即两种构型。具有不对称碳原子的甘油醛的构型如图3-1所示。

从图3-1可以看出一个不对称碳原子的取代基在空间里的两种取向是物体与镜像的关系，并且两者不能重叠。可见甘油醛（Ⅰ）和甘油醛（Ⅱ）是两种旋光异构体，被称为对映体。除具有程度相等而方向相反的旋光性和不同的生物活性外，它们其他物理和化学性质完全相同。由于人为规定的相对构型和实验确定的绝对构型是一致的，所以具有甘油醛（Ⅰ）构型的右旋甘油醛，称为D-型，标为D-（+）-甘油醛，而甘油醛（Ⅱ）标为L-（-）-甘油醛，并选定甘油醛作为其他旋光化合物构型的参考标准。必须指出，在糖的构型中，D-和L-与旋光方向（+，-）并无直接联系，旋光方向与程度是由整个分子的立体结构（包括各手性碳原子的构型）而不是某一个C*的构型所决定的。

在立体化学中，甘油醛的立体异构体可用立体模型、透视式或投影式来区分（图3-2）。图3-2中透视式（A）和（B），手性碳原子和实线键处于纸面内，虚线键伸向纸面背后，楔形键凸出纸面，伸向读者。投影式可看成是立体模型或透视结构在纸面上的投影，图3-2中投影式（C）称为Fischer投影式，其中水平方向的键伸向纸面前方，垂直方向的键伸向纸面后方。书写Fischer投影式时，通常规定碳链在垂直方向，羰基写在链的上端，羟甲基写在链的下端，氢原子和羟基位于链的两侧。

虽然Fischer投影式可以表示单糖分子的链式结构，但不能准确表示单糖的环状结构。所以，在表示单糖的环状结构时采用另一种透视式，称为Haworth投影式或Haworth式。以葡萄糖为例，Haworth式中葡萄糖的六元环用一个垂直于纸平面的六角形环表示，粗线表示靠近读者的环边缘，细线（含氧桥）表示离开读者的环边缘（图3-3）。

二、单糖的链式结构

单糖从丙糖到庚糖，除二羟基丙酮外，都含有手性碳原子。甘油醛含一个C*，有两个旋光异构体，组成一对对映体。丁醛糖含2个C*，可有4个旋光异构体，组成两对对映体。依次类推，含n个C*的化合物，旋光异构体的数目为2n，组成2n/2对对映体。

通常所谓的单糖构型是指分子中离羰基碳最远的那个手性碳原子的构型。如果在Fischer投影式中，此碳原子上的—OH具有与D-（+）-甘油醛C2—OH相同的取向，则称D-型糖，反之则为L-型糖。

所有的醛糖都可以看成是由甘油醛的醛基碳下端逐个插入C*延伸而成。由D-甘油醛衍生而来的称D-系醛糖，由L-甘油醛衍生而来的称L-系醛糖。同样，各种酮糖可被认为是由二羟基丙酮衍生而来。几种单糖的结构式如下：

L-系醛糖是相应D-系醛糖的对映体。任一旋光化合物都只有一个对映体，它的其他旋光异构体在化学与物理性质方面都与之不同，这些不是对映体的旋光异构体称为非对映异构体或非对映体。例如，D-（+）-葡萄糖的对映体只有L-（-）-葡萄糖，其余的14个己醛糖旋光异构体是它的非对映体。

从下面几个结构可以看到，己醛糖的旋光异构体，葡萄糖和甘露糖或葡萄糖和半乳糖，两者之间除一个手性碳原子（对葡萄糖和甘露糖是C2*，对葡萄糖和半乳糖是C4*）的—OH位置不同外，其余结构完全相同。这种仅一个手性碳原子的构型不同的非对映异构体称为差向异构体。

三、单糖的环状结构

许多单糖，新配制的溶液会发生旋光度的改变，这种现象称变旋。变旋是由于分子立体结构发生某种变化的结果。从羰基的性质可以了解到，醇与醛或酮可以发生快速而可逆的亲核加成，形成半缩醛。如果羟基和羰基处于同一分子内，可以发生分子内亲核加成，导致环状半缩醛的形成。

作为多羟基醛或酮的单糖分子完全可能形成这种环状结构。

1. α异头物与β异头物

单糖由直链结构变成环状结构后，羰基碳原子成为新的手性中心，导致C1差向异构化，产生两个非对映异构体。这种羰基碳上形成的差向异构体称异头物。在环状结构中，半缩醛碳原子也称异头碳原子或异头中心。

在链式结构表示法中，异头碳的羟基与最末的手性碳原子的羟基具有相同取向的异构体称α异头物，具有相反取向的称β异头物。

在单糖的环状结构表示法中，在标准定位（即含氧环上的碳原子按顺时针序数排列）的Haworth式中羟甲基在环平面上方的为D-型糖，在环平面下方的为L-型糖；不论是D-型糖还是L-型糖中，异头碳羟基与末端羟甲基是反式的为α异头物，顺式的为β异头物（图3-4）。

标示异头碳的构型时，必须同时指出糖的构型（D-系或L-系）。异头物在水溶液中通过直链（开链）形式可以互变（差向异构化），经一定时间后达到平衡，这就是产生变旋现象的原因。应该指出，α异头物和β异头物不是对映体，平衡时两种成分不是一半一半。例如，D-葡萄糖，平衡后α-D-葡萄糖约占36%，β-D-葡萄糖占64%，含游离醛基的开链葡萄糖不到0.024%。

2.吡喃糖和呋喃糖

开链的单糖形成环状半缩醛时，最容易出现五元环和六元环的结构。例如D-葡萄糖C5上的羟基与C1的醛基加成生成六元环的吡喃葡糖，D-果糖C5上的羟基与C2上的酮基加成形成五元环的呋喃果糖。D-葡萄糖主要以吡喃糖存在，呋喃糖次之，其中吡喃型比呋喃型稳定；D-果糖也以这两种形式存在（图3-5）。

四、单糖的构象

按Haworth式结构，葡萄糖的成环元素都在一个平面上。实际上并非如此，而是整个环的平面发生折叠形成近似椅形的构象。这是由于绕单键旋转引起的组成原子的不同排列导致的，这样的结构称为构象。一种特定的构象称构象体或构象异构体，常采用锯架式或纽曼投影式来表示。不像旋光异构体，不同的构象体通常不能分离出来，它们之间的互变太快。

构象分析表明环己烷环是一种无张力环，它的环不是平面结构，而是扭折成释放了全部角张力的三维构象，有椅式和船式两种构象（图3-6）。

吡喃糖与环己烷在结构上有很多相似之处，因此环己烷的构象分析很多适用于吡喃糖。D-吡喃葡萄糖可以有两种椅式构象（图3-7）和6种船式构象。椅式D-葡萄糖远比船式D-葡萄糖稳定。D-吡喃葡萄糖的两种椅式构象可能经过船式进行互相转换，这种互换常称为环转向。在葡萄糖分子的椅式构象中，醇羟基都在平伏键上，氢原子在直立键上。α-半缩醛羟基在直立键上，β-半缩醛羟基则在平伏键上。平伏键伸向分子外侧，热力学上稳定。所以，在水溶液中，β-D-葡萄糖所占比例最大。