00645 糖化學（五）

單糖的反應

在光合作用中，糖是氧化和還原反應的產物。某些細菌和植物吸收二氧化碳，用生物色素吸收光子氧化水，產生的電子把二氧化碳還原爲糖，釋放出氧氣作爲副產物。而在有氧呼吸中糖酵解過程恰好與此相反：一分子葡萄糖經過一系列氧化反應，最終净產生6分子的二氧化碳、6分子的水以及大量「通用能量貨幣」ATP。^[1]現將單糖的化學反應簡述如下。

• 氧化-還原反應

糖化學發展初期，糖的實驗室鑒定基本是靠氧化-還原反應。雖然大多數單糖在固態和水溶液中以環糖存在，縂有極少量的直鏈糖，即使有時它們的量小到無法檢測。直鏈糖可能有兩種形式：一種是和費歇爾投影式一樣的羥基醛/酮，另一種是醛/酮基水合的產物，即1,1-二羥基醇（對於醛糖）或2,2-二羥基醇（對於酮糖）。醛基對氧化劑敏感。而C-1位有羥基的酮也可以氧化。這是因爲醛/酮都可以通過烯醇化互相轉化。比如D-葡萄糖可以催化異化為D-果糖（C-1醛基變成C-2羰基）；反過來，D-果糖也可以異化為D-葡萄糖（C-2羰基變成C-1醛基）。這種可以氧化的糖稱爲還原糖，反之則爲非還原糖。

實驗室中常用三種試劑來檢測還原糖的存在。第一種是托倫斯試劑，即硝酸銀銨溶液。還原糖會把銀離子還原成金屬銀，從而在試管上形成一層銀鏡，因此這個反應俗稱為銀鏡反應。另一種試劑是斐林試劑，即銅的酒石酸鹽絡合物溶液。還原糖能還原銅至紅色的氧化銅。第三種試劑是溴水，及溴在水中的稀薄溶液，顔色爲淺棕紅色。和還原性單糖混合後，溴水會退去紅色，成爲無色透明溶液。對於銀鏡反應和斐林試劑，反應的速率均取決於待測糖的烯醇化速率。果糖的烯醇化速率十倍於葡萄糖，因此果糖在還原性試驗中比葡萄糖更為快速、靈敏。^[2]所有以上反應均不專一。即使得到陽性結果，仍無法斷定測試物質一定就是糖，所以必須和其它測試方法協同使用。但因爲它們簡單易行，現在仍然是中學化學及大學普通化學常見的演示實驗。

實踐中更多的是用現代方法來檢驗、鑒定糖。比如針對D-葡萄糖，一般用葡萄糖氧化酶來鑒定。此酶專一催化氧化β-D-葡萄糖，生成葡萄糖酸和過氧化氫。後者可以通過各種比色法快速而准確的測定。

單糖的氧化產物是糖酸。由於糖是多官能團化合物，氧化位點多樣，得到的產物也不同。如果單糖的醛基被氧化為羧基，產物是醛糖酸（Aldonic acid）。如果糖的伯醇基（即氧化度最低的末端羥甲基）被氧化為羧基而其醛/酮基保留，則稱為糖尾酸（Uronic acid）。2-酮糖的1-位羥基被氧化為羧基的單糖，稱為酮糖酸（Ulosonic acid）。單糖分子的兩端若都氧化為羧基，則稱為糖二酸（Aldaric acid）。在銀鏡反應中，無論是醛糖還是2-酮糖，產物均是醛糖酸。這是2-酮糖異構化生成醛糖，然後再被氧化的結果。3-酮糖無法異構為醛糖。如果其兩端伯醇基均被氧化為羧基，產物為3-酮糖二酸。

正如單糖一樣，糖酸也處於鏈-環平衡中，該反映强烈傾向于生成γ-內酯和δ-內酯。前者是五元環，後者是六元環。直鏈糖酸很難分離，因爲它們很容易脫水而生成內酯。D-葡萄糖酸δ-內酯天然存在於蜂蜜、果汁等食品中。它能在口腔中水解為D-葡萄糖酸，讓人感覺到些微酸味。

糖的醛/酮基被還原為羥基時，所得化合物稱為糖醇。醛單糖還原只生成一種糖醇產物，但酮單糖還原會生成一個新的不對稱碳。比如D-果糖經還原可生成D-甘露醇和D-山梨糖醇（亦即D-葡萄糖醇），兩種產物各占一半。實驗室可以通過用硼氫化鈉或雷尼鎳氫化還原糖類制取糖醇。工業上採用高壓催化氫化的方法制取糖醇。很多糖醇具有甜味，並天然存在於食物中。因此它們經常用做低熱量代糖，比如木糖醇、山梨糖醇、赤蘚醇、甘露醇等。

• 糖羰基的其它反應

上文中已經簡短提到過費歇爾早年醛/酮糖和苯肼的反應以及基利安尼糖合成反應。這些反應都是基於糖羰基的反應性。

1875年費歇爾制得苯肼。他首先使用苯胺和亞硝酸鈉在酸性條件下反應，生成重（音崇）氮鹽，再使用亞硫酸鈉還原，得到苯肼（C₆H₅-NH-NH₂）。其端基氮具有強鹼性以及高親核反應活性。這個氮原子進攻醛/酮的羰基，經過五配位過渡態，生成氨基醇。經過去質子化，羥基離去生成一分子水，C-N鍵成爲C=N雙鍵，產物為苯腙。這個反應在較低溫度下就可以發生，苯肼和單糖的摩爾比是1:1。醛糖苯腙的腙基在C-1，酮糖苯腙的腙基在C-2。所有單糖苯腙的理化性能都不盡相同。

在較高溫度下，兩摩爾苯肼可以和一摩爾單糖反應，生成苯脎。這個反應不單純，還牽涉一個氧化還原反應。生成苯腙之後，醛糖的C-2羥基（或酮的C-1羥基）被氧化成一個新的羰基，同時一摩爾苯肼被還原爲苯胺，並釋放出副產物氨。接著苯胺和新羰基反應形成另一個腙基。最終產物是帶有兩個苯腙的單糖。D-葡萄糖、D-果糖和D-甘露糖形成同一種苯脎。正是這個事實讓費歇爾察覺到，這些糖的C-3、C-4、C-5羥基一定具有同樣的立體構型。另外，D-果糖的C-2位是羰基，不是立體中心。那麽，D-葡萄糖和D-甘露糖一定是C-2差向異構體：它們C-2位羥基的立體構型一定相反。苯腙和苯脎對於闡明單糖的結構居功至偉。

另一個對糖化學發展至關重要的反應是基利安尼糖合成。這也是一個羰基的反應。氰離子是一個極强的親核試劑。它會進攻醛糖的羰基，生成氰醇（兩種光學異構體），一種比較穩定的產物。氰基水解後生成比原來的單糖多一個碳原子的糖酸。這個中間產物立即環合成内酯，隨後被鈉汞齊還原爲醛基。這個反應沒有立體選擇性，所以最終產物會是兩種單糖，互爲C-2差向異構體。基利安尼用D-阿拉伯糖為起始物，合成了D-葡萄糖和D-甘露糖。這個反應不涉及C-3、C-4、C-5羥基的立體化學，所以也能幫助我們得出結論：這兩種糖的C-3、C-4、C-5羥基一定具有同樣的立體構型。更重要的是，如果從D-甘油醛開始，所有天然單糖（主要是戊糖和己糖）的絕對立體構型都可以確定下來。這個反應雖然是基利安尼發現的，但卻在費歇爾手中發揚光大。他用這個反應，每一步添加一個碳原子，直至壬糖（九碳糖）。後世把這個反應叫做基利安尼-費歇爾糖合成，可以説名副其實。

以上反應都必須經過醛/酮的羰基，也就是説，直鏈單糖是真正的反應底物。那麽這和單糖大多以環糖存在是否矛盾？不矛盾。單糖處於鏈-環平衡中。如果現有極少量的直鏈單糖被消耗掉，立刻就會有環糖轉化爲直鏈糖，直至所有的環糖徹底轉化。但是，并不是所有的試劑都可以把這個鏈-環平衡徹底推向直鏈醛/酮糖一邊。比如上面提到的席夫試劑（鹼性品紅與亞硫酸氫鈉的混合物）就不能。從能學上説，單糖的氧化-還原反應的吉布斯自由能變較有利於反應自發發生，而它們和席夫試劑則爲不利，因此無法自發發生。

題圖：光合作用的循環圖。（來源：wikicommons，CC-BY-NA 3.0）

引用和注釋

[1] ^{因爲存在諸多不同途徑，人體中一分子葡萄糖經過有氧過程可以生成30-38分子的ATP。38是理論極限值，不是縂能達到。}

[2] ^{張殷全等，還原糖試驗與烯醇化的關係，大學化學，1990，6，13-15+9.}