壹、單糖的結構
(壹)單糖的三維結構和構型
1.單糖的立體異構體
單糖分子是具有旋光性的不對稱分子。以甘油醛為例，分子中的2位碳為不對稱碳原子，分別連接著四個不同的原子和基團H、CH2OH、OH和CHO。這個結構有兩種排列，壹種是D-甘油醛，壹種是L-甘油醛。寫D型結構時，把羥基放在右邊；左邊是l型羥基。D-甘油醛的旋光度是右旋的，L-甘油醛的旋光度是左旋的。d-甘油醛和L-甘油醛是立體異構體，構型不同。所以D型和L型甘油醛都是對映體，有對映體的結構也叫“手性”結構。
因為旋光的方向和程度是由分子中所有不對稱原子上的羥基的方向決定的，而構型只與分子中離羰基最遠的不對稱碳原子的羥基的方向有關，所以單糖的構型D和L不壹定對應右旋和左旋。單糖的旋光度右旋為D或(+)，左旋為L或(-)。
來自三糖(甘油醛)的單糖都有不對稱碳原子。含有n個不對稱碳原子的化合物應該有2n個立體異構體。
2.單糖的構型
d-型和L-型糖是通過比較甘油醛作為標準而確定的相對構型。糖的構型取決於離羰基最遠的不對稱碳原子上羥基的方向。如果和D-甘油醛壹樣，就是D型。如果和L-甘油醛壹樣，就是L型。醛糖可由甘油醛通過逐漸增加碳鏈衍生而來。酮糖的構型也用同樣的方法確定。下面這些糖總結出來的碳原子的構型是壹樣的，都是D型糖。
(2)單糖的結構和構象
單糖種類繁多，其中葡萄糖(遊離和結合)在自然界中含量最豐富，分布最廣。
雖然單糖的結構和性質不同，但有很多相似之處。葡萄糖的結構和性質具有代表性。本文以葡萄糖為例，闡述了單糖的分子結構。
葡萄糖是最重要的己糖，之所以叫葡萄糖，是因為它最初存在於葡萄中。其分子式為C6H12O6。自然生成的是D-葡萄糖。
1.鏈式結構式
實驗表明，D-葡萄糖的鏈結構是:
上述結構式可以簡化，“├”表示碳鏈羥基和不對稱碳原子的位置，“△”表示醛基。
“-—CHO”，“-”代表羥基“-OH”，“○”代表第壹個醇基，那麽葡萄糖的結構式簡化為(a)，與葡萄糖同屬於醛糖的D甘露糖和D半乳糖的結構式分別簡化為(b)和(c)。
(a)D-葡萄糖(b)D-甘露糖(c)D-半乳糖
2.環形結構
物理和化學方法證明單糖不僅以線性結構存在，也以環狀結構存在。因為單糖分子中既有羰基又有羥基，由於形成半縮醛(或半縮酮)，可以在分子中形成壹個環。即碳鏈上壹個羥基中的氧與羰基的碳原子連接成環，羥基中的氫原子加成到羰基的氧上。實驗表明，壹般情況下，己糖是由第五個碳原子上的羥基和羰基形成的半縮醛，形成六元環。例如，D-葡萄糖可以形成以下兩種環狀半縮醛:
半縮醛α-D-葡萄糖醛酸醛D-葡萄糖半縮醛β-D-葡萄糖
37% 0.1% 63%
d-葡萄糖由醛轉化為半縮醛，C1轉化為手性碳原子，形成壹對光學異構體。壹般規定新形成的手性碳原子上的羥基(稱為半縮醛羥基)和決定單糖構型的碳原子上的羥基(己糖中的C5)在碳鏈的同壹側，稱為α-葡萄糖，寫作α-D-葡萄糖；不在同壹側的稱為β-葡萄糖，寫成β-d-葡萄糖然而這兩種異構體不是對映體，只是1碳上的羥基方向不同，所以稱為異頭物。半縮醛羥基比其他羥基更活潑，糖的許多重要性質都與它有關。
而且，葡萄糖也有構象問題。根據X射線衍射，吡喃葡萄糖環中的五個碳和壹個氧不在同壹個平面上，通常具有以下構象，其中椅子構象最穩定，因為它使分子拉伸強度最低，使分子中每個原子的靜電斥力最小。
二、單糖的性質
單糖的性質是由其化學組成和結構決定的。
(1)主要物理性質
1.溶解度
單糖是無色晶體。由於分子中有許多羥基，在水中有很大的溶解度，往往能形成過飽和溶液——糖漿。
2.芳香
單糖都有甜味，只是甜度不同。通常情況下，蔗糖的甜度設定為100進行比較。
糖、蔗糖和果糖轉化為糖*葡萄糖、木糖、麥芽糖、半乳糖和乳糖。
甜度100 173 130 74 40 32 32 16
*蔗糖水解產生的葡萄糖和果糖的混合物稱為轉化糖。
3.旋光性和可變旋轉現象
所有糖類物質的分子中都有手性碳原子，所以都具有旋光性，屬於“光學活性物質”(或旋光物質)。旋光性物質旋轉偏振光振動平面的角度稱為“旋光度”。物質的旋光度隨溶液的濃度、液體容器的長度、溫度、光波的波長和溶劑的性質而變化。但在壹定條件下，不同旋光性物質的旋光度仍然是壹個常數，通常用比旋度[α]來表示。比旋度定義為通過將含有1克溶質的1毫升溶液置於長度為1分米的液體容器中測得的旋光度。糖的特定旋光度用[α] D2 0表示。計算公式如下:
其中α:旋光儀測量的旋光度。
c:糖(旋光)溶液的濃度，以每毫升溶液中溶質的克數表示，溶劑為水。
l:液體容器的長度，單位為分米。
20: 20℃，這意味著比旋度是在20℃下測得的。
d:就是用鈉燈做光源。
(二)主要化學性質
單糖是多羥基醛或多羥基酮，所以具有醛基、酮基和醇羥基的性質，能產生醇羥基的成酯、成醚和羰基的氧化、還原、加成等反應，也有羥基和羰基相互作用引起的壹些特殊反應。單糖在水溶液中以鏈狀和環狀平衡存在。在某些反應中，鏈狀異構體參與反應，而環狀異構體不斷轉化成鏈狀，最終生成鏈狀異構體的所有衍生物。單糖的主要化學性質如下:
1.醛基和酮基產生的性質
(1)單糖異構化
(2)單糖的氧化(還原)
2.由羥基(醇羥基和半縮醛羥基)產生的性質
(1)酯化
(2)因果關系
(3)糖基化
三。重要的單糖及其衍生物
單糖是糖的最小單位。在過去的半個世紀裏，人們發現了許多單糖，包括600多種醛糖和180種酮糖及其衍生物。自然界中單糖的數量少於旋光異構體的理論數量，常見的有醛糖、酮糖、脫氧糖、支鏈糖、氨基糖等多種。以下是壹些重要的代表(表3-3)。
由於單糖有許多反應基團，所以可以形成多種單糖衍生物，壹般包括以下幾類:
1.苷類
2.單糖磷酸酯
3.氨基糖(氨基糖或糖胺)
4.糖和酸
5.糖醇