医用化学中葡萄糖结构的探究式教学

张青芳+蒋银燕+陶璐

摘 要：以医学专业大一学生为教学对象，在葡萄糖结构的教学中采用探究式教学法，学生能够通过老师的引导主动参与葡萄糖结构的探索，掌握葡萄糖Haworth式的写法，了解一些相关的医学知识。实践证明启发式教学法的教学效果良好。

关键词：启发式教学 葡萄糖 结构 变旋光现象

葡萄糖广泛存在于植物的根、茎、叶、花及果实中，人和动物的血液和淋巴液里也都含有葡萄糖。学生在高中阶段已经对葡萄糖结构有初步认识[1]，如分子式为C6H12O6，含有羟基、醛基，但由于没有红外光谱、手性分子和旋光性等知识储备，所以对结构理解不够深入。[1]

“葡萄糖”是人民卫生出版社医用有机化学第八版第十六章第一节的内容[2]，这部分内容与第二章立体化学、第三章有机化合物的结构测定、第四章环烷烃的优势构象等章节有联系，综合性强、难度大。若采用讲授法进行教学，学生参与课堂的积极性不高，普遍感到难度大，难以掌握。在本节教学实践中提出三个问题：为什么没有醛基特征吸收峰？变旋光现象的原因是什么？为什么β型是主要存在形式？通过展示形象直观的实验结果，激发学生的学习兴趣和探索欲望，学生能够主动参与课堂，学生的课堂反馈显示教学效果良好。[2]

一、单糖和开链结构

糖是含有多羟基的醛或酮，能发生氧化、还原、取代等醛基和羟基的特征反应，分子通式为CnH2nOn。其中图1所示的是葡萄糖的一对对映体的费歇尔投影式，编号最大的手性碳原子C5的OH在右边，为D-型糖，也称为右旋糖（如图1左所示），在左边则为L-型（如图1右所示），即左旋糖。D-L命名法在生物化学中应用较多，R-S构型标记法的命名比较复杂，D-型和L-型分别是（2R，3S，4R，5R）-2，3，4，5，6-五羟基己醛和（2S，3R，4S，5S）-2，3，4，5，6-五羟基己醛。单糖在自然界中主要以D-型糖存在。

Figure 1 Fischer structure of glucose

二、结构探究

1.环状结构

展示葡萄糖压片的红外光谱图，1740-1720cm-1处没有醛基的特征吸收峰。提出第一个问题：为什么没有醛基的特征光谱？学生思考并分小组讨论3分钟，作答。

解释：没有醛基特征峰，说明结构中不含有或者含有非常少量的醛基。因为醛基与C5的羟基发生了半缩醛反应，这在第十章醛酮的性質中已学习过。C5羟基与1-位的醛基反应后能形成较稳定的六元吡喃环，C1的醛基变为羟基，由于环上的基团是非对称的，有羟基在环上方和环下方两种立体异构，分别为如图2，这种仅端基不同的异构称为端基异构体，其中半缩醛羟基与端基-CH2OH同向为β型，反向为α型。并介绍葡萄糖开链结构转化为Haworth式的写法，学生课堂练习书写。

Figure 2 The structure of D- glucose （Haworth type）

葡萄糖的红外光谱图上没有醛基特征峰，但却能发生醛基的特征反应，是否矛盾？葡萄糖的环状结构和开链结构存在一个平衡，开链结构的含量仅为0.02%，所以看不到醛基的特征峰；当开链结构中的醛基发生反应，原平衡会被破坏，环状葡萄糖转变为开链结构提供反应所需的醛基，所以，葡萄糖主要以环状结构存在的结论与能够发生醛基的特征反应不矛盾。

2.D-葡萄糖的稳定存在形式

用多媒体展示动图，冷乙醇中结晶的D-葡萄糖， 新配成水溶液的比旋光度[α]D =+112°， 随着时间的推移，最后变至+52.3°，热吡啶溶液中结晶的D-葡萄糖，新配的水溶液的[α]D =+18.7°， 最后也变为+52.3°[3]。提问：葡萄糖的两种右旋结构，旋光度最终一致的原因是什么？学生思考并分组讨论5分钟，作答。

解释：两种右旋结构都是D-吡喃葡萄糖，结构如图3，两种结构通过直链进行相互转化，达到动态平衡，平衡时比例一定，通过计算[α]D = （18.7°×64% ） + （112°× 36%） = +52.3°，即两种异构体的含量分别为64%和36%。[3]

提问：比旋光度为+18.7的结构是β型，还是α型？为什么其含量更高？学生思考并分组讨论3分钟，作答。

解释：结合第二章立体化学的内容，六元环的两种典型构象：船式和椅式，椅式结构更稳定，而且较大的取代基在e键（横键）上较为稳定，即图4右边所示的β型更稳定，根据物质总是趋向于以更稳定形式存在的原理，所以含量较多的结构为β型。体液的溶剂是水，所以血液和淋巴液中葡萄糖的主要存在形式也是β型，生物化学教材糖代谢章节中的葡萄糖结构式是统一用β-D-吡喃葡萄糖的Haworth式表示的。

Figure 3 Two types of D type of the preferential conformation of glucose

医用有机化学的教学在遵循化学的知识体系和特点的前提下，也要重视与医学知识的关联。如何将启发式教学法更好地应用到医用化学课堂，还需要进行更广泛而深入教学改革和探索。

参考文献

[1] 龚国祥.“葡萄糖结构和性质”的教学设计[J].化学教学.2008，6：46-48

[2] 魏祖期，刘德育主编. 基础化学（第八版）[M]，2013年3月，北京，人民卫生出版社

[3] 孙宝良，李百芳，王建祺，等.用测定比旋光度的物理学方法来分析D一葡萄糖的变旋光现象[J]. 中国医学物理学杂志， 2007，1：46-47endprint