当前课程知识点:精细化学品生产工艺学 > 第二章 单元反应 > 2.1-2 先修知识介绍-淀粉和纤维素化学结构 > 讲义 2.1-2
2.1-2 淀粉、纤维素的化学结构
1 六元环结构
淀粉和纤维素的化学基本单元结构是相同的,都是由葡萄糖单元组成的,但它们的化学性质却差别非常大。举个简单的例子,人类可以吃淀粉类的粮食,但不能吃纤维素类的木材或草,而动物不仅可以吃粮食又可以吃草。这是因为我们人体里面含有淀粉酶,可以降解淀粉转换为单糖为我们提供能量。但我们不能产生纤维素酶来消化纤维素,而食草的动物,他们即分泌淀粉酶又能分泌纤维素酶。也就是说淀粉和纤维素需要用不同的酶来降解,这就说明了淀粉和纤维素,它们的化学结构肯定是不同的,我们具体来看一下他们的结构。
首先,淀粉和纤维素都是比较稳定的化学物质,这种稳定性,从化学结构上来讲,是由什么来决定的呢?
第一个,我们先看葡萄糖单元(图1),是由六元环所组成的结构。烷烃的六元环有两个比较稳定的结构,一个是椅式的结构(图2a),另一个是船式的结构(图2b),由于船式结构的上面两个基团的位置会比较近,具有一定的空间位阻,所以,相比,椅式结构更稳定。我们来看一下淀粉和纤维素分子中的这个六元环,它们是不是稳定椅式结构,我们会发现葡萄糖的六元环确实是椅式的结构,在这个结构特点上,符合了稳定因素。
2 六元环上的取代基
再看六元环上的取代基,椅式六元环上取代基有两个位置,一个是竖立键,一个是平伏键。我们分析下竖立键上是小取代基稳定还是大取代基稳定。淀粉和纤维素的取代基主要为羟基和氢,相比,羟基为比较大的取代基团。如果羟基处在竖立键上的2号位和3号位(如图4),那么,两个相邻的羟基,它的位置会比在平伏键上会更近(图5),也就会产生比较大的空间位阻,所以呢,比较大的取代基基团是要处在平伏键上才更稳定(图5)。
淀粉和纤维素里面六元环上所有的大的取代基团,是否是全部都在平伏键上。比如说羟基和亚甲基,它们确实都是处在平伏键上的(图6),这也是让淀粉和纤维素性能稳定的第二个化学结构因素。
3 糖苷键
在这两个聚合物中,还有一个键我们没分析,那就是连接六元环之间的糖苷键。糖苷键上的C-O键相比C-H来说,是大取代基,按稳定因素来讲,糖苷键的C-O应该也是在平伏键上才更稳定。
我们来看一下淀粉纤维素中的糖苷键是不是由两个C-O平伏键组成的。
3-1 淀粉糖苷键
在淀粉分子中(图7),糖苷键由α-1,4糖苷键和α-1-6糖苷(图8)组成,我们先来看α-1,4糖苷键,它是由1号位上的C-O和4号位上的C-O键组成的,我们会发现,4号位上的C-O键是平伏键,而1号位上的C-O是竖立键,说明α-1,4糖苷并不是一个最稳定的存在形式(图8)。那么α-1-6糖苷键呢?它也含有竖立的1号位上的C-O键,表明,α-1-6糖苷键也不是最稳定的结构,这样,我们就在淀粉的分子结构里,发现了一个不稳定的因素,也就是糖苷键的1号位上的C-O键是竖立的。
3-2 纤维素糖苷键
我们都知道,淀粉在水中加热后,一定程度上可以糊化和溶解,而纤维素在水里,再加热,也不会溶解,如果你不知道纯的纤维素是什么,那你可以想一下棉花,棉花的组成基本100%是纤维素,棉花在水中再怎么加热煮沸也不会溶解或者糊化,这说明,纤维素比淀粉更稳定。
那么,纤维素的这个稳定的化学结构体现在哪里?是不是淀粉分子结构中糖苷键的那个不稳定因素呢?
我们来看纤维素分子中,糖苷键的空间结构,纤维素是由β-1,4糖苷键连接葡萄糖单元结构的,如图9,我们会发现纤维素当中,1号位和4号位上的C-O键,全部都是在平伏键上,也就是说,它具备了所有的化学基团中,空间的稳定因素,这也就导致纤维素是非常稳定,相对比较难改性的。
4 氢键
淀粉和纤维素之所以这么稳定,还有第四个结构因素,就是在淀粉和纤维素中大量的羟基,这种羟基之间,可以形成氢键,大量的氢键作用,也使它的分子结构非常稳定,具体如图10所示。
通过详细分析纤维素和淀粉的化学结构,我们对有机物的空间结构基础知识也有了一定的巩固和认识。
物质的化学结构,直接影响它的性质,也决定了可以采用什么样的方法去改性和生产相关精细化学品。所以,我们今后在合成精细化学品时,通常会对原料进行详细的结构分析。
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