張青芳+蔣銀燕+陶璐

摘 要：以醫(yī)學(xué)專業(yè)大一學(xué)生為教學(xué)對象，在葡萄糖結(jié)構(gòu)的教學(xué)中采用探究式教學(xué)法，學(xué)生能夠通過老師的引導(dǎo)主動參與葡萄糖結(jié)構(gòu)的探索，掌握葡萄糖Haworth式的寫法，了解一些相關(guān)的醫(yī)學(xué)知識。實踐證明啟發(fā)式教學(xué)法的教學(xué)效果良好。

關(guān)鍵詞：啟發(fā)式教學(xué) 葡萄糖 結(jié)構(gòu) 變旋光現(xiàn)象

葡萄糖廣泛存在于植物的根、莖、葉、花及果實中，人和動物的血液和淋巴液里也都含有葡萄糖。學(xué)生在高中階段已經(jīng)對葡萄糖結(jié)構(gòu)有初步認(rèn)識[1]，如分子式為C6H12O6，含有羥基、醛基，但由于沒有紅外光譜、手性分子和旋光性等知識儲備，所以對結(jié)構(gòu)理解不夠深入。[1]

“葡萄糖”是人民衛(wèi)生出版社醫(yī)用有機(jī)化學(xué)第八版第十六章第一節(jié)的內(nèi)容[2]，這部分內(nèi)容與第二章立體化學(xué)、第三章有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)測定、第四章環(huán)烷烴的優(yōu)勢構(gòu)象等章節(jié)有聯(lián)系，綜合性強(qiáng)、難度大。若采用講授法進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生參與課堂的積極性不高，普遍感到難度大，難以掌握。在本節(jié)教學(xué)實踐中提出三個問題：為什么沒有醛基特征吸收峰？變旋光現(xiàn)象的原因是什么？為什么β型是主要存在形式？通過展示形象直觀的實驗結(jié)果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索欲望，學(xué)生能夠主動參與課堂，學(xué)生的課堂反饋顯示教學(xué)效果良好。[2]

一、單糖和開鏈結(jié)構(gòu)

糖是含有多羥基的醛或酮，能發(fā)生氧化、還原、取代等醛基和羥基的特征反應(yīng)，分子通式為CnH2nOn。其中圖1所示的是葡萄糖的一對對映體的費歇爾投影式，編號最大的手性碳原子C5的OH在右邊，為D-型糖，也稱為右旋糖（如圖1左所示），在左邊則為L-型（如圖1右所示），即左旋糖。D-L命名法在生物化學(xué)中應(yīng)用較多，R-S構(gòu)型標(biāo)記法的命名比較復(fù)雜，D-型和L-型分別是（2R，3S，4R，5R）-2，3，4，5，6-五羥基己醛和（2S，3R，4S，5S）-2，3，4，5，6-五羥基己醛。單糖在自然界中主要以D-型糖存在。

Figure 1 Fischer structure of glucose

二、結(jié)構(gòu)探究

1.環(huán)狀結(jié)構(gòu)

展示葡萄糖壓片的紅外光譜圖，1740-1720cm-1處沒有醛基的特征吸收峰。提出第一個問題：為什么沒有醛基的特征光譜？學(xué)生思考并分小組討論3分鐘，作答。

解釋：沒有醛基特征峰，說明結(jié)構(gòu)中不含有或者含有非常少量的醛基。因為醛基與C5的羥基發(fā)生了半縮醛反應(yīng)，這在第十章醛酮的性質(zhì)中已學(xué)習(xí)過。C5羥基與1-位的醛基反應(yīng)后能形成較穩(wěn)定的六元吡喃環(huán)，C1的醛基變?yōu)榱u基，由于環(huán)上的基團(tuán)是非對稱的，有羥基在環(huán)上方和環(huán)下方兩種立體異構(gòu)，分別為如圖2，這種僅端基不同的異構(gòu)稱為端基異構(gòu)體，其中半縮醛羥基與端基-CH2OH同向為β型，反向為α型。并介紹葡萄糖開鏈結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為Haworth式的寫法，學(xué)生課堂練習(xí)書寫。

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

葡萄糖的紅外光譜圖上沒有醛基特征峰，但卻能發(fā)生醛基的特征反應(yīng)，是否矛盾？葡萄糖的環(huán)狀結(jié)構(gòu)和開鏈結(jié)構(gòu)存在一個平衡，開鏈結(jié)構(gòu)的含量僅為0.02%，所以看不到醛基的特征峰；當(dāng)開鏈結(jié)構(gòu)中的醛基發(fā)生反應(yīng)，原平衡會被破壞，環(huán)狀葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)殚_鏈結(jié)構(gòu)提供反應(yīng)所需的醛基，所以，葡萄糖主要以環(huán)狀結(jié)構(gòu)存在的結(jié)論與能夠發(fā)生醛基的特征反應(yīng)不矛盾。

2.D-葡萄糖的穩(wěn)定存在形式

用多媒體展示動圖，冷乙醇中結(jié)晶的D-葡萄糖， 新配成水溶液的比旋光度[α]D =+112°， 隨著時間的推移，最后變至+52.3°，熱吡啶溶液中結(jié)晶的D-葡萄糖，新配的水溶液的[α]D =+18.7°， 最后也變?yōu)?52.3°[3]。提問：葡萄糖的兩種右旋結(jié)構(gòu)，旋光度最終一致的原因是什么？學(xué)生思考并分組討論5分鐘，作答。

解釋：兩種右旋結(jié)構(gòu)都是D-吡喃葡萄糖，結(jié)構(gòu)如圖3，兩種結(jié)構(gòu)通過直鏈進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化，達(dá)到動態(tài)平衡，平衡時比例一定，通過計算[α]D = （18.7°×64% ） + （112°× 36%） = +52.3°，即兩種異構(gòu)體的含量分別為64%和36%。[3]

提問：比旋光度為+18.7的結(jié)構(gòu)是β型，還是α型？為什么其含量更高？學(xué)生思考并分組討論3分鐘，作答。

解釋：結(jié)合第二章立體化學(xué)的內(nèi)容，六元環(huán)的兩種典型構(gòu)象：船式和椅式，椅式結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，而且較大的取代基在e鍵（橫鍵）上較為穩(wěn)定，即圖4右邊所示的β型更穩(wěn)定，根據(jù)物質(zhì)總是趨向于以更穩(wěn)定形式存在的原理，所以含量較多的結(jié)構(gòu)為β型。體液的溶劑是水，所以血液和淋巴液中葡萄糖的主要存在形式也是β型，生物化學(xué)教材糖代謝章節(jié)中的葡萄糖結(jié)構(gòu)式是統(tǒng)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

醫(yī)用有機(jī)化學(xué)的教學(xué)在遵循化學(xué)的知識體系和特點的前提下，也要重視與醫(yī)學(xué)知識的關(guān)聯(lián)。如何將啟發(fā)式教學(xué)法更好地應(yīng)用到醫(yī)用化學(xué)課堂，還需要進(jìn)行更廣泛而深入教學(xué)改革和探索。

參考文獻(xiàn)

[1] 龔國祥.“葡萄糖結(jié)構(gòu)和性質(zhì)”的教學(xué)設(shè)計[J].化學(xué)教學(xué).2008，6：46-48

[2] 魏祖期，劉德育主編. 基礎(chǔ)化學(xué)（第八版）[M]，2013年3月，北京，人民衛(wèi)生出版社

[3] 孫寶良，李百芳，王建祺，等.用測定比旋光度的物理學(xué)方法來分析D一葡萄糖的變旋光現(xiàn)象[J]. 中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志， 2007，1：46-47endprint