Cấu trúc phân tử Glucose

Glucose có công thức phân tử là C6H12O6, tồn tại ở cả hai dạng: mạch hở và mạch vòng.

Dạng mạch hở

a) Các dữ kiện thực nghiệm

Khử hoàn toàn glucose thì thu được hexan. Vậy 6 nguyên tử Carbon của phân tử glucose tạo thành mạch hở không phân nhánh.
Glucose có phản ứng tráng bạc, khi tác dụng với nước brom tạo thành acid gluconic, chứng tỏ trong phân tử có nhóm CH=O

HOCH 2 ( CHOH ) 4 CHO + 2 [ Ag ( NH 3 ) 2 ] NO 3 ⟶ HOCH 2 ( CHOH ) 4 COONH 4 + 2 Ag + NH 3 + 2 NH 4 NO 3 {\displaystyle {\ce {HOCH2(CHOH)4CHO + 2[Ag(NH3)2]NO3 -> HOCH2(CHOH)4COONH4 + 2Ag + NH3 + 2NH4NO3}}} HOCH 2 ( CHOH ) 4 CHO + Br 2 + H 2 O ⟶ HOCH 2 ( CHOH ) 4 COOH + 2 HBr {\displaystyle {\ce {HOCH2(CHOH)4CHO + Br2 +H2O -> HOCH2(CHOH)4COOH + 2HBr}}}

Glucose tạo este chứa 5 gốc acid chứng tỏ phân tử có 5 nhóm hydroxil -OH.

HOCH 2 ( CHOH ) 4 CHO + 5 Ac 2 O ⟶ AcOCH 2 ( CHOAc ) 4 CHO + 5 CH 3 COOH {\displaystyle {\ce {HOCH2(CHOH)4CHO + 5Ac2O-> AcOCH2(CHOAc)4CHO + 5CH3COOH}}} ( Ac2O là (CH3CO)2O )

Glucose tác dụng với Cu(OH)2 tạo thành dung dịch màu xanh lam, chứng tỏ phân tử glucose có nhiều nhóm OH kề nhau.

b) Kết luận

Glucose là hợp chất hữu cơ tạp chức, ở dạng mạch hở phân tử có cấu tạo của một aldehyde đơn chức và ancol 5 chức . Công thức cấu tạo của glucose mạch hở như sau:

D-glucose

CH 2 OH − CHOH − CHOH − CHOH − CHOH − CH = O {\displaystyle {\ce {CH2OH - CHOH - CHOH - CHOH - CHOH - CH=O}}}

Hoặc viết gọn hơn là: CH 2 OH [ CHOH ] 4 CHO {\displaystyle {\ce {CH2OH [CHOH]4 CHO}}}

Dạng mạch vòng

Việc xem xét các cấu trúc của glucose ở trên là các hợp chất mạch hở không phù hợp với một số tính chất hóa học và vật lý của glucose. Thí dụ như sự xuất hiện tính chất đặc biệt của một trong nhiều nhóm hydroxyl, nhóm cacbonyl không cho tính chất điển hình của một andehit như không cộng hợp NaHSO4, phản ứng màu với acid fuchsinsunfurous ( thuốc thử Sip) không xảy ra, dải hấp thụ trên phổ hồng ngoại của dao động hóa trị C=O của D-glucose không xuất hiện, các monosacrit được ester hóa hoàn toàn (thí dụ tạo các acetate), độ quay cực của các dung dịch mới điều chế của các monosacarit tinh thể bị thay đổi theo thời gian. Một hiện tượng đáng ngạc nhiên hơn là các monosacarit và một số dẫn xuất của chúng ( các acetal và các ester) tồn tại ít nhất ở hai dạng đồng phân lập thể.

Hemiacetal và lý giải mạch vòng

Khi cho andehit tác dụng với ancol ta có thể thu được hemiacetal. Phản ứng này có ý nghĩa rất quan trọng trong trường hợp của glucose, khi cả hai nhóm CH=O và OH cùng thuộc về một phân tử. Nhóm OH tham gia vào phản ứng này với nhóm CH=O trên cùng một phân tử glucose có thể là nhóm OH ở carbon vị trí số 4 ( tạo vòng furanose-5 cạnh) hoặc nhóm OH ở carbon vị trí số 5 ( tạo vòng pyranose-6 cạnh). Trong đó tạo vòng pyranose chiếm ưu thế hơn cả. Việc tạo từ dạng mạch hở sang dạng mạch vòng sẽ giải phóng bớt năng lượng giúp phân tử glucose trở nên bền hơn.

Phản ứng tạo hemiacetal.

Dạng mạch hở và các dạng mạch vòng của của glucose trong cân bằng tồn tại với lượng không bằng nhau, mà đồng phân nào bền hơn thì sẽ chiếm ưu thế. Như vậy, theo nguyên tắc thì các vòng chiếm ưu thế sẽ là vòng pyranose. Thí dụ, D-glucose trong nước trung hòa ở nhiệt độ phòng được biểu hiện chủ yếu ở dạng pyranose ( α-D-glucopyranose: 36%, β-D-glucopyranose: 64%). Các dạng hở và vòng furanose tồn tại với lượng rất nhỏ ( mạch hở: <0,03%, α-D-glucofuranose: <0,1%, β-D-glucofuranose:<0,1%) , không đáng kể, nhưng quan trọng là phải chú ý rằng sự chuyển hóa lẫn nhau ở các dạng mạch vòng đều được thực hiện qua dạng hở.

α-D-Glucofuranose
β-D-Glucofuranose
β-D-glucose
α-D-glucose