南京化学夏令营有机天然产物高分子化合物

1、第十讲 有机天然产物 高分子化合物,2011年“扬子石化”杯第25届全国中学生化学竞赛（江苏赛区）选拔赛暨夏令营 7.127.22,Dr. 朱 丹,第一部分 生命的基本物质,地球上的生物种类繁多、形态与结构千差万别，但各种生物的化学组成基本相同，代谢过程相似。生命活动有共同的物质基础，然而各显其特点。,生物具有多样性，但生物体的化学组成基本相似 组成生物体的主要元素包括C、H、O、N、P、S、Ca等，以上7种元素约占生物体的99.35%，其中C、H、O、N 4种元素占96%。,一、 生物体的主要元素,人体元素成分,常量元素,微量元素,（一）水 水: 占生物体内化合物第一位 生命来自于水，水是生物体含量最高的物质，通常占细胞总量60%90%。细胞中的所有反应都是在水中进行的，如果无水，酶的活动便无法进行。所以水是生命的活动介质。,二、 构成生物体的化合物,水在人体结构中的比例 水约占人体组成的70%。男性体内含水分较女性多，年轻的人较年长者多，新生儿体内含水量约为7075%。在人体不同组织中水分含量不同。 骨骼和软骨10% 脂肪占脂肪总量的2035% 肌肉占肌肉总量的70% 血液9192

2、%,（二）无机盐 无机盐约占人体重量的5%；构成骨骼、牙齿等坚硬组织；在肌肉其他软组织也有许多无机盐与有机物相结合而存在。此外，作为可溶性盐存在于体液、消化液和血液中。由于新陈代谢作用，每天有一定数量的无机盐从各种途径排出体外，因此每天必须从食物来补充。无机盐在食物中分布很广，一般指含量较多的钙、钠、钾、镁、磷、硫和氯等七种元素构成的盐。,无机离子的功能有: 体液中的主要无机盐有：Na+、K+ 、Ca2+、Mg2+、Cl- 、HCO3- 、 HPO42-等，它们执行非常重要的生理功能。 a.直接参与生物大分子的形成，如PO43- 是合成磷脂、核苷酸所必需的；Fe3+是细胞色素、血红蛋白的成分； b.维持细胞内的pH和渗透压，以保持细胞的正常生理活动; c.参与细胞的生命活动； d.作为酶反应的辅助因子。,（三）有机大分子 构成生物体的分子主要是有机物，有机物主要是碳化合物。碳原子可以形成四个价键，既能与其他碳原子共价连接成为稳定的链式或环式碳链结构，称为碳骨架。也能与氢、氧、氮、硫和磷原子形成共价键。连接在碳链上的特定功能团更使碳化合物具有不同的特性。 生物多样性的分子基础就在于碳原子

3、可以形成众多的形状与性质各异的复杂的生物大分子。生物大分子主要有糖类、蛋白质、核酸。,第二部分 高分子化合物,1. 高 分 子,也叫聚合物分子或大分子，具有高的相对分子量，其结构必须是由多个重复单元所组成，并且这些重复单元实际上或概念上是由相应的小分子衍生而来。,Polymer molecule, Macromolecule,根据IUPAC1996年之建议：Excerpt from Pure Appl. Chem. 1996, 68, 2287 - 2311,一、高 分 子 基 本 概 念,聚氯乙烯,聚乙烯醇,实际上,天 然 高 分 子的 直 接 利 用,天 然 高 分 子的 化 学 改 性,天然橡胶的硫化, 硝化纤维的合成等,淀粉、蛋白质、棉麻丝、竹、木等,缩聚反应，自由基、配位、离子聚合等,高 分 子 合 成,高 分 子 时 代,高 分 子 科 学 简 史,能够进行聚合反应，并构成高分子基本结构组成单元的小分子。,2. 单体,3. 聚合反应,聚合反应：使单体变为聚合物的反应。 按反应类型分类：加聚反应、 缩聚反应,加聚反应 不饱和烯烃类单体经加成聚合而形成高分子的反应称为加聚反应,

4、天然橡胶：聚异戊二烯,顺式 反式,全同 间同 无规,缩聚反应 具有两个以上活性功能团的低分子物质通过分子间的缩合反应，形成高分子化合物的反应,酚醛树脂,尼龙6,尼龙66,其它例子,聚碳酸酯,线形高分子,环状高分子,支化高分子,梳形高分子,梯形高分子,网状高分子,星形高分子,体型高分子,二、高 分 子 的 链 结 构,应用举例,硬化橡胶（ 20-30%硫）,酚醛塑料(Bakelite),PVC,应用,聚苯乙烯(Polystyrene),尼龙66,Teflon,历史人物,Hermann Staudinger (18811965) 联邦德国,Karl Ziegler (18981973) 联邦德国,1963年诺贝尔化学奖,1953年诺贝尔化学奖,Giulio Natta (19031979) 意大利,历史人物,Paul John Flory (19101985) 美国,P. G. de Gennes (19322007) 法国,1991年诺贝尔物理奖,1974年诺贝尔化学奖,Wallace Carothers (18961937) 美国,历史人物,Hideki Shirakawa （1936

5、） 日本,Alan MacDiarmid (19292007) 美国,2000年诺贝尔化学奖,Alan J Heeger (1936) 美国,制 约 因 素,解 决 途 径,（1）延长使用寿命：减少废弃 （2）回收利用：低性能应用；降解 （3）自然降解：自然分解回归自然,：高分子制品废弃后对环境的污染,“在人类历史上,几乎没有什么科学技术象高分子科学这样对人类社会做出如此巨大的贡献.”,“We are now faced with the fact, my friends, that tomorrow is today. We are confronted with the fierce urgency of now. In this unfolding conundrum of life and history, there is such a thing as being too late.” Martin Luther King, 1967,第三部分 生物大分子,糖类是由C、H、O三种元素构成，习惯称为碳水化合物，是生命活动的能源物质，是生物的结构组成部分。,1 糖类化合物,一、

6、概述,结构特点：多羟基醛、酮或多羟基醛、酮的缩合物 结构通式：C n ( H 2 O ) m 按能否水解和水解后生成物质进行分类：单糖；低聚糖；多糖,1. 定义,糖类是多羟基醛或多羟基酮及其缩聚物和某些衍生物的总称,光合作用：在日光作用下，通过叶绿素的催化作用，将空气中的二氧化碳和水转化为碳水化合物。,2. 来源,3. 糖的分布及其重要性：,分布 （1）所有生物的细胞质和细胞核含有核糖 （2）动物血液中含有葡萄糖 （3）肝脏中含有糖元 （4）植物细胞壁由纤维素所组成 （5）粮食中含淀粉 （6）甘蔗，甜菜中含大量蔗糖 重要性 （1）水+CO2 光合作用 碳水化合物 （2）动物直接或间接从植物获取能量 （3）糖类是人类最主要的能量来源 （4）糖类也是结构成分 （5）纤维素是植物的结构糖,4. 分类,二、单糖 单糖是构成多糖的单体，是由C、H、O三种元素所组成的多羟基的酮或醛的衍生物，通常C、H、O三种元素的比例为1：2：1，分子通式为（CH2O）n，其中n3。但符合此通式的并不一定都是糖，如乳酸C3H6O3即是一例；相反也有个别的糖不符合此通式，如脱氧核糖C5H10O4，鼠李糖C6H12O

7、5。,单糖：不能水解的多羟基醛、酮,根据羰基结构分类：醛糖；酮糖 根据碳原子数目及羰基结构分类： 某醛糖；某酮糖,（一）单糖定义,1.单糖的开环结构菲舍尔投影式 D葡萄糖 D果糖 C6H12O6 C6H12O6,D-甘油醛,（二）单糖结构构象,投影式几种写法,2. 单糖的环形结构 醛 醇 半缩醛,开环结构和闭环结构,D果糖,3. 单糖构象, D葡萄糖 D葡萄糖,1. 葡萄糖的变旋现象,(三) 糖的性质,不能成脎，不能变旋，没有还原性,2. 还原性：与本尼迪特试剂反应,D-葡萄糖二酸 D-葡萄糖酸,单糖易被碱性弱氧化剂氧化说明它们具有还原性，所以把它们叫做还原糖。,Cu2O,3. 邻二醇等的氧化,4. 形成缩醛：糖苷,甲基 葡萄糖苷,单糖环状半缩醛结构中的半缩醛羟基与另一分子醇或羟基作用时，脱去一分子水而生成缩醛。糖的这种缩醛称为糖苷。,水杨苷，苦杏仁苷,5. 成脎,-羟基醛或-羟基酮的特有反应,6. 成醚；糖苷键水解,7. 成酯,五乙酸D-葡萄糖酯 五乙酰基D-葡萄糖,6磷酸D-葡萄糖酯,单糖分子中含多个羟基，这些羟基能与酸作用生成酯。人体内的葡萄糖在酶作用下生成葡萄糖磷酸酯，如1-磷

8、酸吡喃葡萄糖和6-磷酸吡喃葡萄糖等。 单糖的磷酸酯在生命过程中具有重要意义，它们是人体内许多代谢的中间产物。,核糖 核糖是五碳糖，其第2位碳的羟基脱去氧则成为2脱氧核糖，核糖与2脱氧核糖是组成核苷酸的重要成分。,核苷酸,一个单糖苷羟基与另一单糖的某一羟基脱水而成,三、二糖,麦芽糖由两分子葡萄糖单体脱水缩合形成 蔗糖由一分子葡萄糖和一分子果糖缩合形成 乳糖由一分子葡萄糖和一分子半乳糖缩合而成,还原性双糖：一分子单糖的半缩醛羟基与另一分子单糖的醇羟基失水,变旋现象 还原性 成脎,非还原性二糖：两个单糖的苷羟基失水而成,蔗糖 D葡萄糖和 D果糖失水 两个单糖均成苷,由多个单糖分子缩聚而成 重要的多糖有淀粉、糖原、纤维素、氨基葡聚糖等,四、多糖,性质： 直链淀粉-在冷水中不溶解，略溶于热水 支链淀粉-吸收水分，吸水后膨胀成糊状 直链淀粉：以（14）糖苷键型缩合而成的 遇碘紫兰色,支链淀粉,除-1,4-糖苷键外，还有-1,6-糖苷键连接的分支 高度分散性 易溶于水,纤维素,纤维素是D-葡萄糖以-1,4苷键构成的多糖，分子不分支； 纤维素分子以氢键构成平行的微晶体，氢键的牢固性虽较弱，但氢键较多，

9、故微晶束相当牢固； 植物细胞壁的纤维素在一般加工条件下不会溶解，无还原性，人体不能利用纤维素。,淀粉,纤维素,灵芝、巴西蘑菇 甲壳素、壳聚糖 肝素,脑苷脂：存在于神经组织中,鞘糖脂在许多特殊的生物学功能中是非常重要的。如红细胞表面的中性鞘糖脂使血细胞具有血型的专一性；神经节苷脂类在神经末梢含量丰富，可能它在神经突触的传导中起重要作用，也可能参与某些受体部位；细胞表面的神经节苷脂和其他鞘糖脂可能与组织或器官的专一性有关，还可能与免疫和细胞间识别、发育、分化有关。,脂类的组成和功能 脂类是脂肪、磷脂、类固醇等类化合物的总称。 脂类分子也含C、H、O 3种元素，但H:O远大于2，有些脂含P和N，各种脂类分子的结构可以差异很大。 脂类不溶于水，可溶于非极性溶剂。 脂类是生物膜的主要成分；脂肪氧化时产生的能量大约是糖氧化时的二倍。 生物表面的保护层/保持体温/生物活性物质。,2 脂类(lipids)化合物,脂类的定义,在一个分子中兼备了亲水性的部分和与之完全相反性质的亲油性（疏水性）部分的分子,尾,头,亲水性部分,亲油性部分,一、油脂,油脂是指猪油、牛油、花生油、豆油、桐油等动植物油 主要成分为三分子高级脂肪酸与甘油形成的酯,脂肪：由甘油醇和脂肪酸结合成的酯 脂肪酸：长直链单羧酸 C12C24（偶数碳原子） 饱和 不饱和（一至多个双键）,1. 脂肪酸,常见脂肪酸,蜡,皂化：将油脂用氢氧化钠（或氢氧化钾）水解，就得到脂肪酸的钠盐（或钾盐）和甘油。高级脂肪酸的钠盐就是肥皂。,加成：油脂中不饱和键与卤素作用，生成卤代脂肪酸，这一作用称为卤化作用。 氢化：,2. 油脂的反应,3. 肥皂及表面活性剂 肥皂：70%高级脂肪酸钠，30%水 亲水基团和疏水基团：一个既具有亲水基，又具有亲油基的分子叫两亲分子，肥皂分子在水中时许多分子的烃基链彼此靠色散力绞在一起，形成一个球形而将亲水部分露在球面上，叫胶束。,胶束,油,水,又称磷酸甘油脂，与脂肪不同之处在于甘油的一个羟基不是与脂肪酸结合成酯，而是与磷酸及其衍生物(

《南京化学夏令营有机天然产物高分子化合物》由会员san****019分享，可在线阅读，更多相关《南京化学夏令营有机天然产物高分子化合物》请在金锄头文库上搜索。