纤维素的基本构成与结构

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：纤维素分子是由葡萄糖通过β-1，4糖苷键连接起来的链状高分子，当纤维素与无机酸作用发生水解反应时，最终可以得到接近理论量的D-葡萄糖。纤维素的分子式为n，其中n为葡萄糖基的数量，称为聚合度，纤维素的分子量范围为50000～2500000。纤维素则是由β-D葡萄糖组成。纤维素分子链的最稳定构象是两个β-D葡萄糖基平面呈180°，并通过苷键连接组成纤维素的最基本晶格单元，即通常认为的椅式结构，如图2-3、图2-4所示。

纤维素分子是由葡萄糖通过β-1，4糖苷键连接起来的链状高分子，当纤维素与无机酸作用发生水解反应时，最终可以得到接近理论量的D-葡萄糖。

纤维素的分子式为（C6H10O5）n，其中n为葡萄糖基的数量，称为聚合度（DP），纤维素的分子量范围为50000～2500000（相当于300～15000个葡萄糖基）。葡萄糖有两种基本的立体构型。由五个碳与一个氧原子构成了一个平面的六元环，碳1和碳4分别处于六元环中，饱和碳具有正四面体的构型，碳1和碳4的两个σ键分别用于构成六元环，另两个σ键分别与氢和羟基相连，对于六元环的平面而言，与碳1和碳4相连的羟基可以处在平面的同一侧，也可以不在同一侧。当碳1、碳4位上的羟基处于葡萄糖环的同一侧时，该结构称为α-D葡萄糖；相反，当碳1、碳4位上的羟基不在同一侧时，则称为β-D葡萄糖（图2-1）。

图2-1　β-D葡萄糖（左）和α-D葡萄糖（右）

D和L则来自葡萄糖分子立体结构上的差异，饱和碳原子的四个共价键与4个原子或原子团相连接时，碳原子处于正四面体的中心，当与其相连的四个基团不相同时，便会产生镜像异构。葡萄糖分子中存在4个不对称碳原子，因此，有16个镜像异构体，即8个D型和8个L型。D和L取自英文Dextrorotatory和Levorotatory的字头，表示右旋和左旋。通常人们都是以D型和L型的3碳糖甘油醛为标准来确定葡萄糖的构型。在投影结构图中，当3碳糖甘油醛中与末端相连的伯醇碳原子邻接的不对称碳原子上的羟基位于右边时，定为D型；位于左边时，定为L型。同样，开链结构的葡萄糖上与末端相连的伯醇碳原子邻接的不对称碳5原子上的羟基位于右边时，定为D型；位于左边时，则为L型（图2-2）。纤维素则是由β-D葡萄糖组成。

图2-2　L-型葡萄糖（左）和D-型葡萄糖（右）

由于内旋转的作用，分子中原子的几何排列会不断发生变化，进而产生了各种内旋转异构体，异构体的数量取决于各种异构体的能量，能量越低存在的概率越大。纤维素分子链的最稳定构象是两个β-D葡萄糖基平面呈180°，并通过苷键连接组成纤维素的最基本晶格单元，即通常认为的椅式结构，如图2-3、图2-4所示。

图2-3　纤维素纤维的结构式

图2-4　纤维素纤维的椅式构型

纤维素的基本构成与结构

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