單醣的結構

單醣(Monosaccharides)的結構
國立臺灣大學化學系學士生張育唐/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

單醣(Monosaccharides)，有時又稱簡單的糖(simple sugars)，是最基本簡單的碳水化合物(carbohydrates)，此其通式可以寫為C_n(H₂O)_n。一個單醣通常會有一個羰基(carbonyl group)，這個羰基一般而言會出現在1號碳，或是2號碳上。若羰基出現在1號碳上，表示此單醣具有一個醛基，故命名醛醣(Aldose)； 若是羰基位於二號碳上，表示此單醣具有一個酮基，命名為酮醣(Ketose)。

因為單醣分子同時具有醛基和醇基，會進行分子內(intramolecule)半縮醛(hemiacetal)反應，產生環化的單糖分子。

雖然一般而言半縮醛不穩定，然而在此由於形成一個六元環，因此提高了其穩定性。值得注意的是，這樣一來醛醣在1號碳的位置，即造成了一個新的掌性中心 (chiral center)，因此出現了立體異構物：α式與β式，由1號碳上的羥基與6號碳的空間相對關係決定，當兩者位在不同側者，稱為α式，而在同側者，則稱為β 式。這種環醣因半縮醛上碳之取代基空間位置不同所引發立體異構物的，稱為變旋異構物(anomer)，環醣上半縮醛的碳為變旋碳原子(anomeric carbon atom)，α式與β式兩種變旋異構物互相轉換達到平衡的現象稱為變旋(mutarotation)。醣類在水中環化為一個平衡現象，α式和β式經由鏈狀 葡萄糖結構做開環-合環轉換，以葡萄糖為例：達到平衡時，α式會佔約36%，而β式則佔64%，開鏈式的醣只佔0.02% 。葡萄糖的晶體則全部是α式。

酮醣，例如果糖(fructose)，在水中除了會形成六元環醣外，還會形成五元環醣。

一般的環狀結構中，以五元環(5-member ring)與六元環(6-member ring)最穩定的，這是因為五元環、六元環的內角，與一般sp³混成的鍵角最接近的。因此形成五元環或六元環，不太需要花能量改 變鍵角。故環醣結構以五元環、六元環所組成的醣類最多，其他的環則相較之下很少。若醣當中的環為五元環，則稱之為呋喃醣(furanose)；若為六元 環，則稱為哌喃醣(pyranose)。這是因為這個五元環的主結構是一個四氫呋喃(tetrahydrofuran)；而六元環的主結構則為四氫哌喃 (tetrahydropyran)。

參考資料
1. J. McMurry, M. E. Castellion, D. S. Ballantine, Fundamentals of General, Organic, and Biological Chemistry, 5th ed. Pearson Prentice Hall, 2007, pp 681-682, 689-692.
2. WIKIPEDIA– Monosaccharide  http://en.wikipedia.org/wiki/Monosaccharide