十大美麗化學實驗－－費雪（Fischer）決定葡萄糖（Glucose）的立體結構

十大美麗化學實驗－－費雪（Fischer）決定葡萄糖（Glucose）的立體結構
國立臺灣大學化學系李俊毅/國立臺灣大學化學系林雅凡博士責任編輯

立體化學一般認為源自1848年巴斯德（Louis Pasteur）分離酒石酸鹽晶體，而後於1874年，凡特何夫（Jacobus Henricus van’t Hoff）和勒貝爾（Joseph Achille Le Bel ）才確立光學活性的來源：「若有四種不同的原子或基團排列在四面體的頂點，將會形成兩種異構物，而兩者互為鏡像關係。」(詳見 “十大美麗化學實驗－－巴斯德（Pasteur）分離鏡像異構物（Enantiomers）”一文)

圖一：掌性中心

若一個原子與四個不同的基團相接，我們便稱這個原子為掌性中心（chiral center，見圖一），而連接的方式稱為組態（configuration)。擁有一個掌性中心的分子會有兩種光學異構物（optical isomers），由此可知決定醣類的立體結構是相當困難的，以葡萄糖(見圖二左)為例，葡萄糖擁有4個掌性中心，因此總共會有2的4次方：16種光學異構物。

圖二：左-葡萄糖，掌性中心位在第2~5號碳；右-費雪

1884年，費雪（Hermann Emil Fischer，1852-1919，圖二右）開始了他在醣類方面精彩的研究，在這之前，化學家僅知道葡萄糖具有醛的性質，對其立體結構尚一無所知。決定醣類立體結構並非單一實驗的成果，而是一連串不同試驗、耗時數年的工作，在此因篇幅與筆者能力有限，僅就費雪實驗的關鍵部分提出來探討。

圖三：苯胼

費雪在早些年提出苯胼（phenylhydrazine，圖三）的合成方法，他隨後發現苯胼會和醣類反應：醣類在過量的苯胼下會反應成具兩個碳氮雙鍵的化合物（脎，osazone)，這個反應特別的地方在於苯胼會在第一、第二個碳處形成碳氮雙鍵，因此若兩種醣的差異只在第一個碳、第二個碳，他們均會得到相同的產物。例如費雪發現葡萄糖與果糖和苯胼都會生成一樣的產物，這代表葡萄糖與果糖除了前兩個碳所接的基團不同以外，其他的結構均相同（見圖四）。

圖四：葡萄糖與果糖除了前兩個碳所接的基團不同以外，其他的結構均相同

另外一個例子是將葡萄糖與氫氰酸（HCN）反應、酸化，這樣一來便可以得到多一個碳的酸，再將另一端的醇也氧化會得到雙酸。若在分子中存在面對稱，縱使具有掌性中心，整體仍不會出現光學活性，稱作內消旋（meso-compound）。而葡萄糖反應得到的其中一種雙酸不具光學活性，代表分子內具有對稱面：第二個碳與第六個碳的組態相同、第三個碳與第五個碳的組態相同，這樣便可回推葡萄糖組態的相對關係。（見圖五）

圖五：葡萄糖反應得到的其中一種雙酸不具光學活性，代表分子內具有對稱面：第二個碳與第六個碳的組態相同、第三個碳與第五個碳的組態相同，這樣便可回推葡萄糖組態的相對關係。

光學異構物中又屬鏡像異構物最難分離，因為鏡像異構物除了旋光度以外，其他的物理性質、化學性質均相同，好比左手與右手。現今實驗上分離的方法有很多種，但萬變不離其宗，核心概念都是使用另外一種光學異構物來與其作用，此時原先的鏡像異構物混合物便會產生差異。好比朋友伸出左手跟你握手，因為用右手會很彆扭，你也會自然伸出左手，如此一來左右手便有了分別。

費雪首創利用啤酒酵母菌（beer yeast）進行光學異構物分離，因為酵母菌的酵素只會與其中一種異構物作用，所以反應後產物就可以達到分離效果，這是酵素應用在選擇性催化最早的例子。費雪同時使用具有光學活性的天然鹼與酸中和形成鹽類，產生的鹽類因為是由天然鹼引入新的掌性中心而不再是鏡像異構物，所以可以利用溶解度差異進行分離。最後費雪還進行葡萄糖的全合成，驗證他所定出的立體結構。

費雪的實驗縱使在一百年後的今天來看，依然是令人讚嘆的藝術菁華。他於1902年因為對醣類、普林（purine）合成的卓越貢獻而獲諾貝爾化學獎。與其他十大美麗化學實驗不同之處，在於費雪所進行的實乃歷經十年、繁複的多次實驗，而每個實驗又環環相扣、逐漸逼近真相，最後終於解出葡萄糖的立體結構。像這樣不仰賴運氣，完全憑藉科學邏輯推理的過程，告訴我們偉大的發現不一定是靈光乍現，紮實地完成每一個環節才是科學研究成功的不二法門。
 

參考文獻：
1. http://en.wikipedia.org/wiki/Hermann_Emil_Fischer
2. Horst Kunz, “Emil Fischer–Unequalled Classicist, Master of Organic Chemistry Research, and Inspired Trailblazer of Biological Chemistry” Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 23, 4439-4451
3. Pringsheim, Hans “Chemistry of the monosaccharides and of the polysaccharides Vol 6” http://tinyurl.com/mqphjd