天然药物化学总结.doc

天然药物化学总结绪论1、天然药物化学是运用现代科学理论与方法研究天然药物中化学成分的一门学科。研究内容：各类天然药物化学成分（主要是生理活性成分或药效成分）的结构特点、物理化学性质、提取分离纯化方法、结构鉴定、生物合成途径。2、天然药物：指人类在自然界中发现并可直接供药用的植物、动物、矿物、海洋生物、微生物等，以及基本不改变其药理化学属性的加工品。3、（1）一次代谢产物（primary metabolites)：糖类、脂质、蛋白质、核酸等对机体生命活动来说不可缺少的物质，普遍存在于动物、植物及微生物中。（2）二次代谢产物（secondary metabolites)：某个属、种或系统的生物所特有的，主要在植物、微生物中比较常见的物质。这类化合物结构富于变化，多数具有明显的生理活性。如生物碱、黄酮类、苷（甙）类、醌类、萜类、挥发油、苯丙素类、甾体类、鞣质、树脂、色素等。4、天然药物的化学成分特点：（1）化学成分复杂；（2）具有多种临床用途。分类：（1）有效成分（Active Constituents）：经过不同程度的药效试验或生物活性试验，包括体外和体内试验，证明对机体具有一定生理活性的成分。一般是单体化合物：1. 能用分子式和结构式表示；2. 具有一定的理化常数；3. 具有一定的生理活性。（2）有效部位（Active Extracts）：指具有生理活性的多种化学成分的混合物。（3）无效成分：与有效成分共存的无生理活性的其它成分。（4）有毒成分生物合成1、聚酮类化合物可根据分子结构中醋酸单位（C2单位）的数目进行命名，如聚庚酮类、聚己酮类等。2、氨基酸途径作为前体的氨基酸：（1）脂肪族：鸟氨酸、赖氨酸（-酮酸还原氨化生成）（2）芳香族：苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸（莽草酸途径生成）3、复合途径：（1）一个化合物分子有来自2个或2个以上不同生物合成途径的单元。常见有：1. 醋酸-丙二酸-莽草酸途径2. 醋酸-丙二酸-甲戊二羟酸途径3. 氨基酸-甲戊二羟酸途径4. 氨基酸-醋酸-丙二酸途径5. 氨基酸-莽草酸途径（2）一个化合物分子在不同植物中有不同的生物合成途径。4、基本途径莽草酸途径：从赤藓糖-4-磷酸出发生成苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸和邻氨基苯甲酸的生物合成途径。途径过程产物单位醋酸-丙二酸途径（AA-MA）起始物延伸物具体过程聚酮类C2乙酰CoA丙二酸单酰CoA缩合-还原交替进行脂肪酸类乙酰CoA丙二酸单酰CoA只缩合不还原酚类、蒽酮类途径过程产物单位甲戊二羟酸途径（MVA）萜类、甾类、类胡萝卜素类C3桂皮酸途径苯丙氨酸经苯丙氨酸脱氨酶（PAL）脱氨后生成桂皮酸，进而得到苯丙素类化合物。再经环化、氧化、还原等，可得到黄酮类（C6-C3-C6骨架）等化合物。苯丙素类（C6-C3骨架）C6氨基酸途径（AA）氨基酸脱羧成胺类，再经甲基化、氧化、还原、重排等系列反应得到生物碱。本途径仅存在于植物、微生物中，是其特有氮代谢方式。生物碱AA提取分离方法1、准备工作（1）明确研究材料的学名、产地来源、采集时间与方法、使用部位（全体/部分）、材料的状态（新鲜品/干燥品）。新鲜品不宜用与水不互溶的溶剂；而干燥品的干燥程度取决于目标化合物的稳定性。一般情况下，样品要充分干燥、尽可能粉碎，提取效率高，提取操作、提取液的浓缩均较易进行。注意样品不能粉碎过细，以2060目为宜。（2）明确研究目标提取分离已知成分或已知化学结构类型：查阅文献，找出该成分或该类结构类型成分的各种提取分离方案，再根据具体情况加以选用。提取分离未知有效成分或有效部位：生理活性指导下提取分离；化学结构类型的理化性质指导下提取分离；根据化合物极性大小的不同系统提取分离。2、注意问题（1）有效成分的丢失：含量高且有效、含量高且无效、含量低但有效（2）精制不纯：理化性质相近的化合物不易分离，对进一步的化学研究及药理试验产生影响。3、提取（1）溶剂提取法1. 根据天然药物中各种成分在不同溶剂中的溶解度不同，选用对有效成分溶解度大、对杂质成分溶解度小的溶剂，将有效成分从药材组织中溶解出来的方法。溶剂通过扩散、渗透作用不断透过细胞壁、细胞膜进入细胞内，溶解可溶性成分，造成细胞内外的浓度差。2. 溶剂选择的依据“相似相溶”常用提取溶剂及其极性强弱顺序：石油醚正己烷四氯化碳苯二氯甲烷无水乙醚氯仿乙酸乙酯正丁醇丙酮乙醇甲醇水吡啶乙酸3. 溶剂的选择原则根据材料的状态目标成分易溶，杂质成分难溶惰性，不与目标成分反应，或反应可逆经济安全、后续操作容易进行4. 传统提取方法5. 现代提取方法微波辅助提取法（microwave-assisted extraction）微波辅助提取是利用微波能来提高提取率的一种新技术。在微波场中，微波辐射导致植物细胞内的极性物质 （水分子）吸收微波能，产生大量热量，使细胞内温度迅速上升，液态水汽化产生的压力将细胞膜和细胞壁冲破，形成微小的孔洞。进一步加热，导致细胞内部和细胞壁水分减少，细胞收缩，表面出现裂纹。孔洞和裂纹的存在使胞外溶剂容易进入细胞内，溶解并释放出胞内物质。微波场中吸收微波能力的差异使得基体物质的某些区域或萃取体系中的某些组分被选择性加热，从而使得被萃取物质从基体或体系中分离，进入到介电常数较小、微波吸收能力相对较差的萃取剂中。a）微波加热热效率高，升温快速而均匀，可显著缩短提取时间，提高提取效率。b）设备简单、适用范围广、重现性好、节省试剂、污染小等。超声提取法空化作用：当超声波在液体中传播时，使液体介质 不断受到压缩和拉伸，拉伸时会在液体内部产生 近似真空的小空洞；而压缩时，这些空洞发生崩溃，会使液体微粒间发生猛烈的撞击作用。崩溃时空洞内部最高瞬时压力可达几万个大气压，同时还将产生局部的高温以及放电现象等。微粒间这种剧烈的相互作用，起到很好的搅拌、分散，并使液体的温度骤然升高，从而使两种不相溶的液体发生乳化，加速溶质的溶解，促进化学反应。利用超声波的空化作用，破坏细胞壁结构，使其在瞬间破裂，植物细胞内的成分得以释放，直接进入溶剂，加速植物有效成分的浸出提取；另外，超声波的次级效应，如机械振动、乳化、扩散、击碎、化学效应等也能加速欲提取成分的扩散释放并充分与溶剂混合，利于提取。优点：提取时间短、提取效率高、无需加热等。注意：提取瓶的放置位置、瓶壁的厚薄等会影响提取效果。超临界流体萃取法超临界流体：温度、压力均高于临界点的流体。其对物质的溶解能力随温度和压力的改变而在相当宽的范围内变动。超临界流体相对接近液体的密度，使它有较高的溶解度；而其相对接近气体的粘度，使它具有较好的流动性、扩散性，对所需萃取的物质组织有较好的渗透性。从而提高了溶质进入超临界流体的传质速率。为提高选择性，可加入夹带剂。优点：可以在近常温的条件下提取分离，几乎保留产品中全部有效成分，无有机溶剂残留，产品纯度高，操作简单、节能。酶法提取通过酶反应较温和的将植物组织分解，加速有效成分的释放提取；将影响液体制剂的杂质如淀粉、蛋白质、果胶等分解去除，提高中药液体制剂的澄清度；将某些极性低的脂溶性成分转化为糖苷类易溶于水的成分，从而有利于提取。注意：使用酶的浓度、底物、抑制剂、激动剂等；药材与水的比例、pH值、温度、时间等。仿生提取法模拟口服药经胃肠道环境转运的原理而设计的提取方法。尽可能地保留原药中的有效成分（包括在体内有效的代谢物、水解物、螯合物或新的化合物）。6. 系统溶剂分步提取根据提取要求、目的成分及杂质的性质差别、溶剂的溶解能力来确定提取方法：a）将固体药材按极性递增方式用不同溶剂依次提取。石油醚、汽油：油脂、蜡、叶绿素、挥发油、游离甾体及三萜类等氯仿、乙酸乙酯：游离生物碱、有机酸、黄酮苷元、香豆素等丙酮、乙醇、甲醇：苷类、生物碱盐、鞣质等水：氨基酸、糖类、无机盐等水溶性成分b）将药材直接用乙醇、含水乙醇或含水丙酮提取，提取液浓缩成浸膏，拌以硅藻土等辅料，减压干燥成粉后，再用不同极性溶剂分步处理。7. 影响因素a）中草药成分间的相互作用对溶解度的影响（增溶、沉淀）b）粉碎度c）提取时间d）提取温度（2）水蒸气蒸馏法适用于具有挥发性的、能随水蒸汽蒸馏而不被破坏、与水不发生反应且难溶或不溶于水的成分的提取。原理：两种互不相溶的液体共存时，其总蒸汽压等于各组分同一温度下蒸汽压之和。由于体系的总蒸汽压比任一纯组分的蒸汽压高，所以混合物的沸点要比任一纯组分的沸点低。（3）升华法适用于具有升华性质的化合物的提取与提纯。简单易行，但回收不完全，并常伴有分解现象，产率低，适用于微量物质的精制，很少用于大规模生产制备。（4）压榨法4、分离与精制（1）方法根据物质溶解度差别进行分离：结晶法、沉淀法、盐析法 根据物质在两相溶剂中的分配比不同进行分离：液-液萃取法、逆流分溶法（CCD）、液滴逆流色谱法（DCCD）、高速逆流色谱法（HSCCC）、气液分配色谱法（GC或GLC）、液液分配色谱法（LC或LLC）根据物质的吸附性差别进行分离：硅胶、氧化铝、活性炭及聚酰胺、大孔吸附树脂根据物质分子大小差别进行分离：透析法、凝胶过滤法、超滤法、超速离心法根据物质解离程度不同进行分离：离子交换法、电泳（2）结晶法利用温度不同引起溶解度的改变以分离精制化合物的方法，是分离精制固体化合物的重要方法之一。通过重结晶进一步纯化化合物的结晶；纯化合物的结晶有一定的熔点和结晶学特征，有利于化合物性质及结构的判断；结晶法分离纯化的关键：结晶溶剂的选择和结晶条件。1. 结晶条件需结晶化合物在混合物中的含量选择合适的溶剂：单一/混合需结晶化合物在所选溶剂中的浓度合适的温度和时间需结晶化合物的性质：结晶性弱的化合物需要制备结晶性的衍生物或盐，如生物碱制为盐酸盐、氢溴酸盐、过氯酸盐、苦味酸盐等，羟基化合物制为乙酰化衍生物2. 结晶溶剂选择理想的结晶溶剂需具备的条件：不与要结晶化合物起化学反应；选择性好；其它杂质在溶剂中的溶解度对温度的依赖性小，对杂质的溶解度非常大或非常小；溶剂的粘度要小，利于固液分离，且应使要结晶化合物容易成核，生成的晶体较完善。如何选择：查阅文献，参考同类型化合物的一般溶解性质和结晶条件；根据要结晶化合物的极性大小，利用相似相溶规律通过实验选择溶剂；无理想单一溶剂时，可使用混合溶剂（一般选择对样品溶解度很大和很小的而又能够互溶的两种溶剂混合使用）。3. 结晶纯度的判断：晶形、色泽，熔点与熔距，薄层层析或纸层析，高效液相层析、气相层析。（3）沉淀法提取物中加入某些试剂使产生沉淀，以获得有效成分或除去杂质的方法。应注意的问题：沉淀的方法和技术要具有选择性；对于一些活性物质（如酶、蛋白质等）的沉淀分离，必须考虑沉淀方法对目标成分的活性和化学结构是否破坏；残留物对人体的危害。1. 改变溶液中混合溶剂的极性水/醇法：沉淀除去糖类、蛋白质等水溶性杂质醇/水法：沉淀除去树脂、叶绿素等水不溶性杂质醇/醚法或醇/丙酮法：皂苷类成分沉淀析出2. 改变溶液的pH酸/碱法：生物碱类成分的分离碱/酸法：黄酮、蒽醌类酚酸性成分的分离等电点沉淀法：蛋白质的分离3. 加入沉淀试剂（如钙、钡、铅盐）（4）盐析法中草药的水提取液中，加入无机盐至一定浓度或达到饱和状态，使某些成分在水中的溶解度降低，沉淀析出或被有机溶剂提取出的分离方法。常用的无机盐：NaCl、Na2SO4、MgSO4、(NH4)2SO4等。（5）透析法利用小分子及小离子在溶液中可通过半透膜，而大分子及大离子不能通过的性质而达到分离的方法。常用于纯化皂苷、蛋白质、多肽和多糖等化合物，可除去其中的无机盐、单糖、双糖等。透析膜的种类：动物性膜、火棉胶膜、羊皮纸膜（硫酸纸膜）、玻璃纸膜、蛋白胶（明胶）膜等。选择原则：根据透析膜的膜孔大小与被分离成分的分子大小来选择。（6）分馏法原理：利用沸点不同进行分离。分馏法则利用多次反复蒸馏以达到混合物分离。完全互溶的、具有挥发性的两组分混合液，达到气-液平衡时，两组分在气相与液相中的相对含量不同。（7）层析法（色谱法，Chromatography）利用不同化合物在互不相溶的两相（固定相和流动相）中的亲和力的不同来分离物质。分类：1. 液相层析法（液-固、液-液）、气相层析法（气-液、气-固）2. 柱层析法、薄层层析法、纸层析法、逆流层析法3. 吸附层析法、分配层析法、凝胶渗透层析法（又称凝胶过滤法、分子筛过滤法、排阻层析法）、离子交换层析法、亲和色谱法（8）吸附层析法1. 吸附作用物理吸附：分子间作用力，可逆、无选择性（吸附层析常用）化学吸附：化学键，不可逆、有选择性半化学吸附：氢键作用2. 吸附层析三要素：被分离物、吸附剂、洗脱剂3. 物理吸附基本规律相似者易于吸附4化合物极性的强弱的判断a）化合物的极性由分子中所含官能团的种类、数目及排列方式等综合因素所决定。b）官能团的极性强弱顺序：R-COOH Ar-OH H-OH R-OH R-NH2, R-NH-R, R-NRR R-CO-N-R R-CHO R-CO-R R-COOR R-O-R R-X R-Hc）溶液中酸性、碱性及两性有机化合物的极性强弱受溶液pH影响。5. 溶剂极性强弱判断：介电常数（越大极性越强）6. 常用的固定相吸附剂无机吸附剂：硅胶、氧化铝、活性炭等有机吸附剂：聚酰胺、聚苯乙烯（大孔吸附树脂）等7. 简单吸附法进行物质的浓缩与精制用活性炭脱色、脱臭从大量稀水溶液中浓缩微量物质常用的吸附层析法 1. 硅胶层析（一般正相）常用硅胶：硅胶G、硅胶H、硅胶GF254、硅胶HF254、硅胶HF254365、硅胶CMC、硅胶60硅胶的吸附性能取决于：硅羟基的数目；含水量：17%时吸附力极弱；硅胶的表面积、表面结构、微孔体积、微孔半径等。硅胶薄层板的活化：100110oC，30 min硝酸银硅胶：分离含不饱和双键的几何异构体硅胶层析的应用 ：酸性或中性化合物2. 氧化铝层析用于碱性化合物的分离，如生物碱3. 活性炭层析非极性吸附剂，水溶液中吸附力最强，有机溶剂中较弱。对不同化合物的吸附力大小：极性基团多的化合物极性基团小的化合物；芳香族化合物脂肪族化合物；大分子量化合物小分子量化合物。应用：水溶性芳香族化合物与脂肪族化合物的分离；单糖与多糖的分离；氨基酸与多肽分离。4. 聚酰胺层析性质：高分子聚合物，不溶于水、醇类、丙酮等，对碱稳定，对酸尤其是无机酸稳定性差。吸附原理：氢键吸附，适于极性和非极性物质分离。适于分离醌类、酚类和黄酮类。化合物结构对吸附性能的影响：形成氢键的基团数目越多，吸附力越强；易形成分子内氢键者，吸附力减弱；芳香化程度高者，吸附力增强。溶剂对吸附性能的影响：各种溶剂在聚酰胺柱上的洗脱能力： 水甲醇丙酮 NaOH水溶液甲酰胺二甲基甲酰胺1或50，可直接用简单萃取；50，宜采用逆流分溶。e）萃取过程中易发生乳化现象，发生乳化后的处理方法：将乳状液离心分离；将乳状液抽滤；将乳状液加热或冷冻；加入电解质，如：NaCl、Na2SO4、MgSO4等；将乳状液分开，再换新溶剂萃取；加入表面活性更大的表面活性剂。（9）两相溶剂萃取法（液-液分配萃取法）利用混合物中的各成分在两种互不相溶的溶剂中的分配系数不同而达到分离的目的。分配系数相差越大, 分离效率越高。（10）逆流连续萃取法一种连续的两相溶剂萃取法，其装置可具有一根、数根或更多的萃取管，管内用小瓷圈或小的不锈钢丝圈填充，以增加两相溶剂萃取时的接触面。萃取是否完全，可取样品用薄层层析、纸层析及显色反应或沉淀反应进行检查。（11）逆流分溶法（CCD）经过多次、连续的液-液萃取分离过程，使溶质在两相溶剂相对作逆流移动过程中不断地重新分配并达到分离目的的一种分离方法。分离过程：振摇萃取静置分层两相分开转移（重复直至完成）优点：适于分离性质非常相似的混合物缺点：操作时间长，易产生乳化，萃取管易因机械振荡而损坏，消耗溶剂多（12）液滴逆流层析法（DCCC）流动相呈液滴形式相对于固定相垂直上升或下降，在细的分配萃取管中与固定相有效地接触、摩擦不断形成新的表面，促进溶质在两相溶剂中的分配。优点：分离效果往往比逆流分溶法好，且不会产生乳化。缺点：流速慢，分离时间长；固定相与流动相间的传质交换不够充分；必须选用能生成液滴的溶剂系统；对高分子化合物的分离效果较差；处理样品量小；有一定设备要求。（13）高速逆流色谱（HSCCC）连续，无固定载体（14）液-液分配柱层析将两相溶剂中的一相涂覆在硅胶等多孔载体上，作为固定相填充在色谱管中，然后加入与固定相不相混溶的另一相溶剂（流动相）冲洗色谱柱。原理： 分配层析固定相载体：硅胶、硅藻土、纤维素粉等1. 正相分配层析固定相：水、缓冲溶液流动相：固定相饱和的氯仿、乙酸乙酯、正丁醇等弱极性有机溶剂洗脱顺序：化合物极性由小到大依次溶出应用：通常用于分离水溶性或极性较大的成分2. 反相分配层析（常用）固定相：石蜡油、化学键合固定相（RP-18、RP-8、RP-2等）流动相：水和甲醇或乙腈等强极性有机溶剂洗脱顺序：化合物极性由大到小依次溶出应用：适合于分离脂溶性或极性较小的化合物3. 加压液相层析快速层析（flash chromatography）约2大气压低压液相层析（LPLC） 520大气压高压液相层析（HPLC） 20大气压粒径约小，分离效果越好，流速越慢，则加压增大效率，而分离规模逐步降低。逆流层析法与液-液分配柱层析法的比较：1）运作成本低2）制备样品量大3）不会产生不可逆吸附（因为没有固体载体）凝胶过滤法又称凝胶渗透层析、分子筛过滤、排阻层析。（15）原理分子大小不同，渗入凝胶颗粒内部的程度也不同。越小越易进入，则路径越长。按照分子由大到小的顺序先后流出并分离。Ve = K1 K2 lgM（Ve：洗脱体积，M：分子量）（16）常用的凝胶种类及其性质1. 葡聚糖凝胶（Sephadex G）：分子筛作用，如G-25（只适于水中应用）2. 羟丙基葡聚糖凝胶（Sephadex LH-20）：分子筛作用、反相分配色谱（可使用极性有机溶剂）膜分离技术以选择型透过膜为分离介质，当膜两侧存在压力差、浓度差或电位差等时，组分选择性透过而达到分离目的。包括微滤、超滤、纳滤和反渗透。离子交换层析法（17）原理离子交换，利用大分子树脂网状结构内存在的交换基团而进行的交换性柱层析方法。流动相为含水溶液，通过调整盐浓度、pH值进行洗脱。（18）离子交换树脂的结构、性质及其分类1. 母核：苯乙烯-二乙烯苯2. 离子交换基团：阳离子型：强酸型：-SO3-H 弱酸型：-COOH 阴离子型：强碱型：-N+-(CH3)3X- 弱碱型：-NH2、-NHR、-NRR（一般地，考虑到结合的可逆性等，用强酸/碱型分离弱碱/酸性化合物，弱酸/碱型分离强碱/酸性化合物）3. 影响离子交换的因素：溶液的酸碱度、对交换离子的选择性、被交换物质在溶液中的浓度、温度、溶剂、其他因素。4. 应用用于不同电荷离子的分离，如水提取物中的酸性、碱性、两性化合物的分离；用于相同电荷离子的分离，如碱性大小不同的生物碱的分离。天然产物结构研究法1、结构研究主要内容与程序（1）初步推断化合物结构类型（2）测定分子式、计算不饱和度（3）测定分子中含有的官能团，或结构片段，或基本骨架（4）推断并确定分子的平面结构（5）推断并确定分子的立体结构（构型、构象）注意：文献检索、调研工作贯穿于结构研究的全过程2、结构研究方法（1）查阅文献（2）化合物纯度的测定1. 外观：晶型与色泽2. Mp（熔点）3. TLC（3）物理常数测定（4）分子量的测定1. 经典方法2. 现代方法HR-MS（EI-MS、FAB-MS、ESI/APCI-MS、TOF-MS）（5）分子式的测定1. 元素分析法2. 质谱法HR-MS、同位素丰度法3. 1H-NMR、12C-NMR（6）不饱和度的计算= IV I/2 + III/2 + 1（IV：四价原子数，I：一价原子数，III：三价原子数）（7）分子结构骨架的测定1. 专属性反应2. 植物亲缘相关性3. 光谱特性4. 部分合成5. 化学降解（8）官能团的判断1. 化学法2. 光谱法（9）光谱分析推断并确定未知化合物结构的一般顺序研 究 顺 序研 究 方 法 及 内 容1. 初步推断化合物类型2. 分子量3. 分子式4. 不饱和度5. IR6. UV7. MS8. 1H NMR9. 13C NMR10. 2D-NMR11. 分子结构12. 顺反异构 13. 立体结构 样品来源和参考文献 注意观察样品在提取分离过程中的行为. 测定有关物理化学性质 利用质谱(MS)测定分子量 (其他的分子量测定法也可, 但精确度低). 通过高分辨质谱(HR-MS)结果直接计算可得. 通过1H-NMR的积分曲线高度和13C NMR的谱线数可分别推定氢原子数及最低碳原子数. 元素定量分析 从分子式计算求得. = IV I/2 + III/2 + 1 推定某特征官能团、不饱和键等是否存在. 推定是否存在不饱和键、尤其是共轭不饱和键及芳香环. 从分子离子的裂解离子碎片推定官能团及结构单元, 进而从相应残基的质量数推定可能的组成式. 从积分曲线高度可求得各不等价氢原子的相对数. 通过化学位移(值)、多重度、偶合常数(J值)对各1H信号进行归属、确定化合物骨架结构. 从全氢去偶图中的谱线数可得不等价碳原子的相对数. 从化学位移及通过各种去偶谱的测定得到的谱峰的多重度、偶合常数等可对各13C信号进行归属，进而推定碳链骨架结构.（COM、DEPT、SPD等） 确定一维核磁共振谱上的1H、13C信号的归属及化合物的平面、立体结构. 综合从上述研究中推测出的各部分结构, 推定可能的分子结构. 判定所推测结构与所有的谱图结果是否矛盾. 通过UV的max及1H NMR的偶合常数来判断. 通过旋光光谱来推定化合物分子的立体化学结构(构型、构象)糖和苷1、糖类又称碳水化合物（carbohydrates），是植物光合作用的初生产物，是一类丰富的天然产物。（糖类、核酸、蛋白质、脂质生命活动所必需的四大类化合物。）2、苷类（glycosides)：由糖或糖的衍生物与另一非糖物质（苷元或配基，aglycone）通过糖的半缩醛或半缩酮羟基与苷元脱水形成的一类化合物。3、分类单糖：不能水解的最简单的多羟基类半缩醛（酮），是组成糖类及其衍生物的基本结构单元，如葡萄糖等。低聚糖：水解后生成29个单糖分子的糖，如蔗糖、麦芽糖。多糖：水解后能生成多个单糖分子的糖类化合物，如淀粉、纤维素等。4、差向异构含两个或两个以上手性中心的化合物，当只有一个手性中心手性不同时，即为差向异构。5、单糖的结构表示式（1）单糖是多羟基醛或酮，从三碳糖至八碳糖天然界都有存在。以Fischer式表示，氧化态最高的碳在上、最低的碳在下（即氧化在上、还原在下）。（2）单糖在水溶液中形成半缩醛环状结构，即成呋喃糖和吡喃糖。具有六元环结构的糖吡喃糖（pyranose）具有五元环结构的糖呋喃糖（furanose）糖处游离状态时用Fischer式（横外竖内）表示，溶液中或苷化成环后用Haworth式（上左下右）表示。 （3）糖的相对构型（、）端基碳（anomeric carbon）：即原羰基碳；端基差向异构体：因端基碳上羟基取向而分为、异头碳。Fischer式：C1-OH与原C5（六碳糖）或C4（五碳糖）-OH，同侧为，异侧为。Haworth式：C1-OH与C5（六碳吡喃糖）C4（五碳呋喃糖）上取代基之间，同侧为，异侧为；与C4-OH（五碳吡喃糖或六碳酮糖）同侧为，异侧为。（4）单糖的变旋光性如普通的葡萄糖结晶主要是-型，-型葡萄糖结晶溶于热的吡啶或冰醋酸后再次结晶析出时，可得到-型葡萄糖。其在水溶液中相互转换，达到平衡。（5）糖的绝对构型（D、L）以-OH甘油醛为标准，将单糖分子的编号最大的不对称碳原子的构型与甘油醛作比较而命名分子构型的方法：Fischer式中最后第二个碳原子上-OH向右的为D型，向左的为L型；Haworth式中C5-R向上为D型，向下为L型（六碳吡喃型）。（6）-L与-D端基碳绝对构型一致，-D与-L端基碳绝对构型一致。Xyl Rha Glc六碳醛糖和甲基五碳糖 D-木糖（D-Xylose，五碳糖） D-果糖（D-Fructose，六碳酮糖） D-半乳糖（D-Galactose）（7）单糖的立体构象1. 椅式与船式多为椅式2. C1：4C1，Normal form；1C：1C4，Alternative formAngyal用总自由能来分析构象式的稳定性，比较二种构象式的总自由能差值。差值大于0.7 kcal/mol时，能量低的是优势构象；小于时，处于平衡状态。3. 含e键较多的构象即为优势构象。如Glc优势构象为C1，鼠李糖为1C。横键（平伏键，equatorial bond）：一般排斥较小，能量较低。竖键（直立键，axial bond）：一般能量相对较高。6、糖类（糖匀体）：均由糖组成的物质，如单糖、低聚糖、多糖等。（1）单糖类（monosaccharide）1. 常见单糖（部分图见前）木糖（Xyl）、葡萄糖（Glc）、果糖（Fru）、鼠李糖（Rha）、甘露糖（Man）、核糖（Rib）、半乳糖（Gal）、阿拉伯糖（Aba）。其中，甘露糖与葡萄糖在C2差向异构，半乳糖与葡萄糖在C4差向异构；山梨糖与果糖在C5差向异构；阿拉伯糖与木糖在C4位差向异构。2. 氨基糖（amino sugar）单糖的伯或仲醇基置换成氨基的糖类。天然氨基糖大多为2-氨基-2-去氧醛糖（葡萄糖胺），且主要存在于动物和微生物中。氨基糖苷类抗生素如庆大霉素、卡那霉素、链霉素等中含有氨基糖，糖部分对其药理作用具有明显的影响。3. 糖醇（-itol）单糖的醛基或酮基还原成羟基后所得的多元醇。如D-山梨醇、D-木糖醇。4. 去氧糖（deoxysugar）单糖分子的一个或二个羟基为氢原子代替的糖。5. 糖醛酸（-uronic acid）单糖分子中伯醇基氧化成羧基的化合物。如葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸。（2）低聚糖类（oligosaccharides）29个单糖基通过O苷键键合而成的直链或支链糖的聚糖。1. 分类* 按含有单糖的个数分类：二糖、三糖、四糖等* 按是否含有游离醛基或酮基分类：还原糖（如麦芽糖）、非还原糖（如蔗糖）2. 命名以末端糖（含游离端基碳）作为母体，除末端糖之外的糖作为糖基，并标明糖与糖的连接位置、成环形式和苷键构型等。双糖表示方法：（a）母体结合碳位-O- /-D/L-单糖-D/L-母体；（b）/-D/L-单糖-(碳位母体碳位)-D/L-母体三糖以上采用方法（b），且单糖采用缩写，p表示吡喃糖，f表示呋喃糖。3. 环糊精（cyclodextrin）由Bacillus macerans等菌产生的一种淀粉酶（cyclomaltodextrin glucano-transferase）的作用下，淀粉分解可生成一种由68个葡萄糖以-1,4环状结合的结晶低聚物，称为Schardinger 糊精。包括-环糊精（六糖）、-环糊精（七糖，产量最大）、-环糊精（八糖）。其具有良好水溶性，内侧则具有疏水性，常用作药物包合剂等。（3）多聚糖类（polysaccharide，-an）由十个以上的单糖通过苷键连接而成的聚糖。1. 生物体内的功能 * 动植物的支持组织：纤维素、甲壳素等* 动植物的贮存养料：淀粉、肝糖元等2. 类型均多糖、杂多糖、复杂多糖 3. 常见多糖植物多糖：淀粉（直链/支链，14，分支16）、纤维素（14）、果聚糖、树胶、粘液质、粘胶质等动物多糖：糖原（与淀粉类似，聚合度大、分支度高）、甲壳素（14）、肝素、硫酸软骨素、透明质酸等7、苷类（配糖体/糖杂体，Glycosides）糖与非糖（苷元）通过糖的端基碳原子连接而成的化合物（-oside，-in)。（1）分类1. 按苷原子不同分类氧苷、氮苷、硫苷、碳苷等。2. 按苷元不同分类如黄酮苷、蒽醌苷、香豆素、强心苷、皂苷等3. 按苷键不同分类醇苷：是通过醇羟基与糖端基羟基脱水而成的苷。酚苷：是通过酚羟基与糖端基羟基脱水而成的苷。酯苷（酰苷）：苷元以-COOH和糖的端基碳相连接而成的苷。氰苷：主要是指一类-羟腈的苷，如苦杏仁苷。4. 按端基碳构型分苷：多为L型，如鼠李糖苷苷：多为D型，如葡萄糖苷5. 按连接单糖个数分1个糖单糖苷2个糖双糖苷3个糖叁糖苷6. 按糖链个数分1个位置成苷单糖链苷2个位置成苷双糖链苷7. 按生物体内存在形式分原级苷（原生苷）在植物体内原存在的苷。次级苷（次生苷）原级苷水解掉一个糖或（苷元）结构发生改变。（2）植物糖苷的重要特点1. 植物糖苷中最常见的组成单糖是葡萄糖、鼠李糖、阿拉伯糖、木糖和半乳糖。2. 植物糖苷中的糖苷键均为1,2-反式糖苷键，强心苷中2-脱氧糖糖苷键例外。3. 皂苷的糖链最为复杂和多样，一个分子中可以带有三条糖链，糖链可以是四糖、五糖或更长的寡糖；其次是黄酮苷（包括花青素苷），其中三糖和四糖也较常出现。4. 其他植物糖苷中的糖链较为简单，如其他萜类（包括单萜、倍半萜、二萜、胡萝卜素等）、芥子素（硫苷）和氰苷等，有许多只含有一个单糖，且往往是葡萄糖。5. 对于芳香类化合物，如黄酮、香豆素类和蒽醌等，既存在糖与酚羟基相连的O-糖苷，又存在糖与苯环碳相连的C-糖苷。6. 植物糖苷的糖链有时被一些酰基所修饰（复杂多糖）。7. 植物糖苷是种属特异性的，因而可作为植物分类的参考。8. 植物糖苷的糖链是苷元特异性的，反映了植物体内糖基转移酶对苷元的选择性。9. 一个植物糖苷可能存在于许多植物。10. 一种植物往往含有一系列的同种类型的糖苷，在结构上仅有微小差别。（3）物理性质1. 溶解性糖小分子极性大，水溶性好；聚合度增高，水溶性下降。多糖难溶于冷水，或溶于热水成胶体溶液。苷亲水性（与连接糖的数目、位置有关）苷元亲脂性2. 味觉单糖、低聚糖甜味。多糖无甜味（随着糖的聚合度增高，甜味减小）苷类苦、甜等3. 旋光性具有多个不对称碳原子（故具有旋光性），多数苷类呈左旋。利用旋光性 测定苷键构型（即、苷键），如Klyne法：将苷和苷元的分子旋光差与组成该苷的糖的一对甲苷的分子旋光度进行比较，数值上相接近的一个便是与之有相同苷键的一个。（4）化学性质单糖的化学结构中所含活性基团：醛（酮）基、伯醇基、仲醇基、邻二醇基。1. 氧化反应单糖分子中醛（酮）、伯醇、仲醇和邻二醇等结构，氧化条件不同其产物也不同。如：（溴水可区分醛糖与酮糖）化学反应的活泼性：端基碳原子 伯碳 仲碳过碘酸反应糖苷类和多元醇的结构研究（氧环大小、连接位置、羟基数目等）主要作用于：邻二醇、-氨基醇、-羟基醛（酮）、-羟基酸、邻二酮、酮酸和某些活性次甲基等结构。（反应中形成五元环结构）过碘酸反应必有邻二醇或相应结构（无则不反应）；有二氧化碳生成必有羧基；有甲酸生成必有邻三醇结构；有氨生成必有氨基；有羧酸生成必有羰基。反应特点： 反应定量进行（试剂与反应物基本是1:1）。 在水溶液中进行或有水溶液（否则不反应）。 反应速度：顺式 反式（因顺式易形成环式中间体）。 游离单糖，产物及消耗过碘酸用Fischer式计算；成苷时，产物及消耗过碘酸用Haworth式计算。 在异边而无扭转余地的邻二醇不起反应。用途：通过测定HIO4的消耗量以及最终的降解产物 推测糖中邻二羟基多少（如游离单糖，1邻二羟基结构消耗1HIO4）； 同一分子式的糖，推测是吡喃糖还是呋喃糖； 推测低聚糖和多聚糖的聚合度； 推测1,3连接还是1,4连接（糖与糖连接的位置）。2. 糠醛形成反应单糖在浓酸加热作用下，脱水生成呋喃环结构的糠醛衍生物。糖显色反应：* Molish试剂：浓H2SO4 + -萘酚 * 邻苯二甲酸苯胺（色谱显色）多糖等在浓酸作用下先水解在发生Molish反应。3. 羟基反应糖的-OH反应醚化、酯化和缩醛（酮）化、与硼酸的络合反应反应活性：半缩醛羟基（C1-OH） 伯醇基（C6-OH ） C2-仲醇基 其他仲醇基（伯醇因其处于末端，在空间上对反应有利，因此活性高于仲醇。） * 环状结构中：横键羟基 竖键羟基（横键位阻有利） 甲醚化* 判断反应是否完全的方法：甲基化物可用红外光谱测试，直到无-OH吸收峰为止。* 制备成甲苷：用限量试剂，即克分子比1:1时，可得甲苷。如Haworth法（硫酸二甲酯，不常用）、Purdie法、Hakomori法（箱守法：样品 + DMSO + NaH + MeI 全甲基化，反应在非水溶剂即二甲基亚砜溶液中进行，反应一次即可） 三苯甲醚化（可逆，可用于保护羟基） 三甲硅醚化（可用于增大糖类挥发性，利于色谱分析） 酰化反应（酯化反应）羟基活性与甲基化反应相同。利用酰化可判断糖上-OH数目、保护-OH，在分离、鉴定和糖化学合成等研究中经常使用。 缩酮和缩醛化反应（保护游离羟基）酮或醛在脱水剂如矿酸、无水ZnCl2、无水CuSO4等存在下，易与多元醇的二个有适当空间位置的羟基形成环状缩酮（ketal）或缩醛（acetal）。酮类易与顺邻二-OH生成五元环状物；醛类易与1,3-双-OH生成六元环状物。如：糖 + 丙酮 五元环缩酮（异丙叉衍生物）糖 + 丙酮 五元环缩酮（双异丙叉衍生物）当糖结构中无顺邻-OH时，则易转变为呋喃糖结构，再生成五元环状物（异丙叉衍生物）糖 + 苯甲醛 六元环状缩醛（苯甲叉衍生物）4. 硼酸络合反应糖的邻二羟基可与许多试剂生成络合物，借生成络合物的某些物理常数的改变，可有助于糖的分离、鉴定和构型推定。如硼酸络合物、钼酸络合物、铜氨离子络合物等，可用于离子交换、电泳等。糖 + H3BO3（Lewis酸） 络合物（酸性增加、可离子化）与溶液pH、化合物比例与结构等有关反应要求开环化合物：碳链上-OH越多，越易造成有利地位（顺邻二-OH）。环上的二羟基：芳环-OH邻位易，间、对位次之；五元、六元脂环顺式邻二-OH易络合，反式邻二-OH不作用。-羟酸（HO-CH-COOH）：可络合；-羟酸（HO-CH-CH2-COOH）：不作用。糖和苷类化合物络合能力：呋喃糖苷单糖吡喃糖苷五碳醛糖六碳醛糖。8、苷键的水解研究苷类的化学结构，必须了解苷元结构、糖的组成、糖和糖的连接方式以及苷元和糖的连接方式、苷键的构型等。为此必先使用某种方法使苷键切断，按程度分为全裂解和部分裂解，常用方法有：酸催化水解反应、酸催化甲醇解反应、乙酰解反应、碱催化水解和消除反应、酶催化水解反应、氧化开裂法（Smith降解法）。（1）酸催化水解反应苷键属于缩醛结构，易为稀酸催化水解。其机理是苷原子先质子化，然后断键生成阳碳离子或半椅型的中间体，在水中溶剂化而成糖。酸水解难易受到苷原子的电子云密度和空间位阻等的影响，其规律如下：1. 苷原子酸水解由易到难：N-苷 O-苷 S-苷 C-苷，但N处于酰胺或嘧啶位置时，N-苷也难以进行酸水解。2. 糖基呋喃糖苷较吡喃糖苷易水解（位阻与张力）酮糖较醛糖易水解（空间位阻）吡喃糖苷中，吡喃环C5上取代基越大越难水解，水解速度为：五碳糖甲基五碳糖六碳糖七碳糖糖醛酸（空间位阻）C5上有-COOH取代时，最难水解（因诱导使苷原子电子密度降低）各类取代糖水解速度为：2,6-二去氧糖 2-去氧糖 6-去氧糖 2-羟基糖 2-氨基糖（影响电子云密度）3. 苷元芳香属苷较脂肪属苷易水解，如酚苷 萜苷、甾苷（因芳香苷元部分有供电结构，而脂肪属苷元无）。苷元为小基团时，苷键横键比竖键易水解（横键易质子化）；苷元为大基团时，苷键竖键比横键易水解（苷的不稳定性促使其易水解）。双相水解反应：苷元对酸不稳定的苷进行酸水解时，在酸水解反应液中加入与水不相混溶的有机溶剂，使水解后游离出来的苷元立即转溶于有机相中，以避免苷元与酸长时间接触而产生结构变化生成次生苷元。酸水解反应的产物为游离糖，故不能确定糖在苷中的氧环大小。（2）酸催化甲醇解反应在酸的甲醇液中进行甲醇解，可生成一对保持原氧环大小的甲基糖苷异构体。可用于判断苷中糖的氧环大小。（3）乙酰解反应（Acetolysis）常用试剂：醋酐 + 酸（H2SO4、HClO4、CF3COOH或Lewis酸如ZnCl2、BF3等）乙酰解反应与酸催化水解相似，以CH3CO+为进攻基团。反应条件较温和，一般是在室温放置数天。可开裂部分苷键，易发生糖的端基异构化。反应产物为单糖、低聚糖、苷元的乙酰化衍生物。1. 苷键邻位有电负性强的基团（如环氧基、酰基）可使反应变慢。2. -苷键葡萄糖双糖的反应速度：（16）（14）（13）（12）可用于决定糖与糖之间的连接位置，并增加了反应产物的脂溶性，还可保护苷元上的-OH，有利于提取、精制和鉴定等。（4）碱催化水解和消除反应一般苷键对稀碱稳定，但某些特殊的苷如酯苷、酚苷、与羰基共轭的烯醇苷等易为碱水解，其中，C1-OH与C2-OH处于反式时较顺式易水解（邻基参与）。反式：水解产物为1,6-葡萄糖酐；顺式：水解产物为正常的糖。可利用水解产物判断苷键构型。-消除反应：苷键的-位有吸电子基团者，使-活化，在碱液中与苷键起消除反应而开裂。在13或14连接的聚糖中，还原端的游离醛（或酮）的邻位氢活化而与3-O-或4-O-苷键起消除反应。这样碱能使多糖还原端的单糖逐个被剥落，对非还原端则无影响。可从多糖剥落反应生成的糖酸了解还原糖