天然药物化学第2章糖和苷2.ppt

1,天然药物化学,ChemistryofNaturalProducts,卫生部规划教材,第四版,2,NaturalProductsChemistry,第二章,糖和苷(SaccharideandGlycoside),3,基本内容,常见的几种单糖的结构特征；糖的化学性质：过碘酸氧化、Smith降解、醚化反应、酰化反应、缩酮和缩醛反应，以及硼酸络合反应；苷键的裂解规律和特征；糖的核磁共振谱学特征：糖上的质子在1H-NMR谱及碳原子信号在13C-NMR上出现的大致位置。根据J值判断多数糖苷端基碳原子构型。苷化位移规律。,4,基本要求掌握苷键的裂解规律和影响因素。熟悉苷结构特征、分类和鉴别方法；及糖苷的核磁性质和苷化位移规律。,5,第一节单糖的立体化学第二节糖和苷的分类第三节糖的理化性质第四节苷键的裂解第五节提取分离第六节糖的核磁共振性质第七节糖链的结构测定,本章内容,6,单糖（monosaccharide）：糖的基本单位，又称碳水化合物,为多羟基的醛或多羟基酮。为重要的一次代谢产物.具有醛基的单糖称为醛糖具有酮基的单糖称为为酮糖。,第一节单糖的立体化学,一糖的定义,7,以D-葡萄糖（D-glucose）为例：,Fischer投影式,Haworth式,Haworth简式,优势构象式,第一节单糖的立体化学,单糖的表示方法：Fischer、Haworth、优势构象式,二糖的表示方法,8,最早系统反应单糖立体结构的为Fischer投影式,D、L-甘油醛,规则：碳主链竖直放置，醛基（羰基）位于顶端，羟甲基位于底端，链上中间碳上的取代基水平放置两端。投影式中，水平键朝向平面前，竖直健位于平面后。,第一节单糖的立体化学,9,部分单糖的Fischer投影式如下：,D木糖D果糖D葡萄糖L鼠李糖D-xyloseD-fructoseD-glucoseL-rhamnose,第一节单糖的立体化学,10,D-glucose,第一节单糖的立体化学,11,第一节单糖的立体化学,三糖的氧环,D-葡萄糖,-D-萄萄呋喃糖,-D-萄萄呋喃糖,-D-萄萄吡喃糖,-D-萄萄吡喃糖,五元氧环呋喃环,六元氧环吡喃环,单糖在水溶液中形成半缩醛环状结构,12,第一节单糖的立体化学,四糖的绝对构型,习惯上将单糖的最后一个手性碳原子（距离羰基最远的手性碳）的构型定为单糖的绝对构型。,1Fischer投影式中单糖D、L构型的规定相对于左右旋（L、D）甘油醛而来，以距离醛基（或羰基）最远的手性碳原子上的OH而定，向右为D-构型；向左为L-构型。,D、L-甘油醛,13,D-构型,L-构型,第一节单糖的立体化学,D-甘油醛,L-甘油醛,D-木糖,L-鼠李糖,14,2Haworth式中，绝对构型的判定：1)六碳醛糖和甲基五碳糖构成的吡喃糖：C5上的取代基：向上为D型，向下为L型。,D-L-,六碳醛糖构成的呋喃型，因C5、C6部分成为环外侧链，构型判断仍以C5为标准，C5-R者为D型糖,C5-S者为L型糖。,R,第一节单糖的立体化学,15,2Haworth式中，绝对构型的判定：2)五碳醛糖构成的吡喃糖：C4上的取代基：向上为L型，向下为D型。,L-D-,第一节单糖的立体化学,3)五碳醛糖构成的呋喃糖：C4上的取代基：向上为D型，向下为L型。,L-D-,16,第一节单糖的立体化学,五糖的端基差向异构,差向异构体：具有多个手性中心的化合物，只有一个手性中心不同而形成的异构体。端基差向异构体：单糖成环后形成了一个新的手性碳原子，该原子成为端基碳，形成的一对异构体称为端基差向异构体，具有、两种构型。,17,第一节单糖的立体化学,1Fischer投影式中端基差向异构体构型的确定同异：C1-OH（端基碳）与距离羰基最远的手性碳原子上的OH在同侧者为型,异侧者为型.,五糖的端基差向异构,异,同,D-glucose,18,2Haworth式中端基差向异构体构型的确定：1)六碳醛糖和甲基五碳糖构成的吡喃糖：,-,第一节单糖的立体化学,同异：C1-OH（端基碳）与距离羰基最远的手性碳原子上的C5-OH在同侧者为型,异侧者为型.,19,2Haworth式中端基差向异构体构型的确定：2)五碳醛糖构成的吡喃糖：C1-OH和C4-OH在同侧者为型,异侧者为型.,第一节单糖的立体化学,-,3)五碳醛糖构成的呋喃糖：C1-OH和C4-取代基在同侧者为型,异侧者为型.,-,20,第一节单糖的立体化学,、表示的是糖端基碳的相对构型，从端基碳绝对构型来看：-D和-L，-D和L型糖（优势构象一样时）的端基碳的绝对构型是一样的,-D,-L,21,第一节单糖的立体化学,六糖的构象,单糖的构象式呋喃型糖:五元氧环,信封式吡喃型糖:椅式构象为优势构象(C1,1C式),4C1式,简称C1式,1C4式,简称1C式,22,第一节单糖的立体化学,六糖的构象,a键e键的书写方法：面上的碳a键在面上面下的碳a键在面下e键隔键平行,23,D型糖,L型糖,规律1：D型糖采取C1式更稳定，L型葡萄糖采取1C式。,规律2：b-构型的端基OH总是处于平伏键。,以DL-葡萄糖为例总结：,24,必须记住的十种常见单糖：,2,3,4,2,3,5,25,常见单糖的英文缩写,葡萄糖glucoseGlc阿洛糖alloseAll半乳糖galactoseGal甘露糖mannoseMan鼠李糖rhamnoseRha木糖xyloseXyl果糖fructoseFru阿拉伯糖arabinoseAra,26,第一节单糖的立体化学第二节糖和苷的分类第三节糖的理化性质第四节苷键的裂解第五节提取分离第六节糖的核磁共振性质第七节糖链的结构测定,本章内容,27,一.糖的分类（按照糖单位数目）1.单糖:(1)单糖：五碳醛糖,六碳醛糖,六碳酮糖,甲基五碳醛糖,支碳链糖(2)单糖衍生物:氨基糖,去氧糖,糖醛酸,糖醇,环醇,第二节糖和苷的分类,28,天然界的单糖从三碳糖至八碳糖都有存在。,最简单的醛糖甘油醛（glyceraldehyde）最简单的酮糖二羟基丙酮（1,3dihydroxyacetone）,甘油醛,二羟基丙酮,第一节单糖的立体化学,29,2.低聚糖,2-9个单糖通过苷键结合而成；如：芸香糖、槐糖、蔗糖；三糖及以上大多是在蔗糖的基础上再接上其他单糖而成，故为非还原糖。,第一节单糖的立体化学,30,槐糖命名：2-O-D-glucopyranosy1-D-glucopyranose或-D-glucopyranosy1-(12)D-glucopyranose。,槐糖,蔗糖,第一节单糖的立体化学,31,3.多糖,由10个以上的糖聚合而成。如：纤维素、淀粉、肝糖原等。,第一节单糖的立体化学,32,按单糖的组成分为：,均多糖：由一种单糖组成的多糖。系统命名在糖名后加字尾-an，如葡聚糖为glucan。杂多糖：由两种以上单糖组成的多糖。命名为几种糖名按字母顺序排列先后，再加字尾-an，如葡萄甘露聚糖为glucomannan。,第一节单糖的立体化学,33,1、淀粉（starch）：淀粉通常由直链的糖淀粉和支链的胶淀粉组成。糖淀粉：17-34，14连接，D-葡萄吡喃聚糖，聚合度300-350，溶于热水呈澄明。胶淀粉：66-83，14主链16支链（25个葡萄糖单位），聚合度3000，溶于热水呈胶体。,（一）植物多糖,第一节单糖的立体化学,34,淀粉与I2显色反应：,第一节单糖的立体化学,35,2、纤维素（cellulose）:14结合的直链葡聚糖。聚合度3000-5000，特别安定，不易为稀酸或碱水解。人类、食肉动物不能消化；某些微生物、原生动物、蛇类可以消化；反刍动物可以消化（因其消化器中有能够产生水解苷键的酶的微生物）。3、果聚糖（fructans）4、半纤维素（hemicellulose）：半纤维素、纤维素、木质素共同组成细胞壁。半纤维是一类不溶于水而能被稀碱（2-20NaOH）溶出的酸性多糖的总称。,第一节单糖的立体化学,36,5、树胶（gum）：是植物受伤后或毒菌类侵袭后的分泌物，干后呈半透明块状物，如阿拉伯胶和西黄芪胶。6、粘液质（mucilage）和粘胶质（pecticsubstance）：是植物种子、果实、根、茎和海藻中存在的一类粘多糖，是保持植物水分的基本物质。,第一节单糖的立体化学,37,1、肝糖元（glycogen）：是动物的储藏养料，于肌肉和肝脏中较多，约占肝重量的5。结构和胶淀粉相似，是14连接的葡聚糖，有16分支糖链。2、甲壳素（chitin）：是组成甲壳类昆虫外壳的多糖，其构造和稳定性与纤维素类似，由N-乙酰葡萄糖胺以14反向连接的直线状结构组成。甲壳素的水解产物葡萄糖胺是重要的合成原料。,（二）动物多糖,第一节单糖的立体化学,38,3、肝素（heparin）：高度硫酸酯化的右旋多糖，分子量5000-15000。肝素有强的抗凝血作用，临床用肝素钠盐预防和治疗血栓的形成。肝素也有消除血液脂质的作用。脱去硫酸则失效。4、透明质酸（hyaluronicacid）：透明质酸也是一种酸性多糖，由-葡萄糖醛酸(1-3)乙酰氨基葡萄糖(1-4)的结构单元构成。存在于眼球玻璃体、关节液、皮肤等组织中作为润滑剂和撞击缓冲剂，并有助于阻滞入侵的微生物及毒性物质的扩散。,第一节单糖的立体化学,39,二苷的分类苷(配糖体):由糖或糖的衍生物如氨基糖、糖醛酸等的端基碳上的羟基与另一非糖物质（苷元）通过缩合形成的化合物称为苷，故有苷和苷之分。分类：根据生物体内的存在形式:原生苷,次生苷根据所连单糖的个数:单糖苷,双糖苷等根据糖链的数目:单糖链苷,双糖链苷根据苷元的不同:黄酮苷,蒽醌苷根据生物活性或特性:强心苷,皂苷根据苷键原子:氧苷,氮苷,硫苷,碳苷,第二节糖和苷的分类,40,根据苷键原子分类:1.氧苷(O-苷)醇苷:苷元为醇。如：红景天苷,第二节糖和苷的分类,酚苷：苷元为酚。如：天麻苷,氰苷:指苷元为-羟腈形成的苷,易分解成醛或酮和氢氰酸。如：苦杏仁苷,41,酯苷(酰苷):苷元的羧酸基与糖或糖衍生物的半缩醛(半缩酮)羟基脱水缩合成苷.如：山慈菇苷A,第二节糖和苷的分类,1.氧苷(O-苷),吲哚苷:苷元为吲哚醇如：靛苷,根据苷键原子分类:,42,2.硫苷:苷元的巯基与糖或糖的衍生物的半缩醛(半缩酮)羟基脱水缩合成苷.如：白芥子苷,第二节糖和苷的分类,根据苷键原子分类:,3.氮苷(N-苷):苷元的胺基与糖或糖的衍生物的半缩醛(半缩酮)羟基脱水缩合成苷化合物.如：腺苷,43,4.碳苷（C-苷）:苷元碳上的氢与糖或糖的衍生物的半缩醛(半缩酮)羟基脱水缩合成苷.苷元多为间苯二酚、间苯三酚类化合物，常见黄酮、蒽醌、酚酸类。如：牡荆素,第二节糖和苷的分类,根据苷键原子分类:,44,第一节单糖的立体化学第二节糖和苷的分类第三节糖的理化性质第四节苷键的裂解第五节提取分离第六节糖的核磁共振性质第七节糖链的结构测定,本章内容,45,一一般性质1.溶解性：糖:小分子糖极性大,水溶度大;多糖随聚合度增大,水溶度下降.2.极性:单糖双糖叁糖苷的极性:苷元单糖苷仲碳银镜反应(Tollenreaction):以Ag+为氧化剂费林反应(Fehlingreaction):以Cu2+为氧化剂过碘酸反应:氧化邻二羟基等,生成醛等.主要作用于：邻二醇、-氨基醇、-羟基醛（酮）、邻二酮和某些活性次甲基等结构,第三节糖的理化性质,邻羟基：,第三节糖的理化性质,-羟基酮：-氨基醇：邻二酮：,第三节糖的理化性质,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;成苷时糖产物及消耗过碘酸用Haworth式计算;在异侧不能扭转的邻二醇不起反应。,第三节糖的理化性质,第三节糖的理化性质,以D-葡萄糖为例对其Fischer式和Haworth式消耗过碘酸的计算：,需要5分子过碘酸,在异侧不能扭转的邻二醇不起反应，如：,第三节糖的理化性质,1,6-D-葡萄呋喃糖酐,1,6-D-葡萄呋喃糖酐,用途：推测糖中邻二-OH多少；（试剂与反应物基本是1:1）；同一分子式的糖，推测是吡喃糖还是呋喃糖；,第三节糖的理化性质,具有三羟基可产生甲酸,无甲酸产生,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）鉴别糖的种类：氨基糖反应中有氨气产生,第三节糖的理化性质,-D-glucose,二、化学性质2.糠醛形成反应（Molish反应）,第三节糖的理化性质,单糖,浓酸（4-10N）,加热-3H2O,呋喃环结构,多糖,矿酸,10%HCl,单糖,脱水,糠醛,5-羟甲糠醛,Molish反应：样品+浓H2SO4+-萘酚棕色环多糖、低聚糖、单糖、苷类Molish反应均为阳性,第三节糖的理化性质,糠醛衍生物,芳胺或酚类,+,显色,（苯酚、萘酚、苯胺、蒽酮）,二、化学性质3.羟基反应糖的-OH反应醚化、酯化和缩醛（酮）化。反应活性顺序：半缩醛羟基（C1-OH）伯醇基（C6-OH）仲醇（伯醇因其处于末端的空间，对反应有利，因此活性高于仲醇。）,第三节糖的理化性质,3.1醚化反应（甲基化）Haworth法（不常用）含糖样品+Me2SO4+30%NaOH醇-OH全甲基化（需反复多次）用红外光谱判断是否有-OH吸收峰制备成甲苷用限量试剂，即克分子比11时，可得甲苷。,第三节糖的理化性质,3.1醚化反应（甲基化）Purdic法样品+MeI+Ag2O全甲基化（醇-OH）只能用于苷，不宜用于还原糖（即有C1-OH的糖）。因Ag2O有氧化作用，可使C1-OH氧化。Hakomori法（箱守法）样品+DMSO+NaH+MeI全甲基化（一次）该反应是在非水溶剂中，即二甲基亚砜（DMSO）溶液中进行反应。,第三节糖的理化性质,3.1醚化反应（甲基化）重氮甲烷法（CH2N2）样品+CH2N2/Et2O+MeOH部分甲基化（-COOH、-CHO等）3.2酰化反应（酯化反应）羟基活性与甲基化反应相同，即C1-OH、C6-OH较易、C3最难。由于C2位取代后，引起的空间障碍，使得C3最难被酰化。）利用酰化可判断糖上-OH数目、保护-OH等。,第三节糖的理化性质,3.3缩酮和缩醛化反应酮或醛在脱水剂如矿酸、无水ZnCl2、无水CuSO4等存在下可与多元醇的二个有适当空间位置的羟基易形成环状缩酮（ketal）和缩醛（acetal）。酮类易与顺邻-OH生成五元环状物醛类易与1,3-双-OH生成六元环状物,第三节糖的理化性质,糖+丙酮五元环缩酮(异丙叉衍生物)六碳醛糖+丙酮多为双异丙叉衍生物例：,第三节糖的理化性质,二、化学性质4.羰基反应还原糖+苯肼糖腙（多为水溶性的）还原糖+3分子苯肼糖脎（较难溶于水）*2-去氧糖不能成脎（因C2上无-OH）。应用糖的鉴定、分离和纯化。,第三节糖的理化性质,糖的邻二-OH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，可以有助于糖的分离、鉴定和构型推定。重要的如：硼酸络合物、钼酸络合物、铜氨离子络合物等。糖+硼酸络合物（酸性增加、可离子化）（H3BO3是接受电子对的Lewis酸）,第三节糖的理化性质,二、化学性质5.硼酸络合反应,硼酸络合反应的应用：络合后，中性可变为酸性，因此可进行酸碱中和滴定；可进行离子交换法分离；可进行电泳鉴定；在混有硼砂缓冲液的硅胶薄层上色谱。,第三节糖的理化性质,66,第一节单糖的立体化学第二节糖和苷的分类第三节糖的理化性质第四节苷键的裂解第五节提取分离第六节糖的核磁共振性质第七节糖链的结构测定,本章内容,六、苷键的裂解,一苷键裂解的目的和应用为鉴定苷的结构，如糖和糖的连接方式、苷元和糖的连接方式、糖的种类、个数等。二苷键裂解法：1.酸催化水解反应2.乙酰解反应3.碱催化水解4.酶催化水解反应5.氧化开裂法（Smith降解法）,第四节苷键的裂解,二苷键裂解法：1.酸催化水解反应苷键属缩醛结构，易为稀酸水解。反应机理：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。,半椅型,第四节苷键的裂解,酸水解的规律：,难易顺序:C-苷S-苷O-苷N-苷醇苷酚苷,烯醇苷2-氨基糖2-羟基糖6-去氧糖2-去氧糖2,6-二去氧糖(苷)吡喃糖苷呋喃糖苷;醛糖苷酮糖苷糖醛酸七碳糖六碳糖甲基五碳糖五碳糖,第四节苷键的裂解,在构象相同的糖中:a键(竖键)-OH多则易水解。芳香苷较脂肪属苷易水解。如：酚苷萜苷、甾苷（因苷元部分有供电结构，而脂肪属苷元无供电结构）苷元为小基团苷键横键比竖键易水解(ea)（横键易质子化）苷元为大基团苷键竖键比横键易水解(ae)（苷的不稳定性促使其易水解）,第四节苷键的裂解,二苷键裂解法：2.乙酰解反应常用试剂：醋酐+酸所用酸如：H2SO4、HClO4、CF3COOH或Lewis酸（ZnCl2、BF3）等。反应条件：一般是在室温放置数天。反应机理：与酸催化水解相似，以CH3CO+(乙酰基，Ac）为进攻基团。,第四节苷键的裂解,乙酰解反应易发生糖的端基异构化。,第四节苷键的裂解,乙酰解应用酰化可以保护苷元上的-OH，使苷元增加亲脂性，可用于提纯和鉴定。乙酰解法可以开裂一部分苷键而保留另一部分苷键。,第四节苷键的裂解,-苷键的葡萄糖双糖的反应速率：（乙酰解难易程度）（16）（14）（13）（12）,二苷键裂解法：3.碱催化水解一般苷键对稀碱是稳定的，但某些特殊的苷易为碱水解，如：酯苷、酚苷、与羰基共轭的烯醇苷、-吸电子基取代的苷,第四节苷键的裂解,C1-OH与C2-OH：反式易水解，其产物为1,6-葡萄糖酐；顺式产物为正常的糖。利用水解产物可判断苷键构型。,第四节苷键的裂解,二苷键裂解法：4.酶催化水解反应特点：反应条件温和，专属性高；保持苷元结构不变，判断苷键构型。常用的水解酶：杏仁苷酶：只水解-六碳醛糖苷键麦芽糖酶：只水解-D-葡萄糖糖苷键纤维素酶：只水解-D-葡萄糖糖苷键蜗牛酶：只水解-苷键转化糖酶：只水解-果糖苷键,第四节苷键的裂解,二苷键裂解法：5.氧化开裂法（Smith降解法）试剂：过碘酸(HIO4)、四氢硼钠(NaBH4)、稀酸反应过程：分三步反应。(1)NaIO4氧化开裂成醛;(2)NaBH4还原成醇;(3)酸化水解.,第四节苷键的裂解,78,特点:条件温和，易得到原苷元适合于苷元不稳定的苷和碳苷的裂解.,第四节苷键的裂解,二苷键裂解法：5.氧化开裂法（Smith降解法）,79,第一节单糖的立体化学第二节糖和苷的分类第三节糖的理化性质第四节苷键的裂解第五节提取分离第六节糖的核磁共振性质第七节糖链的结构测定,本章内容,80,一、提取提取单糖、低聚糖、苷常用水或稀醇提取。多糖用水或稀碱液提取精制：水提醇沉法:醇溶为苷,低聚糖;沉淀为多糖系统分离法:EtOAc层:单糖苷;正丁醇层:低聚糖苷,单糖.,第五节提取分离,81,二、分离1.季铵盐沉淀法：用于酸性多糖的分离2.分级沉淀或分级溶解：多糖在不同浓度的醇或丙酮中具有不同的溶解度。3.离子交换色谱：适用于分离酸性,中性多糖和粘多糖4.纤维素柱色谱：兼有吸附色谱和分配色谱的性质5.纸色谱:单糖的鉴定,展开剂BAW(n-BuOH:HAc:H2O4:1:5,上相);极性小,Rf值大.,第五节提取分离,82,二、分离6.凝胶柱色谱常用凝胶:葡聚糖凝胶(ephadexG),琼脂糖凝胶(epharoseBio-gel),聚丙烯酰胺凝胶(Bio-gelP)等.洗脱剂:各种浓度的盐溶液及缓冲液分离多糖,按分子大小和形状不同分离,第五节提取分离,83,第一节单糖的立体化学第二节糖和苷的分类第三节糖的理化性质第四节苷键的裂解第五节提取分离第六节糖的核磁共振性质第七节糖链的结构测定,本章内容,84,一、糖的1HNMR性质1.化学位移：糖端基质子：4.3-6.0C6-CH3（鼠李糖）:1.0(3H,d,J=6Hz),其它碳上质子:3.2-4.2,第六节糖的核磁共振性质,2.偶合常数:J1,2判断苷键构型,H2-a苷键为-D或-L型,当端基质子和C2-H为竖键,J=6-8Hz;C2-H为横键,J=2-4Hz.苷键为-D或-L型,端基质子为横键,J=2-4Hz.,85,第六节糖的核磁共振性质,D-葡萄糖,可通过J值来判定端基碳构型,86,无法通过J值来判定,第六节糖的核磁共振性质,87,所以无法通过J值来判断构型,第六节糖的核磁共振性质,呋喃型糖偶合常数变化不大,不能用端基质子偶合常数判断苷键构型,88,二、糖的13CNMR性质1.化学位移及偶合常数端基碳：95-105;CH-OH(C2、C3、C4)7085CH2-OH(C6)62左右CH320,第六节糖的核磁共振性质,89,Glc的一般13C-NMR谱规律,第六节糖的核磁共振性质,90,偶合常数1JC1-H1:吡喃糖:(优势构象C1式)-D或-L型苷键,170-175Hz;-D或-L型苷键,160-165Hz，用于苷键的判定。鼠李糖优势构象1C式,-L型,170-175Hz,-L型160-165Hz,第六节糖的核磁共振性质,91,2.苷化位移(Glycosylationshift,GS)定义：糖与苷元成苷后,苷元的-C,-C和糖的端基碳的化学位移值发生了变化,这种变化称苷化位移.应用:推测糖与苷元,糖与糖的连接位置,苷元被苷化碳的绝对构型及碳氢信号归属.,第六节糖的核磁共振性质,92,规律：苷化位移值与苷元的结构有关，与糖的种类无关。如：苷元为链状结构，端基碳的苷化位移随着苷元为伯、仲、叔基而递减，苷元的-C、-C变化不大。当苷元为环醇时，羟基的-位无烷基取代，则-C和端基碳的苷化位移值与开链的仲醇相似，若有烷基取代，则苷化位移值与-C和糖的端基碳手性都有关系。具体如下：,第六节糖的核磁共振性质,93,苷元位有取代时的苷化位移：苷