天然药化 糖与苷课件

1、第二章saccharides and glycosides本章基本内容 一、概述 二、单糖的立体结构 三、糖苷分类 四、糖和苷的物理性质 五、糖的化学性质 六、苷键的裂解 七、糖的提取分离 八、糖的鉴定和糖链结构的测定 一、概述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，如：蔗糖、粮食(淀粉)、棉布的棉纤维等。糖类、核酸、蛋白质、脂质生命活动所必需的四大类化合物。化学结构：多羟基半缩醛(酮)及其缩聚物。根据其分子水解反应的情况，可以分为单糖、低聚糖和多糖。 单糖：不能水解的,最简单的多羟基半缩醛(酮)。 如葡萄糖等。低聚糖：水解后生成 2

2、9 个单糖分子的糖。 如：蔗糖（D-葡萄糖-D果糖） 麦芽糖（葡萄糖14葡萄糖）多糖：水解后能生成多个单糖分子的，称为多糖。 如：淀粉、纤维素等二、单糖的立体结构糖的链状式（ Fischer式） 2H环状结构（Haworth式）单糖在水溶液中形成半缩醛环状结构-D-GFischer与Haworth的转换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。 相对构型及差向异构体单糖成环后形成一个新的不对称碳原子（C1）即端基碳，可产生一对异

3、构体，有、 型Fischer式：（C1与C5的相对构型）C1-OH与原C5（六碳糖）或C4（五碳糖）-OH，顺式为，反式为。Haworth式：C1-OH与C5（或C4）上取代基之间的关系：同侧为，异侧为。 氧环的立体构象 自然界中以五元和六元环存在三、糖苷分类 单糖单糖是多羟基醛或酮。从三碳糖至八碳糖天然界都有存在。1.常见单糖 H2氨基糖 是指单糖的伯或仲醇基置换成氨基的糖类。 5糖醛酸单糖分子中伯醇基氧化成羧基的化合物。 低聚糖由29个单糖基通过苷键结合而成的直链或支链聚糖如环糊精：通过淀粉酶水解淀粉，成一种68个葡萄糖分子以1，4键环状结合的结晶低聚糖。多聚糖由10个以上单糖基通过苷键结

4、合而成的一类结构复杂的大分子如淀粉、纤维素；糖原、甲壳素苷 糖或糖的衍生物与非糖物质通过糖的端基碳原子连接而成的化合物，多型苷的分类： 1按苷原子不同分类氧苷 如：红景天苷 按苷键不同分类a.醇苷：是通过醇羟基与糖端基羟基脱水而成的苷。如红景天苷。b.酚苷：是通过酚羟基而成的苷。如天麻苷。c.酯苷：苷元以-COOH和糖的端基羟基脱水而成的酯苷。如山慈菇苷A。d.氰苷：是指一类羟基腈和糖的端基羟基缩和的苷。如野樱苷。 氮苷：如腺苷 。硫苷：如萝卜苷。碳苷：如牡荆素。 5按糖链个数分 1个位置成苷单糖链 2个位置成苷双糖链6按生物体内存在分 原级苷在植物体内原存在的苷； 次级苷原级苷水解掉一个糖或

5、结构发生 改变。四、糖和苷的物理性质 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。 单糖极性 双糖极性 （与羟基和碳的分担比有关，即按-OH/C的分担情况而定）苷亲水性（与连接糖的数目、位置有关）苷元亲脂性 五、糖的化学性质氧化反应 单糖的分子有醛（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： 糖分子中羟基化学反应的活泼性： 端基羟基 伯醇基 仲醇基 （即C1-OH、C6-OH、C2 C3 C4-OH）以过碘酸反应为例来了解糖的氧化反应的应用过碘酸反应主要作用于： 邻二醇、-氨基醇、-羟基醛（酮）、邻二酮和某些活性次甲基等结

6、构。 邻羟基：-羟基酮：-氨基醇：邻二酮：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）；在异边而无扭转余地的邻二醇不起反应; 游离单糖产物及消耗过碘酸用Fischer式计算; 成环时糖产物及消耗过碘酸用Haworth式计算。Fischer式和Haworth式消耗过碘酸的计算： 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； 推测1,3连接还是1,4连接（糖与糖连接的位置）糠醛形成反应（Molish反应） Molish反应糖检出 样品 + 浓H2

7、SO4 + -萘酚 紫色多糖、低聚糖、单糖、苷类Molish反应（）邻苯二甲酸和苯胺反应纸层析、薄层层析鉴别羟基反应糖的-OH反应醚化、酯化和缩醛（酮）化。反应活性： 最高的半缩醛羟基（C1-OH） 其次是伯醇基（C6-OH） 仲醇次之。（伯醇因其处于末端的空间，对反应有利，因此活性高于仲醇。） 1醚化反应（甲基化）酸性强的OH易甲基化Haworth法（不常用）含糖样品 + Me2SO4 + 浓NaOH 醇-OH全甲基化 （需反复68次）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11时，可得甲苷。Purdie法 样品 + MeI

8、 + 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 （一次即可） 该反应是在非水溶剂中，即二甲基亚砜（DMSO）溶液中进行反应。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、仲醇、C3-OH最难（由于C2位取代后，引起的空间障碍，使得C3最难被酰化。）常用试剂：醋酐催化剂：吡啶、ZnCL2、醋酸钠 利用酰化可判断糖上-OH数目、保护-OH等。 3缩酮和缩醛化反应 酮或醛在脱水剂如矿酸、无水ZnCl2、无

9、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和缩醛。 酮类易与顺邻-OH生成 五元环状物糖 + 丙酮 五元环缩酮 (异丙叉衍生物) 醛类易与1,3-双-OH生成 六元环状物 糖 + 苯甲醛 六元环缩醛 (苯甲叉衍生物) 例：当糖具有顺邻-OH时，其生成五元环状物（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） 。OO例如：葡萄糖甲苷 + 苯甲醛 (具1,3-OH结构)利用缩醛或缩酮对碱稳定对酸不稳定的性质，可用于保护-OH。也可用于推断分子中是否有顺邻OH或1，3OH；及苷键位置 4.硼酸络合反应 糖的邻二-OH可与

10、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。 具有邻二-OH糖 + 硼酸 五元或六元络合物 （酸性增加、可离子化）（H3BO3是接受电子对的Lewis酸） 1络合反应分二步进行先生成1：1的络合物，易失水而成平面形的中性酯。 二个-OH地位适宜，则继续生成2：1的螺环状络合物，四面体结构固定，增加酸性。以上I、II、III三种状态在硼酸溶液中同时存在，彼此间处于平衡状态。 2对二-OH的空间要求开环化合物： 碳链上-OH越多，越易造成有利地位（顺邻二-OH）；环上的二-OH： 芳环-OH邻位易，间

11、、对位次之； 五元、六元脂环顺易，反邻二-OH不作用；(3)-羟酸（HO-C-COOH） 可络合 （-COOH水化成-C(OH)3后再络合）； -羟酸 无作用 羰基反应糖 + 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。 六、苷键的裂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等。 为此必先使用某种方法使苷键切断。 酸催化水解反应 乙酰解反应 碱催化水解和消除反应 酶催化水解反应 过碘酸裂解法（Smith降解法） 酸催化水解反应 苷键属于缩醛结构，易为稀

12、酸催化水解。反应机理：水解反应是苷原子先质子化，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。 酸水解的规律：苷原子的电子云密度：电子密度升高，质子化能力增强，水解易发生。酸水解易难顺序：N苷 O苷 S苷 C苷 （最难）N苷易接受质子，但N处于嘧啶或酰胺位置时难水解苷原子的空间环境：呋喃糖苷较吡喃糖苷易水解；酮糖比醛糖易水解（五元呋喃环中各取代基处在重叠位置，形成水解中间体可使张力减小，故有利于水解。）（酮糖多为呋喃结构，而且酮糖端基碳原子上有-CH2OH大基团取代，水解反应可使张力减小。）糖上取代基 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

13、C5上有-COOH取代时，最难水解 （因诱导使苷原子电子密度降低） 取代基性质不同 氨基取代的糖较-OH糖难水解，-OH糖又较去氧糖难水解。 2,3-二去氧糖 2-去氧糖 3-去氧糖 羟基糖 氨基糖 易 难苷分子稳定性及其水解产物稳定性苷元为小基团苷键横键比竖键易水解( e a ) （横键易质子化） 苷元为大基团苷键竖键比横键易水解( a e ) （苷的不稳定性促使其易水解） 芳香属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） 难水解的碳苷 苷元结构不太稳定的氧苷氧化开裂法(Smith降解法);两相酸水解法（样品+酸水+苯/氯仿）获得真正苷元 乙酰

14、解反应1常用试剂：醋酐 + 酸 所用酸如：H2SO4、HClO4、CF3COOH或Lewis酸（ZnCl2、BF3）等。2反应条件：一般是在室温放置数天。3反应机理： 与酸催化水解相似，以CH3CO+(乙酰基，Ac）为进攻基团。 4反应速率： 苷键邻位有电负性强的基团（如环氧基）可使反应变慢。 -苷键的葡萄糖双糖的反应速率： （乙酰解易难程度） （16）（14）（13）（12）5.应用：在多糖苷的结构研究中，为了确定糖与糖之间的连接位置。常应用乙酰解开裂一部分苷键，保留另一部分苷键，然后用薄层或气相色谱鉴定在水解产物中得到的乙酰化单糖和乙酰化低聚糖。 碱催化水解和消除反应 一般苷键对稀碱是稳定

15、的，但某些特殊的苷易为碱水解，如： 酯苷 酚苷 烯醇苷 -吸电子基取代的苷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 -消除反应： 苷键的-位有吸电子基团者，使-位氢活化，在碱液中起消除反应，而使苷键开裂，称。 用途 在13或14连接的聚糖中，还原端的游离醛（或酮）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。剥落生成的是-羟基糖酸。 酶催化水解反应 用酶水解苷键可以获知苷键的构型，可保持苷元结构不变的真正苷元。 酶专属性高，选择性地催化水解某一构型的苷。如： 苦杏

16、仁酶-六碳醛糖苷键 纤维素酶-葡萄糖苷键 麦芽糖酶-葡萄糖苷键 转化糖酶-果糖苷键 蜗牛酶-苷键过碘酸裂解法（Smith降解法）割裂具有1，2二元醇糖苷键的温和反应，可得到原苷元，但无完整糖分子。适用的情况:苷元结构不稳定的苷和C-苷不适用于有1，2二元醇结构的苷元试剂：过碘酸钠(NaIO4)、四氢硼钠(NaBH4)、稀酸反应过程： 该反应的应用: 苷元不稳定的苷，以及碳苷用此法进行水解，可得到完整的苷元，这对苷元的研究具有重要的意义。此外，从降解得到的多元醇，还可确定苷中糖的类型：葡萄糖，甘露糖，半乳糖或果糖的C-苷阿拉伯糖，木糖的C-苷鼠李糖，夫糖或鸡纳糖的C-苷乙二醇丙二醇丙三醇降解产物

17、(六)糖醛酸苷的选择性水解用普通裂解方法难开裂加剧反应条件，易造成糖元和苷元的破坏特殊方法：(1) 光分解法：用500W高压汞灯照射皂苷，使糖醛酸苷键裂解，释放苷元或次生苷。(2) 四醋酸铅-醋酐法：用于葡萄糖醛酸的裂解;(3) 醋酐-吡啶分解法：只能裂解多聚糖的葡萄糖醛酸皂苷。(4) 微生物培养法七、糖的提取分离提取 主要为溶剂法水、稀醇（单糖、低聚糖、多糖） 苷类分子的极性随着糖基的增多而增大。可根据其极性大小，来选择相适应的溶剂。 破坏或抑制植物体内酶的方法：采集新鲜材料迅速加热干燥冷冻保存等分离1活性炭柱色谱分离水溶性物质较好 如：氨基酸、糖类及某些苷类。 活性炭对物质的吸附规律 对分

18、子量大的化合物吸附力大于分子量小的化合物，即：多糖 单糖 活性炭在水溶液中的吸附力最强，在有机溶剂中吸附力较弱。洗脱顺序： H2O、10%、20%、30%、50%、70%乙醇液 无机盐 二糖 三糖 多糖 单糖2纤维素色谱 原理与PC相同，属分配层析。 溶剂系统：水、丙酮、水饱和的正丁醇等。 出柱顺序：水溶性大的先出柱，水溶性差的后出柱3离子交换柱色谱除水提液中的酸、碱性成分和无机离子；制成硼酸络合物强碱性阴离子交换树脂（不同浓度硼酸盐液洗脱） 4季铵氢氧化物沉淀法酸性多糖的分离季铵氢氧化物是一类乳化剂。 PH9 ; 不加硼砂缓冲液5分级沉淀或分级溶解法 在糖的水溶液中，逐步加入乙醇，即逐渐增大

19、EtOH浓度，可得到各部分的沉淀物。 为使多糖稳定，多糖通常在pH=7时进行 酸性多糖在pH=24时进行 处理酸性多糖时，为防酸水解苷键，操作宜迅速。6蛋白质除去法 用分级沉淀法得到的多糖，常夹杂有较多的蛋白质，为除之，通常选择能使蛋白质沉淀剂来处理如：酚、三氯乙酸、鞣酸等。注意：处理时间要短，温度要低。 （避免多糖降解）八、糖的鉴定和糖链结构的测定糖的鉴定1纸层析展开系统：常用水饱和的有机溶剂展开。显色剂：邻苯二甲酸苯胺 硝酸银试剂(使还原糖显棕黑色) 三苯四氮唑盐试剂（单糖和还原性低聚糖呈红色） 3,5-二羟基甲苯盐酸试剂（酮糖呈红色）2薄层层析吸附剂：硅胶显色剂：除纸层析应用的以外，还用

20、如： H2SO4/H2O或乙醇液 茴香醛-硫酸试剂 苯胺-二苯胺磷酸试剂 等3气相层析 将糖制备成三甲基硅醚（增加其挥发性） 将醛糖用NaBH4还原成多元醇（避免形成端基异构体）制成乙酰化物或三氟乙酰化物。4液相色谱 填充材料化学修饰的硅胶 优：不必制备成衍生物。适合分析对热不稳定、不挥发的低聚糖和多糖。 分析单糖和低聚糖，其灵敏度不及气相层析。 糖链结构的测定 主要解决的问题单糖的组成、糖之间的连接位置和顺序、苷键构型研究糖链结构的一般顺序：1纯度鉴定 2. 分子量的测定 3. 单糖的鉴定4单糖之间连接位置的决定5糖链连接顺序的决定6苷键构型的决定3单糖的鉴定 低聚糖、多糖的结构分析，首先要

21、了解由哪些单糖所组成，各种单糖之间的比例如何。 一般是将苷键全水解 用PC、TLC 、GC检出单糖的种类定性 显色后用薄层扫描仪求得各种糖的分子比定量 观察1H-NMR谱或13C-NMR谱中端基质子 或端基碳的信号数目 可用GC或HPLC对单糖定性定量。4单糖之间连接位置的决定化学方法: 糖链先进行全甲基化,再进行甲醇解，可得未完全甲基化的单糖，鉴定未全甲基化的单糖中游离羟基所在位置，即糖与糖之间的连接位置，全甲基化的单糖一定是连接在糖链最末端。13C-NMR测定：主要归属各碳信号，以确定产生苷化位移的碳。 5糖链连接顺序的决定缓和水解法：将糖链水解成较小的片段，然后分析这些低聚糖的连接顺序。

22、质谱分析6苷键构型的决定 分子旋光差（klyne法） 酶催化水解方法 1H-NMR判断糖苷键的相对构型 其它 分子旋光差（klyne法）据经验公式计算，测得苷与苷元旋光度，计算出比旋度MD MD MD 苷 MD 苷元 MD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。酶催化水解方法（同前）1H-NMR在糖链结构测定中的应用在糖的1H-NMR中： 端基质子4.36.0ppm左右 其它质子3.24.2 ppm甲基五碳糖中甲基质子1.0 ppm 通过质子的信号个数和化学位移可推断糖的种类、个数和连接位置吡喃糖可通过C1-H与C2-H的偶合常数，来判断苷键的

23、构型（、）D-葡萄糖 还有一些糖由于其结构上的原因，而无法利用1H-NMR来判断相对构型。如：甘露糖，鼠李糖 再如：513C-NMR在糖链结构测定中的应用端基碳97106 ppm如：D-葡萄糖苷 C1型 97101 ppm 型 103106 ppm CH-OH (C2、C3、C4) 7085 ppm CH2-OH (C6) 62 ppm左右 CH3 20 ppm可通过吡喃糖的C1和C1-H的偶合常数，判断苷键构型-D、-L JC-H=170175HZ-D、-L JC-H=160165HZ 苷化位移 糖成苷后，苷元-C化学位移值均向低场移动（变大），而端基碳和相邻-C稍向高场移动（变小），对其余碳的影响不大，这种苷化前后的化学位移的变化