天然药物化学课件(第三章 糖和苷)

天然药物化学

NaturalMedicineChemistry

生物工程学院

郑一敏教授第三章

糖与苷

天然药物化学主要内容

单糖的绝对构型、端基差向异构体、构象、主要化学性质（氧化、糠醛反应、羟基反应等）。检视方法；苷类化合物的结构特征和分类及苷类化合物的定义，苷键酸催化水解、碱催化水解、酶催化水解、过碘酸氧化裂解、乙酰解；糖和苷的提取方法与核磁共振特征。

重点糖和苷类化合物的结构、分类、性质、苷键裂解的规律及波谱特征，检视方法。一

概述

糖类又称碳水化合物（carbohydrates）一类最丰富的天然产物，其与人类关系极为密切，食用的蔗糖、粮食的主要成分淀粉、棉布的棉纤维。糖类在中草药中分布十分广泛，常常占植物干重的80%~90%。糖类与核酸、蛋白质、脂质一起合称生命活动所必需的四大类化合物。从化学结构上看是多羟基内半缩醛（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。

1．单糖：不能水解的最简单的多羟基内半缩醛（酮）。如葡萄糖等。2．低聚糖：水解后能生成2个以上10个以下的单糖分子。如：蔗糖（D-葡萄糖-D果糖）麦芽糖（葡萄糖1→4葡萄糖）3．多糖：水解后能生成多个单分子。如：淀粉、纤维素等

由一种单糖组成—均多糖由二种以上单糖组成—杂多糖苷—糖+非糖。如：黄酮苷、皂苷等。二

结构类型

（一）、糖的表示式单糖是多羟基醛或酮。从三碳糖至八碳糖自然界都有存在。以Fischer式表示天然常见糖如下：

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）单糖处于环状结构时，可用Haworth式表示。如：葡萄糖（二）、Fischer与Haworth的转换及其相对构型

单糖成环后新形成的一个不对称碳原子称为端基碳（anomericcarbon）。生成的一对差向异构体（anomer）有α、β二种构型。从Fischer式看（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α，反式为β。从Haworth式看C1-OH与C5（或C4）上取代基之间的关系：同侧为β，异侧为α。

（三）、糖的绝对构型（D、L）以α-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向上为D型，向下为L型。

（四）、环的构象呋喃糖五元环接近在同一平面上。唯醛糖的C3、酮糖的C4超出平面0.5A，几乎是固定的结构。

呋喃糖六元环有船式和椅式构象，在溶液或固体状态是都是椅式构象，不是C1便是1C。[C表示椅式（chairform）]。

以C2、C3、C5、O四个原子构成的平面为准，C4处面上，C1处面下的标为4C1，简称C1，反之1C4简称1C。Angyal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，能量低的是优势构象。如：葡萄糖的二种构象式的比较：第三节

糖和苷分类㈠糖匀体指均由糖组成的物质。如单糖、低聚糖、多糖等。

1．常见单糖

2．氨基糖是指单糖的伯或仲醇基置换成氨基的糖类。

3．糖醇单糖的醛或酮基还原成羟基后所得的多元醇称糖醇。

4．去氧糖通常在C2上无-OH，强心苷中较多见。单糖分子的一个或二个羟基为氢原子代替的糖叫去氧糖。糖类功能生命活动所需能量来源；重要的中间代谢产物；构成生物大分子；分子识别作用。组成：C:H:O=1:2:1单糖分类己糖丙糖戊糖丁糖重要的单糖

甘油醛核糖脱氧核糖半缩醛羟基半缩醛羟基葡萄糖果糖半乳糖寡糖

麦芽糖(maltose)两分子葡萄糖由糖苷键连接，具还原性蔗糖(sucrose)由一分子葡萄糖和一分子果糖通过糖苷键连接而成，无还原性,主要的糖。乳糖(lactose) 半乳糖和葡萄糖结合而成 存在于哺乳动物的乳汁中寡糖（oligosaccharides）双糖：麦芽糖、蔗糖、纤维二糖、乳糖等-麦芽糖多糖均一多糖 淀粉–植物细胞（谷粒，块根，果实） 糖原–动物细胞（如肝细胞中的糖原） 纤维素–植物细胞 木材-50%纤维素，棉花-90%纤维素非均一多糖 透明质酸软骨素多糖（polysaccharides）多糖：由很多单糖分子缩合脱水而成的分支或不分支的长链分子，如淀粉、糖原、纤维素纤维素β-葡萄糖（二）苷(糖杂体)糖及其衍生物与非糖组成的化合物—苷分类：1．按苷原子不同分类⑴氧苷红景天苷氧苷天麻苷氧苷白黎芦醇苷⑵氮苷举出四种你知道的氮苷?（3）硫苷萝卜苷（4）碳苷芒果苷异芒果苷碳苷芦荟苷碳苷荭草素2．按苷元不同分类如：黄酮苷、蒽醌、香豆素、强心苷、皂苷等。3．按苷键⑴醇苷：醇羟基与糖端基羟基脱水而成的苷。

红景天苷⑵酚苷：酚羟基而成的苷。如天麻苷。天麻苷⑶酯苷：苷元以-COOH和糖的端基碳相连接的是酯苷。如山慈菇苷A。山慈姑苷⑷氰苷：是指一类α羟腈的苷。如野樱苷。R=H野樱桃苷R=β-D-glc苦杏仁苷4．按端基碳构型分

α苷，多为L型；β苷，多为D型。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2个位置成苷——双糖链7．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结构发生改变。例：

四、

糖和苷的物理性质

（一）、

溶解性糖——小分子极性大，水溶性好，随着聚合度增高，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（其大小与连接糖的数目、位置有关）。苷元——为亲脂性。（二）、味觉

①单糖~低聚糖——甜味。

②多糖——无甜味（随着糖的聚合度增高，则甜味减小）。

③苷类——苦（人参皂苷）、甜（甜菊苷）等。（二）、旋光性及其在构型测定中的应用具有多个不对称碳原子——用于苷键构型的测定（即α、β苷键）。多数苷类呈左旋。利用旋光性→测定苷键构型方法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。例：有一苷=-273.03（G代表苷），知是豆甾醇的葡萄糖苷，苷元豆甾醇[M]A=-210.04（A代表苷元），求苷的构型？（已知：葡萄糖甲苷α=+308.6β=-66.4）解：[M]G-[M]A=△[M]=-273.03-(-210.04)=-62.99°与题给出的β型-66.4接近，故该苷构型为β型。（三）、糖的化学性质糖的化学性质在普通有机化学中已有所涉及，下面介绍的主要是一些与糖的分离和结构测定密切相关的化学反应。1、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：

化学反应的活泼性：端基碳原子>伯碳>仲碳（即C1-OH、C6-OH、C2C3C4-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、α-氨基醇、α-羟基醛（酮）、邻二酮和某些活性次甲基等结构。

反应特点：（①~⑤）①反应定量进行（试剂与反应物基本是1：1）；②在水溶液中进行或有水溶液（否则不反应）；③反应速度：顺式>反式（因顺式易形成环式中间体）；④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；

⑤在异边而无扭转余地的邻二醇不起反应，如：

用途：（①~④）①推测糖中邻二-OH多少；（试剂与反应物基本是1：1）；

②对同一分子式的糖来说，推测吡喃糖还是呋喃糖；③推测低聚糖和多聚糖的聚合度；④推测1,3连接还是1,4连接（糖与糖连接位置）（糖与糖连接都是半缩醛-OH连接，即端基碳连接）Molish反应：

样品+浓H2SO4+α-萘酚

→

棕色环*多糖、低聚糖、单糖、苷类，与Molish反应均为（+）2、糠醛形成反应（Molish反应）

3、羟基反应糖的-OH反应：醚化、酯化和缩醛（酮）化。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）除苷键上甲氧基外，其余甲醚键对稀酸碱都很稳定，须用浓氢碘酸或氢溴酸才能开裂。（①~④）①Haworth法（不常用）

含糖样品+Me2SO4+30%NaOH→

醇-OH全甲基化（需反复6~8次）

（硫酸二甲酯）

（浓碱）（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。②Purdie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。③Hakomori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。④重氮甲烷法（CH2N2）样品+CH2N2/Et2O+MeOH→部分甲基化（-COOH、-CHO等）（2）．酰化反应（酯化反应）羟基活性与甲基化反应相同（C1-OH、C6-OH、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。（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

糖+丙酮→五元环缩酮

——称：异丙叉衍生物，即丙酮加成物。糖+丙酮→六元环缩酮

——

双异丙叉衍生物。例：当糖具有顺邻-OH时：▲当单糖制成缩醛或缩酮之后，氧环大小不一定和原来游离糖相同。糖+苯甲醛→六元环状缩醛（称：苯甲叉衍生物）

例：

葡萄糖甲苷（具有1,3双-OH结构）+苯甲醛→

苯甲叉衍生物分：顺式、反式顺式有两种构象——O内位（C1式）——较稳，H-内位（1C式）——稳定性差如：半乳吡喃糖甲苷

利用缩醛或缩酮反应可以保护游离的羟基。例如：制备3-O-甲基葡萄糖的反应

总之，以上方法主要目的是保护-OH。例如

确定苷元与糖、糖与糖之间的连接位置方法如下：将糖进行-OH保护后，经水解，再通过光谱分析，游离-OH为糖与糖与苷元的连接位置。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。

（5）、硼酸络合反应糖的邻二-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。1．络合反应分二步进行①先生成1：1的络合物，易失水而成平面形的中性酯。

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。2．对二-OH的空间要求⑴开环化合物：

碳链上-OH越多，越易造成有利地位（顺邻二-OH）；

（如：乙二醇，二个-OH互相排斥成180°角，而不利于反应）⑵环上的二-OH：（①~③）①芳环-OH——邻位易，间、对位次之；②五元、六元脂环——顺易，反邻二-OH不作用；③α-羟酸（HO-C-COOH）可络合（-COOH水化成-C(OH)3后再络合）；

β-羟酸

无作用。3．应用（①~④）

①络合后，中性可变为酸性，因此可进行酸碱中和滴定；

②可进行离子交换法分离；

③可进行电泳鉴定；

④在混有硼砂缓冲液的硅胶薄层上色谱。

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。㈠酸催化水解反应苷键属于缩醛结构，易为稀酸催化水解。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。六、苷键的裂解反应机制表明，苷原子的碱度，亦即苷原子上的电子密度，以及它的空间环境，对水解难易有很大关系。酸水解的规律：⑴苷原子不同，酸水解难易顺序为：N>O>S>C（C-苷最难水解，从碱度比较也是上述顺序）⑵呋喃糖苷较吡喃糖苷易水解。因五元呋喃环的颊性使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。⑶酮糖较醛糖易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。⑷吡喃糖苷中：①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②C5上有-COOH取代时，最难水解（因诱导使苷原子电子密度降低）。⑸有氨基取代的糖较-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>2-氨基糖⑹在构象相同的糖中：a键（竖键）-OH多则易水解。⑺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）⑻苷元为小基团——苷键横键比竖键易水解，即e>a

（横键易质子化）

苷元为大基团——苷键竖键比横键易水解，即a>e

（苷的不稳定性促使其易水解）

㈡乙酰解反应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。与酸催化水解相似，以CH3CO+（即乙酰基，Ac）为进攻基团。3．反应机理：

▲注意：乙酰解反应易发生糖的端基异构化。4．反应速率：⑴苷键邻位有电负性强的基团（如环氧基）可使反应变慢。⑵β-苷键的葡萄糖双糖的反应速率：（乙酰解易难程度）（1→6）>>（1→4）>>（1→3）>>（1→2）5．用途⑴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。⑵乙酰解法可以开袭一部分苷键而保留另一部分苷键。㈢碱催化水解和β消除反应一般苷键对稀碱是稳定的，但某些特殊的苷如：

酯苷、酚苷、烯醇苷、β-吸电子基取代的苷——易为碱水解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β-消除反应：苷键的β-位有吸电子基团者，使α-位氢活化，在碱液中与苷键起消除反应而开裂，称β-消除反应。作用机理：在1→3或1→4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——α-羟基糖酸。

4-O-代的糖可形成——3-脱氧-2-羟甲基糖酸二个以上取代的还原糖——难生成糖酸用途：可从多糖剥落反应生成的糖酸中了解还原糖的取代方式。3-O-代的糖可形成——3-脱氧糖酸㈣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。酶的专属性高，选择性地催化水解某一构型的苷。如：苦杏仁酶（emulsin）——水解——β-葡萄糖苷键

纤维素酶（cellulase）——同上。

麦芽糖酶（maltase）——水解——α-葡萄糖苷键

转化糖酶（invertase）——水解——β-果糖苷键㈤氧化开裂法（Smith降解法）可得到原苷元。（除酶解外，其它方法可能得到的是次级苷元）试剂：过碘酸（HIO4）、四氢硼钠（NaBH4）、稀酸

以上简要介绍了主要苷键的水解方法，对于一些特殊的苷键，要采取一些特殊的水解方法。如：糖醛酸的苷键——很难用稀酸水解

可采用特殊的选择性水解反应——紫外光照射法、四醋酸铅分解法等。值得注意的是：有些苷键极不稳定，在较弱的酸性或在水或稀醇液中稍长时间加热即能水解。因此，在保存苷时，要注意环境，防止水解。反应过程：七、糖的提取分离㈠提取主要为溶剂法——水、稀醇（单糖、低聚糖、多糖）糖类的提取可根据它们对乙醇和水的溶解度不同，而采用冷热水、冷热稀醇等条件。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。由于植物体内有水解酶共存，必须采用适当的破坏或抑制酶的方法，才能提制出原存形式的糖和苷类。方法：

采集新鲜材料——迅速加热干燥——冷冻保存等。

㈡分离1．活性炭柱色谱⑴概述用途——分离水溶性物质较好，如：氨基酸、糖类及某些苷类。特点——对于活性炭柱色谱来说：①样品上柱量大，分离效果较好，适合大量制备；②来源容易，价格廉；③缺点：无测定其吸附力级别的理想方法。分类：①粉末状活性炭——颗粒细，总表面积大，吸附力及吸附量大。②颗粒状活性炭——颗粒较上者大，吸附力及吸附量也较上者次之。③绵纶-活性炭——以锦纶为粘合剂，将粉末状活性炭制成颗粒，吸附力最弱。⑵活性炭对物质的吸附规律活性炭因为是非极性吸附剂，故与硅胶、氧化铝相反，对非极性物质具有较强的亲和能力，在水中对该类物质表现出强的吸附能力。溶剂极性降低，则活性炭对该类物质的吸附能力也随之降低。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。吸附规律：（①~③）①对极性基团（如-COOH、-NH2、-OH等）多的化合物吸附力大于极性基团少的化合物。（指分子量相当的两个化合物的比较）②对芳香族化合物吸附力大于脂肪族化合物。（极性基团相同）③对分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。对于糖的吸附力：多糖>低聚糖>单糖⑶活性炭的预处理一般预处理：

活性炭→（