课件第二章糖和苷

课件第二章糖和苷目的和要求

掌握糖的立体结构及主要化学性质、苷的分类、苷键的裂解规律、糖的核磁共振谱学特征等；了解多糖的结构、提取分离方法和多糖的结构鉴定。重点和难点

1、重点：常见单糖的结构特征;糖的化学性质；苷键裂解的反应机理及影响水解的因素；糖的结构鉴定。2、难点：苷键裂解的反应机理及影响水解的因素；1H-NMR在糖和苷类成分结构鉴定中的应用。第二章糖和苷糖类（saccharide）：亦称碳水化合物,是植物光合作用的一次代谢产物，同时也是绝大多数天然产物合成的初始原料。苷类（glycosides）：亦称苷或配糖体，是由糖或糖的衍生物（氨基糖、糖醛酸等）与另一非糖物质（苷元或糖苷配基）通过糖的端基碳原子连结而成的一类化合物。第二章糖和苷第一节、单糖的立体化学第二节、糖和苷的分类第三节、糖的性质第四节、苷键的裂解第五节、糖的核磁共振性质第六节：糖链的结构测定第七节、糖及苷的提取分离第二章糖和苷第一节单糖的立体结构单糖(monosaccharides)是多羟基醛和酮，是组成糖类及其衍生物的基本单元。一、单糖的结构表示单糖结构式的方法有三种，即Fischer投影式、Haworth投影式和优势构象式。单糖的氧环五元氧环（呋喃型糖）六元氧环（吡喃型糖）单糖结构的表示方法：Fisher式Haworth式简略式优势构象式D-葡萄糖β-D-葡萄糖一、单糖的结构二、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。二、糖的绝对构型（D、L）习惯上将单糖Fischer投影式中距羰基最远的那个不对称碳原子的构型定为整个糖分子的绝对构型。其羟基向右的为D型，向左的为L型；二、糖的绝对构型（D、L）三、差向异构体（端基异构体）Fischer:C1-OH与C5-R同侧为α型，异侧为β型。

Haworth:C1-OH与C5-R同侧为β型，异侧为α型。是C1相对于C5的构型，因此β-D-糖和α-L-糖的端基碳原子的构型是一样的。三、差向异构体（端基异构体）：

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：

四、环的构象

一、单糖类:发现200多种,3C~8C,多以结合态存在可分为以下几类:1、五碳醛糖(aldopentose)

有L-阿拉伯糖(L-arabinose)，D-木糖(D-xylose)，D-来苏糖(D-lyxose)，D-核糖(D-ribose)等。L-阿拉伯糖的结构如下：第二节糖和苷的分类2、六碳醛糖(aldohexose)常见的有D-葡萄糖(D-glucose)，D-甘露糖(D-mannose)，D-阿洛糖(D-allose)，D-半乳糖(D-galactose)等。其中以D-葡萄糖最为常见。一、单糖

3、六碳酮糖(ketohexose,hexulose)如D-果糖(D-fructose)，L-山梨糖(L-sorbose)等。下图为α-D-果糖的结构：一、单糖

4、甲基五碳糖常见的有L-鼠李糖(L-rhamnose)，L-夫糖(L-fucose)和D-鸡纳糖(D-quinovose)。如L-鼠李糖的结构。一、单糖

5、支碳链糖糖链中含有支链，如D-芹糖(D-apiose)、D-金缕梅糖(D-hamamelose)、L-链酶糖(L-rhamaose,Rha）一、单糖

D-芹糖（D-apiose）

L-链酶糖(L-rhamaose,Rha）6、氨基糖（aminosugar）单糖的一个或几个醇羟基置换成氨基。一、单糖

7、去氧糖(deoxysugar)单糖分子的一个或二个羟基被氢原子取代的糖，常见的有6-去氧糖、甲基五碳糖、2,6-二去氧糖及其3-O-甲醚等。该类糖在强心苷和微生物代谢产物中多见，并有一些特殊的性质。(一个或两个羟基被氢取代)一、单糖

8、糖醛酸(uronicacid)单糖分子中的伯醇基氧化成羧基，常结合成苷类或多糖存在，常见的如葡萄糖醛酸(glucuronicacid)和半乳糖醛酸(galactocuronicacid)。糖醛酸易环合成内酯，在水溶液中呈平衡状态。一、单糖

9、糖醇类

单糖中的羰基被还原成羟基的化合物称为糖醇。

D-甘露醇一、单糖

10、环醇类(cyclitol)环状的多羟基化合物称为环醇。cis-inositols（肌醇）cyclitols（牛奶菜醇）一、单糖

定义：是指由2~9个单糖基通过苷键键合而成的直糖链或支糖糖的聚糖。低聚糖在天然界的存在形式：非游离，为多聚糖的酶或酸水降解产物或苷的糖元部分。二、低聚糖类低聚糖的分类：按有无游离的醛或酮基有还原糖或非还原糖之分麦芽糖1.还原糖性质：具有变旋现象；被弱氧化剂氧化，并能与苯肼成脎。二、低聚糖性质：无变旋现象，无还原性，也不能成脎。2.非还原性糖蔗糖二、低聚糖按含有单糖的个数分为二糖、三糖、四糖等。为了简明表示低聚糖的结构，常以单糖的的缩写符号来表示，如：下面的四糖结构可表示为：β-D-Galp-(1→4)-β-D-Glcp-(1→4)-D-Glcp6β-D-Fruf二、低聚糖1定义：多糖是由十个以上的单糖基通过苷键连接而成的一类结构复杂的大分子化合物。一般多糖都由100个以上甚至几千个单糖组成。基本性质：甜味、强还原性的消失而不同于单糖。三、多聚糖多糖的分类：按生物体内功能分支持组织（水不溶性多糖，如纤维素、甲壳等。分子呈直糖链型）和养料贮存组织（可溶于热水成胶体溶液，可经酶催化水解释放单糖以供应能量，如淀粉、肝糖原等。分子为支糖链型）。按单糖组成种类分均多糖（homosaccharide),即由一种单糖组成和杂多糖(heterosaccharide),即由二种以上单糖组成。三、多聚糖多糖的系统命名：均多糖的系统命名是在糖名后加字尾-an,如葡聚糖(glucan)、果聚糖(fructan)、木聚糖(xylan)。杂多糖的系统命名是用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(glucomannan)、半乳甘露聚糖(galactomannan)。三、多聚糖常见的植物多糖淀粉、纤维素、果聚糖、半纤维素、树胶、黏液（胶）质等。常见的动物多糖

糖原、甲壳素、肝素、硫酸软骨素、透明质酸三、多聚糖苷类又叫配糖体或糖杂体等，是一类极为复杂、涉及面极广、数目庞大的天然药物化学成分，其生物活性及药物效用涉及医学的各个领域，是极为重要的一类化学成分。英文命名常以-inor-oside作后缀，如葛根黄素(puerarin)、葛根黄素木糖苷(puerarinxyloside)。四、苷类苷键原子苷元苷键端基碳原子β―D―葡萄糖苷

苷的分类：苷类由结构看主要由二部分组成。糖和非糖部分，苷的分类也有多种方法：组成苷的是非糖物质，即苷元部分，种类繁多，十分复杂。四、苷类按苷键原子不同分：氧苷（O-苷）：苷键原子为O,因苷元不同分：1、醇苷：苷元上的醇羟基与糖或糖的衍生物的半缩醛或半缩酮羟基脱一分子水缩合而成的化合物。Rhodioloside(红景天苷)Ranunculin(毛茛苷)四、苷类醇苷苷元中不少属于萜类和甾醇类化合物Glycyrrhizin(甘草皂苷A)四、苷类2、酚苷：苷元上的酚羟基与糖或糖的衍生物的半缩醛或半缩酮羟基脱一分子水缩合而成的化合物。天然药物中为数很多，根据苷元不同又分为：苯酚苷，如：Gastrodin(天麻苷)四、苷类萘酚苷，如：Hydrojuglone(氢化胡桃叶醌苷)四、苷类蒽醌苷，如：大黄酚苷四、苷类香豆素苷，如：Esculin(七叶苷)四、苷类黄酮苷，如：Baicalin(黄芩苷)四、苷类3、氰苷氰苷是一类羟基腈与糖分子的端基羟基间缩合的衍生物，根据羟基与腈基的位置不同有：α-羟基腈苷，如：四、苷类苦杏仁苷（氰苷）γ-羟基腈苷，如：垂盆草苷(Sarmentosin)2CHOHNCOCHOH2HOOHOHO四、苷类4、酯苷（酰苷）：苷元上的羧基与糖或糖的衍生物的半缩醛或半缩酮羟基脱一分子水缩合而成的化合物。此类苷键既有缩醛的性质，又有酯的性质，易为稀酸或稀碱水解。如：TuliposideA(山慈菇苷A)四、苷类5、吲哚苷：是吲哚醇羟基与糖脱水缩合的苷类。如indicum(靛苷)四、苷类（二）硫苷(S-苷)：苷键原子为硫，是糖上端基羟基与苷元上的巯基缩合而成的苷。如：glucoraphenin(萝卜苷)四、苷类（三）氮苷(N-苷)：苷键原子为N，是苷元上胺基与糖缩合而成的一类苷。如核苷是核酸的重要组成部分，N苷是生化领域的重要物质。如：Adenosine(腺苷)crotonside(巴豆苷)四、苷类（四）碳苷(C-苷)：是糖基直接接在碳原子上的苷类。天然药物中常见的碳苷以黄酮、蒽醌类为多。如：Vitexin(牡荆素)四、苷类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。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——亲脂性第三节糖的性质2、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、甜等（人参皂苷）（甜菊苷）第三节糖的性质3、旋光性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。

第三节糖的性质4、化学反应（一）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：

第三节糖的性质糖分子化学反应的活泼性：端基碳原子>伯碳>仲碳（即C1-OH、C6-OH、C2C3C4-OH）第三节糖的性质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。第三节糖的性质邻羟基：第三节糖的性质-羟基酮：

-氨基醇：邻二酮：第三节糖的性质用途：①推测糖中邻二-OH多少；（试剂与反应物基本是1:1）；②同一分子式的糖，推测是吡喃糖还是呋喃糖；第三节糖的性质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（糖与糖连接的位置）第三节糖的性质（二）糠醛形成反应（Molish反应）第三节糖的性质第三节糖的性质最常用于糖类和苷的检测反应：Molish反应：样品+浓H2SO4+α-萘酚→棕色环多糖、低聚糖、单糖、苷类——Molish反应=（+）

第三节糖的性质（三）羟基反应糖的-OH反应——醚化、酯化和缩醛（酮）化。反应活性：最活泼的半缩醛羟基（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。）第三节糖的性质络合反应糖的邻二-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）第三节糖的性质几个概念：原生苷：是指天然药物中原始存在状态的苷，也称第一苷次生苷：是指原始苷被部分切去糖后生成的苷，也叫第二苷苷元：彻底切去糖的非糖部分。第四节苷键的裂解研究苷键的裂解目的：1）研究苷元结构和糖的组成；2)研究苷键和糖键结构的重要反应。第四节苷键的裂解苷键的裂解方法:按裂解的程度可分为：全裂解和部分裂解按方法可分为:均相水解和双相水解按催化剂可分为:酸催化水解、乙酰解、碱催化水解、酶解和过碘酸裂解等。第四节苷键的裂解第四节苷键的裂解一、酸催化水解苷键为一缩醛链，故对碱、氧化剂较稳定，但易被稀酸所水解，其反应机制，以O苷为例可表述如下。第四节苷键的裂解试剂：水或稀醇催化剂：稀H2SO4，稀HCl，HOAc，HCOOH。反应机制：苷键原子先质子化，然后断裂生成阳碳离子或半椅型的中间体，在水中溶剂化而成糖。第四节苷键的裂解苷水解的难易程度规律：(1)苷原子上的电子云密度（电子云密度大，易于接受质子，水解容易）

(2)苷原子的空间环境（有利于接受质子，水解就容易）第四节苷键的裂解具体到化合物的结构，则有以下规律：（1）按苷键原子的不同，酸水解难易程度为：

C-苷、S-苷、O-苷、N-苷N上有一对孤对电子易接受质子，最易水解（2）当N处于酰胺或嘧啶位时，N-苷也难于水解。因为：邻位的羰基的诱导效应以及共轭效应，使N上电子云密度降低，难以水解。第四节苷键的裂解（3）芳香属苷（如酚苷）因苷元部分p-π共轭效应，水解比脂肪属苷（如萜苷、甾苷等）容易得多。某些酚苷，如蒽醌苷、香豆素苷不用酸，只加热也可能水解。即芳香苷>脂肪苷原因：苷元部分p-π共轭效应使苷原子质子化时的电子云密度增大。第四节苷键的裂解(4)2-去氧糖>2-羟基糖>2-氨基糖原因：2位羟基对苷原子的吸电子效应及2位氨基对质子的竞争性吸引第四节苷键的裂解(5)呋喃糖苷较吡喃糖苷易水解。呋喃环的平面性使各取代基处于重叠位置，形成水解中间体可以使张力减少，有利于水解。自然界：果糖、核糖是呋喃型，而葡萄糖、半乳糖及甘露糖多为吡喃型。(6)酮糖较醛糖易水解。原因：酮糖多呋喃环结构，且端基上接大基团-CH2OH。第四节苷键的裂解（7)吡喃糖苷中，吡喃环C5上的取代基越大越难水解，难易顺序为：5位接-COOH的糖、七碳糖、六碳糖、甲基五碳糖、五碳糖原因：吡喃环C5上的取代基对质子进攻有立体阻碍。（葡萄糖醛酸，加热1小时也不能水解，普通的水解只需半小时）第四节苷键的裂解(8)苷元为小基团者，苷键横键的比苷键竖键的易于水解，因为横键上原子易于质子化；苷元为大基团者，苷键竖键的比苷键横键的易于水解，这是由于苷的不稳定性促使水解。原因：小苷元在竖键时，环对质子进攻有立体阻碍。第四节苷键的裂解二、乙酰解反应常用试剂：醋酐+酸酸如：H2SO4、HClO4、CF3COOH或Lewis酸（ZnCl2、BF3）等。反应机制：与酸催化水解相似，以CH3CO+(乙酰基，Ac）为进攻基团。产物：低聚糖、单糖、苷元的酰化物第四节苷键的裂解用途：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乙酰解法可以开裂一部分苷键而保留另一部分苷键。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(环中氧原子上电子云密度降低）。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）

第四节苷键的裂解三、碱催化水解和β消除反应通常苷键对碱稳定，不易被碱水解。而酰苷、酚苷、与羰基共轭的烯醇苷、苷键β位有吸电子基团的苷易被碱水解。第四节苷键的裂解四、酶催化水解反应用酶水解苷键可以获知苷键构型，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：转化糖酶(invertase):水解β-果糖苷键；麦芽糖酶(maltase):水解α-葡萄糖苷键；纤维素酶(cellulase):水解β-葡萄糖苷键。杏仁苷酶(emulsin)：水解β-六碳醛糖苷键第四节苷键的裂解五、氧化开裂法（Smith降解法）在过碘酸氧化的基础上进行温和水解的方法。适用于：苷元结构容易改变的苷以及C－苷的水解研究。不适用于：苷元结构上有邻二醇结构的苷类。

第四节苷键的裂解例：人参皂甙Rb1水解第四节苷键的裂解反应分三步进行：第一步：在水或稀醇液中，用HIO4在室温条件下将糖元氧化开裂成二元醛；第二步：将二元醛用NaBH4还原成醇，以防醛醇进一步缩合而使水解困难；第三步：调节pH2左右，室温放置让其水解。第四节苷键的裂解第四节苷键的裂解HIO4(NaIO4)+NaBH4+稀H+→R-CHO碳苷还可以用FeCl3

氧化法开裂苷键→获得的糖为糖C1，C2间开裂的产物例：葡萄糖碳苷→阿拉伯糖C苷的Smith裂解第四节苷键的裂解六、糖醛酸苷的选择性水解反应糖醛酸苷键的裂解需要一些特殊的方法：如：光解法、四乙酸铅分解法、醋酐-吡啶分解法、微生物培养法第四节苷键的裂解第五节：糖的核磁共振性质糖的1HNMR特征第五节：糖的核磁共振性质第五节：糖的核磁共振性质

化学位移规律：端基质子：4.3~6.0ppm甲基质子：~1.0ppm

其余质子信号：3.2~4.2ppm一、糖的1HNMR性质第五节：糖的核磁共振性质第五节：糖的核磁共振性质偶合常数J：与两面角有关J邻=4.2-0.5cosφ+4.5cos2φ两面角90度J=0Hz；两面角0或180度J~8Hz；两面角60度J~4Hz第五节：糖的核磁共振性质第五节：糖的核磁共振性质对于糖质子

当2-H为直立键时，1位苷键的取向不同，1-H与2-H的两面角不同，偶合常数亦不同：

β-D-和α-L-型糖的1-H和2-H键

为双直立键，φ=180°，J=6~8Hzα-D-和-L-型糖的1-H为平伏键，2-H双直立键，φ=60°，J=2~4Hz第五节：糖的核磁共振性质第五节：糖的核磁共振性质β-D-葡萄糖苷α-D-半乳糖苷β-D-阿洛糖苷第五节：糖的核磁共振性质第五节：糖的核磁共振性质

例如：β-D-葡萄糖和α-D-葡萄糖的混合物在氢谱上显示两个端基质子信号，不仅化学位移有差别，偶合常数差别也很明显。其中β-D-葡萄糖的端基质子信号为δ4.6，J=8Hz。而α-D-葡萄糖的端基质子信号为δ5.2，J=4Hz。第五节：糖的核磁共振性质第五节：糖的核磁共振性质δ4.6，J=8Hzδ5.2，J=4Hz第五节：糖的核磁共振性质

但是当2-H为平伏键的情况下，1-H无论处于平伏键还是直立键，与2-H的两面夹角均约60度，故不能用该法判断苷键构型。第五节：糖的核磁共振性质

因此，六碳醛糖中C2构型与葡萄糖不一致的D-甘露糖的苷键，就不能用端基质子的偶合常数来判断其构型。β-D-甘露糖苷α-D-甘露糖苷第五节：糖的核磁共振性质第五节：糖的核磁共振性质

同样，甲基五碳糖中的L-鼠李糖的C2构型虽与D-葡萄糖相同，但其优势构象为1C式，2-H为平伏键，其苷键的构型亦不能用该方法判断。第五节：糖的核磁共振性质

糖上碳信号可分为几类，大致范围为：

1.CH3~18ppm甲基五碳糖的C6，一般有几个信号(扣除苷元中的甲基)可表示有几个甲基五碳糖存在。

2.CH2OH~62ppmC5或C63.CHOH69~85ppm糖氧环上的C2~C44.-O-CH-O-95~105ppm端基C1或C2，在此范围内有几个信号可视为有几种糖存在于糖链的重复单位中。二、糖的13CNMR性质第五节：糖的核磁共振性质（一）化学位移及偶合常数：1、化学位移糖的优势构象为C1时，β-D和α-L型苷健的端基碳信号，化学位移大于100，α-D和β-L型的小于100，糖的优势构象为1C时，α-D和β-L型苷健的端基碳信号，化学位移大于100，β-D和α-L型的小于100。第五节：糖的核磁共振性质第五节：糖的核磁共振性质2、偶合常数在吡喃糖中端基碳的碳氢偶合常数（1JC1-H1）也可用于确定苷键的构型。当优势构象为C1式，偶合常数为170左右时，为α-D或β-L型苷键；偶合常数为160Hz左右时，为β-D或α-L型苷键。鼠李糖优势构象为1C式，α-L型苷键偶合常数为170左右时，β-L型苷键偶合常数为160Hz左右。糖与苷元成苷后，苷元α碳、β碳和糖的端基碳的化学位移值均发生了改变，这种改变称为苷化位移。1、苷化位移值和苷元的结构有关，与糖的种类无关。2、苷化位移在推测糖与苷元、糖与糖的连接位置、某些苷元被苷化碳的绝对构型和碳氢信号归属上具有重要的作用。（二）苷化位移第五节：糖的核磁共振性质水解前后△δ：苷苷元

C229.732.0-2.3C377.070.9+6.1C434.338.4-4.1因成苷引起的化学位移变化，专业上称之为苷化位移。一、研究糖链结构的一般程序1、纯度鉴定多糖的纯度鉴定：超离心法、高压电泳法、凝胶色谱法、旋光测定法、其他方法。第六节：糖链的结构测定2、分子量测定单糖、低聚糖及其苷的分子量测定：目前主要用MS法，但由于它们为多羟基化合物，普通EI-MS往往测得的最高质量峰为M-H2O，而并非分子离子峰；所以，多采用FD-MS、FAB-MS、FI-MS、ESI-MS等。第六节：糖链的结构测定3、单糖的鉴定为了鉴定低聚糖、苷类乃至多糖分子中的单糖种类及其比例，通常是将其苷键全部水解（乙酰解），然后经TLC、PC、GC或HPLC检出。第六节：糖链的结构测定4、单糖绝对构型的测定确定单糖绝对构型的方法有GC法、HPLC法、手性柱色谱法、手性检测器法、旋光比较法第六节：糖链的结构测定5、糖连接位置的确定（1）苷元和糖之间连接位置的确定以前通过分析由化学降解或酶解得到的产物来确定糖与苷元之间的连接位置，现在这种方法逐渐被NMR谱的解析所取代。13C-NMR谱是确定苷元与糖之间连接位置的有效方