北京大学有机化学ppt课件

第二十一章单糖、寡糖和多糖,exit,1,第一节糖的定义和分类第二节单糖的链式结构及表示方法第三节单糖的命名第四节单糖的环型结构第五节单糖的反应第六节葡萄糖结构的测定第七节一些重要的单糖及其衍生物第八节双糖,本章提纲,2,丙醛糖醛糖丁醛糖单糖戊醛糖糖寡糖酮糖己醛糖多糖,第一节糖的定义和分类,定义：多羟基的醛或酮或经简单水解能生成这类醛酮的化合物称为糖。,3,植物nCO2+mH2OCn(H2O)m动物Cn(H2O)m+nO2nCO2+mH2O+能量,h,最小的酮糖,CH2OH,CHO,H,OH,最小的醛糖,叶绿素,4,H左，HO右，D系列H右，HO左，L系列,第二节单糖的链式结构及表示方法,5,实例系统命名法习惯命名法类别,第三节单糖的命名,(2R)-2,3-二羟基丙醛D-(+)甘油醛丙醛糖(2R,3R,4R)-2,3,4,5-四羟基戊醛D-(-)-核糖戊醛糖(3S,4R,5R)-3,4,5,6-四羟基已-2-酮D-(-)-果糖已酮糖,6,一葡萄糖的变旋现象，某些特性及环型结构的提出二葡萄糖环型结构的画法-哈武斯透视式三葡萄糖的构象式,第四节单糖的环型结构,7,一葡萄糖的变旋现象，某些特性及环型结构,一个有旋光的化合物，放入溶液中，它的旋光度逐渐变化，最后达到一个稳定的平衡值，这种现象称为变旋现象。,1.葡萄糖的变旋现象,8,D-(+)-葡萄糖,-D-(+)-葡萄糖（无结晶水）,-D-(+)-葡萄糖,在乙醇中重结晶,在吡啶中重结晶,在HOAc中重结晶,mp146oC,mp148-150oC,H2O,H2O,浓缩,()-D-(+)-葡萄糖的水溶液,()-D-(+)-葡萄糖的水溶液,D=+112o,放置,D=+18.7o,放置,所得溶液D=52.7o,9,(1)D-葡萄糖只能与一个醇（甲醇）形成缩醛。(2)不与NaHSO3反应。(3)IR图谱中没有羰基的伸缩振动。(4)1HNMR图谱中没有醛基质子的吸收峰。(5)能与斐林试剂、土伦试剂、H2NOH、HCN、Br2水等发生反应。（有醛基）,2葡萄糖的其它特性,无醛基,葡萄糖的链式结构无法合理解释上述各种特性,10,环状半缩醛、半缩酮的启迪，糖环形结构的提出。,3.糖环形结构的提出,HOCH2CH2CH2CHO,HOCH2CH2CH2CH2CHO,11,二葡萄糖环型结构的画法-哈武斯透视式,向右倒下,绕成环,C3-C4键旋转,-D-呋喃葡萄糖,-D-呋喃葡萄糖,12,+,-D-吡喃葡萄糖,-D-吡喃葡萄糖,or,将单糖的Fischer构象式改写成Howorth透视式,-D-吡喃葡萄糖,13,葡萄糖的存在形式,-D-吡喃葡萄糖,-D-吡喃葡萄糖,-D-呋喃葡萄糖,-D-呋喃葡萄糖,63.6%,36.4%,（4）（2），所以，混合物中-D-吡喃葡萄糖多。,(1)(2),(3)(4),15,一糖的递增反应克里安尼氰化增碳法二糖的递降反应1)佛尔递降反应2)芦福递降法三差向异构化四形成糖脎五氧化六还原七形成糖苷八酯化反应,第五节单糖的反应,16,一糖的递增反应-克里安尼氰化增碳法,pH=3-5,HCN,H3O+,H3O+,Na-HgH2O,Na-HgH2O,pH=3-5,17,*1.原来分子的手性碳原子，对新生的手性碳原子具有一定的感应作用，所以两个差向异构体是不等量的。*2.若用Na-Hg乙醇溶液还原，则产物两端均为醇。*3.该反应产率不高，主要用于研究结构。,18,二糖的递降反应,1佛尔递降法,-HCN,H2NOH,Ac2ONaOAc,-HOAc,MeO-,MeOH,MeOH,MeO-,醛加HCN的逆反应,碱,乙酰化,酯交换,19,2芦福递降法（氧化脱羧）,CaBr2,CaCO3,H2O2,Fe3+,40oC,-CO2,D-阿拉伯糖,电解氧化,20,三差向异构化,在弱碱性条件下，糖中与羰基相邻的不对称碳原子的构型发生变化，这称为差向异构化。,D-果糖,弱碱如吡啶、三级胺等（差向异构化）,D-葡萄糖,D-甘露糖,烯二醇,21,糖酸在类似的条件下也能发生差向异构化。,糖酸的差向异构化,Na-HgH2OpH=3-5,CaBr2,CaCO3,Ca(OH)2,125oC,H+,差向异构化,电解氧化,D-阿拉伯糖,D-核糖,22,四形成糖脎,一分子糖和三分子苯肼反应，在糖的1,2-位形成二苯腙（称为脎）的反应称为成脎反应。,23,成脎反应的应用：1.用来鉴别各种糖（因为不同的糖脎结晶形状不同，熔点不同，形成的时间也不同）。糖脎都是黄色晶体。2.用于研究糖的构型（葡萄糖、甘露糖、果糖具有相同的糖脎，这说明这三个糖除第一和第二个碳原子构型不同外，其它碳原子的构型完全相同）3.将葡萄糖转变成果糖。,24,五糖的氧化反应,还原糖和非还原糖的概念：凡是对斐林试剂、土伦试剂、本尼迪特试剂呈正反应的糖称为还原糖，呈负反应的糖称为非还原糖。,斐林试剂（硫酸酮和碱性酒石酸钾钠）土伦试剂（硝酸银的氨水溶液）本尼迪特试剂（柠檬酸、硫酸铜、碳酸钠配制成）,25,1.用斐林试剂、土伦试剂、本尼迪特试剂氧化,斐林试剂or土伦试剂or本尼迪特试剂,D-葡萄糖,D-葡萄糖酸,26,2.用溴水氧化-形成糖酸（区别酮糖和醛糖）,Br-H2OpH=5,与C5上羟基成酯,与C4上羟基成酯,在弱酸性条件下不会发生异构化。,D-葡萄糖酸-内酯,D-葡萄糖酸-内酯,D-葡萄糖酸,27,3.电解氧化（用来制备糖酸）,CaBr2,CaCO3,CaBr2+H2O+CO2,CaBr2,Ca(OH)2+Br2,H2O,D-葡萄糖酸钙（钙片）,电解氧化,-CHO+Br2,-COOH+Ca(OH)2,电解,H2O,-COOH+HBr,-COO1/2Ca,2HBr+CaCO3,过程,28,（1）稀硝酸能把醛糖氧化成糖二酸。（2）稀硝酸氧化酮糖时导致C1-C2键断裂，用来区别醛糖和酮糖或用来测定结构。（3）浓硝酸能使二级醇氧化，进一步导致C-C键断裂，因此不能使用。,4.用硝酸氧化,稀HNO3,29,5.用高碘酸氧化,RCHO+RCHO+H3IO4,反应机理,+5HIO4,5HCOOH+CH2O,30,3内酯二醇催化剂：钠汞齐乙醇溶液,六单糖的还原,1糖糖醇,2内酯醛糖（在糖的递增反应中已讲）催化剂：钠汞齐（Na-Hg）水溶液pH=3-5,H2，兰尼Ni,orNaBH4,D-葡萄糖醇（L-山梨糖醇）,31,七形成糖苷,环状糖的半缩醛羟基能与另一分子化合物中的羟基、氨基或硫羟基等失水，生成的失水产物称为糖苷，也称为配糖体。由葡萄糖衍生的糖苷叫葡萄糖苷，失水时形成的键叫苷键。,32,糖苷的名称由三部分组成：配基+糖的残基+（糖）苷,甲基-D-吡喃葡萄糖苷,甲基-D-吡喃葡萄糖苷,CH3OH,H+,CH3OH,H+,-苷键,-苷键,配基,33,在酸催化下，只有糖的半缩醛羟基能与另一分子醇反应形成醚键。但用威廉森反应可使糖上所有的羟基（包括半缩醛的羟基）形成醚。最常用的甲基化试剂是：（1）30%NaOH+(CH3)2SO4（2）Ag2O+CH3I糖苷从结构上看是缩醛，在碱性条件下是稳定的，但可用温和的酸性条件水解，生成糖和配基。而普通的醚键在温和的酸性条件下是稳定的，只有在强的HX作用下才分解。,关于半缩醛羟基和一般羟基反应的几点注意,34,酶也能促使糖苷水解，而且是立体专一的（例如，从酵母中分离得到的-D-葡萄糖苷酶只能水解-D-葡萄吡喃糖苷，而从杏仁中得到的-D-葡萄糖苷酶只水解-D-葡萄糖苷。醛和酮可以和糖分子中邻位顺式羟基缩合形成环状的缩醛和缩酮，该反应可以用来保护羟基（一般规律是丙酮与邻位顺式羟基缩合形成环状的缩酮，而苯甲醛与1,3-二醇生成六元环的缩醛）,35,八酯化反应,应用制备酯的通用方法可以在糖中的每一个有羟基的地方发生成酯反应。,-D-吡喃葡萄糖五乙酸酯,-D-吡喃葡萄糖五乙酸酯,-D-吡喃葡萄糖,-D-吡喃葡萄糖,快Ac2O,慢,快Ac2O,0oC,NaAc0oC,NaAc0oC,100oC,相对较快,无水ZnCl2Ac2O,Ac2O,NaOAc100oC相对较慢,ZnCl2,36,-D-吡喃葡萄糖-6-磷酸酯,葡萄糖磷酸酯,-D-吡喃葡萄糖-1-磷酸酯,37,+,D-果糖-1，6-二磷酸酯,二羟基丙酮磷酸酯,D-甘油醛-3-磷酸酯,代谢过程中经多步反应,酶,-D-吡喃葡萄糖-6-磷酸酯,38,一葡萄糖碳架的测定二葡萄糖立体结构的测定三葡萄糖环型结构的测定四葡萄糖的构象分析,第六节葡萄糖结构的测定,39,葡萄糖结构的测定是费歇尔进行糖结构研究时完成的，历时7年（1884-1891年）1902年获诺贝尔奖,一葡萄糖碳架的测定,40,5(CH3CO)2O,有五个羟基，连在5个C上,葡萄糖五醋酸酯,H2NOH,只得到一元肟说明分子中只有一个羰基,能用溴水氧化，说明分子中有醛羰基。,Br2-H2O,HI,P,HCN,H3+O,CH3(CH2)4COOH,六个碳是直链的。,C6H7O(OOCCH3)5+5HAc,41,二葡萄糖立体结构的测定,实验一:反复进行克里安尼增碳法,得8个D-六碳糖.,2,(5)(6)(7)(8),(1)(2)(3)(4),42,实验二：进行成脎反应，D-葡萄糖和D-甘露糖成脎后相同，所以可以把8个糖分成四组。,第二组：,第一组：,第三组：,第四组：,43,实验三，用硝酸将以上八个化合物氧化成糖二酸，结果：化合物（1）有旋光（2）有旋光（3）无旋光（4）有旋光（5）有旋光（6）有旋光（7）无旋光（8）有旋光但是天然的D-葡萄糖和D-甘露糖用硝酸氧化后都得到有旋光的糖二酸，因此第二组化合物(3),(4)和第四组化合物(7),(8)不可能是D-葡萄糖和D-甘露糖。,44,为了进一步确定D-葡萄糖的结构，可利用D-阿拉伯糖（五碳糖）进行第四个实验。,通过以上的三个实验，已经确定了D-葡萄糖可能具有以下的结构：,45,将D-阿拉伯糖氧化后，可得到有旋光的二酸。因此，具有与第一个原料一样的结构。再将D-阿拉伯糖通过克里安尼增碳法可得到D-葡萄糖和D-甘露糖。通过以上的方法，可确定D-葡萄糖具有第一组化合物(1),(2)的构型。,克-增,克-增,HNO3,HNO3,有旋光,无旋光,(1)+(2),(5)+(6),实验四：,1,2,46,实验五：头尾对调法,47,将D-葡萄糖用稀硝酸氧化成D-葡萄糖二酸，随即失水成双内酯，再用适量的Na-Hg齐在乙醇中使其中一个内酯还原成二醇，再用适量的Na-Hg齐在pH=35还原另一个内酯为醇和醛，结果得到二个产物，一个仍为D-葡萄糖，而另一个为L-古罗糖。如用D-甘露糖进行上述反应，只能得到一个产物，仍为D-甘露糖。因此，通过以上五组实验，不仅确定了D-葡萄糖的绝对构型，而且也确定了其它单糖类化合物的绝对构型。,48,1.环型结构的提出（参见第四节）2.环大小的确定费歇尔用下面两种方法来确定环的大小。,三葡萄糖环型结构的测定,49,+CH3OH,H+,orCH3I-Ag2O,(CH3)2SO4NaOH,H3+O,+,HNO3,（1）甲基化法,基本思想：根据最后的碎片确定形成半缩醛羟基的位置.,50,基本思想：打断所有-二醇的碳碳键，然后根据碎片来拼凑分子。,2H5IO6,CH3OHH+,（2）高碘酸法,51,L-(+)-阿拉伯糖D-(+)-木糖D-(-)-核糖D-(-)-2-脱氧核糖,第七节一些重要的单糖及其衍生物,氨基糖,D-(+)-葡萄糖D-(+)-甘露糖D-(+)-半乳糖D-(-)-果糖,N-甲基-L-2-氨基葡萄糖,-D-2-氨基葡萄糖,52,维生素C的合成,Cu-Cr,H2,D-葡萄糖,L-山梨糖醇,醋酸菌氧化,L-山梨糖,维生素C,酯交换,保护羟基,氧化,去保护,酯化,烯醇化,53,一纤维二糖的结构和命名二乳糖的结构和命名三麦芽糖的结构和命名四蔗糖的结构和命名,第八节双糖,54,定义：水解后产生两分子单糖的低聚糖称为双糖。（或称：一分子单糖中的半缩醛羟基和另一分子单糖中的羟基发生失水反应得到的糖为双糖）,双糖的定义、组成、表达方式（Fisher投影式、Haworth透视式、构象式）、命名（名称和苷键）、结构测定。,要求同学掌握,55,（1）纤维二糖是纤维素水解的产物。纤维二糖水解产生一分子-D-吡喃葡萄糖和一分子D-吡喃葡萄糖。（2）因为整个分子中保留了一个半缩醛的羟基，能与土伦、斐林、本尼迪特试剂反应，所以是还原糖。,-D-吡喃葡萄糖,D-吡喃葡萄糖,一纤维二糖的结构和命名（C12H22O11）,-1,4-苷键,56,4-O-（-D-吡喃葡萄糖基）-D-吡喃葡萄糖,（3）命名时选保留半缩醛羟基的糖为母体，另一个糖为取代基。,57,（1）乳糖水解产生一分子-D-吡喃半乳糖和一分子D-吡喃葡萄糖。（2）分子中保留了一个半缩醛的羟基，所以是还原糖。,二乳糖的结构和命名（C12H22O11）,-1,4-苷键,58,4-O-（-D-吡喃半乳糖基）-D-吡喃葡萄糖,（3）命名时选保留半缩醛羟基的糖为母体，另一个糖为取代基。,59,（1）麦芽糖是淀粉水解的产物。麦芽糖水解产生一分子-D-吡喃葡萄糖和一分子D-吡喃葡萄糖。（2）麦芽糖分子中保留了一个半缩醛羟基，是还原糖。,三麦芽糖的结构和命名,1.组成和命名,成苷部分,未成苷部分,60,4-O-（-D-吡喃葡萄糖基）-D-吡喃葡萄糖,-1，4-苷键,（3）命名时选保留半缩醛羟基的糖为母体，另一个糖为取代基。,61,2.怎样证明麦芽糖是还原糖,（1）有变旋现象；（2）可以被土伦试剂、斐林试剂、本尼迪特试剂氧化；（3）能与苯肼反应生成糖脎；,62,Br2-H2O,C6H5NHNH2HOAc,（4）能被溴水氧化成麦芽糖酸,63,（1）麦芽糖只能被-D-吡喃葡萄糖苷酶水解，不能被-D-吡喃葡萄糖苷酶水解，所以证明两个糖以-苷键相连；（2）成苷必须有半缩醛羟基参加，所以成苷部分必然是提供1-位键；（3）通过甲基化反应，可以确定苷键的另一个位置是4位。（见下页的反应式）综合(1)，(2)，(3)，证明麦芽糖具有-1,4-苷键。,3.怎样证明麦芽糖具有-1,4-苷键,64,Br2-H2O,(CH3)2