天然药物化学(改)-2

1、第二章 糖和苷Saccharides and Glycosides 1概 述一、糖(saccharides)：碳水化合物(carbohydrates)，是自然界存在的一类重要的天然产物，是生命活动所必需的一类物质。 糖、核酸、蛋白质、脂质一起称为生命活动所必需的四大类化合物。 按照其聚合程度可分为单糖、低聚糖（寡糖）和多糖等。2二、苷类又称配糖体(glycosides)，是由糖或糖的衍生物等与另一非糖物质通过半缩醛或半缩酮的羟基与苷元脱水形成的化合物。非糖体X糖（XC、O、S、N）非糖体：黄酮类、蒽醌类、生物碱类、萜类等3三、糖和苷生理活性糖类占植物干重8090，在天然药物治疗疾病中，可以看作

2、是药效学物质基础的运载体。 糖具有生理活性，如香菇多糖、猪苓多糖、黄芪多糖具有抗肿瘤活性，成为当今研究领域的热点。 苷类种类繁多，结构不一，其生理活性也多种多样成为当今研究天然药物中不可忽视的一类成分。许多常见的中药例如人参、甘草、柴胡、黄芪、黄芩、桔梗、芍药等都含有苷类。4单糖结构表示方法： Fischer式Haworth式优势构象式一、单糖结构式的表示方法 单糖是多羟基醛或酮，是组成糖及其衍生物的基本单元。第一节 单糖的立体化学56 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。- D-Glc - D-Glc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（fu

3、ranose）7Fischer式:距离羰基最远的手性碳原子上的羟基在右侧的称为D型糖，在左侧的称为L型糖。 D-葡萄糖L-鼠李糖二、糖的绝对构型：D，L8 L-鼠李糖（L-Rha） D-葡萄糖(D-Glc) Haworth式: 1)甲基五碳、六碳吡喃型糖，五碳呋喃型糖，看那个手性碳原子上的取代基的朝向，取代基向上-D型； 取代基向下-L型。D-核糖（D-Rib）9）五碳吡喃型糖：C4-OH在面下为 D型糖，在面上 为L-型糖。D-木糖（D-Xyl）D-甘露糖 D-半乳糖举例 10（一）原因： 单糖成环后形成了一个新的手性碳原子，称为端基碳。该碳原子形成的一对异构体为端基差向异构体，有、两种构型

4、。三、糖的相对构型：、 端基碳上H被称为端基H，OH被称为端OH111、Fischer投影式： 新形成的羟基与距离羰基最远的手性碳原子上的羟基在同侧时为构型，在异侧时为构型。-构型-构型（二）表示：12甲基五碳、六碳吡喃型糖： C5-R与端基羟基在同侧为构型，异侧为构型。-D-葡萄糖-D-葡萄糖2、Haworth投影式13五碳呋喃型糖： C4-R与端基羟基在同侧为型，异侧为型。-D-核糖-D-核糖14五碳吡喃型糖： C4-OH与端基碳上的羟基在同侧的为型，在异侧为型。-D-木糖-D-木糖15一、单糖类（monosaccharide） 天然单糖以五碳糖、六碳糖最多，多数在生物体内呈结合状态，只有

5、葡萄糖、果糖等少数单糖游离存在。糖类物质根据其能否水解和分子量的大小分为单糖、低聚糖和多糖（一）五碳醛糖（aldopentose） L-阿拉伯糖（L-arabinose,Ara) D-核糖 （D-ribose,Rib） D-木糖（D-xylose,Xyl）第二节 糖和苷的分类Classify of Saccharides and Glycosides 16（二）六碳醛糖（aldohexoses） D-葡萄糖（D-glucose,Glc） D-甘露糖 （D-mannose,Man） D-半乳糖（D-allose,All） D-果糖（D-fructose,Fru） L-山梨糖（L-sorbose）

6、（三）六碳酮糖（ketohexose,hexulose)17（四）甲基五碳醛糖 L-鼠李糖（L-rhamaose,Rha） L-夫糖（L-fucose）（五）支碳链糖 D-芹糖（D-apiose） L-链酶糖(L-rhamaose,Rha）18（六）氨基糖（amino sugar） NH32-氨基-2-去氧-D-葡萄糖 （D-glucosaming）（七）去氧糖（deoxysugars） 碳霉糖（L-mycarose）19（八）糖醛酸：单糖中的伯醇基被氧化成羧基的化合物。 D-葡萄糖醛酸（ D-glucuronic acid） D-半乳糖醛酸 （D- galactocuronic）（九）糖醇

7、：单糖中的羰基被还原成羟基的化合物。 D-山梨醇（D-mannitol) D-甘露醇（D-mannitol）20二、低聚糖（oligosaccharides） 1.按含有单糖的个数分为二糖、三糖、四糖等。2.按是否含有游离醛基和酮基分还原糖和非还原糖。 具有游离醛基或酮基的糖为还原糖。 由半缩醛或半缩酮上的羟基通过脱水缩合而成的聚糖没有还原性，为非还原糖。由29个单糖通过苷键结合而成的直链或支链聚糖。21 槐糖（还原糖)蔗糖（非还原糖)-D-Glcp-(12)-D-glcp-D-Fruf-(11)-D-Glcp化学命名：把除末端糖之外的叫糖基，并标明连接位置和苷键构型。22 植物中的三糖大多是

8、以蔗糖为基本结构再接上其它单糖而成的非还原性糖，四糖和五糖是三糖结构再延长，也是非还原性糖。二糖：蔗糖三糖：棉子糖四糖：水苏糖五糖：毛蕊糖23由十个以上单糖通过苷键连接而成的糖称为多聚糖。三、多聚糖类（polysaccharides）3：按来源：植物多糖；动物多糖分类：1、按功能：不溶于水的作为动植物的支持组织的多糖； 溶于水的作为动植物的贮存养料的多糖。 2、按单糖组成：均多糖(homosaccharide) （由同种单糖组 成）和杂多糖(heterosaccharide)（由多种单糖组成）24杂多糖：几种糖名按字母顺序排列后，再加字尾-an， 如葡萄甘露聚糖为glucomannan.系统命

9、名：均多糖：在糖名后加字尾-an，如葡聚糖为glucan。常见植物多糖 1.淀粉（starch） 2.纤维素（cellulose） 3.果聚糖（fructans ) 4.半纤维素（ hemicellucose） 5.树胶（gum） 6.粘液质（mucilage）25（一）定义 ： 苷是由糖及其衍生物的半缩醛或半缩酮羟基与非糖物质（苷元）脱水形成的一类化合物。新生成化学键为苷键。四、苷类(glycoside) (又称配糖体)（二）组成：苷元(配基)：非糖的物质，常见的有黄酮，蒽醌， 三萜等。苷键：将二者连接起来的化学键，可通过O,N,S等原子 或直接通过N-N键相连。糖(或其衍生物，如氨基糖，糖

10、醛酸等)苷类化合物的命名： 以 -in 或 oside 作后缀。苷类261、根据苷元的化学结构类型：分为黄酮苷、蒽醌苷、苯丙素苷等。2、根据苷某些特殊性质或生理活性：分为皂苷、强心苷等。 3、根据在生物体内是原生还是次生：分为原生苷（在植物体内原存在的苷）和次生苷（从原生苷中脱掉一个以上单糖的苷）。 4、根据连接单糖基的个数： 1个糖单糖苷 2个糖双糖苷 3个糖叁糖苷（三）分类：275、根据苷元连接糖基的位置数： 1个位置成苷单糖链苷 2个位置成苷双糖链苷6、按端基碳构型：分苷，多为L型； 苷，多为D型。7、根据苷键原子的不同：分为氧苷（O苷）、氮苷（N苷）、硫苷（S苷）、碳苷（C苷）等。在天

11、然界中最常见的为O苷。28根据苷元成苷官能团的不同将氧苷分为以下几类： 醇苷、酚苷、氰苷、酯苷、吲哚苷。（1）氧苷醇苷：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。红景天苷甘草酸29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,如：天麻苷30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： 主要有-羟腈的苷,如：苦杏仁苷亚麻氰苷-羟基腈很不稳定易在酸和酶的催化作用下水解得到-羟腈苷元，它的性质不稳定很快就分解为醛或酮和氢氰酸，氢氰酸是止咳的有效成分，也容易引起人和动物中毒

12、。31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。山慈菇苷A吲哚苷：是吲哚醇羟基与糖脱水生成的苷。靛苷菘蓝苷32 苷元上的巯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。萝卜苷（2）硫苷33 苷元上的氨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。腺苷巴豆苷（3）氮苷34 苷元碳上的氢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。异牡荆素芦荟苷（4）碳苷碳苷类化合物具有溶解度小、难以水解的特点。35一、溶解性 多OH：亲水性，苷比相应的苷元水溶性强。 糖分子中OH减少，亲水性下降。如去氧糖、

13、甲基糖、甲氧基糖苷的水溶性均小于非去氧糖。 二、氧化反应 糖分子中的醛基、酮基、醇羟基，易被氧化，天然药物中的糖多形成苷，故有应用意义的主要是醇羟基的氧化，尤其是选择性作用于邻二羟基的氧化反应将有助于糖的立体结构推断。 第三节 糖的化学性质36基本方式：作用缓和，选择性高，限于同邻二醇、-氨基醇、-羟基醛(酮)、邻二酮和某些活性次甲基上，基本反应如下：（一）过碘酸氧化反应 是缓和而选择性极高的糖的邻二羟基氧化反应，尤其是开裂1，2-二元醇反应几乎是定量进行的。 37 糖的裂解38过碘酸氧化反应的速度 反应速度顺式大于反式，这是由其反应机理决定的。 可见顺式五元环状酯中间体的形成，同时该反应速度

14、也受介质pH的影响。 过碘酸反应的终产物甲醛、甲酸均较稳定，可被定量测定，用以推测糖的结构。 39（二）糠醛形成反应40糠醛及衍生物与-萘酚缩合物Molish 反应：试剂：浓H2SO4，萘酚Molish反应用途：用来鉴别糖和苷，区别苷和苷元。糠醛衍生物芳胺或酚类缩合显色（苯酚、萘酚、苯胺、蒽酮等）样品浓H2SO4 萘酚棕色环（单糖、低聚糖、多糖、苷）41第四节 苷键的裂解 苷键的裂解反应就是使苷键切断，从而更方便地了解苷元的结构、所连糖的种类和组成、苷元与糖的连接方式、糖与糖的连接方式。按照所用催化剂的不同可分为酸催化水解、碱催化水解、酶水解和过碘酸裂解等。苷键的裂解方法有以几种分类方法：按裂

15、解的程度可分为：全裂解和部分裂解；按所用的方法可分为均相水解和双相水解；42一、酸催化水解苷键属于缩醛结构，易为稀酸催化水解。反应一般在水或稀醇溶液中进行。常用的酸有HCl, H2SO4, 乙酸和甲酸等。苷键原子先质子化，然后断裂生成苷元和阳碳离子或半椅式的中间体，在水中溶剂化成糖。（一）反应的机理：43以氧苷为例，其机理为：脱质子质子化脱苷元互变溶剂化阳碳离子半椅型44这主要包括两个方面的因素： (1) 苷键原子上的电子云密度 (2) 苷键原子的空间环境 由上述机理可以看出，影响水解难易程度的关键因素在于苷键原子的质子化是否容易进行，有利于苷键原子质子化的因素，就可使水解容易进行。45N-苷

16、O-苷S-苷C-苷1、苷键原子的不同，酸水解难易程度不同，其水解易难顺序为：（二）酸水解难易程度规律：2、糖部分：1）呋喃糖苷吡喃糖苷2）酮糖苷醛糖苷3）吡喃糖苷中： 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 C5上有-COOH取代时，最难水解 去氧糖水解的难易顺序 2,6-二去氧糖苷2-去氧糖苷6-去氧糖苷羟基糖苷2-氨基糖苷463、苷元部分：1）芳香属苷脂肪属苷如：酚苷 萜苷、甾苷2）当苷元为小基团时,横键苷键易水解； 当苷元为大基团时,竖键苷键易水解。(三）局限性1、有时会导致苷元结构改变2、不能反应糖和糖的连接位置（四）两相水解法 对酸不稳定的苷

17、元，为了防止水解引起苷元结构的改变，可用两相水解反应。在水解液（稀H/H2O）中加入与水不相混溶的有机溶剂（如苯等），使水解产生的苷元立即进入有机相，避免苷元与酸长时间接触而遭到破坏。47通常苷键对碱稳定，不易被碱水解。而酯苷、酚苷、与羰基共轭的烯醇苷、苷键位有吸电子基团的苷易被碱水解。二、碱催化水解C2-OH与苷键成反式易于碱水解，得到1,6-糖酐；成顺式则得到正常的糖。48常用的苷键水解酶： 转化糖酶水解-果糖苷键 麦芽糖酶水解-D-葡萄糖苷键 纤维素酶水解- D-葡萄糖苷键 杏仁苷酶水解-六碳醛糖苷键 芥子苷酶水解芥子苷键（S苷键）三、酶催化水解反应1、反应条件温和。特点：2、用酶水解苷

18、键可以获知苷键的构型。3、可保持苷元结构不变的真正苷元。4、酶专属性高，选择性地催化水解某一构型的苷。49特点：1、反应条件温和、易得到原苷元； 2、可通过产物推测糖的种类、糖与糖的连接方式以 及氧环大小。四、过碘酸裂解反应（Smith降解法）所用试剂为：NaIO4、NaBH4、稀酸适用范围：苷元不稳定的苷和碳苷（得到连有一个醛基的苷元）不适合：苷元上有邻二醇羟基或易被氧化的基团的苷。50应用于碳苷的情况:51 （一）化学位移规律： 端基质子：4.36.0ppm 特点:比较容易辨认，能确定糖基的种类和个数 甲基质子：1.0ppm 特点:比较容易辨认能确定甲基五碳糖的种类和个数 糖上其余质子信号

19、：3.24.2ppm 特点: 信号集中,难以解析第五节 糖的NMR特征一、糖的1H-NMR特征52（二）苷键相对构型判断（，）1、利用（1-H/2-H）偶合常数（J）判断： 二面角90度 J0Hz； 二面角0或180度 J68Hz； 二面角60度 J24Hz (1)当2-H为直立键（a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：-D-和-L-型糖：1-H和2-H键为双直立键， =180，J68Hz-D-和-L-型糖：1-H为平伏键，2-H双直立键， 60，J24Hz53可通过C1-H与C2-H的偶合常数，来判断苷键的构型（、） 苷JH1H268Hz 苷JH1H2 2

20、4Hz54D-葡萄糖55 (2)当2-H为平伏键（e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。-D-甘露糖苷 -D-甘露糖苷56 2、利用门控偶技术可以得到端基质子和端基碳的偶合常数，即1JC1-H1来区别。如吡喃糖苷 当1-H是横键质子(-苷键)时，J=170Hz， 当1-H是竖键质子(-苷键)时，J=160Hz。57二、糖的13C-NMR特征 、糖上碳信号可分为几类，大致范围为： CH318(甲基五碳糖的C6)； CH2OH62(C5或C6)； CHOH7085(C2C3C4)； 端基碳95110（-型的为97101，而-型的为1

21、03106ppm）； 糖上甲氧基碳65。 582、苷化位移（GS） 苷化位移值和苷元的结构有关，与糖的种类无关。例如： C1 位移 C2 位移 -D-葡萄糖 96.7 75.1甲基-D-葡萄糖苷 104.0 +8.3 74.1 -1.0-D-半乳糖 97.3 72.9甲基-D-半乳糖 104.5 +8.3 71.7 -0.8-L-鼠李吡喃糖 95.1 71.9甲基-L-鼠李糖苷 102.6 +7.5 72.1 -0.2 定义：糖苷化后，端基碳和苷元-C化学位移值均向低场移动，而邻碳稍向高场移动（偶而也有向低场移动的），对其余碳的影响不大，这种苷化前后的化学变化，称苷化位移。593、13C-NM

22、R意义 CH3扣除苷元CH3信号后可提示甲基五碳糖的存在数（18）；95110间示苷分子中糖的个数；端基碳的具体峰值可推断苷键构型；由13C-NMR中苷化位移可推断糖与苷元的连接位置。 60一、研究糖链结构的一般程序 （一）纯度鉴定 多糖的纯度鉴定：多用比旋度法(恒定不改变)；高压电泳法，熔点，TLC、HPLC。糖的衍生物苷的纯度鉴定：TLC、HPLC。 第六节 糖链的结构测定61（二）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等。 多糖的分子量测

23、定：目前仍沿用经典高分子化合物分子量的测定方法，如粘度法、沉降法等，甚至仅仅测定标示其平均分子量。 62(三) 组成苷的苷元和单糖的鉴定 将苷用稀酸或酶进行水解，使生成苷元和各种单糖，然后再对这些水解产物进行鉴定。1、苷元的结构鉴定 苷元的结构类型不一，需要通过某些化学反应先确定其结构类型和基本母核结构，再按照所属类型分别进行研究，其方法将在有关章节中逐一介绍。2、组成苷中糖的种类鉴定 通常采用PC、TLC、GC或HPLC等方法对水解液进行鉴定，也可以直接通过解析苷的二维NMR谱进行鉴定。 63 3、苷中糖的数目的测定 利用PC或TLC法鉴定苷水解液中糖的种类，也可进一步采用薄层扫描法测定单糖

24、斑点的含量，算出各单糖的分子比，推测糖的数目。 近年来： 利用质谱测定苷和苷元的分子量的差值，求出糖的数目。 利用氢谱，根据端基质子的信号数目确定糖分子的数目； 利用碳谱，根据端基碳信号的数目(一般位于90112ppm处)，或者根据苷分子总的碳信号数目与苷元碳信号数目的差值，推断出糖的数目。 此外利用二维1H-1H相关谱和1H-13C相关谱，也是确定苷中糖的数目的有效方法。64（四）单糖间、糖与苷元间连接位置的确定 1、苷元与糖间连接位置的确定 以前通过化学降解或酶解得到的产物来确定，现逐渐被13C-NMR谱（苷化位移法）的方法所取代。 将苷或低聚糖先行甲醚化或乙酰化，测得其13C-NMR谱，

25、然后将其水解，再测其水解产物的13C-NMR谱，归属比较其变化，以推断苷键的连接位置。65水解前后 ： C2 29.7 32.0 -2.3 C3 77.0 70.9 +6.1 C4 34.3 38.4 -4.1 因成苷引起的化学位移变化，专业上称之为苷化位移（glycosidation shift）。 662、糖链连接顺序的确定 经典方法：缓和水解；酶解；乙酰解等 这些方法都是将苷部分裂解成次级苷或低聚糖，再分析鉴定糖的碎片。 虽然经典方法至今尚有一定的实际应用价值，但日新月异的波谱技术已正在取代其角色。 672008-6-4 68 MS法测定糖链连接顺序 技术FD-MS、FAB-MS等。 优

26、点不必制备衍生物,用量小,准确,简便。 682008-6-4 69 NMR法测定糖链连接顺序 是将糖及其苷类衍生物全乙酰化后，测定观察两糖之间质子的远程偶合或NOE效应，以期确定糖的连接顺序。 69（五）苷键构型的确定 糖与苷元之间的苷键及糖与糖之间的苷键属于缩醛键，因而都存在有糖端基碳原子的构型问题。确定苷键构型的方法主要有以下几种。 1、利用酶水解进行测定 如麦芽糖酶一般能水解的为-苷键，能被苦杏仁苷酶水解的大多为-苷键。利用酶解法推断苷键构型时需注意并非所有的-苷键都能被苦杏仁苷酶所水解。 2、利用NMR谱法测定 1）利用端基质子的偶合常数 2）利用-苷键和-苷键的端基碳的化学位移差别 3）利用2D-NMR谱70 糖和苷类的提取分离必须首先全面分析所研究的天然药物中糖和苷类成分的性质及共存成分的情况，方能设计合理的方案，但要对类型繁多、结构复杂、性质差异明显的糖及其苷类提出共同的基本提取分离方案，实属难事。但以下问题则是提取分离糖及其苷类成分时必须考虑的共同点。 第七节 糖和苷的提取与分离 71酶对糖及其苷类提取的影响 通常天然药材组织中往往同时含有酶，共存酶能促使苷键裂解，故药材粉碎后，受潮、冷水浸泡都能促使它们的相互接触