第二章糖和苷(天然药物化学)

第二章糖和苷Saccharideandglycosides

第一节单糖的立体化学第二节糖和苷的分类第三节糖的化学性质第四节苷键的裂解第五节糖的鉴定第六节糖链结构的测定第七节糖及苷的提取分离糖类概述糖类又称碳水化合物（carbohydrates），是植物光合作用的初生产物，同时也是绝大多数天然产物合成的初始原料。是地球上最大量的一类有机化合物。糖及其与非糖物质结合形成的苷在自然界中分布广泛，活性众多而且明显。糖结构的具有的多样性和复杂性是一般化合物不可比拟的。糖类与核酸、蛋白质、脂质一起称为生命活动所必需的四大类化合物，主要作为动植物贮藏养料和骨架成分

。糖类在生物合成及细胞间的分子识别、受精、着床、胚胎形成、分化、神经细胞发育、激素激活、细胞增殖、病毒和细菌的感染、肿瘤细胞转移、衰老等许多基本生命过程中起着重要的作用糖与各类非糖分子中的羟基、巯基、氨基、次甲基等以共价键相连的形式存在于自然界。当非糖部分较小时，称为糖苷化合物(glycoside)。当非糖部分较大时，称为糖缀合物(glycoconjugate)。单糖是多羟基醛或多羟基酮，在水溶液中不能再进一步分解的结构单元。单糖的结构表示法有Fischer投影式、Haworth投影式。第一节单糖的立体化学葡萄糖的链状结构和构型(2R,3S,4R,5R)-2,3,4,5,6-五羟基己醛D-(+)-葡萄糖葡萄糖链状结构不可解释的实验现象醛基反应不明显。只能与一分子醇发生反应。有两种不同的结晶。有变旋光现象葡萄糖的环状结构α-D-葡萄糖开链D-葡萄糖β-D-葡萄糖分子内的羟基和醛基形成环状半缩醛结构。为区别生成的异构体用α-D-吡喃葡萄糖和β-D-吡喃葡萄糖表示。二者分子中只有链端的手性碳的构型不同，其他相同，称异头物，或端基异构。葡萄糖的Harworth式α－D－吡喃葡萄糖β－D－吡喃葡萄糖Fischer投影式与Haworth式的转化葡萄糖的构象式α－D－吡喃葡萄糖β－D－吡喃葡萄糖4C1式，简称C1式1C4式，简称1C式或N式（normalform)或A式（alternativeform)果糖的结构α–D-吡喃果糖β–D-吡喃果糖α–D-呋喃果糖β–D-呋喃果糖第二节糖和苷的分类苷的分类糖的分类一.糖的分类由10个以上单糖脱水缩合而生成的糖Poly-saccharides多糖由2～9个单糖脱水生成的糖Oligo-saccharides寡糖不能水解的糖构成糖的基本单位Mono-saccharides单糖1.单糖醛糖酮糖甲基糖支链糖氨基糖去氧糖糖醛酸糖醇五碳醛糖：含有5个碳原子的醛糖。D－木糖L－阿拉伯糖D－核糖六碳醛糖D－葡萄糖D－甘露糖D－半乳糖含有6个碳原子的醛糖。六碳酮糖D－果糖L－山梨糖含有5个碳原子的酮糖。甲基五碳醛糖甲基取代了五碳醛糖中的氢原子L－夫糖L－鼠李糖支碳链糖糖链上多了一个含碳的支链。D－芹糖D－金缕梅糖氨基糖糖上的一个或几个羟基被氨基或乙酰氨基取代的糖。2-氨基-2-去氧-D-葡萄糖2-乙酰氨基-2-去氧-D-葡萄糖氨基糖与血型O型血B型血A型血AB型兼有A型和B型的糖去氧糖单糖分子中的一个或两个羟基被氢原子取代的糖。红霉糖碳霉糖糖醛酸单糖中的伯羟基被氧化成羧基的化合物。D－葡萄糖醛酸D－半乳糖醛酸糖醇单糖中的羰基被还原成羟基的化合物。D－山梨醇D－甘露醇环醇环状多羟基化合物。肌醇（6个异构体）2.低聚糖定义：由2～9个单糖基通过苷键键合而成的直糖链或支糖链的聚糖。分类：按单糖的个数可分为二糖、三糖、四糖等；按分子的还原性分为还原性糖和非还原性糖。（＋）-蔗糖三氯蔗糖二糖(＋)-麦芽糖(＋)-纤维二糖(＋)-乳糖命名法：以末端糖为母体，其他糖为糖基，并标明糖与糖连接的位置、糖的成环形式以及苷键的构型等。

2-O-β-D-吡喃葡萄糖基-D-吡喃葡萄糖β-D-吡喃葡萄糖基-(12)-吡喃葡萄糖槐糖：低聚糖也可用下列方法表示低聚糖：β-D-Galp-(14)-β-D-Glcp-(14)-D-Glcp61β-D-Fruf“p”表示吡喃型，“f”表示呋喃型，数字表示糖与糖之间的连接位置。环糊精(cyclodextrin,CD)是经浸解杆菌淀粉酶作用于淀粉后生成的环状低聚糖的总称。由6、7、8个D-(+)-葡萄糖残基经α-1,4-苷键相结合，得到α、β、γ-环糊精。分子空腔有疏水性，分子外部有亲水性。通过分子间的作用力，环糊精可以与一定的分子形成包结物。形成包结物能改变客体的物理和化学性质，如挥发性、溶解性、稳定性、气味、颜色等，可用于食品、医药、农药、化学分析等。在有机合成中也有应用，其主-客体关系像酶与底物的作用，是研究的酶模型之一。3.多糖定义：是由十个以上的的单糖基通过苷键连接而成的化合物。分类：按功能分为植物多糖、动物多糖；按组成分为均多糖、杂多糖。多糖与蛋白质分子一样具有明确的三维空间结构，可用一、二、三、四级结构描述。植物多糖植物多糖淀粉纤维素其它葡聚糖果聚糖半纤维素树胶粘液质与粘胶质卡拉胶动物多糖动物多糖糖原甲壳素肝素硫酸软骨素透明质酸硫酸角质酸多糖的生物活性抗肿瘤、抗突变作用（人参多糖）抗凝血、抗血栓、降血脂作用（茶叶多糖）增加免疫作用（女贞子多糖）抗肿瘤活性成分香菇多糖的结构通式[β-D-glcp-(13)-β-D-glcp-(13）-β-D-glcp-(13）-β-D-glcp-(13)-β-D-glcp]nβ-D-glcp1

6β-D-glcp1

6淀粉(starch)糖淀粉，直链，17～34%，α1-4胶淀粉，支链，α1-4，α1-6淀粉遇碘呈色：螺环状（6glc）,碘分子进入螺环通道中,通过分子间的作用力形成的有色包结物。4－6，不呈色12－18，呈红色；紫色、紫蓝色，>50，蓝色直链淀粉支链淀粉α-1,6-苷键α-1,4-苷键纤维素(cellulose)β-1,4-苷键植物细胞的主要组成成分糖原(glycogen)结构与胶淀粉类似，聚合度大，分支多遇碘红褐色主要作用贮存养料甲壳素(chitin)存在于昆虫、甲壳类动物的外壳中结构和稳定性与纤维素类似二.苷的分类苷：又称配糖体，是糖和糖的衍生物与另一非糖物质通过糖的端基碳原子连接而成的化合物。由苷元、苷键、糖三部分组成。构成苷类常见的糖为单糖、双糖、寡糖。根据原生状态：原生苷：生物体内原有的苷次生苷：原生苷水解得到的苷含糖的个数：单糖苷、双糖苷、叁糖苷糖连接位置的数目：单糖链苷、双糖链苷按苷原子分：氧苷、氮苷等成苷官能团分：醇苷、酯苷、氰苷等按苷元不同分：黄酮苷、皂苷、三萜苷等按端基碳构型不酮分：α-糖苷（主要是L－型糖）β-糖苷（主要是D－型糖）。红霉素酯苷氰苷（一）氧苷（O－苷）酚苷醇苷醇苷毛莨苷杀虫、抗菌作用醇苷是由苷元醇羟基与糖的成苷羟基脱水缩合而成。醇苷的苷元以萜类和甾醇化合物最多。甘草酸抗肿瘤作用酚苷秦皮素抗菌作用酚苷是由苷元的酚羟基与糖的成苷羟基脱水缩合而成。天麻苷镇静作用氰苷是指一类α-羟腈与糖组成的氧苷。苦杏仁苷氰苷在酸或酶的作用下水解氢氰酸镇咳作用、毒性强酯苷（酰苷）山慈菇苷A瓜子金皂苷丁由苷元羧基和糖的成苷羟基脱水而成。（二）硫苷（S－苷）萝卜苷苷元上的巯基与糖的成苷羟基脱水缩合而成。（三）氮苷（N－苷）由苷元氮原子和糖端基羟基脱水缩合而成。胞苷腺苷（四）碳苷（C－苷）碳苷是由苷元氢原子和糖端基羟基脱水缩合而成。苷元多为间苯二酚或间苯三酚，主要有黄酮苷

芦荟苷芒果苷异芒果苷第三节糖的化学性质小分子的化合物极性大，水溶性好。随分子的聚合度增加，水溶性下降。糖苷具有亲水性，苷元具有亲脂性。单糖具有甜味，多糖无甜味。糖具有旋光性。醚化反应酰化反应缩醛和缩酮化反应氧化反应糠醛形成反应羟基反应羰基反应硼酸络合反应化学性质一.氧化反应单糖分子容易与碱性弱氧化剂Tollen、Fehling试剂反应。糖分子中醛基、酮基最容易氧化、其次是伯醇基。能与碱性弱氧化剂发生反应的糖称还原性糖。单糖都是还原性糖。Tollen反应（银镜反应）单糖+Ag2O=2Ag+复杂氧化产物Fehling反应

单糖+2Cu(OH)2=Cu2O+复杂氧化产物溴水可氧化醛糖，不能氧化酮糖，所以可用于区别醛糖和酮糖。醛糖与稀硝酸氧化可生成糖二酸。过碘酸的氧化反应，可用来推测糖的结构过碘酸反应特点可氧化邻二醇、α-氨基醇、α-羟基醛（酮）、α-羟基酸、邻二酮、酮酸和某些活泼的次甲基。链状邻二醇的氧化反应是定量完成。在中性和弱酸性条件下水溶液中进行，顺式邻二醇氧化的速度比反式快。在弱碱性条件下，二者的速度相差不大。游离单糖与过碘酸的反应及消耗的过碘酸数目用Fischer投影式计算；成苷糖的反应用Haworth式计算。在异边并无扭曲余地的邻二醇不发生反应。1,6α-D-呋喃半乳糖酐1,6β-D-呋喃葡萄糖酐糖与过碘酸反应的应用推测分子中有多少邻二醇结构。通过测定过碘酸的消耗量可推测糖的种类和环的大小。邻三羟基，有甲酸生成邻二羟基，无甲酸生成推测糖与糖的连接位置。反应机理二.糠醛的形成单糖在浓酸加热作用下，脱去3分子水，生成具有呋喃环结构的糠醛衍生物。多糖和苷类化合物在酸的作用下首先水解成单糖，然后再脱水成糠醛。糠醛衍生物与芳胺、酚类化合物缩合生成有色化合物，可作为显色反应。常用的酸：硫酸、磷酸、三氯乙酸、邻苯二甲酸、草酸等常用的酚：苯酚、间苯二酚、α-萘酚、β-萘酚等常用的胺：苯胺、二苯胺、氨基酚、联苯胺等。Molisch反应三.羟基的反应糖及苷羟基的反应包括：醚化反应酰化反应缩醛和缩酮化反应硼酸的络合反应羟基的活泼顺序：成苷羟基>伯醇羟基>C2-羟基环状结构中横键羟基比竖键羟基活泼常用的糖及苷的醚化反应有：甲醚化、三甲硅醚化、三苯甲醚化等。常用于多糖的结构鉴定1.醚化反应2.酰化反应常用的酰化反应是乙酰化和对甲苯磺酰化。对甲苯磺酰化主要发生在伯醇上。通常C3-OH最难酰化用于结构鉴定糖上羟基的活性：伯醇羟基最强，如葡萄糖的C6位-OH，其次是C2-OH，C3-OH最难乙酰化。乙酰化试剂：醋酐。催化剂：醋酸钠、吡啶、氯化锌。糖的乙酰化反应无选择性。反应条件不同可得不同的端基异构，用醋酐-氯化锌反应葡萄糖得α-乙酰化物，用醋酐-醋酸钠得到的主产物是β-乙酰化物。乙酰化酮和醛在脱水剂如无机酸、无水ZnCl2、无水CuSO4等存在下，与多元醇的两个具有适当空间位置的羟基形成环状缩酮和缩醛。酮类易与顺邻二醇羟基生成五元环状物。醛类易与1,3-二醇羟基生成六元环状物。3.缩醛和缩酮化反应丙酮与邻二醇羟基生成的五元环状缩酮称为异丙叉衍生物，亦称丙酮加成物。缩醛和缩酮衍生物与苷一样对碱稳定，酸不稳定。利用此反应可判断羟基数目，保护糖分子中的羟基。也可推测结构中有无顺邻二醇羟基或1,3-二醇羟基。α–D-吡喃半乳糖1,2;3,4-二-O-异丙叉基α–D-吡喃半乳糖D-葡萄糖1,2;5,6-二-O-异丙叉-α-D-吡喃葡萄糖苯甲醛与糖生成的六元环状缩醛称为苯甲叉衍生物。苯甲醛与吡喃糖生成的苯甲叉衍生物有顺式和反式两种。反式-4,6-O-苯甲叉-α

–D-吡喃葡萄糖甲苷顺式-4,6-O-苯甲叉-α

-D-吡喃半乳糖甲苷（O-内位）顺式-4,6-O-苯甲叉-α

-D-吡喃半乳糖甲苷（H-内位）4.硼酸的络合反应许多具有邻二羟基的化合物可与硼酸、钼酸、铜氨、碱土金属等试剂反应生成络合物。生成的络合物的理化性质发生了改变，可用作糖、苷化合物的分离、鉴定以及构型的确定。六元1,3二竖键羟基配合物的稳定性大于顺邻二羟基反式邻二羟基不能形成配合物，因ee键无法得到硼酸络合对空间的要求。络合能力：呋喃糖苷>单糖>吡喃糖苷反应的应用络合后化合物的酸性增强，可进行含量测定。由于不同的糖的络合能力不同，通过离子交换、硅胶、电泳等色谱方法进行分离、鉴定。5.羰基的反应还原性糖可与苯肼反应，生成糖脎。可用于糖的鉴定、纯化和分离。2-去氧糖不发生反应。还原性糖糖腙（溶水）糖脎（不溶水）苷键的裂解对于了解苷元与糖及糖与糖的的连接方式、苷键的构型等有重要作用。苷键的裂解按裂解程度：全裂解、部分裂解按不同的方法：均相水解、双相水解第四节苷键的断裂按裂解的方法：酸催化水解碱催化水解乙酰解酶催化水解氧化裂解法（过碘酸裂解）一.酸催化水解苷键属于缩醛结构，易被稀酸催化水解。其历程为：苷键原子质子化，然后键断裂生成苷元及糖的正碳离子，正碳离子在水中经溶剂化，最后再失去质子而形成糖分子。酸催化水解历程与苷键原子电子密度及其空间环境有关苷元结构有利于苷键原子质子化，易于水解与糖的类别及结构特征也有关系苷键的酸催化水解影响因素有按苷键原子的不同：N-苷＞O-苷＞S-苷＞C-苷氮原子在酰胺或嘧啶环上的苷难水解。酚苷和烯醇苷比醇苷易水解，因其易质子化。2－位的氨基和羟基可与苷原子争夺质子所以影响水解，若乙酰化则水解容易进行。去氧糖>羟基糖>氨基糖酸催化水解的难易规律呋喃糖苷较吡喃糖苷易水解（水解速率大50～100倍，五元环平面性使各取代基处于重叠位置，形成水解中间体使张力变小，利于水解）酮糖>醛糖（酮糖多为呋喃糖结构，而且多一个羟甲基增加了拥挤程度）吡喃环C-5上取代基越大越难水解。在吡喃醛糖苷中：五碳糖＞甲基五碳糖＞六碳糖＞七碳糖＞糖醛酸。苷元基团小时，苷键在横键比竖键易水解；苷元基团大时，苷键在竖键比横键易水解。酸水解后得到的是游离糖，所以无法确定其糖环的结构。对酸不稳定的苷，可采用双相水解法双相水解法：在水解液中加入与水不互溶的有机溶剂如苯，水解后的苷元立即进入有机相避免与酸的长时间接触仙客来皂苷二.乙酰解反应试剂：醋酐和酸（硫酸、高氯酸、三氟乙酸和氯化锌、三氟化硼等）。机理与酸催化水解相似，进攻试剂是乙酰正离子。二糖苷键水解难易：16>14>13>12乙酰解条件温和，操作方便，得到的是脂溶性成分，便于分离提纯。乙酰解时会发生端基异构化。三.碱催化水解和β-消除反应通常苷键不易被碱水解，但苷元为酸、酚、有羰基共轭的烯醇类，或成苷羟基的β-位有吸电子取代基者，苷键具有酯的性质，可以在碱的条件下水解。4－羟基香豆素苷水杨苷C1-OH与C2-OH为反式易发生水解，生成1,6-葡萄糖酐；若为顺式得到的是正常的糖。可区别糖苷的构型。1,6-葡萄糖酐β-消除反应由于苷键的β-位吸电子基团能使苷元的α-位氢活化，有利于OH-的进攻，故苷键的β-位有吸电子取代的苷在碱溶液中可与苷键发生消除反应而开裂苷键。藏红花苦苷藏红花醛四.酶催化水解反应酶促反应特点专属性高、反应温和。用酶水解苷键：可以得知苷键的构型；可以保持苷元结构不变；可保留部分苷键到次级苷或低聚糖，从而可获知苷元和糖，糖和糖之间的连接方式。常用的酶及水解糖苷键类型：转化糖酶，β-果糖苷键麦芽糖酶，α-葡萄糖苷键苦杏仁苷酶，β-葡萄糖苷键多数酶为基团特异性酶，少数酶的立体选择性很高。

五.过碘酸裂解反应亦称Smith降解法。反应条件温和、苷元不易破坏。可以推测糖的种类、糖与糖的连接方式以及环的大小。适用于苷元结构容易改变的苷及碳苷。不适合于苷元上有邻二醇的结构。反应试剂：NaIO4和NaBH4。反应式：人参皂苷Rb120(S)原人参二醇20(S)人参二醇20(R)人参二醇碳苷用Smith裂解得到一个连有醛基的苷元。第五节糖的核磁共振性质用于确定糖及苷的苷键构型、糖环大小、优势构象、糖的种类、糖与糖的连接位置、糖与糖的连接顺序一.糖的1H-NMR性质糖在1H-NMR中的信号分布很窄，归属较难。糖端基质子：δ4.3～6.0甲基五碳糖的甲基δ1.0左右其它质子δ3.2～4.2根据端基质子信号的个数和化学位移值可推测连糖的个数、糖的种类及连接位置。质子的邻位偶合常数与两面角有关当两面角为0º～90º时，偶合常数变小当两面角为90º时，偶合常数为零当两面角为90º～180º时，偶合常数变大吡喃环中相邻的两质子均为竖键时，两面角为180º，偶合常数为6～8Hz；当一个竖键，一个横键时两面角为60º，偶合常数为2～4Hz。葡萄糖、半乳糖：β构型：J1,2约8Hzα构型：J1,2约2Hz甘露糖、鼠李糖：β构型：J1,2约1.6Hα构型：J1,2约0.8Hz呋喃糖的α和β构型相差不多二.糖的13C-NMR（一）化学位移及偶合常数CH3，δ18CH2OH，δ62CHOH，δ68~85OCH3，δ55~58端基-C，δ95~105端基碳的数据可判断糖的个数及构型

β-D-苷键和α-L-苷键的端基碳δ>100酯苷、叔醇苷和个别酚苷端基碳δ＝98α-D-苷键和β-L-苷键的端基碳δ<100呋喃糖C3、C5的δ>80判断氧环的大小端基C吡喃型糖端基碳氢偶合常数可用于确定苷键构型端基质子，处于横键，JC1-H1=170~175；处于竖键，JC1-H1=160~165即JC1-H1=170~175时，α-D或β-L构型JC1-H1=160~165时，β-D或α-L构型（二）苷化位移（GS）定义：糖与苷元成苷后，苷元的α-C、β-C、糖的端基C均发生了化学位移值改变，这种改变称之为苷化位移。GS值与苷元结构关系密切，与糖种类关系不大。GS值的应用:推测糖与苷元、糖与糖连接位置；某些苷元被苷化碳的绝对构型；碳氢信号归属。伯醇苷糖与伯醇成苷后，苷与苷元相比，α-C向低场位移约8（δ增大），β-C向高场位移约4（δ减小）。苷与该糖的甲苷相比，端基碳向高场位移约1~2单位（δ减小）。

伯醇苷环仲苷两个β-碳均为仲碳的苷苷与苷元相比α-碳向低场移约7个单位糖与其甲苷相比，糖的端基碳向高场移约1～4个单位

糖的端基碳为R型，β-Cpro-S降4pro-R降2糖的端基碳为S型，β-Cpro-R降4pro-S降2R102.278.2pro-S（105.5）（70.8）32.8(36.7)pro-S34.5(36.7)Spro-R32.5(36.7)pro-S34.5(36.7)叔醇苷α-碳向低场移约7个化学位移单位β-碳向高场移约3个化学位移单位糖的端基碳向高场位移约7个单位第六节糖链结构的测定苷类结构研究的一般程序糖链的结构研究糖和糖连接顺序及苷元结构的确定苷键构型的测定纯度的鉴定：超离心法、高压电泳、凝胶色谱柱法、旋光测定法、官能团摩尔比恒定法、HPLC等分子量的测定：MS，沉降法、光散射法、粘度法、超过滤法、超离心法、渗透压法等用于多糖的分子量测定。单糖的鉴定：PC、TLC、GC、HPLC一.苷类结构研究的一般程序二.糖链的结构研