天然产物课件第三章 糖和苷类化合物

天然产物化学化工与制药学院第三章糖和苷类化合物

糖和苷类的生理活性是多种多样的，糖是植物光合作用的初生产物，通过它进而合成了植物中的绝大部分成分。所以糖类除了作为植物的贮藏养料和骨架之外，还是其它有机物质的前体。一些具有营养、强壮作用的药物，如山药、何首乌、大枣等均含有大量糖类。苷类种类繁多，结构不一，其生理活性也多种多样，在心血管系统、呼吸系统、消化系统、神经系统以及抗菌消炎，增强机体免疫功能、抗肿瘤等方面都具有不同的活性，苷类已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。

概述概述

1、糖的含义：糖（saccharides）是多羟基醛或多羟基酮及其衍生物、聚合物的总称。糖的分子中含有碳、氢、氧三种元素，大多数糖分子中氢和氧的比例是2：1，因此，具有Cx（H2O）y的通式，所以，糖又称为碳水化合物（carbohydrates），但有的糖分子组成并不符合这个通式，如鼠李糖（rhamnose）为C6H12O5。

2、存在：在自然界中，糖的分布极广，无论是在植物界还是动物界。糖可分布于植物的各个部位，植物的根、茎、叶、花、果实、种子等大多含有葡萄糖、果糖(fructose)、淀粉和纤维素(cellulose)等糖类物质。

3、主要生物活性：糖类化合物多具有抗肿瘤活性（香菇多糖）或具有增强免疫功能（黄芪多糖）。糖的定义和分类定义：糖类是一类多羟基醛（或酮），或通过水解能产生这些醛酮的物质。也称碳水化合物（Carbohydrates）。通式：Cn(H2O)m单糖是构成碳水化合物的基本结构单元，研究单糖的结构是研究碳水化合物的基础一、单糖的立体化学二、糖苷的分类三、糖苷的性质四、糖苷的提取与分离五、糖苷的结构鉴定第三章糖和苷类化合物

3.1单糖的立体化学1、开链结构及构型(绝对构型异构)

单糖的构型：只需比较编号最大的手性碳原子的构型，编号最大的手性碳构型与D—甘油醛相同者为D—型糖，与L—甘油醛相同者为L—型糖自然界存在的单糖多为D—型糖2、Ficher投影式表示单糖结构（差向异构）竖线表示碳键，羰基具有最小编号，并写在投影式上端；一短横线代表手性碳上的羟基D－甘露糖D－葡萄糖D－半乳糖差向异构体：含有多个手性碳原子的对映异构体相应的手性碳中只有一个手性碳原子的构性不同，其余的手性碳原子的构型都相同的两个异构体称为差向异构体。3、糖的环状结构哈武斯（Haworth）式（异头异构）书写方法：注意：通常吡喃环中的氧原子写在环的右上角如何由Haworth式判断糖的构型？D－型：CH2OH在环上方；L型：CH2OH在环下方。D型糖中：α－异构体：半缩醛羟基在环的下方；

β－异构体：半缩醛羟基在环的上方。L型糖中：情况恰好相反。无－CH2OH存在时，则以决定构型D或L的羟基作为参考。半缩醛羟基与之在同侧为α

，异侧为β

。判断下列糖的构性。α－D－吡喃核糖β－D－吡喃葡萄糖β－L－吡喃葡萄糖4、糖的构象β－D－吡喃葡萄糖63%α－D－吡喃葡萄糖37%β－D－吡喃葡萄糖63%α－D－吡喃葡萄糖37%一、单糖的立体化学二、糖苷的分类三、糖苷的性质四、糖苷的提取与分离五、糖苷的结构鉴定第三章糖和苷类化合物

3.2糖苷的分类一.糖苷的定义与结构

1.苷的定义：苷类（glycosides）是糖或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一类化合物，又称为配糖体。苷中的非糖部分称为苷元(genin)或配基（aglycone）。

红景天苷毛茛苷2、糖苷的结构a、苷键：苷中的苷元与糖之间的化学键称为苷键。b、苷原子：苷元上形成苷键以连接糖的原子，称为苷键原子，也称为苷原子。苷键原子通常是氧原子，也有硫原子、氮原子；少数情况下，苷元碳原子上的氢与糖的半缩醛羟基缩合，形成碳-碳直接相连的苷键。c、苷的构型：由于单糖有α及β二种端基异构体，因此在形成苷类时就有二种构型的苷，即α-苷和β-苷。在天然的苷类中，由D-型糖衍生而成的苷多为β-苷，而由L-型糖衍生而成的苷多为α-苷。3.2糖苷的分类苷键原子苷元苷键端基碳原子1．按苷键原子分类

根据苷键原子的不同，苷类可以分为氧苷、硫苷、氮苷和碳苷。（1）氧苷苷元通过氧原子和糖相连接而成的苷称为氧苷。氧苷是数量最多、最常见的苷类。根据形成苷键的苷元羟基类型不同，又分为醇苷、酚苷、酯苷和氰苷等，其中以醇苷和酚苷居多，酯苷较少见。①醇苷是苷元的醇羟基与糖缩合而成的苷。

毛茛苷红景天苷3.2糖苷的分类二.糖苷的分类

②酚苷苷元分子中的酚性羟基与糖脱水而成的苷。

熊果苷天麻苷丹皮苷3.2糖苷的分类

③酯苷苷元中羧基与糖缩合而成的苷，其苷键既有缩醛性质又有酯的性质，易为稀酸和稀碱所水解。如山慈菇苷A和B（是山慈菇中抗霉菌的活性成分）被水解后，苷元立即环合生成山慈菇内酯A和B。R=H山慈菇苷AR=OH山慈菇苷BR=H山慈菇内酯AR=OH山慈菇内酯B3.2糖苷的分类④吲哚苷：指吲哚醇和糖形成的苷，在豆科和蓼科中有分布，苷元无色，但易氧化成暗蓝色的靛蓝，具有反式结构，中药青黛就是粗制靛蓝，民间用以外涂治疗腮腺炎，有抗病毒作用。靛苷Indicum靛蓝Indigo3.2糖苷的分类⑤氰苷

氰苷主要是指一类具有α-羟基腈的苷，数目不多，但分布广泛。这种苷易水解，尤其是在有稀酸和酶催化时水解更快，生成的苷元α-羟腈很不稳定，立即分解为醛（酮）和氢氰酸；而在浓酸作用下，苷元中的-CN基易氧化成-COOH基，并产生NH4+；在碱性条件下，苷元容易发生异构化而生成α-羟基羧酸盐。苦杏仁苷（amygdalin）存在于杏的种子中，具有α-羟基腈结构，属于氰苷类（cyanogenicglycosides）。苦杏仁苷在人体内会缓慢分解生成不稳定的α­-羟基苯乙腈，进而分解成为具有苦杏仁味的苯甲醛以及氢氰酸。小剂量口服时，由于释放少量氢氰酸，对呼吸中枢产生抑制作用而镇咳。大剂量口服时因氢氰酸能使延髓生命中枢先兴奋而后麻痹，并能抑制酶的活性而阻断生物氧化链，从而引起中毒，严重者甚至导致死亡。3.2糖苷的分类

在酸碱或酶的作用下，苦杏仁苷依不同的条件生成不同的分解产物。（要求掌握）

稀酸

杏仁腈苦杏仁苷浓HCl苦杏仁苷酶

OH－

苯甲醛氢氰酸

野樱苷野樱酶

稀酸

（2）硫苷苷元上的巯基（—HS）与糖或者糖的衍生物的半缩醛（半缩酮）羟基脱一分子水形成的化合物。

萝卜苷

Glucoraphenin3.2糖苷的分类芥子苷是存在于十字花科植物中的一类硫苷，其通式如下，几乎都是以钾盐的形式存在。经其伴存的芥子酶水解，生成的芥子油含有异硫氰酸酯类、葡萄糖和硫酸盐，具有止痛和消炎作用。芥子苷通式黑芥子苷

Sinigrin3.2糖苷的分类（3）氮苷糖的端基碳与苷元上氮原子相连的苷称氮苷，是生物化学领域中的重要物质。如核苷类化合物腺苷(Adenosine):腺苷巴豆苷3.2糖苷的分类（4）碳苷碳苷是一类糖基的端基碳原子直接与苷元碳原子相连接而成的苷类化合物。组成碳苷的苷元多为黄酮类、蒽醌类化合物等，其中以黄酮碳苷最为多见。碳苷类具有水溶性小，难于水解的共同特性。芦荟（Aloe）中的致泻有效成分之一芦荟苷（aloin）是最早从中药中获得的蒽醌碳苷，具有不同旋光性和圆二色性、并可相互转化的一对非对映体。

芦荟苷3.2糖苷的分类2．其它分类方法

（1）按苷元的化学结构类型：分为香豆素苷、蒽醌苷、黄酮苷、吲哚苷等。（2）按苷类在植物体内的存在状况：分为原生苷（primaryglycosides原存在于植物体内），和次生苷（secondaryglycosides原生苷水解失去一部分糖后生成的）。如苦杏仁苷是原生苷，野樱苷是次生苷。苦杏仁苷野樱苷3.2糖苷的分类（3）按苷的生理作用分类：强心苷。（4）按苷的特殊物理性质分类：皂苷。（5）按糖的种类或名称分类：葡萄糖苷、木糖苷、去氧糖苷等。（6）按苷分子所含单糖的数目分类，可分为单糖苷、双糖苷、三糖苷等。（7）按苷分子中的糖链数目分类，可分为单糖链苷、双糖链苷等。（8）按其植物来源分类，例如人参皂苷、柴胡皂苷等。

3.2糖苷的分类一、单糖的立体化学二、糖苷的分类三、糖苷的性质四、糖苷的提取与分离五、糖苷的结构鉴定第三章糖和苷类化合物

3.3.糖苷的性质一、一般形态和溶解性形：苷类化合物多数是固体，其中糖基少的可以成结晶，糖基多的如皂苷，则多呈具有吸湿性的无定无形粉末。人参皂苷Rg3GinsenosideRg3

味：苷类一般是无味的，但也有很苦的和有甜味的，如甜菊苷

(stevioside)是从甜叶菊的叶子中提取得到的，属于贝壳杉烷型四环二萜的多糖苷，比蔗糖甜300倍，临床上用于糖尿病患者作甜味剂用，无不良反应。R1=glcR2=glcglc甜菊苷

Stevioside213.3.糖苷的性质溶解性：苷类的亲水性与糖基的数目有密切的关系，往往随着糖基的增多而增大，大分子苷元(如甾醇等)的单糖苷常可溶解于低极性的有机溶剂，如果糖基增多，则苷元占的比例相应变小，亲水性增加，在水中的溶解度也就增加。3.3.糖苷的性质二、旋光性

多数苷类化合物呈左旋，但水解后，由于生成的糖常是右旋的，因而使混合物呈右旋。因此，比较水解前后旋光性的变化，也可以用以检识苷类化合物的存在。糖苷左旋水解糖右旋3.3.糖苷的性质三、苷键的裂解苷键的裂解反应是一类研究多糖和苷类化合物的重要反应。通过该反应，可以使苷键切断，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以及糖与糖的连接方式。3.3.糖苷的性质酸水解碱水解酶水解氧化开裂常用苷键裂解方法3.3.糖苷的性质1.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。

3.3.糖苷的性质

反应机理：苷原子先质子化，然后断裂生成苷元和阳碳离子或半椅式的中间体，在水中溶剂化而糖。以氧苷为例，其机理为：脱苷元互变溶剂化脱质子质子化3.3.糖苷的性质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，主要包括两个方面的因素：

(1)

苷原子上的电子云密度；

(2)

苷原子的空间环境。3.3.糖苷的性质具体到化合物的结构，则有以下规律：(1)按苷键原子的不同，酸水解易难程度为：

原因：N最易接受质子，而C上无未共享电子对，不能质子化。3.3.糖苷的性质

(2)呋喃糖苷较吡喃糖苷的水解速率大50～100倍。原因：呋喃环平面性，各键重叠，张力大。3.3.糖苷的性质(3)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。α-D-葡萄糖α-D-glucoseβ-D-葡萄糖β-D-glucoseα-D-果糖α-D-frutoseβ-D-果糖β-D-frutose3.3.糖苷的性质(4)

吡喃糖苷中，吡喃环C5上的取代基越大越难水解。原因：吡喃环C5上的取代基对质子进攻有立体阻碍。12345五碳糖甲基五碳糖六碳糖七碳糖五位接-COOH的糖3.3.糖苷的性质

(5)

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3.3.糖苷的性质(6)

芳香属苷（如酚苷）因苷元部分有供电子结构，水解比脂肪属苷（如萜苷、甾苷等）容易得多。原因：苷元的供电子效应使苷原子的电子云密度增大。芳香烃脂肪烃3.3.糖苷的性质(7)

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。

3.3.糖苷的性质原因：小苷元在竖键时，环对质子进攻有立体位阻。3.3.糖苷的性质(8)

N-苷易接受质子，但当N处于酰胺或嘧啶位置时，N-苷也难于用矿酸水解。

原因：吸电子共轭效应，减小了N上的电子云密度。3.3.糖苷的性质2.

双相水解注意：对酸不稳定的苷元，为了防止水解引起苷元结构的改变，可用两相水解反应（例如仙客来皂苷的水解）。3.3.糖苷的性质3.

酸催化甲醇解机理与酸水解相似，用甲醇作为溶剂。4.

乙酰解反应在多糖苷的结构研究中，为了确定糖与糖之间的连接位置。常应用乙酰解开裂一部分苷键，保留另一部分苷键，然后用薄层或气相色谱鉴定在水解产物中得到的乙酰化单糖和乙酰化低聚糖。

3.3.糖苷的性质

反应用的试剂为乙酸酐与不同酸的混合液，常用的酸有硫酸、高氯酸或Lewis酸(如氯化锌、三氟化硼等)。乙酰解的反应机理与酸催化水解相似，它是以CH3CO+为进攻基团。3.3.糖苷的性质二糖的乙酰解速率1-6苷键1-4苷键1-3苷键1-2苷键苷发生乙酰解的速度与糖苷键的位置有关。如果在苷键的邻位有可乙酰化的羟基，则由于电负性，可使乙酰解的速度减慢。3.3.糖苷的性质5.

碱催化水解β-消除反应：一般的苷对碱是稳定的，不易被碱催化水解，故多数苷是采用稀酸水解。但是，酯苷、酚苷、氰苷、烯醇苷和β-吸电子基取代的苷易为碱所水解，如藏红花苦苷、靛苷、蜀黍苷都可为碱所水解。但有时得到的是脱水苷元。3.3.糖苷的性质

原因：其中藏红花苦苷苷键的邻位碳原子上有受吸电子基团活化的氢原子，当用碱水解时引起消除反应而生成双烯结构。例如藏红花苦苷的水解：3.3.糖苷的性质6.

酶催化水解酶水解的优点:专属性高，条件温和。用酶水解苷键可以获知苷键的构型，保持苷元的结构不变，保留部分苷键得到次级苷或低聚糖，以便获知苷元和糖、糖和糖之间的连接方式。3.3.糖苷的性质酶降解反应的效果取决于酶的纯度以及对酶的专一性的认识。目前使用的多为未提纯的混合酶。转化糖酶麦芽糖酶杏仁苷酶纤维素酶β-果糖苷键α-葡萄糖苷键β-葡萄糖苷键β-葡萄糖苷键3.3.糖苷的性质7.过碘酸裂解反应用过碘酸氧化1,2-二元醇的反应可以用于苷键的水解，称为Smith裂解，是一种温和的水解方法。适用的情况:苷元结构不稳定的苷和C-苷。不适用的情况:苷元上也有1,2-二元醇。3.3.糖苷的性质四、苷的显色反应

苷类的共性在于都含有糖基部分，因此，苷类可发生与糖相同的显色反应和沉淀反应。鉴别苷的方法：①Molish反应紫色环②Fehling反应Cu2O沉淀③酸水解苷元一般不溶于水④氰苷鉴定联苯胺－乙酸酮试剂⑤苦杏仁苷水解得α－羟基苯乙腈苯甲醛和氢氰酸苯甲醛有特殊香气3.3.糖苷的性质一、单糖的立体化学二、糖苷的分类三、糖苷的性质四、糖苷的提取与分离五、糖苷的结构鉴定第三章糖和苷类化合物

3.4糖苷的提取与分离一、提取植物体内，苷类常与水解苷类的酶共存，因此在提取时，必须抑制酶的活性，常用的方法是在植物中加入CaCO3，或用甲醇、乙醇或沸水提取，同时提取过程中要尽量勿与酸或碱接触，以免苷类水解，如不加注意，则提到的往往不是原生苷。

在提取时还必明确提取的目的，即要求提取的是原生苷、次生苷，还是苷元，然后根据要求选择不同的其提取方法。

由于苷元的结构和所联接糖有差别，很难有统一的提取方法。用极性不同的溶剂循极性从小到大次序提取，则在每一提取部分都可能有苷的存在。3.4糖苷的提取与分离流程图植物粉末（95%或70%乙醇）浸泡、过滤滤液旋转蒸发仪、浓缩浸膏用水溶解水溶液石油醚萃取

石油醚部位水溶液乙酸乙酯萃取乙酸乙酯部位水溶液水饱和的正丁醇萃取正丁醇部位水部位二、

分离方法溶剂处理法铅盐沉淀法大孔树脂处理法柱色谱分离法四一二三3.4糖苷的提取与分离一、单糖的立体化学二、糖苷的分类三、糖苷的性质四、糖苷的提取与分离五、糖苷的结构鉴定第三章糖和苷类化合物

3.5糖苷的结构测定一.糖的种类和比例的测定二.糖的连接位置的测定三.糖的连接顺序的测定四.苷键构型的测定3.5糖苷的结构测定一.糖的种类和比例的测定1.纸色谱法2.薄层色谱法3.5糖苷的结构测定一.糖的种类和比例的测定3.HPLC法成本2角的葡萄酒二.糖的连接位置的测定

(一)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法。在碳谱中，苷元羟基因与糖结合成苷，故可产生苷化位移。利用苷化位移规律，将苷和苷元的碳谱相比较，就可以很容易地辨别出苷元的哪个碳原子与糖相连接。近年二维NOE相关谱和远程同核(或异核)相关谱(如13C-1HCOSY及HMBC谱)等技术亦广泛用于确定苷元的连糖位置。苷化位移

苷化位移值和苷元的结构有关，与糖的种类无关。

C1

位移C2

位移β-D-葡萄糖96.775.1甲基-β-D-葡萄糖苷104.0+8.374.1-1.0β-D-半乳糖97.3

72.9甲基-β-D-半乳糖104.5

+8.3

71.7

-0.8α-L-鼠李吡喃糖

95.1

71.9甲基-α-L-鼠李糖苷102.6

+7.5

72.1

-0.2

(二)糖与糖之间连接位置的确定

可采用化学方法或光谱(NMR)分析法进行。

1．化学方法部分水解法以缓和酸水解和酶水解法最为常用。缓和酸水解多使用低浓度的无机强酸或中强度的有机酸(如草酸)进行水解，可使苷中的部分糖水解脱去。例如：

由于在水解产物中检出木糖．因此可以确定木糖连接在末端。利用苷的乙酰解，使开裂一部分苷键，保留另一部分苷键，分析水解产物中得到的乙酰化低聚糖，也可以确定糖的连接顺序。此外还可以将苷的全甲基化物进行甲醇解，然后分析其甲醇解产物，也可以获得有关糖与糖之间连接顺序的信息。

一般方法是：先将苷进行全甲基化，然后用含6％-9％盐酸的甲醇进行甲醇解，即可得到末完全甲醚化的各种单糖，而连接在最末端的一定是全甲醚化的单糖。根据这些甲醚化的单糖中羟基的位置，即可对糖与糖之间的连接位置作出判断。

采用的方法通常是将这些甲醚化的单糖进行了TLC鉴定，并与标准品对照。近来亦有用GC-MS联用仪对其进行鉴定的报道。全甲基化苷的甲醇解反应如下：

如：

上式中，苷通过全甲基化及甲醇解反应后，将甲醇解的产物进行TLC鉴定，可知除苷元以外．所得到的两种甲醚化单糖为2,3,4-三-O-甲基吡喃木糖甲苷和2,4,6-三-O-甲基吡喃葡萄糖甲苷。由于前者是全甲基化的木糖，因此可推断木糖是在末端，而后者是未完全甲醚化的葡萄糖，在其C3位上有一羟基，因此可推断它不仅与苷元相连，并在C3位上与木糖相连接。

苷的甲基化反应常用的方法主要有以下四种，前两种为经典的方法,后两种是半微量的现代方法。

(1)Haworth法：用硫酸二甲酯和氢氧化钠(或碳酸钠、碳酸钾)，可使醇羟基甲基化。其缺点是甲基化能力较弱，如果欲进行全甲基化反应，必须进行多次反应才能达到目的，

(2)Purdie法：用碘甲烷和氧化银为试剂(一般可在丙酮或四氢呋喃中进行)，可使醇羟基甲基化，但因氧化银具有氧化作用，只能用于苷的甲基化．而不能用于还原糖的甲基化。

(3)Kuhn改良法：在二甲基甲酰胺(DMF)溶液中，加入碘甲烷和氧化银或硫酸二甲酯及氢氧比钡(或氧化钡)，在搅拌下进行甲基化。本法的缺点是反应较缓慢。(4)Hakomari法(箱守法)：在二甲基亚砜(DMSO)溶液中，加入氢化钠，以碘甲烷进行甲基化反应。其反应机理是二甲亚砜与氢化钠首先生成甲基亚磺酰阴碳离子，然后在甲基亚磺酰阴碳离子的存在下进行甲基化反应，由于亚磺酰阴碳离子具有强脱质子作用，使苷中糖上的醇羟基脱氢，从而使全甲基化反应可以迅速完成，二甲亚砜只起催化作用:

此法反应迅速、完全、无需特殊装置、可在室温下连续反应，是目前最常用的全甲基化方法。但因在反应中，所用二甲亚砜和NaH均呈强碱性，故分子中有酯键的苷类不宜用本法，而应采用Kuhn改良法进行全甲基化。

质谱法

根据质谱中裂解规律和该化合物的裂解碎片推测低聚糖及苷中糖链的连接顺序，注意低聚糖和苷类中的糖不能是同一类单糖。利用苷的FD-MS谱或FAB-MS谱，有时亦能确定糖与糖之间的连接顺序。三、糖连接顺序的确定

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。

(一)利用酶水解进行测定如麦芽糖酶一般能水解的为α-苷键，能被苦杏仁苷酶水解的大多为β-苷键。利用酶解法推断苷键构型时需注意并非所有的α-苷键都能被苦杏仁苷酶所水解。

。四、苷键构型的确定C-1C-2C-3C-4C-6C-5β-D-葡萄糖α-D-葡萄糖β-D-半乳糖α-D-半乳糖96.875.276.7