第二章 糖和苷

第二章糖和苷Saccharidesandglycosides第二章糖和苷

（Saccharide&Glycosides）糖是多羟基醛、酮化合物及其聚合物。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。天然产物中几乎所有类型的化合物都可以与糖形成苷。糖AND苷糖又称作碳水化合物(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，和核酸、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。苷类又称配糖体(glycoside)，是由糖或糖的衍生物等与另一非糖物质通过其端基碳原子联接而成的化合物。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。一、单糖结构式的表示方法FischerHaworth优势构象式第一节单糖的立体化学五元氧环糖称为呋喃型糖（furanose)六元氧环糖称为吡喃型糖（pyranose）二、糖的氧环三、糖的绝对构型

Fischer投影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Haworth投影式五碳吡喃型糖：C4-OH在面下为D型糖，在面上为L-型糖。D-木糖（D-xylose,Xyl）甲基五碳、六碳吡喃型糖：C5-R在面下时为L-型糖，在面上为D型糖。

L-鼠李糖（L-rhamaose,Rha）D-葡萄糖（D-glucose,Glc)技巧：以离端基碳最远的环上羟基来判断，面上为L，面下为D五碳呋喃型糖：C4-R在面下时为L型糖，在面上时为D-型糖。D-核糖（D-ribose,Rib）甲基五碳呋喃型糖和六碳呋喃型糖：C5-OH的写法无约定俗成的规定，无法判断绝对构型。判断技巧Haworth式，以离羰基最远的环上的手性C的构型判断，当为R构型时，称为D型糖。为S构型时，称为L型糖。D-木糖（D-xylose,Xyl）R构型L构型

L-鼠李糖（L-rhamaose,Rha）四、糖的端基差向异构

单糖成环后形成了一个新的手性碳原子，该碳原子为端基碳（anomericcarbon），形成一对异构体为端基差向异构体（anomer），有α、β两种构型。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α构型，在异侧时为β构型。α-构型β-构型Haworth投影式五碳吡喃型糖：C4-OH与端基碳上的羟基在同侧的为α型，在异侧为β型。β-D-木糖α-D-木糖五碳呋喃型糖：C4-R与端基羟基在同侧为β型，异侧为α型。β-D-核糖α-D-核糖甲基五碳、六碳吡喃型糖：C5-R与端基羟基在同侧为β构型，异侧为α构型。α-D-葡萄糖β-D-葡萄糖判断技巧当距离羰基最远的手性碳原子的绝对构型和端基碳的绝对构型相同时，端基碳为β构型，反之为α构型。R构型L构型甲基五碳呋喃型糖和六碳呋喃型糖：C5-OH的写法无约定俗成的规定，无法判断绝对构型。α、β仅表示端基碳的相对构型。从糖的端基碳绝对构型来看，β-D和α-L、α-D和β-L构型是一样的。α-D-糖β-D-糖α-L-糖β-L-糖α-D-糖β–L-糖β-D-糖α-L-糖五、糖的构象呋喃糖的五元氧环基本为一平面。吡喃糖有船式和椅式两种构象，以椅式为主。根据C1的存在形式又可分为C1式和1C式信封式船式椅式4C1

（C1,N）椅式1C4

（1C,A）α-L、β-D，C1式，C1-OH在e键（平伏键），α-D、β-L，C1，C1-OH在a键（直立键）第二节糖和苷的分类五碳醛糖六碳醛糖甲基五碳糖六碳酮糖糖醛酸其它低聚糖多糖单糖MonosaccharidesOligosaccharides(2～9）Polysaccharides（≥10）aldopentosesL-arabinoseD-xyloseD-ribose一、单糖类aldohexoseD-alloseD-glucoseD-galactoseD-mannoseKetohexose(hexulose）D-fructose

b-D-Fructofuranose

a-D-Fructofuranose

OOHCH2OHHOHOHOHCH2OHCHOHCOHCHHCOHOOHCH2OHCHHCOHCHHHOHCOHCH2OHOCNaturally-occurringfreeformFructose(levulsoe)

甲基五碳醛糖甲基五碳糖D－fuctoseL-rhamnoseD-quinovose支链糖D-glucosamineD-galactosamineD-mycaminoseD-neuraminicacid氨基糖L-oleandrose(夹竹桃糖）D-diginoseD-cymarose(加拿大麻糖）去氧糖糖醛酸多元醇Evonymitol(卫茅醇）D-sorbitolD-mannitolMyo-inositol环醇二、Oligosaccharides（2～9个单糖组成）Sorphorose(槐糖）Primverose(樱草糖）Trehalose(海藻糖）还原糖非还原糖蔗糖棉籽糖水苏糖毛蕾糖棉子糖Raffinose(Galactose+Glucose+Fructose)6-0-a-D-Galp(1->6)-4-0-a-D-Glcp(1->4)-b-D-FrufP表示吡喃型，f表示呋喃型水苏糖Stachyose(Galactose+Galactose+Glucose+Fructose)6-0-a-D-Galp-(1->6)-6-0-a-D-Galp(1->6)-4-0-a-D-Glcp-(1->4)b-D-Fruf环糊精－重要制剂敷料由Bacillusmacerans等菌产生一种淀粉酶将淀粉水解为6～8个葡萄糖的环状结合低聚糖，分别称为α、β、γ-环糊精（cyclodextrin）。具有良好水溶性，环状分子内侧具有疏水性，有包结脂溶性药物的性能，增加溶解度。并具有多个手性中心，还可用于光学活性化合物的拆分。三、Polysaccharides

——10个以上单糖连接而成支持组织的多糖植物纤维素（Cellulose),木聚糖、甲壳素（Chitin)营养性多糖淀粉、菊糖，糖原等其他功能透明质酸、肝素、粘液质等均多糖（homosaccharide）杂多糖（heterosaccharide）Thereservecarbohydrateofplants.Occursasgranulesinthecell.Madeofamylose

（糖淀粉）andamylopectin（胶淀粉）.Amylose---ploymerofa-D-Glucose(1->4)linkage-straight-chain.淀粉（STARCH）

Amylopectin(胶淀粉）—支链淀粉Polymerofa-D-Glucose(1->4)linkageinadditiontoa-D-Glucose(1->6)linkage.Thelengthoflinearunitsinamylopectinisonly25.a-(1->4)linkage(25)toa-(1->6)linkage.纤维素（Cellulose）纤维素淀粉Polymerof4-0-a-D-Galacturonicacid(1->4)&Methylgalacturonate

粘胶质（PECTIN）

糖原（GLYCOGEN

）Animalstarch.

a-(1->4)linkageanda-(1->6)linkage 12 : 1Thetotalamountofglycogeninthebodyofawell-nourishedadultisabout350g(about3/4ofapound)dividedalmostequallybetweenliverandmuscle甲壳素（chitin）透明质酸硫酸软骨素肝素四苷类化合物一、概述苷的含义——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）。苷键原子苷元苷键端基碳原子β―D―葡萄糖苷

苷的定义与分类苷类，又称配糖体，是糖或糖的衍生物（如氨基糖、糖醛酸等）与非糖通过糖的端基碳原子连接形成的化合物。其中非糖部分称为苷元或配基，其连接的键则称为苷键。分类方法以苷元的化学结构：黄酮苷、甾体皂苷等。苷类在植物体内的存在状况:原生苷、次生苷。苷键构型：α-苷，β-苷。单糖个数：单糖苷、二糖苷等糖的链接位置：单糖链苷、二糖链苷等。苷键原子（最常见的分类方式）：O-苷、S-苷、N-苷和C-苷

一、氧苷醇苷酚苷酯苷氰苷：具有α羟基氰的苷，易被水解出HCN，有毒。吲哚苷毛茛苷(杀虫）狼牙菜苦苷红景天苷天麻苷水杨苷芦丁醇苷酚苷R=H,野樱苷R=-D-glc，苦杏仁苷R=H，亚麻氰苷R=CH3,百脉根苷垂盆草苷异垂盆草苷氰苷稀酸酶浓酸OH-稀酸山慈姑苷A酯苷靛苷（indicum)靛蓝（indigo)菘蓝苷（isatinB)吲哚苷二、硫苷芥子苷Glucoraphenin

（萝卜苷）三、氮苷腺苷鸟苷胞苷尿苷四、碳苷Vitexin

（牡荆素）purerin芦荟苷1.下列糖进行PC，展开剂为BAW（4：1：5，上层），其Rf值最大的糖是A.D-葡萄糖B.D-果糖C.L-鼠李糖D.D-半乳糖2.糖淀粉约占淀粉总量的17-34%，是（）连接的D-葡聚糖。A、β1→4B、α1→4C、α1→6D、β1→6练习3.按苷键原子分类是最常见的分类方式，据此苷类化合物又可分为A．O-苷B．S-苷C．C-苷D．N-苷E．P-苷4．按苷键原子可将苷类分为若干类，其中最常见的是O－苷，它又包括A．醇苷B．酚苷C．氰苷D．酯苷E．吲哚苷第三节糖的化性质一、氧化反应银镜反应（Tollenreaction）弗林反应（Fehlingreaction）过碘酸氧化反应（OxidationbyHIO4）还原糖邻二醇C－C键断裂过碘酸氧化机理

-羟基醛

-羟基酮氧化甲基

-D-葡萄糖如果消耗

2molHIO4

，产生

1mol甲酸,说明3C-OH相邻。证明吡喃环存在二、糠醛形成与Molish

反应

———糖的鉴定试管反应，现象：紫色环糠醛糠醛与α-萘酚络合TLC显色反应邻苯二甲酸＋苯胺有机酸＋苯酚／苯胺／蒽酮等蓝色三、羟基反应醚化（甲醚化、三甲基硅醚化、三苯甲醚化）酯化（乙酰化、甲苯磺酰化）缩醛（缩酮）化硼酸络合反应羟基的活泼性：半缩醛羟基，伯醇羟基，C2－OH（一）甲醚化（MethylEthers）NaOH不同的反应类型Haworth法

(CH3)2SO4+NaOHPurdic

法

CH3I+Ag2OKuhn改良法

CH3I+Ag2O/DMSO(CH3)2SO4/BaO/Ba(OH)2箱守法（Hakomori法）

NaH/CH3I(DMSO)甲醚化的用途全甲基化糖苷酸水解时仅水解糖苷键。判断成苷位置、连接顺序。（二）乙酰化反应

对甲苯磺酰化反应主要发生在伯醇上。用途：分离、鉴定（三）缩醛（Acetal）与缩酮（Ketal

）用途：对碱稳定，对酸不稳定。羟基保护剂，推测顺邻二醇羟基或1，3－二醇羟基，推测氧环的大小（四）硼酸（boricacid）络合反应Structurerequirement:OHsmustbeinCispositions应用：酸碱滴定络合分离1.用适当的化学方法鉴别下列各组化合物(标明反应所需化学试剂以及所产生的现象)。AB练习2.思考：羟基醚化反应、乙酰化反应、缩酮（醛）化反应及硼酸络合反应各自在糖及苷研究上的应用与价值。第四节苷键的裂解酸催化水解碱催化水解和－消除反应

乙酰解过碘酸裂解(Smith降解）酶催化水解糖醛酸苷的选择性水解反应用途：苷元与糖、糖与糖的连接方式、苷键构型的研究（一）酸催化水解1．原理：苷键具有缩醛结构，易为稀酸催化水解。反应一般在水或稀醇溶液中进行。常用的酸有盐酸、硫酸、乙酸、甲酸等。其机制是苷原子先质子化，然后断键生成阳碳离子或半椅型中间体，在水中溶剂化而成糖。AcidcatalyzedHydrolysis苷酸催化水解难易规律2．水解难易：苷键水解的难易与苷键原子的电子云密度及其空间环境有密切的关系，只要有利于苷键原子的质子化就有利于水解，因此水解难易的规律可以从苷键原子、糖、苷元三方面来讨论。（1）按苷键原子不同，酸水解的易难顺序为：N-苷>O-苷>S-苷>C-苷。N易接受质子，最易水解，而C上无未共享电子对，不能质子化，很难水解。特殊：当N原子在酰胺或嘧啶环上时，很难水解。苷酸催化水解难易规律2）按糖的不同①呋喃糖苷较吡喃糖苷易水解；（五元环张力）②酮糖较醛糖易水解；（酮糖多为呋喃糖）③吡喃糖苷中吡喃环的C-5上取代基越大越难水解，因此五碳糖最易水解，其顺序为五碳糖>甲基五碳糖>六碳糖>七碳糖，如果接有COOH,则最难水解；（空间位阻）④氨基糖较羟基糖难水解，羟基糖又较去氧糖难水解，尤其是C-2上取代氨基的糖更难。2,6-二去氧糖>2-去氧糖>6-去氧糖>2-羟基糖>2-氨基糖（竞争质子）（3）按苷元不同①芳香属苷水解比脂肪属苷（如萜苷、甾苷）容易得多。某些酚苷（如蒽醌苷、香豆素苷）不用酸，只加热也可能水解成苷元。（供电基）②苷元为小基团者，苷键横键的比苷键竖键的易于水解。苷元为大基团者相反。（前者位阻，后者势能）苷酸催化水解难易规律补充内容：二相水解法

在酸水解反应液中加入与水不相混容的有机溶剂，使苷元生成后立即溶于水不相混溶的有机溶剂中，以避免苷元与酸长时间接触而脱水生成次生苷元。酸催化甲醇解在酸的甲醇溶液中进行甲醇解，多糖或苷可生成一对保持环形的甲基糖苷的异构体。应用：①甲基糖苷在呋喃糖环和吡喃糖环的区别判断；②糖链中单糖之间的连接位置确定；（二）乙酰解反应乙酰解所用的试剂是醋酐和酸，常用的酸有H2SO4、HClO4、CF3COOH和ZnCl2、BF3（lewis酸）等。

－苷键葡萄糖双糖乙酰解的难易程度是：（1→2）>（1→3）>

（1→4）>

（1→6）机理与酸催化同，邻位羟基负电性影响反应。AcetolysisCH3CO+AcO-（三）碱催化水解和－消除反应

酯苷、酚苷、烯醇苷和β-吸电子基取代的苷等才易为碱所水解。如藏红花苦苷、靛苷、蜀黍苷等。但有时水解后得到的是脱水苷元，如藏红花苦苷（－消除反应）。原因：酚苷中的芳环具有一定的吸电子作用，使糖端基上氢的酸性增强，有利于OH-的进攻，形成正碳离子后，芳环对苷键原子又具有一定的供电能力，有利于正碳离子的稳定。Basecatalyzedhydrolysis2－OH与苷键顺式产物为正常的糖β-消除反应（四）酶催化水解酶催化反应具有专属性高，条件温和的特点。常用的酶有：①转化酶（水解β-果糖苷键）。②麦芽糖酶（水解α-葡萄糖苷键）。③杏仁酶（水解β-葡萄糖苷和有关六碳醛糖苷），专属性较低；纤维素酶（水解β-葡萄糖苷）。应用：①可以获知苷键的构型；②可以保持苷元结构不变；③还可以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。

pH条件对酶水解反应是十分重要的，例如芥子苷酶水解芥子苷，在pH7时生成异硫氰酸酯，在pH3~4时生成腈和硫磺。（五）氧化裂解反应常用过碘酸裂解反应（Smith裂解）步骤：第一步在水或稀醇溶液中，用NaIO4在室温条件下将糖氧化裂解为二元醛；第二步将二元醛用NaBH4还原为醇，以防醛与醛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。优点：①可得到完整的苷元；②从降解得到的多元醇，还可确定苷中糖的类型；③对苷元结构容易改变的苷以及C-苷水解研究特别适宜。注意：此法显然不适用于苷元上也有1，2-二醇结构的苷类。人参皂苷：碳苷：（六）糖醛酸苷的选择性水解反应特殊的苷键裂解方法：光解法、四醋酸铅分解法、醋酐－吡啶分解法、微生物培养法等。Summary酸催化水解简单易行适用范围广苷原发生变化(脱水、脱乙酰基等）两相水解法乙酰解衍生化水解法适用面窄（1－6连接最容易水解）引入乙酰基糖端基或其他位置发生异构化碱催化水解操作简单对苷原有特殊要求（酯苷、酚苷、特殊结构苷）苷原结构发生变化酶催化水解反应条件温和，专一性强苷原结构无变化酶的参加微生物转化Smith降解特殊要求的苷的水解苷原无变化反应步骤多练习一、A型题（最佳选择题）1．下列苷键中最难酸水解的是A．N-苷B．O-苷C．S-苷D．C-苷E．醇苷2．最易水解的苷类为A．葡萄糖苷B．半乳糖苷C．甘露糖苷D．核糖苷3．最易酸水解的苷类为A．五碳糖苷B．甲基五碳糖苷C．七碳糖苷D．六碳醛糖苷E．糖醛酸苷5、下列苷类化合物水解由难到易的顺序为①②③④A、①→②→③→④B、③→②→①→④C、③→④→②→①D、④→②→③→①6．一般的苷键对稀碱比较稳定，不易被碱催化水解，但有些苷键遇碱能水解，如苷元为A．酸类B．酚类C．醇类D．有羰基共轭的稀醇类E．成苷的羟基

-位有吸电子基者二、B型题（配伍选择题）

A．

-葡萄糖苷键B．

-葡萄糖苷键C．

-去氧糖苷键D．

-果糖苷键E．S-苷8．杏仁苷酶可水解9．麦芽糖酶可水解10．转化糖酶可水解11．纤维素酶可水解X型题（多项选择题）1．苷键的裂解反应可使苷键断裂，其目的在于了解A．苷类的苷元结构B．所连接的糖的种类C．所连接的糖的组成D．苷元与糖的连接方式E．糖与糖的连接方式和顺序2．苷键的裂解常用的方法有A．酸催化水解B．碱催化水解C．酶催化水解D．氧化裂解E．酸催化甲醇解2.影响苷类酸催化水解难易的因素有A．苷键原子上的电子云密度越大越易水解B．苷键原子上的电子云密度越小越易水解C．苷键原子的空间环境影响不可忽略D．苷键原子越易质子化越易水解E．苷键原子越难质子化越易水解请写出下列化合物的反应产物：第五节NMRSpectraofCarbohydrates糖的NMR可解决的问题糖的种类糖与苷的连接位置苷键构型糖与糖的连接顺序1HNMR1HNMR糖的端基质子信号在

4.3~6.0

甲基五碳糖的甲基信号在

1.0左右其余信号在3.2~4.2左右

根据化学位移和耦合常数区别糖的C-1位氢构型（苷键构型）。

J=6~8HzJ=2~4Hz槲皮素鼠李糖苷13CNMR根据化学位移区别糖的种类Table2-1根据C-1位的化学位移区别苷键构型－D、－L型C1>100

酯苷、叔醇苷、个别酚苷98

－D、－L型C1<100

根据1JC1-H1值区别苷键构型吡喃糖，端质子横键1JC1-H1170Hz

端质子竖键键1JC1-H1160Hz

呋喃糖，无此规律

Table2-2糖在13CNMR中

-CH3

18-CH2OH

62-CH2OH

68~85端基碳C1

95～105

因此可根据

95～105区域碳信号的个数和化学位移值来推测低聚糖、苷中所含糖的个数和苷键的构型。根据苷化位移推测苷元苷化碳的绝对构型Table2-3根据位移值改变推测取代位置Table2-3

（糖与苷元、糖与糖的连接位置）苷化位移(glycosylationshift,GS)苷化位移——糖与苷元成苷后，苷元的α碳、β碳和糖的端基碳的化学位移值均发生改变一般规律：苷元α-C向低场位移，β–C向高场位移，端基碳向低场位移。伯醇苷环醇苷1）两β-C均为仲碳前手性差别规律：同小异大环醇苷2）两β-C为仲碳和叔碳（季碳）α碳构型的影响规律：同5异10叔醇苷表2-3苷化位移规律苷元C-1’CαCβ伯醇－1.28－4环醇Cβ均为仲碳C-1’（R）（－1）～（－4）7.0Pro-S–4，Pro-R–2C-1’（S）（－1）～（－4）7.0Pro-S–2，Pro-R–4一个Cβ为仲碳，另一个为叔碳或季碳C-1’和Cα构型相同－45仲碳-5叔碳-2季碳-0.5C-1’和Cα构型相异0±1.510仲碳-2叔碳-1季碳±0.5叔醇－77－3应用：判断苷化位置，苷化碳构型等糖均为

-D-葡萄糖酯苷和酚苷规律：α碳向高场位移例：1思考题NMR在糖与苷的结构研究中可解决哪些问题，是如何解决的？可利用的特征信号有哪些？第六节糖链的结构测定单糖的组成糖的氧环糖与糖的连接位置糖的连接顺序苷键的构型研究糖或苷类化合物结构的顺序纯度检查分子量测定单糖鉴别单糖间连接位置单糖间连接顺序非糖部分性质非糖部分结构苷键部分结构苷的结构HPLC,mpHRMS,TOF-MSGC-MS，对照法全甲基化甲醇解／水解NMR、MSNMR，旋光测定法小分子化合物糖链的结构测定

1．分子量的测定：大多采用质谱法，通过FD、FAB、ESI获得[M+H]+、[M+Na]+等准分子离子峰。2．单糖的鉴定：一般将苷键全部酸水解，然后用纸色谱检出单糖的种类等。3．单糖之间连接位置的确定：①将苷全甲基化，然后水解苷键(甲醇解），鉴定所有获得的甲基化甲苷，其中游离羟基的部位即为连接位置；②可用糖或苷元13C-NMR苷化位移来确定；③利用2D-NMR如HMBC谱中的远程相关关系确定糖与糖或糖与苷元的连接位置。4．糖链连接顺序的确定

①早期主要是缓和酸水解法；②近年质谱分析用的较多（FD、FAB、ESI）；③利用2D-NMR如HMBC谱中的远程相关关系。苷键构型的确定1．酶催化水解法：麦芽