糖和苷

天然药物化学糖和苷思维导图，包括单糖的立体化学、糖和苷的分类、糖的化学性质、苷键的裂解、糖的核磁共振性质等。

糖和苷

• 基本概念
  • 糖类（碳水化合物）
    • 多羟基醛酮或其脱水聚合物，（光合作用）初生产物，（大多数天然产物）初始原料
  • 苷类（配糖体）
    • 糖/糖衍生物+苷元（非糖物质） →半缩醛/半缩酮反应（脱水）→苷
  • 分布
    • 植物干重80~90%
  • 生物活性
    • 抗肿瘤
    • 抗肝炎
    • 抗心血管疾病
    • 抗衰老
• 单糖的立体化学
  • 单糖：多羟基醛酮类
    • 水溶液中，环状半缩醛酮（环张力影响，多为5/6元氧环，即吡喃/呋喃型糖）
  • 立体结构表示法
    • Fisher.投影视。
      • 基本规则：主C链上下排列 氧化程度高的在上 横前竖后
    • Haworth
      • 子主题
    • 优势构象式
  • 单糖的绝对构型（DL）α羟基醇（编号最大的不对称C原子的构型与甘油醛作比较）
    • Fisher式
      • 最后一个C*（向右为D向左为L）
• 多糖结构的测定
  • 纯度测定
    • 多糖的纯度只是相对的概念，只能得平均的相对集中的分子量，不像单糖结构确定，多糖往往多一个糖少一个糖影响不大
    • 方法
      • 超离心法
      • HPCE
      • 凝聚色谱法 柱h：d＞40
      • 旋光测定法
        • 不同浓度乙醇↓，比较
      • 官能团摩尔比法，RI，HPLC
    • 纯度
      • 不同于小分子化合物
      • 相似的链长的平均分布
  • MV
    • 传统方法
      • 物理方法（粗略）
        • 沉降法、光散射法、粘度法、渗透压法、超滤过法、超离心法
      • 凝胶柱色谱法（反分子筛，成本较高，大分子量标准物质贵一点）
    • MS
      • 质谱检测仪包括离子化单元和质量检测器，质量检测器有检测范围，对大分子检测较弱，很多多糖早已超范围，解决方法：一水解；二让多糖带上多电荷
      • ESI-MS
        • 单或多电荷质子
      • MALDI-TOF-MS
        • MALDI (基质辅助激光解析电离)：激光照射样品与基质形成的共结晶薄膜，基质从 激光中吸收能量传递给生物分子，而电离过程中将质子转移到生物分子或从生物分 子得到质子，而使生物分子电离的过程
        • 多为单电荷质子
  • 单糖组成的确定（全水解）
    • 单一多糖→单一峰，杂多糖→比例确定
    • PC
      • 显色确定：确定单糖的种类
      • TLCS：大致定量
    • GC（更准确）
      • 糖有很多羟基，极性太大，全甲基化或硅烷化处理处理
      • CH3OH解→TMS化
        • 常采用盐酸甲醇解的方法：端基带上-OCH3，再TMS（(CH3)4Si）化
      • 以甘露醇或肌醇为内标，已知单糖作标准
    • HPLC（更准确）
      • 水解后→折光检测器，确定单糖的绝对构型
  • 单糖绝对构型的测定（究竟是D/L？）
    • 对映异构体的分离原则
      • 衍生化，引入新的手性中心→非对映体（差向异构体）
      • 色谱柱具备手性
        • 色谱柱引入手性（黄虎鲸色谱柱）
        • 流动相用手性（如流动相加入黄糊精）
    • 方法
      • GC
        • 流程
          • 单糖+手性试剂→非对映体化→TMS化
        • 方法
          • D，L-单糖与单一构型的手性试剂（L-）反应
            • 两单糖样品与一个手性试剂反应，对照一个标准品，Rf值范围来确定是哪种衍生化
          • 1种单糖与2个手性试剂（D,L-）反应
      • HPLC
        • 试剂：S-(-)-1-苯基乙基胺
        • 特点
          • 样品用量少
          • 灵敏度没有GC高
      • 手性色谱法（昂贵）
      • 旋光检测器（仪器昂贵）
        • 如ORD、CD检测器，用紫外吸收一般用ORD才可以
      • 旋光比较法（样品用量大）
  • 单糖之间连接位置的决定
    • 多糖：全甲基化→水解→GC定性和定量
      • 多糖本身的游离羟基都被甲基化，水解之后会暴露端基羟基，就可以判断每个单糖是1，4/1，2连接；含有3个羟基的支链糖，含有2个羟基的主链糖（可大致判断组成）
      • 水解
        • 先90%HCOOH，后0.05MH2SO4或CF3COOH
        • CH3OH解（少用）：有时早曾糖连接位点甲基化
      • 甲基化单糖中游离-OH的部位就是连接位置
    • 低聚糖（寡糖）
      • 1H-NMR：全乙酰化→2D-NMR
        • ？？？？为什么要乙酰化
      • 13C-NMR测定：苷化位移规律
  • 糖链连接顺序的决定
    • 酶水解成较小的片段，后低聚糖连接顺序分析（质谱、核磁等）
    • 缓和水解法
    • NMR法
      • 13C-NMR：弛豫时间T1
        • 外侧糖较大
        • 同一个糖基本相同
      • 2D-NMR
    • 质谱分析
      • FAB-MS
• 糖和苷的分类
  • 糖的分类
    • 单糖（多羟基醛/酮，3~8个C）
      • 种类：200多种，五六碳糖最多
      • 存在形式：结合状态（多数）；游离状态（少数如葡萄糖、果糖）
      • 常见（10种）
        • 五碳醛糖：L-阿拉伯糖、D-木糖、D-核糖 六碳醛糖：D-葡萄糖、D-半乳糖（3位）、D-甘露糖（2位）、D-阿洛糖 六碳酮糖：D-果糖、L-山梨糖 甲基五碳糖：L-鼠李糖 支碳链糖：D-芹糖 氨基糖：羟基→胺基（动、微生物中） 葡萄糖胺（龙虾甲壳）（！命名：2-氨基-2-去氧-D-葡萄糖） 天然多为2-氨基-2-去氧醛糖 去氧糖：（强心苷、微生物代谢产物） 最常见：2-去氧糖；6-去氧糖（实际为甲基五碳糖，强心苷中通常不是这种）；2，6-二去氧糖 糖醛酸：伯醇基→羧基（游离糖醛酸不稳定，会形成内酯；植物种糖苷形式存在比较稳定） 葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸 糖醇：醛酮→羟基 D-山梨醇、D-甘露醇、D-木糖醇 （分布广，有的有甜味） 木糖醇制备：玉米芯/甘蔗渣/花生壳（多聚戊糖）粉碎→加硫酸、水，加热→水解成木糖→催化加氢→木糖醇 环醇：肌醇（肌六醇，有9个异构体）
        • 五碳醛糖：L-阿拉伯糖、D-木糖、D-核糖 六碳醛糖：D-葡萄糖、D-半乳糖（3位）、D-甘露糖（2位）、D-阿洛糖 六碳酮糖：D-果糖、L-山梨糖 甲基五碳糖：L-鼠李糖 支碳链糖：D-芹糖 氨基糖：羟基→胺基（动、微生物中） 葡萄糖胺（龙虾甲壳）（！命名：2-氨基-2-去氧-D-葡萄糖） 天然多为2-氨基-2-去氧醛糖 去氧糖：（强心苷、微生物代谢产物） 最常见：2-去氧糖；6-去氧糖（实际为甲基五碳糖，强心苷中通常不是这种）；2，6-二去氧糖 糖醛酸：伯醇基→羧基（游离糖醛酸不稳定，会形成内酯；植物种糖苷形式存在比较稳定） 葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸 糖醇：醛酮→羟基 D-山梨醇、D-甘露醇、D-木糖醇 （分布广，有的有甜味） 木糖醇制备：玉米芯/甘蔗渣/花生壳（多聚戊糖）粉碎→加硫酸、水，加热→水解成木糖→催化加氢→木糖醇 环醇：肌醇（肌六醇，有9个异构体）
    • 寡糖（2~9，苷键）
      • 还原糖和非还原糖（半缩醛/酮是否有游离）
        • 蔗糖（非）：α-D-葡萄糖-(1→2)-β-D-果糖 （其中1和2各自为其半缩醛酮位） 麦芽糖（还）：α-D-葡萄糖-(1→4)-β-D-葡萄糖（其中4不是半缩醛，还有游离半缩醛）
      • 环糊精
        • 6，7，8个Glc→α，β，γ-环糊精 1→4连接 （微生物产生，淀粉类物质）
        • 特点
          • 水溶性好 羟基都在外侧，内侧疏水，可包溶脂溶性药物 多个手性中心，可用于手性分离
    • 多糖（10↑，苷键）
      • 动植物支持组织
        • 纤维素、甲壳素 不溶于水（多糖形成脱水，极性下降，脂溶性较好） 分子呈直线型
      • 动植物用于贮存养分
        • 淀粉、肝糖原等 可溶于热水成胶体溶液 分子呈支链型
      • 均多糖和杂多糖（杂多糖多含O-乙酰基、N-乙酰基、磺酸酯等）
      • 植物多糖
        • 淀粉
          • 构成与构型：直链淀粉（糖淀粉）：α（1→4） +支链淀粉（胶淀粉）：α（1→4）或α（1→6） 分子结构：呈螺旋状（粒状易于贮存营养） 每个螺环6个葡萄糖 性质：碘分子、离子可进入螺环通道→有色的包结化合物→显色 （平均聚合度↑，颜色越深）
        • 纤维素
          • 糖苷键：β（1→4） 分子结构：直线状 性质：肉食动物β-苷酶少，无法吸收利用 微生物、原生动物、反邹动物可利用
        • 果聚糖：如菊淀粉（D果24βD葡，聚合度35，测定肾清除率） 半纤维素（杂多糖；酸性多糖，支链糖醛酸，碱可水解） 树胶 粘液质/粘胶质 香菇多糖：抗肿瘤（辅助放化疗，增强免疫力）
      • 动物多糖
        • 糖原：结构类似淀粉，聚合度更大、分支更高 遇碘显红褐色 甲壳素：N-乙酰葡萄糖胺 β（1→4） 结构、稳定性类似于纤维素 酸性粘多糖：（氨基几糖+糖醛酸） 肝素、硫酸软骨素、透明质酸 统称蛋白聚糖（∵常以蛋白质结合状态存在）
  • 苷的分类
    • 氧苷
      • 醇苷
        • 红景天苷（强壮增强适应力） 毛茛苷（杀虫、杀菌） 京尼平苷（泻下、利胆） 甘草酸/甘草次酸（抗肿瘤） 海星环苷
      • 酚苷
        • 天麻苷（镇静） 番泻苷A（泻下） 芦丁（软化血管） 秦皮素（抗菌）
      • 氰苷(苦杏仁苷)
        • α-羟氰苷：稀酸→HCN（镇咳、过量致死，服用乳糖竞争β-葡萄糖苷酶可预防中毒） γ-羟氰苷：垂盆草苷（降低谷丙转氨酶） 养偶氮苷类：苏铁苷、新苏铁苷（肝脏代谢→有毒CH2N2）
      • 酯苷
        • 水解后往往会成环
      • 吲哚苷
        • 靛苷、菘蓝苷（板蓝根，病毒性腮腺炎）
    • 硫苷
      • (十字花科，顺其功效） 萝卜苷 黑芥子苷 白芥子苷
    • 氮苷
      • 腺苷 鸟苷 胞苷 尿苷 巴豆苷
    • 碳苷
      • 要求结构→活性碳原子（电子云密度高） 苷元：间苯二酚、间苯三酚（多） 如：黄酮、查尔酮、蒽醌、酚酸等 化学性质：难水解；消化道中部分微生物可水解 牡荆素、异牡荆素、三色堇素
• 理化性质
  • 物理性质
    • 溶解性
      • 糖（糖越多水溶性越小）
        • 单糖极性＞双糖 聚合度↑→水溶性↓（与-OH/C的分担情况有关） 易溶于冷水，或于热水成胶体溶液
      • 苷（亲水性，糖越多水溶性越强）
      • 苷元（亲脂性）
    • 甜味
      • 单糖~低聚糖：甜 多糖：无味（聚合度↑，甜味↓） 苷：苦（人参皂苷）、甜（甜菊苷）
  • 化学性质
    • 氧化反应
      • 单糖集团活泼性： 半缩醛（酮）＞伯醇>仲醇 2-OH>3，4-OH e键-OH＞a键
      • 反应条件与产物
        • -CHO→-COOH
          • 银镜反应：Ag+→Ag
          • 弗林反应：Cu2+→Cu2O砖红色↓
          • Br2/H2O：褪色
        • HNO3：醛糖→糖二酸
        • HIO4、Pb(Ac)4氧化：邻二醇-OH
          • 过碘酸氧化
            • 适用
              • 邻二醇→两个醛 α-氨基醇→两个醛+NH3 α-羟基醛/酮（反应较慢）→醛加酸 邻二酮（反应最慢）→两酸 活性次甲基结构
            • 反应条件
              • 含水溶液；避光
            • 反应特点
              • 定量进行 降解产物稳定 生成的HIO3可滴定
                • HIO4消耗量的确定
                  • 单糖：按Fischer式计算 成苷：胺Haworth式计算 活性CH2：多消耗1分子HIO4
            • 用途
              • 推测糖中邻二-OH多少 推测吡喃糖、呋喃糖 推测低、多聚糖聚合度 推测1,3连接还是1,4连接 糖与糖连接的位置
          • Pb(Ac)4氧化
            • 氧化能力较HIO4强：室温下可氧化草酸 立体选择性更高：呋喃糖反式二醇OH不能氧化 需要在有机溶剂中进行：HAc, 二氧六环 （多糖类物质使用受限）
    • Monish反应（糠醛形成反应）
      • 糖基专属
      • 糖、苷类+浓硫酸+α-萘酚→棕色环
        • 多糖→HCL→单糖→浓硫酸→糠醛（呋喃环结构）+芳胺或酚类→有色物质
    • 羟基反应
      • 反应活性： 半缩醛羟基（max）>C6-OH（其次）＞仲醇（min） （仲醇最差，∵空间位阻）
      • 反应类型
        • 醚化、酯化：少用 缩醛（酮）化：保护OH 硼酸络合反应
          • 缩酮和缩醛化反应（保护-OH）
            • 反应试剂：酮（或醛） 多元醇：含2个适当空间位置的OH 条件：脱水剂 矿酸、无水ZnCl2、无水CuSO4等 产物：环状缩酮 (ketal)、缩醛 (acetal) 酮类易与顺邻-OH生成→五元环状物 醛类易与1,3-双-OH生成→六元环状物
              • 糖+酮→五元环缩酮(异丙叉衍生物)
                • 有顺邻-OH时：五元环状物 无顺邻-OH时：转变为呋喃糖结构→再生成五元环状物
              • 糖 + 苯甲醛 → 六元环状缩醛 (苯甲叉衍生物)
                • 1,3-OH结构
          • 硼酸络合反应
            • 糖 + 硼酸 → 络合物（H3BO3是接受电子对的Lewis酸）
            • 中性→酸性，可离子化，应用
              • 酸碱中和滴定 离子交换法分离 电泳鉴定 混有硼砂缓冲液的TLC
  • 苷键的裂解
    • 酸催化水解
      • 苷键（缩醛结构）+稀酸→质子化→（电子发生转移）成阳氧离子/椅型中间体→溶剂化→糖
      • 反应容易进行的条件
        • 总体
          • 苷原子的电子云密度（↑）
          • 质子化位阻
          • 环张力（↑，稳定性↓）
        • 具体
          • 苷键与苷元
            • 苷原子
              • N>O>S>C苷
            • 构型
              • 小苷元，e>a（位阻小）
              • 大苷元，a>e（稳定性小）
            • 苷元
              • 酚苷、烯醇苷>醇苷（共轭体系能够分散正电荷）
              • 醇苷：叔OH>仲OH>伯OH
          • 糖的类型
            • 取代基的-I效应
              • 2,3-二去氧糖>2-去氧糖>3-去氧糖>羟基糖>糖醛酸>2-氨基糖
                • 糖醛酸-COOH的-I效应>-CH2OH；氨基糖-NH2→NH3+，有强烈-I效应
            • 稳定性、张力
              • 呋喃糖 > 吡喃糖 酮糖 > 醛糖 a键多的糖容易（不稳定）
            • C5取代基位阻
              • 五碳糖 > 甲基五碳糖 > 六碳糖 > 七碳糖
      • 酸水解方法
        • 酸水水解法（苷元构型易改变）
          • 5%HCl
        • 两相水解法（苷元构型保持不变）
          • 酸水+CHCl3（有机相），糖在水层
        • 温和酸水解（选择性开裂易开裂的苷键）
          • 0.3%HCOOH，CH3COOH
        • 盐酸甲醇水解
          • 5%HCl+CH3OH
          • 直接醚化半缩醛OH
          • 能确定呋喃糖、吡喃糖
    • 乙酰解
      • 乙酰解不同于乙酰化：电子云密度↑，乙酰解越容易，乙酰化越难
      • 试剂：醋酐、酸（H2SO4、HCLO4、CF3COOH、Lewis酸）
      • 反应条件：室温放置数天
      • 产物：糖的酰化物；苷元的酰化物
      • 反应机理：类似酸水解（CH3CO+为进攻基团）
      • 用途：保护苷元上的-OH；增加亲脂性；部分开裂苷键
      • 反应速率
        • 电子云密度↑→容易
        • α-苷键易断；β-苷键中（1→6>>1→4>>1→3>>1→2）
    • 碱水解和β消除反应
      • 醇苷：一般对稀碱稳定
        • β消除反应
          • 醇苷的苷键β位（实际位α位）存在吸电子基团，被碱水解
          • 机制：α-H活化→利于OH-进攻→苷键消除、开裂
          • 还原聚糖的β消除反应（确实为β位）：会一个个消除直到没有苷
            • 子主题
              • 糖还原端，游离的C=O（苷键的β、γ位）→ 活化邻位H
      • 酯苷、酚苷、烯醇苷：-C效应
      • 机制
        • 端基质子具有酸性 易被OH-进攻，而水解
    • 酶催化水解
      • 专属性高，选择性
        • 苦杏仁酶 (emulsin)：β-6C醛糖苷 蜗牛酶：β-苷键 纤维素酶 (cellulase)：β-D-葡萄糖苷 麦芽糖酶 (maltase)：α-D-葡萄糖苷 转化糖酶 (invertase)：β-D-果糖苷
      • 用途
        • 判断苷键构型 得到的苷元保持结构不变 提取分离时，注意杀酶保苷!
    • 氧化开裂法 (Smith降解法)
      • 试剂
        • HIO4 (NaIO4)+ NaBH4 + 稀H+
      • 特点
        • 反应条件温和，可得到构型保持的苷元
        • 不适用于含邻二醇OH的苷元
        • 可用于C苷的水解
          • 碳苷氧化裂解的方法：smith降解；FeCl3氧化裂解
    • 糖醛酸苷的选择性水解
      • 由于酸水难水解，反应剧烈→苷元破坏
        • 光解法 Pb(Ac)4分解法 醋酐-吡啶分解法 微生物培养法
      • 醚键相连的苷
        • 水解无法得到苷元 例：芍药新苷 (lactiflorin)
• 单糖的核磁共振性质
  • IR
    • α-葡萄糖苷：770、780cm-1强吸收峰
  • MS
    • 葡萄糖苷乙酰化物331碎片峰强度：α>β
  • 1H-NMR
    • 非信号峰
      • TMS：0
      • 溶剂峰：4.8（D2O）
      • 水峰：4.8
      • 杂质峰（看积分比）
    • 化学位移
      • 4.3~6.0端基质子
        • 糖sp3，甲醇H：3.3，糖上H要>3.3（有羟基）
        • 黄酮苷3-β-DGlc>5.3（5.3~6.0）；黄酮其他位置的β-DGlc<5.3（4.8~5.2）
          • 由于空间效应
        • 外侧糖端基H比内侧糖在高场（即端基H化学位移：外侧<内侧）
          • 苷元基团的磁各向异性
        • 醇苷<4.8
      • 3.2~4.2其他质子
      • 1.0甲基5C糖
        • 双重峰
    • 耦合常数
      • 端基质子的偶合
        • J3（两面角相关：180°，12Hz；60/120°，3Hz）
        • 自由旋转：7Hz
        • 电负性↑→J3↓
        • 2-H一般处在直立键上
          • 也有2-H在平伏的情况，来苏糖，甘露醇，鼠李糖等，可利用13C-NMR（γ效应）
            • 鼠李糖的优势构象：1C式
          • 1-H直立：7Hz
            • 本来180°能达12HZ，糖有多羟基，负电性强，J3↓
            • 普通结构自由旋转的H也是7Hz（没有那么多氧的均值）
          • 1-H平俯：3Hz
          • 即可用1-H的J值进行判断α/β
            • a键（β）：7Hz；e键（α）：3Hz
  • 13C-NMR
    • 100做界限，100↑sp2杂化，100↓sp3杂化（90-110为交叉范围，恰好也是糖端基碳的范围）
    • 化学信号
      • -CH3
        • ~18
      • CH2OH
      • CHOH
      • 只连有一个氧，60~90（恰好为sp杂化碳的范围）
      • 端基C
        • >100：C1式β-D、α-L；1C式α-D、β-L； ~98：↑+酯苷/酚苷/叔醇苷； <100：C1式α-D、β-L；1C式β-D、α-L
        • 连接两个氧，90~110（恰好为sp2杂化范围）
    • 1J(C1-H1)（实际用的较少）
      • 吡喃糖C1式：165↓（优势β-D/α-L）；165↑（α-D/β-L）
      • 吡喃糖1C式：160↓（优势β-L）；160↑（α-L）
      • 呋喃糖无法比较
  • 苷化位移
    • 连接苷元后，对糖和苷化学位移都产生影响
    • 对糖的影响
      • 端基C
        • 多数向低场位（5~10）
        • 少数向高场位移：酯苷
    • 对苷的影响
      • 醇苷
        • α-C向低场位移
        • β-C向高场位移（多）
        • 概要
      • 酚苷
        • α-C向高场位移
        • β-C向低场位移（稍微）
    • 其他影响不大
  • 甲基化/酰化位移
    • 甲基化
      • 醇和酚
        • α-C低场位移
        • β-C高场位移
    • 酰化
      • 醇
        • α-C低场位移
        • β-C高场位移
      • 酚
        • α-C高场位移
        • β-C低场位移
      • 与苷化位移一样