思维导图 天然药物化学

天然药物化学第二章 糖和苷，糖类又称碳水化合物，是一类多羟基醛或酮，或通过水解能产生这些醛酮的物质，欢迎交流！

糖和苷

• 概述
  • 糖类：又称碳水化合物，是一类多羟基醛或酮，或通过水解能产生这些醛酮的物质
  • 苷类：又称苷或配糖体，是由糖或糖的衍生物与另一非糖物质(苷元或糖苷配基）通过糖的半缩醛或半缩酮羟基与苷元脱水形成的一类化合物
• 单糖的立体化学
  • 单糖：糖的基本单位，为不能再水解的多羟基的醛或多羟基酮
  • 苷的共性是糖和苷键；多糖含苷键但不是苷
  • 单糖的表示方法：Fischer、Haworth、优势构象式
    • Fischer投影式：碳主链竖直放置，醛基（羰基）位于顶端，羟甲基位于底端，链上中间碳上的取代基水平放置两端。投影式中，水平键朝向平面前，竖直健位于平面后；在Hawworth投影式中，在Fischer投影式右侧的基团一律写在环的面下，左侧的基团一律写在面上
  • 糖的成环方式：单糖在水溶液中形成半缩醛环状结构
  • 糖的绝对构型表示法：习惯上将单糖的最后一个手性碳原子（距离羰基最远的手性碳）的构型定为单糖的绝对构型
    • Fischer投影式中单糖D、L构型的规定：相对于左右旋（ L、D－）甘油醛而来，以距离醛基（或羰基）最远的手性碳原子上的－OH而定，向右为D-构型；向左为L-构型
    • Haworth式中，绝对构型的判定：六碳醛糖和甲基五碳糖构成的吡喃糖，C5上的取代基向上为D型，向下为L型；六碳醛糖构成的呋喃型，因C5、C6部分成为环外侧链，构型判断仍以C5为标准，C5-R者为D型糖，C5-S者为L型糖；五碳醛糖构成的吡喃糖，C4上的取代基向上为L型，向下为D型；五碳醛糖构成的呋喃糖，C4上的取代基向上为D型，向下为L型
  • 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，该原子成为端基碳，形成的一对异构体称为端基差向异构体，具有α、β两种构型
    • Fischer投影式中端基差向异构体构型的确定：同α异β——C1-OH（端基碳）与距离羰基最远的手性碳原子上的OH在同侧者为α型，异侧者为β型
    • Haworth式中端基差向异构体构型的确定
      • 六碳醛糖和甲基五碳糖构成的吡喃糖：同β异α——C1-OH（端基碳）与距离羰基最远的手性碳原子上的C5-OH 在同侧者为β 型，异侧者为α型
      • 五碳醛糖构成的吡喃糖：C1-OH和C4-OH 在同侧者为α型，异侧者为β型
      • 五碳醛糖构成的呋喃糖：C1-OH和C4-取代基在同侧者为β型，异侧者为α型
      • α、β 表示的是糖端基碳的相对构型，从端基碳绝对构型来看： β-D和 α-L， α -D和 β –L型糖（优势构象一样时）的端基碳的绝对构型是一样的
  • 糖的构象
    • 单糖的构象式：呋喃型糖——五元氧环,信封式；吡喃型糖——椅式构象为优势构象（C1, 1C式）
    • a 键 e 键的书写方法：面上的碳a键在面上；面下的碳a键在面下；e 键隔键平行
    • D型糖采取C1式更稳定，L型葡萄糖采取1C式；β-构型的端基OH总是处于平伏键
• 糖和苷的分类
  • 单糖类：天然界的单糖从三碳糖至八碳糖都有存在，最简单的醛糖：甘油醛；最简单的酮糖：二羟基丙酮
    • 单糖——五碳醛糖，六碳醛糖，六碳酮糖， 甲基五碳醛糖，支碳链糖（命名：单糖词尾-ose ，糖醛酸-uronic acid, 苷-oside；单糖衍生物——氨基糖，去氧糖，糖醛酸，糖醇，环醇
  • 低聚糖类：2-9个单糖通过苷键结合而成的直链或支链聚糖
    • 分类：根据单糖个数（二，三，四糖等）；是否含有游离的醛基或酮基（还原糖和非还原糖）
  • 多聚糖类：由10个以上的单糖通过苷键连接而成的糖称为多聚糖或多糖
    • 植物多糖（淀粉，纤维素，果聚糖，半纤维素，树胶，粘液质）、动物多糖（糖原、甲壳素、肝素、硫酸软骨素、透明质酸）
  • 苷类：由糖或糖的衍生物如氨基糖、糖醛酸等的端基碳上的羟基与另一非糖物质（苷元）通过缩合形成的化合物称为苷，故有α苷和β苷之分
    • 分类：根据生物体内的存在形式（原生苷，次生苷）；根据所连单糖的个数（单糖苷，双糖苷等）；根据糖链的数目（单糖链苷，双糖链苷）；根据苷元的不同（黄酮苷，蒽醌苷）；根据生物活性或特性（强心苷，皂苷）根据苷键原子（氧苷，氮苷，硫苷，碳苷）
      • 氧苷（O-苷）：醇苷，苷元为醇，如红景天苷；酚苷，苷元为酚，如天麻苷；氰苷，苷元为α-羟腈形成的苷，易分解成醛或酮和氢氰酸，如苦杏仁苷；酯苷（酰苷），苷元的羧酸基与糖或糖衍生物的半缩醛（半缩酮）羟基脱水缩合成苷，如山慈菇苷A；吲哚苷，苷元为吲哚醇，如靛苷
      • 硫苷（S-苷）：苷元的巯基与糖或糖的衍生物的半缩醛（半缩酮）羟基脱水缩合成苷，如白芥子苷
      • 氮苷（N-苷）：苷元的胺基与糖或糖的衍生物的半缩醛（半缩酮）羟基脱水缩合成苷化合物，如腺苷
      • 碳苷（C-苷）：苷元碳上的氢与糖或糖的衍生物的半缩醛（半缩酮）羟基脱水缩合成苷，苷元多为间苯二酚、间苯三酚类化合物，常见黄酮、蒽醌、酚酸类，如牡荆素
• 糖的理化性质
  • 一般性质
    • 溶解性：糖——小分子糖极性大，水溶度大；多糖随聚合度增大，水溶度下降
    • 糖的极性：单糖>双糖>三糖；苷的极性：苷元<单糖苷<双糖苷<三糖苷
    • 味：单糖、低聚糖有甜味；多糖无甜味
    • 旋光性：多有旋光性
  • 化学性质
    • 氧化反应：单糖的分子有醛（酮）、伯醇、仲醇和邻二醇等结构，氧化条件不同其产物也不同
      • 单糖结构中反应活泼性顺序：端基碳原子>伯碳>仲碳；银镜反应：以Ag+为氧化剂；费林反应：以Cu2+为氧化剂；过碘酸反应：氧化邻二羟基等，生成醛等；主要作用于邻二醇、α-氨基醇、α-羟基醛（酮）、邻二酮和某些活性次甲基等结构；在异侧不能扭转的邻二醇不起反应
      • 用途：推测糖中邻二-OH多少（试剂与反应物基本是1:1）；同一分子式的糖，推测是吡喃糖还是呋喃糖；推测低聚糖和多聚糖的聚合度；推测1,3连接还是1,4连接（糖与糖连接的位置）；鉴别糖的种类：氨基糖反应中有氨气产生
    • 糠醛形成反应（Molish反应）：单糖在浓酸（4~10mol/L）加热作用下，脱去三分子水，生成具有呋喃环结构的糖醛衍生物；多糖和苷类化合物在浓酸（矿酸10%HCl）的作用下首先水解成单糖，然后再脱水形成相应的产物
      • 糖醛衍生物可以和许多芳胺、酚类生成有色的化合物（Molish反应的试剂是浓硫酸和α-萘酚），碳苷和糖醛酸与Molish试剂反应往往呈阴性
    • 羟基反应：糖及苷的羟基反应包括醚化、酯化、缩醛（酮）化
      • 反应活性顺序：半缩醛羟基（C1-OH）>伯醇基（C6-OH） >仲醇（伯醇因其处于末端的空间，对反应有利，因此活性高于仲醇）
      • 醚化反应
        • Haworth法（不常用）：含糖样品 + Me2SO4 + 30%NaOH → 醇-OH全甲基化（需反复多次），用红外光谱判断是否有-OH吸收峰，制备甲苷（用限量试剂，即克分子比1∶1时，可得甲苷）
        • Purdic法：样品 + MeI + Ag2O → 全甲基化（醇-OH），只能用于苷，不宜用于还原糖（即有C1-OH的糖），因Ag2O有氧化作用，可使C1-OH氧化
        • Hakomori法（箱守法）：样品 + DMSO + NaH + MeI → 全甲基化（一次），该反应是在非水溶剂中，即二甲基亚砜（DMSO）溶液中进行反应
        • 重氮甲烷法（CH2N2）：样品 + CH2N2 / Et2O + MeOH → 部分甲基化（-COOH、-CHO等）
      • 酯化反应：羟基活性与甲基化反应相同，即C1-OH、C6-OH较易、C3最难。由于C2位取代后，引起的空间障碍，使得C3最难被酰化；利用酰化可判断糖上-OH数目、保护-OH等
      • 缩酮和缩醛化反应：酮或醛在脱水剂如矿酸、无水ZnCl2、无水CuSO4等存在下可与多元醇的二个有适当空间位置的羟基易形成环状缩酮和缩醛；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+丙酮→五元环缩酮 (异丙叉衍生物)；六碳醛糖+丙酮→多为双异丙叉衍生物；苯甲醛与糖生成的六元环状缩醛–苯甲叉衍生物
      • 羰基反应：还原糖+苯肼→糖腙（多为水溶性的）；还原糖+3分子苯肼→糖脎（较难溶于水）；应用——糖的鉴定、分离和纯化
      • 与硼酸的络合反应：糖的邻二-OH可与许多试剂生成络合物，借生成络合物的某些物理常数的改变，可以有助于糖的分离、鉴定和构型推定，如硼酸络合物、钼酸络合物、铜氨离子络合物等；糖+硼酸→络合物（酸性增加、可离子化）；（H3BO3是接受电子对的Lewis酸）
        • 应用：络合后，中性可变为酸性，因此可进行酸碱中和滴定；可进行离子交换法分离；可进行电泳鉴定；在混有硼砂缓冲液的硅胶薄层上色谱
• 苷键的裂解
  • 概述：按裂解程度：全裂解、部分裂解，部分裂解所用的试剂和方法有8-10%甲酸，40-50%乙酸，酶解，乙酰解，甲醇解；按所用的方法可分为均相水解和双相水解；按所用催化剂可分为酸催化水解、碱催化水解、乙酰解、酶解、过碘酸裂解等
  • 苷键裂解的目的和应用：鉴定苷的结构，如糖和糖的连接方式、苷元和糖的连接方式、糖的种类、个数等
  • 酸催化水解：苷键属缩醛结构，易为稀酸水解；反应机理——苷原子先质子化，然后断键生成阳碳离子或半椅型的中间体，在水中溶剂化而成糖
    • 酸水解的规律
      • 难易顺序：C-苷>S-苷>O-苷>N-苷 （但酰胺活性很低）；醇苷>酚苷, 烯醇苷；2-氨基糖苷>2-羟基糖苷>6-去氧糖苷>2-去氧糖苷> 2,6-二去氧糖苷；吡喃糖苷>呋喃糖苷；醛糖苷>酮糖苷；糖醛酸>七碳糖>六碳糖>甲基五碳糖>五碳糖
      • 易难顺序：在构象相同的糖中: a键(竖键)-OH多则易水解；芳香苷较脂肪属苷易水解（酚苷 > 萜苷、甾苷，因苷元部分有供电结构，而脂肪属苷元无供电结构；苷元为小基团苷键横键比竖键易水解（e>a，横键易质子化）；苷元为大基团苷键竖键比横键易水解（a>e，苷的不稳定性促使其易水解）
  • 乙酰化水解：常用试剂为醋酐和酸，所用酸如H2SO4、HClO4、CF3COOH或Lewis酸（ZnCl2、BF3）等；反应条件一般是在室温放置数天；反应机理——与酸催化水解相似，以CH3CO+(乙酰基，Ac）为进攻基团
    • 乙酰解反应易发生糖的端基异构化；应用——酰化可以保护苷元上的-OH，使苷元增加亲脂性，可用于提纯和鉴定，乙酰解法可以开裂一部分苷键而保留另一部分苷键；β-苷键的葡萄糖双糖的反应速率（乙酰解易难顺序）——（1→6）>>（1→4）>>（1→3）>>（1→2）
  • 碱催化水解和β-消除反应
    • 碱催化水解：一般苷键对稀碱是稳定的，但某些特殊的苷易为碱水解，如酯苷、酚苷、与羰基共轭的烯醇苷、β-吸电子基取代的苷
    • 对于酚苷和酯苷，C1-OH与C2-OH反式易水解，其产物为1,6-葡萄糖酐，顺式产物为正常的糖，利用水解产物可判断苷键构型
  • 酶催化水解反应
    • 特点：反应条件温和，专属性高；保持苷元结构不变，判断苷键构型
    • 常用的水解酶：杏仁苷酶（只水解β-六碳醛糖苷键）、麦芽糖酶（只水解α-D-葡萄糖糖苷键）、纤维素酶（只水解β-D-葡萄糖糖苷键）、蜗牛酶（只水解β-苷键）、转化糖酶（只水解β-果糖苷键）
  • 过碘酸裂解反应
    • 过碘酸裂解法亦称Smith降解法或氧化开裂法，试剂有过碘酸（HIO4）、四氢硼钠（NaBH4）、稀酸；反应过程分三步反应——NaIO4氧化开裂成醛；NaBH4还原成醇；酸化水解
    • 特点：条件温和，易得到原苷元；适合于苷元不稳定的苷和碳苷的裂解
  • 糖醛酸苷的选择性水解反应
• 糖的核磁共振性质
  • 糖的1H-NMR性质
    • 化学位移——糖端基质子：δ4.3-6.0；C6-CH3（鼠李糖）：δ1.0(3H,d,J=6Hz)；其他碳上质子：δ3.2-4.2
    • 偶合常数：J1,2判断苷键构型
      • 吡喃型糖C1式，当苷键为β-D或α-L型,当端基质子和C2-H为竖键，J=6-8Hz，C2-H为横键, J=2-4Hz；苷键为α-D或β-L型,端基质子为横键，J=2-4Hz
      • 鼠李糖的优势构象式的H-2在横键上，无法用此方法确定它们的苷键构型；对于呋喃型糖，其偶合常数变化均不大，故无法用端基质子的偶合常数来判断它们的苷键构型
  • 糖的13C-NMR性质
    • 化学位移及偶合常数
      • 化学位移——端基碳：δ95-105；CH-OH（C2、C3、C4）：δ70-85；CH2-OH（C6）：δ62左右；CH3：δ<20
      • 偶合常数1JC1-H1——吡喃糖（优势构象C1式）：α-D或β-L型苷键为170-175Hz，β-D或α-L型苷键为160-165Hz；-鼠李糖（优势构象1C式）：α-L型为170-175Hz，β-L型为160-165Hz
    • 苷化位移（GS）：糖与苷元成苷后，苷元的α-C，β-C和糖的端基碳的化学位移值发生了变化，这种变化称苷化位移
      • 应用：推测糖与苷元,糖与糖的连接位置,苷元被苷化碳的绝对构型及碳氢信号归属
      • 规律：苷化位移值与苷元的结构有关，与糖的种类无关
        • 苷元为链状结构，端基碳（-1-2ppm）的苷化位移随着苷元为伯、仲、叔基而递减，苷元的α-C （+5-7ppm）、β-C （-4ppm）变化不大
        • 当苷元为环醇时，羟基的β-位无烷基取代，则α-C和端基碳的苷化位移值与开链的仲醇相似，α: 低场5-7 ppm, β: 高场（同小异大）， 端基1-4 ppm；若有烷基取代，则苷化位移值与α-C和糖的端基碳手性都有关系【同五异十其余七：当苷元和端基碳的绝对构型相同时，α-C向低场位移约5个化学位移单位，不同时位移10个化学位移单位（仅限于两个β-C取代不同的环醇苷），其余的苷则位移约7个化学位移单位；同小易大：当苷元β-C的前手性和端基碳的绝对构型相同时，β-C向高场位移约2个化学位移单位，不同时则为约4个化学位移单位（限于两个β-C为前手性碳的环醇苷）】
        • 酯苷、酚苷的苷化位移：当糖与-OH形成酯苷键或酚苷键时，其苷化位移值较特殊，端基碳和苷元α-碳均向高场位移
• 糖链的结构测定
  • 糖链的结构测定
    • 纯度测定：多糖纯品实质上是一定分子量范围的均一组分；常用方法——超离心法、高压电泳法(制成硼酸络合物) 、凝胶色谱法、旋光测定法（分级沉淀，测比旋度）
    • 分子量的测定：质谱法；常用的质谱——FDMS（场解析质谱）、FABMS（快原子轰击质谱）、ESIMS（电喷雾质谱）、MALDI-TOF-MS（基质辅助激光解析电离飞行时间质谱）
    • 单糖的鉴定：全水解→PC，TLC：与单糖对照品比较-鉴定糖的种类→薄层扫描:测定单糖的分子比→气相色谱, HPLC等定性定量分析
    • 单糖绝对构型的测定：GC法——在其分子中引入一个同种构型的新的手性中心，使对映异构体变成非对映异构体，常用L半胱氨酸甲酯；HPLC法——引入一个新的手性中心，常用S-苯基乙基胺；手性色谱柱法；手性检测器法；旋光比较法
    • 糖连接位置的测定：糖链（多糖，苷）→全甲基化→水解→甲基化单糖→气相色谱定性定量分析(游离羟基的部位为糖的连接位置)；1HNMR——全乙酰化，测1HNMR，CHOAc，CHOR,，CH2OAc，CH2OR的质子信号化学位移不同；苷化位移
    • 糖链连接顺序的确定：部分水解法——稀酸水解，甲醇解，乙酰解，碱水解等；质谱分析——FABMS,，FDMS，CIMS等，分析质谱碎片（从外侧糖依次裂解）；13CNMR的弛豫时间——外侧糖的自旋弛豫时间T1比内侧糖大（自旋晶格弛豫时间也指纵向弛豫时间，纵向弛豫过程涉及自旋子在相邻晶格中能量相互传递的过程）；2D－NMR(H-H COSY，HMQC，HMBC，NOESY，HOHAHA等)
    • 苷键构型及氧环的确定：苷键构型的确定方法——核磁共振法（糖端基质子JH1,2，端基碳JC1,H1和化学位移）、酶解法、分子旋光差法（Klyne法）（将苷和苷元的分子旋光差与组成该苷的糖的一对甲苷α和β型的分子旋光度比较，数值相近的一个便是与之有相同苷键者）、红外法（α葡萄糖苷在770、780 cm-1有强吸收峰）；糖的氧环测定方法——13C-NMR法、红外法、甲醇解法、Smith降解法
  • 糖链结构研究实例
    • 合掌消苷B的结构研究；人参果胶的结构研究
• 糖及苷的提取分离
  • 提取
    • 单糖、低聚糖、苷常用水或稀醇提取；多糖用水或稀碱液提取
    • 纯化——水提醇沉法（醇溶为苷，低聚糖，沉淀为多糖）；系统分离法（EtOAc层: 单糖苷；正丁醇层：低聚糖苷, 单糖）
  • 分离
    • 季铵盐沉淀法：用于酸性多糖的分离
    • 分级沉淀或分级溶解法：多糖在不同浓度的醇或丙酮中具有不同的溶解度
    • 离子交换色谱：适用于分离酸性,中性多糖和粘多糖
    • 纤维素柱色谱：兼有吸附色谱和分配色谱的性质
    • 凝胶柱色谱：常用凝胶——葡聚糖凝胶(Ｓephadex G)，琼脂糖凝胶(Ｓepharose Bio-gelＡ)，聚丙烯酰胺凝胶(Bio-gel P)等，洗脱剂——各种浓度的盐溶液及缓冲液，原理——分离多糖，按分子大小和形状不同分离
    • 制备型区域电泳
    • 纸色谱:单糖的鉴定, 展开剂BAW（n-BuOH：HAc：H2O=4:1:5，上相)， 极性小，Rf值大
  • 多糖的提取分离实例