天然药化糖与苷

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1、第二章第二章 saccharidessaccharides and glycosides and glycosides 本章基本内容 一 概述 二 单糖的立体结构 三 糖苷分类 四 糖和苷的物理性质 五 糖的化学性质 六 苷键的裂解 七 糖的提取分离 八 糖的鉴定和糖链结构的 测定 一 概述 糖类又称碳水化合物 carbohydrates 是 植物光合作用的初生产物 是一类丰富的天然产物 如 蔗糖 粮食 淀粉 棉布的棉纤维等 糖类 核酸 蛋白质 脂质 生命活动所必需的四大类化合物 化学结构 多羟基半缩醛 酮 及其缩聚物 根 据其分子水解反应的情况 可以分为单糖 低聚糖 和多糖 单糖 不能水解的

2、 最简单的多羟基半缩醛 酮 如葡萄糖等 低聚糖 水解后生成 2 9 个单糖分子的糖 如 蔗糖 D 葡萄糖 D果糖 麦芽糖 葡萄糖1 4葡萄糖 多糖 水解后能生成多个单糖分子的 称为多 糖 如 淀粉 纤维素等 二 单糖的立体结构 糖的链状式 Fischer式 2 H 单糖在水溶液中形成半缩醛环状结构 即成呋喃糖和吡喃糖 具有六元环结构的糖 吡喃糖 pyranose 具有五元环结构的糖 呋喃糖 furanose 环状结构 Haworth式 单糖在水溶液中形成半缩醛环状结构 D G Fischer与Haworth的转换 具有六元环结构的糖 吡喃糖 pyranose 具有五元环结构的糖 呋喃糖 fur

3、anose 糖的绝对构型 D L 以 OH甘油醛为标准 将单糖分子的编号 最大的不对称碳原子的构型与甘油醛作比较而命 名分子构型的方法 在Fischer式中距离羰基最远的不对称碳原子的 构型为整个糖分子的绝对构型 Fischer式中C5上 OH 右 D型 左 L型 Haworth式中C5上取代基 上 D型 下 L型 相对构型及差向异构体 单糖成环后形成一个新的不对称碳原子 C1 即端 基碳 可产生一对异构体 有 型 l Fischer式 C1与C5的相对构型 C1 OH与原C5 六碳糖 或C4 五碳糖 OH 顺式为 反式为 l Haworth式 C1 OH与C5 或C4 上取代基之间的关系 同

4、侧为 异侧为 氧环的立体构象 自然界中以五元和六元环存在 三 糖苷分类 单糖 单糖是多羟基醛或酮 从三碳糖至八碳糖天然界都有存在 1 常见单糖 H 2 氨基糖 是指单糖的伯或仲醇基置换成氨基的糖 类 3 糖醇 单糖的醛或酮基还原成羟基后所得的多 元醇 4 去氧糖 单糖分子的一个或二个羟基为氢原子代替 的糖 5 糖醛酸 单糖分子中伯醇基氧化成羧基的化合物 低聚糖 由2 9个单糖基通过苷键结合而成的直链或支链 聚糖 如环糊精 通过淀粉酶水解淀粉 成一种6 8 个葡萄糖分子以 1 4键环状结合的结晶低聚糖 多聚糖 由10个以上单糖基通过苷键结合而成的一类结 构复杂的大分子 如淀粉 纤维素 糖原 甲壳

5、素 苷 糖或糖的衍生物与非糖物质通过糖的端 基碳原子连接而成的化合物 多 型 苷的分类 1 按苷原子不同分类 氧苷 如 红景天苷 按苷键不同分类 a 醇苷 是通过醇羟基与糖端基羟基脱水而成 的苷 如红景天苷 b 酚苷 是通过酚羟基而成的苷 如天麻苷 c 酯苷 苷元以 COOH和糖的端基羟基脱水而成 的酯苷 如山慈菇苷A d 氰苷 是指一类羟基腈和糖的端基羟基缩和 的苷 如野樱苷 氮苷 如腺苷 硫苷 如萝卜苷 碳苷 如牡荆素 2 按苷元不同分类 如 黄酮苷 蒽醌 香豆素 强心苷 皂苷等 3 按端基碳构型分 苷 多为L型 苷 多为D型 4 按连接单糖个数分 1个糖 单糖苷 2个糖 双糖苷 3个糖

6、叁糖苷 5 按糖链个数分 1个位置成苷 单糖链 2个位置成苷 双糖链 6 按生物体内存在分 原级苷 在植物体内原存在的苷 次级苷 原级苷水解掉一个糖或结构 发生 改变 四 糖和苷的物理性质 溶解性 糖 小分子极性大 水溶性好 聚合度增高 水溶性下降 多糖难溶于冷水 或溶于热水成胶体溶液 单糖极性 双糖极性 与羟基和碳的分担比有关 即按 OH C的分 担情况而定 苷 亲水性 与连接糖的数目 位置有关 苷元 亲脂性 味觉 单糖 低聚糖 甜味 多糖 无甜味 随着糖的聚合度增高 则甜味减小 苷类 苦 甜等 人参皂苷 苦 甜菊苷 甜 五 糖的化学性质 氧化反应 单糖的分子有醛 酮 伯醇 仲醇和 邻二醇等

7、结构 氧化条件不同其产物也不同 如 糖分子中羟基化学反应的活泼性 端基羟基 伯醇基 仲醇基 即C1 OH C6 OH C2 C3 C4 OH 以过碘酸反应为例来了解糖的氧化反应的应 用 过碘酸反应 主要作用于 邻二醇 氨基醇 羟基醛 酮 邻二酮和某些活性次甲基等结构 邻羟基 羟基酮 氨基醇 邻二酮 反应特点 反应定量进行 试剂与反应物基本是1 1 在水溶液中进行或有水溶液 否则不反应 反应速度 顺式 反式 因顺式易形成环式中间体 在异边而无扭转余地的邻二醇不起反应 游离单糖产物及消耗过碘酸用Fischer式计算 成环时糖产物及消耗过碘酸用Haworth式计算 Fischer式和Haworth式

8、消耗过碘酸的计算 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1 3连接还是1 4连接 糖与糖连接的位置 糠醛形成反应 Molish反应 Molish反应 糖检出 样品 浓H2SO4 萘酚 紫色 多糖 低聚糖 单糖 苷类 Molish反应 邻苯二甲酸和苯胺反应 纸层析 薄层层析 鉴别 羟基反应 糖的 OH反应 醚化 酯化和缩醛 酮 化 反应活性 最高的半缩醛羟基 C1 OH 其次是伯醇基 C6 OH 仲醇次之 伯醇因其处于末端的空间 对反应有利 因此活性高于仲醇 1 醚化反应 甲基化 酸性强的OH易甲基化 Haworth法 不常用 含糖

9、样品 Me2SO4 浓NaOH 醇 OH全甲基化 需反复6 8次 判断反应是否完全的方法 甲基化物可用红外光谱测试 直到无 OH吸收峰为 止 制备成甲苷 用限量试剂 即克分子比1 1时 可得甲苷 Purdie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 一次即可 该反应是在非水溶剂中 即二甲基亚砜 DMSO 溶液中进行反应 2 酰化反应 酯化反应 羟基活性与甲基化反应相同 即 C1 OH C6 OH 仲醇 C3 OH最难 由于C2位

10、取代后 引起的空间障碍 使得C3 最难被酰化 常用试剂 醋酐 催化剂 吡啶 ZnCL2 醋酸钠 利用酰化可判断糖上 OH数目 保护 OH 等 3 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 糖 丙酮 五元环缩酮 异丙叉衍生物 醛类易与1 3 双 OH生成 六元环 状物 糖 苯甲醛 六元环缩醛 苯甲叉衍生物 例 当糖具有顺邻 OH时 其生成五元 环状物 异丙叉衍生物 当糖结构中无顺邻 OH时 则易转变为呋 喃糖结构 再生成五元环状物 异丙叉衍生物 OO 例如 葡萄

11、糖甲苷 苯甲醛 具1 3 OH结构 利用缩醛或缩酮对碱稳定对酸不稳定的性质 可用于保护 OH 也可用于推断分子中是否有顺 邻 OH或1 3 OH 及苷键位置 4 硼酸络合反应 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 重要的如 硼酸络合物 钼酸络合物 铜氨离 子络合物等 具有邻二 OH糖 硼酸 五元或六元络合 物 酸性增加 可离子 化 H3BO3是接受电子对的Lewis酸 1 络合反应分二步进行 先生成1 1的络合物 易失水而成平面形的中 性酯 二个 OH地位适宜 则继续生成2 1的螺环状络 合 物 四面体结构固定 增加酸性

12、 以上I II III三种状态在硼酸溶液中同时存在 彼 此间处于平衡状态 2 对二 OH的空间要求 开环化合物 碳链上 OH越多 越易造成有利地位 顺邻二 OH 环上的二 OH 芳环 OH 邻位易 间 对位次之 五元 六元脂环 顺易 反邻二 OH不作用 3 羟酸 HO C COOH 可络合 COOH水化成 C OH 3后再络合 羟酸 无作用 羰基反应 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 2 去氧糖不能成脎 因C2上无 OH 应用 糖的鉴定 分离和纯化 六 苷键的裂解 研究苷类的化学结构 必须了解苷元结构 糖的组成 糖和糖的连接方式 以及苷元和糖的 连接方式等 为

13、此必先使用某种方法使苷键切断 酸催化水解反应 乙酰解反应 碱催化水解和 消除反应 酶催化水解反应 过碘酸裂解法 Smith降解法 酸催化水解反应 苷键属于缩醛结构 易为稀酸催化水解 反应机理 水解反应是苷原子先质子化 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 酸水解的规律 苷原子的电子云密度 电子密度升高 质子化能力增强 水解易发生 酸水解易难顺序 N苷 O苷 S苷 C苷 最难 N苷易接受质子 但N处于嘧啶或酰胺位置时难水 解 苷原子的空间环境 呋喃糖苷较吡喃糖苷易水解 酮糖比醛糖易水解 五元呋喃环中各取代基处在重叠位置 形成水 解中间体可使张力减小 故有利于

14、水解 酮糖多为呋喃结构 而且酮糖端基碳原子上有 CH2OH大基团取代 水解反应可使张力减小 糖上取代基 吡喃环C5上取代基越大越难水解 水解速度为 五碳糖 甲基五碳糖 六碳糖 七碳 糖 C5上有 COOH取代时 最难水解 因诱导使苷原子电子密度降低 取代基性质不同 氨基取代的糖较 OH糖难水解 OH糖又较去氧糖难水 解 2 3 二去氧糖 2 去氧糖 3 去氧糖 羟基糖 氨基 糖 易 难 苷分子稳定性及其水解产物稳定性 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 芳香属苷较脂肪属苷易水解 如 酚苷 萜苷 甾苷 因苷元

15、部分有供电结构 而脂肪属苷元无供电结 构 难水解的碳苷 苷元结构不太稳定的氧苷 氧化开裂法 Smith降解法 两相酸水解法 样品 酸水 苯 氯仿 获得真正苷元 乙酰解反应 1 常用试剂 醋酐 酸 所用酸如 H2SO4 HClO4 CF3COOH或Lewis 酸 ZnCl2 BF3 等 2 反应条件 一般是在室温放置数天 3 反应机理 与酸催化水解相似 以CH3CO 乙酰基 Ac 为进攻基团 4 反应速率 苷键邻位有电负性强的基团 如环氧基 可 使反应变慢 苷键的葡萄糖双糖的反应速率 乙酰解易难程度 1 6 1 4 1 3 1 2 5 应用 在多糖苷的结构研究中 为了确定糖与 糖之间的连接位置

16、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 碱催化水解和 消除反应 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 烯醇苷 吸电子基取代的苷 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 消除反应 苷键的 位有吸电子基团者 使 位氢 活化 在碱液中起消除反应 而使苷键开裂 称 用途 在1 3或1 4连接的聚糖中 还原端的游 离醛 或酮 邻位氢活化而与3 O 或4 O 苷键起消 除反应 这样碱能使多糖还原端的单糖逐个被剥落 对非还原端则无影响 剥落生成的是 羟基糖 酸 酶催化水解反应 用酶水解苷键可以获知苷键的构型 可保持苷 元结构不变的真正苷元 酶专属性高 选择性地催化水解某一构型的苷 如 苦杏仁酶 六碳醛糖苷键 纤维素酶 葡萄糖苷键 麦芽糖酶 葡萄糖苷键 转化糖酶 果糖苷键 蜗牛酶 苷键 过碘酸裂解法 Smith降解法 割裂具有1 2 二元醇糖苷键的温和反应 可得到原 苷元 但无完整糖分子 适用的情况 苷元结构不稳定的苷和C 苷