第二章 糖和苷 · 复习总览
南方医科大学 · 天然药物化学(人民卫生出版社第七版)
本章涵盖:单糖的立体化学、糖和苷的分类、糖的理化性质、苷键的裂解、提取分离、糖的核磁共振性质、糖链的结构测定七大板块。
★重点难点框架([基本要求])
🟢 掌握(核心,必考)
- 单糖的立体结构(Fischer/Haworth表示法、D/L构型、端基差向异构、构象)
- 苷键的裂解方法及其特点(酸水解、乙酰解、碱水解、酶解、Smith降解)
- 苷的结构特征、分类和鉴别方法
🟡 熟悉
- 糖链的结构测定方法(纯度、分子量、单糖鉴定、连接位置/顺序、苷键构型)
- 糖苷的核磁性质和苷化位移规律("同五异十其余七"、"同小异大")
⚪ 了解
- 糖和苷的分类(按糖单位数目、苷键原子等);多糖的提取、纯化方法
i使用说明
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第一节 单糖的立体化学
糖的定义 · 表示方法 · 成环方式 · 绝对构型 · 端基差向异构 · 构象
1一、糖的定义
天然界单糖从三碳糖至八碳糖均存在。最简单的醛糖为甘油醛(glyceraldehyde),最简单的酮糖为二羟基丙酮(1,3-dihydroxyacetone)。
2二、糖的表示方法
单糖常用三种表示方法:Fischer投影式、Haworth式、优势构象式(以D-葡萄糖为例)。
3三、糖的成环方式
单糖在水溶液中形成半缩醛环状结构:
例:α/β-D-葡萄呋喃糖
例:α/β-D-葡萄吡喃糖
4四、糖的绝对构型表示法
- 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为R构型者为D型糖,C5为S构型者为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(与六碳醛糖规则相反!)
- 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
5五、糖的端基差向异构
具有多个手性中心的化合物,只有一个手性中心不同而形成的异构体
单糖成环后形成了一个新的手性碳原子(端基碳),形成的一对异构体,具有α、β两种构型
- 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取代基(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
6六、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式、1C式,即 4C1 式与 1C4 式)。
- 面上的碳,a键在面上
- 面下的碳,a键在面下
- e键隔键平行
规律2:β-构型的端基OH总是处于平伏键(e键)。
第二节 糖和苷的分类
糖的分类(按糖单位数目) · 苷的分类(按苷键原子等)
1一、糖的分类(按照糖单位数目)
- 单糖本身: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
常见单糖举例:D-木糖(D-xylose)、D-果糖(D-fructose)、D-葡萄糖(D-glucose)、L-鼠李糖(L-rhamnose)、岩藻糖(fucose)等。
分类:①根据单糖个数——二糖、三糖、四糖等;②根据是否含游离醛基或酮基——还原糖和非还原糖。
- 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
2二、苷的分类
分类维度
| 分类依据 | 类型 |
|---|---|
| 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(重点) | 氧苷、氮苷、硫苷、碳苷 |
根据苷键原子分类(重点详解)
| 类型 | 定义 | 代表苷 |
|---|---|---|
| 醇苷 | 苷元为醇 | 红景天苷 |
| 酚苷 | 苷元为酚 | 天麻苷 |
| 氰苷 | 苷元为α-羟腈,易分解成醛或酮和氢氰酸(HCN) | 苦杏仁苷 |
| 酯苷(酰苷) | 苷元的羧酸基与糖的半缩醛(酮)羟基脱水缩合 | 山慈菇苷A |
| 吲哚苷 | 苷元为吲哚醇 | 靛苷 |
第三节 糖的理化性质
一般性质 · 氧化反应 · 糠醛形成反应 · 羟基反应 · 羰基反应 · 硼酸络合反应
1一、一般性质
- 溶解性:小分子糖极性大,水溶度大;多糖随聚合度增大,水溶度下降
- 极性:单糖 > 双糖 > 叁糖;苷的极性:苷元 < 单糖苷 < 双糖苷 < 叁糖苷
- 味:单糖、低聚糖有甜味;多糖无甜味
- 旋光性:多有旋光性
2二、化学性质 — 1. 氧化反应
单糖分子有醛(酮)、伯醇、仲醇和邻二醇等结构,氧化条件不同其产物也不同。
| 反应 | 氧化剂 | 说明 |
|---|---|---|
| 银镜反应(Tollen reaction) | Ag⁺ | 以Ag⁺为氧化剂 |
| 费林反应(Fehling reaction) | Cu²⁺ | 以Cu²⁺为氧化剂 |
| 过碘酸反应 | HIO4 | 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。
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(否则不反应)
- 反应速度:顺式 > 反式(因顺式易形成环式中间体)
- 游离单糖产物及消耗过碘酸用Fischer式计算;成苷时糖产物及消耗过碘酸用Haworth式计算
- 在异侧不能扭转的邻二醇不起反应(如1,6-葡萄呋喃糖酐)
用途
- 推测糖中邻二-OH多少(试剂与反应物基本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
32. 糠醛形成反应(Molisch反应)
多糖 →(矿酸10%HCl)→ 单糖 →(脱水)→ 糠醛/5-羟甲基糠醛
糠醛衍生物 + 芳胺或酚类(苯酚、萘酚、苯胺、蒽酮)→ 显色
43. 羟基反应
糖的-OH反应:醚化、酯化和缩醛(酮)化。
3.1 醚化反应(甲基化)
| 方法 | 试剂 | 特点 |
|---|---|---|
| 1) Haworth法(不常用) | Me2SO4 + 30%NaOH | 醇-OH全甲基化(需反复多次);用IR判断-OH吸收峰;限量试剂(1:1)可得甲苷 |
| 2) Purdie法 | MeI + Ag2O | 全甲基化(醇-OH);只能用于苷,不宜用于还原糖(Ag2O可氧化C1-OH) |
| 3) Hakomori法(箱守法) | DMSO + NaH + MeI | 非水溶剂(DMSO)中一次全甲基化 |
| 4) 重氮甲烷法 | CH2N2/Et2O + MeOH | 部分甲基化(-COOH、-CHO等) |
3.2 酰化反应(酯化反应)
3.3 缩酮和缩醛化反应
酮或醛在脱水剂(矿酸、无水ZnCl2、无水CuSO4等)存在下,可与多元醇的两个有适当空间位置的羟基形成环状缩酮(ketal)和缩醛(acetal)。
54. 羰基反应
65. 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,可有助于糖的分离、鉴定和构型推定。重要的络合反应包括:硼酸络合物、钼酸络合物、铜氨离子络合物等。
硼酸络合反应的应用
- 络合后中性可变为酸性,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
- 可在混有硼砂缓冲液的硅胶薄层上进行色谱分离
第四节 苷键的裂解
裂解方式分类 · 五大裂解方法详解
1苷键裂解的分类方式
| 分类依据 | 类型 |
|---|---|
| 按裂解程度 | 全裂解、部分裂解(部分裂解:8-10%甲酸、40-50%乙酸、酶解、乙酰解、甲醇解) |
| 按方法 | 均相、双相水解 |
| 按催化剂 | 酸、碱、乙酰解、酶解、过碘酸裂解等 |
一、苷键裂解的目的和应用
二、苷键裂解法(五种)
1. 酸催化水解反应 2. 乙酰解反应 3. 碱催化水解 4. 酶催化水解反应 5. 氧化开裂法(Smith降解法)
21. 酸催化水解反应
苷键属缩醛结构,易为稀酸水解。
- 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 > 2-羟基糖 > 6-去氧糖 > 2-去氧糖 > 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
- 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,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)
32. 乙酰解反应
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。
乙酰解应用
- 酰化可保护苷元上的-OH,使苷元增加亲脂性,可用于提纯和鉴定
- 乙酰解法可开裂一部分苷键而保留另一部分苷键
(1→6) >> (1→4) >> (1→3) >> (1→2)
43. 碱催化水解
C1-OH与C2-OH关系判断水解产物:反式易水解,产物为1,6-葡萄糖酐;顺式产物为正常的糖。可利用水解产物判断苷键构型。
54. 酶催化水解反应
| 常用水解酶 | 水解专一性 |
|---|---|
| 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 |
65. 氧化开裂法(Smith降解法)
第五节 提取分离
提取方法 · 纯化(水提醇沉/系统分离) · 六种多糖分离方法
1一、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
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
2二、分离(六种方法)
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。
第六节 糖的核磁共振性质
¹H-NMR性质 · ¹³C-NMR性质 · 苷化位移规律
1一、糖的¹H-NMR性质
1. 化学位移
| 质子类型 | δ (ppm) |
|---|---|
| 糖端基质子 | 4.3~6.0 |
| 其它碳上质子 | 3.2~4.2 |
| C6-CH3(鼠李糖) | 1.0 (3H, d, J=6Hz) |
- 苷键为α-D或α-L型,端基质子和C2-H均为竖键(a,a)时,J=6~8Hz;C2-H为横键时,J=2~4Hz
- 苷键为β-D或β-L型,端基质子为横键时,J=2~4Hz
2二、糖的¹³C-NMR性质
1. 化学位移及偶合常数
| 碳类型 | δ (ppm) |
|---|---|
| 端基碳 | 95~105 |
| CH-OH(C2、C3、C4) | 70~85 |
| CH2-OH(C6) | 约62 |
| CH3(如鼠李糖C6-CH3) | <20 |
- α-D或α-L型苷键:170~175Hz
- β-D或β-L型苷键:160~165Hz
2. 苷化位移(Glycosylation shift)
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。若苷元为链状结构,端基碳(约-1~-2ppm)的苷化位移随苷元为伯、仲、叔基而递减;苷元的α-C(约+5~+7ppm)、β-C(约-4ppm)变化不大。
"同小异大":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-2ppm;不同时则约-4ppm(限于两个β-C为前手性碳的环醇苷)。
第七节 糖链的结构测定
纯度/分子量测定 · 单糖鉴定与绝对构型 · 连接位置/顺序 · 苷键构型确定
1糖链结构测定的内容
21. 纯度测定
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)。
32. 分子量测定
主要采用质谱法,包括: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)。
43. 单糖的鉴定
54. 单糖绝对构型的测定
| 方法 | 原理/常用试剂 |
|---|---|
| GC法 | 在分子中引入一个同种构型的新手性中心,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 |
| 其他 | 手性色谱柱法、手性检测器法、旋光比较法 |
65. 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(游离羟基的部位即为糖的连接位置)
- ¹H-NMR:全乙酰化后测¹H-NMR,CHOAc、CHOR、CH2OAc、CH2OR的质子信号化学位移不同
- 苷化位移
76. 糖链连接顺序的确定
| 方法 | 说明 |
|---|---|
| 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) |
| ¹³C-NMR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/纵向弛豫时间,涉及自旋子在相邻晶格间能量传递) |
| 2D-NMR | ¹H-¹H COSY、HMQC、HMBC、NOESY、HOHAHA等 |
87. 苷键构型的确定(α和β型)
| 方法 | 说明 |
|---|---|
| 核磁共振法 | 糖端基质子 J(H1,2);端基碳 J(C1,H1) 和化学位移 |
| 酶解法 | 利用酶的专属性判断苷键构型 |
| 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,数值相近者即为相同苷键 |
| 红外法 | α-葡萄糖苷在770、780 cm⁻¹有强吸收峰 |
9本章小结
- 常见的几种单糖的结构特征
- 糖的化学性质:过碘酸氧化、Smith降解、醚化反应、酰化反应、缩酮和缩醛反应,以及硼酸络合反应
- 苷键的裂解规律和特征
- 糖的核磁共振谱学特征:糖上的质子在¹H-NMR谱及碳原子信号在¹³C-NMR上出现的大致位置;根据J值判断多数糖苷端基碳原子构型;苷化位移规律
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