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。

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第一节 单糖的立体化学
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第二节 糖和苷的分类
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第三节 糖的理化性质
✂️
第四节 苷键的裂解
🧪
第五节 提取分离
🔬
第六节 糖的核磁共振性质
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第七节 糖链的结构测定

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

左侧导航可在七节之间切换;点击带 的标题可展开/收起详细内容;"速记卡片"用于快速记忆关键概念(点击翻面);"自测题"提供选择题自测并即时反馈。

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

糖类(saccharides,又称碳水化合物 carbohydrates):是一类多羟基醛或酮,或通过水解能产生这些醛酮的物质
单糖(monosaccharide):糖的基本单位,为不能再水解的多羟基的醛或多羟基酮
苷类(glycosides):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/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
⚠️ 关键关系:苷的共性是糖和苷键多糖含苷键但不是苷

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)。

Fischer投影式书写规则
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,竖直键位于平面后

3三、糖的成环方式

单糖在水溶液中形成半缩醛环状结构

五元氧环 — 呋喃环(furanose)
例:α/β-D-葡萄呋喃糖
六元氧环 — 吡喃环(pyranose)
例:α/β-D-葡萄吡喃糖

4四、糖的绝对构型表示法

习惯上将单糖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
1. Fischer投影式中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。例:D-木糖为D型,L-鼠李糖为L型。
2. 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

差向异构体(epimer)
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
端基差向异构体(anomer)
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
1. 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
2. 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
⚠️ 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-Lα-D 和 β-L 型糖(优势构象一样时)的端基碳绝对构型是一样的

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)。

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
规律1D型糖采取C1式更稳定L型葡萄糖采取1C式更稳定。
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)

1. 单糖(monosaccharide)
  • 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。

2. 低聚糖类(oligosaccharide)
2~9个单糖通过苷键结合而成的直链或支链聚糖。
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
3. 多聚糖类(polysaccharide)
  • 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
淀粉特性:呈颗粒状,溶于热水成胶态悬浮液。分为直链淀粉(α1→4连接)支链淀粉(α1→4连接为主,含α1→6连接的支链),分子呈螺旋状,碘分子进入螺环通道形成包结化合物而显色,颜色与聚合度有关。

2二、苷的分类

苷(配糖体):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,故有α苷和β苷之分。

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)

1. 氧苷(O-苷)— 共五类
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
2. 硫苷(S-苷)
苷元的巯基(-SH)与糖或糖衍生物的半缩醛(酮)羟基脱水缩合成苷,如:白芥子苷
3. 氮苷(N-苷)
苷元的胺基与糖或糖衍生物的半缩醛(酮)羟基脱水缩合成苷,如:腺苷
4. 碳苷(C-苷)
苷元碳上的与糖或糖衍生物的半缩醛(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,常见于黄酮、蒽醌、酚酸类,如:牡荆素

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
  • :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。

单糖结构中反应活泼性顺序:端基碳原子 > 伯碳 > 仲碳
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
过碘酸反应详解(重要)

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)
  • 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)

单糖 (浓酸4-10mol/L,加热,-3H2O) 呋喃环结构(糠醛/5-羟甲基糠醛)
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
⚠️ 碳苷和糖醛酸与Molisch试剂反应往往呈阴性

43. 羟基反应

糖的-OH反应:醚化、酯化和缩醛(酮)化

反应活性顺序:半缩醛羟基(C1-OH) > 伯醇基(C6-OH) > 仲醇(伯醇因处于末端空间利于反应,活性高于仲醇);仲醇中,C2活性大于其他OH(羰基诱导效应)

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)

羟基活性顺序与甲基化相同,即C1-OH、C6-OH较易,C3最难(C2位取代后引起的空间障碍使C3最难被酰化)。利用酰化可判断糖上-OH数目、保护-OH等。

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)。

酮类易与顺邻-OH生成 → 五元环状物(如: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)
醛类易与1,3-双-OH生成 → 六元环状物(如:苯甲醛与糖生成苯甲叉衍生物,有顺式和反式两种)

54. 羰基反应

1
还原糖 + 苯肼 → 糖腙(多为水溶性的)
2
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

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。

糖 + 硼酸(H3BO3,Lewis酸,接受电子对) 络合物(酸性增加,可离子化),可形成平面三叉体或四面体结构

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

为鉴定苷的结构,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。

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。

反应机理:苷原子先质子化,然后断键生成阳碳离子半椅型中间体,在水中溶剂化而成糖。
酸水解难易顺序规律(重点记忆)
  • 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
其他影响水解速率的因素
  • 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

常用试剂:醋酐 + 酸(如H2SO4、HClO4、CF3COOH 或Lewis酸 ZnCl2、BF3等);反应条件:一般室温放置数天

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

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
⚠️ β-苷键的葡萄糖双糖反应速率(乙酰解难易顺序,与空间位阻相关):
(1→6) >> (1→4) >> (1→3) >> (1→2)

43. 碱催化水解

一般苷键对稀碱稳定,但某些特殊苷易被碱水解,如:酯苷、酚苷、与羰基共轭的烯醇苷、β-吸电子基取代的苷

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

特点:反应条件温和,专属性高;保持苷元结构不变;可判断苷键构型
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)

试剂:过碘酸(HIO4)、四氢硼钠(NaBH4)、稀酸
1
NaIO4 氧化开裂成醛
2
NaBH4 还原成醇
3
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

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

提取溶剂
单糖、低聚糖、苷:常用水或稀醇提取
多糖:用水或稀碱液提取
纯化方法
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)

1. 季铵盐沉淀法
用于酸性多糖的分离。
2. 分级沉淀或分级溶解
多糖在不同浓度的醇或丙酮中具有不同的溶解度。
3. 离子交换色谱
适用于分离酸性、中性多糖和粘多糖
4. 纤维素柱色谱
兼有吸附色谱和分配色谱的性质。
5. 纸色谱(PC)
用于单糖的鉴定。展开剂:BAW(n-BuOH:HAc:H2O = 4:1:5,上相);极性小,Rf值大。
6. 凝胶柱色谱
常用凝胶:葡聚糖凝胶(Sephadex G)琼脂糖凝胶(Sepharose, Bio-gel A)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。

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)
2. 偶合常数 J1,2 判断苷键构型(吡喃型糖C1式)
  • 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
⚠️ 呋喃型糖偶合常数变化不大,不能用端基质子偶合常数判断苷键构型

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
偶合常数 ¹JC1-H1(用于苷键判定)
吡喃糖(优势构象C1式):
  • α-D或α-L型苷键:170~175Hz
  • β-D或β-L型苷键:160~165Hz
鼠李糖(优势构象1C式):α-L型 170~175Hz;β-L型 160~165Hz。

2. 苷化位移(Glycosylation shift)

定义: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变化,这种变化称为苷化位移。
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。
苷化位移记忆口诀:同五异十其余七 / 同小异大

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+5ppm;不同时位移约+10ppm(仅限于两个β-C取代不同的环醇苷);其余的苷则位移约+7ppm

"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)。
⚠️ 酯苷、酚苷的苷化位移较特殊:当糖与-OH形成酯苷键或酚苷键时,端基碳和苷元α-碳均向高场位移

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

单糖的组成、单糖的绝对构型测定、糖的氧环、糖与糖的连接位置和顺序、苷键的构型等。

21. 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)。

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

1
全水解
2
PC、TLC:与单糖对照品比较,鉴定糖的种类
3
薄层扫描:测定单糖的分子比
4
气相色谱、HPLC等定性定量分析

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-NMR¹H-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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