天然药物化学课件(第三章-糖和苷)

天然药物化学NaturalMedicineChemistry生物工程学院郑一敏教授第三章糖与苷天然药物化学主要内容单糖的绝对构型、端基差向异构体、构象、主要化学性质（氧化、糠醛反应、羟基反应等）。检视方法；苷类化合物的结构特征和分类及苷类化合物的定义，苷键酸催化水解、碱催化水解、酶催化水解、过碘酸氧化裂解、乙酰解；糖和苷的提取方法与核磁共振特征。重点糖和苷类化合物的结构、分类、性质、苷键裂解的规律及波谱特征，检视方法。一概述糖类又称碳水化合物（carbohydrates）一类最丰富的天然产物，其与人类关系极为密切，食用的蔗糖、粮食的主要成分淀粉、棉布的棉纤维。糖类在中草药中分布十分广泛，常常占植物干重的80%~90%。糖类与核酸、蛋白质、脂质一起合称生命活动所必需的四大类化合物。从化学结构上看是多羟基内半缩醛（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。1．单糖：不能水解的最简单的多羟基内半缩醛（酮）。如葡萄糖等。2．低聚糖：水解后能生成2个以上10个以下的单糖分子。如：蔗糖（D-葡萄糖-D果糖）麦芽糖（葡萄糖1→4葡萄糖）3．多糖：水解后能生成多个单分子。如：淀粉、纤维素等由一种单糖组成—均多糖由二种以上单糖组成—杂多糖苷—糖+非糖。如：黄酮苷、皂苷等。二结构类型（一）、糖的表示式单糖是多羟基醛或酮。从三碳糖至八碳糖自然界都有存在。以Fischer式表示天然常见糖如下：CH2OHCHOCHOCH3CHOCH2OHOCHOCH2OHD-木糖L-鼠李糖D-葡萄糖D-果糖五碳醛糖甲基五碳醛糖六碳醛糖六碳酮糖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）单糖处于环状结构时，可用Haworth式表示。如：葡萄糖CHOCH2OHOD-葡萄糖~（二）、Fischer与Haworth的转换及其相对构型单糖成环后新形成的一个不对称碳原子称为端基碳（anomericcarbon）。生成的一对差向异构体（anomer）有α、β二种构型。从Fischer式看（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α，反式为β。从Haworth式看C1-OH与C5（或C4）上取代基之间的关系：同侧为β，异侧为α。CHOCH2OHOOCCH2OHHOHOCCH2OHOHHOD-葡萄糖异侧同侧αβ异侧同侧CCH2OHOHHCHOCCH2OHHOHCHOα-OH甘油醛D型L型OCCH2OHOHHCHOCHOCH2OHCHOCH3CH3Oα-OH甘油醛D型D-葡萄糖L-鼠李糖β-D-葡萄糖α-L-鼠李糖（三）、糖的绝对构型（D、L）以α-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。Fischer式中最后第二个碳原子上-OH向右的为D型，向左的为L型。Haworth式中C5向上为D型，向下为L型。（四）、环的构象呋喃糖五元环接近在同一平面上。唯醛糖的C3、酮糖的C4超出平面0.5A，几乎是固定的结构。呋喃糖六元环有船式和椅式构象，在溶液或固体状态是都是椅式构象，不是C1便是1C。[C表示椅式（chairform）]。OOO1234(2)(3)(4)(5)OOC1式1C式1234512345OOOβ-D-葡萄糖C1式1C式以C2、C3、C5、O四个原子构成的平面为准，C4处面上，C1处面下的标为4C1，简称C1，反之1C4简称1C。Angyal用总自由能来分析构象式的稳定性，比较二种构象式的总自由能差值，能量低的是优势构象。如：葡萄糖的二种构象式的比较：第三节糖和苷分类㈠糖匀体指均由糖组成的物质。如单糖、低聚糖、多糖等。1．常见单糖OCHOCH2OHCHOCH3CH3OCHOCH2OHOCHOCH2OHOCHOCH2OHOOOCHOCH2OHOR1R2OR1R2-OH-OHD-葡萄糖L-鼠李糖βαβαβαβαD-半乳糖D-甘露糖βαD-木糖D-果糖βαβα当构成二糖或多糖时呋喃当游离存在时吡喃2．氨基糖是指单糖的伯或仲醇基置换成氨基的糖类。OOHONH2OHNH32-氨基-2-去氧-D-glucose3．糖醇单糖的醛或酮基还原成羟基后所得的多元醇称糖醇。CH2OHCH2OHD-山梨醇4．去氧糖通常在C2上无-OH，强心苷中较多见。单糖分子的一个或二个羟基为氢原子代替的糖叫去氧糖。CH2CHOCH3D-毛地黄毒糖（2,6-二去氧糖）糖类功能1.生命活动所需能量来源；2.重要的中间代谢产物；3.构成生物大分子；4.分子识别作用。组成：C:H:O=1:2:1单糖分类己糖丙糖戊糖丁糖重要的单糖甘油醛核糖脱氧核糖半缩醛羟基半缩醛羟基葡萄糖果糖半乳糖寡糖麦芽糖(maltose)两分子葡萄糖由糖苷键连接，具还原性蔗糖(sucrose)由一分子葡萄糖和一分子果糖通过糖苷键连接而成，无还原性,主要的糖。乳糖(lactose)半乳糖和葡萄糖结合而成存在于哺乳动物的乳汁中寡糖（oligosaccharides）双糖：麦芽糖、蔗糖、纤维二糖、乳糖等-麦芽糖多糖均一多糖淀粉–植物细胞（谷粒，块根，果实）糖原–动物细胞（如肝细胞中的糖原）纤维素–植物细胞木材-50%纤维素，棉花-90%纤维素非均一多糖透明质酸软骨素多糖（polysaccharides）多糖：由很多单糖分子缩合脱水而成的分支或不分支的长链分子，如淀粉、糖原、纤维素纤维素β-葡萄糖（二）苷(糖杂体)糖及其衍生物与非糖组成的化合物—苷分类：1．按苷原子不同分类⑴氧苷OHOHOOHOHOH红景天苷氧苷天麻苷OCH3OHOHOHOHOH氧苷白黎芦醇苷OHOCHOHCHOHOHOHOH⑵氮苷举出四种你知道的氮苷?2HOONNOHOHNHNNHO（3）硫苷OSO2KglcSCNCH2=CHCH2萝卜苷（4）碳苷OHOHOOHOOHOOHOHOHHOOHOHOHOOHOOHOOHOHOH芒果苷异芒果苷碳苷OCH2OHOHOHOHOHOHOOH芦荟苷碳苷OHOHOOHOOHOHOHOHOOH荭草素2．按苷元不同分类如：黄酮苷、蒽醌、香豆素、强心苷、皂苷等。3．按苷键⑴醇苷：醇羟基与糖端基羟基脱水而成的苷。红景天苷OOHOHOHOHOH⑵酚苷：酚羟基而成的苷。如天麻苷。天麻苷CH2OHOGlc⑶酯苷：苷元以-COOH和糖的端基碳相连接的是酯苷。如山慈菇苷A。山慈姑苷OOOCH3OH⑷氰苷：是指一类α羟腈的苷。如野樱苷。R=H野樱桃苷R=β-D-glc苦杏仁苷NCOCORH4．按端基碳构型分α苷，多为L型；β苷，多为D型。5．按连接单糖个数分1个糖——单糖苷2个糖——双糖苷3个糖——叁糖苷6．按糖链个数分1个位置成苷——单糖链2个位置成苷——双糖链7．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。例：OOCHCNOOOCHCON野樱苷苦杏仁苷+Glc苦杏仁酶四、糖和苷的物理性质（一）、溶解性糖——小分子极性大，水溶性好，随着聚合度增高，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（其大小与连接糖的数目、位置有关）。苷元——为亲脂性。（二）、味觉①单糖~低聚糖——甜味。②多糖——无甜味（随着糖的聚合度增高，则甜味减小）。③苷类——苦（人参皂苷）、甜（甜菊苷）等。（二）、旋光性及其在构型测定中的应用具有多个不对称碳原子——用于苷键构型的测定（即α、β苷键）。多数苷类呈左旋。利用旋光性→测定苷键构型方法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的分子旋光度进行比较，数值上相接近的一个便是与之有相同苷键的一个。例：有一苷=-273.03（G代表苷），知是豆甾醇的葡萄糖苷，苷元豆甾醇[M]A=-210.04（A代表苷元），求苷的构型？GDM][（已知：葡萄糖甲苷α=+308.6β=-66.4）解：[M]G-[M]A=△[M]=-273.03-(-210.04)=-62.99°与题给出的β型-66.4接近，故该苷构型为β型。CH2OHCHOCH2OHCOOHCOOHCOOHBr2/H2O稀HNO3RCOHHHRCOHHOHRCOHRCOOHR'CHROHR'COHROHRCOR'[O][O]-H2O[O]-H2O伯醇醛羧酸仲醇酮（三）、糖的化学性质糖的化学性质在普通有机化学中已有所涉及，下面介绍的主要是一些与糖的分离和结构测定密切相关的化学反应。1、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，如：化学反应的活泼性：端基碳原子伯碳仲碳（即C1-OH、C6-OH、C2C3C4-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、α-氨基醇、α-羟基醛（酮）、邻二酮和某些活性次甲基等结构。RCCR'HHOHOHRCCR'HOHOCCCHHOHOHHOHCCHHNH2OHCCOORR'IO4IO4IO4IO4IO4R-CHOR'-CHOR-CHOR'-CHOHCOOHR-CHOR'-COOHR-CHOR'-CHONH3R-COOHR'-COOHCCHHOHO--2---+++++++邻二醇-羟基酮-氨基醇邻二酮αα反应特点：（①~⑤）①反应定量进行（试剂与反应物基本是1：1）；②在水溶液中进行或有水溶液（否则不反应）；③反应速度：顺式反式（因顺式易形成环式中间体）；④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；CHOCH2OHOIO4OCHOOHCOHOHOHCIO4D-葡萄糖需消耗5分子过碘酸3-+2HCOOH醚键开袭+HCOOH2-HCHO+2HCOOHOOHOHOOHOOHOHOOH611,6β-D-葡萄呋喃糖酐1,6α-D-半乳呋喃糖酐⑤在异边而无扭转余地的邻二醇不起反应，如：用途：（①~④）①推测糖中邻二-OH多少；（试剂与反应物基本是1：1）；②对同一分子式的糖来说，推测吡喃糖还是呋喃糖；OOHOHOHOROOHCH2OHORHIO4HIO4具邻三-OH可产生甲酸无甲酸产生CORHOHR'RCOHHOR'R'OHRCHOR'OR'ClHClH++气气半缩醛羟基半缩醛缩醛醛醇③推测低聚糖和多聚糖的聚合度；④推测1,3连接还是1,4连接（糖与糖连接位置）（糖与糖连接都是半缩醛-OH连接，即端基碳连接）单糖矿酸（10%HCl）单糖脱水多糖浓酸（4~10N）加热-3H2O呋喃环结构RCHO葡萄糖C-H2SO4-3H2O糠醛5-羟甲糠醛R=HR=CH2OH糠醛衍生物+芳胺或酚类（苯酚、萘酚、苯胺、蒽酮等）缩合显色Molish反应：样品+浓H2SO4+α-萘酚→棕色环*多糖、低聚糖、单糖、苷类，与Molish反应均为（+）2、糠醛形成反应（Molish反应）3、羟基反应糖的-OH反应：醚化、酯化和缩醛（酮）化。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）除苷键上甲氧基外，其余甲醚键对稀酸碱都很稳定，须用浓氢碘酸或氢溴酸才能开裂。（①~④）①Haworth法（不常用）含糖样品+Me2SO4+30%NaOH→醇-OH全甲基化（需反复6~8次）（硫酸二甲酯）（浓碱）（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。②Purdie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。③Hakomori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。④重氮甲烷法（CH2N2）样品+CH2N2/Et2O+MeOH→部分甲基化（-COOH、-CHO等）（