第二章糖和苷Saccharideandglycosides

第一節單糖的立體化學第二節糖和苷的分類第三節糖的化學性質第四節苷鍵的裂解第五節糖的鑒定第六節糖鏈結構的測定第七節糖及苷的提取分離糖類概述糖類又稱碳水化合物（carbohydrates），是植物光合作用的初生產物，同時也是絕大多數天然產物合成的初始原料。是地球上最大量的一類有機化合物。糖及其與非糖物質結合形成的苷在自然界中分布廣泛，活性眾多而且明顯。糖結構的具有的多樣性和復雜性是一般化合物不可比擬的。糖類與核酸、蛋白質、脂質一起稱為生命活動所必需的四大類化合物，主要作為動植物貯藏養料和骨架成分

。糖類在生物合成及細胞間的分子識別、受精、著床、胚胎形成、分化、神經細胞發育、激素激活、細胞增殖、病毒和細菌的感染、腫瘤細胞轉移、衰老等許多基本生命過程中起著重要的作用糖與各類非糖分子中的羥基、巰基、氨基、次甲基等以共價鍵相連的形式存在于自然界。當非糖部分較小時，稱為糖苷化合物(glycoside)。當非糖部分較大時，稱為糖綴合物(glycoconjugate)。單糖是多羥基醛或多羥基酮，在水溶液中不能再進一步分解的結構單元。單糖的結構表示法有Fischer投影式、Haworth投影式。第一節單糖的立體化學葡萄糖的鏈狀結構和構型(2R,3S,4R,5R)-2,3,4,5,6-五羥基己醛D-(+)-葡萄糖葡萄糖鏈狀結構不可解釋的實驗現象醛基反應不明顯。只能與一分子醇發生反應。有兩種不同的結晶。有變旋光現象葡萄糖的環狀結構α-D-葡萄糖開鏈D-葡萄糖β-D-葡萄糖分子內的羥基和醛基形成環狀半縮醛結構。為區別生成的異構體用α-D-吡喃葡萄糖和β-D-吡喃葡萄糖表示。二者分子中只有鏈端的手性碳的構型不同，其他相同，稱異頭物，或端基異構。葡萄糖的Harworth式α－D－吡喃葡萄糖β－D－吡喃葡萄糖Fischer投影式與Haworth式的轉化葡萄糖的構象式α－D－吡喃葡萄糖β－D－吡喃葡萄糖4C1式，簡稱C1式1C4式，簡稱1C式或N式（normalform)或A式（alternativeform)果糖的結構α–D-吡喃果糖β–D-吡喃果糖α–D-呋喃果糖β–D-呋喃果糖第二節糖和苷的分類苷的分類糖的分類一.糖的分類由10個以上單糖脫水縮合而生成的糖Poly-saccharides多糖由2～9個單糖脫水生成的糖Oligo-saccharides寡糖不能水解的糖構成糖的基本單位Mono-saccharides單糖1.單糖醛糖酮糖甲基糖支鏈糖氨基糖去氧糖糖醛酸糖醇五碳醛糖：含有5個碳原子的醛糖。D－木糖L－阿拉伯糖D－核糖六碳醛糖D－葡萄糖D－甘露糖D－半乳糖含有6個碳原子的醛糖。六碳酮糖D－果糖L－山梨糖含有5個碳原子的酮糖。甲基五碳醛糖甲基取代了五碳醛糖中的氫原子L－夫糖L－鼠李糖支碳鏈糖糖鏈上多了一個含碳的支鏈。D－芹糖D－金縷梅糖氨基糖糖上的一個或幾個羥基被氨基或乙酰氨基取代的糖。2-氨基-2-去氧-D-葡萄糖2-乙酰氨基-2-去氧-D-葡萄糖氨基糖與血型O型血B型血A型血AB型兼有A型和B型的糖去氧糖單糖分子中的一個或兩個羥基被氫原子取代的糖。紅霉糖碳霉糖糖醛酸單糖中的伯羥基被氧化成羧基的化合物。D－葡萄糖醛酸D－半乳糖醛酸糖醇單糖中的羰基被還原成羥基的化合物。D－山梨醇D－甘露醇環醇環狀多羥基化合物。肌醇（6個異構體）2.低聚糖定義：由2～9個單糖基通過苷鍵鍵合而成的直糖鏈或支糖鏈的聚糖。分類：按單糖的個數可分為二糖、三糖、四糖等；按分子的還原性分為還原性糖和非還原性糖。（＋）-蔗糖三氯蔗糖二糖(＋)-麥芽糖(＋)-纖維二糖(＋)-乳糖命名法：以末端糖為母體，其他糖為糖基，并標明糖與糖連接的位置、糖的成環形式以及苷鍵的構型等。

2-O-β-D-吡喃葡萄糖基-D-吡喃葡萄糖β-D-吡喃葡萄糖基-(12)-吡喃葡萄糖槐糖：低聚糖也可用下列方法表示低聚糖：β-D-Galp-(14)-β-D-Glcp-(14)-D-Glcp61β-D-Fruf“p”表示吡喃型，“f”表示呋喃型，數字表示糖與糖之間的連接位置。環糊精(cyclodextrin,CD)是經浸解桿菌淀粉酶作用于淀粉后生成的環狀低聚糖的總稱。由6、7、8個D-(+)-葡萄糖殘基經α-1,4-苷鍵相結合，得到α、β、γ-環糊精。分子空腔有疏水性，分子外部有親水性。通過分子間的作用力，環糊精可以與一定的分子形成包結物。形成包結物能改變客體的物理和化學性質，如揮發性、溶解性、穩定性、氣味、顏色等，可用于食品、醫藥、農藥、化學分析等。在有機合成中也有應用，其主-客體關系像酶與底物的作用，是研究的酶模型之一。3.多糖定義：是由十個以上的的單糖基通過苷鍵連接而成的化合物。分類：按功能分為植物多糖、動物多糖；按組成分為均多糖、雜多糖。多糖與蛋白質分子一樣具有明確的三維空間結構，可用一、二、三、四級結構描述。植物多糖植物多糖淀粉纖維素其它葡聚糖果聚糖半纖維素樹膠粘液質與粘膠質卡拉膠動物多糖動物多糖糖原甲殼素肝素硫酸軟骨素透明質酸硫酸角質酸多糖的生物活性抗腫瘤、抗突變作用（人參多糖）抗凝血、抗血栓、降血脂作用（茶葉多糖）增加免疫作用（女貞子多糖）抗腫瘤活性成分香菇多糖的結構通式[β-D-glcp-(13)-β-D-glcp-(13）-β-D-glcp-(13）-β-D-glcp-(13)-β-D-glcp]nβ-D-glcp1

6β-D-glcp1

6淀粉(starch)糖淀粉，直鏈，17～34%，α1-4膠淀粉，支鏈，α1-4，α1-6淀粉遇碘呈色：螺環狀（6glc）,碘分子進入螺環通道中,通過分子間的作用力形成的有色包結物。4－6，不呈色12－18，呈紅色；紫色、紫藍色，>50，藍色直鏈淀粉支鏈淀粉α-1,6-苷鍵α-1,4-苷鍵纖維素(cellulose)β-1,4-苷鍵植物細胞的主要組成成分糖原(glycogen)結構與膠淀粉類似，聚合度大，分支多遇碘紅褐色主要作用貯存養料甲殼素(chitin)存在于昆蟲、甲殼類動物的外殼中結構和穩定性與纖維素類似二.苷的分類苷：又稱配糖體，是糖和糖的衍生物與另一非糖物質通過糖的端基碳原子連接而成的化合物。由苷元、苷鍵、糖三部分組成。構成苷類常見的糖為單糖、雙糖、寡糖。根據原生狀態：原生苷：生物體內原有的苷次生苷：原生苷水解得到的苷含糖的個數：單糖苷、雙糖苷、叁糖苷糖連接位置的數目：單糖鏈苷、雙糖鏈苷按苷原子分：氧苷、氮苷等成苷官能團分：醇苷、酯苷、氰苷等按苷元不同分：黃酮苷、皂苷、三萜苷等按端基碳構型不酮分：α-糖苷（主要是L－型糖）β-糖苷（主要是D－型糖）。紅霉素酯苷氰苷（一）氧苷（O－苷）酚苷醇苷醇苷毛莨苷殺蟲、抗菌作用醇苷是由苷元醇羥基與糖的成苷羥基脫水縮合而成。醇苷的苷元以萜類和甾醇化合物最多。甘草酸抗腫瘤作用酚苷秦皮素抗菌作用酚苷是由苷元的酚羥基與糖的成苷羥基脫水縮合而成。天麻苷鎮靜作用氰苷是指一類α-羥腈與糖組成的氧苷。苦杏仁苷氰苷在酸或酶的作用下水解氫氰酸鎮咳作用、毒性強酯苷（酰苷）山慈菇苷A瓜子金皂苷丁由苷元羧基和糖的成苷羥基脫水而成。（二）硫苷（S－苷）蘿卜苷苷元上的巰基與糖的成苷羥基脫水縮合而成。（三）氮苷（N－苷）由苷元氮原子和糖端基羥基脫水縮合而成。胞苷腺苷（四）碳苷（C－苷）碳苷是由苷元氫原子和糖端基羥基脫水縮合而成。苷元多為間苯二酚或間苯三酚，主要有黃酮苷

蘆薈苷芒果苷異芒果苷第三節糖的化學性質小分子的化合物極性大，水溶性好。隨分子的聚合度增加，水溶性下降。糖苷具有親水性，苷元具有親脂性。單糖具有甜味，多糖無甜味。糖具有旋光性。醚化反應酰化反應縮醛和縮酮化反應氧化反應糠醛形成反應羥基反應羰基反應硼酸絡合反應化學性質一.氧化反應單糖分子容易與堿性弱氧化劑Tollen、Fehling試劑反應。糖分子中醛基、酮基最容易氧化、其次是伯醇基。能與堿性弱氧化劑發生反應的糖稱還原性糖。單糖都是還原性糖。Tollen反應（銀鏡反應）單糖+Ag2O=2Ag+復雜氧化產物Fehling反應

單糖+2Cu(OH)2=Cu2O+復雜氧化產物溴水可氧化醛糖，不能氧化酮糖，所以可用于區別醛糖和酮糖。醛糖與稀硝酸氧化可生成糖二酸。過碘酸的氧化反應，可用來推測糖的結構過碘酸反應特點可氧化鄰二醇、α-氨基醇、α-羥基醛（酮）、α-羥基酸、鄰二酮、酮酸和某些活潑的次甲基。鏈狀鄰二醇的氧化反應是定量完成。在中性和弱酸性條件下水溶液中進行，順式鄰二醇氧化的速度比反式快。在弱堿性條件下，二者的速度相差不大。游離單糖與過碘酸的反應及消耗的過碘酸數目用Fischer投影式計算；成苷糖的反應用Haworth式計算。在異邊并無扭曲余地的鄰二醇不發生反應。1,6α-D-呋喃半乳糖酐1,6β-D-呋喃葡萄糖酐糖與過碘酸反應的應用推測分子中有多少鄰二醇結構。通過測定過碘酸的消耗量可推測糖的種類和環的大小。鄰三羥基，有甲酸生成鄰二羥基，無甲酸生成推測糖與糖的連接位置。反應機理二.糠醛的形成單糖在濃酸加熱作用下，脫去3分子水，生成具有呋喃環結構的糠醛衍生物。多糖和苷類化合物在酸的作用下首先水解成單糖，然后再脫水成糠醛。糠醛衍生物與芳胺、酚類化合物縮合生成有色化合物，可作為顯色反應。常用的酸：硫酸、磷酸、三氯乙酸、鄰苯二甲酸、草酸等常用的酚：苯酚、間苯二酚、α-萘酚、β-萘酚等常用的胺：苯胺、二苯胺、氨基酚、聯苯胺等。Molisch反應三.羥基的反應糖及苷羥基的反應包括：醚化反應酰化反應縮醛和縮酮化反應硼酸的絡合反應羥基的活潑順序：成苷羥基>伯醇羥基>C2-羥基環狀結構中橫鍵羥基比豎鍵羥基活潑常用的糖及苷的醚化反應有：甲醚化、三甲硅醚化、三苯甲醚化等。常用于多糖的結構鑒定1.醚化反應2.酰化反應常用的酰化反應是乙酰化和對甲苯磺酰化。對甲苯磺酰化主要發生在伯醇上。通常C3-OH最難酰化用于結構鑒定糖上羥基的活性：伯醇羥基最強，如葡萄糖的C6位-OH，其次是C2-OH，C3-OH最難乙酰化。乙酰化試劑：醋酐。催化劑：醋酸鈉、吡啶、氯化鋅。糖的乙酰化反應無選擇性。反應條件不同可得不同的端基異構，用醋酐-氯化鋅反應葡萄糖得α-乙酰化物，用醋酐-醋酸鈉得到的主產物是β-乙酰化物。乙酰化酮和醛在脫水劑如無機酸、無水ZnCl2、無水CuSO4等存在下，與多元醇的兩個具有適當空間位置的羥基形成環狀縮酮和縮醛。酮類易與順鄰二醇羥基生成五元環狀物。醛類易與1,3-二醇羥基生成六元環狀物。3.縮醛和縮酮化反應丙酮與鄰二醇羥基生成的五元環狀縮酮稱為異丙叉衍生物，亦稱丙酮加成物。縮醛和縮酮衍生物與苷一樣對堿穩定，酸不穩定。利用此反應可判斷羥基數目，保護糖分子中的羥基。也可推測結構中有無順鄰二醇羥基或1,3-二醇羥基。α–D-吡喃半乳糖1,2;3,4-二-O-異丙叉基α–D-吡喃半乳糖D-葡萄糖1,2;5,6-二-O-異丙叉-α-D-吡喃葡萄糖苯甲醛與糖生成的六元環狀縮醛稱為苯甲叉衍生物。苯甲醛與吡喃糖生成的苯甲叉衍生物有順式和反式兩種。反式-4,6-O-苯甲叉-α

–D-吡喃葡萄糖甲苷順式-4,6-O-苯甲叉-α

-D-吡喃半乳糖甲苷（O-內位）順式-4,6-O-苯甲叉-α

-D-吡喃半乳糖甲苷（H-內位）4.硼酸的絡合反應許多具有鄰二羥基的化合物可與硼酸、鉬酸、銅氨、堿土金屬等試劑反應生成絡合物。生成的絡合物的理化性質發生了改變，可用作糖、苷化合物的分離、鑒定以及構型的確定。六元1,3二豎鍵羥基配合物的穩定性大于順鄰二羥基反式鄰二羥基不能形成配合物，因ee鍵無法得到硼酸絡合對空間的要求。絡合能力：呋喃糖苷>單糖>吡喃糖苷反應的應用絡合后化合物的酸性增強，可進行含量測定。由于不同的糖的絡合能力不同，通過離子交換、硅膠、電泳等色譜方法進行分離、鑒定。5.羰基的反應還原性糖可與苯肼反應，生成糖脎。可用于糖的鑒定、純化和分離。2-去氧糖不發生反應。還原性糖糖腙（溶水）糖脎（不溶水）苷鍵的裂解對于了解苷元與糖及糖與糖的的連接方式、苷鍵的構型等有重要作用。苷鍵的裂解按裂解程度：全裂解、部分裂解按不同的方法：均相水解、雙相水解第四節苷鍵的斷裂按裂解的方法：酸催化水解堿催化水解乙酰解酶催化水解氧化裂解法（過碘酸裂解）一.酸催化水解苷鍵屬于縮醛結構，易被稀酸催化水解。其歷程為：苷鍵原子質子化，然后鍵斷裂生成苷元及糖的正碳離子，正碳離子在水中經溶劑化，最后再失去質子而形成糖分子。酸催化水解歷程與苷鍵原子電子密度及其空間環境有關苷元結構有利于苷鍵原子質子化，易于水解與糖的類別及結構特征也有關系苷鍵的酸催化水解影響因素有按苷鍵原子的不同：N-苷＞O-苷＞S-苷＞C-苷氮原子在酰胺或嘧啶環上的苷難水解。酚苷和烯醇苷比醇苷易水解，因其易質子化。2－位的氨基和羥基可與苷原子爭奪質子所以影響水解，若乙酰化則水解容易進行。去氧糖>羥基糖>氨基糖酸催化水解的難易規律呋喃糖苷較吡喃糖苷易水解（水解速率大50～100倍，五元環平面性使各取代基處于重疊位置，形成水解中間體使張力變小，利于水解）酮糖>醛糖（酮糖多為呋喃糖結構，而且多一個羥甲基增加了擁擠程度）吡喃環C-5上取代基越大越難水解。在吡喃醛糖苷中：五碳糖＞甲基五碳糖＞六碳糖＞七碳糖＞糖醛酸。苷元基團小時，苷鍵在橫鍵比豎鍵易水解；苷元基團大時，苷鍵在豎鍵比橫鍵易水解。酸水解后得到的是游離糖，所以無法確定其糖環的結構。對酸不穩定的苷，可采用雙相水解法雙相水解法：在水解液中加入與水不互溶的有機溶劑如苯，水解后的苷元立即進入有機相避免與酸的長時間接觸仙客來皂苷二.乙酰解反應試劑：醋酐和酸（硫酸、高氯酸、三氟乙酸和氯化鋅、三氟化硼等）。機理與酸催化水解相似，進攻試劑是乙酰正離子。二糖苷鍵水解難易：16>14>13>12乙酰解條件溫和，操作方便，得到的是脂溶性成分，便于分離提純。乙酰解時會發生端基異構化。三.堿催化水解和β-消除反應通常苷鍵不易被堿水解，但苷元為酸、酚、有羰基共軛的烯醇類，或成苷羥基的β-位有吸電子取代基者，苷鍵具有酯的性質，可以在堿的條件下水解。4－羥基香豆素苷水楊苷C1-OH與C2-OH為反式易發生水解，生成1,6-葡萄糖酐；若為順式得到的是正常的糖。可區別糖苷的構型。1,6-葡萄糖酐β-消除反應由于苷鍵的β-位吸電子基團能使苷元的α-位氫活化，有利于OH-的進攻，故苷鍵的β-位有吸電子取代的苷在堿溶液中可與苷鍵發生消除反應而開裂苷鍵。藏紅花苦苷藏紅花醛四.酶催化水解反應酶促反應特點專屬性高、反應溫和。用酶水解苷鍵：可以得知苷鍵的構型；可以保持苷元結構不變；可保留部分苷鍵到次級苷或低聚糖，從而可獲知苷元和糖，糖和糖之間的連接方式。常用的酶及水解糖苷鍵類型：轉化糖酶，β-果糖苷鍵麥芽糖酶，α-葡萄糖苷鍵苦杏仁苷酶，β-葡萄糖苷鍵多數酶為基團特異性酶，少數酶的立體選擇性很高。

五.過碘酸裂解反應亦稱Smith降解法。反應條件溫和、苷元不易破壞。可以推測糖的種類、糖與糖的連接方式以及環的大小。適用于苷元結構容易改變的苷及碳苷。不適合于苷元上有鄰二醇的結構。反應試劑：NaIO4和NaBH4。反應式：人參皂苷Rb120(S)原人參二醇20(S)人參二醇20(R)人參二醇碳苷用Smith裂解得到一個連有醛基的苷元。第五節糖的核磁共振性質用于確定糖及苷的苷鍵構型、糖環大小、優勢構象、糖的種類、糖與糖的連接位置、糖與糖的連接順序一.糖的1H-NMR性質糖在1H-NMR中的信號分布很窄，歸屬較難。糖端基質子：δ4.3～6.0甲基五碳糖的甲基δ1.0左右其它質子δ3.2～4.2根據端基質子信號的個數和化學位移值可推測連糖的個數、糖的種類及連接位置。質子的鄰位偶合常數與兩面角有關當兩面角為0o～90o時，偶合常數變小當兩面角為90o時，偶合常數為零當兩面角為90o～180o時，偶合常數變大吡喃環中相鄰的兩質子均為豎鍵時，兩面角為180o，偶合常數為6～8Hz；當一個豎鍵，一個橫鍵時兩面角為60o，偶合常數為2～4Hz。葡萄糖、半乳糖：β構型：J1,2約8Hzα構型：J1,2約2Hz甘露糖、鼠李糖：β構型：J1,2約1.6Hα構型：J1,2約0.8Hz呋喃糖的α和β構型相差不多二.糖的13C-NMR（一）化學位移及偶合常數CH3，δ18CH2OH，δ62CHOH，δ68~85OCH3，δ55~58端基-C，δ95~105端基碳的數據可判斷糖的個數及構型

β-D-苷鍵和α-L-苷鍵的端基碳δ>100酯苷、叔醇苷和個別酚苷端基碳δ＝98α-D-苷鍵和β-L-苷鍵的端基碳δ<100呋喃糖C3、C5的δ>80判斷氧環的大小端基C吡喃型糖端基碳氫偶合常數可用于確定苷鍵構型端基質子，處于橫鍵，JC1-H1=170~175；處于豎鍵，JC1-H1=160~165即JC1-H1=170~175時，α-D或β-L構型JC1-H1=160~165時，β-D或α-L構型（二）苷化位移（GS）定義：糖與苷元成苷后，苷元的α-C、β-C、糖的端基C均發生了化學位移值改變，這種改變稱之為苷化位移。GS值與苷元結構關系密切，與糖種類關系不大。GS值的應用:推測糖與苷元、糖與糖連接位置；某些苷元被苷化碳的絕對構型；碳氫信號歸屬。伯醇苷糖與伯醇成苷后，苷與苷元相比，α-C向低場位移約8（δ增大），β-C向高場位移約4（δ減小）。苷與該糖的甲苷相比，端基碳向高場位移約1~2單位（δ減小）。

伯醇苷環仲苷兩個β-碳均為仲碳的苷苷與苷元相比α-碳向低場移約7個單位糖與其甲苷相比，糖的端基碳向高場移約1～4個單位

糖的端基碳為R型，β-Cpro-S降4pro-R降2糖的端基碳為S型，β-Cpro-R降4pro-S降2R102.278.2pro-S（105.5）（70.8）32.8(36.7)pro-S34.5(36.7)Spro-R32.5(36.7)pro-S34.5(36.7)叔醇苷α-碳向低場移約7個化學位移單位β-碳向高場移約3個化學位移單位糖的端基碳向高場位移約7個單位第六節糖鏈結構的測定苷類結構研究的一般程序糖鏈的結構研究糖和糖連接順序及苷元結構的確定苷鍵構型的測定純度的鑒定：超離心法、高壓電泳、凝膠色譜柱法、旋光測定法、官能團摩爾比恒定法、HPLC等分子量的測定：MS，沉降法、光散射法、粘度法、超過濾法、超離心法、滲透壓法等用于多糖的分子量測定。單糖的鑒定：PC、TLC、GC、HPLC一.苷類結構研究的一般程序二.糖鏈的結構研