Chapter21_单糖、寡糖和多糖

nullnull第二十一章 单糖、寡糖和多糖exitnull第一节 糖的定义和分类 第二节 单糖的链式结构及表示方法 第三节 单糖的命名 第四节 单糖的环型结构 第五节 单糖的反应 第六节 葡萄糖结构的测定 第七节 一些重要的单糖及其衍生物 第八节 双糖本章提纲第一节 糖的定义和分类 丙醛糖 醛糖 丁醛糖 单糖 戊醛糖 糖 寡糖 酮糖 己醛糖 多糖第一节 糖的定义和分类定义： 多羟基的醛或酮或经简单水解能生成这 类醛酮的化合物称为糖。null植物 nCO2 + m H2O Cn(H2O)m 动物 Cn(H2O)m + nO2 nCO2 + m H2O + 能量 h最小的酮糖CH2OHCHOHOH最小的醛糖叶绿素第二节 单糖的链式结构及表示方法H左，HO右，D系列 H右，HO左，L系列第二节 单糖的链式结构及表示方法第三节 单糖的命名实例 系统命名法 习惯命名法 类别 第三节 单糖的命名(2R)-2,3- 二羟基丙醛 D-(+)甘油醛 丙醛糖 (2R,3R,4R)-2,3,4,5- 四羟基戊醛 D-(-)-核糖 戊醛糖 (3S,4R,5R)-3,4,5,6- 四羟基已-2-酮 D-(-)-果糖 已酮糖null一 葡萄糖的变旋现象，某些特性及环型结构的提出 二 葡萄糖环型结构的画法--哈武斯透视式 三 葡萄糖的构象式第四节 单糖的环型结构一 葡萄糖的变旋现象， 某些特性及环型结构一 葡萄糖的变旋现象， 某些特性及环型结构 一个有旋光的化合物，放入溶液中，它的旋光度 逐渐变化，最后达到一个稳定的平衡值，这种现 象称为变旋现象。1. 葡萄糖的变旋现象nullD-(+)-葡萄糖-D-(+)-葡萄糖（无结晶水）-D-(+)-葡萄糖在乙醇中重结晶在吡啶中重结晶在HOAc中重结晶mp 146oCmp 148-150oCH2OH2O浓缩() -D-(+)-葡萄糖 的水溶液() -D-(+)-葡萄糖 的水溶液[]D = + 112o放置[]D = + 18.7o放置所得溶液 []D = 52.7o2 葡萄糖的其它特性 (1) D-葡萄糖只能与一个醇（甲醇）形成缩醛。 (2) 不与NaHSO3反应。 (3) IR图谱中没有羰基的伸缩振动。 (4) 1HNMR图谱中没有醛基质子的吸收峰。 (5) 能与斐林试剂、土伦试剂、H2NOH、HCN、Br2水 等发生反应。（有醛基）2 葡萄糖的其它特性无醛基葡萄糖的链式结构无法合理解释上述各种特性3. 糖环形结构的提出环状半缩醛、半缩酮的启迪，糖环形结构的提出。3. 糖环形结构的提出HOCH2CH2CH2CHOHOCH2CH2CH2CH2CHO二 葡萄糖环型结构的画法--哈武斯透视式二 葡萄糖环型结构的画法--哈武斯透视式向右倒下绕成环C3-C4键旋转-D-呋喃葡萄糖-D-呋喃葡萄糖将单糖的Fischer构象式改写成Howorth透视式+-D-吡喃葡萄糖-D-吡喃葡萄糖or将单糖的Fischer构象式改写成Howorth透视式-D-吡喃葡萄糖葡萄糖的存在形式葡萄糖的存在形式-D-吡喃葡萄糖-D-吡喃葡萄糖-D-呋喃葡萄糖-D-呋喃葡萄糖63.6%36.4%<0.01%<1%三 葡萄糖的构象式三 葡萄糖的构象式-D-吡喃葡萄糖-D-吡喃葡萄糖稳定性（ 1）>（3）>（4 ）>（2），所以，混合物中-D-吡喃葡萄糖多。(1) (2)(3) (4)null一 糖的递增反应 克里安尼氰化增碳法 二 糖的递降反应 1) 佛尔递降反应 2) 芦福递降法 三 差向异构化 四 形成糖脎 五 氧化 六 还原 七 形成糖苷 八 酯化反应第五节 单糖的反应一 糖的递增反应-- 克里安尼氰化增碳法一 糖的递增反应-- 克里安尼氰化增碳法pH=3-5HCNH3O+H3O+Na-Hg H2ONa-Hg H2OpH=3-5null*1. 原来分子的手性碳原子，对新生的手性碳原子具 有一定的感应作用，所以两个差向异构体是不等 量的。 *2. 若用Na-Hg乙醇溶液还原，则产物两端均为醇。 *3. 该反应产率不高，主要用于研究结构。二 糖的递降反应二 糖的递降反应1 佛尔递降法-HCN H2NOH,Ac2O NaOAc-HOAcMeO-MeOHMeOHMeO-醛加HCN的逆反应 碱乙酰化酯交换2 芦福递降法（氧化脱羧）2 芦福递降法（氧化脱羧）CaBr2, CaCO3H2O2 , Fe 3+40oC-CO2D-阿拉伯糖 电解氧化三 差向异构化三 差向异构化在弱碱性条件下，糖中与羰基相邻的不对称碳原子的构型发生变化，这称为差向异构化。D-果糖弱碱如吡啶、三级胺等（差向异构化）D-葡萄糖D-甘露糖烯二醇糖酸的差向异构化糖酸在类似的条件下也能发生差向异构化。糖酸的差向异构化 Na-Hg H2O pH=3-5CaBr2, CaCO3Ca(OH)2, 125oCH+差向异构化电解氧化D-阿拉伯糖D-核糖四 形成糖脎四 形成糖脎 一分子糖和三分子苯肼反应，在糖的1,2-位形成二苯腙（称为脎）的反应称为成脎反应。null成脎反应的应用： 1. 用来鉴别各种糖（因为不同的糖脎结晶形状不同， 熔点不同，形成的时间也不同）。糖脎都是黄色 晶体。 2. 用于研究糖的构型（葡萄糖、甘露糖、果糖具有相同的糖脎，这说明这三个糖除第一和第二个碳原子构型不同外，其它碳原子的构型完全相同） 3. 将葡萄糖转变成果糖。五 糖的氧化反应五 糖的氧化反应还原糖和非还原糖的概念： 凡是对斐林试剂、土伦试剂、本尼迪特试剂呈正反应 的糖称为还原糖，呈负反应的糖称为非还原糖。斐林试剂（硫酸酮和碱性酒石酸钾钠） 土伦试剂（硝酸银的氨水溶液） 本尼迪特试剂（柠檬酸、硫酸铜、碳酸钠配制成）null1. 用斐林试剂、土伦试剂、本尼迪特试剂氧化斐林试剂 or 土伦试剂 or 本尼迪特试剂D-葡萄糖D-葡萄糖酸2. 用溴水氧化-形成糖酸（区别酮糖和醛糖）2. 用溴水氧化-形成糖酸（区别酮糖和醛糖）Br-H2O pH=5与C5上羟基成酯与C4上羟基成酯在弱酸性条件下不会发生异构化。D-葡萄糖酸--内酯D-葡萄糖酸--内酯D-葡萄糖酸3. 电解氧化（用来制备糖酸）3. 电解氧化（用来制备糖酸）CaBr2 , CaCO3CaBr2 + H2O + CO2CaBr2Ca(OH)2 + Br2 H2OD-葡萄糖酸钙（钙片）电解氧化-CHO + Br2-COOH + Ca(OH)2电解H2O-COOH + HBr-COO 1/2Ca2HBr + CaCO3过 程4. 用硝酸氧化（1） 稀硝酸能把醛糖氧化成糖二酸。 （2） 稀硝酸氧化酮糖时导致C1-C2键断裂， 用来区别醛糖和酮糖或用来测定结构。 （3）浓硝酸能使二级醇氧化，进一步导致C-C键断裂， 因此不能使用。4. 用硝酸氧化稀HNO35. 用高碘酸氧化5. 用高碘酸氧化RCHO + R’CHO + H3IO4反应机理+ 5HIO4 5 HCOOH + CH2O六 单糖的还原3 内酯→二醇 催化剂：钠汞齐 乙醇溶液六 单糖的还原1 糖→糖醇2 内酯→醛糖（在糖的递增反应中已讲） 催化剂：钠汞齐（Na-Hg）水溶液pH=3-5H2 ，兰尼Ni , or NaBH4D-葡萄糖醇 （L-山梨糖醇）七 形成糖苷七 形成糖苷 环状糖的半缩醛羟基能与另一分子化合物中的羟基、氨基或硫羟基等失水，生成的失水产物称为糖苷，也称为配糖体。由葡萄糖衍生的糖苷叫葡萄糖苷，失水时形成的键叫苷键。null糖苷的名称由三部分组成：配基+糖的残基+（糖）苷甲基 - -D-吡喃葡萄糖苷甲基 -  -D-吡喃葡萄糖苷CH3OHH+CH3OHH+-苷键 -苷键配基关于半缩醛羟基和一般羟基反应的几点注意在酸催化下，只有糖的半缩醛羟基能与另一分子醇反应形成醚键。但用威廉森反应可使糖上所有的羟基（包括半缩醛的羟基）形成醚。 最常用的甲基化试剂是：（1）30% NaOH + (CH3)2SO4 （2） Ag2O + CH3I 糖苷从结构上看是缩醛，在碱性条件下是稳定的，但可用温和的酸性条件水解，生成糖和配基。而普通的醚键在温和的酸性条件下是稳定的，只有在强的HX作用下才分解。关于半缩醛羟基和一般羟基反应的几点注意null酶也能促使糖苷水解，而且是立体专一的（例如，从酵母中分离得到的α-D-葡萄糖苷酶只能水解α-D-葡萄吡喃糖苷，而从杏仁中得到的β-D-葡萄糖苷酶只水解β-D-葡萄糖苷。 醛和酮可以和糖分子中邻位顺式羟基缩合形成环状的缩醛和缩酮，该反应可以用来保护羟基（一般规律是丙酮与邻位顺式羟基缩合形成环状的缩酮，而苯甲醛与1,3-二醇生成六元环的缩醛）八 酯化反应八 酯化反应 应用制备酯的通用方法可以在糖中的每一个有羟基的地方发生成酯反应。 -D-吡喃葡萄糖五乙酸酯 -D-吡喃葡萄糖五乙酸酯 -D-吡喃葡萄糖  -D-吡喃葡萄糖快 Ac2O慢快 Ac2O0oCNaAc 0oCNaAc 0oC100oC相对较快无水ZnCl2 Ac2OAc2O,NaOAc 100oC相对较慢 ZnCl2葡萄糖磷酸酯α-D-吡喃葡萄糖-6-磷酸酯葡萄糖磷酸酯α-D-吡喃葡萄糖-1-磷酸酯α-D-吡喃葡萄糖-6-磷酸酯+D-果糖-1，6 -二磷酸酯二羟基丙酮磷酸酯D-甘油醛-3-磷酸酯代谢过程中经多步反应酶α-D-吡喃葡萄糖-6-磷酸酯null一 葡萄糖碳架的测定 二 葡萄糖立体结构的测定 三 葡萄糖环型结构的测定 四 葡萄糖的构象分析第六节 葡萄糖结构的测定null 葡萄糖结构的测定是费歇尔进行糖结构研究时完成的，历时7年（1884-1891年） 1902年获诺贝尔奖一 葡萄糖碳架的测定null5(CH3CO)2O有五个羟基，连在5个C上葡萄糖五醋酸酯H2NOH只得到一元肟说明分子中只有一个羰基能用溴水氧化，说明分子中有醛羰基。Br2-H2OHI, PHCNH3+OCH3(CH2)4COOH六个碳是直链的。C6H7O(OOCCH3)5 + 5HAc二 葡萄糖立体结构的测定二 葡萄糖立体结构的测定实验一: 反复进行克里安尼增碳法,得8个D-六碳糖.2 (5) (6) (7) (8)(1) (2) (3) (4)null实验二： 进行成脎反应，D-葡萄糖和D -甘露糖成脎后相同， 所以可以 把8个糖分成四组。第二组：第一组：第三组：第四组：null实验三， 用硝酸将以上八个化合物氧化成糖二酸，结果： 化合物（1）有旋光（2）有旋光 （3）无旋光（4）有旋光 （5）有旋光（6）有旋光 （7）无旋光（8）有旋光 但是天然的D-葡萄糖和D-甘露糖用硝酸氧化后都得到有旋光的糖二酸，因此第二组化合物(3), (4) 和第四组化合物(7), (8) 不可能是D-葡萄糖和D-甘露糖。null 为了进一步确定D-葡萄糖的结构，可利用D-阿拉伯糖 （五碳糖）进行第四个实验。 通过以上的三个实验，已经确定了D-葡萄糖可能具有 以下的结构：null 将D-阿拉伯糖氧化后，可得到有旋光的二酸。因此，具有与第一个原料一样的结构。再将D-阿拉伯糖通过克里安尼增碳法可得到D-葡萄糖和D-甘露糖。通过以上的方法，可确定D-葡萄糖具有第一组化合物(1), (2)的构型。克-增克-增HNO3HNO3有旋光无旋光(1) + (2)(5) + (6)实验四：12null实验五：头尾对调法null 将D-葡萄糖用稀硝酸氧化成D-葡萄糖二酸，随即失水成 双内酯，再用适量的Na-Hg齐在乙醇中使其中一个内酯还原 成二醇，再用适量的Na-Hg齐在pH = 3~5还原另一个内酯为 醇和醛，结果得到二个产物，一个仍为D-葡萄糖，而另一个 为L-古罗糖。如用D-甘露糖进行上述反应，只能得到一个产 物，仍为D-甘露糖。 因此，通过以上五组实验，不仅确定了D-葡萄糖的绝对 构型，而且也确定了其它单糖类化合物的绝对构型。三 葡萄糖环型结构的测定1. 环型结构的提出（参见第四节） 2. 环大小的确定 费歇尔用下面两种方法来确定环的大小。三 葡萄糖环型结构的测定null+ CH3OHH+or CH3I-Ag2O(CH3)2SO4 NaOHH3 +O+HNO3 （1）甲基化法基本思想：根据最后的碎片确定形成半缩醛羟基的位置.（2）高碘酸法基本思想：打断所有α-二醇的碳碳键，然后根 据碎片来拼凑分子。2H5IO6CH3OH H+（2）高碘酸法第七节 一些重要的单糖及其衍生物 L-(+)-阿拉伯糖 D-(+)-木糖 D-(-)-核糖 D-(-)-2-脱氧核糖第七节 一些重要的单糖及其衍生物氨 基 糖D-(+)-葡萄糖 D-(+)-甘露糖 D-(+)-半乳糖 D-(-)-果糖N-甲基--L-2-氨基葡萄糖 -D-2-氨基葡萄糖 维生素C的合成维生素C的合成Cu-CrH2D-葡萄糖L-山梨糖醇醋酸菌氧化L-山梨糖维生素C酯交换保护羟基氧化去保护酯化烯醇化null一 纤维二糖的结构和命名 二 乳糖的结构和命名 三 麦芽糖的结构和命名 四 蔗糖的结构和命名第八节 双糖null定义：水解后产生两分子单糖的低聚糖称为双糖。 （或称：一分子单糖中的半缩醛羟基和另一分子单糖中 的羟基发生失水反应得到的糖为双糖） 双糖的定义、组成、表达方式（Fisher投影式、Haworth透视式、构象式）、命名（名称和苷键）、结构测定。要求同学掌握一 纤维二糖的结构和命名（C12H22O11）（1） 纤维二糖是纤维素水解的产物。纤维二糖水解产生 一分子β-D-吡喃葡萄糖和一分子D-吡喃葡萄糖。 （2） 因为整个分子中保留了一个半缩醛的羟基，能与土 伦、斐林、本尼迪特试剂反应，所以是还原糖。β-D-吡喃葡萄糖D-吡喃葡萄糖一 纤维二糖的结构和命名（C12H22O11） β-1,4 -苷键null4-O-（β-D-吡喃葡萄糖基）-D-吡喃葡萄糖（3） 命名时选保留半缩醛羟基的糖为母体，另一个糖为 取代基。二 乳糖的结构和命名（C12H22O11）（1） 乳糖水解产生一分子β-D-吡喃半乳糖和一分子 D-吡喃葡萄糖。 （2） 分子中保留了一个半缩醛的羟基，所以是还原糖。二 乳糖的结构和命名（C12H22O11） β-1,4 -苷键null4-O-（β-D-吡喃半乳糖基）-D-吡喃葡萄糖（3） 命名时选保留半缩醛羟基的糖为母体，另一个糖 为取代基。三 麦芽糖的结构和命名（1）麦芽糖是淀粉水解的产物。麦芽糖水解产生一分子- D-吡喃葡萄糖和一分子D-吡喃葡萄糖。 （2） 麦芽糖分子中保留了一个半缩醛羟基，是还原糖。三 麦芽糖的结构和命名1. 组成和命名成苷部分未成苷部分null4-O-（-D-吡喃葡萄糖基）-D-吡喃葡萄糖-1，4-苷键 （3）命名时选保留半缩醛羟基的糖为母体，另一个糖为取代基。2. 怎样证明麦芽糖是还原糖2. 怎样证明麦芽糖是还原糖（1）有变旋现象； （2）可以被土伦试剂、斐林试剂、本尼迪特试剂氧化； （3）能与苯肼反应生成糖脎；nullBr2-H2OC6H5NHNH2 HOAc（4）能被溴水氧化成麦芽糖酸null （1）麦芽糖只能被 -D-吡喃葡萄糖苷酶水解，不能被β-D- 吡喃葡萄糖苷酶水解，所以证明两个糖以 -苷键相连； （2）成苷必须有半缩醛羟基参加，所以成苷部分必然是提供 1-位键； （3）通过甲基化反应，可以确定苷键的另一个位置是4位。 （见下页的反应式） 综合(1)，(2)，(3)，证明麦芽糖具有 -1,4-苷键。3. 怎样证明麦芽糖具有-1,4-苷键nullBr2-H2O(CH3)2SO4 NaOHH3+O四 蔗糖的结构和命名1. 组成和命名（1）是由 -D-吡喃葡萄糖和-D-呋喃果糖的两个半缩醛 羟基失水而成的。 （2）蔗糖中已无半缩醛羟基，所以不是还原糖。四 蔗糖的结构和命名-1,2-苷键 -2,1-苷键null2-O-(-D-吡喃葡萄糖基) -  -D-呋喃果糖苷1-O-（  -D-呋喃果糖基）--D-吡喃葡萄糖苷（3）两种糖均可作为母体，所以有两种学名。2. 蔗糖结构的测定（1）经元素分析及相对分子量测定得出蔗糖的分子式为C12H22O11; （2）[]D= + 66.5, 无变旋现象，不与土伦试剂、斐林试剂、 本尼 迪特试剂反应，也不与苯肼反应生成糖脎（说明蔗糖无半缩 醛羟基露在外面）所以蔗糖是非还原糖。 （3）酸性水解实验表明：蔗糖既可用α-D-葡萄糖苷酶（又称 麦芽酶）水解（说明葡萄糖出α-苷键），也可用-D-果糖 苷酶（又称转化酶）水解（说明果糖出 -苷键） 结论：蔗糖是由一分子α-D-葡萄糖和一分子-D-果糖的半缩醛羟基 失水生成的。2. 蔗糖结构的测定null转化糖：蔗糖水解后，旋光发生了变化，现将蔗糖的 水解产物称为转化糖。C12H22O11 + H2OC6H12O6 + C6H12O6 H+酶[]D= + 66.5[]D= + 52.7[]D= -92.03. 用HIO4氧化分解法测环的大小3. 用HIO4氧化分解法测环的大小-HCOOH3HIO4Br2-H2OH2O将 碎 片 拼 接 成 环将 碎 片 拼 接 成 环A1 A2 B1 B24 用甲基化反应测定结构4 用甲基化反应测定结构Ag2OCH3I八-O-甲基蔗糖H3+O+ 其它碎片蒸馏分离HNO3HNO3+ 其它碎片