糖种类和构型的确定-2013 沈阳药科大学
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单糖及其构型的确定
单糖结构的表示方法
单糖的绝对构型和相对构型
单糖及其构型的鉴定
1
一、单糖结构的表示方法
以D-葡萄糖（D-glucose）为例：
CHO H HO H H OH
HO
H
CH2 OH
H OH H OH O
H OH OH CH2OH
H OH OH H
O OH H H OH
O
O
HO H H
CH2OH
2.偶合常数: J1,2判断苷键构型
• 吡喃型糖C1式(1C式) • 苷键为b-D ( b-L型), 当端基质子和C2-H为竖键, J=6-8Hz; • 苷键为-D(-L)型, 端基质子为横键, J=2-4Hz.
17
D-葡萄糖
可通过J值来判定端基碳构型
18
α-L-鼠李糖
b -L-鼠李糖
C1-H
30
2. 实验方法
1mg 标准单糖加入1 mL 无水吡啶和2 mg L-半胱 氨酸甲酯盐酸盐，混合均匀，60℃加热2 h, 反应
产物吹干，干燥，加入0.2 mL三甲基硅烷咪唑，
60℃加热2 h后，将反应液转移至2 mL 水中，用 等体积环己烷萃取三次，合并萃取液浓缩，制成 单糖的糖噻唑三甲基硅醚衍生物，取0.5mL 环己 烷溶解，即可用于气相分析。
2. 相对构型（，ß 构型）
糖的C1位形成差向异构体 C1-OH与最后一个手性中心上的OH 在同侧为 构型, 在异侧为 ß构型；
+
9
3. 绝对构型与相对构型的关系
两种方法：
D/L
/ ß
末端手性碳上 羟基与端基碳 上羟基的相对 关系
描述的位置： 末端手性碳上羟基 描述的方式：
绝对构型
相对构型
β-D-甘露糖苷
端基氢处于平伏键， 160-170Hz，多为-型苷键; 端基氢处于直立键， 150-160Hz，多为b-型苷键。 上述规律可用于优势构象为C1或1C式糖苷键构型的判定。 鼠李糖优势构象1C式, -L型, 160-170Hz, b-L型150-160Hz；甘 露糖优势构象C1式, -D型, 160-170Hz, b-D型, 150-160Hz。
24
四、糖的鉴定方法
单糖的鉴定方法
TLC
HPLC
GC
25
（用于确定糖的种类） (一)糖腈乙酸酯衍生化及GC分析
1. 标准糖糖腈乙酸酯衍生物的制备 (1) 反应原理 单糖和盐酸羟胺在吡啶中经加热后，反应生成糖肟，糖 肟与乙酸酐在加热条件下，继续反应生成具有挥发性的糖腈乙 酸酯衍生物。反应式如下：
26
H-2
H-4 b
α -L-threo-
×
H-5
37
化合物结构：
Zhou and Qiu* et al. J. Nat. Prod. 2009, 72, 1563–1567
38
芹糖部分碳氢数据归属:
No.
1
1H-NMR 13C-NMR
5.35 (br.s)
108.2
2 3
4 5
3.49 (m)
76.8 77.5
28
3. 实验结果
对标准糖D-半乳糖进行了检测，得到结果如下：
D-半乳糖标准品
测试化合物
29
（二）糖噻唑三甲基硅醚衍生化及GC分析
（确定糖的种类及绝对构型）
1. 反应原理
Duan and Qiu* et al. J. Nat. Prod. 2009, 72, 1579–1584
单糖和L-半胱氨酸甲酯盐酸盐在吡啶中加热反应生成2（多羟基烃)-噻唑-4-羧酸甲酯，与三甲基硅烷咪唑在加热 的条件下，继续反应生成相应的具有挥发性的三甲基硅醚 化衍生物。
L型糖
15
规律1：D型葡萄糖采取C1式更稳定，L型葡萄糖采取1C式。 规律2：b-构型葡萄糖的端基OH总是处于平伏键。
必须记住的几种常见单糖：
16
三、糖的波谱特征 （一）糖的1H-NMR 1.化学位移： • 糖端基质子： 4.3-6.0 • C6-CH3（鼠李糖）: 1.0(3H,d,J=6Hz), • 其它碳上质子: 3.2-4.2
3) 六碳醛糖或甲基五碳糖构成的呋喃糖：
因C5、C6部分成为环外侧链，由于对于5位羟基的
写法并无约定俗成的规定，因此，无法通过Haworth
式判断它们的绝对构型及相对构型。
14
CHO H R HO H R H R OH
S H
Hale Waihona Puke Baidu
CHO HO H R HO HO
S
H OH
以 DL葡 萄 糖 为 例 总 结：
H OH
C
CHO CH2OH
H OH
CHO
CHO
CH2OH
H
OH
甘油醛
3
CH OH
2. 单糖的Haworth式
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。
CH2OH
•五元氧环称呋喃型糖
OH O OH
OH
OH
OH O OH
•六元氧环称吡喃型糖
OH OH OH
4
Fischer投影式与Haworth 式的转化
C2-H
都约为60o (双面角）
无法通过J值来判定
19
b -D-甘露糖 C1-H
α-D-甘露糖
都约为60o (双面角）
C2-H
所以无法通过J值来判断构型
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
20
•偶合常数1JC1-H1:
•吡喃糖:(优势构象1C 或C1式)
ａ-L-鼠李糖苷
32
D-Glc
24.1
L-Glc
样品
24.1
25.5
33
（三）芹糖构型的确定
由于芹糖是支链碳糖，在形成呋喃环的过程中，3位会 成为不对称的碳原子，因此会形成以下四种形式的异构体：
O OH
CH2OH
CHO H OH OH HOH2C CH2OH
OH
OH
HO
α-D-erythro-
β-D-erythroO OH
CH2OH HO
β -L-threo-
α -L-threo34
日本学者Tadashi等人研究以上四种形式的呋喃糖甲苷的氢 核磁共振性质，其中端基氢化学位移和偶合常数及端基碳化学 位移如下所示：
O OCH3
O
OCH3
CH2OH
OH
OH
HO
CH2OH
HO
α-D-erythro1
β-D-erythro2
以D-葡萄糖（D-glucose)为例:
5
3. 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, 1C式)
4
O
4
1
O
2
O
1
4
C1
O
1,4
B
O
2
CO
5
O
1 4
4
1
1
C4
B1,4
4
5
H4
6
二、单糖的绝对构型和相对构型
1. 绝对构型（D / L 构型法）：
最早是用来标记甘油醛的立体结构
(2) 实验方法 1 mg标准糖与5 mg盐酸羟胺均匀混合，加入0.4 ml的吡啶， 90℃恒温水浴加热1小时，生成糖醇。反应物冷却至室温后，加 入0.6 ml乙酸酐，90℃水浴加热1小时，即生成糖腈乙酸酯衍生
物溶液，所得样品即可用GC分析。
27
2. GC实验条件
进样器温度：270℃
进 样 量：1.0μL
CHO O 4 CH2OH O O R 5 R'
CH2OH CH2OH
12
(2) Haworth式中，构型的判定： 2)五碳呋喃碳、六碳醛糖或甲基五碳醛糖构成的吡喃 糖：C4（C5）上的取代基：向上为D型，向下为L型。
D-
L-
C1-OH与C4（C5）上取代基之间的关系： 同侧为β，异侧为α。
13
(2) Haworth式中，构型的判定：
CHO
CHO
H
OH
HO
H
CH2OH
CH2OH
D-甘油醛
dexter
L- 甘油醛 laevus
7
CHO
Fischer投影式 :最后一个手性中
心上的OH：在右侧为D型糖, 在左
H OH
侧为L型糖。
CHO
CH2OH
D-甘油醛
H HO
OH
CHO
OH
HO H
H
OH CH2OH
CH2OH
L- 甘油醛
D-
L-
8
10
形成氧环的大小： 五元-呋喃，六元吡喃 末端手性碳取代羟基取向： 左-L型，右-D型
端基碳上羟基的相对位置： 与末端手性碳-OH 同侧- 异侧- ßH C HO OH HO OH
六元环
O CH2OH
11 ß L- 吡喃 葡萄糖 -
(2) Haworth式中，构型的判定： 1) 五碳醛糖和六碳酮糖构成的吡喃糖： 在二者吡喃型Haworth式，因原结构中C4 和C5-OH 不参与成环，故可直接根据其位置判断构型。 五碳糖的C4或六碳酮糖的C5-OH处于环上者为L构 型；环下者为D构型。 C1-OH与C4 或C5-OH处于同侧为 α ，异侧为β。
β -L-threo3
α -L-threo4
NO. 1 2 3 4
δH 5.01(4.9Hz) 4.99(3.7Hz) 5.20(4.3Hz) 4.97(1.2Hz)
δC 103.9 当结构式2中所连的苷 元不是甲醇而是空间结 110.2 构比较大时，J 1，2会趋 105.4 近1Hz，甚至二者之间不 发生偶合而表现为单峰。 111.2 35
Fischer投影式
Haworth式
Haworth 简式
优势构 象式
2
1. 单糖的Fischer式
6、排在竖线上的基团，表示其在平面的下方 3、取代基基团排列在左右两侧； 2、氧化度高的基团要排列在上端； 1、糖链碳原子投影在一条上下排列的直线上； 5、排在横线上的基团，表示其在平面的上方 4、横、竖两条直线的交叉点代表手性碳原子；
31
3. GC实验条件
进样器温度：270℃
进 样 量：1.0μL
分 流 比：10：1 载 气：氦气
柱 流 速：1.0ml/min
色 谱 柱：HP-5（30mm），内径0.32mm，膜厚0.25μm 柱 温：160℃(4℃/min) 200℃(keep5min,10℃/min) 240℃(keep10min) 检 测 器：FID 280℃(氮气体积流量： 30 ml/min) 氢气体积流量：40 ml/min 空气体积流量： 3400ml/min）
分 流 比：10：1 载 气：氦气
柱 流 速：1.0ml/min
色 谱 柱：DM-5（30mm），内径0.25mm，膜厚0.25μm 柱 温：160℃(2℃/min) 195℃(10℃/min,6min) 230℃(5min) 检 测 器：FID 280℃(氮气体积流量： 30 ml/min， 氢气体积流量：40 ml/min 空气体积流量： 3400ml/min）
从芹菜中分离的得到含芹糖的化合物A，其端基氢信号位于 5.35(1H,brs)，碳信号位于108.2，可以确定芹糖为β-D-赤式或者 α-L-苏式中的一种，此时通过NOE效应来确定。
5.35 (1H,br s) 108.2
化合物A的部分NMR信号
36
β-D-erythro-
化合物A的NOESY 部分相关
21
(二) 糖的13C-NMR 1. 化学位移及偶合常数 • 端基碳： 95-105; CH-OH (C2、C3、C4) －－ 70~85 CH2-OH (C6) 62 左右 CH3 < 20
22
2.苷化位移(Glycosylation shift, GS) 定义：糖与苷元成苷后, 苷元的-C, b-C和糖的 端基碳的化学位移值发生了变化, 这种变化称 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.
OH OH
S H S H
CH2OH
D-glucose
CH2OH
L-glucose
CH2OH O OH OH OH
OH HO HO O
OH OH
b-D -D
OH
O OH -L CH2OH OH OH b-L OH
OH
OH b-D OH OH -D
-L
HOH2C HO HO
O
OH b-L OH
D型糖
23
苷元为环醇，若β-C无烷基取代，与链状仲醇的苷 化位移规律一致；有烷基取代，苷化位移与苷元α 位及糖的端基碳手性有关。
①苷元α位及糖的端基碳构型相同，-C向低场位移
约6ppm，糖端基碳向低场位移4ppm左右。
②苷元α位及糖的端基碳构型不同， -C向低场位移 约10ppm，糖端基碳向低场位移7ppm左右。
4.02 (o), 3.74 (m) 4.02 (m)
73.8 66.7
39
单糖结构的表示方法
单糖的绝对构型和相对构型
单糖及其构型的鉴定
1
一、单糖结构的表示方法
以D-葡萄糖（D-glucose）为例：
CHO H HO H H OH
HO
H
CH2 OH
H OH H OH O
H OH OH CH2OH
H OH OH H
O OH H H OH
O
O
HO H H
CH2OH
2.偶合常数: J1,2判断苷键构型
• 吡喃型糖C1式(1C式) • 苷键为b-D ( b-L型), 当端基质子和C2-H为竖键, J=6-8Hz; • 苷键为-D(-L)型, 端基质子为横键, J=2-4Hz.
17
D-葡萄糖
可通过J值来判定端基碳构型
18
α-L-鼠李糖
b -L-鼠李糖
C1-H
30
2. 实验方法
1mg 标准单糖加入1 mL 无水吡啶和2 mg L-半胱 氨酸甲酯盐酸盐，混合均匀，60℃加热2 h, 反应
产物吹干，干燥，加入0.2 mL三甲基硅烷咪唑，
60℃加热2 h后，将反应液转移至2 mL 水中，用 等体积环己烷萃取三次，合并萃取液浓缩，制成 单糖的糖噻唑三甲基硅醚衍生物，取0.5mL 环己 烷溶解，即可用于气相分析。
2. 相对构型（，ß 构型）
糖的C1位形成差向异构体 C1-OH与最后一个手性中心上的OH 在同侧为 构型, 在异侧为 ß构型；
+
9
3. 绝对构型与相对构型的关系
两种方法：
D/L
/ ß
末端手性碳上 羟基与端基碳 上羟基的相对 关系
描述的位置： 末端手性碳上羟基 描述的方式：
绝对构型
相对构型
β-D-甘露糖苷
端基氢处于平伏键， 160-170Hz，多为-型苷键; 端基氢处于直立键， 150-160Hz，多为b-型苷键。 上述规律可用于优势构象为C1或1C式糖苷键构型的判定。 鼠李糖优势构象1C式, -L型, 160-170Hz, b-L型150-160Hz；甘 露糖优势构象C1式, -D型, 160-170Hz, b-D型, 150-160Hz。
24
四、糖的鉴定方法
单糖的鉴定方法
TLC
HPLC
GC
25
（用于确定糖的种类） (一)糖腈乙酸酯衍生化及GC分析
1. 标准糖糖腈乙酸酯衍生物的制备 (1) 反应原理 单糖和盐酸羟胺在吡啶中经加热后，反应生成糖肟，糖 肟与乙酸酐在加热条件下，继续反应生成具有挥发性的糖腈乙 酸酯衍生物。反应式如下：
26
H-2
H-4 b
α -L-threo-
×
H-5
37
化合物结构：
Zhou and Qiu* et al. J. Nat. Prod. 2009, 72, 1563–1567
38
芹糖部分碳氢数据归属:
No.
1
1H-NMR 13C-NMR
5.35 (br.s)
108.2
2 3
4 5
3.49 (m)
76.8 77.5
28
3. 实验结果
对标准糖D-半乳糖进行了检测，得到结果如下：
D-半乳糖标准品
测试化合物
29
（二）糖噻唑三甲基硅醚衍生化及GC分析
（确定糖的种类及绝对构型）
1. 反应原理
Duan and Qiu* et al. J. Nat. Prod. 2009, 72, 1579–1584
单糖和L-半胱氨酸甲酯盐酸盐在吡啶中加热反应生成2（多羟基烃)-噻唑-4-羧酸甲酯，与三甲基硅烷咪唑在加热 的条件下，继续反应生成相应的具有挥发性的三甲基硅醚 化衍生物。
L型糖
15
规律1：D型葡萄糖采取C1式更稳定，L型葡萄糖采取1C式。 规律2：b-构型葡萄糖的端基OH总是处于平伏键。
必须记住的几种常见单糖：
16
三、糖的波谱特征 （一）糖的1H-NMR 1.化学位移： • 糖端基质子： 4.3-6.0 • C6-CH3（鼠李糖）: 1.0(3H,d,J=6Hz), • 其它碳上质子: 3.2-4.2
3) 六碳醛糖或甲基五碳糖构成的呋喃糖：
因C5、C6部分成为环外侧链，由于对于5位羟基的
写法并无约定俗成的规定，因此，无法通过Haworth
式判断它们的绝对构型及相对构型。
14
CHO H R HO H R H R OH
S H
Hale Waihona Puke Baidu
CHO HO H R HO HO
S
H OH
以 DL葡 萄 糖 为 例 总 结：
H OH
C
CHO CH2OH
H OH
CHO
CHO
CH2OH
H
OH
甘油醛
3
CH OH
2. 单糖的Haworth式
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。
CH2OH
•五元氧环称呋喃型糖
OH O OH
OH
OH
OH O OH
•六元氧环称吡喃型糖
OH OH OH
4
Fischer投影式与Haworth 式的转化
C2-H
都约为60o (双面角）
无法通过J值来判定
19
b -D-甘露糖 C1-H
α-D-甘露糖
都约为60o (双面角）
C2-H
所以无法通过J值来判断构型
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
20
•偶合常数1JC1-H1:
•吡喃糖:(优势构象1C 或C1式)
ａ-L-鼠李糖苷
32
D-Glc
24.1
L-Glc
样品
24.1
25.5
33
（三）芹糖构型的确定
由于芹糖是支链碳糖，在形成呋喃环的过程中，3位会 成为不对称的碳原子，因此会形成以下四种形式的异构体：
O OH
CH2OH
CHO H OH OH HOH2C CH2OH
OH
OH
HO
α-D-erythro-
β-D-erythroO OH
CH2OH HO
β -L-threo-
α -L-threo34
日本学者Tadashi等人研究以上四种形式的呋喃糖甲苷的氢 核磁共振性质，其中端基氢化学位移和偶合常数及端基碳化学 位移如下所示：
O OCH3
O
OCH3
CH2OH
OH
OH
HO
CH2OH
HO
α-D-erythro1
β-D-erythro2
以D-葡萄糖（D-glucose)为例:
5
3. 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, 1C式)
4
O
4
1
O
2
O
1
4
C1
O
1,4
B
O
2
CO
5
O
1 4
4
1
1
C4
B1,4
4
5
H4
6
二、单糖的绝对构型和相对构型
1. 绝对构型（D / L 构型法）：
最早是用来标记甘油醛的立体结构
(2) 实验方法 1 mg标准糖与5 mg盐酸羟胺均匀混合，加入0.4 ml的吡啶， 90℃恒温水浴加热1小时，生成糖醇。反应物冷却至室温后，加 入0.6 ml乙酸酐，90℃水浴加热1小时，即生成糖腈乙酸酯衍生
物溶液，所得样品即可用GC分析。
27
2. GC实验条件
进样器温度：270℃
进 样 量：1.0μL
CHO O 4 CH2OH O O R 5 R'
CH2OH CH2OH
12
(2) Haworth式中，构型的判定： 2)五碳呋喃碳、六碳醛糖或甲基五碳醛糖构成的吡喃 糖：C4（C5）上的取代基：向上为D型，向下为L型。
D-
L-
C1-OH与C4（C5）上取代基之间的关系： 同侧为β，异侧为α。
13
(2) Haworth式中，构型的判定：
CHO
CHO
H
OH
HO
H
CH2OH
CH2OH
D-甘油醛
dexter
L- 甘油醛 laevus
7
CHO
Fischer投影式 :最后一个手性中
心上的OH：在右侧为D型糖, 在左
H OH
侧为L型糖。
CHO
CH2OH
D-甘油醛
H HO
OH
CHO
OH
HO H
H
OH CH2OH
CH2OH
L- 甘油醛
D-
L-
8
10
形成氧环的大小： 五元-呋喃，六元吡喃 末端手性碳取代羟基取向： 左-L型，右-D型
端基碳上羟基的相对位置： 与末端手性碳-OH 同侧- 异侧- ßH C HO OH HO OH
六元环
O CH2OH
11 ß L- 吡喃 葡萄糖 -
(2) Haworth式中，构型的判定： 1) 五碳醛糖和六碳酮糖构成的吡喃糖： 在二者吡喃型Haworth式，因原结构中C4 和C5-OH 不参与成环，故可直接根据其位置判断构型。 五碳糖的C4或六碳酮糖的C5-OH处于环上者为L构 型；环下者为D构型。 C1-OH与C4 或C5-OH处于同侧为 α ，异侧为β。
β -L-threo3
α -L-threo4
NO. 1 2 3 4
δH 5.01(4.9Hz) 4.99(3.7Hz) 5.20(4.3Hz) 4.97(1.2Hz)
δC 103.9 当结构式2中所连的苷 元不是甲醇而是空间结 110.2 构比较大时，J 1，2会趋 105.4 近1Hz，甚至二者之间不 发生偶合而表现为单峰。 111.2 35
Fischer投影式
Haworth式
Haworth 简式
优势构 象式
2
1. 单糖的Fischer式
6、排在竖线上的基团，表示其在平面的下方 3、取代基基团排列在左右两侧； 2、氧化度高的基团要排列在上端； 1、糖链碳原子投影在一条上下排列的直线上； 5、排在横线上的基团，表示其在平面的上方 4、横、竖两条直线的交叉点代表手性碳原子；
31
3. GC实验条件
进样器温度：270℃
进 样 量：1.0μL
分 流 比：10：1 载 气：氦气
柱 流 速：1.0ml/min
色 谱 柱：HP-5（30mm），内径0.32mm，膜厚0.25μm 柱 温：160℃(4℃/min) 200℃(keep5min,10℃/min) 240℃(keep10min) 检 测 器：FID 280℃(氮气体积流量： 30 ml/min) 氢气体积流量：40 ml/min 空气体积流量： 3400ml/min）
分 流 比：10：1 载 气：氦气
柱 流 速：1.0ml/min
色 谱 柱：DM-5（30mm），内径0.25mm，膜厚0.25μm 柱 温：160℃(2℃/min) 195℃(10℃/min,6min) 230℃(5min) 检 测 器：FID 280℃(氮气体积流量： 30 ml/min， 氢气体积流量：40 ml/min 空气体积流量： 3400ml/min）
从芹菜中分离的得到含芹糖的化合物A，其端基氢信号位于 5.35(1H,brs)，碳信号位于108.2，可以确定芹糖为β-D-赤式或者 α-L-苏式中的一种，此时通过NOE效应来确定。
5.35 (1H,br s) 108.2
化合物A的部分NMR信号
36
β-D-erythro-
化合物A的NOESY 部分相关
21
(二) 糖的13C-NMR 1. 化学位移及偶合常数 • 端基碳： 95-105; CH-OH (C2、C3、C4) －－ 70~85 CH2-OH (C6) 62 左右 CH3 < 20
22
2.苷化位移(Glycosylation shift, GS) 定义：糖与苷元成苷后, 苷元的-C, b-C和糖的 端基碳的化学位移值发生了变化, 这种变化称 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.
OH OH
S H S H
CH2OH
D-glucose
CH2OH
L-glucose
CH2OH O OH OH OH
OH HO HO O
OH OH
b-D -D
OH
O OH -L CH2OH OH OH b-L OH
OH
OH b-D OH OH -D
-L
HOH2C HO HO
O
OH b-L OH
D型糖
23
苷元为环醇，若β-C无烷基取代，与链状仲醇的苷 化位移规律一致；有烷基取代，苷化位移与苷元α 位及糖的端基碳手性有关。
①苷元α位及糖的端基碳构型相同，-C向低场位移
约6ppm，糖端基碳向低场位移4ppm左右。
②苷元α位及糖的端基碳构型不同， -C向低场位移 约10ppm，糖端基碳向低场位移7ppm左右。
4.02 (o), 3.74 (m) 4.02 (m)
73.8 66.7
39