碳水化合物制药工程

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1、 第十三章第十三章 碳水化合物碳水化合物( (糖类糖类) ) 结构上为多羟基醛、多羟基酮及其聚合物和衍生物。结构上为多羟基醛、多羟基酮及其聚合物和衍生物。分类分类: 糖糖单糖单糖 寡糖寡糖多糖多糖（葡糖糖、果糖）（葡糖糖、果糖）（麦芽糖、蔗糖）（麦芽糖、蔗糖）（淀粉、纤维素）（淀粉、纤维素）HOCH2(CHOH)4CHOHOCH2(CHOH)3CCH2OHO葡糖糖葡糖糖果糖果糖 第一节第一节 单糖单糖( (monosaccharides) )一一. 单糖的结构表示及命名单糖的结构表示及命名1 开链结构表示开链结构表示(Fischer投影式投影式)竖线表示碳链；羰基具有最小编号竖线表示碳链；羰基

2、具有最小编号, 并写在投并写在投影式上端；一短横线代表手性碳上的羟基。影式上端；一短横线代表手性碳上的羟基。HOHOHHHOHHOHCH2OHCHOOHOHOHOHCH2OHCHOCH2OHCHO123456【例】【例】 葡萄糖葡萄糖(1) 以糖中所含羰基的类型和总的碳原子数命名以糖中所含羰基的类型和总的碳原子数命名2 命名命名己醛糖己醛糖己酮糖己酮糖OHHHOHHOHCH2OHCHO12345HOHOHHHOHHOHCH2OHCHO123456OOHHHOHHOHCH2OHCH2OH123456戊醛糖戊醛糖(2) 最常见的是根据糖的来源命名最常见的是根据糖的来源命名D-(-)-核醣核醣D-(

3、+)-葡萄糖葡萄糖D-(-)-果醣果醣HOHHOHHOHCH2OHCHO12345HOHOHHHOHHOHCH2OHCHO123456OOHHHOHHOHCH2OHCH2OH123456D、L构型表示法构型表示法:离羰基最远的手性碳与甘油醛构型比较离羰基最远的手性碳与甘油醛构型比较(3) 糖的命名一般都常用糖的命名一般都常用D,L来标记来标记L-(-)甘油醛甘油醛D-(+)-甘油醛甘油醛D-某醛糖某醛糖L-某酮糖某酮糖() 糖的命名有时也用绝对构型糖的命名有时也用绝对构型R,S表示表示,以区分异构体以区分异构体(2R,3S,4R,5R)-五羟基己醛五羟基己醛(2S,3S,4R,5R)-五羟基己

4、醛五羟基己醛(2R,3S,4S,5R)-五羟基己醛五羟基己醛（D-葡萄糖）葡萄糖）（D-甘露糖）甘露糖）（D-半乳糖）半乳糖）CH2OHCHOCH2OHCHORSRRSSRRCH2OHCHORSSR单糖的差向异构体单糖的差向异构体C-2差向差向 异构体异构体C-4差向差向 异构体异构体CHOCH2OHCHOCH2OH D-葡萄糖 CHOCH2OH D-半乳糖 D-甘露糖3 糖的环状结构糖的环状结构1)1)变旋现象变旋现象时间D52.5o两种晶体红外光谱中找不到羰基的特征吸收峰两种晶体红外光谱中找不到羰基的特征吸收峰变旋现象变旋现象随时间的变化，物随时间的变化，物质的比旋光度逐渐地质的比旋光度逐

5、渐地 增大或减小，增大或减小，最后达到恒定值的现象。最后达到恒定值的现象。葡萄糖有两种晶体：一种晶体比旋光度葡萄糖有两种晶体：一种晶体比旋光度+112o,另一种另一种+18.7oCH3CH CH2CH2CHOOHOOHH3Cr-羟基醛羟基醛环状半缩醛环状半缩醛CH2CH2CH2CH2OHCHO -羟基醛OOH环状半缩醛 -异构体：异构体： 半缩醛羟基与半缩醛羟基与C5上的羟基在链同侧。上的羟基在链同侧。 -异构体：异构体： 半缩醛羟基与半缩醛羟基与C5上的羟基在链异侧。上的羟基在链异侧。CH2OHHHOR120oHOHHHOOHHOHHCH2OH123456C=OH123456OOHOHOHO

6、HCH2OHC=OHOHOHOHOHHOH2C6 5 4 3 2 1D-葡萄糖葡萄糖6OOHOHOHOHCH2OH12345C=OHOHOHCH2OH123456OHOHC=OHOHOHOHOHCH2OH123456 -D-吡喃葡萄糖吡喃葡萄糖 -D-吡喃葡萄糖吡喃葡萄糖 2) 糖的糖的Haworth式式 书写书写Haworth(哈沃斯哈沃斯) 注意：注意：通常吡喃环中的氧原子写在环的右上角通常吡喃环中的氧原子写在环的右上角通常顺时针编号通常顺时针编号,根据左上右下原则根据左上右下原则, D型型CH2OH放上放上, L型放下型放下. -D-吡喃葡萄糖吡喃葡萄糖 型型: 半缩醛羟基与半缩醛羟基与

7、C6-OH异侧异侧 型型:半缩醛羟基与半缩醛羟基与C6-OH同侧同侧HOHHOHHOHH OHCH2OHOHOHHOHHOHHOHCH2OHH123456HOHCHO 半缩醛羟基构型未定时的表示：半缩醛羟基构型未定时的表示：H,OH OHOOHH,OHOHOHCH2OHOOHOHOHCH2OHOHOHOHCH2OHHOHHHOHHOHOHOHHOHHOHHOHCH2OHHOOHHOHHCH2OHHOHHOHH旋转120o翻 转180oHaworth可以旋转和离开平面翻转可以旋转和离开平面翻转【例】书写出【例】书写出D-果糖的果糖的Haworth式式CH2OHC OHHOOHHOHHCH2OH=

8、OHHOHOHHCH2OHHOOHHOHHOHOHHHCH2OHHOOHHOHHHHOOHOHCH2OHHOH2COHHHHOOHOHCH2OHHOH2C D( )呋喃果糖 D( )呋喃果糖 D( )吡喃果糖 D( )吡喃果糖H【练习】【练习】试试写出写出-D-（+）-甘露糖的甘露糖的 Haworth式式CHOCH2OH(1) 异构化反应异构化反应三三 单糖的化学反应单糖的化学反应CRHOHCH OHC OHRCH2OHC ORCHORHOHCHOROHHOHCCOHCCOH烯醇式 酮式CH2OHOHHOOHOHCH2OHCCHOHOHHOOHOHCOHCH2OHCHOHOOHOHCH2OHC

9、OCH2OHHOOHOHHaabbccHOD-葡萄糖 烯醇中间体D-甘露糖D-果糖 差向异构化：差向异构化：在一个含多个手性中心的分子中在一个含多个手性中心的分子中, 只有一个手性中心构型只有一个手性中心构型 发生转化的现象。发生转化的现象。CHOD-葡萄糖CH2OHCHOD-甘露糖CH2OHCH2OHC OD-果糖CH2OHOH -+结论：结论：碱性碱性条件下条件下,葡萄糖葡萄糖C2可以差向异构化可以差向异构化, 转化转化D-甘露糖甘露糖; 通过互变异构通过互变异构, 转化为转化为D-果糖果糖.C2-差向异构体差向异构体222A 与与Tollens、Fehling、Benedict试剂反应试

10、剂反应CHOAg(NH3)+2OH-COONH4 + NH3 +H2O + AgCHOCu2+COOHBenedict试剂试剂:硫酸铜硫酸铜, 柠檬酸柠檬酸,碳酸钠碳酸钠Fehling试剂试剂: 硫酸铜硫酸铜, 酒石酸钾钠酒石酸钾钠, 氢氧化钠氢氧化钠凡能被上述弱氧化剂氧化的糖称为凡能被上述弱氧化剂氧化的糖称为还原糖还原糖,否则称为否则称为非还原糖非还原糖(2) 氧化氧化问题问题:果糖能否被果糖能否被Tollens、Fehling、Benedict还原呢还原呢?CH2OHC ORCHCOHROHCHOOHHRCHOHHOR酮糖酮糖烯二醇中间体烯二醇中间体醛糖醛糖B 高碘酸氧化高碘酸氧化HOHH

11、OHHOHHOHCHOCH2OH+ 5HIO45HCOOH + HCHOCH2OHHOHOHOCH3OHHH2HIO4CH2OHOCH3OHCOHCOH+ HCOOHOH 高碘酸氧化法测定糖苷中环的大小高碘酸氧化法测定糖苷中环的大小C 溴水氧化反应溴水氧化反应HOHHOHHOHHOHCHOCH2OHHOHHOHHOHHOHCOOHCH2OHBr2-H2OpH=5Br2-H2OpH=5HOHHOHHOHCH2OHCH2OHC O鉴别鉴别葡萄糖和果糖葡萄糖和果糖D 与与HNO3氧化反应氧化反应(3) 还原反应还原反应CH2OHCHOH2, pdor NaBH4CH2OHCH2OHCH2OHCHOH

12、2, pdor NaBH4CH2OHCH2OHD-核糖 D-核糖醇 D-葡萄糖 D-葡萄糖醇（山梨醇）HOHHOHCHOCH2OH稀HNO3HOHHOHCOOHCOOHD-赤藓糖赤藓糖内消旋酒石酸内消旋酒石酸(4) 成脎反应成脎反应C O + H2N NHCN NHCHOCHOHRH2N NHN NH+CHCHOHRH2N NHN NHCHCROH2N NHN NHCHCRN NHHOHHOHHOHHOHCOHCH2OHH2N-NH-C6H5HOHHOHHOHHOHCCH2OHN NHC6H5H2H2N-NH-C6H5HOHHOHHOHCCH2OHN NHC6H5HC N NHC6H5D-葡萄

13、糖葡萄糖D-葡萄糖苯腙葡萄糖苯腙D-葡萄糖脎葡萄糖脎苯肼只与糖的苯肼只与糖的C-1和和C-2反应成脎反应成脎D-甘露糖甘露糖D-果糖果糖D-葡萄糖葡萄糖D-葡萄糖、葡萄糖、 D-果糖、果糖、D-甘露糖中甘露糖中C-3,C-4,C-5构型相同，成相同脎构型相同，成相同脎(5) 成苷反应成苷反应OHHOOHHOOCH2OH+ CH3OH干HCl+HOOHHOOOCH3CH2OHHOOHHOOOCH3CH2OH 甲基甲基- -D-葡萄糖苷葡萄糖苷 甲基甲基- -D-葡萄糖苷葡萄糖苷成苷反应成苷反应: 糖中半缩醛羟基与另一分子的羟基、氨基或巯基发生糖中半缩醛羟基与另一分子的羟基、氨基或巯基发生失水反应

14、。失水反应。糖苷糖苷基（糖的残基） 配基苷键苷键: 糖苷基与配基之间连接的键称为糖苷基与配基之间连接的键称为苷键。苷键。OOOHHOOHOHOOOHOHOHCH2-OOOHOHOHCH3芦丁，又名云香甙，有调节毛细管壁渗透性的作用，临床上用芦丁，又名云香甙，有调节毛细管壁渗透性的作用，临床上用作毛细管止血药，作为高血压症的辅助治疗药物。作毛细管止血药，作为高血压症的辅助治疗药物。 没有变旋现象；没有变旋现象； 不能成脎；不能成脎； 不能被不能被Tollens、Fehling试剂氧化。试剂氧化。成苷结果成苷结果:. 苷键对碱稳定苷键对碱稳定,在酸性条件或酶作用下水解。在酸性条件或酶作用下水解。(

15、6) 成醚反应成醚反应OOHOHOCH3CH2OHOH(CH3)2SO4NaOHOOCH3OCH3 CH2OCH3 CH3OOCH3（稀）HClOOCH3 CH2OCH3 CH3OOCH3OH 稀酸水解，稀酸水解，C-1上苷键被水解上苷键被水解OHOHOCH3HHOHHOHCH2OHHH+OHOHOHHHOHHOHCH2OHH+ CH3OH第二节寡糖第二节寡糖(oligosaccharide)双糖可看成是两分子单糖的半缩醛羟基彼此间失水或一分子单糖糖可看成是两分子单糖的半缩醛羟基彼此间失水或一分子单糖的半缩醛羟基与另一分子单糖的醇羟基之间失水而形成的。的半缩醛羟基与另一分子单糖的醇羟基之间失水

16、而形成的。一一. 双糖双糖1. 还原性双糖还原性双糖一分子单糖的半缩醛羟基与另一分子单糖的醇羟基之间失水而形一分子单糖的半缩醛羟基与另一分子单糖的醇羟基之间失水而形成的。成的。因具有半缩醛羟基，可以开环形成开链式因具有半缩醛羟基，可以开环形成开链式,具有下列性质具有下列性质:A 具有变旋现象具有变旋现象B 具有还原性具有还原性C 可以成脎可以成脎（1）麦芽糖）麦芽糖4-O-( -D-吡喃葡萄糖苷基吡喃葡萄糖苷基)-D-吡喃葡萄糖吡喃葡萄糖 -D-葡萄糖的半缩醛羟基与葡萄糖的半缩醛羟基与D-葡萄糖的葡萄糖的4位碳上羟基缩水而成位碳上羟基缩水而成（2） 纤维二糖纤维二糖 4-O-( -D-吡喃葡萄

17、糖苷基吡喃葡萄糖苷基)-D-吡喃葡萄糖吡喃葡萄糖 -D-葡萄糖的半缩醛羟基与葡萄糖的半缩醛羟基与D-葡萄糖的葡萄糖的4位碳上羟基缩水而成位碳上羟基缩水而成（3） 乳糖乳糖 4-O-( -D-吡喃半乳糖苷基吡喃半乳糖苷基)-D-吡喃葡萄糖吡喃葡萄糖 -D-半乳糖的半缩醛羟基与半乳糖的半缩醛羟基与D-葡萄糖的葡萄糖的4位碳上羟基缩水而成位碳上羟基缩水而成2. 非还原性双糖非还原性双糖一分子单糖的半缩醛羟基与另一分子单糖的半缩醛羟基之间失水一分子单糖的半缩醛羟基与另一分子单糖的半缩醛羟基之间失水 而形成的。而形成的。因不含有半缩醛羟基，不可以开环形成开链式因不含有半缩醛羟基，不可以开环形成开链式,因

18、而不具有下列因而不具有下列性质性质:A 不具有变旋现象不具有变旋现象B 不具有还原性不具有还原性C 不可以成脎不可以成脎(1) 蔗糖（蔗糖（Sucrose）蔗糖是由蔗糖是由 -D-葡萄糖半缩醛羟基与葡萄糖半缩醛羟基与 -D-呋喃果糖的半缩酮羟基缩呋喃果糖的半缩酮羟基缩水而成水而成 -D-吡喃葡萄糖苷基吡喃葡萄糖苷基- -D-呋喃果糖呋喃果糖OOOHOHCH2OHHHOH2C123456OOOHOCH2OHHHOH2C123456H180o1, 2 -糖苷键OOHOHOHCH2OHOOHOH123456543261CH2OHCH2OHO二环糊精二环糊精 (Cyclodextrins) -CD结构

19、示意图结构示意图 6、7、8 个个D-(+)-吡喃葡萄糖吡喃葡萄糖 ； -1,4-苷键；苷键； 、环糊精环糊精(-CD (-CD 、-CD -CD 、-CD )-CD )环糊精的结构特点、性能与应用环糊精的结构特点、性能与应用 圆筒状；外缘亲水、内腔蔬水，即具有极性的外侧和非极圆筒状；外缘亲水、内腔蔬水，即具有极性的外侧和非极 性的内侧；有手性。性的内侧；有手性。 形成主客体包合物，使环糊精具有一定的选择识别能力；形成主客体包合物，使环糊精具有一定的选择识别能力； 用作色谱用作色谱 固定相固定相, 分离旋光异构体；分离旋光异构体；用作反应催化剂；用于增加反应的立体选择性与区域选择性；用作反应催

20、化剂；用于增加反应的立体选择性与区域选择性； 可作为稳定剂、乳化剂、促溶剂，可用于食品、医药、农业可作为稳定剂、乳化剂、促溶剂，可用于食品、医药、农业 化工等方面。化工等方面。第三节第三节 多糖多糖 (polysaccharide)1. 纤维素（纤维素（cellulose） 由由n个个 -D-葡萄糖的半缩醛羟基与另一葡萄糖的半缩醛羟基与另一 -D-葡萄糖分子位葡萄糖分子位碳羟基缩水而成的重复单元组成碳羟基缩水而成的重复单元组成直链淀粉的结构HOHHOHHOHCH2OHHHOHOHHOHCH2OHHO1414-1,4-苷键 （葡萄糖单体）（葡萄糖单体）HOn 2. 淀粉淀粉(1) 直链淀粉直链淀

21、粉直链淀粉因分子内的非共价作用，使其具有螺旋状结构。直链淀粉因分子内的非共价作用，使其具有螺旋状结构。每一个螺旋含每一个螺旋含6个个D-葡萄糖。与碘形成兰色络合物。葡萄糖。与碘形成兰色络合物。支链淀粉遇碘则呈红色支链淀粉遇碘则呈红色支链淀粉的结构HO HHOHHOHCH2OHHHOHOHHOHCH2OHHHOHO HHOHHOHCH2HHOHOHHOHCH2OHHHOHO HHOHHOHCH2OHHHOHOHHOHCH2OHHHOO14141,4-苷键O1414O14146-1,6-苷键-1,4-苷键-1,4-苷键-1,4-苷键-() 支链淀粉支链淀粉1. 某某D型单糖型单糖A(C7H14O6),能还原能还原Fehling试剂试剂,能生成糖脎能生成糖脎,能发生变能发生变旋现象旋现象;能用高碘酸氧化能用高碘酸氧化A得到三分子甲酸、一分子甲醛和一分子得到三分子甲酸、一分子甲醛和一分子丙二醛；用溴水氧化丙二醛；用溴水氧化A得到一元酸得到一元酸B，B有光学活性；如用稀硝酸有光学活性；如用稀硝酸氧化氧化A，则得到二元酸，则得到二元酸C，C无光学活性。试写出无光学活性。试写出A可能的两种费可能的两种费歇尔开链式歇尔开链式。