《苷化位移.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《苷化位移.ppt（63页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、1,13碳核磁共振谱中苷化位移在糖苷化学结构中的应用,天然药物化学研究室 吴立军教授2005年8月15日,2,定义：糖与醇（苷元）结合形成糖苷时，苷元的醇碳（以下称为“a碳”），它的邻位碳（b碳）的化学位移值发生变化，与糖苷键距离远的碳的化学位移值原则上不发生变化。糖的端基碳的化学位移也发生改变，这样的化学位移值的改变被称为苷化位移（glycosylation shift，简称GS）,图1 苷化位移示意图,3,图1 苷化位移示意图,GS的变化趋势与醇类物质被醚化时碳谱的变化趋势相同（如图1所示），但是变化的幅度与苷的本身特征有关（即GS的大小反映了苷部分的化学结构）。这是因为糖的端基碳是手性碳
2、，并且糖环的C-O键被强烈的极化，呈现强烈偶极（dipole）。,4,一、苷键无立体障碍情况下的基本苷化位移,表糖端基碳的苷化位移,5,小结1、成苷后，糖端基碳的化学位移向低场移动幅度与糖的种类、糖的端基a/b构型无关，但与苷元有关。苷元为甲醇时，GS最大，随着苷元为伯醇、仲醇，GS依次减小；即苷元为MeOH时，GS=+7ppm；伯OH时，GS=+6ppm；仲OH时，GS=+4ppm；叔OH是，GS=0ppm，与游离糖的化学位移值基本一致。,一、苷键无立体障碍情况下的基本苷化位移,6,表2苷元a-碳的苷化位移,7,小结2、成苷后，苷元的a碳向低场移动，其移动幅度受糖端基碳的构型及糖2-位碳的构
3、型的影响。总的趋势是：a碳向低场位移57ppm，其中碳端基OH为平伏键时，7；碳端基OH为直立键时，6；糖的2位OH也为直立键时，5（酚OH成苷不在上述范围内变化）。,一、苷键无立体障碍情况下的基本苷化位移,8,表3苷元b-碳的苷化位移,9,小结3、成苷后，苷元的b碳向高场移动，其移动幅度受糖端基碳构型与苷元a碳构型的影响，不同种类糖的影响可忽略不计。糖的构型与b碳原手性碳的构型相反时，高场位移的幅度是一致时位移幅度的两倍。,过去，对于该类化合物3-OH的邻位碳（即b-碳）的化学位移没有区别的手性醇，通过其他方法很难确定手性醇的绝对构型。我们可利用以上结论来帮助决定手性醇（苷元）的绝对结构。,
4、记住：手性碳只能够影响到隔3根键碳的化学位移！,一、苷键无立体障碍情况下的基本苷化位移,10,11,二、苷键有立体障碍情况下的基本苷化位移（来自苷元）,当糖苷键的自由旋转由于受到来自苷元的立体障碍时，其苷化位移（GS）将不符合上述GS规律。苷元的b碳上存在烷基取代，我们以l-menthol（3）合成了多种糖苷，来探讨13C-NMR变化规律。,12,a)Chirality of C-1 as a free form,d-menthol(S)(3),l-menthol(R)(2),t-BCH,Table 4 Glycosylation Shifts of menthol(in Pyridine-d
5、5),13,小结4、由表4我们可以总结出，这种情况下的GS值的大小受到苷元a碳与糖的端基碳（游离糖）的相对绝对构型的决定。即如果两者的手性碳绝对构型不一致，例如33(S)的b-D-glucoside（游离糖端基碳为R构型）的端基碳（7ppm）及苷元a碳（10ppm）向低场位移的幅度，较立体障碍小的环己醇b-D-葡萄糖苷的GS，明显变大。5、相反，当苷元a碳与糖的端基碳（游离糖）的R/S绝对构型一致时，与环己醇苷（没有立体障碍）相比，其端基碳（35ppm）、a碳（5ppm）向低场位移幅度要小一些。,二、苷键有立体障碍情况下的基本苷化位移（来自苷元）,14,小结6、2位存在CH2的GS变化，符合上
6、述b-C、b-C的GS变化规律，即化合物2形成b-D-葡糖糖苷时，属于b-C（2位）的CH2向高场位移4.9ppm（-4.9ppm）。化合物3形成b-D-葡糖糖苷时，属于b-C（2位）的CH2仅向高场位移1.8ppm（-1.8ppm）。另外，连有异丙基的4位的CH的GS值变化较小。,d-menthol(S)(3),l-menthol(R)(2),-4.9ppm,-1.8ppm,二、苷键有立体障碍情况下的基本苷化位移（来自苷元）,15,二、苷键有立体障碍情况下的基本苷化位移（来自苷元）,上述GS与立体结构的变化规律，在鼠李糖苷、甘露糖苷、阿拉伯糖苷是同样适用。另外，化合物2、3不仅仅限于三萜，二
7、萜醇苷同样也适用上述规律。,d-menthol(S)(3),l-menthol(R)(2),16,b-D-glucosylation shiftsa)in pyridine-d5,darutoside(6),();anomeric carbon signal,Glc=b-D-glucopyranosyl,a)d(glycoside)-d(b-D-glucose or aglycone),再介绍一下从菊科分离得到的darutoside（化合物6）。Diara等人认为糖连接在苷元的15位OH上，人们在研究此类苷元的基础上，首先对其碳信号进行了准确指认。研究发现：化合物6与其苷元的碳谱，GS在15位
8、碳周围的碳信号不存在，而3位碳周围存在GS，故将结构修正为3-b-D-葡萄糖苷，并且其GS值仍适用上述规律。即与b-D-葡萄糖相连的3-equatorial OH为R构型，即苷元的绝对构型为ent-型。,17,2-4-2 trans-1,2-diol的GS在自然界中常见的1,2-二醇系列的糖苷类化合物的GS，即在糖苷键的邻位存在OH时的苷化位移规律。由于氢键的作用，苷键的自由旋转受到影响，以trans-环己烷-1，2-醇（化合物4）为例来说明GS。,18,我们利用酶的糖转移反应选择性的合成了在有机化学中很难合成的光学活性的化合物4的单-a-及单-b-葡萄糖苷。购买化合物4的外消旋体（dl-4）
9、与麦芽糖反应，利用高峰复合酶（Takadiastase）进行糖转移反应，只有底物1(R)、2(R)体成功合成了（RR-4），选择性的得到了RR-4的单-a-葡萄糖苷。另一方面，利用同样的酶，用纤维二糖作为供体，选择性的得到了RR-4的单-b-葡萄糖苷。利用多糖水解酶高峰复合酶，在由二糖发生糖转移时，观察到高度的立体选择性，分析是因为作为底物的RR-4的手性碳与麦芽糖、纤维二糖的糖键有关，D-glucose的3,4-diol系列具有同样的结果。,19,maltose:glc=a-D-glc,cellobiose:glc=b-D-glc,RR-4,20,化合物4的1(S)、2(S)体（SS-4）的
10、单葡萄糖苷利用底物选择性的寡糖水解酶合成。外消旋化合物4（dl-4）利用粗橙皮苷酶（hesperidinase）与maltose（供体）进行糖转移反应，得到了RR-4、SS-4两者mono-a-D-glucoside。在这种情况下，向RR-4的反应速度也明显大于SS-4。另一方面，dl-4与水杨苷（salicin）反应，用苦杏仁酶（emulsin）催化，得到了RR-4、SS-4两者反应速度一样的mono-b-D-glucoside。,21,+,+,22,小结6、将上述合成得到的单葡萄糖苷的GS与化合物2、3各自的葡萄糖苷进行比较。RR-4的mono-a-D-glucoside、SS-4的mon
11、o-b-D-glucoside，即苷元醇的手性碳绝对构型与糖端基碳的绝对构型不一致的时候，其GS与对应的薄荷醇的GS几乎没有差别（见小结4）端基碳：+8ppm；a碳：+10.5ppm。7、当上述两者绝对构型一致时，如RR-4的mono-b-D-glucoside，SS-4的mono-a-D-glucoside，与薄荷醇苷相比，更接近环己醇苷的GS（将小结5）端基碳：+4ppm；a碳：+8ppm。,二、苷键有立体障碍情况下的基本苷化位移（来自苷元）苷元b位有羟基取代时,23,RR-4b),2b),RR-4-aGlc,2-aGlc,SS-4-aGlc,RR-4-bGlc,SS-4-bGlc,3-b
12、Glc,3-aGlc,2-bGlc,Table 5.Glucosylation Shift Values(Dd)in Pyridine-d5a),a)Dd=d(glucoside)-d(aglycone),for a and b carbons,Dd=d(glucoside)-d(glucose),for anomeric carbons,b)d values of aglycone are shown in italic.aG or bG=a-or b-D-glucopyranosyl,24,据报道，其他天然异戊间二烯化合物（isoprenoid）苷类化合物中除上述情况以外，如果在苷元邻位存
13、在其他取代基影响糖苷键自由旋转的因素，其GS变化规律也将变得异常（见下一页图6）。小结8、苷元b位向高场位移的幅度与无立体障碍时GS规律相同。,苷元b位有羟基取代时,25,*,*,*,*,*,*,*:anomeric carbon chemical shift();,d(glycoside)-d(free sugar),图6,26,2-4-3 其他苷元的GS变化规律烯丙基（allyl）醇的糖苷具有特殊的GS，如图所示。,glycosylation shiftsa)in pyridine-d5 goshonoside-F3,a)d(glucoside)-d(aglycone),();anomer
14、ic carbon signal,27,苷元为酚羟基时，GS变化规律：酚类的GS也受到苷元芳环上取代基的影响，一般而言，成苷后在邻-、对位上存在OH取代，特别是对位存在OH取代时，成苷OH相连的碳（即a-碳）的化学位移向低场移动。,12连接糖的GS异常性2-4项中叙述了当苷元b位存在取代基使糖苷键不能自由旋转时的GS规律。糖与苷元成苷后，该糖的2位再与其它糖结合，形成双糖，它也会对糖苷键的自由旋转产生影响，该内侧糖的碳信号也有特异性的GS变化规律。,28,2-5-1 2-O-glycosyl-b-D-glucoside（槐糖，sophoroside）的GSmethyl b-D-glucosid
15、e的2位连有b-D-glycosyl（即甲基-b-槐糖，化合物5），其2位碳（C-2）信号向低场位移至d83.1，外侧糖的端基碳（C-1）信号为d105.6。普通三萜的3b-OH的b-槐糖在相同位置出现碳信号。人参皂苷Rf和三七人参皂苷R1等的三萜的6a-OH上连有上述b-槐糖时，受到4位偕位二甲基强的立体障碍的影响，C-2、C-1信号与化合物5相比，显著出现在高场（图8）。,methyl,b-sophoroside(5),a)ginsenoside-Rf:R=-CH2OH,R=-H,b)notoginsenoside-R1:R=-H,R=-b-glc,(d ppm in pyridine d
16、5),29,三、苷键有立体障碍时的苷化位移（糖12糖连接）小结8、无立体障碍时，外侧糖的端基碳105ppm，内侧糖的2位碳83ppm。9、当有来自苷元的立体障碍时，出出现两种情况：9-1、外侧糖的端基碳103104ppm，内侧糖的2位碳80ppm。,30,另一方面，柴胡皂苷I、三七人参皂苷Fc中的xylosyl-glucoside部分结构中，C-2、C-1”碳信号与化合物5相比，处于更低场（见图9）。这种异常化学位移在2-位为糖苷化的葡萄糖中，除C-2外其他碳信号没有异常变化。人们认为，这是由于该葡萄糖的端基质子的偶合常数（3JH1-H2）具有特殊的值，糖环的构象稳定，存在着立体障碍，使糖苷键
17、的旋转变慢，产生了GS异常。,Chikusaikoside-,Notoginsenoside-Fc,d ppm in pyridine-d5,31,三、苷键有立体障碍时的苷化位移（糖12糖连接）小结8、无立体障碍时，外侧糖的端基碳105ppm，内侧糖的2位碳83ppm。9、当有来自苷元的立体障碍时，出出现两种情况：9-1、外侧糖的端基碳103104ppm，内侧糖的2位碳80ppm。9-2、外侧糖的端基碳107ppm，内侧糖的2位碳 85ppm。,不管如何变化，在我们解析糖苷糖部分的碳信号时，一定要充分注意12连接糖链的异常化学位移变化！,32,2-5-2 烷基-2-O-glycosyl-L-a
18、rabinoside的GS如2-1项所述，合成了各种烷基-a以及b-L-阿拉伯糖苷，它们的GS基本与D-glucoside的GS相同，我们知道不管苷元的结构如何，阿拉伯糖环的构想都采用C1式。盐野等人报道了（见2-6-3项）三萜的2-O-a-L-rhamnosyl-a-L-arabinosyl ester的GS异常性与它的阿拉伯糖环的构象有关这一结论。我们为了探讨这个异常性是否也适用于其他通常的烷基糖苷，合成了数种醇的2-O-糖苷化的a-L-阿拉伯糖苷以及b-L-阿拉伯糖苷，说明其NMR的变化规律。,33,2-O-glycosyl-a-L-arabinoside中，当阿拉伯糖的2位与b-D-g
19、lucosyl、b-D-xylosyl、a-L-arabinosyl这些糖相连时，阿拉伯糖部分的NMR异常（阿拉伯糖的C-3，-4，-5显著向高场移动，3JH1-H2降低，1JC1-H1增加）与苷元的结构没有关系（见表6）。我们认为在这种情况时，苷元部分与2-O-glycosyl部分的立体障碍受到更多的阿拉伯糖环的1C式构象的增益而减缓了其立体障碍。,34,Table 6 13C Chemical Shifts,2-O-Glycosylation Shifts(in Parentheses)and Coupling Constants of Anomeric Carbons and Proto
20、ns of Arabinosyl Moisties of 2-O-Glycosyl-a-L-arabinosides(in Pyridine-d5)2-O-glycosyl-a-L-arabinopyranosides,4C1式,1C4式,旁式,反式,35,36,Dd=d(2-O-glycosyl-a-L-arabinoside)-d(corresponding a-L-arabinoside),a)Not obserbed owing to overlapping,37,另一方面，后文中将要讲述的酯苷（见2-6-3项）中，能够见到的化学位移显著异常性，在2-O-a-L-rhamnosyl体中
21、未观察到异常。我们认识到烷基苷类与酯苷类的13C-NMR的GS变化趋势相反（见表6）。另外，b-L-arabinoside时，凡是具有2-O-glycosyl的阿拉伯糖部分的C-3，-4，-5的信号向高场移动，没有观察到3JH1-H2、1JC1-H1的异常变化，推断阿拉伯糖环以C1式压倒性多的存在。,38,三、苷键有立体障碍时的苷化位移（糖12糖连接）小结8、无立体障碍时，外侧糖的端基碳105ppm，内侧糖的2位碳83ppm。9、当有来自苷元的立体障碍时，出出现两种情况：9-1、外侧糖的端基碳103104ppm，内侧糖的2位碳80ppm。9-2、外侧糖的端基碳107ppm，内侧糖的2位碳 85
22、ppm。10、阿拉伯糖的C1式与1C式构象，,39,2-6 乙酰化糖苷、酯型糖苷的13C-NMR,2-6-1 部分乙酰化糖苷的结构研究糖的部分OH被乙酰化所得的乙酰化糖苷在天然产物中广泛存在。糖的OH的乙酰基非常的不稳定，因此决定其位置是非常难的一件事。通常，羟基的乙酰化会使其烷甲基碳（a-碳）信号向低场位移（24ppm），它的邻位碳（b-碳）信号向高场位移（26ppm）。利用这个规律可以绝对大多数天然乙酰化糖苷的结构。,40,2-6-2 酯型糖苷的GS天然产物中存在许多糖与苷元的羧基形成的糖苷键。糖的端基OH被酯化，与一般的醇羟基不同，端基碳信号向高场移动。津田等人研究葡萄糖的端羟基酯化时，
23、发现不应该受到影响的糖的5位碳信号也向高场移动。我们研究发现阿拉伯糖、鼠李糖端OH酯化时，5位碳信号同样高场移动（见表7）。,形成糖苷后，苷元羧基碳信号向高场位移约4ppm（见图10）。,(in pyridine-d5),glucosylation shift value=d(glucoside)-d(aglycone),图10,41,Table 7 13C Chemical Shifts,Glycosylation Shift(in Parentheses)and Coupling Constants of Anomeric Carbons and Protons of Sugar Moie
24、ties of Glycosyl Esters(in Py-d6),Dd=d(ester glycoside)-d(corresponding methyl glycoside).a)Virtual coupling,42,2-6-3 2-O-glycosyl-arabinosyl ester的GS石井等人在研究齐墩果烷型三萜皂苷时，观察到其28位羧基的a-L-阿拉伯糖酯苷的2位再接上a-L-鼠李糖时，该阿拉伯糖部分的NMR数据产生异常。阿拉伯糖不是采取通常的C1式环构象，而是采用1C式。这一发现引起了人们对这种阿拉伯糖酯苷的端基构型的关注。我们合成了立体障碍较大的3-O-乙酰化齐墩果酸（化合
25、物6，见表8）的28-COOH的2-O-b-D-glucosyl-a-L-arabinosyl ester（化合物7）和2-O-a-L-rhamnosyl-a-L-arabinosyl ester（化合物8），以及立体障碍较小的齐墩果酸（化合物9）对应的酯苷（化合物10、11），用于比较研究（见表8）。,43,Dd=d(2-O-glycosyl-a-L-arabinosyl ester)d(correponding a-L-arabinosyl ester),Table 8 13C Chenical Shifts,Glycosylation Shifts(in Parentheses)and
26、Coupling Constants of Anomeric Carbons and Protons of Arabinosyl Moridties of-2-O-Glycosyl-a-L-arabinosyl Esters(in Pyridine-d5),化合物6,44,结果显示，阿拉伯糖部分的C-3、-4、-5信号异常的向高场移动，3JH1-H2减小，1JC1-H1增大，其实在化合物7、8中这种变化更显著。我们认为这种情况的立体障碍受到阿拉伯糖环采取1C式而得到缓解。特别是化合物8，如石井等人指出的那样，其阿拉伯糖以压倒性的采取1C式，而化合物7的1C式则稍微少一些。但是，立体障碍较少的化
27、合物9对应的糖苷化合物10、11中没有见到这种异常性，我们认为2-O-glycosyl-a-L-arabinosyl ester的NMR特异性，即阿拉伯糖环的构型构象的显著变化由立体障碍的羧酸所决定。,45,2-7 糖类化合物的选择性重水交换Stuart等人用阮氏镍回流对葡萄糖等游离糖的烷基氢进行选择性重水交换。这一反应会使部分OH异构化。对于methyl a-L-arabinoside、methyl b-D-xyloside、methyl a-L-rhamnoside，我们摸索出了尽可能少的异构化的重水交换反应条件。烷氢被重水交换时，该烷基碳信号事实上从谱图上消失而不被识别，因此该重水交换反
28、应在糖NMR解析过程中，是一种极其有效的手段。该反应对于前项的“阿拉伯糖苷的GS研究”中糖部分信号的准确归属发挥了威力，此外利用此法准确归属了三七皂苷中糖的信号。,46,dauterated methyl b-D-xylosde,dauterated methyl a-D-lyxoside,dauterated methyl a-L-arabonoside,dauterated methyl b-D-riboside,dauterated methyl a-D-quinovoside,表 11,47,2-8 Mannoside、Rhamnoside的端基碳构型的确定现在我们一般通过氢谱中3JH
29、1-H2值的大小来确定糖端基碳的构型。但是甘露糖、鼠李糖由于其2位H处于平伏键，不管是a构型还是b构型中H1与H2的两面角皆为60，我们不能通过氢谱中3JH1-H2值的大小来判断其构型。因此，过去我们不得已测定其分子旋光度并利用Klyne法则来判断其构型。就像上述所讲一样，我们合成了一系列的各种苷元的D-甘露糖苷和L-鼠李糖苷，测定它们的NMR数据并进行归纳总结。发现：各构型的端基氢的化学位移、1JC1-H1、C-3与C-5的化学位移以及苷元的a碳、b碳的GS存在不同（见表24），综合利用以上信息，就能准确推断出端基碳的构型。,48,过去广泛被利用的Klyne法则，当苷元羟基存在立体障碍时，常
30、有不符合该法则的例子出现，所以不能说该法则是万能的！,2-9 酯苷键的选择性切断反应一般酯苷键可用碱处理便很易使苷元与糖水解。但是，某些三萜皂苷具有立体障碍的羧基的糖苷键水解时需要很强的碱是必要的。这样即使得到了苷元，生成的糖部分其还原性末端被碱异构化，发生分解，不能得到原形的糖。因此在结构鉴定中，常常先把化合物甲基化，再用LiAlH4还原使糖苷键切断。此时，苷元的羧基也被还原成醇，此外还有其他一些缺点。,49,作者发现在无水醇溶液中，与LiH、2,6-lutidine反应，糖之间的化学键没有被切断，定量得到苷元及甲糖苷（见Chart 12）。这个反应的特征是能够切断低级醇的酯键（如甲酯），而
31、碳原子数多的苷元OH形成的酰基不被切断。获得的糖部分在结构未知情况时可利用GS-MS进行结构鉴定。结构已知时，可利用13C-NMR、HPLC等进行结构鉴定。利用这一反应我们鉴定了一系列化合物的糖部分的结构。,50,Table.13C Chemical Shifts of Rhamnose Moieties(in Pyridine-d5),51,a)These assigments may be reversed in each horizontal column,52,Table Comparison of NMR of a-and b-D-Mannopyranosides,and L-Rha
32、mnopyranosides(in Pyridine-d5),a)Average value for unhindered alcohols,1JC1-H1:Coupling constant of anomeric carbon signal in Hz,53,LiI,MeOH,2,6-lutidine,methyl glycoside,+,54,LiI,MeOH,2,6-lutidine,huzhangoside B,(from Anemone rivularis),Chart 12,55,chiisanoside from Acanthopanax chiisanesis,(Aralia
33、ceae),Chart 13,56,3 人参皂苷的NMR人们从人参中得到了许多具有生理活性的4环达玛烷型三萜皂苷，这些皂苷的真正苷元在水解时，20位上的羟基与甲基发生异构化，环合形成吡喃环。这种情况下对结构鉴定造成很大的问题。,57,3-1 达玛烷型三萜的13C-NMR归属人们从人参中得到了许多具有生理活性的4环达玛烷型三萜皂苷，这些皂苷的真正苷元在水解时，20位上的羟基与甲基发生异构化，环合形成吡喃环。这种情况下对结构鉴定造成很大的问题。我们比较dammarenediol-I、II、betulafolienetriol以及化合物12、13，以及它们的衍生物，通过脂环化合物的取代基位移规律、位
34、移试剂、部分重氢化等一切当时可利用的手段，准确归属了三萜的所有碳信号（见表XI）。,58,2,2,6,Table 13C Chemical Shifts of Aglycone Moieties(in Pyridine-d5),59,a,b)Values in any vertical column may be interchangeable,60,以前，没有办法对20位的手性碳进行迅速区分，但是我们发现如图14所示，20(S)体与20(R)体它们20位碳原子周边的碳信号存在明显的差异。特别是12位具有b-OH的化合物12、13中，由于12b-OH与20-OH间形成很强的分子内氢键，为了稳定
35、C-17与C-20间的化学键，g-旁式效应（g-gauche）增强，两差向异构体间，C-12、-17、-21、-22的碳信号存在显著的差异。,61,13C chemical shifts differencesa)between the pair of 20-epimers(in pyridine-d5),a)d(20R)-d(20S),20(S)less stable,20(R)stable,R=H:20(S)-dammarenediol,R=H:20(R)-dammarenediol,R=OH:20(S)-protopanaxadiol,R=OH:20(R)-protopanaxadiol,62,根据前述的GS规律，化合物12、13各个OH与糖连接时的GS见图15。,b-D-Glc,(in pyridine-d5),glucosylation shift values=d(glucoside)d(aglycone),63,由以上结果知，在鉴定该类化合物时，仅仅根据碳谱便能确定20位手性碳的构型以及糖的连接位置。,以上内容摘自：田中治.炭素13核磁気共鳴配糖体化学構造研究応用:Panax（）属植物及甘味植物配糖体研究中心.药学杂志,1985,105(4):323-351.,
