13碳核磁共振谱中苷化位移在糖苷化学结构中的应用

113碳核磁共振谱中苷化位移在糖苷化学结构中的应用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（glycosylationshift，简称GS）OHOHOOHOOHCCCCab23456anomericcarbon图1苷化位移示意图3OHOHOOHOOHCCCCab23456anomericcarbon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，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AglyconeSugarC-1DSugarC-1DCH3OHa-Glc101.2/94.1(+7.1)b-Glc105.5/98.8(+6.7)a-Man102.6/95.7(+6.9)b-Man102.7/95.7(+7.0)a-Rha102.4/95.8(+6.6)b-Rha102.6/95.8(+6.8)b-Ara102.1/94.6(+7.5)a-Ara105.8/99.2(+6.6)prim-OHa-Glc100.0(+5.9)b-Glc104.4(+5.6)a-Man101.2(+5.5)b-Man101.8(+6.1)a-Rha101.1(+5.3)b-Rha101.3(+5.5)b-Ara100.9(+6.3)a-Ara104.7(+5.5)sec-OHa-Glc98.5(+4.4)b-Glc102.3(+3.5)a-Man99.4(+3.7)b-Man99.3(+3.6)a-Rha99.2(+3.4)b-Rha99.3(+3.5)b-Ara99.1(+4.5)a-Ara102.9(+3.7)tert-OHa-Glc94.6(+0.5)b-Glc98.9(+0.1)a-Man96.1(+0.4)b-Man96.2(+0.5)a-Rha95.7(-0.1)b-Rha95.8(±0)b-Ara95.1(+0.5)a-Ara99.1(-0.1)表１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。OHOHOOHOOHCH37OHOHOOHOOHCH26OHOHOOHOOHCH4OHOHOOHOOHC0一、苷键无立体障碍情况下的基本苷化位移6AglyconeSugarDSugarDCH3OHa-Glc+6.0b-Glc+7.3a-Man+5.0b-Man+7.1a-Rha+5.0b-Rha+7.0b-Ara+5.9a-Ara+6.7prim-OHa-Glc+6.0b-Glc+7.3a-Man+5.0b-Man+7.1a-Rha+5.1b-Rha+7.0b-Ara+6.2a-Ara+7.0sec-OHa-Glc+7.1b-Glc+7.3a-Man+5.4b-Man+7.1a-Rha+5.2b-Rha+6.9b-Ara+6.5a-Ara+7.0tert-OHa-Glc+7.2b-Glc+7.5a-Man+6.7b-Man+7.5a-Rha+6.4b-Rha+7.4b-Ara+6.5a-Ara+7.1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-位碳的构型的影响。总的趋势是：a碳向低场位移5～7ppm，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）。OHOHOOHOOHCCCCab234567OHOHOOHOOHCCCCab234566OHOHOOHOOHCCCCab234565一、苷键无立体障碍情况下的基本苷化位移8AglyconeSugarDbCDb'CSugarDbCDb'Cn-Propyla-Glc-3.5b-Glc-3.3a-Man-3.5b-Man-3.3a-Rha-3.4b-Rha-3.5b-Ara-3.4a-Ara-3.3trans-tert-Butylcyclohexyl(t-BCH)a-Glc-4.2-2.4b-Glc-2.2-3.9a-Man-4.4-2.5b-Man-2.3-4.1a-Rha-3.9-2.1b-Rha-2.6-4.5b-Ara-4.2-2.3a-Ara-2.1-3.9Cholestan-3b-yla-Glc--b-Glc-2.5-4.4a-Man-4.1-2.7b-Man-2.5-4.4a-Rha-4.1-2.7b-Rha-2.7-4.4b-Ara-3.82.6a-Ara-2.4-4.5tert-Butyla-Glc-2.9b-Glc-2.6a-Man-3.0b-Man-2.8a-Rha-2.8b-Rha-3.0b-Ara-2.8a-Ara-2.6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。OSugarbb'(proR)(proS)a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。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10OHOHOOHOOHCCProR-4.0ProS-2.4(S)a-D-glcHOOOOHCCProR-4.1ProS-2.7(S)b-L-glcHOOHOHOHOOHOOHCCRProR-2.5ProS-4.4(R)b-D-glcHOH3CHOO(R)OHOCCProR-2.7ProS-4.6a-L-rhaOHOHOOHOOHCCProS-4.3ProR-1.9(R)b-D-glcH11二、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。12Sugard-menthol(S)l-menthol(R)t-BCHc-1DaCc-1DaCc-1DaCa-D-glcSa)96.1+4.5102.1+10.498.5+6.6b-D-glcR105.9+10.5101.5+6.4102.2+7.4a-D-manS97.1+3.3103.7+10.299.5+5.4b-D-manR103.6+10.898.4+5.899.4+6.8b-L-rhaS98.0+5.7103.1+10.699.3+6.9a-L-rhaR103.0+9.997.2+4.099.1+5.3b-L-araS96.8+4.7102.8+10.499.0+6.7a-L-araR106.3+10.5101.4+6.4103.0+7.2a)ChiralityofC-1asafreeformOSu123456SOSuR123456OSud-menthol(S)(3)l-menthol(R)(2)t-BCHTable4GlycosylationShiftsofmenthol(inPyridine-d5)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3[3(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（3～5ppm）、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。OSu123456SOSuR123456d-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，二萜醇苷同样也适用上述规律。OSu123456SOSuR123456d-menthol(S)(3)l-menthol(R)(2)16b-D-glucosylationshiftsa)inpyridine-d5OGlc(+3.5)+6.9-4.2-0.8HOHCCH2OHOGlc(+3.4)-4.4+6.9-1.023481415darutoside(6)();anomericcarbonsignalGlc=b-D-glucopyranosyla)(glycoside)-(b-D-glucoseoraglycone)OGlc(+8.1)+10.3-1.2+0.3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-equatorialOH为R构型，即苷元的绝对构型为ent-型。172-4-2trans-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）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。19maltose:glc=a-D-glccellobiose:glc=b-D-glcRR-4HOHORRHOHORRHOHOSSOHORRglcaRR-4-aGlcRR-4-bGlcOHORRglcbmaltose(donor)TakadiastaseTakadiastasecellobiose(donor)dl-4OOHOHHOOGlcH,OH20化合物4的1(S)、2(S)体（SS-4）的单葡