天然药物化学第一章

天然药物化学 Medicinal Chemistry of Natural Products,天然药物化学教研室 严春艳,第一章 总论第二章 糖和苷第三章 苯丙素类第四章 醌类化合物第五章 黄酮类化合物第六章 萜类和挥发油第七章 三萜及其苷类第八章 甾体及其苷类第九章 生物碱第十章 海洋天然产物第十一章 天然药物的研究开发,天然药物化学 （第五版）,第一章总论（Generation）,基本要求,掌握 常用的提取、分离方法。 有效成分、有效部位；一次代谢、二次代谢 的概念；主要的生物合成途径。熟悉 天然药物化学的研究范围;课程的学习重点； 各类化合物的生物合成途径。了解 ORD谱的应用范围,本章内容,第一节 概述第二节 生物合成第三节 各类成分简介第四节 提取分离方法第五节 结构研究方法,第一节 绪论,一天然药物化学的概念： 天然药物化学：是运用现代科学理论与方法研究天然药物中化学成分及其应用的一门学科。,第一节 绪论,结构特点； 理化性质； 提取分离方法； 结构鉴定； 生合成途径；,研究内容,研究天然药物的化学成分的,生药学/药用植物学/有机化学/无机化学/分析化学/波谱解析,第一节 绪论,二. 相关学科 1. 药物化学（Medicinal Chemistry）：合 成药物、构效关系、结构确认 2. 植物化学（Phytochemistry） 3. 中药化学（Chemistry of TCM）三.天然药物 植物、动物、矿物、微生物、海洋生物等来源 的药物。,植物药,世界范围,中 国,广 东,高等植物1315万种，其中药用植物约14500种以上。活性筛选仅占 5%，化学成分研究则更少。,我国自然资源丰富，植物品种繁多，其中种子植物就有25700余种，药用植物11800多种，常用5000余种。,广东省的特产药材，在历史上称为“广药”，很早以前就闻名海内外，成为全国药材“川广云贵”四大产区之一，全省中药资源2645种。,2. 民族药 民族药是中国传统医药学的重要组成部分。如：藏、 蒙、维药. 等约有1500余种。,曾毓麟主编： 中国民族药志,4. 微生物,评价：民族药是一块未开垦的处女地。,3. 海洋生物,神农本草经列为上品，主补五脏，安精神，定魂魄，止惊悸，明目，开心益智，久服有轻身延年之功效。,银杏被称作为是植物中的“活化石”。白果含白果内酯，具有杀菌功能，有化痰、止咳、补肺、通经、止浊、利尿等疗效。,穿山甲为鲮鲤科动物鲮鲤的鳞片，处方名有炮山甲、醋山甲、炮甲珠或炒甲片等。其味咸，性微寒，入肝、胃二经。本草纲目中记载穿山甲“除痰疟寒热，风痹强直疼痛，通经络，下乳汁，消痈肿，排脓血，通窍杀虫。”,雄黄，为硫化物类矿物雄黄族雄黄，主含二硫化二砷。归肝，大肠经。有毒。解毒杀虫，燥湿祛痰，截疟。用于虫积腹痛，惊痫，疟疾，痈肿，疔疮，疥癣，蛇虫咬伤。常用量0.150.3克，入丸散用。外用适量，研末撒或调敷患处。,第一节 绪论,四 基本概念 1. 有效成分（Active Constituents）: 天然药物中具有一定的生物活性、能起到防治疾病作用的单体化合物。 2. 有效部位（Active Extracts） ：为具有一定生物活性的多种单体化合物的混合物。如人参总皂苷、银杏总黄酮、灵芝多糖等。 3.有效部位群,4. 无效成分（Anactive Constituents ） 与有效成分共存的其它成分 5. 标记成分 6. 杂 质 *注释：辩证理解上述术语的相互关系。,天然药物化学家,第一代（30-40年代） 赵承嘏 黄鸣龙 庄长恭 高怡生 第二代（50-60年代） 朱子清 林启寿 邢其毅 梁晓天 黄 量 姜达衢 周维善 王宪楷 赵守训 第三代（70-80年代） 徐任生 姚新生 于德泉 周 俊 孙南君 陈耀祖 贾忠健 陈延庸 张如意 潘德济 陈英杰 闵知大 第四代（80-90年代） 陈仲良 孙汉董 吴厚民 王锋鹏 李铣,天然药化研究发展趋势,(一) 化学结构研究 1. 快速,morphine,结构确定150年，是第一个从天然界分离的生物活性成分,2. 微量,经典化学方法,现代波谱方法,3. 准确,(四)注重结构改造和仿生合成,1) 解决植物活性成分含量偏少 2) 合理保护药用资源,1. 活性成分研究转向微量、水溶性、大分子成分2. 由单纯化学转向生物活性成分研究3. 由单味中药转向复方中药4. 生物活性检测转向分子水平,(二)研究的重大转变,(三)组织培养,第一节 绪论,五. 学习天然药化的目的和意义： 1. 探索中药防病治病的机理； 2. 改进剂型、提高疗效； 3. 提高中药及制剂的质量； 4. 提供中药炮制现代科学依据； 5. 开辟药源、为新药开发提供先导化合物。,Taxus brevifolia Nutt.,六. 天然药物化学研究方法1. 文献整理和研究对象调研 a原植物：科，属，种，学名，来源，产地 b文献：近源植物具有相似的成分。2. 成分分离 系统分离法，活性跟踪法，目标化合物分离法3. 成分鉴定 理化性质，色谱方法，波谱方法4. 结构改造 发现和创制新药,本章内容,第一节 概述第二节 生物合成第三节 各类成分简介第四节 提取分离方法第五节 结构研究方法,一 基本概念,一次代谢产物：糖、蛋白质、脂质、核酸等对植物机体生命活动来说不可缺少的物质。二次代谢产物：生物碱、萜、香豆素、黄酮、醌类等对维持植物生命活动不起重要作用，且并非在所有植物中都能产生。由一次代谢产物产生，经不同途径进一步合成的，常为有效成分。,二 天然化合物的主要生物合成途径,1.醋酸-丙二酸途径(AAMA途径） C2单位， 合成脂肪酸类、酚类、蒽醌、蒽酮类2.甲戊二羟酸途径 C5单位，主要生成萜类、甾体类化合物3.莽草酸途径和桂皮酸途径 C6单位，形成具C6-C3骨架的化合物，如苯丙素、香豆素、木脂素等。,4.氨基酸途径（Amino Acid Pathway） 合成生物碱5.复合途径 (1) 醋酸- 丙二酸- 莽草酸途径 (2) 醋酸- 丙二酸- 甲戊二羟酸途径 (3) 氨基酸-甲戊二羟酸途径 (4) 氨基酸- 醋酸- 丙二酸途径 (5) 氨基酸-莽草酸途径,植物二次代谢与生物合成过程,三羧酸循环 （TCA） 丁酮二酸 -酮戊二酸 丁二酸,CO2 H2O,h / 叶绿素,磷酸烯醇式丙酮酸,甲戊二羟酸,丙酮酸,乙酰辅酶A,丙二酸单酰辅酶A,赤藻糖4-磷酸,葡萄糖代谢,莽草酸,苯丙素类,芳香族氨基酸,脂肪族氨基酸,嘌呤、嘧啶,-氨基乙酰丙酸,二次代谢产物,二次代谢 产 物,苷 类,*脂肪族 萜 类 芳香酚类,酸性物质,脂肪族,香豆素类 木脂素类 木质素类,苯丙素类 黄 酮 类 醌 类 鞣 质,植物甾醇 强 心 苷 皂 苷,单 萜 倍 半 萜 二 萜 二倍半萜 三 萜 多 萜,甾 体,生物碱,油 脂,萜 类,芳香族,碱性物质,中性物质,挥发油,非糖类 （苷元） + 糖,三、生物合成的意义： 对天然化合物结构分类，结构推测； 植物生理学； 仿生合成及组织培养等有指导意义。,本章内容,第一节 概述第二节 生物合成第三节 各类成分简介第四节 提取分离方法第五节 结构研究方法,天然药物化学各类成分简介,化学成分分类 1. 生物碱类（Alkaloids)：含N原子，多呈碱性。,2.糖和苷(Saccharides and Glycosides): 糖：单糖，低聚糖，多糖（淀粉、纤维素、甲壳素、 果胶、树胶、粘液质）,苷：糖+苷元：,酸性,黄酮,香豆素,蒽醌,皂苷,三萜皂苷 甾体皂苷强心苷,3.挥发油,4.有机酸：含COOH,多以盐的形式存在。5.树脂：为组成复杂的混合物，多与挥发油、树胶、有机酸共存。如：安息香、乳香等。6.其它成分： (1)氨基酸、蛋白质。 (2)鞣质：多元酚类化合物。 (3)色素类：叶绿素、胡萝卜素等。 (4)脂类:油脂（甘油与高级脂肪酸脱水形成 的酯）、蜡（高级醇与高级脂肪酸脱水 形成的酯）。 (5)无机成分,本章内容,第一节 概述第二节 生物合成第三节 各类成分简介第四节 提取分离方法第五节 结构研究方法,提取分离方法,提取法：1. 溶剂提取法2. 水蒸气蒸馏法3. 升华法4. 压榨法,一、提取法：1. 溶剂提取法（solvent extraction） 原理：相似相溶 过程：渗透-扩散-溶解 理想溶剂（ideal solvents ）“三原则”： （1）对有效成分溶解度大；无效成分溶解度小； （2）与有效成分不起化学反应； （3）安全，成本低，易得。,相似相溶,分子极性溶剂极性规律极性溶剂（如水）易溶解极性物质 非极性溶剂（如苯、汽油、四氯化碳、酒精等）能溶解非极性物质 含有相同官能团的物质互溶，如水中含羟基（OH）能溶解含有羟基的醇、酚、羧酸。,1官能团的溶解性：（1）易溶于水的官能团（即亲水基团）有-OH、-CHO、-COOH、-NH2。（2）难溶于水的官能团（即憎水基团）有：所有的烃基(-CnH2n+1、-CH=CH2、-C6H5等)、卤原子（-X）、硝基（-NO2）等。,2分子中亲水基团与憎水基团的比例影响物质的溶解性：（1）当官能团的个数相同时，随着烃基（憎水基团）碳原子数目的增大，溶解性逐渐降低；例如，溶解性：CH3OHC2H5OHC3H7OH，一般地，碳原子个数大于5的醇难溶于水。（2）当烃基中碳原子数相同时，亲水基团的个数越多，物质的溶解性越大；例如，溶解性：CH3CH2CH2OHCH3CH(OH)CH2OHKB, K=CU/CL （CU, CL被分离物质在上相和下相中浓度） 根据值的大小可决定分离采用的方法: 100，简单的一次萃取，可基本分离. 10010，10-12次萃取，CCD法。 2，100次以上萃取，DCCC法。 =1, 无法分离。,A.萃取注意事项：,（1）振摇时，常乳化，可先小试，若有乳化： 分去乳化层；抽滤；加热； 较长时间放置；加入电解质。（2）水溶液的比例一般1.11.2之间。（3）溶剂用量。（4）次数：3次左右，实际上多用4-6次，采用 分液漏斗。,提取分离方法,B.逆流分溶法(CCD)： 多次连续液-液萃取分离过程。 特点：条件温和，样品易回收，适用于中等极性、不稳定物质的分离。,第一次溶剂加入萃取后，进入第二号. 第二号溶剂萃取一号后，浓度较低，再进入第二号中.提高浓度，最后达到分离。（强心苷提取）,振摇、静止 两相分开 转移,提取分离方法,C.液滴逆流色谱(DCCC): 一种液-液分配色谱，流动相呈液滴形式垂直上升或下降，通过固定相的液柱，实现物质的逆流色谱分离。 特点：不易乳化，样品可定量回收，分离效果好， 特别适合于分离皂苷等水溶性成分。 缺点：样品处理量小。,提取分离方法,D.高速逆流色谱（HSCCC） 通过特定的高速行星式旋转所产生的离心力场作用，使无载体支持的固定相稳定地保留在蛇形管内，并使流动相单向、低速通过固定相，实现连续逆流萃取分离物质的目的。 用于各种物质的分离，包括蛋白、酶、三萜、生物碱、皂苷等。,提取分离方法,可用PC法求值，选择理想分离条件。 纸色谱（PC）也叫纸分配色谱（PPC， Paper Partition Chromatography）。,（r 纸色谱定数）,Rfa，Rfb为A，B两物质在PC上Rf值,=,提取分离方法,2.1 影响分离的因素 pH值 对于酸性、碱性、两性化合物，pH值可改变它们的存在状态（游离型和解离型），分配比受pH值的影响，因为,HA达到99%解离时，pH= pKa + 2HA达到99%游离时，pH= pKa - 2,pka = pH lg A-/ HApH = pka + lg A-/ HA,分配比与pH,对于酸性化合物：酚类；pKa值一般为9.210.8，羧酸类：pKa5，因此在pH=3以下，大部分酸性物质以游离形式存在，易溶于有机溶剂。 pH12时，则以解离形式（A），存在，易分配于水中。对于碱性成份： 一般pH3，多呈解离状态，易溶于水，pH12，多呈游离状态，易于有机溶剂。,提取分离方法,2.2 酸碱性成分的分离pH-梯度萃取法 按酸碱性强弱不同分离酸性、碱性、中性物质，改变pH值使酸碱成分呈不同状态。,提取分离方法,2.3 液-液分配柱色谱正相色谱：固定相极性大，如水、缓冲液等；流动相极性小，如氯仿、乙酸乙酯等。载体：硅胶（含水超过17%），硅藻土，纤维素等。用途：分离极性较大或中等极性，如苷类、糖、生物 碱等。洗脱顺序：极性小的物质先被洗脱出来。,提取分离方法,2.3 液-液分配柱色谱反相色谱：固定相极性小于流动相。如HPLC反相柱，反相板。 固定相：硅胶硅醇基结合烷基，如RP-2，RP-8，RP-18。亲脂性：RP-18 RP-8 RP-2。 流动相(洗脱剂)：MeOH-H2O，CH3CN-H2O 洗脱顺序：分离极性大的成分，极性大者先洗脱 下来。,提取分离方法,2.3 液-液分配柱色谱加压液相柱色谱 Lobar柱 HPLC,实验室用高效液相色谱仪,提取分离方法,3 根据物质的吸附性差别进行分离吸附色谱法3.1 吸附分类：物理吸附：无选择性的吸附，吸附解析发生迅速。 吸附剂如硅胶、氧化铝、活性炭等；化学吸附：不可逆性。如碱性氧化铝对酚酸性成分的 吸附，硅胶对生物碱的吸附等。半化学吸附：聚酰胺对酚酸类、醌类的氢键吸附。,提取分离方法,吸附原理：相似相吸影响吸附过程的三要素： 吸附剂（固定相）， 溶质（被分离物质）， 溶剂（洗脱剂，展开剂，流动相）,提取分离方法,3.2 硅胶、氧化铝：极性吸附剂：载样量大，吸附力强硅胶通式：SiOXH2O使用范围最广，适于各种成分分离,硅胶活化：,加热除去水份，一般在100-120烘1-4小时，温度过高则发生脱水，失效。 以硅胶活性强弱可分为： 活 性 I级 II级 llI级 含水量 0 12 15硅胶系酸性吸附剂（硅OH），与碱性成份结合牢固（化学吸附），不易洗脱， 所以，一般不用硅胶分离生物碱。,提取分离方法,3.2氧化铝：有中性、酸性、碱性氧化铝。碱性氧化铝 由于含有Na2CO3而呈碱性，不适合于分离 酸性成分，多用于分离生物碱。氧化铝吸附力也与含水量有关，含水量高，吸附力下降,分级：,活 性；I级 lI级 llI级 IV级 V级含水量：1 3 6 10 15活化：用烘干的方法，一般是在150 ，烘3小时，可达34级，400 ，烘6小时，可达12级。,降活性氧化铝,提取分离方法,3.2 硅胶、氧化铝： 被分离物质吸附力与结构的关系 被分离物质极性大，吸附力强，洗脱难， Rf值小，后被洗脱下来。 官能团极性大小排列顺序： -COOH Ar-OH R-OH R-NH2, RNHR , RNR R R-CO-NRR RCHO RCOR RCOOR ROR RH,提取分离方法,3.2 硅胶、氧化铝： 溶剂(洗脱剂)的极性与洗脱力的关系 洗脱剂极性越大, 洗脱力越强. 洗脱溶剂的极性具有加和性！ 梯度洗脱 注意：极性和水溶性不完全对等,3.2 活性炭非极性吸附剂吸附力与结构的关系 对于非极性物质有较强亲和能力洗脱力与溶剂的关系 吡啶 15%酚/醇 7%酚/H2O 醇 含水醇H2O应用: 黄酮、生物碱的富集，糖的分离、脱色等。,提取分离方法,吸附柱层析用于物质分离有关注意事项,（1）用量:一般吸附剂为样品的30100倍，对成份复杂，难于分离者，用量可增加至于100200倍。（2）装柱（干法和湿法）:硅胶，Al2O3极性吸附剂，在极性溶剂中吸附力弱，在湿法装柱时，应选择极性小的溶剂装柱。（3）洗脱:多采用梯度洗脱，即先用低极性溶剂洗，逐渐增加洗脱剂极性，以加强洗脱能力。（注意：不能先用极性大的溶剂）。 （4）溶剂系统: 在柱层析前，要先通过TLC 摸索，以寻找最佳洗脱系统。,理解TLC结果硅胶G、硅胶H、硅胶GF254双向展开干柱层析,3.3 聚酰胺(Polyamide) 是由己酰胺聚合成的一类高分子化合物。,分离原理：主要通过酰胺键与酚羟基、酸、醌等形成氢键，产生吸附作用。吸附力取决于形成氢键缔合的能力。,第四节 提取分离方法,3.3 聚酰胺 吸附力与结构的关系 a.形成氢键的基团数目越多, 吸附力越强; b.形成分子内氢键者, 吸附力减少;,第四节 提取分离方法,d.芳香苷苷元苷, 单糖苷双糖苷叁糖苷,c.芳香化程度越高或共轭键越多,吸附力越强; ,3.3 聚酰胺 吸附力与结构的关系,溶剂的洗脱能力 水 含水醇醇 丙酮NaOH/H2O甲酰胺二甲基甲酰胺单乙酰黄夹次苷B2. 硅胶柱上的出柱顺序：后 先,小极性化合物,大极性化合物,练习: 某植物中分得3个黄酮化合物，结构如下, 比较它们的极性大小及在硅胶TLC和聚酰胺薄膜上Rf值大小顺序.,A: R1 =R2= HB: R1 = H, R2= RhaC: R1 = Glc, R2= Rha,极性大小: SiO2-TLC Rf: Polyamide TLC, Rf:,第四节 提取分离方法,极性大小: C B ASiO2-TLC Rf: A B CPolyamide TLC, Rf: C B A,答案：,本章内容,第一节 概述第二节 生物合成第三节 各类成分简介第四节 提取分离方法第五节 结构研究方法,一、结构研究的主要程序,1、初步推定化合物的类型。（1）观察在提取，分离过程中的行为，（2）测定有关理化性质，如PH，溶解度及层析行为，灼烧试验，化学定性反应。（3）结合文献。,2、分子式确定，不饱和度，可采用质谱法（高分辨）3、确定分子中的官能团，结构片断，由IR，UV，MS和NMR光谱等方法。4、确定平面结构，连接结构片断，排除不合理的结构，可与有关相近似的化合物比较，必要时，可通过化学合成来验证。5、确定分子的立体结构，CD谱或ORD谱由NOE或2D-NMR谱， X-射线单晶衍射，化学合成6、文献对照,二 化合物纯度的鉴定 1. 测熔点: 看熔程 2. 外观结晶色泽与形状: 均一性 3. 色谱法: TLC 三种组成不同的溶剂系统, 单一斑点 HPLC 单一峰 GC 单一峰 4. 核磁法,第五节 结构研究方法,第五节 结构研究方法,二、已知化合物鉴定 1. 有标准品(或对照品): Co-TLC (共薄层，三种系统) 测混合熔点(相同溶剂结晶); 测IR (考察是否重叠） 2. 无标准品: 与文献值对照(相同的溶剂条件下：mp, IR, UV, 1H-NMR, 13C-NMR等)。,第五节 结构研究方法,三、未知化合物 多种谱学结合的结构解析 1.紫外光谱(Ultraviolet spectra UV) 为结构解析提供的信息 用于判断结构中的共轭系统、结构骨架（如香豆素、黄酮） UV谱一致，不一定是一个化合物。 应用：确定平面的结构骨架，立体结构的构型、构象。,第五节 结构研究方法,黄酮类化合物紫外光谱,第五节 结构研究方法,2. 红外光谱(Infrared spectra IR) 为结构解析提供的信息 提供各种官能团的信息 八大区（复习） 如：芳香环: 1600-1480cm-1， OH: 3000 cm-1, C=O : 1700 cm-1. IR相同者可能为同一化合物。,茶皂苷的IR光谱,第五节 结构研究方法,3.质谱(Mass spectra MS)为结构解析提供的信息 给出分子量(M+), 给出基团或片段信息, HR-MS可计算分子式;MS图一致(同一型号仪器,同一条件)一般为同一化合物类型 EI-MS: 醇、糖苷不能给出分子离子峰; FD-MS、FAB-MS、ESI-MS ：用于糖苷,肽,核酸类,可确定分子量。 HR-MS：给处精确的分子量和分子式。,茶皂苷的FABMS,茶皂苷的HRFABMS,第五节 结构研究方法,为结构解析提供的信息 化学位移: (用于判断H的化学环境 chemical shift); 偶合常数: J (Hz) 用于判断H与H的关系 coupling constant) 积分强度(积分面积): 确定H的数目.,4. 核磁共振谱（Nuclear magnetic resonance NMR） 4.1 质子谱（1H-NMR）,J8.0Hz 存在偶合,化学位移数值,计算得偶合常数,积分面积表示氢数,第五节 结构研究方法,常见基团的化学位移值: Ar-H ：6-8, -CHO ：9-10 -CH3 ：1-2, C=C-CH3, COCH3, ArCH3 ：1.9-2.5 -OCH3 ：3.5-4.0, -COOCH3与ArOCH3 ：3.7-4.0,4. 核磁共振谱（Nuclear magnetic resonance NMR） 4.1 质子谱（1H-NMR）,第五节 结构研究方法,影响化学位移因素 化学位移值与电子云密度有关。电子云密度降低,去屏蔽作用增强,向低场位移, 增大。 1）诱导效应 2）共轭效应 3）磁各向异性效应 4）氢键缔合 5）范德华效应,4. 核磁共振谱（Nuclear magnetic resonance NMR） 4.1 质子谱（1H-NMR）,第五节 结构研究方法,4. 核磁共振谱（Nuclear magnetic resonance NMR） 4.1 质子谱（1H-NMR）,.偶合常数(J) a.偶合裂分是有原子核引起的,通过化学键传递; b.相互偶合的H核其J值相同; c.一级图谱峰的裂分遵循n+1规律; d.归属H核,判断排列情况.偶合分类 偕偶(Jgem)又为同碳偶合 sp3 J=10-15Hz; sp2 C=CH2 J=0-2Hz, N=CH2 J=7.6-17Hz,邻偶(Jvic) 饱和型: 自由旋转J=7Hz 构象固定: 0-18Hz,与两面角有关, J90=0Hz, J180 Jo(7.5Hz); 烯型：Jcis =6-14Hz(10), Jtrans=11-18Hz(15) 芳环: Jo=6-9Hz.远程偶合: 如烯丙偶合 J4=0-3Hz，苯环的间位Jm=1-3Hz和对位偶合Jp=0-1Hz,偶合分类,4. 核磁共振谱（Nuclear magnetic resonance NMR） 4.2 碳谱（13C-NMR）,为结构解析提供的信息,化学位移：碳处的化学环境峰高或峰面积:一般不与碳数成正比,第五节 结构研究方法,茶黄酮的13C NMR光谱,4. 核磁共振谱（Nuclear magnetic resonance NMR） 4.2 碳谱（13C-NMR）,常见一些基团的化学位移值: 脂肪C: 50 连杂原子C: C-O,C-N,C-S :50-100 C-OCH3 : 55; 糖端基C : 95-105 芳香碳,烯碳: 98-160 连氧芳碳 :140-165 C=O: 168-220,第五节 结构研究方法,4. 核磁共振谱（Nuclear magnetic resonance NMR） 4.2 碳谱（13C-NMR）,常见一些基团的化学位移值:,第五节 结构研究方法,C=O: 168-220 醛CHO： 190205 酮： 195220 羧酸： 170185 酯及内酯： 165180 酰胺及内酰胺: 165180