天然产物化学01绪论名师优质课赛课一等奖市公开课获奖课件

天然产物化学第1页第一章绪论目标要求1.了解天然产物化学含义及研究内容。2.了解天然产物研究发展史3.掌握研究天然产物普通方法和程序4.了解中药及天然药品化学研究现实状况及发展前景5.了解我国中药天然药品化学研究存在问题第2页一、天然产物化学含义及研究内容天然产物指由动物、植物及海洋生物和微生物体内分离出来生物二次代谢产物,以及生物体内源性生理活性化合物（包含天然药品、天然树脂、天然精油、天然高分子、天然香精、天然色素等等），是由各种化学成份所组成复杂体系。在陆生植物体内主要成份就有：生物碱、萜类、甾体、苷类、黄酮类、蒽醌类、糖类、蛋白质、脂类等等。第3页天然产物有效成份（1）在药理和生物学角度来看是指有生物活性物质，这种物质在化学上能用分子式和结构式来表示，并含有一定物理常数；（2）在食品领域中，有效成份范围可扩展到除生物活性成份、功效成份之外，如：营养成份、天然食品添加剂成份等。第4页天然产物化学是利用当代科学理论与方法研究天然产物中化学成份一门学科。

第5页二、天然产物研究发展史1、1769年瑞典化学家舍勒从酒石分离出酒石酸。苯甲酸（1775）、乳酸（1785）、没食子酸（1786）等有机酸类物质。2、明代李延《医学入门》（1575）中记载了用发酵法从五倍子中得到没食子酸过程。书中谓“五倍子粗粉，并矾、曲和匀，如作酒曲样，入瓷器遮不见风，侯生白取出。”第6页3、《本草纲目》卷39中则有“看药上长起长霜，则药已成矣”记载。这里“生白”、“长霜”均为没食子酸生成之意，是世界上最早制得有机酸，比舍勒创造早了二百年。4、《本草纲目》卷34下详尽记载了用升华法等制备、纯化樟脑过程。欧洲直至18世纪下半叶才提出了樟脑纯品。第7页5、从药用动植物中提取活性成份则始于19世纪。第一个被提取成份是吗啡碱（一个异喹啉生物碱），于18由法国化学家F·泽尔蒂纳自鸦片中提取。第8页吗啡是鸦片中最主要生物碱(含量约10-15%)，18法国化学家F·泽尔蒂纳首次从鸦片中分离出来。第9页第10页6、今后数十年间发掘了大量民间药中活性成份，如土根碱、奎宁、辛可宁、番木鳖碱、咖啡因、阿托品毛地黄强心苷、毒毛旋花苷、蟾蜍等，以生物碱居多，都含有显著生理活性，能够代表其原生药，多数至今仍用作药品。但当初只能利用分馏和重结晶来纯化单体成份。7、20世纪50年代先后自印度萝芙木中取得降压活性成份利血平，以及从降血糖药长春花中取得抗癌活性成份春花碱，成为两个很有价值药品，引发了各方重视。第11页8、1960年左右开始了对海洋天然产物研究9、20世纪80年代以来，因为分子生物技术迅猛发展，为有效成份提取和功效研究提供了新方法。第12页

天然药品化学发展有两个转折点：

其一是1930年前后，因为微量元素分析法导入，试料量降至毫克水平，推进了天然成份分析工作。其二是1960年代前后，各种层析方法兴起，使微量天然新成份分离纯化简便易行。同时红外光谱、核磁共振、质谱等新技术问世，结构研究工作趋向微量，快速和准确。新技术兴起使研究天然产物化学成份周期大大缩短。总之，大自然是一个天然药库，中国用中草药治病已经有数千年历史和经验，这笔宝贵遗产亟待整理。第13页三、研究天然产物化学意义

研究天然产物化学有利于人类从分子层面全方面了解和认识天然产物，从而经过人工培养或人工合成方式定向获得大批量目标产物并造福人类。这些目标产物可能是药品，用于帮助人类与疾病作斗争，保障人类健康，提高人类生存质量；也可能是有特种功能物质，对人类生活提供方便；也为我们更好地认识自然和利用自然，提供了一个渠道。二十一世纪今天，人们已经充分认识到天然产物及其改性产物所具有独特征质与功效是人类社会可持续发展根本保证。第14页四、研究天然产物普通方法和程序

1、天然产物有效成份提取

2、天然产物有效成份分离和纯化

3、天然产物有效成份分子结构判定

4、天然产物有效成份毒理学、药效学评价第15页一天然有效成份提取

溶剂法水蒸气蒸馏法升华法第16页(一)、溶剂提取法

1、溶剂提取法及其原理溶剂提取法是依据天然产物中各种成份在溶剂中溶解性质，选取对活性成份溶解度大，对不需要溶出成份溶解度小溶剂，而将有效成份从药材组织内溶解出来方法。依据“相同相溶”原理，选择与化合物极性相当溶剂将化合物从植物组织中溶解出来，同时，因为一些化合物增溶或助溶作用，其极性与溶剂极性相差较大化合物也可溶解出来。第17页

极性：小————大亲脂性：大

————小

亲水性：小

————大

2、惯用溶剂特点环己烷,石油醚,苯,氯仿,乙醚,乙酸乙酯,正丁醇,丙酮,乙醇,甲醇第18页比水重有机溶剂：氯仿与水分层有机溶剂：环己烷-正丁醇能与水分层极性最大有机溶剂：正丁醇与水能够以任意百分比混溶有机溶剂：丙酮-甲醇极性最大有机溶剂：甲醇极性最小有机溶剂：环己烷介电常数最小有机溶剂：石油醚惯用来从水中萃取苷类、水溶性生物碱类成份有机溶剂：正丁醇溶解范围最广有机溶剂：乙醇第19页3、溶剂选择

利用溶剂提取法关键，是选择适当溶剂。溶剂选择适当，就能够比较顺利地将需要成份提取出来。选择溶剂要注意以下三点：①溶剂对有效成份溶解度大，对杂质溶解度小；②溶剂不能与中药成份起化学改变；③溶剂要经济、易得、使用安全等。第20页4、各种溶剂提取法

浸渍法渗漉法煎煮法回流提取法连续回流提取法等

第21页浸渍法：浸渍法系将天然产物粉末或碎块装人适当容器中，加入适宜溶剂（如乙醇、稀醇或水），浸渍药材以溶出其中成份方法。

渗漉法：渗漉法是将天然产物粉末装在渗漉器中，不停添加新溶剂，使其渗透过药材，自上而下从渗漉器下部流出浸出液一个浸出方法。第22页01溶剂罐02变频物料泵03快速渗漏机04流量计05渗滤液罐06可调试电加热水箱07热水泵08高效旋转薄膜蒸发器09浓缩液罐10冷凝器11冷却器12受却器13真空泵14控制柜

SLNS-快速渗漉提取浓缩机组工艺流程图第23页SLNS-快速渗漉提取浓缩机组第24页煎煮法：煎煮法是我国最早使用传统浸出方法。所用容器普通为陶器、砂罐或铜制、搪瓷器皿，不宜用铁锅，以免药液变色。直火加热时最好时常搅拌，以免局部药材受热太高，轻易焦糊。有蒸汽加热设备药厂，多采取大反应锅、大铜锅、大木桶，或水泥砌池子中通入蒸汽加热。还可将数个煎煮器经过管道相互连接，进行连续煎浸。第25页回流提取法：应用有机溶剂加热提取，需采取回流加热装置，以免溶剂挥发损失。小量操作时，可在圆底烧瓶上连接回流冷凝器。溶剂浸过药材表面约1～2cm。在水浴中加热回流，普通保持沸腾约1小时后放冷过滤，再在药渣中加溶剂，作第二、三次加热回流分别约半小时，或至基本提尽有效成份为止。此法提取效率较冷浸法高，大量生产中多采取连续提取法。第26页连续回流提取法：应用挥发性有机溶剂提取天然产物有效成份，不论小型试验或大型生产，均以连续提取法为好，而且需用溶剂量较少，提取成份也较完全。试验室惯用脂肪提取器或称索氏提取器。连续提取法，普通需数小时才能提取完全。提取成份受热时间较长，遇热不稳定易改变成份不宜采取此法。第27页

提取方法溶剂操作提取效率使用范围备注浸渍法水或有机溶剂不加热效率低各类成份，尤遇热不稳定成份出膏率低，易发霉，需加防腐剂渗漉法有机溶剂不加热—脂溶性成份消耗溶剂量大，费时长煎煮法水直火加热—水溶性成份易挥发、热不稳定不宜用回流提取法有机溶剂水浴加热—脂溶性成份热不稳定不宜用，溶剂量大连续回流提取法有机溶剂水浴加热节约溶剂、效率最高亲脂性较强成份用索氏提取器，时间长第28页(二)、水蒸气蒸馏法

水蒸气蒸馏法，适合用于能随水蒸气蒸馏而不被破坏天然产物成份提取。这类成份沸点多在100℃以上，与水不相混溶或仅微溶，且在约100℃时存一定蒸气压。当与水在一起加热时，其蒸气压和水蒸气压总和为一个大气压时，液体就开始沸腾，水蒸气将挥发性物质一并带出。第29页(三)、升华法固体物质受热直接气化，遇冷后又凝固为固体化合物，称为升华。天然产物中有一些成份含有升华性质，故可利用升华法直接自天然产物中提取出来。比如樟木中升华樟脑（camphor），在《本草纲目》中已经有详细记载，为世界上最早应用升华法制取药材有效成份记述。茶叶中咖啡碱在178℃以上就能升华而不被分解。游离羟基蒽醌类成份，一些香豆素类，有机酸类成份，有些也含有升华性质。第30页(四)、影响提取效果原因

溶剂提取效果主要取决于选择适当溶剂和提取方法。另外，原料粉碎程度，提取温度，浓度差，提取时间，操作压力，原料与溶剂相对运动等原因也不一样程度地影响提取效果。原料粉碎程度：原料经粉碎后粒度变小，表面能增加，浸出速度加紧，但粉碎度过高，样品粉粒表面积过大，吸附作用增强，反而影响扩散速度，并不利于浸出，普通而言粒度以20-60目为适。第31页浸出温度：温度增加可增大可溶性成份溶解度、扩散系数。扩散速度加紧有利于浸提，而且温度适当升高，可使原料中蛋白质凝固、酶破坏而增加浸提液稳定性，但温度过高，会破坏不赖热成份，而且造成浸提液品质劣变。提取杂质含量增高，给后道精制工序带来困难，普通浸出温度控制在60-100℃。第32页

浓度差:浓度差是原料组织内浓度与外周溶液浓度差异。浓度差越大，扩散推进力越大，越有利于提升浸出效率。浸提时间:原料中成份随提取时间延长，提取得率增加，但时间过长，杂质成份溶解也随之增加，给后序提取精制造成困难，普通而言，热提1~3h，乙醇加热回流提取1~2h。第33页二天然产物有效成份分离与精制

依据物质溶解度差异进行分离依据物质在两相溶剂中分配系数不一样进行分离依据物质吸附性差异进行分离第34页(一)、依据物质溶解度差异进行分离1、结晶结晶是利用温度不一样引发溶解度改变而使有效成份以晶体形式析出以到达分离物质目标。（1）杂质除去：天然产物经过提取分离所得到成份，大多依然含有杂质，或者是混合成份。有时即使有少许或微量杂质存在，也能妨碍或延缓结晶形成。所以在制备结晶时，必须注意杂质干扰，应力争尽可能除去。第35页（2）溶剂选择：制备结晶，要注意选择合宜溶剂和应用适量溶剂。合宜溶剂，最好是在冷时对所需要成份溶解度较小，而热时溶解度较大。溶剂沸点亦不宜太高。（3）结晶溶液制备：制备结晶溶液，需要成为过饱和溶液。

第36页（4）制备结晶操作（5）重结晶及分步结晶：晶态物质能够用溶剂溶解再次结晶精制。这种方法称为重结晶法。结晶经重结晶后所得各部分母液，再经处理又可分别得到第二批、第三批结晶。这种方法则称为分步结晶法或分级结晶法。（6）结晶纯度判定：化合物结晶都有一定结晶形状、色泽、熔点和熔距，一能够作为判定初步依据。第37页2、溶剂沉淀：在溶液中加入另一个溶剂以改变混合溶剂极性，使一部分物质沉淀析出，从而实现分离。3、沉淀剂沉淀：（1）金属离子沉淀；（2）酸碱沉淀；（3）非离子型聚合物沉淀；（4）均相沉淀。4、盐析沉淀

第38页(二)、依据物质在两相溶剂中分配比不一样进行分离1、液-液萃取与分配系数K值

K=CU/CL2、分离难易与分离因子β

分离因子β表示A、B两种溶质在同一溶剂系统中分配系数比值。即：β=KA/KB(注：KA>KB)第39页若使该酸性物质完全离解，则：3、分配比与pH

HA+H2OA-+H3O+

第40页使该酸性物质完全游离，即使A-均转变成HA，则：因为酚类化合物pKa值普通为9.2-10.8，羧酸类化合物pKa值约为5，故pH值为3以下，大部分酚酸性物质将以非离解形式（HA）存在，易分配于有机溶剂中；而pH12以上，则将以离解形式（A-）存在，易分配于水中。同理，对于碱性物质（B）：Ka为碱性物质（B）共轭酸（BH+）离解常数。第41页普通

pH<3时，酸性物质多呈非离解状态(HA)、碱性物质则呈离解状态

(BH+)存在，但pH>12,则酸性物质呈离解状态(A-)、碱性物质则呈非离解状态(B)存在。据此,可采取下列图所表示在不一样pH缓冲溶液与有机溶剂中进行分配方法,使酸性、碱性、中性及两性物质得以分离。

第42页第43页两相溶剂萃取在操作中还要注意以下几点：1）先用小试管猛烈振摇约1分钟，观察萃取后二液层分层现象。假如轻易产生乳化，大量提取时要防止猛烈振摇，可延长萃取时间。如碰到乳化现象，可将乳化层分出，再用新溶剂萃取；或将乳化层抽滤，或将乳化层稍稍加热；或较长时间放置并不时旋转，令其自然分层。乳化现象较严重时，能够采取二相溶剂逆流连续萃取装置。第44页2）水提取液浓度最好在比重1.1～1.2之间，过稀则溶剂用量太大，影响操作。3）溶剂与水溶液应保持一定量百分比，第一次提取时，溶剂要多一些，普通为水提取液1/3，以后用量能够少一些，普通1/4-1/6。4）普通萃取3～4次即可。但亲水性较大成份不易转入有机溶剂层时，须增加萃取次数，或改变萃取溶剂。第45页4.逆流分溶法(CCD)

液-液萃取分离中经常碰到情况是分离因子β值较小,故萃取及转移操作常须进行几十次乃至几百次。此时简单萃取已不能满足需要,而要采取逆流分溶法(countercurrentdistribution,简称CCD)。

第46页第47页

CCD法因为操作条件温和、试样轻易回收,故尤其适于中等极性、不稳定物质分离。另外,溶质浓度越低,分离效果越好。不过,试样极性过大或过小,或分配系数受浓度或温度影响过大时则不易采取此法分离。易于乳化萃取溶剂系统也不宜采取。第48页5、超临界流体萃取技术超临界流体萃取是以某一介质作为萃取剂，在其临界温度和临界压力之上条件下，从液体或固体物料中萃取出待分离组分一个方法。

超临界流体因为靠近液体密度使之含有较高溶解度,因为靠近气体粘度,使之含有良好流动性能,扩散系数介于气液之间,使之对待萃取物料组织有良好渗透性,这些特征大大提升了溶质进入超临界流体传质速率。第49页(1)超临界流体萃取特点

萃取过程在较低温度范围内进行,尤其适合用于含有热敏性或易氧化成份。萃取介质通常选取二氧化碳,二氧化碳化学性质稳定,无腐蚀性、无毒性、不易燃、不易爆,萃取后轻易从分离成份中脱除,不会造成污染,适合用于食品和医药行业。

工艺条件轻易控制,经过对温度和压力进行调整,能够实现选择性萃取和分离。第50页萃取产物理化性质保持良好,产品质量好,且无溶剂残留问题,萃取介质循环利用,无环境污染问题。超临界流体萃取需要冷媒和高压支持且生产量较小,操作成本大。（2）超临界流体萃取应用

因为超临界流体萃取技术上有许多不可替换优点,近年来取得高度重视和广泛应用,比如中药有效成份提取；菌体生成物分离；香精香料色素提取；动植物脂肪、脂溶性成份、植物碱、甾醇类物质等成份提取；有机溶剂以及有害有毒物质脱除等。第51页

6、液液分配色谱柱

（1）正相色谱与反相色谱：分离水溶性或极性较大成份如生物碱、苷类、糖类、有机酸等化合物时,固定相多采取强极性溶剂,如水、缓冲溶液等,流动相则用氯仿、乙酸乙醋、丁醇等弱极性有机溶剂,称之为正相色谱；但当分离脂溶性化合物,如高级脂肪酸、油脂、游离甾体等时,则两相能够颠倒,固定相可用石蜡油,而流动相则用水或甲醇等强极性溶剂,故称之为反相分配色谱

.第52页（2）加压液相柱色谱特点：加压液相色谱用载体多为颗粒直径较小、机械强度及比表面积均大球形硅胶微粒，因而柱效率大大提升。第53页(三)、依据物质吸附性质差异进行分离

物理吸附(physicalabsorption)也叫表面吸附,是因组成溶液分子(含溶质及溶剂)与吸附剂表面分子分子间力相互作用所引发。特点：①无选择性

②吸附与解吸过程可逆、

③可快速进行。故在实际工作中用得最广。如采取硅胶、氧化铝及活性炭为吸附剂进行吸附色谱即属于这一类型。第54页化学吸附(chemicalabsorption),如黄酮等酚酸性物质被碱性氧化铝吸附,或生物碱被酸性硅胶吸附等吸附质与吸附剂之间要发生化学反应一类吸附。特点：①含有选择性、②吸附十分牢靠、有时甚至不可逆,故用得较少。半化学吸附(semi-chemicalabsorption),如聚酰胺对黄酮类、醌类等化合物之间氢键吸附,力量较弱,介于物理吸附与化学吸附之间一类吸附。第55页1.物理吸附基本规律

（1）物理吸附过程普通无选择性，但吸附强弱大致遵照“相同者易于吸附”经验规律。（2）被分离物质与吸附剂、洗脱剂共同组成吸附过程中三要素，彼此紧密相连。硅胶、氧化铝因均为极性吸附剂,故有以下特点:(1)对极性物质含有较强亲和能力,极性强溶质将被优先吸附。(2)溶剂极性越弱,则吸附剂对溶质将表现出较强吸附能力。溶剂极性增强,则吸附剂对溶质吸附能力即随之减弱。第56页

(3)溶质即使被硅胶、氧化铝吸附,但一旦加入极性较强溶剂时,又可被后者置换洗脱下来。

活性炭因为是非极性吸附剂,故与硅胶、氧化铝相反,对非极性物质含有较强亲和能力,在水中对溶质表现出强吸附能力。溶剂极性降低,则活性炭对溶质吸附能力也随之降低。故从活性炭上洗脱被吸附物质时,洗脱溶剂洗脱能力将随溶剂极性降低而增强。

第57页

2、极性及其强弱判断

极性强弱是支配物理吸附过程主要原因。所谓极性乃是一个抽象概念,用以表示分子中电荷不对称程度，并大致上与偶极矩、极化度及介电常数等概念相对应。

（1）官能团极性按以下官能团次序增强：—CH2—CH2—，—CH2=CH2—，—OCH3，—COOR，>C=O，—CHO，—NH2，—OH，—COOH（2）化合物极性则由分子中所含官能团种类、数目及排列方式等综合原因所决定。第58页

（3）大致上溶剂极性大小能够依据介电常数(ε)大小来判断。介电常数越大，则极性越大。普通溶剂介电常数按以下次序增大：环己烷（1.88），苯（2.29），无水乙醚（4.47），氯仿（5.20），乙酸乙酯（6.11），乙醇（26.0），甲醇（31.2），水（81.0）3.简单吸附法进行物质浓缩与精制

简单吸附，如在结晶及重结晶过程中加入活性炭进行脱色、脱臭等操作，在物质精制过程中应用很广。第59页

4.吸附柱色谱法用于物质分离

吸附色谱法中硅胶、氧化铝柱色谱在实际工作中用得最多。相关注意事项以下:硅胶、氧化铝吸附柱色谱过程中,吸附剂用量普通为试样量30-60倍。试样极性较小、难以分离者,吸附剂用量可适当提升至试样量100-200倍。

第60页(2)硅胶、氧化铝吸附柱色谱,应尽可能选取极性小溶剂装柱和溶解试样,以利试样在吸附剂柱上形成狭窄原始谱带。(3)洗脱用溶剂极性宜逐步增加,但跳跃不能太大。实践中多用混合溶剂,并经过巧妙调整百分比以改变极性,到达梯度洗脱分离物质目标。

(4)为防止发生化学吸附,酸性物质宜用硅胶、碱性物质则宜用氧化铝进行分离。(5)如液-液分配色谱中所述,吸附柱色谱也可用加压方式进行,溶剂系统可经过

TLC进行筛选。第61页5.聚酰胺吸附色谱法

聚酰胺(polyamide)吸从属于氢键吸附,是一个用途十分广泛分离方法,极性物质与非极性物质均可适用,但尤其适合分离酚类、醌类、黄酮类化合物。

(1)聚酰胺性质及吸附原理

第62页

普通认为是经过分子中酰胺羰基与酚类、黄酮类化合物酚羟基,或酰胺键上游离胺基与醌类、脂肪羧酸上羰基形成氢键缔合而产生吸附。至于吸附强弱则取决于各种化合物与之形成氢键缔合能力。通常在含水溶剂中大致有以下规律:①

形成氢键基团数目越多,则吸附能力越强。第63页②

成键位置对吸附力也有影响。易形成份子内氢键者,其在聚酰胺上吸附即对应减弱。

③分子中芳香化程度高者,则吸附性增强；反之,则减弱。如：第64页（2）聚酰胺柱洗脱

在聚酰胺柱上洗脱能力由弱至强,可大致排列成以下次序:水→甲醇→丙酮→氢氧化纳水溶液→甲酰胺→二甲基甲酰胺→尿素水溶液(3)聚酰胺色谱应用

聚酰胺对普通酚类、黄酮类化合物吸附是可逆,分离效果好,加以吸附容量又大,故聚酰胺色谱尤其适合于该类化合物制备分离。另外,对生物碱、萜类、甾体、糖类、氨基酸等其它极性与非极性化合物分离也有着广泛用途。第65页6.大孔吸附树脂

(1)大孔吸附树脂吸附原理

大孔吸附树脂是吸附性和分子筛性原理相结合分离材料,它吸附性是因为范德华引力或产生氢键结果。分子筛性是因为其本身多孔性结构性质所决定。(2)影响吸附原因比表面积、表面电性、能否与化合物形成氢键第66页（4）洗脱液选择

洗脱液可使用甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙脂等。依据吸附作用强弱选取不一样洗脱液或不一样浓度同一溶剂。对非极性大孔树脂,洗脱液极性越小,洗脱能力越强。对于中等极性大孔树脂和极性较大化合物来说,则选取极性较大溶剂为宜。

（3）大孔吸附树脂应用

大孔吸附树脂现在已被广泛应用于天然化合物分离和富集工作中,如苷与糖类分离、生物碱精制。在多糖、黄酮、三萜类化合物分离方面都有很好应用实例。

第67页(四)、依据物质分子大小差异进行分离

1、凝胶过滤法（Gelfiltration）系利用分子筛分离物质一个方法。其中所用载体，如葡聚糖凝胶，是在水中不溶、但可膨胀球形颗粒，含有三维空间网状结构。（1）原理：分子筛原理。即利用凝胶三维网状结构分子筛过滤作用将化合物按分子量大小不一样进行分离。

第68页（2）出柱次序：按分子由大到小次序先后流出并得到分离。（3）惯用溶剂：①碱性水溶液（0.1mol/LNH4OH）含盐水溶液（0.5mol/LNaCl等）②醇及含水醇，如甲醇、甲醇—水③其它溶剂：如含水丙酮，甲醇-氯仿第69页（4）凝胶种类与性质种类很多，惯用有以下两种：