天然产物化学第二章分离.ppt

天然产物有效成分的分离、检测和毒 理学安全性与功效性评价 第二章 教学目的与要求： 掌握天然产物化学成分提取分离的原理及方法 了解用波谱法测定天然产物化学成分结构的 一般方法 主要内容 一、天然产物有效成分提取方法的原理 溶剂提取法与水蒸气蒸馏法的原理、操作及其特点 二、天然产物有效成分分离与精制 天然产物有效成分各种分离方法的原理 三、化合物的纯度测定 四、结构研究的主要程序 五、结构研究中采用的主要方法 UV IR MS NMR 第一节 天然有效成分的提取 溶剂法 水蒸气蒸馏法 升华法 一、溶剂提取法 1、溶剂提取法及其原理 根据“相似相溶”原理，选择与化合物极性相当 的溶剂将化合物从植物组织中溶解出来，同时， 由于某些化合物的增溶或助溶作用，其极性与溶 剂极性相差较大的化合物也可溶解出来。 溶剂提取法是根据天然产物中各种成分在溶剂中的 溶解性质，选用对活性成分溶解度大，对不需要溶 出成分溶解度小的溶剂，而将有效成分从药材组织 内溶解出来的方法。 2、常用溶剂的特点 环己烷,石油醚,苯,氯仿,乙醚,乙酸乙酯,正丁醇,丙酮,乙醇,甲醇 极性：小 大 亲脂性：大 小 亲水性：小 大 比水重的有机溶剂：氯仿 与水分层的有机溶剂：环己烷 正丁醇 能与水分层的极性最大的有机溶剂：正丁醇 与水可以以任意比例混溶的有机溶剂：丙酮 甲醇 极性最大的有机溶剂：甲醇 极性最小的有机溶剂：环己烷 介电常数最小的有机溶剂：石油醚 常用来从水中萃取苷类、水溶性生物碱类成分 的有机溶剂：正丁醇 溶解范围最广的有机溶剂：乙醇 运用溶剂提取法的关键，是选择适当的溶剂。溶剂选 择适当，就可以比较顺利地将需要的成分提取出来。 选择溶剂要注意以下三点：溶剂对有效成分溶解度 大，对杂质溶解度小；溶剂不能与中药的成分起化 学变化；溶剂要经济、易得、使用安全等。 3、溶剂的选择 4、各种溶剂提取法 连续回流提取法等 浸渍法 渗漉法 煎煮法 回流提取法 浸渍法：浸渍法系将天然产物粉末或碎块装人适当的 容器中，加入适宜的溶剂（如乙醇、稀醇或水），浸渍 药材以溶出其中成分的方法。 渗漉法：渗漉法是将天然产物粉末装在渗漉器中，不断 添加新溶剂，使其渗透过药材，自上而下从渗漉器下部 流出浸出液的一种浸出方法。 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 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 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 SLNS-快速渗漉提取浓缩机组工艺流程图 SLNS-快速渗漉提取浓缩机组 煎煮法：煎煮法是我国最早使用的传统的浸出方法。所 用容器一般为陶器、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，容易焦糊。有蒸汽加热设备的药厂， 多采用大反应锅、大铜锅、大木桶，或水泥砌的池子中 通入蒸汽加热。还可将数个煎煮器通过管道互相连接， 进行连续煎浸。 回流提取法：应用有机溶剂加热提取，需采用回流加热 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12cm。在 水浴中加热回流，一般保持沸腾约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分为止。此法提取效率较冷浸 法高，大量生产中多采用连续提取法。 连续回流提取法：应用挥发性有机溶剂提取天然产物有 效成分，不论小型实验或大型生产，均以连续提取法为 好，而且需用溶剂量较少，提取成分也较完全。实验室 常用脂肪提取器或称索氏提取器。连续提取法，一般需 数小时才能提取完全。提取成分受热时间较长，遇热不 稳定易变化的成分不宜采用此法。 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分 ，尤遇热 不稳定成 分 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 分 消耗溶剂量大 ，费时长 煎煮法水直火加热水溶性成 分 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 分 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省溶剂 、效率最 高 亲脂性较 强成分 用索氏提取器 ，时间长 二、 水蒸气蒸馏法 水蒸气蒸馏法，适用于能随水蒸气蒸馏而不被破坏 的天然产物成分的提取。此类成分的沸点多在100 以上，与水不相混溶或仅微溶，且在约100时存一 定的蒸气压。当与水在一起加热时，其蒸气压和水 的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。 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分具有升华的性质 ，故可利用升华法直接自天然产物中提取出来。 例如樟木中升华的樟脑（camphor），在本草纲目 中已有详细的记载，为世界上最早应用升华法制 取药材有效成分的记述。 茶叶中的咖啡碱在178以上就能升华而不被分解。 游离羟基蒽醌类成分，一些香豆素类，有机酸类成分 ，有些也具有升华的性质。 四、影响提取效果的因素 溶剂提取的效果主要取决于选择合适的溶剂和提取 方法。此外，原料的粉碎程度，提取温度，浓度差 ，提取时间，操作压力，原料与溶剂的相对运动等 因素也不同程度地影响提取效果。 原料的粉碎程度：原料经粉碎后粒度变小，表面能 增加，浸出速度加快，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，一般而言粒度以2060目为适。 浸出温度：温度增加可增大可溶性成分的溶解度 、扩散系数。扩散速度加快有利于浸提，并且温度 适当升高，可使原料中的蛋白质凝固、酶破坏而增 加浸提液的稳定性，但温度过高，会破坏不赖热的 成分，并且导致浸提液的品质劣变。提取的杂质含 量增高，给后道精制工序带来困难，一般浸出温度 控制在60100。 浸提时间:原料中的成分随提取时间延长，提取 的得率增加，但时间过长，杂质成分溶解也随之 增加，给后序提取精制造成困难，一般而言，热 提13h，乙醇加热回流提取12h。 浓度差:浓度差是原料组织内的浓度与外周溶液的 浓度差异。浓度差越大，扩散推动力越大，越有利 于提高浸出效率。 第二节 天然产物有效成分 的分离与精制 根据物质溶解度差别进行分离 根据物质在两相溶剂中的分配 系数不同进行分离 根据物质的吸附性差别进行分离 一、根据物质溶解度差别进行分离 1、结晶 结晶是利用温度不同引起溶解度的改变而使有效成 分以晶体的形式析出以达到分离物质的目的。 （1）杂质的除去：天然产物经过提取分离所得到 的成分，大多仍然含有杂质，或者是混合成分。 有时即使有少量或微量杂质存在，也能阻碍或延 缓结晶的形成。所以在制备结晶时，必须注意杂 质的干扰，应力求尽可能除去。 （2）溶剂的选择：制备结晶，要注意选择合宜的 溶剂和应用适量的溶剂。合宜的溶剂，最好是在冷 时对所需要的成分溶解度较小，而热时溶解度较大 。溶剂的沸点亦不宜太高。 （3）结晶溶液的制备 ：制备结晶的溶液，需要成 为过饱和的溶液。 （4）制备结晶操作 （5）重结晶及分步结晶：晶态物质可以用溶剂溶 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）结晶纯度的判定：化合物的结晶都有一定的 结晶形状、色泽、熔点和熔距，一可以作为鉴定 的初步依据。 2、溶剂沉淀： 在溶液中加入另一种溶 剂以改变混合溶剂的极性，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 二、根据物质在两相溶剂中的分配比 不同进行分离 1、液-液萃取与分配系数K值 K=CU/CL （2-1） 2、分离难易与分离因子 分离因子表示 A、B 两种溶质在同一溶剂系统中 分配系数的比值。 即： =KA/KB( 注：KA KB ) （2-2） 3、 分配比与pH HA+H2O A-+H3O+ 若使该酸性物质完全离解 ，则 ： 使该酸性物质完全游离，即使A-均转变成HA，则 ： 因为酚类化合物的pKa值一般为9.210.8，羧酸类化合 物的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）的共轭酸（BH+）的离解常数。 一般 pH12, 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,可采用图1-1所示在不同 pH的缓冲溶液与有机溶剂中进行分配的方法,使 酸性、碱性、中性及两性物质得以分离。 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。如果容易产生乳化，大量提取时要避 免猛烈振摇，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，可以采 用二相溶剂逆流连续萃取装置。 2） 水提取液的浓度最好在比重1.11.2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的比例，第一次提 取时，溶剂要多一些，一般为水提取液的1/3，以后 的用量可以少一些，一般1/4-1/6。 4）一般萃取34次即可。但亲水性较大的成分不易转 入有机溶剂层时，须增加萃取次数，或改变萃取溶剂 。 4、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 度和临界压力之上的条件下，从液体或固体物料中萃取 出待分离的组分的一种方法。 超临界流体由于接近液体的密度使之具有较高溶解度, 由于接近气体的粘度, 使之具有良好的流动性能,扩散 系数介于气液之间,使之对待萃取的物料组织有良好的 渗透性,这些特征大大提高了溶质进入超临界流体的传 质速率。 (1) 超临界流体萃取的特点 萃取过程在较低温度范围内进行,特别适用于具有热 敏性或易氧化的成分。萃取介质通常选用二氧化碳,二 氧化碳化学性质稳定,无腐蚀性、无毒性、不易燃、不 易爆,萃取后容易从分离成分中脱除,不会造成污染,适 用于食品和医药行业。 工艺条件容易控制,通过对温度和压力进行调节, 可 以实现选择性萃取和分离。 萃取产物的理化性质保持良好,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）超临界流体萃取的应用 由于超临界流体萃取技术上有许多元可替代的 优点,近年来获得高度的重视和广泛的应用,例 如中药有效成分的提取；菌体生成物的分离； 香精香料色素的提取；动植物脂肪、脂溶性成 分、植物碱、甾醇类物质等成分的提取；有机 溶剂以及有害有毒物质的脱除等。 5. 逆流分溶法(CCD) 液-液萃取分离中经常遇到的情况是分离因子值较小, 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, 而要采用逆流分溶法( countercurrent distribution,简称CCD)。 CCD 法因为操作条件温和、试样容易回收,故特别 适于中等极性、不稳定物质的分离。另外,溶质浓度 越低,分离效果越好。但是,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用此法 分离。易于乳化的萃取溶剂系统也不宜采用。 6、液液分配色谱柱 将两相溶剂中的一相涂覆在硅胶等多孔载体上,作为 固定相,填充在色谱管中,然后加入与固定相不相混 溶的另一相溶剂 (流动相)冲洗色谱柱。这样,物质同 样可在两相溶剂中相对作逆流移动,在移动过程中不 断进行动态分配而得以分离。这种方法称之为液-液 分配柱色谱法。 （1）正相色谱与反相色谱：分离水溶性或极性较大的 成分如生物碱、苷类、糖类、有机酸等化合物时,固定 相多采用强极性溶剂,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,则两相可以颠倒,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 (reverse phase partition chromatography)。 （2）加压液相柱色谱 特点：加压液相色谱用的载体多为颗粒直径 较小、机械强度及比表面积均大的球形硅胶 微粒，因而柱效率大大提高。 三、根据物质的吸附性质差别进行分离 物理吸附 (physical absorption) 也叫 表面吸附,是因构成溶液的分子(含溶质及 溶剂)与吸附剂表面分子的分子间力的相 互作用所引起。 特点：是无选择性、吸附与解吸过程 可逆、 可快速进行。故在实际工作中用 得最广。如采用硅胶、氧化铝及活性炭为 吸附剂进行的吸附色谱即属于这一类型。 化学吸附(chemical absorption),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 应的一类吸附。 特点：具有选择性、 吸附十分牢固、有 时甚至不可逆,故用得较少。 半化学吸附(semi-chemical absorption), 如聚酰胺对黄酮类、醌类等化合物之间的 氢键吸附,力量较弱,介于物理吸附与化学吸 附之间的一类吸附。 1. 物理吸附基本规律 （2）被分离的物质与吸附剂、洗脱剂共同构成吸 附过程中的三要素，彼此紧密相连。 （1）物理吸附过程一般无选择性，但吸附强弱大 体遵循“相似者易于吸附” 的经验规律。 硅胶、氧化铝因均为极性吸附剂,故有以下特点: (1)对极性物质具有较强的亲和能力,极性强的溶质 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 的吸附能力。溶剂极性增强,则吸附剂对溶质的吸 附能力即随之减弱。 (3)溶质即使被硅胶、氧化铝吸附,但一旦加入极性 较强的溶剂时,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, 对非极性物质具有较强的亲和能力,在水中对溶质表现 出强的吸附能力。溶剂极性降低,则活性炭对溶质的吸 附能力也随之降低。故从活性炭上洗脱被吸附物质时, 洗脱溶剂的洗脱能力将随溶剂极性的降低而增强。 2、 极性及其强弱判断 极性强弱是支配物理吸附过程的主要因素。所谓极性 乃是一种抽象概念,用以表示分子中电荷不对称 (asymmetry)的程度，并大体上与偶极矩(dipole moment) 、极化度（polarizability）及介电常数（dielectric constant）等概念相对应。 （1）官能团的极性按下列官能团的顺序增强： CH2CH2，CH2=CH2，OCH3，COOR， C=O，CHO，NH2，OH，COOH （2）化合物的极性则由分子中所含官能团的种类、数 目及排列方式等综合因素所决定。 （3）、大体上溶剂极性的大小可以根据介电常数 () 的大小来判断。介电常数越大，则极性越大 。一般溶剂的介电常数按下列顺序增大： 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的浓缩与精制 简单吸附，如在结晶及重结晶过程中加入活性炭进行 的脱色、脱臭等操作，在物质精制过程中应用很广。 一叶萩碱 curinine 本品系由大戟科植物一叶萩叶中 提取的一种生物碱，现已人工合 成。 【性状】其硝酸盐为白色或微粉 红色粉末，味苦，能溶于水。 【药理及应用】作用与士的宁相 似。但毒性较低。能兴奋脊髓。 增强反射及肌肉紧张度。体内代 谢较快，无蓄积。动物实验表明 ，小量能增强心肌收缩，并有抑 制胆碱酯酶作用。用于治疗小儿 麻痹症及其后遗症、面神经麻痹 ，对神经衰弱、低血压、植物神 经功能紊乱所引起的头晕以及耳 鸣、耳聋等有一定疗效。 4. 吸附柱色谱法用于物质的分离 吸附色谱法中硅胶、氧化铝柱色谱在实际工作中用 得最多。有关注意事项如下: (1) 硅胶、氧化铝吸附柱色谱过程中,吸附剂的用量 一般为试样量的3060倍。试样极性较小、难以分离 者,吸附剂用量可适当提高至试样量的100200倍。 据此可选用适当规格的色谱管, 实验室中常用色谱管 的规格如下所示，其高度与直径比约为(15:1) (20:1) 。 色谱管内径(cm):0.5 1.0 1.5 2.0 3.0 4.0 6.0 8.0 10 长度 (cm):10 15 30 45 60 75 90 120 150 (2) 硅胶、氧化铝吸附柱色谱,应尽可能选用极性小的 溶剂装柱和溶解试样,以利试样在吸附剂柱上形成狭 窄的原始谱带。 (3) 洗脱用溶剂的极性宜逐步增加,但跳跃不能太大。 实践中多用混合溶剂,并通过巧妙调节比例以改变极性, 达到梯度洗脱分离物质的目的。 (4) 为避免发生化学吸附,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,溶剂系统可通过 TLC进行筛选。 5. 聚酰胺吸附色谱法 聚酰胺(polyamide)吸附属于氢键吸附,是一种用途十 分广泛的分离方法,极性物质与非极性物质均可适用, 但特别适合分离酚类、醌类、黄酮类化合物。 (1) 聚酰胺的性质及吸附原理 一般认为是通过分子中的酰胺羰基与酚类、黄酮类化 合物的酚羟基,或酰胺键上的游离胺基与醌类、脂肪羧 酸上的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的能力。通常 在含水溶剂中大致有下列规律: 形成氢键的基团数目越多,则吸附能力越强 。 成键位置对吸附力也有影响。易形成分子内氢键 者,其在聚酰胺上的吸附即相应减弱。 分子中芳香化程度高者,则吸附性增强；反之,则 减弱。如： 以上是仅就化合物本身对聚酰胺的亲和力而言。但吸 附因为是在溶液中进行,故溶剂也会参加吸附剂表面的 争夺,或通过改变聚酰胺对溶质的氢键结合能力而影响 吸附过程。显然,聚酰胺与酚类或醌类等化合物形成氢 键缔合的能力在水中最强,在含水醇中则随着醇浓庭的 增高而相应减弱,在高浓度醇或其它有机溶剂中则几乎 不缔合。 （2）聚酰胺柱的洗脱 在聚酰胺柱上的洗脱能力由弱至强,可大致排列成下 列顺序: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) 聚酰胺色谱的应用 聚酰胺对一般酚类、黄酮类化合物的吸附是可逆的, 分离效果好,加以吸附容量又大,故聚酰胺色谱特别适 合于该类化合物的制备分离。此外,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的 分离也有着广泛的用途。 6. 大孔吸附树脂 (1) 大孔吸附树脂的吸附原理 大孔吸附树脂是吸附性和分子筛性原理相结合的分离 材料,它的吸附性是由于范德华引力或产生氢键的结 果。分子筛性是由于其本身多孔性结构的性质所决定 。 (2) 影响吸附的因素 比表面积、表面电性、能否与化合物形成氢键 （3）大孔吸附树脂的应用 大孔吸附树脂现在已被广泛应用于天然化合物的分离 和富集工作中,如苷与糖类的分离、生物碱的精制。在 多糖、黄酮、三萜类化合物的分离方面都有很好的应 用实例。 （4）洗脱液的选择 洗脱液可使用甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙脂等。 根据吸附作用强弱选用不同的洗脱液或不同浓度 的同一溶剂。对非极性大孔树脂,洗脱液极性越小 ,洗脱能力越强。对于中等极性的大孔树脂和极性 较大的化合物来说,则选用极性较大的溶剂为宜。 四、 根据物质分子大小差别进行分离 1、凝胶过滤法（Gel filtration） 凝胶过滤法也叫凝胶渗透色谱(Gel permeation chromatography)、分子筛过滤（molecular sieve filtration）、排祖色谱（exclusion chromatography）， 系利用分子筛分离物质的一种方法。其中所用载体， 如葡聚糖凝胶，是在水中不溶、但可膨胀的球形颗粒 ，具有三维空间的网状结构。 （1）原理：分子筛原理。即利用凝胶的三维网状结构 的分子筛的过滤作用将化合物按分子量大小不同进行 分离。 （2）出柱顺序：按分子由大到小顺序先后流出并得到分离 。 （3）常用的溶剂： 碱性水溶液（0.1mol/L NH4OH）含盐水溶液（ 0.5mol/L NaCl等） 醇及含水醇，如甲醇、甲醇水 其他溶剂：如含水丙酮，甲醇-氯仿 （4）凝胶的种类与性质 种类很多，常用的有以下两种： Sephadex-G：葡聚糖凝胶，只适用于水中应用 ，且不同规格适合分离不同分子量的物质。 Sephadex LH-20：羟丙基葡聚糖凝胶，为 Sephadex G-25经羟丙基化后得到的产物，具有以下 两个特点：具有分子筛特性，可按分子量大小分离 物质；在由极性与非极性溶剂组成的混合溶剂中常 常起到反相分配色谱的作用，适合于不同类型有机 物的分离。应用最广。 交联葡聚糖的化学结构 2、膜过滤法 膜过滤法是一种用天然或