课件：第一章总论天然药物化学.ppt

1/82,第一章 总论 （Generation）,2/82,基本内容,天然药物化学的概念、研究范围、研究目的与任务。 有效成分与无效成分的概念。 各类天然药物化学成分简介。 一次代谢产物与二次代谢产物的概念，主要的生物合成途径。 常用的提取分离方法。 天然产物结构研究方法。,3/82,基本要求,掌握 常用的提取、分离方法。 熟悉 天然药物化学的研究范围，各类化合物的生物合成途径。 了解 NMR谱的应用。,4/82,本章内容,第一节 概述 第二节 各类成分简介 第三节 生物合成 第四节 提取分离方法 第五节 结构研究方法,5/82,第一节 绪论,一天然药物化学的概念： 1. 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。 2. 研究内容： 各类中药的化学成分（主要是生物活性成分或药效成分）的结构特点、理化性质、提取分离方法、结构鉴定及生合成途径等。,6/82,第一节 绪论,二.天然药物来源 植物药、动物药、矿物药、以植物药为主。 三. 相关学科 1. 植物化学（Phytochemistry） 2. 中药化学（Natural Product Chemistry） 3. 药物化学（Medicinal Chemistry）：合 成药物、药物的构效关系,7/82,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。,8/82,白果是银杏的俗称，被称作为是植物中的活化石。白果含白果醇、白果酸，具有杀菌功能，有化痰、止咳、补肺、通经、止浊、利尿等疗效。,9/82,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。”,10/82,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。,11/82,第一节 绪论,四 基本概念 1. 有效成分: 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：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。,12/82,本章内容,第一节 概述 第二节 各类天然药物化学成分简介 第三节 生物合成 第四节 提取分离方法 第五节 结构研究方法,13/82,第二节 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,14/82,三萜皂苷 甾体皂苷 强心苷,3.挥发油,皂苷,15/82,4.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 各类成分简介 第三节 生物合成 第四节 提取分离方法 第五节 结构研究方法,17/82,一 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，常为有效成分。,18/82,二 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） 合成脂肪酸类、酚类、蒽醌类 2.甲戊二羟酸途径（途径） 主要生成萜类、甾体类化合物 3.莽草酸途径和桂皮酸途径 形成具C6-C3骨架的化合物，如香豆素、木脂素、黄酮等。,19/82,4.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 三、生物合成的意义： 对天然化合物结构分类，结构推测；植物化学分类 学；仿生合成及组织培养等有指导意义。,20/82,本章内容,第一节 概述 第二节 各类成分简介 第三节 生物合成 第四节 提取分离方法 第五节 结构研究方法,21/82,第四节 提取分离方法,一、提取法： 1.溶剂提取法（solvent extraction） 原理：相似相溶 理想溶剂（ideal solvents ）： （1）对有效成分溶解度大； （2）对无效成分溶解度小； （3）与有效成分不起化学反应； （4）安全，成本低，易得。,22/82,常用提取溶剂,乙酸乙酯、氯仿、乙醚、苯、石油醚,亲水性有机溶剂,甲醇、乙醇、丙酮、正丁醇,亲脂性有机溶剂,水,大,小,小,极 性,23/82,第四节 提取分离方法,渗漉法装置图,1)冷提：适用于受热不稳定的成分。 浸渍 (Maceration) 渗漉（Percolation）,优点：适用于热敏物 质，操作简单 缺点：提取效率低， 溶剂用量大,24/82,第四节 提取分离方法,2) 热提：煎煮法（Decoction） 回流（Refluxing） 连续回流（Continuous Refluxing）,回流提取法装置,索氏提取器,样品,虹吸管,滤纸套筒,蒸汽上升管,冷凝,25/82,第四节 提取分离方法,2.水蒸气蒸馏法（water-steam distillation ） 提取具有挥发性，能随水蒸气蒸馏而不被破坏的成分，如挥发油。,药材+水,冷凝,挥发油测定,26/82,第四节 提取分离方法,3.升华法（ sublimation ） 用于具有升华性的成分提取，如某些小分子香豆素，蒽醌，樟脑等。,升华法制备咖啡因装置图,蒸发皿上盖上一张刺有小孔的圆滤纸，在上面罩上干燥的玻璃漏斗(漏斗颈部塞少许脱脂棉以减少咖啡因蒸气逸出),27/82,第四节 提取分离方法,4.超临界流体提取法（supercritical fluid extraction SFE) 利用溶剂在超临界条件下特殊的流体性能对样品进行提取，为20世纪80年代迅速发展起来的一种提取方法。20世纪90年代用于天然药化的研究。,超临界流体的密度与液体很接近，而它又具有气体 扩散性能 常用的临界流体有CO2、N2O、 乙烷、丙烷等。 如从烟草中提取尼古丁，从咖啡中提取咖啡因。,28/82,控温面板,高压泵,超临界CO2萃取实验装置示意图,原 料,超临界萃取实验装置与实验方法,小试实验装置图,实验装置小试实验装置,组分,减压阀,29/82,20世纪50年代初进入试验阶段，如从石油中脱沥青 70、80年代，SFE越来越多的用于食品、香料的提取 90年代，开始从植物药中提取成分，如蛇床子、茵陈蒿、桑白皮中提取成分。,中小型SFE装置图,30/82,第四节 提取分离方法,5.超声提取法（ultrasonic wave extraction),超声波提取技术：是利用超声波产生的强烈的空 化效应、机械振动、高的加速度、乳化、扩散、击碎和搅拌作用，增大物质分子运动频率和速度，增加溶剂穿透力，从而加速药物有效成分进入溶剂，促进提取的进行。,31/82,为物理过程，无化学反应，生物活性不减。高能量的超声波产生的强大压力造成植物细胞壁及生物体破裂，导致胞内物质的释放、扩散及溶解。,实验室用小型超声仪,超声提取法的特点和装置,32/82,第四节 提取分离方法,二 分离方法 1. 根据溶解度差别进行分离 1.1 结晶法（纯化时常用） 条件：合适的溶剂；浓度；温度 1.2 沉淀法： a 溶剂沉淀法：改变极性，如水提醇沉法 b 酸碱沉淀法：改变pH，处理酸、碱、两性成分； c 沉淀试剂：如铅盐沉淀法，酸性、酚性成分加中性PbAc2，形成沉淀。,33/82,第四节 提取分离方法,2 根据物质在两相溶剂中的分配比不同进行分离 2.1 影响分离的因素 分离因子，分配系数K = KA/ KB KAKB, 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。,34/82,第四节 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 + 2 HA达到99%游离时，pH= pKa - 2,35/82,第四节 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。,2.3 逆流分溶法、液滴逆流色谱、高速逆流色谱 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。,36/82,第四节 提取分离方法,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。,37/82,第四节 提取分离方法,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。,38/82,第四节 提取分离方法,2.4 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（含水可达17%），硅藻土，纤维素等。 用途：分离极性大或水溶性成分，如苷类、糖、生物 碱等。 洗脱顺序：极性小的物质先被洗脱出来。,39/82,第四节 提取分离方法,2.4 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。,40/82,实验室用高效液相色谱仪,41/82,第四节 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。,42/82,第四节 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）,43/82,第四节 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：应用最广，适用于各 类成分分离 氧化铝：有中性、酸性、碱 性氧化铝。碱性氧 化铝不适合于分离 酸性成分，多用于 分离生物碱。,44/82,第四节 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，Rf值小，洗脱难， 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,45/82,第四节 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.,46/82,3.2 聚酰胺(Polyamide) 是由己酰胺聚合成的一类高分子化合物。,第四节 提取分离方法,聚酰胺吸附色谱,分离原理,吸附规律,实际应用,洗脱溶剂,47/82,聚酰胺吸附色谱法分离原理,醌,酚羟基,酸,48/82,聚酰胺吸附色谱法吸附规律,形成氢键的基团数目,分子内氢键,芳香化程度,连糖数目,吸 附 力 与 结 构 的 关 系,1,2,3,4,49/82,形成氢键的基团数目越多, 吸附力越强,1,50/82,形成分子内氢键者, 吸附力减少,2,51/82,O,分子内氢键的影响,H,H,52/82,芳香化程度越高或共轭键越多,吸附力越强,3,53/82,连糖数目越多吸附能力越低,4,1,1,2,1,2,3,54/82,55/82,聚酰胺吸附色谱法洗脱溶剂,尿素/水,NaOH,丙酮,醇,水,洗 脱 能 力 依 次 增 强,水和含水乙醇、甲醇是常用溶剂,56/82,聚酰胺吸附色谱法实际应用,聚酰胺柱色谱,聚酰胺薄层色谱,酚类,黄酮类,鞣质,醌类,57/82,应用实例1聚酰胺色谱法纯化芹菜总黄酮,纯化前,纯化后,58/82,应用实例2黄蜀葵花药材黄酮类成分的聚酰胺 薄层色谱定性鉴别研究,展开剂： A 丙酮：水：甲酸 (220. 5) B 50%乙酸; C 含水75%微乳液：甲酸 (91) 样品： 1 金丝桃苷; 2, 3 黄蜀葵花甲醇超声提取液,59/82,应用实例3五灵脂药材的聚酰胺薄层色谱鉴别,S1、S2 分别为扁柏双黄酮和穗花杉双黄酮对照品; S3 为五灵脂对照药材; 17为正品五灵脂; 8为伪品五灵脂,60/82,应用实例4聚酰胺色谱法分离纯化芦荟蒽醌衍生物,新鲜芦荟,去皮，打碎后50%乙醇浸泡24h,过滤,滤渣,滤液,20%硫酸水解4h; 氯仿萃取,蒽醌粗产物,聚酰胺柱色谱; 水/醇梯度洗脱,40%洗脱物,60%洗脱物,70%洗脱物,80%洗脱物,40%,60%,70%,80%,61/82,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= H B: R1 = H, R2= Rha C: R1 = Glc, R2= Rha,极性大小: SiO2-TLC Rf: Polyamide TLC, Rf:,第四节 提取分离方法,62/82,3.3 大孔吸附树脂(macro-reticular resin) 组成: 苯乙烯，二乙烯苯和致孔剂 分离原理:吸附(范德华力和氢键)和分子筛作用(多孔性结构) 树脂类型:非极性、中极性和极性三种。 非极性：由苯乙烯和二乙烯苯缩合而成，故又称 芳香吸附树脂。 中极性：含脂基的吸附树脂。 极 性：含酰氨基、氰基、酚羟基等含氮、氧、硫不同极性功能的吸附树脂。,第四节 提取分离方法,63/82,3.3 大孔吸附树脂 洗脱剂: H2O 及不同比例的含水醇。 洗脱分离: H2O 洗: 糖,水溶性色素 30% EtOH/ H2O: 极性大的成分 50-75% EtOH: 皂苷类 95% EtOH: 极性小成分 应用: 除多糖, 水溶性色素, 富集苷类成分,第四节 提取分离方法,64/82,第四节 提取分离方法,4.根据物质离解程度不同进行分离离子交换法 固定相：离子交换树脂（聚苯乙烯高分子化合物，引 入交换基团） 分类： 阳离子交换树脂：强酸型 RSO3-H+ 弱酸型 RCOO-H+ 阴离子交换树脂：强碱型 RN+(CH3)3Cl- 弱碱型 RNH2, RNHR, RNRR”,65/82,阴离子交换树脂：,4.2应用： 主要用于生物碱和有机酸的分离。,4.根据物质离解程度不同进行分离离子交换法,4.1交换原理: 阳离子交换树脂：,第四节 提取分离方法,66/82,第四节 提取分离方法,透析法: 半透膜, 分子筛滤过作用 超滤法: 分子大小不同, 扩散速度不同 超速离心法: 溶质在超速离心作用下具有不同的 沉降性或浮游性 凝胶滤过法: 分子筛的作用(凝胶渗透色谱,分子 筛滤过, 排阻色谱), 被分离物质按分子 由大到小的顺序流出色谱柱.,5.根据物质分子大小差别进行分离凝胶滤过法,5.1 主要的几种方法,67/82,第四节 提取分离方法,5.根据物质分子大小差别进行分离凝胶滤过法,5.2凝胶种类: 葡聚糖凝胶(Sephadex G): 只适于在水中应用, 分离多糖、 蛋白质等. 羟丙基葡聚糖凝胶(Sephadex LH-20)： 适用于各类化合物的分离，除具有分子筛的特性外，还起到反相分配色谱的效果。 常用溶剂有甲醇、氯仿-甲醇等。,68/82,本章内容,第一节 概述 第二节 各类成分简介 第三节 生物合成 第四节 提取分离方法 第五节 结构研究方法,69/82,一 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,70/82,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)。,71/82,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。,72/82,第五节 结构研究方法,黄酮类化合物紫外光谱,73/82,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