甾体类化合物(含甾体皂苷和强心苷)

第7章甾体化合物一、概述二、甾体化合物的性质三、代表性甾体化合物四、甾体皂苷五、强心苷,一、甾体化合物的结构与命名甾体化合物在生命活动中起调节和控制作用。例性激素调节性功能及调节生育，皮质激素调节水盐代谢及糖的平衡。甾体化合物主要有胆甾醇，胆汁酸，性激素，肾上腺皮质激素，甾体生物碱等。,1.甾体化合物的结构甾体化合物基本母核(结构)为环戊稠多氢化菲，一般含有三个支链，其中R1、R2常为甲基，R3因化合物不同而异。,环戊稠多氢化菲,甾体化合物的立体构型主要有两大类，分别称为胆甾烷系和粪甾烷系。,胆甾烷系(别系),A,B环反式(5系)A,B环aa型连接,粪甾烷系(正系),A,B环顺式(5系)A,B环ae型连接,18及19位上的甲基称角甲基，在环平面上方(或前方)的角甲基称-角甲基，在环平面下方(或后方)的甲基称-角甲基。天然存在的甾体化合物中都是-角甲基，其它基团根据其在环平面前方还是在环平面的的后方，用-或-表示。,两个甾体化合物：(1)黄体酮：分子式为C21H30O2，学名为4-孕甾烯-3,20-二酮，具有保胎作用，可从胆固醇来合成。,(2)氢化可的松分子式为C21H30O5，又称皮质醇。具生理活性，主要用于治疗皮炎和风湿性关节炎，C11上-OH是-式，C17上-OH是-式即11,17,21-三羟基-4-孕甾烯-3,20-二酮。,与氢化可的松相似结构的另一化合物，无生理作用，与氢化可的松的差异是C11上-OH是-式。(11-羟基，17-羟基),2.甾体化合物命名结合IUPAC命名法与中文特点，一些母体化合物的名称表述如下：,(1)雄(甾)烷(Androstane),(2)雌(甾)烷(Estrane),(3)孕(甾)烷(Pregnane)：,(6)豆甾烷(Stigmastane),(4)胆甾烷(Cholestane),(5)麦角甾烷(Ergostane),例：,17-羟基-4-孕甾烯-3,20-二酮,5,7,22-麦角甾三烯-3-醇,3-羟基-5-胆甾-6-酮,6-溴-5-孕甾-7,20-二酮,二、甾体化合物的一些反应与构象的关系甾体化合物的反应过程、速度和构象有关，胆甾烷与粪甾烷的构象如下所示。5-胆甾烷构象，A,B环反式，天然界甾体C3上-OH绝大多数为-式(e键OH)，C17上R为-式，45、56位双键易反应。5-粪甾烷构象，A,B环顺式，C3上-位稳定，-OH多(e键OH)。,5-胆甾烷构象：,5-粪甾烷构象：,1.甾醇和碱作用,5-胆甾烷-3-醇(e键)5-胆甾烷-3-醇(a键),(90%),(10%),(10%),(90%),胆甾烷中羟基在e键上比a键上稳定，因此含量较高，而粪甾烷的情形正好相反。,2.甾醇的酯化反应,规律：e键上的-OH易和-COOH酯化，与a键上-OH相比可达98%以上。,3-OH(e键)与氯甲酸乙酯的反应产物占绝大多数，C5-OH与C6-OH(a键)几乎不反应。,3.水解反应规律：在e键上的酰氧基酯水解速度比在a键上快许多倍。胆甾醇3式快；粪甾醇3式快。,胆甾醇系：,粪甾醇的情形与胆甾醇相反。,多少,4.卤化反应常用PBr3，PCl5作卤化剂。卤化过程中易发生构型转化(SN2)，也有构型不变产物(e键上引入卤素)。例下列过程引入卤素构型不变。,5.消去反应消去反应的结果是脱去一些象H2O一样的小分子而生成双键产物。当两个被消去基团处在反式双竖键(双a键)容易发生消去反应；反式双e键或顺式双竖键都不易消去。,2-烯键化合物,3-次甲基衍生物,由于2-烯键化合物存在超共轭(-共轭)效应，而3-次甲基衍生物为端位烯，内能高，因此稳定性为2-烯键化合物大于3-次甲基衍生物。,6.加成反应例如胆甾醇的加成反应，因为C18，C19角甲基都是-型，所以双键加成时从位阻较小的-面向双键进攻，分别得到胆甾-3,5,6-三醇与5,6-二溴胆甾-3-醇。,5,6-二羟基产物,顺式加成产物,5,6-二溴产物(反式加成产物),双键加溴过程：,两个溴都在a键上,不稳定，易发生消去反应,粪甾烷系二溴产物，较稳定，两个溴在e键上，但OH在a键上,7.羰基加成-消去反应,8.氧化反应常用铬酸、HOBr等氧化剂氧化羟基。氧化规律：OH处在a键上易氧化。甾醇羟基被氧化活性次序从易到难排列如下：11-OH2-OH3-OH2(3)-OH(a键)(a键)(a键)(e键)100203.01.3(1.0)氧化相对速率Grimmer在1960年用铬酸氧化各种甾醇得不同速率，以测定甾体化合物碳环上羟基位置和取向，此为一种有效的分析方法。,双键氧化断裂常用高锰酸钾、臭氧化锌粉水解。,9.还原反应羰基还原时常用还原剂LiAlH4、NaBH4等，例：,三、代表性甾体化合物1.甾醇甾醇是脂肪不能被皂化部分分离得到的饱和或不饱和的第二级醇(仲醇)，无色结晶，几乎不溶于水，但易溶于有机溶剂。甾醇在C3上-OH都是-型，在天然界中以游离醇或高级脂肪酸酯形式存在。主要有三大类：(1)动物甾醇动物体内(2)微生物甾醇酵母菌，霉菌(3)植物甾醇植物体内,甾醇基本母核：,多数甾醇C5，C6之间有双键，重要的几种甾醇见表7-1。例：胆甾醇，双键位置在5位；麦角甾醇，双键位置在5,7,22位。,(1)胆甾醇分子式为C27H46O，俗称胆固醇，是一种白色结晶，m.p.149，max=220nm。1775年由Conrud发现，是最重要的动物甾醇，动物所有细胞组织内，中枢神经细胞内及皮脂与肾脏内特多，在成人体内，大约含240克。含胆固醇较高食物有猪油、黄油、动物内脏、鹌鹑蛋、墨鱼、鱿鱼籽等。胆固醇易吸收，其酯不被吸收，并受植物甾醇抑制。食物胆甾醇吸收率1/3。胆固醇在老年人体内过高是有害的，可引起高血压、冠心病、胆结石、动脉硬化等疾病。但在人体内并不是越低越好，应将胆固醇保持在一个合理的水平上。,胆固醇对人体健康至关重要：首先，胆固醇是人体组织结构、生命活动及新陈代谢中必不可少的一种物质，它参与细胞与细胞膜的构成；其次，人体的免疫力，只有在胆固醇的协作下，才能完成其防御感染、自我稳定和免疫监视三大功能；第三，胆固醇是肾上腺皮质激素、性激素等的基本原料。如果体内胆固醇过低，会造成机体功能紊乱，免疫功能下降，精神状态不稳定，血管壁变脆，脑溢血的危险增加等。因此在防治心脑血管疾病时，应进行综合“治理”，并将胆固醇保持在一个合理的水平上。,胆甾醇细胞内合成过程：(1)乙酰辅酶-A经缩合、水解、辅酶NADPH还原生成(R)-3-甲基-3,5-二羟基戊酸(MVA)。,乙酰辅酶-AMVA,(2)MVA经多步转变成角鲨烯(squalene)(甾体化合物母体合成的前体)。,单萜焦磷酸酯,(3)角鲨烯氧化得2,3-角鲨烯环氧化物，经酶催化环化聚合，重排甲基与脱去H+得羊毛甾醇，再经一系列酶催化反应，最后得到胆甾醇。,羊毛甾醇胆固醇,思考：如何将胆甾醇转变成(A).5-胆甾-3-酮(B).5-胆甾-3,6-二醇,胆甾醇用途之一是用来代替薯蓣皂素作原料合成甾体激素。例胆甾醇通过微生物转变成雌酮、A.D.D.等，用A.D.D.可制造蛋白质同化激素、雄激素、雌激素、利尿激素、牛肉肥育激素、抗癌剂等。,1,4-雄甾二烯-3,7-二酮,(androsta-1,4-diene-3,17-dione),胆甾醇在体内转变成维生素D3，胆酸，皮质激素等。,(2)麦角甾醇分子式为C28H44O，白色片状或针状结晶，m.p.=165，=-130，max=282nm。不溶于水，溶于热乙醇和乙醚。存在于酵母菌、麦角菌、霉菌中，在空气中极不稳定，一般保存于植物油中。,分子中有三个双键，抗氧化能力强，生理活性大可作为合成甾体激素和药物的原料，例：,维生素D2,2.甾体皂素甾体皂素是一类C-27甾体化合物，主要存在于苜蓿、大豆、绿豆、燕麦、蚕豆、碗豆、茄子、菠菜、花、，苋菜、四季豆、大蒜、人参、甘草、茶叶中，其中：苜蓿、大豆、碗豆、花生中含量高。例：薯蓣皂素：,剑麻皂素：,甾体皂素和水形成亲水胶体，有强的表面活性，能形成稳定的泡沫，又能起乳化作用，用于充碳酸气饮料。甾体皂素和糖组成皂苷，天然物可用于饮料，啤酒等的起泡剂，较温和；也可作洗涤剂；是合成性激素、贤上腺皮质激素等药物的重要原料。皂素测定方法：植物原料在索氏提取器中用丙酮或乙醚除去脂肪，甲醇萃取得粗提液，再薄层色谱(TLC)测定。,3.甾体激素甾体激素结构上的特点是C17上没有长的碳链，主要有性激素与肾上腺皮质激素。是一类维持生命、保持正常生活、促进性器官发育、维持生殖的重要生物活性物质，不仅能治疗多种疾病，而且也是计划生育及产生免疫抑制等方面不可缺少的药物。(1)性激素性腺(睾丸或卵巢)的分泌物，有雄性激素，雌性激素，妊娠激素三种。生理作用很强，很少量就能产生极大的影响。,睾丸酮分子式为C19H28O2，学名为17-羟基-4-雄甾烯-3-酮，针状结晶，m.p.=155，=+209(c=4，乙醇)，不溶于水，溶于乙醇、醚和其溶剂，在人体内不稳定。,睾丸酮,甲基睾丸酮分子式C20H30O2，学名17-羟基-17-甲基-4-雄甾烯-3-酮，白色晶体，m.p.=162167，=+81(1%乙醇)，空气中稳定，受光易变化。在人体内可合成ADD。,甲基睾丸酮,雌酮分子式为C18H22O2，学名3-羟基-1,3,5-雌三烯-17-酮。,丙酸睾丸酮丙酸睾丸酮分子式为C22H32O3，学名为17-羟基-4-雄甾烯-3-酮丙酸酯，简称丙睾酮。白色结晶或结晶性粉末，m.p.118123，+88(c=1，乙醇)。不溶于水，略溶于植物油中，易溶于氯仿、乙醇、乙醚等溶剂。,苯甲酸雌二醇分子式为C25H27O3，学名3,17-二羟基-1,3,5(10)-雌三烯-3-苯甲酸酯。白色结晶，m.p.191196，+60(c=1，二氧六环)。不溶于水，略溶于丙酮，微溶于、乙醇或植物油中。进入体内水解成雌二醇起作用，雌二醇强度为雌酮的10倍。,孕(甾)酮又称黄体酮，分子式C21H30O2，学名为4-孕甾烯-3,20-二酮。白色或微黄色结晶或粉末，m.p.=127131，=+195(c=0.5，乙醇)。不溶于水，溶于丙酮、二氧六环和浓硫酸。孕酮有抑制排卵、停止月经、抑制动情并使受精卵在子宫中发育等生理作用。医药上用于防止流产。,妊娠激素有抑制排卵、防止再孕的作用，可作避孕药，但孕酮口服需要很大的剂量。科学家把结构改造成炔诺酮，极大地提高了效果，且和雌性激素配合使用，效果更佳。它们的结构如下：,炔诺酮(起妊娠激素的作用),炔雌二醇(起雌性激素作用),(2)肾上腺皮质激素肾上腺皮质激素是产生于肾上腺皮质部分的一类激素。现已由肾上腺皮质部分分离出30种甾体化合物，其中有几种具有激素的性质，如皮质甾酮、皮质酮、11-去氧皮质甾酮、皮质醇等。它们在结构上有些类似，在C17上都有-COCH2OH基团，C3为酮基，C4C5间为双键,皮质醇又称氢化可的松，学名11,17,21-三羟基-4-孕烯-3,20-二酮。,皮质酮皮质酮又称可的松，学名17,21-二羟基-4-孕烯-3,11,20-三酮。m.p.=220224，=+209。,皮质甾酮学名为11,21-二羟基-4-孕烯-3,20-二酮。,11-去氧皮质甾酮学名为21-羟基-4-孕烯-3,20-二酮。,肾上腺皮质激素对糖、蛋白质、脂肪的代谢和无机盐(Na+、K+盐)代谢有显著影响，但更重要的是发现可的松、氢化可的松可治疗治疗类风湿关节炎，还可治疗支气管哮喘、皮肤炎症、过敏等作用，是一类重要药物。由于天然提取数量有限，而且比较困难，现已改用工业合成的方法制造，可由薯芋皂素、胆汁酸等为原料制得，并且还合成了疗效更好、副作用小的肾上腺皮质激素，如6-氟-1-去氢皮质醇等。,6-氟-1-去氢皮质醇(6-氟-11,17,21-三羟基-1,4-孕二烯-3,20-二酮),思考：用简单化学方法区别下列化合物：A.胆甾醇B.雌二醇C.睾丸酮D.孕甾酮,甾体皂苷元:27个碳原子，含6个环,C22是螺原子，E、F环以螺缩酮形式连接。,螺旋甾烷,异螺旋甾烷(绝对构型为D型),常见的甾体皂苷元如剑麻皂苷元是螺旋甾烷醇型衍生物；薯蓣皂苷元属异螺旋甾烷醇型衍生物。,剑麻皂苷元：,薯蓣皂苷元：,三萜皂苷的皂苷元是三萜类衍生物，其基本骨架由6个异戊二烯单位、30个碳原子组成。,根据皂苷元的结构，三萜皂苷可分为四环三萜皂苷和五环三萜皂苷两大类。,2.皂苷的理化性质,用发泡实验可以初步判断皂苷的有无及区别三萜皂苷与甾体皂苷。,(3)溶血性,皂苷有使血液中的红细胞破裂的作用，因此在制备皂苷中药静脉注射液时须做溶血试验。溶血指数:皂苷定量的指标.溶血指数:是指皂苷对同一动物来源的红细胞稀悬浮液，在同一的等渗条件、缓冲条件及恒温下造成完全溶血的最低浓度。,(4)皂苷的水解,一次完成水解，生成皂苷元及糖.分步水解，即部分糖先被水解，或双糖链皂苷中水解一条链形成次生苷或前皂苷元。,两种方式,剧烈水解方法：24mol/L无机酸。剧烈水解过程中皂苷会发生脱水、环合、双键位移、取代基移位、构型转化等变化，导致水解产物不是原始皂苷元。如人参皂苷的酸水解得到的苷元是C-20位为R构型的人参二醇或人参三醇，而实际应是四环三萜类20(S)-原人参二醇或20(S)-原人参三醇。从而造成研究工作的复杂化，有时甚至会得出错误的结论。,温和的水解方法：Smith氧化降解法、酶解法、土壤微生物培养法或光解法等。,例：李伯曼(Liebermann)反应：将样品溶于乙酐中，加入浓硫酸1滴，呈黄色一红色一蓝色一紫色一绿色等变化，最后褪色。,另：醋酐一浓硫酸反应；氯仿一浓硫酸反应；三氯醋酸反应；五氯化锑反应；芳香醛一硫酸或高氯酸反应,3.皂苷的提取与分离,(1)皂苷元的提取,注意：皂苷元易发生脱水、环合、双键移位、取代基移位、构型转化等变化，应避免剧烈的酸水解。,含羰基的皂苷元分离：,(2)皂苷的精制和分离,特点:简便，但往往分离不够完全，难以获得纯品。,A.分段沉淀法,B.胆甾醇沉淀法,C.色谱分离法,a.吸附色谱法:吸附剂常用硅胶和反相硅胶，洗脱剂一般采用混含溶剂。,b.分配色谱法：多用低活性的氧化铝或硅胶作吸附剂，以不同比例的氯仿-甲醇-水或其他极性较大的有机溶剂进行梯度洗脱。,c.高效液相色谱法：一般用反相色谱柱进行分离,以甲醇-水或乙腈-水系统为流动相分离和纯化。,d.大孔吸附树脂法：适用于甾体或三萜皂苷类成分的初步分离。然后结合硅胶柱色谱或高效液相色谱法进一步分离纯化，得到单体皂苷类成分。,4.皂苷的结构鉴定,270275nm吸收峰：具有E、F螺环缩酮结构；350nm吸收峰：C-12位上带有羰基的甾体皂苷元；235nm吸收峰：C-2位、C-3位上均有羟基，且C-5位、C-6位有双键的皂苷元。可用于甾体皂苷元的定性定量测定。,(1)紫外光谱,甾体皂苷元近紫外区无明显的吸收峰。,甾体皂苷元产生共轭体系明显的吸收峰,H2SO4,(2)红外光谱,A.区别C-25的立体异构体;,B.判断C-11位或C-12位的羰基是否成共轭体系。非共轭体系羰基:17511705cm-1一个吸收峰共轭体系羰基:16971693cm-1和16051600cm-1二个吸收峰,C.有双键的甾体皂苷元：除在15801680cm-1有红外吸收峰外，在30703085cm-1和680690cm-1处可见较弱的吸收峰。,(3)1H-NMR谱,甾体皂苷元：高场区有4个甲基氢：18-CH3、19-CH3均为单峰，21-CH3、27-CH3均为双峰。C-16位、C-26位上的氢处于较低场。,27-CH3的化学位移：-取向(平伏键，25R型，D系)比-取向(直立键，25S型，L系)处于较高处。,三萜皂苷元：高场区出现甲基信号，0.181.5左右出现堆积成山的亚甲基信号；低场区出现一些受双键、羰基或羟基影响的特征氢信号。,(4)质谱,甾体皂苷元：质谱对结构测定非常有用,主要是由于来源E环和F环的碎片离子在质谱中很有特征。质谱中均出现一很强的m/z139基峰和中等强度的m/z155碎片峰及一个很弱的m/z126辅助离子峰，这些峰均来自E环和F环部分。三萜皂苷:齐墩果-12-烯类及熊果-12-烯类五环三萜，因其在C-12位和C-13位间有一双键，具有环己烯结构，很易发生RDA裂解，将分子分为两大碎片。,五、强心苷,1.强心苷的结构分类,化学结构：由强心苷元和糖缩合而成的一类苷。强心苷元均属甾体衍生物。结构特征:甾体母核的C-17位上均连接一个不饱和内酯环。,根据甾体母核的C-17位上不饱和内酯环的不同，可将强心苷元分为：,(1)强心甾烯类或称甲型强心苷元,(2)蟾蜍甾烯类或称海葱甾二烯类或乙型强心苷元,(1)强心甾烯类或称甲型强心苷元,C-17位上连接的是五元不饱和内酯环即-内酯，故甲型强心苷元共由23个碳原子组成。,(2)蟾蜍甾烯类或称海葱甾二烯类或乙型强心苷元,甾体母核部分的C-17位上连接的六元不饱和内酯环即,-双烯-内酯，故乙型强心苷元共由24个碳原子组成。,2.强心苷的理化性质,强心苷多为无色晶体或无定形粉末，中性物质，有旋光性。味苦，C-17侧链-构型的味不苦，但无疗效。,(1)溶解性,强心苷一般可溶于水、甲醇、丙酮等极性溶剂，难溶于乙醚、苯、石油醚等非极性溶剂。与皂苷类化合物相似，结构中的糖基的数量和苷元中羟基等极性基团的数量的多少及位置，决定了化合物的溶解性，使各个强心苷的溶解性差别较大。一般羟基数量多，有利于同极性溶剂生成更多的分子间氢键而增加溶解度。,(2)水解反应,强心苷的苷键：酸、酶水酸。酸水解方法包括温和的酸水解、强烈的酸水解(注意反应条件)。,苷元结构中的不饱和内酯环：碱水解,温和的酸水解,主要针对2-去氧糖与苷元形成的苷键。因苷元和2-去氧糖之间的苷键及两个2-去氧糖之间的苷键极易被酸水解，对苷元影响小，不致引起脱水反应，但是2-羟基糖(如葡萄糖)和2-去氧糖之间的苷键在此条件下不易断裂，因此水解产物中常得到二糖或三糖。,方法：用稀酸(0.020.05mol/L的盐酸或硫酸)在含水醇中经短时间(半小时至数小时)加热回流，可使强心苷水解成苷元和糖。,强烈的酸水解,对于不含2-去氧糖的强心苷在稀酸条件下水解较为困难。较剧烈的条件：35HCl,增加作用时间或同时加热，才能使其水解。,上述条件引起苷元发生脱水反应，得不到原来的苷元。其中，C-14羟基和5-羟基均系叔羟基，最易发生脱水反应，C-16羟基也可与C-17氢脱水。,酶水解,含强心苷的植物中：有选择性水解-D-葡萄糖苷键的酶共存，没有可以水解2-去氧糖苷键的酶。,与强心苷共存的酶只能使末位的葡萄糖脱离，而不能水解2-去氧糖，从而去除分子中的葡萄糖而保留2-去氧糖。,酶的水解能力：乙型强心苷较甲型强心苷更易被酶水解；一般糖基比乙酰化糖基水解速度快。由于酶解法具有条件温和，选择性好，产率高等特点，在强心苷生成中有很重要的作用。,应用：利用酶解法使植物体内的原生苷水解成强心作用更强的次生苷。因为强心苷的强心作用与分子中糖基数目有关，即苷的强心作用强度为：单糖苷二糖苷三糖苷。,碱水解,强心苷的结构中，除了苷元上具有不饱和的内酯环，在苷元以及所连接的糖基上常有乙酰取代。碱试剂可使强心苷分子中的酰基水解、内酯环开裂、20(22)转位及苷元异构化等。同样的,可以进行温和的和剧烈的碱水解。,温和的碱水解：试剂有碳酸氢钠、碳酸氢钾、氢氧化钙和氢氧化钡。可选择性地水解酰基而不影响内酯环。,剧烈的碱水解：试剂有氢氧化钠、氢氧化钾。在水溶液中，氢氧化钠、氢氧化钾能使强心苷的内酯环开裂，酸化后又可重新闭环。在醇溶液中，氢氧化钠、氢氧化钾也能使内酯环开裂，但同时还使其结构异构化，故酸化也不再有可逆变化。,碳酸氢钠或碳酸氢钾主要使2-氧糖上的酰基水解，而2-羟基糖及苷元的酰基往往不被其水解；氢氧化钙或氢氧化钡可以使2-去氧糖、2-羟基糖及苷元上的2-羟基糖及苷元酰基水解。,(3)显色反应,强心苷除了一般苷类的显色反应外，由于强心苷分子中有甾体母核、不饱和内酯环和-去氧糖等结构部分，可与一些化学试剂发生反应而显特定的颜色。,甾体母核的显色反应,无水条件下，强心苷经强酸(如硫酸、盐酸)、中强酸(如磷酸、三氯乙酸)、路易斯酸(如三氯化锑)的作用，甾体母核脱水形成双键，由于双键移位、缩合等形成较长的共轭系统，并在浓酸溶液中形成多烯正碳离子的盐而呈现一系列的颜色变化。,a乙酐-浓硫酸反应：强心苷溶于氯仿，加冷乙酐-浓硫酸(3：2)混合液数滴，反应液呈黄-红-蓝-紫-绿的颜色变化，最后褪色。本反应的颜色变化过程随分子中羟基、双键的数目与位置不同而异，羟基多、有不饱和双键的作用较快。,bSalkowski反应：强心苷溶于氯仿，沿管壁缓缓加入浓硫酸静置，氯仿层呈血红色或青色，硫酸层有绿色荧光。,c三氯化锑反应dTschugaev反应e磷酸反应f三氯醋酸一氯胺T反应,-不饱和内酯环的显色反应,甲型强心苷在碱性醇溶液中，双键由20(22)转移到20(21)，生成