天然药物化学绪论

邹冈院士在国际上率先发现吗啡在人脑内的镇痛作用部位，这一成就被国际学术界誉为吗啡作用机理研究的里程碑。,该药是从我国特有植物千层塔中提取的一种生物碱，其治疗和安全性均好于上世纪90年代以来，在美国上市的抗老年痴呆药物，受到国际上的高度重视。,抗早老性痴呆药物石杉碱甲,我国第一个被国际公认的首创新药抗疟药蒿甲醚，被世界卫生组织列为治疗凶险型疟疾和脑型疟疾的首选药品，1995年列入世界药典，现已出口到全球几十个国家。,黄花蒿,章目录,治疗冠心病、心绞痛的现代中药丹参多酚酸盐及其注射用丹参多酚酸盐，于2005年5月25日经国家SFDA批准获取新药证书和生产批文。,丹参,第一章概论,一、天然药物化学的内涵（一）定义（二）主要内容（三）相关概念（四）相关的术语（五）相关课程（六）天然药物化学在药学专业中的作用与地位二、天然药化的研究对象及其任务（一）主要研究对象（二）主要研究任务三、天然药化发展简史（一）国际发展史（二）国内发展史四、天然药化研究发展趋势（一）化学结构研究的发展（二）研究领域的重大转变（三）组织培养（四）注重结构改造和仿生合成五、天然药物化学的学习方法,一、天然药物化学的基础课程的性质,（一）定义天然药物化学是运用现代科学理论、方法和技术研究天然药物中化学成分的一门学科。化学理论和方法化学理论是基础物理学方法有机化合物波谱学,第一节天然药物化学基础课程的性质和任务,（二）主要内容,主要化学成分类型,研究二次代谢产物,结构特征,理化性质,提取、分离、检识,结构测定,生物合成,古代发达与文明的发祥地,尼罗河,Nile,底格里斯-幼发拉底河,印度河,Indus,Tigris-Euphrates,黄河,YellowRiver,（三）天然药物化学的发展,1、国际发展史,（1）天然药物化学的建立与形成,1769酒石酸(酒石)1975苯甲酸(安息香)1778乳酸(酸乳)1785苹果酸(苹果),1773尿素(脲),席勒(K.W.Sheller),柏格曼(Bargmann),1822瑞香苷1830苦杏仁苷,卢勒(Rouelle),1776尿酸(脲),真正形成于19世纪,morphine,18031806吗啡(鸦片),德罗逊(Derosen)斯托勒(Sertrner),1818士的宁碱1820咖啡因1820喹宁1828尼古丁1831阿托品1833乌头碱,2.天然有机合成化学的建立与发展1）“生命力”学说的提出2）有机化合物的合成,2KOCN+(NH4)2SO4K2SO4+2NH4OCNNH4OCNH2NCONH2,氰酸钾,硫酸铵,氰酸铵,此后，德国化学家科尔贝(Kolbe)又合成了醋酸。由此促进了有机合成化学的发展。,3.天然药物化学的兴衰1）合成药物的工业化生产制约了天然药物化学研究二十世纪：三十年代磺胺药(1935)、维生素问世四十年代盘尼西林的使用五十年代形成了新药上市的黄金时代2）药害震惊全球,Thalidomide,西德1956年出售镇静药“反应停”肽胺哌啶酮到1962年就引起数千例畸胎。,萝芙木利血平(Reserpine),降糖药长春花长春碱(Vinblastine)长春新碱(Vincristine),3）大规模寻找天然活性物质,紫杉醇(Taxol),2.国内发展史,（1）.古代“本草化学”的实践经验和发现阶段1）冶金的实践古代的“冶金术”、“炼丹术”、“点金术”创造了许多实验方法，开拓了化学研究途径。,宋应星著：天工开物记载有锌的冶炼和氧化锌的制备。(1637年),我国明确记载锌的冶炼，其后经印度传至西欧。,李时珍(1518-1592)本草纲目记载：轻粉由汞(Hg)、白砂KH(SO4)2、食盐(NaCl)配伍，经升华而得。这是一个伟大的化学实践。,6Hg+2KH(SO4)2+6NaCl+2O2K2SO4+3Na2SO4+3Hg2Cl2,2）炼丹与无机合成药物的实践,世界上最早的无机合成化学药物：水银(Hg)、升丹(HgO)、朱砂(HgS)、轻粉(Hg2Cl2),3）炼丹术与升华药物的实践发现,李时珍(1518-1592)本草纲目详细记载樟脑有关提炼和升华精制的操作。,洪遵(1176年)经验方“樟脑”始见于经验方，由马可波罗带到西方。,明弘治(1505年)本草品汇精要有樟脑记载。,欧洲18世纪下半叶才提出樟脑纯品。,4）汞齐法技术的实践汞齐法曾用为冶金术。“银”在名医别录中被列为中品，用作镇惊剂。“银膏”是“用白锡和银铂及水合成之，凝硬如“银”，用于“补牙齿缺落”。至今仍沿用于补牙。,李时珍(1518-1592)本草纲目记载着唐本草的制银屑法：“银铂以水银消之为泥，合硝石及盐为粉，烧出水银，淘去盐石，为粉及细”。,3.国内发展史,1.近代天然药物化学的引进和创建阶段1)二十年代麻黄碱、闹羊花、莽草、延胡索等。2)三十年代进行了中药延胡索、防己、贝母、陈皮、细辛、钩吻、洋金花、除虫菊、雷公藤、三七、广地龙、柴胡中成分的分离工作。,延胡索乙素,粉防己碱R=CH3防己诺林碱R=OH,3)四十年代主要研究了常山的抗疟有效成分，定出了常山生物碱的分子式、母核，并和国外学者共同研究取得一定成绩。另对羊角拗。远志、前胡、丹参。射干、使君子等也做了许多工作。,2.现代天然药物化学的建立和发展阶段1）特色天然化学药物如青蒿素、三尖杉酯碱、山茛菪碱、天麻素、靛玉红、齐墩果酸、丁公藤碱II、高乌头碱、石杉碱甲、川芎嗪等。2）改构药物如抗痫灵、常咯啉、联苯双酯等。3）合成药物如黄连素、延胡索乙素、山茛菪碱、天麻素、咖啡因、靛玉红、川芎嗪、大蒜新素、罂粟碱等。,二、天然药物化学基础课程的任务,（一）控制天然药物及其制剂的质量只有明确了天然药物的活性成分，才能通过定性和定量分析控制天然药物及其制剂的质量。（二）探索天然药物治病的原理,麻黄,发汗散寒-松油醇,平喘,麻黄碱肾上腺素作用,去甲麻黄碱松弛支气管平滑肌,利水伪麻黄碱升压、利尿,（三）改进剂型，提高临床疗效在研究活性成分的基础上，对天然药物中的活性成分经过提取分离后，用现代的技术加工成了新的剂型。eg.复方丹参滴丸、银黄口服液等。（四）促进天然药物的开发和利用1、开辟和扩大天然药物资源小檗碱黄连（最早，生长缓慢、药源缺乏）三棵针、古三龙、黄柏2、降低毒性、提高疗效中药炮制可使天然药物中的化学成分发生变化，以达到降低毒性、提高疗效的目的。eg。乌头中的乌头碱（通过蒸煮进行炮制）乌头原碱（毒性低）,（四）促进天然药物的开发和利用3、提取制药原料和中间体缩短生产周期、降低生产成本4、进行结构形式和改造，研制新药eg.吗啡哌替啶,*据1981年统计，建国以来研制新药104种，其中来自植物、动物有效成分及改构共61种，占58.6%。,可卡因(Cocaine),普鲁卡因(Procaine),寻找新药或活性先导化合物,第二节、天然药物化学基础课程的常用概念相关概念,植物化学,与农、工、林、牧有关（国计民生）,与医药有关（生物活性成分）,中草药成分化学天然药物化学植物药品化学,植物生物化学,2.植物化学（Phytochemistry）,(三)相关联的概念,3.天然产物化学（ChemistryofNaturalProducts)(IUPAC)4.天然有机化学(ChemistryofNaturalOrganicCompounds),2.有效部位（ActiveExtracts）指具有生物活性的有效部位，如：总生物碱、总皂苷或总黄酮等。尚未提纯、分离为单体化合物的有效成分混合体。3.无效成分（AnactiveConstituents）指与有效成分共存的其它成分。比如麻黄中的淀粉、树脂、叶绿素等。,小蘗碱（Berberine）,一、有效成分与有效部位,1.有效成分（ActiveConstituents）单体化合物：1）能用分子式和结构式表示2）具有一定的理化常数3）具有生物活性,有效成分具有的特点：,多样性相对性：通常多糖、蛋白质、氨基酸在天然药物化学中视为无效成分。特例：黄芪黄芪多糖提高人体免疫力功能猪苓猪苓多糖抗癌天花粉蛋白质引产，治疗恶性葡萄胎天门冬天门冬素祛痰止咳、抗菌、抗肿瘤,二、提取、分离与检识,提取：天然药物中的有效成分从药材中提出的过程。分离：将提取物中的各种成分逐一分开的过程。有效成分的精制（纯化）：将无效成分（杂志）与有效成分分开并将其除去的过程。检识：使用武力或化学方法对天然药物中的化学成分进行检查识别的过程。,(一)常用提取方法溶剂法、蒸馏法、升华法、压榨法,压榨法,溶剂法,蒸馏法,原理：与水蒸气产生共沸点范围：挥发油,升华法,原理：相似者相溶范围：所有化学成分,原理：遇热挥发，遇冷凝固范围：游离蒽醌,原理：机械挤压范围：新鲜药材、种籽植物油,(二)溶剂提取法,石油醚环己烷苯氯仿乙醚乙酸乙酯丙酮乙醇甲醇水,1.常用溶剂的性质,2.天然药物各类成分的极性与提取溶剂的关系,溶剂提取法,溶剂提取法,3.选择溶剂注意点1)对有效成分溶解度大,对杂质溶解度小2)不与化学成分起化学变化3)经济、易得、使用安全,4.常见溶剂提取工艺1)浸渍法2)渗滤法3)煎煮法4)热回流提取法,影响提取效率的因素,1)原料粉碎度2)提取时间3)提取温度4)设备条件,第三节天然药物中的部分化学成分类型,一、鞣质鞣质（tannins），又称单宁，是存在于植物体内的一类结构比较复杂的多元酚类化合物。鞣质能与蛋白质结合形成不溶于水的沉淀，故可用来鞣皮，即与兽皮中的蛋白质相结合，使皮成为致密、柔韧、难于透水且不易腐败的革，因此称为鞣质。,分布,鞣质广泛存在于植物界，约70%以上的生药中含有鞣质类化合物，尤以在裸子植物及双子叶植物的杨柳科、山毛榉科、蓼科、蔷薇科、豆科、桃金娘科和茜草科中为多。鞣质存在于植物的皮、木、叶、根、果实等部位，树皮中尤为常见，某些虫瘿（galls）中含量特别多，如五倍子所含鞣质的量可高达60%70%。在正常生活的细胞中，鞣质仅存在于液泡中，不与原生质接触，大多呈游离状态存在，部分与其它物质（如生物碱类）结合而存在。,（一）鞣质的结构分类：,根据鞣质的化学结构可分为三大类：1、可水解鞣质（hydrolysabletannins）这是一类由酚酸及其衍生物与葡萄糖或多元醇通过苷键或酯键而形成的化合物。因此，可被酸、碱、酶（如鞣酶tannase、苦杏仁酶emulsin等）催化水解，依水解后所得酚酸类的不同，又可分为没食子酸鞣质(gallotannin)和逆没食子酸鞣质(ellagotannin)两类。含这类鞣质的生药有五味子、没食子、柯子、石榴皮、大黄、桉叶、丁香等。,没食子鞣质,2、缩合鞣质（condensedtannins）这是一类由儿茶素（catechin）或其衍生物棓儿茶素(gallocatechin)等黄烷-3-醇(flavan-3-ol)化合物以碳-碳键聚合而形成的化合物。通常三聚体以上才具有鞣质的性质。由于结构中无苷键与酯键，故不能被酸、碱水解。缩合鞣质的水溶液在空气中久置能进一步缩合，形成不溶于水的红棕色沉淀，称为鞣红(phlobaphene)。当与酸、碱共热时，鞣红的形成更为迅速。如切开的生梨、苹果等久置会变红棕色，茶水久置形成红棕色沉淀等。含缩合鞣质的生药更广泛，如儿茶、茶叶、虎杖、桂皮、四季青、桉叶、钩藤、金鸡纳皮、绵马、槟榔等。,复合鞣质是由构成缩合鞣质的单元黄烷-3-醇与水解鞣质部分通过碳碳键连接构成的一类化合物，此类鞣质首先从壳斗科植物中分离得到，现已发现广泛存在于同时含有水解鞣质和缩合鞣质的植物中。,（二）鞣质的理化性质,1、性状：鞣质为黄色或棕黄色无定形松散粉末；有强吸湿性；味涩。2、溶解性：鞣质的分子量通常为500至3000，具较多的酚羟基，具有较强的极性。不溶于乙醚、苯、氯仿，易溶于水、乙醇、丙酮；水溶液味涩；在210215分解。3、还原性：鞣质为强还原剂，可使KMmO4褪色，鞣质极易被氧化，特别在碱性条件下氧化更快。氧化后的颜色：红棕色暗棕色灰黑色。4、与蛋白质反应：鞣质可与蛋白质（如明胶溶液）结合生成沉淀，因而具有抗菌止血作用。且此性质在工业上用于鞣革。鞣质与蛋白质的沉淀反应在一定条件下是可逆的，当此沉淀与丙酮回流，鞣质可溶于丙酮而与蛋白质分离。,5、与生物碱、重金属盐的作用：鞣质分子中有邻位酚羟基，故可与多种金属离子络合。鞣质水溶液遇重金属盐（如醋酸铅、醋酸铜、重铬酸钾等），生物碱或碱土金属氢氧化物（如氢氧化钙）都会产生沉淀，此性质可用于鞣质的提取、分离、定性、定量或除去鞣质。6、与三氯化铁的作用：鞣质的水溶液遇Fe3+产生蓝（黑）色或绿（黑色）色或沉淀，故在煎煮和制备生药制剂时，应避免铁器接触。可用此性质检识。,（三）除去鞣质的方法,1、明胶沉淀法：在天然药物的水提取液中，加入适量4%明胶溶液，使鞣质沉淀完全医学|教育网搜集整理，滤除沉淀，滤液诚压浓缩至小体积，加入35倍量的乙醇，以沉淀过剩的明胶。2、石灰法：利用鞣质与钙离子结合生成水不溶性沉淀，故可在中药的水提液中加入氢氧化钙，使鞣质沉淀析出；或在中药原料中拌入石灰乳，使鞣质与钙离子结合生成水不溶物，使之与其他成分分离。3、冷热处理法：鞣质在水溶液中是一种胶体状态，高温可破坏胶体的稳定性，低温可使之沉淀。因此可先将药液蒸煮，然后冷冻放置，滤过，即可除去大部分鞣质。,4、聚酰胺吸附法：将天然药物的水提液通过聚酰胺柱，鞣质与聚酰胺以氢键结合而牢牢吸附在聚酰胺柱上，80%乙醇亦难以洗脱，而中药中其他成分大部分可被80%乙醇洗脱下来，从而达到除去鞣质的目的。5、溶剂法：利用鞣质与碱成盐后难溶于醇的性质，在乙醇溶液中用40%氢氧化钠调至pH910，可使鞣质沉淀，再滤过除去6、铅盐法：在天然药物的水提取液中加入饱和的乙酸铅或碱式乙酸铅溶液，可使鞣质沉淀而被除去，然后按常规方法除去滤液中过剩的铅盐。,二、有机酸,定义：有机酸是指一些具有酸性的有机化合物。最常见的有机酸是羧酸，其酸性源于羧基(-COOH)。磺酸(-SO3H)、亚磺酸(RSOOH)、硫羧酸(RCOSH)等也属于有机酸。有机酸可与醇反应生成酯。,分布范围,在天然药物的叶、根、特别是果实中广泛分布，如乌梅、五味子，覆盆子等。常见的植物中的有机酸有脂肪族的一元、二元、多元羧酸如酒石酸、草酸、苹果酸、枸椽酸、抗坏血酸（即维生素C）等，亦有芳香族有机酸如苯甲酸、水杨酸、咖啡酸（Caffeicacid）等。除少数以游离状态存在外，一般都与钾、钠、钙等结合成盐，有些与生物碱类结合成盐。脂肪酸多与甘油结合成酯或与高级醇结合成蜡。有的有机酸是挥发油与树脂的组成成分。,价值介绍,一般认为脂肪族有机酸无特殊生物活性，但有些有机酸如酒石酸、枸椽酸作药用。又报告认为苹果酸、枸椽酸、酒石酸、抗坏血酸等综合作用于中枢神经。有些特殊的酸是某些天然药物的有效成分，如：土槿皮中的土槿皮酸抗真菌作用。咖啡酸的衍生物有一定的生物活性，如绿原酸（茵陈、请好、沙棘、金银花）抗菌、利胆、升高白血球阿魏酸（当归、川芎）抗菌消炎、抗氧化油酸（鸦胆子）抗癌琥珀酸（地龙）止咳平喘咖啡酸（北升麻）止血、镇痛、去谈乳酸（丹参）扩张冠状动脉,（一）有机酸的结构分类,羧酸的官能团是羧基，除甲酸外，都是由烃基和羧基两部分组成。根据烃基的结构不同，分为脂肪酸和芳香酸。羧基与脂肪烃基相连结者，称为脂肪酸；脂肪酸又根据烃基的不饱和度分为饱和酯肪酸和不饱和脂肪酸（见教材表1-2）,（二）有机酸的理化性质,1、性状常温下，低级脂肪酸（8个碳原子）和不饱和脂肪酸液体高级脂肪酸、多元酸、芳香酸固体2、溶解性一元脂肪族羧酸随碳原子数增加，水溶性降低。低级羧酸可与水混溶。高级一元羧酸不溶于水，但能溶于有机溶剂多元酸比一元酸易溶于水均能溶于碱水3、酸性具有羧基的性质羧基中的羟基在一定条件下，可被羟氧基（一OR）、卤素（-X）和酰氧基取代，分别生成酯、酰卤和酰胺等羧酸衍生物。,（三）有机酸的检识,1、pH试纸显红色，pH72、溴酚蓝试剂有机酸+0.1%溴酚蓝乙醇溶液蓝色背景显黄色斑点,三、氨基酸、蛋白质和酶,（一）氨基酸定义：氨基酸是含有氨基和羧基的一类有机化合物的统称，生物功能大分子蛋白质的基本组成单位。,分布：动物植物和微生物体内。性质：无色晶体，易溶于水；显酸碱两性。分离和精制：调节pH达到氨基酸的等电点，可析出沉淀。检识：氨基酸+茚三酮蓝色或紫色分类：必需氨基酸、天然氨基酸,共热,1、必需氨基酸：均为-氨基酸。指人体（或其它脊椎动物）不能合成或合成速度远不适应机体的需要，必需由食物蛋白供给，这些氨基酸称为必需氨基酸。成人必需氨基酸的需要量约为蛋白质需要量的20%37%。其作用为：赖氨酸：促进大脑发育，是肝及胆的组成成分，能促进脂肪代谢，调节松果腺、乳腺、黄体及卵巢，防止细胞退化；色氨酸：促进胃液及胰液的产生；苯丙氨酸：参与消除肾及膀胱功能的损耗；蛋氨酸（甲硫氨酸）：参与组成血红蛋白、组织与血清，有促进脾脏、胰脏及淋巴的功能；苏氨酸：有转变某些氨基酸达到平衡的功能；异亮氨酸：参与胸腺、脾脏及脑下腺的调节以及代谢；脑下腺属总司令部作用于甲状腺、性腺；亮氨酸：作用平衡异亮氨酸；缬氨酸：作用于黄体、乳腺及卵巢。,2、天然氨基酸自然界中存在的游离氨基酸。使君子氨基酸（使君子）驱蛔南瓜子氨基酸（南瓜子）抵制吸血虫和绦虫田七氨基酸（三七）止血,（二）蛋白质和酶,1、蛋白质定义：是蛋白质是由-氨基酸通过肽键构成的高分子化合物，其分子常由数百个氨基酸分子片段组成。氨基酸个数在100以上，称为蛋白质低