第六章倍半萜类

天然产物化学导论,徐任生主编,第一章概论第二章天然产物的提取分离第三章结构研究中常用的波谱技术第四章生物碱第五章单萜第六章倍半萜类第七章昆虫激素与信息素第八章二萜类化合物第九章皂萜,第十章氨基酸和肽第十一章碳水化合物第十二章黄酮类化合物第十三章蒽醌类化合物第十四章香豆素类化合物第十五章木脂体类化合物第十六章其他生物活性天然化合物第十七章海洋天然产物第十八章天然产物的化学合成,第六章,倍半萜类Sesquiterpenoids,萜类是天然有机化合物重要组成部分，由不同个数的异戊烯首尾相接构成。倍半萜类（sesquiterpenoids）是由3个异戊二烯单位构成、含15个碳原子的化合物类群。倍半萜广泛存在于植物、微生物、海洋生物及某些昆虫中，很多具有重要的生物功能和生理活性，特别是倍半萜内酯，有抗菌、抗肿瘤、抗病毒、细胞毒、免疫抑制、植物毒、昆虫激素、昆虫拒食剂等活性，也有一些具有神经系统活性。从海洋生物中得到一系列特殊结构并含有卤素、S、CN、SCN的化合物，增加了很多化学和生理方面内容。,第六章倍半萜类,倍半萜是天然产物化学中极为活跃的研究领域之一。很多倍半萜是芳香油高沸点部分的主要成分，对芳香油的香味起着重要作用。虽然倍半萜骨架有15个碳，由于生物体内微妙的代谢而生成形形色色基本骨架的化合物，并有复杂的立体结构。成为植物成分中重要的一类。本章主要介绍有关倍半萜的提取分离、光谱解析、结构测定及近年的进展。倍半萜类的骨架复杂多变，其主要的基本骨架名称和生物合成途径如图6-6a,图6-6b所示,第六章倍半萜类,倍半萜倍半萜的研究，发展较快，无论是化合物的数目，还是结构骨架类型都是萜类化合物中最多的一类。迄今结构骨架超过200种，化合物有数千种之多，海洋生物中就发现300多种。倍半萜类化合物按其结构碳环数分为无环、单环、双环、三环、四环型倍半萜；按构成环的碳原子数分为五元环、六元环、七元环等；也有按含氧官能团分为倍半萜醇、醛、酮、内酯等。,萜类的结构类型及代表性化合物,（1）无环倍半萜金合欢烯，存在于枇杷叶、生姜等的挥发油中，构型体存在于藿香、啤酒花和生姜挥发油中。金合欢醇在橙花油、香茅中含量较多，为重要的高级香料原料。橙花醇具有苹果香，是橙花油中的主要成分之一。,萜类的结构类型及代表性化合物,（2）环状倍半萜青蒿素（qinghaosu,artemisinin）是倍半萜过氧化物，是从中药青蒿（黄花蒿ArtemisiaannuaL.）中分离到的抗恶性疟疾的有效成分。青蒿素在水中及油中均难溶解，影响其疗效发挥，临床应用受到限制。曾对它的结构进行了修饰，合成大量衍生物，从中筛选出具有抗疟效价高、原虫转阴快、速效、低毒等特点的双氢青蒿素（dihydroqinghaosu），再进行甲基化，将它制成油溶性的蒿甲醚（artemether）及水溶性的青蒿琥珀酸单酯（artesunate），现已有多种制剂用于临床。,萜类的结构类型及代表性化合物,（2）环状倍半萜青蒿素的抗疟活性与过氧基团及C12-CO的还原有关，双氢青蒿素（1倍），蒿甲醚（烷基化-14倍；烷氧甲酰化-28倍）,萜类的结构类型及代表性化合物,（2）环状倍半萜鹰爪甲素（yingzhaosu）是从草药鹰爪Artemisiaannua根中分离出的具有过氧基团的倍半萜化合物，对鼠疟原虫的生长有强的抑制作用。棉酚为杜松烷型双分子衍生物，存在于棉籽中，为有毒的黄色液体，具有杀精子作用，但副作用大，未用于临床。,萜类的结构类型及代表性化合物,（2）环状倍半萜-山道年是强力驱蛔剂，但服用过量可产生黄视虐毒性，已被临床淘汰。,萜类的结构类型及代表性化合物,（3）奥类衍生物由五元环与七元环拼和而成的芳香骨架类化合物。多具有抑菌，抗肿瘤，杀虫等生物活性。是一种非苯芳烃化合物，具有高度共轭体系，有颜色，在挥发油高沸点馏分呈现美丽的蓝色，紫色或绿色。,萜类的结构类型及代表性化合物,（3）奥类衍生物氢化衍生物为愈创木烷型倍半萜。如泽兰中的抗癌活性成分泽兰苦内酯，泽兰绿内酯等。,萜类的结构类型及代表性化合物,第一节一般性质与提取分离分离困难在于不像生物碱有一个提取总碱的方法，也不像黄酮、生物碱有专一的呈色反应。紫外光谱无特征吸收。倍半萜的定性检查主要靠薄层层析，采用浓硫酸加热显色或用硫酸香兰素，而且所呈的颜色会因时间及硫酸中的含水量而有差别。倍半萜是芳香油高沸点部分，对芳香油的香味关系很大，一般用水蒸气蒸馏所得的芳香油，经分馏蒸出低沸点的单萜部分，高沸点下脚可用层析分离，往往可得到多种倍半萜。,第六章倍半萜类,第一节一般性质与提取分离系统分离方法：植物粉碎后乙醚抽提，乙醚浸膏溶于甲醇，于-20冷冻除去油、酯、蜡及三萜、甾体经硅胶柱，以石油醚、石油醚乙醚，乙醚甲醇依次洗脱。石油醚部分为烃类，乙醚部分为羟基和多羟基化合物，乙醚甲醇为多羟基化合物及羧酸类。各部位再进一步层析，或采用制备性薄层层析分离，根据本方法全面检查各部位，或按兴趣分离其中个别部位。,第六章倍半萜类,倍半萜内酯分离：乙醇抽提，浸膏用氯仿水分配除去水溶部分，浸膏再用石油醚10含水甲醇分配，甲醇部分供层析分离，硅胶或氧化铝层析，个别结构极为相似，化学性质相近的则需要用HPLC分离。高效液相分离效果好，分离条件掌握得好，可用来分离几十个化学成分，但溶剂消耗量大，费用较大近年液相层析与仪器分析的结合发展极快。液-质联用(LC-MS)和液相核磁联用(LC-NMR)已进入实用阶段，可以利用LC-MS和LC-NMR直接从分析结果中，推定样品中各种化学组分，并推定其结构。,第一节一般性质与提取分离,例1云木香的倍半萜成分云木香粗粉乙醚抽提，乙醚浸膏经初步硅胶层析，各部位以制备性薄层层析分离。各成分经UV、IR、MS、1H-NMR鉴定。石油醚部分分离得到化合物1180mg。其他部分得到化合物2-17.,第一节一般性质与提取分离,例2圆叶泽兰的抗肿瘤成分以KB细胞体外指示追踪分离抗白血病细胞有效成分。圆叶泽兰乙醇抽提，抽出物(A)以氯仿、水(B)分配。氯仿部分(C)以石油醚、含水10的甲醇分配，得石油醚(D)，甲醇部分(E)。分别以KB细胞做活性试验。ED50(g/ml)：(A)2.6，(B)100，(C)2.1，(D)30，(E)1.9取活性最强的E部位硅胶层析，氯仿甲醇梯度洗脱，以KB细胞检查生物活性，分得八种倍半萜内酯。得量与细胞毒活性如表6-1所示。,第一节一般性质与提取分离,例2圆叶泽兰的抗肿瘤成分,第一节一般性质与提取分离,例2圆叶泽兰的抗肿瘤成分,第一节一般性质与提取分离,例2圆叶泽兰的抗肿瘤成分倍半萜环氧衍生物硅胶层析中，用氯仿作洗脱剂，常发生氧环开裂而成氯取代物。酯侧链上的环氧也可能开裂，而泽兰中泽兰苦内酯与其相应的含氯内酯共同存在。这种环开裂的现象，可能是氯仿中含有或分解产生微量盐酸的缘故。此工作是典型的以生物试验筛选与化学分离密切配合，成功地分离得到有效成分的实例，对中草药研究很有实用价值。,第一节一般性质与提取分离,LC-MS和LC-NMR结合使用提供了一种快速分离分析植物、海洋生物和细菌发酵产物化学成分，推定已知及新化合物结构的方法，打破了过去必须分离得到纯化合物才能进行结构研究的传统方法。虽然这种方法还处于初期，但NMR方法的灵敏度远较MS为低，这种微量的方法对含量较低成分的分析存在一定难度，由于NMR谱对推定天然产物结构的重要性，随着NMR技术的快速发展，将成为普遍使用的常规方法。,第二节倍半萜的光谱解析、紫外、红外光谱和质谱倍半萜母核没有发色团，紫外光谱无特征吸收，如有内酯环，在200210nm有吸收峰，有共轭系统，则有紫外吸收。红外光谱对倍半萜羰基的确定重要，指纹区解析较困难，从红外光谱解析羰基存在形式比较实用。一般的羰基红外吸收见表6-2。,第六章倍半萜类,、紫外、红外光谱和质谱一般的羰基红外吸收见表6-2。,第二节倍半萜的光谱解析,、紫外、红外光谱和质谱倍半萜质谱碎片化规律，基本骨架或取代基位置的不同有很大变化，因而对基本骨架来说，首先能解决分子离子峰，但对分子中含有OH或OCOR，则分子离子峰在电子轰击质谱中常不出现，出现脱水或失去酸部分M-RCOOH+峰，而分子离子峰则需用CI、FAB或FD质谱测定，并可再从EI质谱推定酯侧链，如provincialin(38)。其酯侧链碎片化规律如下：,第二节倍半萜的光谱解析,、紫外、红外光谱和质谱,第二节倍半萜的光谱解析,二、倍半萜类的1H-NMR倍半萜碳原子15，常超过15，结构解析顺序：考虑是否有酯侧链，红外有酯羰基吸收。具有酯侧链的，质谱很容易丢失其酸部分。因此，可从FAB-MS化学离子源质谱(CI-MS)或场解吸质谱(FD-MS)测得正确的分子离子峰。再从分子离子峰及丢失的酯侧链质量数推定其C、H、O原子个数。最后从1H-NMR谱中解析其酯部分。,第二节倍半萜的光谱解析,二、倍半萜类的1H-NMR检查甲基及环外亚甲基信号，这些质子信号比较容易辨认，解析往往对推定基本母核有用处。解析邻接于氧原子的质子，邻接于醚为3.44.6，邻接于酯为4.9-5.9。邻接环氧的质子为1.62.8，邻近有位羟基或酮基，则化学位移可高达3.4。,第二节倍半萜的光谱解析,三、倍半萜类的13C-NMR13C-NMR是测定天然产物化学结构的重要工具之一。一般13C-NMR是通过宽带去偶使不同类型的碳原子得到不同的化学位移信息，每一个碳原子都能得到一个碳原子信号。再使用INEPT或DEPT等技术以区分伯碳、仲碳、叔碳和季碳。从13C-NMR信号的化学位移，可判断大致化学环境，由于13C-NMR谱宽0240ppm，化学位移与结构间的关系，比1H-NMR有较大的规律性。,第二节倍半萜的光谱解析,应用波谱推定天然产物结构，是一门比较复杂的学问，特别对一些光谱知识不是非常丰富的科学工作者来说，最重要的方法是与模型化合物做比较，参照前人报道的结果解决具体问题。例3结构研究实例-spathulenol的结构过去结构研究主要靠降解反应，鉴定降解产物，根据化学降解产物，逆向推理，推定起始产物的结构。核磁共振技术的发展，特别是近代二维谱技术，使波谱技术在天然产物结构研究中成为常规工作。,三、倍半萜类的13C-NMR,柚子芳香油分得倍半萜(39)，1H-NMR18组共振信号，共24个质子。f、e、d为甲基质子，q与p为烯质子。,13C-NMR15组信号，15个碳，O、L、N、K、J、I、H、G、F、E、D、C、B、M、A，其中O152，L106，为双键碳，N81,是邻接于OH的碳原子,例3结构研究实例-spathulenol的结构,13C-NMR经INEPT的测定：CH25个，CH33个，CH4个，其余M、N、O为季碳。39的1H-13C二维谱，1H-1H相关二维谱，推测出spathulenol结构中具有下列片段。,例3结构研究实例-spathulenol的结构,Spathulenol的立体结构主要通过NOE相关谱和NOE差谱来解决。,例3结构研究实例-spathulenol的结构,90年代以来，NMR二维谱技术得到极大发展。最有价值的二维谱包括:1H同核相关谱(1H-1HCOSY)、1H-13C异核相关谱(1H-13CCOSY)、NOE相关谱(NOESY)、1H探测异核多量子相干谱(HMQC)1H-探测异核多键连接谱(HMBC)。,例3结构研究实例-spathulenol的结构,第三节青蒿素的化学、药理和临床青蒿素(42)是截疟古方青蒿鳖甲汤的主药，青蒿为菊科黄花蒿和青蒿，在筛选抗疟药过程中，发现黄花蒿乙醇提取物对鼠疟有快速杀灭作用，分得抗疟有效成分，一种新倍半萜内酯，青蒿素(artemisinin)。,第六章倍半萜类,青蒿素为无色结晶，分子式为C15H22O5,一、青蒿素的化学性质青蒿素以Zn十HCl还原，得去氧青蒿素(43)，以NaBH4还原，羰基还原成二氢青蒿素的-45及-44异构体，不影响过氧键。二氢青蒿素于甲醇中以BF3催化，甲基化形成蒿甲醚-体(46)和-体(47)，,第三节青蒿素的化学、药理和临床,二、青蒿素的波谱解析青蒿素仅有内酯基团；紫外220nm以上无吸收；红外有-内酯的1745cm-1和过氧醚的831、881、lll5cm-1吸收；高分辨质谱m/z282.1472；C15H22O5；核磁共振谱于CDCl3中高场处有重叠，用DMSO-d6作溶剂较佳。其1H-NMR各组质子归属如下:,第三节青蒿素的化学、药理和临床,二、青蒿素的波谱解析青蒿素13C-NMR谱15个碳，DEPT实验3个s峰、5个d峰、4个t峰、3个q峰。归属如下：C-149.468d；C-224.352t；C-335.468t；C-4104.709s；C-593.277d；C-679.564s；C-743.881d；C-822.414t；C-933.126t；C-1036.076d；C-1132.515d；C-12171.493s；C-1312.404q；C-1419.560q；C-1524.927q,第三节青蒿素的化学、药理和临床,二、青蒿素的波谱解析(2)青蒿素的HMBC和HMQC谱HMQC和HMBC广泛应用于天然产物化学研究，化合物1H-NMR谱的归属可通过HMQC谱确定各组碳信号的归属。再通过氢谱观察其隔二键、隔三键的碳原子。大大提高了推定天然产物结构正确性。青蒿素的HMQC和HMBC谱相关关系归纳见表63。,第三节青蒿素的化学、药理和临床,三、青蒿素及其衍生物的药理与临床青蒿素为一新型抗疟药，有高效、速效、低毒的特点。体外实验对疟原虫有直接杀灭作用，抗疟作用主要作用于红细胞内期，而对红细胞外期和前期均无效。其主要特点是由