天然产物化学市公开课获奖课件

1、第三章 天然产物化学第1页第1页第一节 绪论天然产物是指从动物、植物及微生物中分离出来生物二次代谢产物。天然产物化学是以各类生物为研究对象，以有机化学为基础，以化学和物理办法为手段，硕士物二次代谢产物提取、分离、结构、功效、生物合成、化学合成和用途一门科学。第2页第2页一次代谢与二次代谢 一次代谢（primary metabolism)：指在植物、昆虫或微生物体内生物细胞通过光合作用、碳水化合物代谢和柠檬酸代谢，生成生物体生存繁殖所必需化合物，如糖类、氨基酸、脂肪酸、核酸及其聚合衍生物（多糖类、蛋白质、酯类、RNA、DNA），乙酰辅酶A等代谢过程，这些化合物称为一次代谢产物。第3页第3页 二次

2、代谢是以一些一次代谢产物作为起始原料，经过一系列特殊生物化学反应生成表面上看起来似乎对生物本身无用化合物，如萜类、甾体、生物碱、多酚类等。 二次代谢及其产物对于不同族、种生物来说，常含有不同特性，而且二次代谢产物体内分布含有不足，不像一次代谢产物那样分布广泛。第4页第4页天然产物化学与药物开发 早在东汉时期，我们祖先就汇编了第一本相关天然药物著作神农本草经。 公元1596年，医药学家李时珍编著了本草纲目，它记载了1892种天然药物，其中57.8%来自植物，23.6%属于动物，14.5%则为矿物。第5页第5页 天然药品之因此能防病治病，其物质基础在于所含有效成份。 天然药品往往含有结构、性质不同

3、各种成份，且有效成份含量普通较低。为了研究和开发天然药品，必须从复杂中草药组成成份中提取、分离和鉴定出有活性单体纯成份。第6页第6页 在天然产物中寻找有生理活性化合物，从中筛选生理活性强、有典型结构化合物作为模型，并依此模型通过结构改造合成出含有更加好效果药物或农药，这是医药研究和农药开发常规思绪之一。第7页第7页商业上已取得成功有：以古柯碱为先导化合物麻醉药普鲁卡因；以水杨苷为先导化合物解热镇痛药阿司匹林；以青蒿素为先导化合物抗疟疾药蒿甲醚等。第8页第8页第二节 天然产物提取分离和结构鉴定天然产物化学成份预试验 天然产物化学成份十分复杂，普通应先进行预试验以初步理解所含成份情况，然后再进行有

4、计划有针对性提取和分离。第9页第9页 基本原理是依据各成份极性不同，先系统地分成几个不同部分，然后利用显色反应或沉淀反应，或结合纸色谱、薄板色谱，定性判断各部分中可能含有化合物类型。第10页第10页 依据相同相溶原理，极性大成份在极性溶剂中溶解度大，极性小成份则易溶于非极性溶剂。 选择适当溶剂，极性由小到大，或由大到小，可顺次将极性比较相近成份分开。惯用溶剂极性大小顺序：石油醚 环己烷 苯 氯仿（二氯甲烷） 乙醚 乙酸乙酯 正丁醇 丙醇、乙醇 甲醇 水 双糖极性 （与羟基和碳分担比相关，即按-OH/C分担情况而定）苷亲水性（与连接糖数目、位置相关）苷元亲脂性 第129页第129页四、糖和苷物理

5、性质 味觉 单糖低聚糖甜味。 多糖无甜味 （伴随糖聚合度增高，则甜味减小） 苷类苦、甜等 （人参皂苷）（甜菊苷） 第130页第130页七、糖提取分离 提取提取 主要为溶剂法水、稀醇（单糖、低聚糖、多糖） 糖类提取可依据它们对乙醇和水溶解度不同，而采取冷热水、冷热稀醇等条件。 苷类分子极性伴随糖基增多而增大。可依据其极性大小，来选择相适应溶剂。 破坏或克制植物体内酶方法：采集新鲜材料快速加热干燥冷冻保留等第131页第131页七、糖提取分离 分离分离1活性炭柱色谱2纤维素色谱3离子互换柱色谱4凝胶柱色谱5季铵氢氧化物沉淀法6分级沉淀或分级溶解法7蛋白质除去法第132页第132页七、糖提取分离 分离

6、1活性炭柱色谱概述用途分离水溶性物质较好 如：氨基酸、糖类及一些苷类。特点：（对于活性炭柱色谱） 上样量大，分离效果较好，适合大量制备； 起源容易，价格廉； 缺点：无测定其吸附力级别抱负办法。 第133页第133页七、糖提取分离 分离分类： 粉末状活性炭颗粒细，总表面积大，吸附力及吸附量大。 颗粒状活性炭颗粒较上者大，吸附力及吸附量也较上者次之。 锦纶-活性炭以锦纶为粘合剂，将粉末状活性炭制成颗粒，吸附力最弱。 第134页第134页活性炭对物质吸附规律 对分子量大化合物吸附力不小于分子量小化合物，即：多糖 单糖 活性炭在水溶液中吸附力最强，在有机溶剂中吸附力较弱。洗脱顺序： H2O、10%、2

7、0%、30%、50%、70%乙醇液 无机盐 二糖 三糖 多糖 单糖等 第135页第135页七、糖提取分离 分离2纤维素色谱 原理与PC相同，属分派层析。 溶剂系统：水、丙酮、水饱和正丁醇等。 用水溶性溶剂如HAc：H2O进行展开时，其原理属吸附层析。 第136页第136页七、糖提取分离 分离3离子互换柱色谱除水提液中酸、碱性成份和无机离子；制成硼酸络合物强碱性阴离子互换树脂（不同浓度硼酸盐液洗脱） 第137页第137页七、糖提取分离 分离4凝胶柱色谱惯用商品名称及型号：葡聚糖凝胶（商品名：Sephadex G） G-10、G-15、G-200等10表示吸水量乘以10，即10ml/g吸水量琼脂糖

8、凝胶（Sepharose，Bio-Gel A）聚丙烯酰胺凝胶（Bio-Gel P）羟丙酰基交联葡聚糖凝胶（Sephadex LH-20）（亲脂性，可在有机溶剂中进行分离分子筛） 第138页第138页七、糖提取分离 分离操作过程： 除LH-20外，均在H2O中进行。将凝胶在适当溶液中浸泡（多为洗脱剂）；待充足膨胀后装入层析柱；用洗脱液洗脱；搜集、回收溶液，干燥。 第139页第139页七、糖提取分离 分离洗脱溶剂选择：分离中性物质水及电解质溶液 （酸、碱、盐溶液及缓冲液）阻滞较大组分水+有机溶液 （水-甲醇、水-乙醇、水-丙酮等）LH-20可用有机溶液进行溶胀（如：CHCl3、丁醇、二氧六环等）(

9、合用：有机物质分离，如：脂类、固醇类等) 第140页第140页七、糖提取分离 分离5季铵氢氧化物沉淀法季铵氢氧化物是一类乳化剂。 第141页第141页七、糖提取分离 分离6分级沉淀或分级溶解法 在糖水溶液中，逐步加入乙醇，即逐步增大EtOH浓度，可得到各部分沉淀物。 为使多糖稳定，多糖通常在pH=7时进行 酸性多糖在pH=24时进行 处理酸性多糖时，为防酸水解苷键，操作宜快速。第142页第142页七、糖提取分离 分离7蛋白质除去法 用分级沉淀法得到多糖，常夹杂有较多蛋白质，为除之，通常选择能使蛋白质沉淀而使多糖不沉淀试剂来处理，如：酚、三氯乙酸、鞣酸等。注意：处理时间要短，温度要低。 （避免多

10、糖降解）三氟三氯乙烷法和Sevag法（用氯仿：戊醇或丁醇4：1混合）在避免降解上有较好效果。第143页第143页八、糖鉴定和糖链结构测定糖鉴定1纸层析展开系统：惯用水饱和有机溶剂展开。 如：正丁醇：醋酸：水（4：1：5上层）BAW 水饱和苯酚等溶剂系统。显色剂：邻苯二甲酸苯胺、硝酸银试剂(使还原糖显棕黑色)、三苯四氮唑盐试剂（单糖和还原性低聚糖呈红色）、3,5-二羟基甲苯盐酸试剂（酮糖呈红色） 等。第144页第144页八、糖鉴定和糖链结构测定2薄层层析可用（硼酸液 + 无机盐）+ 硅胶 制板吸附剂：硅胶 （用0.03M硼酸液或无机盐水液代水制板）惯用无机盐：0.3M磷酸氢二钠或磷酸二氢钠 0.

11、02M乙酸钠 0.02M硼酸盐缓冲液 0.1M亚硫酸氢钠/H2O第145页第145页八、糖鉴定和糖链结构测定 硼酸与无机盐制板特点： 增长糖在固定相中溶解度，使硅胶薄层吸附能力下降，利于斑点集中，又可增长样品承载量。显色剂：除纸层析应用以外，还用如： H2SO4/H2O或乙醇液 茴香醛-硫酸试剂 苯胺-二苯胺磷酸试剂 等 第146页第146页八、糖鉴定和糖链结构测定3气相层析 将糖制备成三甲基硅醚（增长其挥发性） 将醛糖用NaBH4还原成多元醇（避免形成端基异构体）制成乙酰化物或三氟乙酰化物。4液相色谱 填充材料化学修饰硅胶 优：不必制备成衍生物。 适合分析对热不稳定、不挥发低聚糖和多糖。分析

12、单糖和低聚糖，其灵敏度不及气相层析。 第147页第147页八、糖鉴定和糖链结构测定5离子互换层析 糖硼酸络合物可进行离子互换层析优：不必制成衍生物，而直接用水溶液进行分离（与气相比较）糖自动分析仪： 显 色：3,5-二羟基甲苯-浓硫酸 波 长：425nm 上样量：每种构成不超出1mg 洗脱剂：四硼酸钾缓冲溶液 第148页第148页八、糖鉴定和糖链结构测定糖链结构测定 主要处理问题单糖构成、糖之间连接位置和顺序、苷键构型1单糖构成 2单糖之间连接位置决定3糖链连接顺序决定4苷键构型决定513C-NMR在糖链结构测定中应用 第149页第149页八、糖鉴定和糖链结构测定1单糖构成 低聚糖、多糖结构分

13、析，首先要理解由哪些单糖所构成，各种单糖之间百分比如何。 一般是将苷键全水解，用PC检出单糖种类，经显色后用薄层扫描仪求得各种糖分子比。 也可用GLC或HPLC对单糖定性定量。 GLC常以甘露醇或肌醇为内标，用已知单糖作原则。 第150页第150页八、糖鉴定和糖链结构测定2单糖之间连接位置决定将糖链全甲基化水解甲基化单糖定性和定量（气相层析）（甲基化单糖中游离-OH部位就是连接位置）13C-NMR测定：主要归属各碳信号，以拟定产生苷化位移碳。 第151页第151页八、糖鉴定和糖链结构测定3糖链连接顺序决定缓和水解法：将糖链水解成较小片段，然后分析这些低聚糖连接顺序。质谱分析。4苷键构型决定 分

14、子旋光差（klyne法） 酶催化水解办法 1H-NMR判断糖苷键相对构型 其它 第152页第152页八、糖鉴定和糖链结构测定1H-NMR判断糖苷键相对构型在糖1H-NMR中： 端基质子5.0 ppm左右 其它质子3.54.5 ppm 可通过C1-H与C2-H偶合常数，来判断苷键构型（、） 比如：D-葡萄糖 第153页第153页八、糖鉴定和糖链结构测定D-葡萄糖第154页第154页八、糖鉴定和糖链结构测定513C-NMR在糖链结构测定中应用端基碳97106 ppm普通在13C-NMR谱中：如：D-葡萄糖 第155页第155页八、糖鉴定和糖链结构测定D-葡萄糖苷 C1型 97101 ppm 型 1

15、03106 ppm CH-OH (C2、C3、C4) 7085 ppm CH2-OH (C6) 62 左右 CH3 20 ppm用门控去偶技术，可判断呋喃糖端基碳与端基质子偶合常数。苷键JC-H170Hz 苷键JC-H160Hz 第156页第156页八、糖鉴定和糖链结构测定苷化位移（glycosidation shift） 糖苷化后，端基碳和苷元-C化学位移值均向低场移动，而邻碳稍向高场移动（偶而也有向低场移动），对其余碳影响不大，这种苷化前后化学改变，称苷化位移。 第157页第157页天然多糖化合物 -甲壳素 概述 1811 年法国科学家H Braconnot 从菌类中提取出一个酷似纤维素物

16、质，由于存在于动物甲壳中，故取名甲壳素。 自然界每年生物合成甲壳素预计有数十亿吨之多，远远超出其它氨基多糖，几乎是一个取之不尽用之不竭再生资源。第158页第158页甲壳素是许多低等动物，尤其是节肢动物（如各种虾、蟹等）、甲壳类和昆虫类（如独角仙、蟋蟀）及其它动物骨骼与生物表皮主要构成部分，同样他们也存在于低等植物如真菌和藻类等细胞壁中，其资源十分丰富。在生物体内，甲壳素多于碳酸钙结合在一起。第159页第159页 1991年，美国、欧洲医学界和营养食品研究机构将甲壳素称为继蛋白质、脂肪、糖、维生素、矿物质之后人体健康所必须第六大生命要素。 甲壳素作为机能性健康食品，完全不同于普通营养保健品，对人

17、体含有强化免疫、克制老化、预防疾病、促进疾病痊愈和调整生理机能等多项功效。第160页第160页 甲壳素是一个无色、无毒、无味、耐晒、耐热、耐腐蚀、不怕虫蛀结晶或无定形物。 不溶于水、有机溶剂、稀酸和稀碱，可溶于浓硫酸、浓盐酸、7897 %磷酸、无水甲酸，同时发生降解，分子量由100 万200 万明显降至30 万70 万；甲壳素可溶于一些特殊溶剂中，如二甲基乙酰胺- 氯化锂、N - 甲基吡咯烷酮- 氯化锂等混合溶剂。第161页第161页 壳聚糖(chitosan) 是甲壳素脱乙酰化产物，是一个天然阳离子聚合物，无毒无害，安全可靠，易生物降解。 壳聚糖又称脱乙酰甲壳素，化学名称是聚(1 ,4)-氨

18、基-脱氧-D-葡聚糖，是甲壳素最主要衍生物。外观为白色或灰白色，微具金属光泽，溶于1 %乙酸溶液后形成透明粘稠壳聚糖胶体溶液，是最主要性质之一。第162页第162页 甲壳素、壳聚糖化学结构与纤维素极其相同。纤维素是葡萄糖以- 1 ，4 糖苷结合形成多糖。当纤维素葡萄糖环C2 位置羟基被乙酰胺基取代是甲壳素，被氨基取代是壳聚糖。第163页第163页第164页第164页甲壳素提取工艺 虾、蟹壳中甲壳素含量达20%50%，其余主要是碳酸盐和蛋白质。第165页第165页第166页第166页壳聚糖制备 甲壳素经脱乙酰化反应得到可溶性甲壳素又叫壳聚糖，壳聚糖反应活性比甲壳素强得多，可溶于稀酸等。其反应过程

19、下列：第167页第167页 利用水解、酰化、硫酸酯化、磺化、硝化、羟化、醚化、氧化、烷基化、磷酸化、脱氧化成盐等反应，能够从甲壳素和壳聚糖制备各种衍生物。第168页第168页甲壳素、壳聚糖及其衍生物应用 这类高聚物含有较好生物相容性及生物降解性，对人体无毒，是一个抱负医用生物材料。甲壳素在大自然中每年生物合成量高达数千亿吨，是一个取之不尽用之不竭用途广泛再生资源。 第169页第169页1、成膜性、渗入性和电解性及用途 甲壳素和壳聚糖容易制成膜。由壳聚糖浇注成有柔性无色透明膜，含有良好粘附性、通透性及一定抗拉强度。 壳聚糖或甲壳素膜可用作音响设备振动膜、双电解质膜、人工肾膜、反渗入膜、超滤膜、渗

20、入蒸发膜、脱水膜。第170页第170页2、甲壳素和壳聚糖螯合、吸附性与应用 甲壳素，尤其是壳聚糖，能通过度子中氨基和羟基与许多重金属离子形成稳定螯合物。 因此，可作为絮凝剂用于废水处理、食品厂蛋白质回收、中药药液提纯精制等。第171页第171页3、甲壳素和壳聚糖吸湿、保湿性及应用 由于甲壳素和壳聚糖含有羟基、氨基等极性基团，呈现出较好吸湿性和保湿性。 因此，它们可作牙膏、护肤化妆品及陶瓷改性剂。护发及头发生长增进剂。因其含有碱性和较高粘度，壳聚糖也用作止酸剂、悬浮剂、乳化剂、饮料及其它粘稠液体稳定剂、酸性食品及药物改良剂。第172页第172页4、甲壳素和壳聚糖生物活性与应用4.1抗菌、杀菌作用 甲壳素能提升宿主抗Sendai 病毒及大肠杆菌感染能力。 与藻酸合成胶囊型、薄膜型肥料和除草剂、能刺激土壤微生物产生一个杀死虫卵酶、间接毁灭害虫、并且不造成地下水污染及农药残