《天然药物化学改》演示PPT.ppt

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1、1,天然药物化学 第 5 版 吴立军 主编 生 物 教 研 室,2,第一章 总 论,第一节 绪 论 一、天然药物化学的概念 1. 定义：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的一门学科。 2. 天然药物的来源：天然药物是指来源于动物、植物、矿物及微生物等自然资源的药物。 天然来源的药物可分为:原始天然化合物、天然产物的半合成化合物和基于天然产物的全合成化合物。,3,二、天然药化的研究对象及内容 研究对象：天然药物中的化学成分（主要是生 理活性成分或有效成分） 研究内容： 1）结构特点； 2）理化性质； 3）提取分离方法；主要类型化学成分的 4）结构鉴定； 5）生物合成途径

2、等。,4,三、有效成分和生理活性成分的概念有效成分：具有生理活性，能用结构式表示的单体 化合物。(一般含量达到90%以上的单体)。活性成分：具有生理活性，但没有分离成单体化合物 的组分。(有效部位：一般是指同类物质 达到50%以上的活性物质)无效成分：指无明显生理活性的成分，又称杂质。,5,四、天然药物化学的发展 1、起源 ：1575年明医学入门中 记载了从五倍子中得没食子酸的过程。 1769年K.Wschelle从酒石中制得酒石酸。,6,“生物碱的研究是天然药物化学发展的开端”,morphine,1803 1806 吗啡(鸦片),2、进展 ：1804 1952年，药物学家从罂栗中提取得到吗啡

3、并进行了结构测定和化学全合成。,7,3、快速发展：20世纪50年代后，随着色谱、光谱、计算机应用，天然药物进入到快速发展阶段。 五、我国天然药物的地位和前景 1、HPLC、GC、MS、NMR等现代分离分析设备、新材料、新试剂、新技术的引进为天然药物化学研究工作的开展奠定了必要的物质基础。 2、在新药开发中占重要地位。 3、在中药现代化的进程中发挥着重大作用。,8,从中药中开发新药的三条途径 第一条途径:把中药当作天然药来研究,走单体分析提取的道路, 是当前国际开发化学药品的重要手段之一。 第二条途径：开发中药复方新药,中药复方新药一般是中药的三类新药,系指以中药材(或饮片)为起始原料,以有效方

4、剂为源头,进行制剂加工后而得到含有多组分化学特征的新药。 第三条途径：用已知有效或认为有效的某些单味中药的有效部位提取物或有效化学成分,配伍组成新的中药复方,并开发成新的中成药。,9,第二节 生物合成,一、一次代谢与二次代谢（一） 一次代谢及其代谢产物 1.一次代谢 维持植物机体生命活动的代谢过程叫一次代谢。 2.一次代谢产物 (primary metabolites) 糖类 蛋白质 脂质 核酸 3.一次代谢产物的作用 1）植物的营养物质 2）人类赖以生存的物质基础,10,植物一次代谢与生物合成过程,三羧酸循环（TCA）丁酮二酸-酮戊二酸丁二酸,CO2 H2O,h / 叶绿素,磷酸烯醇式丙酮酸

5、,甲戊二羟酸,丙酮酸,乙酰辅酶A,丙二酸单酰辅酶A,赤藻糖4-磷酸,葡萄糖代谢,莽草酸,苯丙素类,芳香族氨基酸,脂肪族氨基酸,嘌呤、嘧啶,脂肪酸类,-氨基乙酰丙酸,11,（二） 二次代谢及其代谢产物 1.二次代谢 以一次代谢产生的代谢产物为原料（或前体），经不同途径进一步合成的过程叫二次代谢。 2.二次代谢产物 (secondary metabolites) 产生结构千变万化、千奇百怪、珣丽多姿的化学物质。 3.二次代谢产物的作用 1）维持植物的特性与特征 2）重要的药物资源,12,植物二次代谢与生物合成程,三羧酸循环（TCA）丁酮二酸-酮戊二酸丁二酸,鞣酸类,CO2 H2O,h / 叶绿素,

6、磷酸烯醇式丙酮酸,甲戊二羟酸,丙酮酸,乙酰辅酶A,丙二酸单酰辅酶A,赤藻糖4-磷酸,葡萄糖代谢,莽草酸,苯丙素类,芳香族氨基酸,脂肪族氨基酸,嘌呤、嘧啶,脂肪酸类,萜 类,甾 醇,胡萝卜素类,生物碱类,肽 类,含氮化合物,香豆素、木脂（质）素,黄酮类,-氨基乙酰丙酸,核苷,核苷酸类,醌 类,胆 碱,卟啉类,前列腺素类,脂肪族及芳香族聚酮类,13,二次代谢产物归类,二次代谢产 物,苷 类非苷类 （苷元） + 糖挥发油,*脂肪族萜 类芳香酚类,酸性物质碱性物质中性物质,脂肪族芳香族,香豆素类木脂素类木质素类,苯丙素类黄 酮 类醌 类鞣 质,植物甾醇强 心 苷皂 苷,单 萜倍 半 萜二 萜二倍半萜三

7、 萜多 萜,甾 族萜 类,生物碱N 族,油 脂,14,二、生物合成假说的提出 三、主要的生物合成途径（复合） (一)醋酸-丙二酸途径(acetate-malonate pathway) (二)甲戊二羟酸途径(mevalonic acid pathway) (三)桂皮酸途径(cimmanic acid pathway)及莽草酸 途径 (shikmic acid pathway) (四)氨基酸途径(amino acid pathway) (五)其他途径,15,第三节 提取分离方法,一、中草药有效成分的提取 1、提取的概念：提取是指将有效成分或活性成分从原药 材中提出的过程。 2、提取的方法：(1)

8、溶剂提取法 (2)水蒸气蒸馏法 (3)升华法,16,（1）溶剂提取法 原理：根据相似者相溶原理 溶剂的极性顺序：水甲醇乙醇正丁醇 乙酸乙酯 氯仿石油醚 溶剂与成分 石油醚或氯仿：可提出油脂、蜡、叶绿素、挥发油、游离甾体及三萜类化合物； 氯仿或乙酸乙酯：可提出游离生物碱、有机酸及黄酮、香豆素的苷元等中等极性化合物； 丙酮或乙醇、甲醇：可提出苷类、生物碱盐及鞣质等极性化合物； 水：可提出氨基酸、糖类、无机盐等水溶性成分。,17,提取工艺： 浸渍、煎煮、渗漉、回流、连续回流、超临界流体萃取技术(Superitical Fluid Extraction，SFE)、超声提取、微波辅助提取等。,18,（2

9、）水蒸气蒸馏法所提取的成分应具备3个特点：挥发性、热稳定性、水不溶性。 如：挥发油、小分子的香豆素类、小分子的醌类成分。,19,（3）升华法用于提取具升华性的成分，如樟脑、咖啡因、游离蒽醌类等。固体物质受热直接气化，遇冷后又凝固成固体，称为升华。,20,分离的方法： （一）根据物质溶解度差别进行分离 方法一：结晶法、重结晶法 原理：结晶法、重结晶法是利用温度不同引起的溶解度的改变以分离各组分。 举例：芸香苷的精制 粗芸香苷2g，加蒸馏水400ml,煮沸至芸香苷完全 溶解，趁热抽滤，冷却后即可析出结晶。,二、中草药有效成分的分离与精制 分离：分离是指将提取物中的多种成分一一分开的过程。 精制：精

10、制是指将提取物中与有效成分或活性成分混杂在一起的其他成分除去的过程。,21,方法二：溶剂沉淀法 原理：在提取液中加入另一种溶剂以改变混合溶剂 的极性，使一部分物质沉淀下来，从而实现 分离。 举例：板蓝根的水煎煮液浓缩后，加入2倍量90%乙 醇，使糖、蛋白质等杂质沉淀析出。,22,方法三：酸碱沉淀法 原理：对酸、碱性或两性化合物，可通过加入酸或碱以调节提取液的pH值，改变物质的存在状态，从而改变溶解度而实现分离。 举例：,生物碱的分离,23,方法四：盐沉淀法 原理：在溶液中加入沉淀剂，使某些成分生成水不溶性 的盐类沉淀析出，过滤后与其他成分分离。 举例：蒽醌类化合物的提取液中加入饱合醋酸铅溶液，

11、 蒽醌苷可与醋酸铅生成沉淀，将沉淀物悬浮于水 中，通硫化氢进行脱铅，过滤后蒸干可得蒽醌 苷。,24,（二） 根据物质在两项溶剂中分配比不同进行分离 方法：液-液萃取法、液-液分配色谱法（LC或LLC）、气相 分配色谱(GC)、反流分布法(CCD)、液滴逆流谱法(DCCC) 原理：利用提取物中不同组分的分配系数的差异实现各组 分的分离。 1.分配系数k值 k=CU/CL K：表示分配系数，越大越容易分离。 CU：表示溶质在上相溶剂中的溶度； CL：表示溶质在下相溶剂中的溶度。,25,2.分离因子 KA/KB（注KAKB） 越大越容易分离。 100，仅作一次简单萃取就可实现基本分离； 10010，

12、则须萃取10-12次； 2，须萃取100次以上才能完成； 1，则KA=KB，无法分离。,26,3.pH值对分配比的影响 以酸性物质（HA）为例，其在水中的离解平衡及离解常数如下：,27,28,4.常用的液-液分配方法(1)纸色谱（PC）与薄层色谱（TLC）属于分配色谱。支持剂为滤纸、聚酰胺、硅胶、硅藻土和纤维素等。,29,(2）分配柱色谱（HPLC）正相色谱（极性：固定相流动相） 适用：水溶性或极性较大的成分分离 载体：硅胶、硅藻土、纤维素 固定相：强极性溶剂(水、缓冲液等) 流动相：弱极性有机溶剂(氯仿、乙酸乙酯等) 先导：TLC或PC 监控：TLC,30,反相色谱（极性：流动相固定相）适用

13、：脂溶性成分分离 载体：硅胶、硅藻土、纤维素 固定相：强亲脂性物质(石蜡油等) 流动相：强极性溶剂(水、甲醇等) 先导：RPTLC 监控：TLC,31,(3）逆流分溶法 (CCD) 当分离因子较小，简单萃取无法完成分离时，通常采用逆流分溶法。,32,(4）液滴逆流色谱(DCCC)及高速逆流色谱(HSCCC),33,(三)根据物质吸附能力差异进行分离,方法：柱层析固-液吸附的种类： 物理吸附：无选择性，过程可逆，应用最广。 化学吸附：有选择性，过程不可逆，用得最少。 半化学吸附：有选择性，过程可逆。,34,1.物理吸附基本规律：“相似者易于吸附” 基本特点：无选择性、可逆吸附、快速物理吸附原理：

14、吸附与解吸附的循环往复 基本要素：吸附剂、被分离物质、溶剂,35,常见的吸附剂 极性吸附剂：硅胶、氧化铝 非极性吸附剂：活性碳 反相吸附剂：C-8硅胶、C-18硅胶 其中硅胶应用最广，适宜于亲脂、弱亲脂、酚酸性成分、碱性成分(生物碱时需调节pH) ； 反相硅胶适宜于极性成分(溶剂多用甲醇/水；乙氰/水),36,被分离物质极性判断： 亲水性基团及数目与极性成正比；亲脂性基团及数目与极性成反比。 COOHArOHROHRNH2,RNHR,RNRR”RCONRR”RCHORCORRCOORRORRH 游离型化合物极性弱、具亲脂性，解离型化合物极性强、具亲水性。,37,对于骨架相同的化合物，根据所含取

15、代基的极性判断分子的极性强弱。 骨架相同，取代基数目和种类不同，如果数目相差不大，含有极性最大的化合物的极性最强。,骨架不同，取代基数目相差较大时，要具体情况具体分析。,极性,38,极性顺序：苷A苷B 次苷D 次苷C 次苷A 次苷B 单乙酰次苷B,39,溶剂的极性依据介电常数决定。水甲醇乙醇丙酮正丁醇乙酸乙酯氯仿乙醚苯四氯化碳石油醚己烷,40,例题： 硅胶薄层层析，乙醚-乙酸乙酯 (4：1) 展开，比较大黄中的五种蒽醌苷元的Rf值。,极性顺序：大黄酸大黄素芦荟大黄素大黄素甲醚大黄酚,Rf值：大黄酸大黄素芦荟大黄素大黄素甲醚大黄酚,41,吸附柱层析的操作 1）装柱 吸附剂用量：试样量的3060倍

16、 极性小难分离者100 200倍 湿法和干法两种,42,2）上样 湿法(溶液加样法)：样品用极性小的溶剂溶解 干法(拌样加样法)：样品不易溶解时采用此法 3）洗脱与收集 洗脱液的选择依据TLC结果而定，TLC 样品主要斑点Rf=0.20.3时该展开系统作为柱色谱的洗脱剂 4）各流分TLC跟踪鉴别，相同者合并,43,2.化学吸附 基本特点：有选择性、不可逆吸附 基本原理：发生化学反应 酸性物质与Al2O3发生化学反应 碱性物质与硅胶发生化学反应 Al2O3容易发生结构的异构化 应尽量避免,44,3.半化学吸附 基本特点：介于物理吸附和化学吸附之间 基本原理：以氢键的形式产生吸附常用的吸附剂：聚酰

17、胺(poliamide)、大孔吸附树脂,（1）聚酰胺聚酰胺的性质：为高分子聚合物，溶于水、甲醇、乙醇、乙醚、氯仿、酮等，对碱稳定；溶于浓盐酸、冰酸、甲酸。 适合酚类、醌类和黄酮类化合物的分离,45,基本原理：以氢键的形式产生吸附,46,1）形成氢键的基团数目越多，则吸附能力越强。,2）成键位置对吸附力也有影响。易形成分子内氢键者，其在聚酰胺上的吸附即相应减弱。,吸附能力：,47,3）分子中芳香化程度高者，则吸附性增强；反之，则减弱。,吸附环境：水或低浓度醇中。 洗脱能力由弱至强： 水 甲醇 丙酮 氢氧化钠水溶液 甲酰胺 二甲基甲酰胺 尿素水溶液 应用：酚酸性、黄酮类成分分离 植物粗提物的脱鞣处

18、理,48,（2）大孔吸附树脂 吸附原理：范德华引力及键吸附，兼有分子筛原理 常用吸附剂：Amberlite、Diaion、GDX系列(有极性、中极性和非极性之分)，国产的常用D101 ， AB-8等 性质：理化性质稳定，不溶于酸、碱及有机溶剂。,49,大孔吸附树脂的优点： 选择性好 吸附容量大，不受无机盐类及强离子、低分子化合物的干扰 解吸容易 机械强度高、耐污染、流体阻力小 反复多次使用，再生容易,50,大孔吸附树脂吸附环境：水或低浓度醇中 影响吸附与分离因素： 大孔吸附树脂：比表面积、表面电性、形成H键与 否。 化合物性质：分子极性、分子大小、能否形成氢键 非极性化合物在水中易被非极性树脂

19、吸附； 极性化合物在水中易被极性树脂吸附。,51,上样溶剂性质：溶剂对样品成分的溶解性，溶剂pH值上样溶液浓度：吸附量与上样浓度成反比 吸附流速：流速过大，吸附量下降；流速过小，吸附时间增加洗脱剂的性质：洗脱剂的种类，丙酮无水醇含水醇H2O； 洗脱剂的pH值洗脱流速：一般0.55ml/min,52,应用：苷与糖的分离，苷类、生物碱的富集，黄酮类、三萜类化合物的分离等。,例：甜叶菊苷的提取分离,53,（四）根据物质分子大小差异进行分离,常用方法 透析法(dialysis) 凝胶过滤法(gel filtration) 超滤法(ultrafiltration) 超速离心法(ultracentrifu

20、gation) 膜分离法(membrane separation),54,分离原理 透析法、膜分离法、凝胶过滤法系利用半透膜的膜孔或凝胶的三维网状结构的分子筛过滤作用。 超滤法是分子大小不同引起的扩散速度上的差异。 超速离心法则是利用溶质在超速离心作用下沉降性或浮游性的不同。 应用范围 用于水溶性大分子化合物的精制及分离,55,凝胶层析 利用分子筛的原理分离物质 分子筛层析 (molecular sieve filtration chromatography) 排阻层析 (exclusion chromatography) 凝胶过滤层析 (gel filtration chromatograp

21、hy),56,常用凝胶的种类及性质 葡聚糖凝胶（Sephadex G)系列:G-10, 15, 20, 25, 50, 75, 100, 200 Sephadex G系列只适于在水中应用。,57,羟丙基葡聚糖凝胶(Sephadex LH)系列:LH-20 Sephadex G-25 -OH -OCH2CH2CH2OH Sephadex LH-20即能在水中也能在有机溶剂中以及水组成的混合溶剂中应用。分子筛作用，在由混合溶剂（极性和非极性）中起反相分配色谱的效果 适用于黄酮、蒽醌、香豆素等分离 可反复再生使用，水洗含水醇洗醇洗,58,（五）根据物质解离度差异进行分离,常用方法 电泳技术(elec

22、trophoretic method) 离子交换法 (ion-exchange chromatography) 原理 天然有机化合物中，具有酸性、碱性及两性基团分子在水中多呈解离状态而与离子交换树脂上的交换基团发生交换被吸附。,59,典型的高选择性层析，分辨率高，载量大，工艺控制简单，规模容易放大 具有显著的浓缩效果，能够从含量低的大量样品中捕捉目标 ，适合于初步纯化 再生能力强,离子交换树脂的结构与特点：,R SO3 H,60,阳离子交换树脂:强酸性 SO3H 弱酸性 COOH 阴离子交换树脂:强碱性 N+(CH3)3Cl- 弱碱性 NH2，NHR, NRR,阳离子交换反应：Resin-SO

23、3H + Na+ = Resin-SO3 Na + H+ Resin-SO3Na + H+ = Resin-SO3 H + Na+阴离子交换反应：Resin-N(CH3)+ 3OH+ Cl=Resin-N(CH3) +3 Cl+ OHResin-N(CH3) +3 Cl+ OH=Resin-N(CH3) +3 OH+ Cl 阳离子交换剂只与阳离子交换，阴离子交换剂只与阴离子交换。,61,离子交换层析原理：,62,63,应用： 生产去离子水,64,第四节结构研究法 一、化学成分纯度的判断三种以上的展开系统展开，TLC上均为单一斑点。具一定的晶型和均匀的色泽。具固定的熔点，熔距在12以内。具固定的

24、比旋度。HPLC检测为一个单峰。实际工作中我们要结合上述各种方法，综合考虑。,65,二、化学成分结构研究的主要程序,初步推断化合物类型：理化性质、文献调研、TLC/PC等。测定分子式，计算不饱和度：元素分析；高分辩质谱等。确定分子中含有的官能团/结构片断/基本骨架:谱学性质等。推断并确定分子的平面结构：文献调研、光谱分析等推断并确定分子的立体结构：CD (圆二色谱)/ORD(旋光光谱) NOE/NOESY/2D-NMR、X-ray分析。 Question: 天然药物中化学结构研究的一般步骤？,66,三、结构研究中采用的主要方法,确定分子式，计算不饱和度不饱和度u计算公式： I III u =

25、IV - + 1 2 2I: 一价原子（如H, X）的数目;III: 三价原子（如N, P）的数目；IV: 四价原子（C, S）的数目。,67,质谱（Mass Spectra）,68,FD-MS(Field Desorption ionization MS, 场解析电离质谱),69,FAB-MS (Fast Atom Bombardment ionization MS, 快速原子轰击电离质谱)与FD-MS互相补充，可得到苷和苷元分子量及其裂解碎片的重要信息,70,红外光谱法(Infrared spectroscopy, IR spectroscopy),4000-1500cm-1特征频率区、1

26、500-600cm-1指纹区,71,核磁共振波谱法,氢核磁共振（1H-NMR） (1)化学位移(chemical shift, ) (2)峰面积： 1H-NMR积分面积与分子中的总质子数相当，故如分子式已知，可据此算出每个信号所相当的1H数。 (3)信号的裂分(n+1)及偶合常数(J): 如s(single,单峰)、d(doublet,二重峰)、t(triplet, 三重峰)、q(quartet, 四重峰)、m(multiplet, 多重峰)等。,72,73,碳核磁共振（13C-NMR）,在决定有机化合物（也可称之为含碳化合物）的结构时，与1H-NMR相比，13C-NMR无疑起着更为重要的作用。,