郑大天然药化总论.ppt

天然药物化学,Medicinal Chemistry of Natural Products 主讲：张雁冰2009年2月25日,姓 名：张雁冰职 称：教 授学 位：博 士办公室：药学院214房间办公电话：67781912手 机：13592680213邮 箱：Z,主要参考书目,吴立军天然药物化学(第5版)人民卫生出版社，2007,徐任生等天然产物化学科学出版社，2004,于德泉等分析化学手册（7）化学工业出版社，1999,汪茂田等天然有机化合物提取分离与结构鉴定化工出版社,2004,第一章 总论,绪论,生物合成途径,提取与分离方法,结构鉴定方法,天然产物指在大自然中的生物体内存在的或代谢产生的有机物,一.天然药物化学定义,天然产物化学是研究包括一切源自植物、动物、昆虫、微生物的化学,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（主要是活性成分）的一门学科,二.天然药物研究的发展史,1769年瑞典化学家舍勒从酒石分离出酒石酸。苯甲酸（1775）、乳酸（1785）、没食子酸（1786）等有机酸类物质。明代李延的医学入门（1575）中记载了用发酵法从五倍子中得到没食子酸的过程。本草纲目卷39中记载了没食子酸制备过程。本草纲目卷34详尽记载了用升华法等制备、纯化樟脑的过程。欧洲直至18世纪下半叶才提出了樟脑的纯品。,1806年由法国化学家F泽尔蒂纳自鸦片中提取出吗啡碱。大量显著的生理活性成分，如土根碱、奎宁、辛可宁、番木鳖碱、咖啡因、阿托品毛地黄强心苷、毒毛旋花苷、蟾蜍等。1960年左右开始了对海洋天然产物的研究20世纪80年代以来，由于分子生物技术的迅猛发展，为有效成分的提取和功能研究提供了新方法。,从发现到全合成用了约150年,三.主要研究内容和意义,理化性质,主要化学,结构特点,理化性质,提取分离,结构鉴定,生物合成途径,结构修饰或合成,二次代谢产物,天然药化研究目的,创新药物研究寻找新药或活性先导化合物,中药现代化研究控制质量,降低原植物毒性提高疗效,扩大天然药物的资源,功能性食品研究,探索天然药物治病机理,相关的术语,有效成分指单体化合物能用分子式和结构式表示具有一定的理化常数具有药效,有效部位指具有生物活性的混合物如：总生物碱、总皂苷或总黄酮,有效部位群含有两类或两类以上有效部位的中药提取或分离部分,无效成分与有效成分共存的其它成分有效成分与无效成分是相对的,生物活性成分经过不同程度药效试验或生物活性试验（体内、体外）证明对机体有一定生物活性,有效成分和无效成分的关系,二者的划分是相对的。随着科学的发展和人们对客观世界认识的提高，一些过去被认为是无效成分的化合物，如某些多糖、多肽、蛋白质和油脂类成分等，现已发现它们具有新的生物活性或药效。某些过去被认为是有效成分的化合物，经研究证明是无效的。如麝香的抗炎有效成分，近年来的实验证实是多肽而不是麝香酮等。,标准提取物（standardized extracts),指采用现代科学技术对传统中药材进行提取加工而得到的一种具有相对明确药效的物质基础以及严格质量标准的一种中药产品可作为中药制剂、保健品及化工产品的原料,相对明确的物质基础 可分为有效部位和有效成分 质量控制应用指纹图谱,特定的药理活性 反映原中药材的特定功效 一种中药材可有几种标准提取物每种标准提取物有一最佳的组分构成比例以体现不同的功效,严格的质量标准植物基原、制备工艺、形状、鉴别、检查、含量测定等项目,标准提取物的特点,标准提取物的意义,具有一致性标准的中药提取物使生产的各批提取物具有活性成分一致性,标志化合物是中药的特征成分同时作为标准提取物的标准,标志化合物在加工时不被破坏有物种鉴别的功能,标志化合物不一定是活性化合物如银杏提取物的标志化合物是24的银杏黄酮醇，而银杏内酯和白果内酯是活性成分,相关课程,分析化学,波谱分析,其他学科,生药药植,无机化学,有机化学,四.天然药化研究现状及发展前景,中医中药在临床应用了几千年其疗效经过了实践的检验并成为世界文化的一朵奇葩,生产工艺比较落后质量监控亟待改进中医独特哲学思想西方人难以理解成为中药国际化的严重障碍,新药研究与开发成为当今十分重要和紧迫的课题,天然药化的进展,合成研究手性合成研究,样品消耗量大幅度降低,微量、水溶性及不稳定成分研究,结构研究周期缩短,吗啡C17H19NO3从发现到全合成148年（18041952）,利血平C33H40N2O9发现到全合成4年（19521956）,西方第一个抗高血压药物1952 年Muller等分离出1956 年woodword 等全合成,沙海葵毒素C129H223N3O54（19741981）,天然药化研究发展趋势,五.研究天然产物的一般方法和程序,按物质的种类,六.天然药物化学成分的分类,按物质的药效,按其代谢途径,按物质的结构,按物质的溶解性,按化合物酸碱性,糖：多羟基醛和多羟基酮及其缩合产物 苷：糖或糖的衍生物与非糖物质通过苷键连接,葡萄糖 毛茛苷,糖和苷,苯丙素类,苯环和3个直链碳连在一起为单位构成的化合物,咖啡酸 香豆素 去甲二氢愈创木脂酸,醌类化合物,苯醌、萘醌、菲醌和蒽醌衍生物及其不同程度的还原产物。,辅酶Q10,大黄素,黄酮类,泛指两个具有酚羟基的苯环通过中央三碳原子相互联结而成的一系列化合物,芦丁,萜类化合物,由甲戊二羟酸衍生、符合（C5H8)n通式的化合物 2C5 单萜(C10)；4C5 二萜(C20)；6C5 三萜(C30),穿心莲内酯,薄荷醇,齐敦果酸,甾体及其苷类,具有环戊烷并多氢菲结构的化合物及其苷,胆固醇,羟基毛地黄毒苷,生物碱类,天然产物中含氮的有机化合物,麻黄碱,罂粟碱,一.生物合成的内容和意义,生物合成是研究次级代谢产物的生源途径搞清楚从前体经各个中间体直至形成最终产物的历程进而用生物方法实现一般化学方法难以完成的反应,生物合成的意义,二.植物代谢及其代谢产物,二.一次代谢及其代谢产物,一次代谢维持植物机体生命活动的代谢过程,一次代谢产物 保持生命特征所需生物高分子糖类、蛋白质、脂质、核酸,一次代谢产物的作用 植物的营养物质 人类赖以生存的物质基础,植物体内的物质代谢与生物合成过程,(二)二次代谢及其代谢产物,二次代谢 以代谢产物为原料（或前体）经不同途径进一步合成的过程,二次代谢产物 保证生物个性特征的发挥和生命运动的进行 产生结构不同的化学物质,二次代谢产物的作用 维持植物的特性与特征 重要的药物资源天然药化主要研究对象,二次代谢主要途径,二氧化碳.水,莽草酸,予苯酸,芳香族氨基酸,多酮,香豆素.木脂素,桂皮酸,多肽,生物碱,黄酮,酚,萘.蒽 醌,甾.萜,甲戊二羟酸,单糖,多糖.苷,脂肪族氨基酸,乙酰辅酶A,丙酮酸,三.主要的生物合成途径,（一）基本结构单位,（二）主要的生物合成途径,合成脂肪酸类化合物,合成酚类化合物,合成萘、蒽醌类化合物,桔霉素 腐皮壳素 灰黄霉素,聚戊酮类 聚己酮类 聚庚酮类,聚辛酮类 聚壬酮类 聚癸酮类,大黄素 玉米赤霉素 奥佛尼红素,焦磷酸二甲烯丙酯，DMAPP,焦磷酸异戊烯酯，IPP,甲戊二羟酸，MVA,DAPP或IPP头尾相连形成单萜、倍半萜或二萜,三萜由两个倍半萜尾-尾相接而成再经氧化、还原、脱羧、环合或重排形成种类繁多的萜类和甾类化合物,莽草酸途径（shikimic acid pathway）,合成芳香族的氨基酸,氨基酸途径（anmino acid pathway）,天然产物中生物碱类成分均由此途径生成。一般是氨基酸脱羧成为胺类，再经过一系列化学反应（甲基化、氧化、还原、重排等）后转变成为生物碱。,合成生物碱类化合物,复合途径,醋酸-丙二酸-莽草酸途径,醋酸-丙二酸-甲戊二羟酸途径,氨基酸-甲戊二羟酸途径,氨基酸-醋酸-丙二酸,氨基酸-莽草酸途径,大麻萜酚酸 大麻二酚酸,溶剂法原理：相似者相溶 范围：所有化学成分,一.天然药物有效成分的提取,(一)常用提取方法,水蒸气蒸馏法原理：与水蒸气产生共沸物 范围：挥发油,升华法原理：遇热挥发，遇冷凝固 范围：游离蒽醌等,压榨法原理：机械挤压 范围：新鲜药材、种籽植物油,(二)溶剂提取法,常用溶剂提取工艺,浸渍法将原料用适当的溶剂在常温或温热的条件下浸泡出有效成分的一种方法,渗漉法将原料粗粉装入渗漉筒内加入溶剂浸没原料 漉液筒下放出，加入新溶剂,煎煮法以水为溶剂将原料加热煮沸,回流提取法以乙醇等易挥发的溶剂在回流条件下提取有效成分,连续回流提取法回流提取法的改进常用索氏提取器完成,升华法提取原料中具有升华性的成分,SLNS-快速渗漉提取浓缩机组工艺流程图,溶剂罐,渗漉机,滤液罐,旋蒸仪,浓缩罐,冷却器,真空泵,影响提取效果的因素,提取温度,提取方法及工艺,设备条件,溶剂用量和浓度差,原料采集及粉碎度,提取时间,现代提取技术,超临界流体萃取技术,超声波提取技术,微波提取技术,组织破碎提取技术,酶提取技术,仿生提取技术,超临界流体萃取（supercritical fluid extraction,SFE),超临界流体萃取是一种以超临界流体（SCF）代替常规有机溶剂对中草药有效成分进行萃取和分离的新技术。一般常用超临界CO2萃取法（SFE-CO2）较适用于亲脂性、分子量较小物质的萃取。极性大、分子量太大的物质如苷类、多糖类，要加夹带剂。,夹带剂（entrainer),亚临界组分挥发度介于超临界流体与被萃取溶质之间以液体形式或相对小量加入超临界流体中,作用改善或维持选择性；提高难挥发溶质的溶解度,具有较好溶解性的溶剂是好的夹带剂甲醇、乙醇、丙酮、乙腈,加入夹带剂可提取极性成分,条件易控调节T、P 可选择性萃取、分离,速度快收率高工艺简单操作方便温度低,萃取介质无残留无污染成本低,超临界流体萃取特点,超临界流体萃取局限性,SFECO2工艺流程简图,超声波提取技术(ultrasonic wave extraction),应用超声波强化提取植物的有效成分，是一种物理破碎过程。是利用超声波增大物质分子运动频率和速度，增加溶剂穿透力，提高药物溶出速度和溶出次数，缩短提取时间的浸取方法。优点：室温提取，有效成分不易破坏，安全、收率高。缺点：投资大，规模小。,微波提取技术（microwawe extraction,MVE),微波提取是利用微波能来提高萃取率的一种新技术。优点：设备简单、适用范围广、萃取效率高、节省时间、节省试剂、污染小等。缺点：规模小，成分易变化。,组织破碎提取技术,酶法提取技术(enzyme extraction),半仿生提取技术(semi-biomic extraction，SBE）,二.中草药有效成分的分离与精制,根据物质溶解度的差别进行分离,根据物质分配系数差异进行分离,根据物质吸附性差异进行分离,根据物质分子大小差异进行分离,根据物质解离程度差异进行分离,(一)根据物质溶解度差别进行分离,(二)根据物质分配系数的不同进行分离,分离因子 不同溶质在 同一种溶剂中 的浓度比分离因子越大越有利于萃取分离,分配系数K同一种溶质在不同溶剂中的浓度比分配系数越大 越有利于 萃取分离,K和,对酸性、碱性及两性化合物分配比受溶剂系统的pH值的影响,用pH梯度萃取可分离酸性、碱性和两性化合物,液液萃取,是一种多次、连续的液液萃取分离过程逆流分溶仪用于此操作,K和不够大时采用CCD法进行分离,优点：条件温和、样品容易回收、适用于中等极性不稳定物质的分离,缺点：试样的极性过大或过小不适宜 易乳化的系统不适宜,逆流分溶法（CCD）,逆流分溶法示意图,液液分配柱色谱,基本原理一相固定在多孔的载体上为固定相被分离物质置于固定相上另一相即移动相洗脱或展开物质在固定相和移动相之间分配达到分离,载体、固定液相、移动液相、被分离物质,正相分配色谱 以水或亲水性溶剂为固定相有机溶剂为移动相分离水溶性或极性较大的成分如生物碱、甙类、糖类、有机酸等,反相分配色谱 以亲脂性有机溶剂为固定相以水或或亲水性溶剂为移动相用于分离脂溶性物质如高级脂肪酸、油脂、游离甾体等,加压液相柱色谱 载体的粒度小、机械强度大、比表面积大的球形硅胶微粒加适当的压力使流动相通过固定相,硅胶本身极性大，可用作正相色谱。若进行反相色谱，则需用修饰过的硅胶。一般是在硅胶上键合不同的烃基。根据烃基为乙基、辛基或十八烷基，分别命名为RP-2、RP-8、RP-18。,液滴逆流色谱（DCCC）,液滴逆流装置示意图,高速逆流色谱（HSCCC）,与DCCC原理相同,固定相固定于蛇型管中流动相单向、低速通过实现连续逆流萃取分离,物理吸附如硅胶、氧化铝、活性炭、大孔吸附柱层析等色谱层析,(三)根据物质吸附能力差异进行分离,吸附层析的种类：,化学吸附酸性化合物与碱性氧化铝吸附生物碱被酸性硅胶吸附有化学反应的吸附色谱,半化学吸附如聚酰胺色谱层析等,物理吸附,极性是表示分子中电荷不对称程度与偶极距、极化度、介电常数相对应,极性强弱是支配物理吸附的主要因素,酸性、碱性、两性化合物的极性及吸附能力与其存在状态决定并受溶液的pH值影响。,常见的化合物和溶剂的极性,化学吸附,半化学吸附,氧化铝（aluminium oxide）,硅胶（silica gel）,吸附能力微弱于氧化铝，显微酸性。通式为SiO2.x H2O，分子中具有硅氧环交链结构，同时颗粒表面具有很多硅醇基，由于硅醇基能和许多化合物形成氢键而具有一定的吸附作用，所以硅胶吸附力的强弱与硅醇基的含量有关。,硅胶、氧化铝吸附色谱柱层析的应用特点,活性炭,聚酰胺（polyamide）,酰胺聚合的高分子化合物商品名为锦纶、尼龙,适于酚类、醌类、黄酮类等分离极性与非极性物质均可使用与鞣质的吸附作用很强,不溶水、甲醇、乙醇、氯仿等对碱稳定，对酸不稳定可溶于浓盐酸、冰醋酸、甲酸,吸附原理：氢键吸附通过酰胺上的羰基与酚羟基或酰胺上的游离胺基与羰基吸附强弱取决于形成氢键的能力,形成氢键的基团越多吸附能力越强,影响吸附能力的主要因素：,形成分子内氢键则吸附力减弱,芳香化程度高则吸附性增强反之，则减弱,水中形成氢键能力最强随醇浓度增高而减弱有机溶剂中则不缔合,聚酰胺的使用,装柱与洗脱剂：水装柱，水溶液上样，水及含水醇洗脱。（对脂溶性的化合物，也可以用氯仿及氯仿甲醇洗脱。）溶剂对聚酰胺柱的洗脱能力强弱顺序为：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 预处理与再生处理:先用10醋酸、或3氨水、或5氢氧化钠洗，最后用水洗至中性,大孔吸附树脂,大孔吸附树脂的结构,影响吸附因素1.树脂的比表面积、表面电性、能否与化合物形成氢键、孔径大小；2.非极性树脂在水中易吸附非极性化合物，弱极性树脂在水中易吸附弱极性化合物。选择型号时应根据化合物的极性予以选择。3.洗脱剂洗脱能力强弱（竞争机制）；4.化合物分子量大小、极性、能否形成氢键等因素均影响吸附能力。,大孔树脂的使用,装柱与上样：乙醇（水）溶胀，湿法装柱（一般用醇洗，递减含醇量），水洗至无醇味且柱子匀实，水溶液湿法上样（约1：10）。洗脱：水和含醇水梯度洗脱，最后也可以用丙酮或乙酸乙酯洗脱其中脂溶性成分。再生处理：50丙酮或纯醇冲洗水冲洗 1mol.L-1氢氧化钠水溶液冲洗至无色 1mol.L-1盐酸洗至无色 水洗至中性。,（四）根据物质分子大小差别进行分离,凝胶滤过法(gel filtration),又称:凝胶渗透色谱(gel permeation chromatography)分子筛滤过(molecular sieve filtration)排阻色谱(exclusion chromatogrphy)利用分子筛分离物质的方法,凝胶柱的结构特点及性质：,凝胶的种类及商品较多，一般在水中不溶但可膨胀的球形颗粒，具有三维空间的网状结构。常用的有葡聚糖凝胶（Sephadex G）类型和羟丙基葡聚糖凝胶（Sephadex LH-20）类型。,葡聚糖凝胶（Sephadex G）,交联度高表明加入的交联剂多，孔径小则网孔紧密，膨胀时的吸水量小,交联度低表明加入的交联剂少，孔径大则网孔稀疏，膨胀时的吸水量大,由平均分子量一定的葡聚糖及交联剂（如环氧氯丙烷）交联聚合而成生成的凝胶颗粒网孔大小取决于所用交联剂的数量及反应条件并用交联度表示,交联葡聚糖的化学结构,葡聚糖凝胶商品型号按交联度大小分类，并用吸水量表示如Sephadex G-25表示：G（Gel），25吸水量（2.5ml/g）10。,葡聚糖凝胶只能在水及含醇水中应用根据不同规格的孔径不同选择应用一般天然药物分子量在100-1500左右可选Sephadex G-10，20，25,羟丙基葡聚糖凝胶（Sephadex LH-20）,为Sephadex G-25经羟丙基化处理后得到的产物。葡萄糖部分羟基与羟丙基以醚键的形式结合，分子中的碳链加长，脂溶性增加。即可以在水相中进行，又可以在极性的有机溶剂中进行。,凝胶的分离原理,主要是分子筛作用，分子量大的不能或难以进入到凝胶颗粒内部，故在颗粒间隙移动，一般会随溶剂先下来；而分子量小的则可以渗入扩散到凝胶颗粒内部，通过色谱柱时阻力较大，故将较晚流出，不同分子量的分子进入到颗粒内部的程度不同，所受阻力也不相同，因而流出速度也不同，据此可将不同分子量的化合物分离。亦有反相分配色谱的作用。,凝胶色谱分离示意图,凝胶的使用,装柱与洗脱剂：水中湿法装柱，水溶液湿法上样。预处理与再生处理：水洗 含醇水洗（醇浓度逐步加大）醇洗Sephadex LH-20比较昂贵，应注意再生处理和保存！,膜分离技术(membrane separation technique),原理 以选择性透过膜为分离介质，当膜两侧存在某种推动力时，原料两侧组分选择性地透过膜，以到达分离纯化的目的。特点 无相变；不用有机溶剂；选择性高；适用范围广。类型 微滤、超滤、纳滤、反渗透,（五）根据物质离解程度的不同进行分离,对于具有酸性、碱性或两性基团的分子在水中多呈离解状态（正离子或负离子状态）可采用离子交换法或电泳技术（如高效毛细管电泳法）进行分离,离子交换树脂是以离子交换树脂为固定相依据流动相中组分离子与平衡离子进行可逆交换时的结合力大小的差别而进行的一种层析方法,离子交换色谱法（IEC),高分子聚合物基质：苯乙烯通过二乙烯苯（DVB）交联成的大分子网状结构,电荷基团：与高分子共价结合形成带电的可进行离子交换的基团,平衡离子：结合于电荷基团上的相反离子能与溶液中其他离子团可逆交换,平衡离子带正电的离子交换树脂能与带正电的离子基团发生交换，称阳离子交换树脂；平衡离子带负电的离子交换树脂能与带负电的离子基团发生交换，称阴离子交换树脂。R-X-Y+A+R-X-A+Y+R-X+Y-+A-R-X+A-+Y-阳离子交树脂：强酸性（SO3-H+）弱酸性（COO-H+）。阴离子交树脂：强碱性（N(CH3)3Cl-）弱碱性（NH2）。,离子交换树脂的结构,分离原理：,以离子交换树脂为固定相，当流动相流过交换柱时，溶剂中的中心分子以及不发生交换的化合物将首先通过柱子流出，而被交换的离子被交换吸附到柱子上，利用不同的洗脱剂即可实现物质的分离。,离子交换树脂的使用,装柱与洗脱剂：湿法装柱上样（水或含水溶剂）。水或酸碱洗脱剂（如NaOH水溶液，HCl水溶液等），或酸碱缓冲液（如磷酸盐缓冲液、氨水缓冲液、吡啶缓冲液等）。预处理 在水中溶胀，水悬浮去掉杂质；酸碱交换浸泡，水洗至中性，再生处理 阳离子交换树脂：酸洗 碱洗 酸洗 阴离子交换树脂：碱洗 酸洗 碱洗,离子交换树脂的应用,用于不同电荷的分离：可以利用离子交换树脂将混合物分为中性化合物、酸性化合物、碱性化合物和两性化合物等几个部位。用于相同电荷的分离：根据其酸碱性强弱的不同，在树脂上吸附程度的不同，选用适当的洗脱剂（或梯度洗脱）进行分离。分离电荷相同且离解程度相近的化合物，可选用200400目的微粒固定相用。,薄层色谱在天然产物提取中的应用,纯度鉴定,熔点测定法：纯净的化合物熔点敏锐。TCL或PCL：需用三种展开系统证明均为一个斑点。GC：适合于可以气化的样品。HPLC：适合所有化合物。GC和HPLC的优点突出，用量少、时间短、灵敏度高、准确度高。,鉴定天然产物化学成分的一般步骤,质谱（MS）,以某种方式使样品分子电离、裂解，然后按质荷比（m/z）大小把生成的各种离子分离，检测它们的强度，并按m/z的大小排列成谱。可用于确定分子量及求算分子式。提供其他结构信息，推测化合物结构。鉴定是否为同一化合物。,紫外吸收光谱（UV）,用紫外光为光源（200400nm），照射样品溶液，测量其吸收度，并用波长对吸收度或摩尔吸收系数作图而得的吸收光谱图。分子结构中具有共轭双键、发色团和共轭体系的助色团的化合物在紫外光区产生紫外吸收光谱。可根据紫外吸收光谱曲线最大吸收峰的位置基吸收峰的数目和摩尔吸收系数来确定化合物的基本母核，或是确定化合物部分结构。可用于确定某样品是否已知化合物；确定未知不饱和化合物的结构骨架；异构体的确定。,红外吸收光谱（IR）,采用2.515m(4000667cm-1)范围内的不同波长的光波为光源，依次照射样品，经自动描绘所得的吸收光谱曲线。其横坐标是波数或波长，纵坐标是百分透光度。应用红外光谱测定分子中的基团，是利用各基团的特征吸收峰所出现的波长、强度和形状来判断的。,核磁共振(NMR),是有磁矩的原子核（如1H、13C），在磁场的作用下，以射频照射，产生能级跃迁而获得的共振信号。1H NMR：提供分子中不同种类氢原子的情报：H的数目，不同环境下H的化学位移，偶合常数，从而分析H相邻基团的结构等。位移范围：020ppm。13C NMR：碳谱的主要特点是化学位移范围宽达300ppm以上。二者互为补充，提供化合物结构的许多重要的信息。,谢谢大家！,