天然产物化学第一章.ppt

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1、王万慧,天然产物化学,第一章 绪论第二章 天然产物的提取分离和结构鉴定 第三章 糖和苷第四章 生物碱第五章 黄酮类化合物第六章 萜类和挥发油第七章 甾体及其苷类第八章 多糖第九章 其他类型化合物,绪论,第一章,一、概述,三、天然产物化学与药物开发,四、天然产物化学发展动向,二、天然产物的生物合成,第一章 绪论,1.天然产物定义 广义的讲，自然界的所有物质都称为天然产物。在化学学科内，天然产物专指由动物、植物和微生物（陆地、海洋）体内分离出来的生物次级代谢产物及生物体内源性生理活性化合物，这些物质也许只在某种或几种生物物种中才存在。例：青霉素来自于真菌，抗癌药紫杉醇来自红豆杉、杉树类或其内生菌）

2、，也可能分布极为广泛（甾体类化合物、萜类等）。,一、概述,2.研究内容天然产物化学是药物化学的一个分支学科。它主要用现代科学理论和技术方法研究天然化学物资；具体内容包括主要天然化学成分的结构类型、提取分离方法、结构测定等。3.研究目的 目的是希望从中获得有益于人类身体健康或可治疗人类疾病的先导化合物，作为先导药物用于医药、农药、食品等领域。,一、概述,4.性质天然产物化学是植物化学、药物化学、生物化学、农业化学的基础，它与生物学、化学、药物学、农艺学等学科密切相关。它的成果可广泛应用于医药、食品、轻工、化工等领域。我国自然资源丰富，又有几千年传统防止疾病的经验积累，在中国大力发展天然产物化学的

3、研究有着重要的现实意义。天然药物中的活性成分是其药效的物质基础。,一、概述,例如：,L-ephedrine 左旋麻黄素,麻黄 Ephedra spp.中，平喘、解痉,一、概述,一、概述,Rutin 芦丁,来源：槐花米Sophora japonica 的花蕾中,作用：降低血管脆性，防高血压和动脉硬化的治疗辅助药,由于现代科学技术进步，特别是将波谱解析方法（NMR、MS、IR、UV）用于推导化合物的结构，甚至用XRay晶体衍射来确定化合物结构的发展，以及分离手段的进步，天然产物化学的发展速度大为加快，发现的新化合物数目大为增加，微量成分、水溶性成分的分离、提纯；稳定性差的活性物资的分离等也不再是难

4、题了。天然产物化学本身也已不再是原先的分离提取、结构鉴定，而是逐步发展成生测指导下的分离提取、结构鉴定，及半合成修饰和全合成紧密结合的一门学科。,一、概 述,一、概述,三、天然产物化学与药物开发,四、天然产物化学发展动向,二、天然产物的生物合成,第一章 绪论,1.一次代谢 一次代谢指在植物、昆虫或微生物体内的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的化合物。上述过程对维持生命活动来说是不可缺少的过程，且几乎存在于所有的生物中，故习惯上称之为一次代谢过程。糖、蛋白质、脂质、核酸及其聚合衍生物等对机体生命活动来说是不可缺少的物质，则称为一次代谢产物（primary

5、 metabolites）。,二、天然产物的生物合成,在特定的条件下，一些重要的一次代谢产物，作为原料或前体，又进一步经历不同的代谢过程，生成表面上看来似乎对生物体本身无用的化合物，如生物碱、萜类、甾体、多酚等。这一过程因为并非在所有的生物体内均能发生，对维持机体生命活动来说又不起重要作用，所以称之为二次代谢过程。这些化合物称为二次代谢产物（secondary metabolites）。,2.二次代谢,常见的基本单位：C2单位（醋酸单位）：如脂肪酸、酚类、苯酚 等聚酮类化合物；C5单位（异戊烯单位）：如萜类、甾类等；C6单位：如香豆素、木脂体等苯丙素类化合物；氨基酸单位：如生物碱类化合物；复合

6、单位：由上述单位复合构成。,3.二次代谢产物的生物合成途径,1）莽草酸途径生成芳香化合物，如酚、氨基酸等；2）-多酮途径生成多炔类、多元酚、前列腺素、四环素、大环抗生素；3）甲羟戊酸途径生成萜类、甾体；4）氨基酸途径青霉素、头孢菌素、生物碱；5）混合途径如由氨基酸和甲羟戊酸生成吲哚生物碱，由-多酮和莽草酸生成黄酮类。,4.天然化合物的主要合成途径,生物合成是天然药物化学学科中一个重要的领域。了解生物合成的有关知识，不仅对天然化合物进行结构分类或推测天然化合物的结构会有很大帮助，而且对植物化学的分类以及仿生合成等学科发展均有着重要的理论指导意义，对采用组织培养方法 进行物质生产也有着实际的意义。

7、,5.生物合成的重要性,例如，了解目的物质的生物合成途径，在组织培养过程中有意喂养关键的前体物质，可能大大提高目的物质的收率。已有报道，在三叶薯芋Dioscorea deltoides的愈伤组织培养过程中加入适量胆固醇，薯芋皂甙元的含量可以由植物干重的1.5%提高到2.5%。,一、概述,三、天然产物化学与药物开发,四、天然产物化学发展动向,二、天然产物的生物合成,第一章 绪论,1.发展史东汉时期，汇编了第一本有关天然药物的著作神农本草经。公元1596年，李时珍编著本草纲目，1892种天然药物。其中57.8%来自植物，23.6%来自动物，14.5%则为矿物 清代的赵敏学，本草纲目拾遗，又补充了1

8、021种。在中国，天然药物又称为中草药，它与中医一起构成了中华民族文化的瑰宝，也是全人类的宝贵遗产。,三、天然产物化学与药物开发,天然药物之所以能够防病治病，其物质基础在于所含的有效成分。研究中草药的有效成分，目的在于研究有效成分的化学结构、理化性质与生物活性的关系，阐明其作用机理；另外对探索中草药加工工艺，改进药物剂型，控制中药及其制剂的质量，使中药走向国际市场，有着重要的意义。由于天然药物往往含有结构、性质不同的多种成分，且有效成分的含量一般较低。所以，为了开发研究药物，必须从复杂的中草药组成成 分中提取、分离和鉴定出有活性的单体纯成分。有时，为了改变药效或毒性，还需对其结构进行修饰，以创

9、制出更好的药物。,2.天然产物与药物开发,在现代药物研究中，每一次具有轰动效应的药物出现都伴随着一种或一类新型天然产物的发现，如：鸦片中镇痛活性成分和金鸡纳树皮中抗疟活性成分吗啡和奎宁；青霉菌中抗菌活性成分青霉素；解热镇痛药阿司匹林首先发现于杨树中；降压药利血平首先来自萝芙木；长春碱、喜树碱、紫杉醇等抗癌药物皆来自天然产物。,从天然产物中寻找有生理活性的化合物，以此为母体，进行结构改造合成出具有更好效果的药物或农药，是目前医药研究和农药开发的常规思路之一。例：,水杨苷 阿司匹林（解热镇痛药）,青蒿素 蒿甲醚（抗疟疾病）,先导化合物,是指具有特征结构和生理活性并可通过结构改造优化其生理活性的化合

10、物。,一、概述,三、天然产物化学与药物开发,四、天然产物化学发展动向,二、天然产物的生物合成,第一章 绪论,某些具有活性的天然产物含量很少，例如植物生长激素油菜素内酯在油菜花中的含量仅为10-12左右，这就要求新的分离技术不断产生和发展。某些天然产物结构很复杂，例如：沙海葵毒素（palytoxin,C130H229N3O53,相对分子质量为2679），分子内共有64个手性中心，这就要求结构测定方法不断创新。某些天然产物结构很复杂，难以合成，这就要求有机合成方法学上的不断创新；天然产物往往具有独特的生理活性，就为药物化学和生物科学提供了广泛的研究基础。,1.研究方法和手段向高、新方向发展,四、天

11、然产物化学发展动向,天然产物化学具有极大的实用意义，它来源广泛，除在结构上可以不断发现新化合物或新骨架化合物外，还可以发现生理活性独特的化合物。有的可以直接开发为新药，有的经过结构修饰或改造后，也可开发为新药。,2.偏重资源开发的实用化,目前，一些实验室以及大的制药公司都把从植物来源的天然成分作为药物的重要来源之一。例如美国国立卫生研究院每年从世界各地搜集植物样本达几千种，进行抗癌活性的筛选，许多公司都进行类似的工作，如上海丹山工业园有好几家制药公司、中科院上海药物所等等。另外，天然产物的成果在农业和工业生产中都得到了应用，如除虫菊酯系列化合物是公害较少的较满意的农药，昆虫保幼激素已用于蚕业增

12、产。莱农孟昭李教授研制的仿生农药-银果、银泰等，活性成分来自植物银杏。,目前，我国生产的中药及其制剂（药品）均无表明其中的化学成分或有效成分的种类和含量，无法推向国际市场，只能在国内推销，大大限制了中药事业的发展。因此，结合中医药理论和现代化科学技术方法，继续从药用植物中提取、分离和测定有效成分，进行多方面的生物活性筛选，特别是寻找治疗威胁人类最大的心血管疾病，癌症、艾滋病等药物的有效成分，并用现代有机合成结合分子生物学方法创制新药、发掘新药源，改善药剂型，是摆在科学工作者面前的重要任务。,（1）植物细胞组织培养生产天然产物具有生理活性的天然产物，许多是以微量形式存在，加之不同生物的特殊生态环

13、境，这些来自于生物的天然产物易受生物种类、产地、季节等因素影响。利用植物细胞组织培养方式来大量生产天然产物，这是一种可靠、有效的方法。植物细胞组织培养是指从植物体取下部分的组织或细胞，在无菌的条件下利用人工培养基维持其生长，以达到大量繁殖或生产某些天然产物。,3.基于生物技术的天然产物化学研究,（2）天然产物的基因工程合成该技术可以解决复杂天然产物的合成，现今引人注目的抗癌药物紫杉醇和喜树碱都可以用此法合成出来，此法不仅可行，而且作为一个新的方向弥补了现行合成化学的不足。,（3）微生物发酵和酶法生产天然产物微生物及酶催化反应越来越多地被有机化学家作为一种手段用于有机合成，特别是催化不对称合成反

14、应，进行光活性化合物的合成。目前，超过2000种以上的酶已被人们认识，其中约200多种在市场上有出售，尤以脂肪酶和蛋白酶在合成上常用。从葡萄糖经酵母发酵与化学转化制备D麻黄碱是酶法与化学法结合的第一个成功的例子，利用生物酶催化反应进行活性天然产物结构选择性修饰、改造、转化、全合成，以及有机化合物合成的研究已有很多成功的实例。,（4）天然产物的仿生合成 仿生合成是模拟生物体内的反应来进行有机合成，以制取需要的物质。例如虎皮楠的树皮和树叶在东方国家一直用作民间药物来治疗哮喘，日本有机化学家Yagi1909年从中分离到一种生物碱，直到1960年才测定了它的结构。其后相继从中分离鉴定出30余种生物碱；,