1、（ Medicinal Chemistry of Natural Products）,天然药物化学,中药学教研室 李岩 ,天然药物化学的相关科学,天然产物化学（ Natural Product Chemistry）植物化学 （Phytochemistry）中药化学 （Chemistry of Traditional Chinese Medicine）,第一章 总论,（一）定义： 运用现代科学理论与方法研究天然药物中化学成分，寻找药效成分的一门学科。（二）研究对象动物、植物、矿物以及微生物来源海洋生物等（三）研究内容1 化学结构特点2 物理化学性质3 提取分离方法4 化学结构测定,第一章 绪论,
2、有效成分： Active compound （active constituent）具有生理活性的单体物质，能用一定 分子式表示，有一定的物理常数。有效部位： Active fraction具有生理活性的群体物质。有效的含义是相对的，不是绝对的。,keyword,天然药物中分离出有效成分： 化药黄连、三颗针： 小檗碱 (berberine) 毛花洋地黄 ： 地高辛 （digoxin) 天然药物中分离出有效部位： 中药银杏叶的提取物银杏黄酮地奥心血康8种甾体皂苷,麻黄和鸦片中的化学成分,天然药物化学在新药研发中的作用和地位,紫杉醇 (Taxol),1963年美国化学家瓦尼（M.C. Wani）和
3、沃尔（Monre E. Wall）首次从一种生长在美国西部大森林中称谓太平洋杉（Pacific Yew）树皮和木材中分离到了紫杉醇的粗提物。在筛选实验中，发现紫杉醇粗提物对离体培养的鼠肿瘤细胞有很高活性，并开始分离这种活性成份。由于该活性成份在植物中含量极低，直到1971年，通过x-射线分析确定了该活性成份的化学结构一种四环二萜化合物，并把它命名为紫杉醇（taxol）,美国FDA首次按植物药指南批准的植物处方新药 商品名 Veregen 开发商 德国公司 MEDI-gene AG 适应症: 人类乳头瘤病毒（HPV）引起的生殖器疣。 成份来源, 茶叶提取物其药用成份茶多酚（Kunecatechi
4、ns），来源于绿茶Camellia sinensis (L.) O Kuntze叶的水提取物，是一个由儿茶酚及其它绿茶成份组成的混合物。儿茶酚占该混合物的8595（以重量计），包括表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCg，55%）、表儿茶素（EC）、表没食子儿茶素（EGC）、表儿茶素没食子酸酯（ECg）及其它儿茶酚的衍生物。 批准日期 2006年10月31日 估计高峰期销售额：1亿美元,第二节 天然药物化学发展概况,1、天然药物化学的建立与形成瑞典药剂师、化学家K. W. Schelle从天然界获得酒石酸(1769)、苯甲酸(1775)、乳酸(1780)、苹果酸(1785)、没食子酸(1786)为开
5、端，给科学界以新的认识和新的观念。 但形成了 “植物中只有酸性物质”的观念。 卢勒 (Rouelle) 1773年获得尿素 (脲) 柏格曼 (Bergmann) 1776年获得尿酸 (脲),“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), “樟脑”始见于洪遵 (1176年) 经验方由马可波罗带到西方。 李时珍(1518-1592) 本草纲目详细记载樟脑有关提炼和升华精制的操作。 欧洲18世纪在下半叶才提出樟脑纯品。,我国天然药物化学发展史古代“本草化学”的实践经验和发现阶段, 本草纲目(1518-1592)记载：“看药上长起长霜，药则已成矣”。长霜
6、即没食子酸结晶，此是世界上最早制得的有机酸结晶，较之瑞典化学家席勒的工作要早二百多年。 改正日本药局方注释(第六版)(1953年)发酵法制备没食子酸。近代可用各种鞣质资源生产没食子酸。,2、引进与创建阶段 20世纪20年代： 我国天然药物化学家赵承嘏教授（中科院上海药物研究所第一任所长）等，回国后主要进行了麻黄碱的研究。赵承嘏、黄呜龙、庄长恭等主要对中药延胡索、防己等植物药中成分进行了研究。,粉防己碱 (R=CH3),延胡索乙素,天然药物化学的发展趋势,（一）化学结构研究 快速,Reserpine,1952年发现到1956年 人工合成证实=4年,提取分离: 1803-1806 提出结构: 19
7、25 合成证实: 1952=150年,morphine,微量 以前：数mg-数g（主要靠降解） 如今：几mg（波谱技术） 准确 波谱分析使结构测定更真实准确 归功于波谱技术的发展：50年代(IR)、 60年代末 (1H-NMR )、70年代末(13C-NMR )、80年代(2D-NMR)、MS、X衍射。,（二）研究方向的重大转变 研究热点向微量、水溶性、大分子成分转变 由单纯化学研究向生物活性成分研究转变 由单味中药研究向复方中药研究转变 生物活性筛选由整体动物向分子水平转变(病理模型、动物模型、离体器官、分子水平、基因水平),（三）组织培养 解决植物活性成分含量偏少 合理保护药用资源 粗总皂
8、苷: 天 然 4.1 %组织培养 21 % 薯蓣皂苷元: 天 然 1. 5 %组织培养 2. 5 %（四）结构改造和仿生合成,第二章 生物合成,一次代谢及二次代谢,这些是植物生存不可缺少的物质，该过程存在于所有的绿色植物中，称为一次代谢过程，产生的物质称为一次代谢产物（primary metabolite）。,1一次代谢,这些物质对植物生命活动不起主要作用，该过程不是存在所有的绿色植物中，产生的生物碱、萜类等化合物称为二次代谢产物（secondary metabolites）。,2二次代谢,二、主要的生物合成途径,醋酸-丙二酸（AA-MA）途径：脂肪酸类、 酚类、蒽醌类 2. 甲戊二羟酸类（M
9、VA）途径：萜类、甾类 3.桂皮酸（cinnamic acid pathway）及莽草酸（shikimic acid pathway）途径：苯丙素类、黄酮类,4.氨基酸（amino acid pathway）途径：生物碱5.复合途径：复杂的化合物（1）醋酸-丙二酸-莽草酸途径（AA-MA-SA） （2）醋酸-丙二酸-甲羟戊酸途径（AA-MA-MVA） （3）氨基酸-甲羟戊酸途径（A.A-MVA） （4）氨基酸-醋酸-丙二酸（A.A-AA-MA） （5）氨基酸-莽草酸途径（A.A-SA）,第三章 提取分离方法Methods of Extraction and Isolation,第1节、天然药物
10、有效成分的提取分离过程,1 提取 2分段 3分离纯化 4定量评价,按提取原理分类：一 溶剂法1浸渍法 2渗漉法 3煎煮法 4回流提取 5索氏提取法,第2节 天然药物的提取方法,二 水蒸气蒸馏法三 升华法四 现代提取方法1超临界流体萃取法2超声波协助溶剂提取法3微波协助溶剂提取法溶剂法最为常用,常用提取方法 溶剂法：相似者相溶原理，适于所有化学成分 蒸馏法：与水蒸气共沸点原理，适于挥发性成分 升华法：遇热挥发，遇冷凝固原理，适于游离蒽醌、 酚类成分,五 提取溶剂的选择溶剂提取法的原理： 依据天然产物中各种成分的溶解性能，选用对有效成分溶解度大，对杂质溶解度小的溶剂将有效成分从药材内溶解出来的方法
11、。,石油醚 环己烷 苯乙醚 正丁醇 氯仿 乙酸乙酯 丙酮 乙醇 甲醇 水,常用溶剂极性大小顺序,（1）常用提取溶剂,乙酸乙酯氯仿乙醚苯石油醚亲脂性有机溶剂,水、亲水性有机溶剂、亲脂性有机溶剂,其极性大小如下： 水 甲醇乙醇丙酮亲水性有机溶剂,羧基酚羟基醇羟基氨基酰氨基醛、酮酯基醚基烯基烷基,化合物的极性判断：,由分子中官能团的种类、数目、及排列方式等综合因素决定。,分子较小，极性基团多的物质：亲水性较强易溶于亲水性溶剂,分子较大，极性基团少的物质：亲脂性较强易溶于亲脂性溶剂,常用溶剂可分为以下三类： 水可以溶解：氨基酸、糖类、无机盐等。,甲醇、乙醇、丙酮（与水任意比例混溶 ）：苷类、生物碱、鞣
12、质等。特点： 介电常数较大，水溶性较大对植物细胞穿透能力较强对许多成分的溶解性能好，提取完全毒性低，价格便宜，回收方便。乙醇提取天然产物成分是目前最常用的方法。,挥发油、油脂、叶绿素、树脂、内酯、某些生物碱及一些苷元。特点：沸点低，浓缩回收方便，易燃，有毒，价贵，设备要求较高，穿透药材组织的能力较差，有局限性。,亲脂性有机溶剂可溶解：（与水不能任意混溶）,天然药物各类成分的极性与溶剂的关系,生物原料提取前的处理,1生物原料的选择2收集和鉴定3干燥和粉碎,第3节 经典的分离纯化方法,1溶剂萃取法 2分馏法 3沉淀法 4结晶法 5膜分离技术 6常见杂质的去除方法,利用原料液中各组分在适当溶剂中溶解
13、度的差异而实现混合液中组分分离的过程称为液液萃取，又称溶剂萃取. 1简单萃取法2连续萃取法,一、溶剂萃取方法,液-液萃取法原理： 是利用混合中各成分在两种互不相溶的溶剂中，分配系数不同而达到的分离方法。 分配系数K = C上 / C下 萃取时，各成分在两相溶剂中分配系数差异越大，则分离效果越好。,分馏法,又称为分级蒸馏或精馏，是将液体混合物在一定的设备内同时进行多次部分气化和部分冷凝，从中提取纯物质的蒸馏过程。基本原理：是利用混合物中各组分的沸点不同而进行分离。,二、结晶法及沉淀法1结晶法： 利用混合物中各成分在溶剂中因温度变化等引起溶解度的改变，使部分成分析出结晶。重结晶：选择适当的溶剂让结
14、晶再一次溶解和析出结晶的过程。2沉淀法：利用有机物的溶解性与某些试剂产生沉淀的性质可实现样品成分的初步分离。,利用溶液中加入另一种溶剂使极性改变，某些成分溶解度改变而析出沉淀。,2. 溶剂沉淀法：,某些酸、碱或两性化合物可采用加入酸、碱调节溶液的pH值，分子的状态（游离型或解离型）变化，使其溶解度改变。 Ph梯度萃取法,3. 酸碱沉淀法：,某些酸、碱性化合物还可以通过加入沉淀试剂生成水不溶性盐类沉淀析出。 常用沉淀剂 ：中性乙酸铅 碱式乙酸铅,4. 沉淀试剂沉淀法：,水提液中，加入无机盐至饱和，有效成分沉淀析出，其它水溶性杂质溶于水。 如：黄连中提取小檗碱氯化钠盐析 ,盐析法：,膜分离技术,膜
15、分离技术是指在分子水平上不同粒径分子的混合物在通过半透膜时，实现选择性分离的技术，半透膜又称分离膜或滤膜，膜壁布满小孔，根据孔径大小可以分为：微滤膜（MF）、超滤膜（UF）、纳滤膜（NF）、反渗透膜（RO）等，膜分离都采用错流过滤方式。,例：鞣质1鞣质 + 明胶、蛋白质溶液 复合物2生物碱的酸性液 + 加入生物碱沉淀试剂生物碱难溶性复盐,常见杂质的除去方法,第4节 色谱分离方法,色谱法是分离科学中最有效的制备性分离技术。色谱过程的本质是待分离物质分子在固定相和流动相之间分配平衡的过程，不同的物质在两相之间的分配会不同，这使其随流动相运动速度各不相同，随着流动相的运动，混合物中的不同组分在固定相
16、上相互分离。,常用为液相色谱根据固定相不同可分为吸附色谱、分配色谱、尺寸排阻色谱（凝胶色谱）、离子交换色谱,一、色谱过程及其分类,吸附色谱：根据物质吸附性差异进行分离,吸附的类型： 物理吸附（physical adsorption）：也称表面吸附，常见如硅胶、氧化铝、活性炭吸附。 半化学吸附（semi-chemical-adsorption）： 聚酰胺对黄酮、醌类的氢键吸附。 化学吸附（chemical adsorption）：如黄酮与酚酸与碱性氧化铝。,吸附型固定相：活性炭、硅胶、氧化铝、聚酰胺和大孔吸附树脂 吸附法分离的特点： 化合物极性差异大，吸附性差异大，分离效果愈好。,活性炭：是非极
17、性吸附剂，对非极性物质具 有较强的亲和力。吸附规律：芳香族化合物吸附力脂肪族化合物分子量大的化合物吸附力分子量小水中对溶质的吸附力有机溶剂中对溶质的吸附力,1 硅胶：为极性吸附剂吸附原理： 硅醇基与化合物形成氢键等相互作用根据化合物的极性大小进行分离硅醇基与水形成氢键，一般采用10%-12%吸水量超过17，不能作为吸附剂。加热到100110时即可除去水，恢复吸附活力，这一过程称为硅胶的活化。, 对极性物质的亲和力强于弱极性物质。 溶剂极性弱，吸附剂对溶质吸附力强， 溶剂极性增强，吸附剂对溶质吸附力弱。溶质被硅胶吸附，当加入极性较强的溶剂时，又可被后者置换洗脱下来。,其吸附特点是：,对于骨架相同
18、的化合物，根据所含取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,为了避免化学吸附，分离酸性物质，如分离醌类宜用硅胶分离碱性物质宜用氧化铝,2 氧化铝：吸附原理氢键作用、配位作用,种类：碱性 中性 和酸性 三种 适用于亲脂性物质的的分离制备,3. 聚酰胺： 属于氢键吸附，不但适用极性物质也适用于非极性物质的分离。 特别适合酚类、醌类、黄酮类的分离。,吸附规律 ：被分离物质与聚酰胺形成氢键的的数目越多，吸附力越强。 形成氢键的数目：越多，吸附力越强。 分子内氢键：被分
19、离物质形成分子内氢 键的吸附力减弱。 芳香程度：分子中芳香程度化高者，吸附力强。,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理,4.键合硅胶： 不同的有机基团以共价键形式连接到硅胶表面的的硅醇基上,极性键合硅胶 氰基 氨基 二醇基非极性键合硅胶 烷链基 苯基 多环芳烃最常用18烷基键合硅胶 octadecylsilane （ODS） 其次为辛烷基键合硅胶C8 PR-8,5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、GD
20、X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。,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,分子极性极性大成分易被极性树脂吸附，被分离成分与大孔树脂形成氢键的基团越多，吸附力越强，极性大的有机溶剂合适 。 极性小的成分易被非极性树脂附，极性小洗脱剂，洗脱能力强。,分子体积对非极性大孔树脂而言，化合物体积越大，吸附力越强，这与大体积分子的疏水性有关。型号选择：分离大分子，大孔的树脂分离小分子，小孔的树脂,洗脱剂水、醇类
21、、丙酮、乙酸乙酯等。 适用化合物糖类、生物碱、黄酮、皂苷等,6. 凝胶：(也称分子筛过滤法、凝胶渗透色谱法) 利用凝胶的三维网状结构的分子筛滤过作用使分子大小不同的物质得以分离。 常用型号： 葡聚糖凝胶（ Sephadex G25 ） 羟丙基葡聚糖凝胶（ Sephadex LH20）,羟丙基葡聚糖凝胶(Sephadex LH)系列:LH-20Sephadex 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
22、用，水洗含水醇洗醇洗,7 离子交换树脂： 根据物质的解离程度不同进行分离,酸性、碱性及两性基团的化合物在水溶液中 多呈解离状态，可以与离子交换树脂上的基团交换，从而与其它非解离性物质分开。,阳离子交换树脂 强酸性SO3H 弱酸性COOH 阴离子交换树脂 强碱性阴树脂 N+(CH3)3Cl- 弱碱性阴树脂 NH2，NHR, NRR,阴离子交换,阳离子交换,柱色谱法用于物质的分离 1.装柱 吸附剂用量：试样量的3060倍，极性小难分离者100 200倍，湿法和干法两种。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,四、提取与分离天然化学成分注意事项,(一) 光照的影响,(二) 酸碱的影响 酸影响：,碱影响,(三) 温度的影响 高温、高热会引起化合物的氧化、聚合、树脂化等结构变化，颜色加深。,(四) 溶剂的影响,苷,(五) 层析的影响 注意在 Al2O3 柱层析时可能引起被分离物质结构的异构化、分子重排等到变化，得到的是次生产物，而不是原生产物。如：,
