1、高等天然药物化学 北京大学药学院 天然药物学系,研究生高等天然药物化学（2008.9-2009.1）,萜类化合物,一、萜类生物合成 天然烃类化合物，分子中具有异戊二烯（isoprene）单位。 生源的异戊二烯法则：萜类由C5单位（类异戊二烯）集合而成，最初形成的结构以许多方式发生酶促修饰，产生各种骨架类型。 天然存在C5单位：,1 2 3 4 5,MVA (mevalonic acid)甲瓦龙酸 ，甲戊二羟酸,重要中间体,DMAPP IPP 二甲基烯丙基焦磷酸 异戊烯焦磷酸,C5+C5,GPP NPP 牻牛儿基焦磷酸 橙花基焦磷酸,FPP （E，E）-法尼基焦磷酸,C10+C5,头-尾,尾-尾
2、,含单萜类化合物的中草药： 唇形科：薄荷、紫苏、藿香 伞形科：茴香、当归、白芷、川芎 菊科：艾叶、茵陈蒿、苍术、白术、木香 芸香科：橙、橘、花椒 樟科：樟、肉桂 姜科：生姜、姜黄、郁金含挥发油的中草药大多具有：发汗、理气、止痛、抑菌、矫味等作用； 应用：医药工业、香料工业、昆虫信息素、昆虫驱避剂等,单萜（挥发油）的提取分离,单萜的提取方法： 1.水蒸气蒸馏法 2.溶剂萃取法 石油醚或乙醚超临界CO2萃取 3.直接压榨法 柑橘属植物果皮的油囊 4.脂肪吸附法 香料工业：茉莉、晚香玉等花极不耐热，将花洒在涂有脂肪的板上,单萜的初步分离: 一、物理方法 1、直接结晶法 薄荷油及樟油等芳香油，在1-5
3、放置，分别析出薄荷脑及樟脑结晶。 2、真空分馏法 使用精密分馏装置， 单萜烯类化合物：35-70 /mmHg； 单萜含氧化合物： 70-100 /mmHg； 倍半萜烯及含氧化合物： 80-110 /mmHg,3、溶剂处理法 脱色素方法： 脂溶性成分（乙酸乙酯部分样品）： 石油醚-甲醇（含水）萃取，色素在石油醚中； RA型大孔吸附树脂，70-95%乙醇洗脱 水溶性成份（单萜苷类，丁醇部分样品）： 中性氧化铝柱色谱， 甲醇-水(100%, 80%, 50%, 30%)洗脱,4、色谱分离法 碱性氧化铝：I级，石油醚洗脱，得到纯单萜烯II-IV级，石油醚洗脱，得到含氧萜类化合物 硅胶色谱：石油醚-乙酸
4、乙酯梯度洗脱依次得到不含氧及含氧的萜类化合物 Sephadex LH-20柱色谱：分离游离单萜：甲醇、丙酮、氯仿-甲醇洗脱；分离单萜苷成分：水或稀醇洗脱。 气-液色谱：,5、结构改造法 洋甘菊奥 (charmazulene)及愈疮木奥 (S-guaiazulene)临床上证明可作为组织肉芽再生剂，对灼伤有促进伤口愈合作用，对防裂、防辐射热及抗过敏有作用，很多含精油的植物中均含有该类成分，但含量很低，上海立新香料厂从含有愈疮木奥前体的芳樟油下脚料，用硫磺高温脱氢得愈疮木奥，制成针剂、片剂及外用等。,二、化学方法 1、酸、酚性物质的分离： 将精油溶于乙醚中，用3-5%NaOH或KOH萃取，碱溶液中
5、通入CO2气体，使酚性物质析出，乙醚萃取，得到酸或酚性物质。 2、酮、醛类精油的分离： 亚硫酸氢钠分离法醛或酮的乙醚溶液与饱和亚硫酸氢钠溶液振摇，1-2小时后 生成加成物析出或溶于水，与其他精油分离，加碱处理，使 加成物分解，用乙醚萃取得到醛酮类化合物。,(2) Girard试剂分离法 Girard试剂是分子内带有酰肼(hydrazide)及季铵基团试剂的总称，常用下列两种试剂：Girard试剂T Girard试剂P 酰肼基团与羰基反应，回流1小时后，生成能溶于水的衍生物，使含羰基化合物转溶于水中，与其他精油分离，水溶液再以酸处理，得到羰基化合物。,3、醇的分离： 可以将精油与丙二酸单酰氯反应
6、生成相应的酯，转溶于碳酸钠溶液中，碱液酸化得到单酯，乙醚提取，蒸去乙醚得到的残渣用20%NaOH溶液回流水解，乙醚萃取得到醇类化合物。 鹰爪甲素及鹰爪乙素的分离，与光气反应生成碳酸酯，分离。,鹰爪甲素 鹰爪乙素,环烯醚萜类化合物 Iridoids,环戊烷骈吡喃类单萜化合物,19世纪末分离得到 1958年 O. Halpern和 H. Schmid确定骨架,综述： 1969: Bobbitt & Segebarth 1971: Plouvier & Farve-Bonvin 1974: Buchbauer 1975: Sticher & Jund-Busch 1975: Jensen, Nicl
7、sen & Dahlgren 1980: J Leticia J Nat Prod 43(6):649 1990: A Christie J Nat Prod 53(5):1055,理化数据 分布 结构 性质 生物合成 药理活性 研究工作 植物分布 mp 旋光 UV IR 1H 13C MS,含环烯醚萜的中药： 地黄，玄参，栀子，龙胆，胡黄连，缬草，马钱子等环烯醚萜功效及作用： 清热，利胆，抗菌，抗霉，杀虫，利尿，降血糖，降血压等生物活性： 獐牙菜甙sweroside：退热，抗惊厥 栀子甙geniposide的甙元genipine：促胆汁分泌 桃叶珊瑚甙的甙元及其多聚体：较强抗菌作用 梓甙、梓
8、醇：利尿 栀子甙、马鞭草甙：缓泻作用,环烯醚萜结构分类,一、环烯醚萜苷类 iridoid glycoside,1. 8C的骨架,2. 9C的骨架,桃叶珊瑚苷 梓苷,Mentzeloside decaloside,C4无取代,C8无取代,3. 10C的骨架C4取代基有COOR R=H，CH3，CH2CH2-ArC4取代基有COOH 与C6-OH成内酯C4取代基有CH3，CH2OH，CH2OR,车叶草苷asperuloside,马钱子苷loganin,丁香醚苷patrinoside,二、裂环环烯醚萜苷类secoiridiods,1.简单类型,Loniceroside 龙胆苦苷gentiopisid
9、e,2.连接萜类片断,foliamenthin,3.连接芳香基团,ligstroside,gentapicrin,三、双环烯醚萜和双裂环环烯醚萜,Sylvestroside-III,GI-3,四、非苷环烯醚萜 non-glycosidic iridoids,1. miscellaneous,臭蚁内酯 新木天蓼醇 gempin 龙胆内酯,2. plumiera型,plumericin,oruwacin,3. valeriana型,定位,环烯醚萜波谱特征,一、光谱 UV 230240 nm： C4-COOH, COOR ,-不饱和酸酯等 270290 nm：环戊烷部分有酮 2. IR 1640 c
10、m-1：烯醚双键的共同特征 1680 cm-1：C4-COOR 1740 cm-1：环戊烷部分有酮 1250，830-890 cm-1：环戊烷有醚 990，910 cm-1：末端双烯（-CH=CH2）,IR：,（1）单取代：（2）亚乙烯：（3）顺式二取代：（4）反式二取代：（5）三取代：,990 cm-1,910 cm-1,890 cm-1,730675 cm-1,965 cm-1,840800 cm-1,3. 1H-NMR H-1 4.56.2 ppm J1, 9 03 Hz H-1 平伏键 平面上方710 Hz 直立键 下方 H-3 区别C4-COOR, CH3, CH2OR, 无取代 C
11、4-无取代 6.5 ppm左右J3,4=6-8Hz C4-CH3 6.0-6.2 ppm C4-CH2OH 6.3-6.6 ppm C4-COOR 7.3-7.7 ppm J3,5=0-2Hz,C8-CH3 8位叔碳 1.1-1.2 ppm (d, 6)7 2.0 ppm (s) C8-CH2OH 3.22-4.25 ppm COOCH3 3.7-3.9 ppm (s),4. 13C-NMR 常用溶剂D2O，CD3OD，Py-d5, DMSO-d6 C-1 95-104 ppm d, J=170HzC3、C4无双键 C-3 56 ppm C-4 22-32 ppm C3、C4有双键 C4-无取
12、代 C-3 143 C-4 105 C4-CH3 C-3 134 C-11 15 C4-COOR C-3 150-160 C-4 104-114COO 164-171 COOCH3 51-54,糖上端基碳 99-100 ppm d, J=170Hz 其他碳：C-7 63 ppm C-8 66 ppm C-7 127-132 ppm C-8 142-148 ppm,二、化学方法 1.显色反应 Shear反应：Shear试剂（浓HCl 1ml+苯胺15ml）与吡喃衍生物产生特定颜色 与氨基酸共热： 红-蓝色 冰醋酸及少量铜离子共热： 蓝色 2.还原反应：确定立体构型 NaBH4，LiAlH4，Pd
13、-H2，Pd-C-H2，Pt催化氢化,天然品：结晶,无定型粉末,马鞭草苷,3. 氧化反应 Kuhn-Roth氧化 铬酸-浓硫酸 C-CH3HOAc 确定C-CH3数 氢化、氢解，氧化降解，判断C5、C9构型衍生物制备,环烯醚萜结构测定程序,一、确定是否环烯醚萜类 味苦 显色反应阳性 IR：1640cm-1强，有时1680cm-1 NMR： 5-6 ppm H-1 7.3-7.7 or 6.0-6.5 H-3,二、确定结构类型,环烯醚萜类,观察NMR 7.3-7.7；IR：1680cm-1,有以上各峰 无上述峰,观察IR有无990，910,有 无,裂环环烯醚萜 C4有COOR（裂环）环烯醚萜,观
14、察NMR 6.0-6.6,多重峰（brs） 二个二重峰 （J2Hz） J=6-8，0-2Hz C4-CH3，CH2OH 环烯醚萜 降解环烯醚萜,三、取代基确定 糖的种类、数目 环戊酮羰基 UV、IR、ORD、2,4-二硝基苯肼 OH IR、乙酰化物NMR 其他基团 C-CH3，OCH3，CH2OR,四、确定构型,环稠合方式： 顺式稠合5，9 天然产物为主 反式稠合(5, 9) (5, 9) UV 230-240： C4-COOR顺式 天然环烯醚萜类 H-1 H-5 H-8 H-9 采用还原型与已知物对照 3. C6-OH C7-OH C8-OH,构型 用反应,五、优势构象的确定 整个六元环几乎
15、在同一平面上，C1略向上方或下方，构象判断采用J1,9,J1,9= 710 Hz H1,H9 180 H1 a键 C1向下,J1,9= 02 Hz H1,H9 0 H1 e键 C1向上,化合物A-2的1HNMR谱,糖上质子信号,化合物A-2的13CNMR谱,糖上碳信号,化合物A-3的1HNMR谱,糖上质子信号,化合物A-3的13CNMR谱,糖上碳信号,化合物BL-13的1HNMR谱,化合物BL-13的13CNMR谱,23C,化合物BL-13的1H-1HCOSY谱,化合物BL-13的13C-1HCOSY,化合物BL-13的HMQC谱-1,化合物BL-13的HMQC谱-2,化合物BL-13的HMQ
16、C谱-3,化合物BL-13的HMBC谱,PBM-14 1HNMR谱,PBM-14的13CNMR谱,CH3,四甲基环己烯型单萜苷,常见结构1,1HNMR,13CNMR 除糖以外有13个碳信号，四个甲基。,PBM-14 1HNMR谱,PBM-14的13CNMR谱,PBM-13的1HNMR谱,PBM-13的13CNMR谱,210.7,197.6,PBM-13的DEPT谱,CH3 carbons,CH carbons,CH2 carbons,all protonated carbons,常见结构2：,香草醛-浓硫酸显紫红色，除糖外有13个碳信号，四个甲基。 UV：232 nm IR(cm-1)：340
17、0(OH),1945(allenic structure 丙二烯)，1670（conjugated ketone）,1HNMR：1.17(3H, s), 1.62(6H, s), 2.20(3H, s, methyl ketone),6.00(1H,s, olefinic proton 烯碳),13CNMR 除糖以外有13个碳信号，4个甲基信号。,PBM-13的1HNMR谱,PBM-13的13CNMR谱,210.7,197.6,常见结构3：,UV：230 nm IR(cm-1)：3500, 3400(OH),1685 (conjugated ketone) 1HNMR：0.96(3H, s),
18、 1.13(6H, s), 2.29(3H, s, methyl ketone) 13CNMR 除糖以外有13个碳信号，4个甲基信号。3个连氧碳信号：67.1，69.9，71.5,倍半萜类化合物,橄榄烷maliane 马兜铃烷aristolane aromadendrane 愈创木烷guaiane,桉叶烷humulane 缬草烷valerane eremophilane 葎草烷humulane,石竹烷caryophyllane illudane proto-illudane hirsutane,Marasmene 没药烷bisabolane 檀香烷santalane 佛手柑烷bergamota
19、ne,菖蒲烷acorane 雪松烷cedrane chamigrane 斧柏烷thujopsane,Widdrane 花侧柏烷euparane 月桂烷laurane trichothecane,杜松烷cadinane 毕澄茄烷cubebane 依兰烷ylangane himachalane,长松叶烷longifolane longipinane sativane capane,倍半萜中很多具有内酯结构，称为倍半萜内酯。,倍半萜的生理作用:（一）植物生长发育的控制物质脱落酸(abscisic acid，ABA)广泛存在于植物的种子、果实、叶、根和茎中，脱落酸及其类似物xanthoxin等主要控制
20、植物的落叶以及生长抑制、休眠、发芽等生理现象。trigol是从棉花根的渗出液中分离得到的，是玄参科植物(Striga lutea)种子发芽的兴奋物质。,(二)昆虫保幼激素植物中存在的保幼激素类成分如juvabione是从冷杉、枞木树胶中分离得到的，对无翅红椿(Pyrrhocoris apterus)具有很强的保幼作用。,(三)昆虫性引诱剂及昆虫驱避物质一些倍半萜类是昆虫及低等动物的性引诱剂，sirein是从Allomyces sabviscula中分得的性引诱剂。倍半萜丙二烯酮(allenic ketone)是从蚱蜢(R. microptera)中分离得到的天然丙二烯酮类化合物，对蚂蚁及其他昆
21、虫有驱避作用。,(四)细胞毒倍半萜内酯具有细胞毒活性的倍半萜内酯己有120多种，分别对KB细胞体外培养、P-388淋巴白血病、L-l210白血病、B-16黑色素瘤、瓦克肉瘤256等模型有效，其构效关系己经很清楚，亚甲基-内酯是细胞毒作用的主要有效基团，,-不饱和酮也有较强的作用，具有酯侧链能增加亲脂性，细胞毒作用也增强。,从紫苑族Asteraceae的Baccharis megapetamica中分离得到的大环内酯类成分trichothecin，具有强烈的细胞毒作用，有抗白血病作用，对小白鼠P-388，KB细胞体外培养均有极强的抑制作用，主要有baccharin，isobaccharin， b
22、accharinol和isobaccharinol。,伞形科植物Thapsia gerganica在古阿拉伯被用作皮肤刺激剂，从中分离得到的倍半萜类化合物arteglasin和thapsigarin，具有强细胞毒作用，并具有强烈的组织胺释放作用，可能与其致过敏有关。,(五)抗菌素类和细菌代谢产物Illudin S (lampteroI)是从夜光覃(Clitocybe illudens)中分离得到的抗菌活性成分，具有抗癌活性，Fumagillin是从Aspergillus fumiga中分离得到的抗菌、抗寄生虫及抗肿瘤活性成分。,trichothecin是疣孢漆斑菌 (Myrothecium)、
23、Trichothecium以及Trichoderma等属的细菌代谢产物，具有抗菌、抗霉菌和抗肿瘤作用。,(六)驱虫杀虫作用很多倍半萜类具有驱虫杀虫作用，山道年santonin有驱蛔虫作用，土木香内酯costunolide和eremanthine具有杀虫作用，青高素有抗疟作用。,(七)神经系统作用苦味素picrotoxin、马桑内酯tutin及从莽草中分离到的剧毒成分莽草毒素anisatin具有中枢神经兴奋作用，与番木鳖碱一样有很强的致惊撅作用。苦味素临床用于巴比妥类安眠药中毒的急救，马桑内酯用于治疗精神分裂症，amarilin有镇痛作用。,倍半萜的提取方法：倍半萜无专一的显色反应，一般采用浓硫
24、酸加热显色或用硫酸香兰素显色。,植物原料切细,乙醚提取,乙醚浸膏,溶于甲醇，-20冷冻,固体 油、酯、蜡及三萜、甾体,溶液,浸膏,系统分离法：,浸膏,硅胶柱，石油醚-乙醚-甲醇梯度,石油醚 烃类：倍半萜烷烃、烯烃,石油醚-乙醚(9:1) （醚、醛、酮）,石油醚-乙醚(3:1) （醛、酮、酯）,石油醚-乙醚(1:1) (内酯、羟基化合物),乙醚 羟基和多羟基化合物,乙醚-甲醇(9:1) 多羟基化合物及羧酸类,倍半萜内酯：不溶于水及石油醚,植物粗粉,乙醇提取,乙醇浸膏,氯仿（乙酸乙酯）-水,氯仿（乙酸乙酯）部分,水部分 （水溶性杂质）,石油醚-10%含水甲醇,石油醚部分 甲醇部分 （脂溶性杂质）
25、倍半贴内酯类,倍半萜类成分的分离： 天然倍半萜大多是多种同系物共同存在，分离相当困难，可考虑采用： AgNO3硅胶色谱分离：不饱和化合物 制备衍生物： 羟基乙酰衍生物 醛酮羰基衍生物 -亚甲基-内酯CH2N2衍生物,倍半萜的波谱特征,一、UV光谱 无特征吸收如结构中有内酯环，210-200nm有吸收峰。 二、IR光谱 确定羰基性质,三、质谱一般可以找到分子离子峰，如果结构中有OH或OCOR，则分子离子峰很弱或不出现，主要出现脱水峰或Mclafferty重排而失去酸部分M-RCOOH+，只有用CI或FD质谱才可以测定分子离子峰，再结合EI-MS确定酯侧链。,四、1HNMR谱 （一）倍半萜1HNM
26、R谱解析程序 判断是否有酯侧链倍半萜化合物一般碳原子为15个，实际上经常超过15个，应首先考虑有酯侧链（结合质谱观察）。 酯侧链光谱特征： (1) IR有酯羰基吸收； (2) CI-MS或FD-MS测定正确分子离子峰，质谱容易丢失酸部分，推出酯侧链质量。 (3) 1HNMR解析酯部分,倍半萜常见酯侧链的1HNMR谱特征,2. 角甲基及环外亚甲基倍半萜由三个异戊烯单元首尾连接而成，环合时会留下一些甲基或环外亚甲基，可以帮助推测基本母核。甲基有三个质子，环外亚甲基为低场区一对峰型相同的质子，容易辨认。,3. 解析邻接于氧原子的质子,倍半萜中CH，CH2一般在较高场，相互重叠。倍半萜结构类型很多，一
27、般借助去偶技术确定各组质子的归属。,2. 1HNMR与立体化学倍半萜内酯很多具有-亚甲基- -内酯结构，亚甲基上的两个质子，一个在6以上，另一个在6以下，而这化学位移相差大约0.6ppm。Samek总结规律：J反 3J顺,例：从石胡荽（Centipeda minima）全草分得一倍半萜内酯 IR：1785，1730 CI-MS：347M+1+(100%)，247M-100(34)，83（50） 1HNMR：1.06 (3H,s), 1.24 (3H, d, J=7), 1.57 (3H, d, J=7), 1.68 (1H, ddd, J=2, 11, 15), 1.91 (3H, dq, J
28、=2, 7), 1.73 (3H, d, J=2), 2.23 (1H, m), 2.94 (1H, J=7, 11),2.48 (1H, ddd, J=2, 6.5, 15), 3.11 (1H, J=7),3.88 (1H, ddd, J=11,3.5), 4.79 (1H, ddd, J=2, 7, 7),6.03 (1H, m, J=2, 7), 6.0 (1H, dd, J=2.5, 6.5),7.66 (1H, dd, J=3, 5, 7), 5.49 (1H, brs),解析：倍半萜内酯IR: 1785, 1730 cm-1 CI-MS：347M+1+(100%)，247M-10
29、0(34)，83（50） 347M+1+(100%)分子量346； C20H26O5 247M-100+脱C5H8O2，可能为当归酸(ang)或巴豆酸(tig) 83 C5H7O：,1H NMR：1.91 (3H, dq, J=2, 7)1.73 (3H, d, J=2) 6.03 (1H, m, J=2, 7) NOE: 照1.91或1.73-6.03去偶6.06 (1H, dd, J=2.5, 6.5)7.66 (1H, dd, J=3, 5, 7) NOE: 照7.66-6.06，3.08去偶5.49 (1H, brs) 4.79 (1H, ddd, J=2, 7, 7)NOE: 照4.79-2.48，1.68，2.94受影响 NOE: 照3.11-1.57，2.94去偶 NOE: 照2.23-3.08，1.24，1.68，2.48去偶,
