第15章天然生物活性有机化合物.docx
《第15章天然生物活性有机化合物.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第15章天然生物活性有机化合物.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
第15章天然生物活性有机化合物
第15章天然生物活性有机化合物
15.1基本要求
●了解天然生物活性有机化合物的分类及其命名。
●掌握不同类天然生物活性有机化合物的结构特征。
●了解各类天然生物活性有机化合物的构效关系。
●初步了解天然生物活性有机化合物分布、性质及制备方法。
●了解天然生物活性有机化合物的副作用。
15.2基本知识点
15.2.1萜类化合物（terpenoids）
1.结构特征萜类化合物（terpenoids）一般是指具有（C5H8）n通式以及其含氧和不同饱和程度的衍生物。
萜类化合物可看作是异戊二烯或异戊烷以各种方式连接而成的一类天然化合物，称“异戊二烯规则”，萜类化合物广泛存在于植物、昆虫及微生物中，是天然化合物中最多的一类。
值得注意的是：
（1）有的萜类化合物也不符合“异戊二烯规则”，如艾里木酚酮等。
（2）异戊二烯或异戊烷不是萜类化合物的生物合成前体。
2.分类按照“异戊二烯规则”分类，分为半萜、单萜、倍半萜、二萜……等。
名称
碳原子数
通式（C5H8）－
存在
半萜（hemiterpenoid）
5
n=1
挥发油
单萜（monoterpenoid）
10
n=2
挥发油
倍半萜（sesqniterpenoid）
15
n=3
挥发油、树脂、苦味素
二萜（diterpenoid）
20
n=4
挥发油、叶绿素、苦味素
二倍半萜（sesterpenoid）
25
n=5
海绵、植物病菌、昆虫代谢物
三萜（triterpenoid）
30
n=6
皂苷、树脂、植物乳胶角质
四萜（teteraterpenoid）
40
n=8
植物胡萝卜素类
多萜（polyterpenoid）
~7.5×103~3×105
n=>8
橡胶、巴拉达树脂、古塔胶
按照分子中是否含环及所含环的多少分为：
3.主要来源及生物功效
（1）提取分离：
从动植物中提取分离，例如从中药没药中提取的没药烷（单环倍半萜）、从人参中提取的人参皂苷Rg3（四环三萜皂苷）等；
（2）合成或半合成；包括有机合成、生物合成、酶工程等。
（3）生物功效：
a.抗生育活性：
芫花酯甲（yuanhuacin）芫花酯乙（yuanhuadin）均为引产药。
b.抗白血病、抗肿瘤活性：
莪术醇（curcumol）治疗早期宫癌等。
c.驱蛔虫和杀虫活性：
驱蛔素（ascaridole）、土木香内酯等（costunolide）。
d.抗疟活性：
青蒿素（arteannuin）等。
e.神经系统作用：
如治疗神经分裂症的马桑内酯类化合物。
f.促进肝细胞再生活性：
如齐墩果酸（oleanolicacide）。
g.降血压活性：
闹羊花酶素Ⅲ（rhodojuponinⅢ）对重症高血压有紧急降压作用。
h.还有消炎、泻下、降血脂、降低转氨酶等活性。
15.2.2甾族化合物
甾类化合物（steroid）分子中含有一个环戊烷并氢化菲的骨架，4个环用A、B、C和D表示，广泛存在与动植物组织内，并在动植物生命活动中起着十分重要的作用。
主要包括甾醇类和甾体激素。
1.甾族化合物的结构特征
（1）甾醇类化合物分类甾醇类化合物是植物细胞的重要成分，一般多以游离状态或与糖形成苷而存在，并常与油脂共存于植物种子或花粉粒中，游离的植物甾醇都有较好的结晶形状和熔点，易溶于氯仿、乙醚等有机溶剂，而难溶于水，其苷能溶于醇。
（2）甾醇类在结构上的区别如下：
（3）动物体内重要的甾体化合物
动物体内重要的甾体化合物主要有胆固醇、7-脱氢胆固醇、胆酸、脱氧胆酸、甘氨胆酸及牛磺胆酸等。
2.甾体激素激素（hormone）是由内分泌腺及具有内分泌功能的一些组织所产生的，并具有调节各种物质代谢或生理功能的微量化学信息分子。
（1）结构特征均具有甾体环的结构特征。
（2）分类
15.2.3苷类化合物
是一类可用稀酸或酶水解后产生糖和非糖两部分的化合物，非糖部分称为苷元。
苷类多是无色、无臭的粉末，能溶于水，可溶于乙醇、甲醇，难溶于醚或苯中，有些苷可溶于乙酸乙酯、氯仿中。
而苷元则难溶于水，易溶于有机溶剂。
1.苷的结构及分类苷=苷元+糖
根据苷键分为：
氧苷、氮苷、硫苷、碳苷等，常以氧苷较多，生物活性较强。
2.强心苷强心苷由强心苷元与糖类缩合而产生的具有强心功能的苷类化合物。
强心苷元根据C17位上连接的不饱和内酯环分为甲型强心苷元（五元内酯环）和乙型强心苷元（六元内酯环）两种。
例如：
毛地黄毒苷元为甲型强心苷元，海葱苷元为乙型强心苷元。
3.皂苷皂苷（saponins）包括三萜皂苷和甾体皂苷，因这类化合物的水溶液在振摇时产生似肥皂样的持久泡沫而得名。
皂苷苷元主要有五环三萜皂苷和四环三萜皂苷等。
4.苷的化学性质苷键是苷分子中特有的化学键，它是由糖的端基碳上形成的缩醛结构，因此具有一般缩醛的性质，例如对酸不稳定，易发生裂解而生成糖和苷元。
（1）酸催化水解苷键易被酸催化水解，反应一般在水和稀醇中进行，酸可以是盐酸、硫酸、醋酸、甲酸等。
苷发生酸水解反应的机理为：
a．按照苷元不同水解难易不同，酸水解的易难顺序为：
N-苷>O-苷>S-苷>C-苷；
b．呋喃糖苷比吡喃糖苷容易水解；
c．酮糖苷比醛糖苷易于水解，这是因为酮糖大多为呋喃糖结构；
d．吡喃糖苷中，酸水解顺序五碳糖>甲基五碳糖>六碳糖>七碳糖>糖醛酸酐；
e.氨基糖较羟基糖难于水解，而羟基糖比去氧糖难于水解；
f．芳香属苷比脂肪族苷易水解，因为苷元部分有供电子结构。
（2）碱催化水解氧苷键对碱性试剂相当稳定，不易被碱催化水解，只有强碱加热情况下才能水解。
但对于酯苷、酚苷、烯醇苷和β-吸电子基取代的苷，这些苷键因具有酯的性质，遇碱可以发生水解。
例如：
（3）酶催化水解酶的专属性很强，利用酶催化水解苷键时，所用条件温和，还可以保护糖和苷元的结构不变，也可以进行部分水解得到次级苷（少一个或多个糖后分子仍为苷）。
因而可以获知苷元与糖、糖与糖的连接方式。
α-苷酶只能水解α-糖苷键，β-苷酶只能水解β-糖苷键。
酶
水解键型
麦芽糖酶（maltase）
α-葡萄糖苷键
苦杏仁苷酶（emulsin）
β-葡萄糖苷键
转化糖酶（invertase）
β-苷酶，能水解β-果糖苷键
纤维素酶（cellulase）
β-葡萄糖苷键
鼠李属苷酶（rhamnodiastase）
β-葡萄糖苷键
（4）乙酰解反应多糖苷通常在酸存在下与乙酐发生乙酰解反应，使苷分子中一部分裂解掉，一部分保留。
其反应机理同酸催化反应，它是以CH3CO+为进攻基团。
例如：
（5）氧化开裂反应Smith降解法是常用的氧化开裂法，即第一步用HIO4将苷分子中糖上的邻二羟基氧化开裂为二元醛，反应在室温及水或稀酸中进行；第二步用NaBH4还原二醛成相应的二醇；第三步在室温下与稀酸作用使起水解。
例如：
5.皂苷的生物活性
a.皂苷具有抗菌、抗病毒作用，作用机制之一是由于皂苷与细菌细胞膜中胆固醇形成复合物。
b.抗肿瘤作用，如干草酸和干草素可抑制小鼠B16黑色素瘤的生长；人参皂苷抑制小鼠ARS肉瘤细胞的DNA合成等。
c.杀精及抗生育作用，五叶参中三萜皂苷、仙客来中皂苷、尼泊尔常春藤素等均具有杀精作用。
d.免疫调节作用，皂苷与其他成分相比，已显示为一种有效的免疫兴奋剂。
人参皂苷、绞股蓝皂苷、黄芪皂苷等可增强肌体的免疫功能。
e.对心血管系统的作用更强，例如大豆皂苷通过阻止胆固醇在肠道的吸收而具有降低血液胆固醇含量的作用；人参皂苷对心脏功能的影响主要是增加心肌收缩力，减慢心率，增加心输出量和冠脉血流量，扩张血管等。
f.对酶活性的影响，人参皂苷可激活兔肝中醛氧化酶和黄嘌呤氧化酶等。
g.对神经系统的作用，人参皂苷、柴胡皂苷、黄芪皂苷均具有镇静、和抗惊厥等作用。
15.2.4生物碱
是一类存在于生物体内的含氮有机化合物，有似碱的性质，能与酸结合生成盐。
游离的生物碱大多不溶或难溶于水，能溶于乙醇、氯仿、丙酮、乙醚和苯等有机溶剂中，而生物碱盐尤其是无机酸盐和小分子有机酸盐则易溶于水及乙醇，不溶或难溶于常见的有机溶剂。
生物碱多具有特殊而显著的生理活性，是中药中一类重要的活性有机成分。
1.生物碱的分类生物碱分类方法有多种，但都有它不够完善之处。
在此我们介绍以下以基本母核类型进行分类，简单介绍如下：
2.生物碱的结构特征大多数生物碱由于分子结构中都含有氮原子，而氮原子有一孤电子对，能与质子结合生成盐，所以呈碱性。
生物碱的分子结构不同，碱性强弱也不一样。
游离生物碱极性较小，一般不溶于水或难溶于水，能溶于氯仿、乙醚、酒精、丙酮等有机溶剂中，亦能溶于稀酸溶液并生成盐。
生物碱的盐类极性大，大多易溶于水及醇，难溶或不溶于苯、氯仿、乙醚等有机溶剂中。
其溶解性能与游离生物碱恰好相反。
生物碱盐遇碱仍可变为不溶于水的生物碱。
生物碱分子中必须含有N元素，例如黄连素、吗啡等；但是含有N元素的不一定都是生物碱，例如氨基酸、蛋白质等不是生物碱。
3.生物碱的化学性质
（1）性状：
多数生物碱为结晶形固体，少数为无定形粉末。
有些小分子的生物碱为液体。
生物碱多数具有苦味，个别具有挥发性，也有的生物碱可以升华。
（2）旋光性：
生物碱结构中如有手性碳原子或为手性分子，则具有旋光性。
其旋光性与手性碳原子的构型有关，并且具有加和性。
（3）溶解度：
游离状态的生物碱分为亲脂性生物碱和亲水性生物碱两类。
前者数目较多，它们易溶于苯、乙醚、卤代烃等极性较弱的溶剂中。
而在水中溶解度较小或者不溶，相反，亲水性生物碱易溶于水中。
（4）碱性：
因其一般生物碱分子中含有N原子上的孤对电子，所以具有一定的碱性，随着N的类型不同及N多少及环境不同等因素导致生物碱的碱性不同。
一般碱性顺序为：
胍基>季铵碱>脂肪胺基和脂氮杂环>芳胺和芳氮杂环>多氮同环芳杂环>酰胺基
4.生物碱的生物活性
a.抗癌活性：
喜树生物碱，长春花生物碱，三尖杉生物碱等；
b.镇静、止疼：
吗啡，阿片等；
c.消炎：
黄连素等。
d.止咳：
可待因等；
e.神经中枢兴奋作用：
咖啡因等。
15.2.5木质素
木质素（lingnan）是一类由基本结构为苯丙素（C6-C3）所组成的多合物。
大多数木质素是游离状态，也有一些与糖结合成苷类。
因其从植物的木质部和树脂中发现较早，并且分布较多，故而得名木质素。
1.木质素结构及分类组成木质素的单位有桂皮酸、桂皮醇、丙烯苯、烯丙苯等。
木质素的碳骨架结构类型多变，可由下列生源过程来解释：
以上游离基相互缩合即形成各种不同类型的木质素。
分类：
2.木质素的理化性质
（1）性状及溶解度多数常见的木质素是无色的结晶，一般没有挥发性，不能随水蒸气蒸馏，只有少数木质素在常压下因加热而升华，如去甲二氢愈创木质酸。
游离的木质素是亲脂性的，一般难溶于水，易溶于苯、乙醚、氯仿及乙醇等有机溶剂，具有酚羟基的木质素类还可以溶于碱性水溶液中。
木质素与糖结合成苷时则亲水性增加，对水的溶解性也增大。
（2）光学活性木质素分子中经常有多个手性碳原子或手性中心结构，所以大部分都有光学活性。
木质素的生理活性常与手性碳的构型有关。
因此在处理木质素过程中，应注意操作条件，以避免使其构型发生改变。
（3）酸碱异构化作用许多木质素类成分，由于饱和的环状结构部分可能有立体异构体存在，在受到酸碱作用后，很容易发生异构化转变成立体异构体。
例如：
（4）功能团反应木质素分子中常有醇羟基、酚羟基、甲氧基、亚甲二氧基、羧基及内酯等基团，因而也具有这些功能团的性质和反应。
3.木质素的生物活性
a.抗肿瘤及抗病毒：
如鬼臼素类化合物开发上市的产品有VP-16及足叶草苷等。
b.保肝利胆作用：
如五味子素约有40余种，具有良好的保肝作用。
c.抗微生物活性：
二氢愈创木酸、异木兰醇等。
d.心血管方面：
从杜仲中得到的pinorsinol双糖苷具有降压作用。
e.对中枢神经系统：
柄果脂素具有中枢抑制作用等。
15.2.6黄酮和异黄酮
黄酮类成分广泛存在于植物体中的一类黄色色素。
含黄酮类成分的中药很多，如黄芩、陈皮、芫花、淫羊藿、银杏叶等。
这类化合物的生理活性是多种多样的，如芦丁、橙皮苷、葛根素等已用于临床治疗心血管疾病，一些黄酮化合物还有抗炎、抗菌、抗病毒等作用。
1.黄酮和异黄酮的结构特征及分类
类型
基本结构
类型
基本结构
黄酮
二氢查耳酮
黄酮醇
花色素
二氢黄酮
黄烷-3-醇
二氢黄酮醇
黄烷-3，4-二醇
异黄酮
双苯吡醇
二氢异黄酮
噢哢
查耳酮
2.黄酮类化合物的理化性质
（1）形态黄酮类化合物多为结晶性固体，少数如黄酮苷类为无定型粉末。
（2）颜色一般来说，黄酮、黄酮醇及其苷类多呈灰黄色至黄色，查耳酮为黄至橙黄色，而二氢黄酮、二氢黄酮醇、异黄酮类，因在分子结构中不存在交叉共轭体系，故不呈黄色，几乎为无色。
（3）旋光性二氢黄酮、二氢黄酮醇、黄烷醇等及其衍生物由于分子内含有不对称碳原子，因此具有旋光性。
其余黄酮苷元无旋光性。
黄酮苷类由于在结构中引入了糖的分子，故均具有旋光性，且多为左旋。
（4）溶解度黄酮类化合物的溶解度因结构不同差异很大。
a.一般黄酮苷元难溶于或不溶于水，易溶于甲醇、乙醇、氯仿、乙醚等有机溶剂及稀碱液中。
b.黄酮类化合物多是多羟基化合物，一般不溶于石油醚中，故可与亲脂性杂质分开。
引入甲氧基或异戊烯基后，脂溶性增加，可溶于苯、氯仿或乙醚中。
c.黄酮类化合物的羟基被糖苷化后，脂溶性降低，水溶性增加。
3.黄酮或异黄酮类化合物的生物活性黄酮类化合物的生物活性广泛而温和。
主要体现在心血管方面。
a.降压作用：
芦丁具有良好的维持血管的正常渗透压，减低血管脆性的功能。
b.降血脂作用：
如汉黄芩黄素、山奈酚等。
c.保肝作用：
水飞蓟素、槲皮黄素等对肝中毒、促进肝细胞新生作用均较强。
d.抗溃疡作用：
如干草素等。
e.抑制癌和细胞毒作用：
如槲皮黄素、mauritianin等。
f.抗微生物作用：
柑桔苷桑色素等。
15.3典型例题分析
15.3.1判断下列化合物属于哪类活性有机化合物
解：
（1）生物碱
（2）苷（3）木质素（4）强心苷、甾族化合物（5）黄酮（6）萜
注释
（1）为含氮有机化合物，又不属于氨基酸、蛋白质。
该化合物为戊巴比妥。
（2）是由糖和非糖两部分组成的，因此为苷类化合物。
该化合物为红景天苷。
（3）是由2个C6-C3单元组成的化合物，符合木质素的结构，该化合物为异紫杉脂素。
（4）由糖和非糖（甾族母核）组成的，因此即是苷，又是甾族化合物，因在C17位上连有五元环内酯，又称甲型强心苷。
该化合物为紫花洋地黄苷。
（5）为二氢黄酮类化合物，该化合物为甘草苷。
（6）含有2个异戊二烯基本单元，为单萜化合物，该化合物为藏红花醛。
15.3.2指出下列化合物分子中具有哪些功能团，会发生哪些化学性质？
解：
该化合物分子中有醇羟基、内酯和苷键功能团，会发生氧化反应、水解反应及内酯开环反应等。
15.4问题
15.4.1请画出α-构型和β-构型甾类化合物的构象式。
解：
15.4.2麻黄碱理论上应有几个对映异构体？
解：
因为麻黄碱分子中有2个手性碳，所以理论上应该有4个对应异构体。
15.5习题
15.5.1胆甾酸与胆汁酸的涵义有何不同？
解：
胆酸、脱氧胆酸、鹅脱氧胆酸和石胆酸等存在于动物胆汁中，它们都属于5β-系甾族化合物，并且分子结构中含有羧基，故总称它们为胆甾酸。
胆甾酸在人体内可以以胆固醇为原料直接生物合成。
胆甾酸在胆汁中分别与甘氨酸和牛磺酸通过酰胺键结合，形成各种结合胆甾酸，这些结合胆甾酸总称为胆汁酸
15.5.2指出下列生物碱化合物含有哪些杂环母核？
解：
（1）吡啶
（2）吡咯（3）嘧啶、噻唑（4）嘌呤
15.5.3用系统命名法命名下列萜类化合物
解：
（1）3，7，11，15-四甲基-2-十六烯醇
（2）3，8-二甲基-2，7-壬二烯醛
（3）4-甲基-1-异丙基-3-羟基二环[3.1.0]己烷
（4）5-甲基-2-异丙基环己酮
15.5.4写出下列反应的产物
解：
15.5.5判断下列黄酮的酸性强弱？
如何将三者分开？
解：
酸性
（1）>
（2）>（3）
因为
（1）的7和4‘位有酚羟基，-OH的吸电子作用使酸性增强，溶于NaHCO3；
（2）只4’位有-OH，不溶于NaHCO3，能溶于Na2CO3；（3）具有一般酚羟基，又因与C4位上的C=O形成分子内氢键，故酸性最弱。
15.6自测题
15.6.1完成下列反应
15.6.2比较胆固醇和胆酸两者结构的异同点。
15.6.3薄荷醇以K2Cr2O7/H2SO4氧化后生成薄荷酮，写出反应式，并以构象式表示二者的结构。
参考答案：
15.6.1
15.6.2
答：
胆固醇和胆酸均含有甾体母核结构；胆固醇C3位上含有1个β-型OH，C5-C6之间为不饱和键，C17位上含有1个8碳原子的侧链烃基，胆酸C3、C7、C12位含有3个α-型的OH，分子中无双键，C17位上含有5个碳原子的侧链，其中末端为羧基。
15.6.3
升级会员 