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《有机合成》课程论文

《有机合成》课程论文

题目：

青蒿素的人工合成研究进展

学院：

生命科学与化学学院

姓名：

杨国涛

专业：

化学工程与工艺

学号：

292090137

任课教师：

王长青

订稿日期：

2011年10月26日

原创性声明

本人郑重声明：

本人所呈交的论文是在指导教师的指导下独立进行研究所取得的成果。

论文中凡是引用他人已经发表或未经发表的成果、数据、观点等均已明确注明出处。

除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。

本声明的法律责任由本人承担。

论文作者签名：

杨国涛2011年10月26日

论文指导教师签名：

目录

原创性声明···········································1

目录···············································2

摘要···············································3

关键词···············································3

1青蒿素的来源······································5

1.1直接从青蒿中提取··························5

1.2青蒿素的化学合成·························5

1.3青蒿素的生物合成··························7

1.3.1植物组织培养法·························7

1.3.2转基因克隆法···························8

2青蒿素研究展望····································8

参考文献·············································10

致谢·············································11

青蒿素的人工合成研究进展

杨国涛

（甘肃省天水师范学院741001）

摘要青蒿素是目前治疗疟疾的特效药。

本文对自青蒿素发现以来的最新研究进展进行了比较详尽的综述。

内容包括:

青蒿素的发现及历史、青蒿素的来源、青蒿素的化学合成、青蒿素的生物合成以及植物组织培养生产青蒿素。

关键词青蒿素；化学合成；生物合成；研究展望

AdvancesinAyntheticofArtemisininResearch

YangGuotao

（TianshuiNormalUniversityofGansuProvince，741001）

Abstract　Therecentresearchadvancesinartemisinin,themosteffectiveweaponsagainstmalarialparasiteshavebeenreviewed.Anoverviewisgivenonartemisininresearchfromthefollowingaspects:

thehistoryofartemisininindevelopment,sourcesofartemisinin,totalsynthesisofartemisinin,biosynthesisofartemisinin,andfromplanttissuecultures.

KeyWords　artemisinin；chemicalsynthesis；biologicalsynthesis；researchprospect

青蒿素的人工合成研究进展

青蒿（ArtemisiaannuaL.）是一种传统中药,在长沙马王堆汉墓中就有青蒿作为药物的文字记载。

20世纪70年代在我国数百名科学工作者的协作中,从青蒿中提取了它的抗疟有效成分——青蒿素（Artemisinin），它是抗疟疾药物的有效单体,是含有过氧基团的新型倍半萜内酯化合物,分子式为C15H22O5[1]（其结构式见图1）。

图1青蒿素的结构式

疟疾是全球最严重的传染疾病之一，从20世纪60年代初发生的抗药性疟疾已扩散至全球,致使原有的抗疟疾药失去效用。

而当此之时，我国所研制的青蒿素类抗疟疾药物以其高效、安全、对抗药性疟疾有特效而风靡全球。

青蒿素是一种与过去所有抗疟疾药物作用方式完全不同的新结构类型药物,是所有抗疟疾药物中起效最快、疗效最好、毒性最低的化合物,特别是对脑型疟疾和抗氯喹恶性疟疾的疗效更为突出。

由于青蒿素能够解决抗氯喹恶性疟疾的难题,所以青蒿素一被发现即得到国内外有关方面的高度重视，世界卫生组织推荐青蒿素为“目前世界上最有效的疟疾治疗药物”。

1995年蒿甲醚被WTO列入国际药典,这是我国第一个被国际公认的独创新药。

青蒿素的化学结构十分独特,自上市至今近40年来,尚未发生抗药性的病例。

20世纪80年代后，各国科学家加强了对青蒿与青蒿素的研究，现已探明除治疗疟疾外，青蒿素及其衍生物在抗肿瘤、抗心血管疾病、镇痛、免疫、抗血吸虫、抗病原虫等方面具有显著疗效。

由于青蒿素是抗恶性疟疾的特效药,目前的售价为225美元/g。

近年的统计资料表明世界上每年都有2亿～3亿人感染疟疾,并有200万～300万人因它而死亡，,尤其是非洲的发病率极高,对青蒿素的需求量较大,世界每年的需求量为150吨,而产量仅有15吨左右,形成明显的供不应求局面,因而开展青蒿素的开发研究具有可观的经济效益和社会效益。

1青蒿素的来源

1.1直接从青蒿中提取

目前青蒿素的获得主要靠从青蒿中直接提取。

青蒿虽在世界各地均有分布，但青蒿素的含量随产地的不同差别很大。

除我国少数地区外，绝大多数地区生长的青蒿中青蒿素的含量都很低（≤1‰）［2］。

在我国，青蒿中青蒿素的含量从南到北基本呈递减趋势。

桂、黔、川青蒿资源丰富，青蒿素含量也较高，四川酉阳地区黄花蒿的青蒿素含量平均为0.8853%［3］。

越南、印度等国家也有少量青蒿资源。

青蒿中青蒿素含量偏低，提取成本高，导致青蒿素价格居高不下，难以满足市场需要。

1.2青蒿素的化学合成

化学合成青蒿素这一复杂的天然分子是有机化学家所面临的挑战。

中国科学院上海有机化学研究所周维善院士科研小组对青蒿素及其一类物的结构和合成进行了大量的工作，并于1983年完成了青蒿素的化学全合成，这为对青蒿素的进一步研究做出了开创性的贡献，也是我国及人工合成牛胰岛素后在有机合成化学领域的又一次新的里程碑[4-10]。

周维善研究小组采取在过氧缩酮（醛）、内酯处同时切断，得到其成环前体化合物，它可由烯醇醚在C6上的光氧化形成过氧结构和醛官能团。

1，5-二酮可从薄荷酮衍生物的α-位不对称烷基化得到，而其本身可从含有一个手性中心的单萜化合物（R）-香茅醛经烯化反应和官能团转化获得，逆合成分析如图2所示。

图2周维善小组青蒿素逆合成分析

从具体的合成过程来看，该小组采取了直线型合成方法（如图3所示），共有二十个合成步骤。

图3周维善小组青蒿素的合成路线

1986年,Xu等[11]也报道了青蒿素的化学全合成途径,其合成以R（+）-香草醛为原料,经十几步合成青蒿素（如图4所示）。

　图4Xu的青蒿素化学合成途径

关于对青蒿素的化学全合成研究虽已取得一些明显的进展,但由于合成难度大，生产成本高，所以对青蒿素的化学合成至今仍未显示出商业的可行性。

1.3青蒿素的生物合成

了解青蒿中青蒿素的生物合成途径与该药的生产密切相关。

包括:

（1）通过添加生物合成的前体来增加青蒿素的含量；

（2）通过对控制青蒿素合成的关键酶进行调控,或者对关键酶控制的基因进行激活来大幅度增加青蒿素的含量；（3）利用基因工程手段来改变关键基因以增强它们所控制酶的效率。

由于萜类化合物的生物合成途径非常复杂,因而对于青蒿素这一类低含量的复杂分子的生物合成研究就更具复杂性。

对于倍半萜内酯的合成,其限速步骤主要有两个：

一是环化和折叠成倍半萜母核的过程,另一个是为形成含过氧桥的倍半萜内酯过程。

Akhila等[13]通过放射性元素示踪法对青蒿素的生物合成途径进行了研究,认为青蒿素的生物合成方法是从法尼基焦磷酸出发,经牦牛儿间架、双氢木香交酯、杜松烯内酯和青蒿素B,最终合成青蒿素（如图5所示）。

国内也进行青蒿素生物合成的研究,探索了由[2-14C]-MVA为前体生物合成青蒿酸[14],以及由青蒿酸为前体生物合成青蒿素及青蒿素B的过程[15]。

图5　青蒿素生物合成途径

1.3.1植物组织培养法

利用植物组织培养来生产青蒿素是目前青蒿素研究的另一热点,可能成为大规模生产青蒿素的重要手段。

自80年代以来,植物组织培养生产青蒿素的研究工作已进行不少,已经在青蒿愈伤组织、悬浮细胞、芽和毛状根等培养体系中进行了青蒿素合成的探索。

贺锡纯等[16]对青蒿的愈伤组织、带芽的愈伤组织和由愈伤组织分化产生的小植株中青蒿素的合成进行分析,认为青蒿愈伤组织中不含青蒿素,在愈伤组织伴随芽分化形成时,检测到青蒿素的含量约为干重的0.008%,而在分化苗长成的植株中,青蒿素的含量达到干重的0.92%,高于野生植株。

1994年,秦明波等[17]用发根农杆菌1601成功转化青蒿幼茎获得毛状根培养物,提供了以发根农杆菌作为基因载体进行青蒿的遗传改造的可行性。

蔡国琴等[18]利用发根农杆菌1601感染青蒿叶片建立了毛状根培养系,并在培养物中检测到青蒿素,在添加赤霉素的条件下青蒿素的含量约为干重的0.2%。

目前,青蒿组织培养的研究工作主要集中在利用生物技术的手段来进行组织培养物的改进和高青蒿素含量培养系的筛选和建立,对于利用生物反应器培养青蒿组织来生产青蒿素的研究工作尚处于起步阶段。

中国科学院植物所在国家“九五”科技重点攻关项目的资助下,对青蒿毛状根生长和青蒿素合成的调控进行了研究,并利用合适的小型生物反应器进行了毛状根的大量培养,获得了满意的结果,为进一步利用生物反应器进行青蒿组织大规模培养生产青蒿素的研究工作奠定基础。

青蒿植物组织培养生产青蒿素的一系列研究表明,在未分化的青蒿组织培养物（愈伤组织和悬浮细胞）中,青蒿素的含量极低,且青蒿素合成不稳定;而在分化的器官（芽、毛状根和再生幼苗）中,青蒿素的含量明显提高,并且具有较稳定的合成能力,尤其是转基因青蒿毛状根培养物为青蒿素的大规模生产提供了潜在的应用前景。

1.3.2转基因克隆法

（1）转基因植物。

通常是用农杆菌携带外源基因感染健壮黄花蒿植株，把外源基因插入到目标DNA的特定部位，最后对获得外源基因的植株进行继代培养，以得到性状稳定的高产黄花蒿品系。

（2）组合生物合成。

组合生物合成是指将不同生物体来源的基因组合在微生物体内生产生物活性物质的方法，该方法具有里程碑式的意义。

2006年由Ro等完成的,通过代谢工程获得了153mg/L的紫穗槐-4,11-二烯和115mg/L的青蒿酸。

2青蒿素研究展望

综观国内外对青蒿素化学合成和测定方法的研究,我们不难发现,青蒿素因其独特的结构及药理作用的高效低毒而备受关注。

青蒿素不仅是一种非常有前途的抗疟疾药,而且在其他疾病的治疗中,也潜在着诱人的前景。

青蒿素新用途的研究正在激烈的竞争中,人们特别希望青蒿素及其衍生物能在治疗艾滋病和相关疾病方面取得进展。

在今后的几年里,青蒿素的研究应在以下几个方向进行深入研究：

（1）野生青蒿资源的勘察,高产系的筛选；

（2）具有高效抗疟活性的青蒿素衍生物开发；（3）青蒿素生物合成途径及关键酶的深入了解的基础上进行青蒿素合成的代谢调控；（4）青蒿素合成关键酶基因的克隆,以及在合适的青蒿组织培养体系和微生物中高效表达；（5）开发合适的青蒿组织培养生物反应器系统,进行过程的优化控制和放大,实现青蒿素大规模商业化生产。

同时，进一步改进青蒿素的化学合成方法，优化合成途径，以实现对青蒿素类抗疟疾药物的进一步大规模商业化生产，保证青蒿素类抗疟疾药物的足量供应也是很有必要的。

参考文献

[1]青蒿素结构协作组.科学通报，1977,（3）:

142.

[2]钟国跃，凌云.黄花蒿优质种质资源的研究［J］.中草药，1998，29,（4）:

264－267.

[3]钟凤林，陈和荣.青蒿最佳采收时期采收部位和干燥方式的实验研究［J］.中国中药杂志，1997，22（7）:

405－406.

[4]许杏祥,朱杰,黄大中,周维善.化学学报,1983,（41）:

574—575.

[5]许杏祥,朱杰,张联,周维善.化学学报,1989,（47）:

771—774.

[6]张联,周维善.化学学报,1989,（47）:

1117—1119.

[7]许杏祥,吴照华,沈季明,陈朝环,吴毓林,周维善.化学学报,1984,（42）:

333—339.

[8]周维善,黄大中,平学凡,张联,朱杰,许杏祥.化学学报,1989,（47）:

710—715.

[9]朱杰,许杏祥,周维善.化学学报,1987,（45）:

150—153.

[10]周维善,徐世杰,张联.化学学报,1989,（47）:

340—344.

[11]静一，罗安才.安徽农业科学,2010,38（4）：

1098.

[12]刘春朝,王玉春,欧阳藩,叶和春,李国风.化学进展,1999.2,11

（1）:

43-44.

[13]刘春朝,王玉春,欧阳藩,叶和春,李国风.化学进展,1999.2,11

（1）:

45.

[14]黄敬坚,周凤仪,吴莲芬,曾桂辉.化学学报,1990,（48）:

275—277.

[15]汪猷,夏志强,周凤仪,吴毓林,黄敬坚,王执中.化学学报,1988,（46）:

1152—1153.

[16]贺锡纯,曾美怡,李国风,梁峥.植物学报,1983,（25）:

87—90.

[17]秦明波,李国珍,云月,叶和春,李国凤.植物学报,1994,（36）:

165—170.

[18]蔡国琴,李国征,叶和春,李国凤.生物工程学报,1995,（11）:

315—320.

致谢

经过一个礼拜的忙碌，《有机合成》课程论文已经接近尾声，作为一个还未毕业的本科生，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有老师的督促指导，以及一起学习和探索的同学们的支持，想要完成这份课程论文是难以想象的。

在这里首先要感谢我的学校，是她给我提供了这个学习和锻炼的舞台；其次要感谢我的老师，因为他不仅给我传授了许多以前我所不了解的知识，而且还教会了我如何对待科学研究成果的态度。

同时，也感谢和我一起学习的各位同学，是他们殷切的支持和帮助为我顺利完成这份课程论文提供了保障。

最后，我还要感谢我的父母，他们不但给了我生命，而且还为我进一步塑造灵魂给予了默默的支持和关心！