天然药物化学教案4.docx

1、天然药物化学教案4天然药物化学教案天然药物化学为生物类各专业的专业基础选修课，根据教学大纲的要求及学校的安排，课堂讲课32学时，实验48学时，共80学时。天然药物化学内容分为总论和各论两部分。总论主要阐述了研究天然药物有效成分常用的各种色谱分离方法和各种结构鉴定方法。各论是本课程的重点，在讨论了糖和苷的一般性质和结构研究法基础上，将所有的天然产物按照其结构母核分为苯丙素类、蒽醌类、黄酮类、萜类和挥发油、皂苷类、生物碱等七个部分，详细论述了它们的结构特点、理化性质、提取分离和结构鉴定，并结合生物活性及临床应用介绍了一些有代表性的化合物。现将每章节教学的目的要求、教学时数、教学重点和难点、思考题等

2、方面的内容具体安排如下。第一章 总论目的要求：1了解天然药物化学的发展及其重要性。2掌握天然药物有效成分的提取及各种分离方法，掌握色谱技术中洗脱剂选择的原则。3熟悉化合物结构研究的主要程序及主要方法。教学时数：8学时。教学重点和难点：（主要部分）重点、难点、疑难解析一、中药有效成分的提取（一）常用溶剂的特点：石油醚，环己烷，苯，氯仿，乙醚，乙酸乙酯，正丁醇，丙酮，乙醇，甲醇极性：小 大亲脂性：大 小 亲水性：小 大 1 比水重的有机溶剂：氯仿2 与水分层的有机溶剂：环己烷 正丁醇3 能与水分层的极性最大的有机溶剂：正丁醇4 与水可以以任意比例混溶的有机溶剂：丙酮 甲醇5 极性最大的有机溶剂：甲

3、醇6 极性最小的有机溶剂：环己烷7 介电常数最小的有机溶剂：石油醚8 常用来从水中萃取苷类、水溶性生物碱类成分的有机溶剂：正丁醇9 溶解范围最广的有机溶剂：乙醇（二）各种提取方法：常见的提取方法有：溶剂提取法、水蒸气蒸馏法、升华法、压榨法。其中，溶剂提取法应用最广。1 溶剂提取法（1）溶剂提取法的原理 根据相似者相溶原理，选择与化合物极性相当的溶剂将化合物从植物组织中溶解出来，同时，因某些化合物的增溶或助溶作用，其极性与溶剂极性相差较大的化合物也可溶解出来。（2）各种溶剂提取法 溶剂提取法一般包括浸渍法、渗漉法、煎煮法、回流提取法、连续回流提取法等，其使用范围及特点如下：提取方法溶剂操作提取效

4、率使用范围备注浸渍法水或有机溶剂不加热效率低各类成分，尤其遇热不稳定成分出膏率低，易发霉，需加防腐剂渗漉法有机溶剂不加热脂溶性成分消耗溶剂量大，费时长煎煮法水直火加热水溶性成分易挥发、热不稳定不宜用回流提取法有机溶剂水浴加热脂溶性成分热不稳定不宜用，溶剂量大连续回流提取法有机溶剂水浴加热节省溶剂效率最高亲脂性较强成分 用索氏提取器，时间长2. 水蒸气蒸馏法 适用于具有挥发性、能随水蒸汽蒸馏而不被破坏、难溶或不溶于水的成分的提取，如挥发油、小分子的香豆素类、小分子的醌类成分。 3.升华法 固体物质受热不经过熔融，直接变成蒸汽，遇冷后又凝固为固体化合物，称为升华。中草药中有一些成分具有升华的性质，

5、可以利用升华法直接自中草药中提取出来。如樟脑、咖啡因。4.压榨法 原理是机械挤压，范围适于新鲜药材、种籽植物油二、分离与精制：（一）根据物质溶解度差别进行分离1 结晶及重结晶法利用不同温度可引起物质溶解度的改变的性质以分离物质。将不是结晶状态的固体物质处理成结晶状态的操作称结晶；将不纯的结晶进一步精制成较纯的结晶的过程称重结晶。（1）溶剂选择的一般原则不反应；冷时对所需要的成分溶解度较小，而热时溶解度较大；对杂质溶解度很大或很小；沸点低，易挥发；无毒或毒性小。若无理想的单一溶剂时，可以考虑使用混合溶剂。一般常用甲醇、丙酮、氯仿、乙醇、乙酸乙酯等。（2）结晶操作结晶操作实际是进一步分离纯化过程，

6、一般是应用适量的溶剂在加热至沸点的情况下将化合物溶解，制成过饱和溶液，趁热过滤去除不溶性杂质，放置冷处，以析晶。（3）结晶纯度的判定结晶形态和色泽：单一化合物的结晶具有结晶形状均一和均匀的色泽。熔点和熔距：单一化合物具有一定的熔点和较小的熔距，结晶前后的熔点应一致，熔距很窄，在12的范围内。但要注意双熔点，如汉防己乙素、芫花素及一些与糖结合的苷类化合物。色谱法：单一化合物在薄层色谱或纸色谱层析中经三种不同的溶剂系统展开，均为一个斑点者。2溶剂分离法：（1）在中草药提取液中加入另一种溶剂以改变混合物溶剂的极性，使一部分物质沉淀析出，从而实现分离。如：水醇法除多糖、蛋白质等水溶性杂质；醇水法除树脂

7、、叶绿素等水不溶性杂质；醇醚法或醇丙酮法使苷类成分，而脂溶性树脂等杂质则存留在母液中。（2）对酸性、碱性或两性有机化合物来说，通常通过加入酸、碱以调节溶液的pH，以改变分子的存在状态（游离型或解离型），从而改变溶解度而实现分离。如：酸提碱沉法，碱提酸沉法等。（3）沉淀法：酸性或碱性化合物还可通过加入某种沉淀试剂使之生成水不溶性的盐类沉淀等析出。如加入铅盐、雷氏铵盐等。（二）根据物质在两相溶剂中的分配比不同进行分离。1两相溶剂萃取法（1）原理：利用混合物中各成分在两相互不相溶的溶剂中分配系数的不同而实现分离。萃取时如果各成分在两相溶剂中分配系数相差越大，则分离效率越高。 分配系数K值（即分配比）

8、：溶质在两相溶剂中的分配比（K）在一定温度及压力下为一常数 分离难易与分离因子b：分离因子b可以表示分离的难易。分离因子b可定义为A、B两种溶质在同一溶剂系统中分配系数的比值。一般情况下，b100，仅作 一次简单萃取就可实现基本分离；但100b10时，则需萃取1012次；b2时，要实现基本分离，需作100次以上萃取才能完成。b1时，则 KAKB，意味着两者性质及其相似，即使作任意次分配也无法实现分离。实际工作中，尽量选择分离因子b值大的溶剂系统，以求简化分离过程，提高分离效率。 分配比与pH：对酸性、碱性及两性化合物来说，分配比还受溶剂系统的影响。因为pH的变化可以改变它们的存在状态（游离型或

9、解离型），从而影响在溶剂系统中的分配比。酚类化合物的pKa值一般为9.210.8，羧酸类化合物的pKa值约为5。一般pH12，则酸性物质多呈解离状态（A）、碱性 物质则呈非解离状态（B）存在。据此，可采用在不同pH的缓冲溶液与有机溶剂中进行分配的方法，使酸性、碱性、中性及两性物质的以分离。（2）各种萃取方法： 简单萃取：利用分液漏斗进行两相溶剂萃取。 逆流连续萃取法：是一种连续的两相溶剂萃取法。其装置可具有一根、数根或更多根的萃取管。 逆流分配法（CCD）：又称逆流分溶法、逆流分布法或反流分布法，与两相溶剂逆流萃取法原理一致，对于分离具有非常相似性质的混合物效果较好。 液滴逆流分配法（DCCC

10、）：本法必须选用能生成液滴的溶剂系统，且对高分子化合物的分离效果较差，处理样品量小，并要有一定的设备，操作较繁琐。一般b50时，简单萃取即可分离，b RP8 RP2。键合固定相的作用并非只是分配，也有一定的吸附作用。5加压相色谱法加压相色谱法又分为：快速柱色谱（约2.02´105Pa）Lobar低压柱色谱（20.2´ 105Pa）。固定相：RP2、RP8或RP18流动相：水甲醇或水乙腈洗脱顺序：化合物极性越大，越先出柱；反之，化合物极性越小，越后出柱。应用：通常用于分离水溶性或极性较大的成分，如苷类、酚性化合物等。（三）根据物质的吸附性差别进行分离其中以固液吸附用的最多

11、，并有物理吸附（硅胶、氧化铝、活性炭为吸附剂进行的吸附色谱）、化学吸附（黄酮等酚酸性物质被氧化铝吸附、生物碱被酸性硅胶吸附 等）及半化学吸附（聚酰胺与黄酮类、醌类等酚性化合物之间的氢键吸附，吸附力较弱，介于物理吸附与化学吸附之间）之分。1物质的吸附规律：（1）物理吸附过程一般无选择性，但吸附强弱大体遵循“相似者易于吸附” 的经验规律。（2）被分离的物质与吸附剂、洗脱剂共同构成吸附层析的三要素，彼此紧密相连。常用的极性吸附剂：硅胶、氧化铝。硅胶显微酸性，适于分离酸性和中性化合物，分离生物碱时需在流动相中加入适量的有机碱；氧化铝呈碱性，适于分离生物碱等碱性成分，不宜用于分离有机酸、酚性等酸性成分。

12、均为极性吸附剂，故有以下特点：被分离物质极性越强，吸附力越强。强极性溶质将优先被吸附。溶剂极性越弱，则吸附剂对溶质的吸附能力越强。随溶剂极性的增强，则吸附剂对溶质的吸附力将减弱。当加入极性较强的溶剂后，先前被硅胶或氧化铝所吸附的溶质可被置换而洗脱出来。常用的非极性吸附剂：活性炭。对非极性物质具有较强的亲和力，在水中对溶质表现出强的吸附能力。从活性炭上洗脱被吸附的物质时，溶剂的极性越小，洗脱能力越强。2极性及其强弱判断：（1）一般化合物的极性按下列官能团的顺序增强：CH2CH2，CH2=CH2，OCH3，COOR，C=O，CHO，NH2，OH，COOH（2）溶剂的极性可大体根据介电常数的大小来判

13、断。介电常数越大，则极性越大。一般溶剂的介电常数按下列顺序增大：环己烷（1.88），苯（2.29），无水乙醚（4.47），氯仿（5.20），乙酸乙酯（6.11），乙醇（26.0），甲醇（31.2），水（81.0）3吸附柱色谱法用于物质的分离：以硅胶或氧化铝为吸附剂进行柱色谱分离时：（1）尽可能选用极性小的溶剂装柱和溶解样品，或用极性稍大的溶剂溶解样品后，以少量吸附剂拌匀挥干，上柱。（2）一般以TLC展开时使组分Rf值达到0.20.3的溶剂系统作为最佳溶剂系统进行洗脱。实践中多用混合的有机溶剂系统。（3）为避免化学吸附，酸性物质宜用硅胶、碱性物质宜用氧化铝作为吸附剂进行分离。通常在分离酸性（或碱

14、性）物质时，洗脱溶剂中常加入适量的醋酸（或氨、吡啶、二乙胺），以防止拖尾、使斑点集中。5聚酰胺吸附色谱法：（1）原理：氢键吸附。一般认为系通过分子中的酰胺羰基与酚类、黄酮类化合物的酚羟基，或酰胺键上的游离胺基与醌类、脂肪酸上的羰基形成氢键缔合而产生吸附。吸附强弱取决于各种化合物与之形成氢键缔合的能力。（2）吸附能力的强弱通常化合物在水溶剂中大致有以下规律： 形成氢键的基团数目越多，则能力越强。 成键位置对吸附能力也有影响。易形成分子内氢键者，其在聚酰胺上的吸附响应减弱。 分子中芳香化程度高这，则吸附性增强；反之，则减弱。一般情况下，各种溶剂在聚酰胺柱上的洗脱能力由弱致强的大致顺序如下：水甲醇乙

15、醇氢氧化钠水溶液甲酰胺二甲基甲酰胺尿素水溶液其中，最常应用的洗脱系统是：乙醇水（3）应用 特别适合于酚类、黄酮类化合物的制备和分离。 脱鞣质处理 对生物碱、萜类、甾类、糖类、氨基酸等其他极性与非极性化合物的分离也有着广泛的用途。6大孔吸附树脂：通常分为极性和非极性两类。（1）原理：吸附性和分子筛性相结合。吸附性是由范德华引力或氢键引起的。分子筛是由于其本身多孔性结构产生的。（2）影响因素： 一般非极性化合物在水中易被非极性树脂吸附，极性化合物在水中易被极性树脂吸附。糖是极性水溶性化合物，与D型非极性树脂吸附作用很弱。 物质在溶剂中的溶解度大，树脂对此物质的吸附力就小，反之就大。（3）应用：广泛

16、应用于化合物的分离与富集工作中。如：苷类与 糖类的 分离，生物碱的精制，多糖、黄酮、三萜类化合物的分离等。（4）洗脱液的选择：洗脱液可使用甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯等。最常用的是乙醇水。（四）根据物质分子大小进行分离1凝胶过滤法：（1）原理：分子筛原理。即利用凝胶的三维网状结构的分子筛的过滤作用将化合物按分子量大小不同进行分离。（2）出柱顺序：按分子由大到小顺序先后流出并得到分离。（3）常用的溶剂：碱性水溶液（0.1mol/L NH4OH）含盐水溶液（0.5mol/L NaCl等）醇及含水醇，如甲醇、甲醇水其他溶剂：如含水丙酮，甲醇-氯仿（4）凝胶的种类与性质：种类很多，常用的有以下两种： S

17、ephadex-G：只适用于水中应用，且不同规格适合分离不同分子量的物质。 Sephadex LH-20：为Sephadex G-25经羟丙基化后得到的产物，具有以下两个特点：具有分子筛特性，可按分子量大小分离物质；在由极性与非极性溶剂组成的混合溶剂中常常起到反相分配色谱的作用，适合于不同类型有机物的分离。应用最广。2膜过滤法：（1）概念：膜过滤法是一种用天然或人工合成的膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯或富集的方法。（2）分类：膜过滤技术主要包括渗透、反渗透、超滤、电渗析、液膜技术等。3透析法：透析法是膜过滤法中的一种。（1）原理：透析法是利用

18、小分子物质在溶液中可通过半透膜、而大分子物质不能透过半透膜的性质，以达到分离的目的，本质上是一种分子筛作用。（2）应用：对于生物大分子，一般可以通过透析法进行浓缩和精制。如药用酶的精制。分离和纯化皂苷、蛋白质、多肽、多糖等大分子物质，可将其留在半透膜内，而将如无机盐、单糖、双糖等小分子的物质透过半透膜，进入膜外的溶液中，而加以分离精制。应用： （五）根据物质解离程度不同进行分离具有酸性、碱性、两性基团的化合物在水中多呈解离状态，据此可用离子交换法进行分离。原理：离子交换原理固定相：离子交换树脂流动相：水或含水溶剂洗脱液：强酸性阳离子交换树脂（H型）稀氨水洗脱强碱性阴离子交换树脂（OH型）稀氢氧

19、化钠洗脱1分类：根据交换基团不同分为： 阳离子交换树脂强酸性（SO3-H+）弱减性（COO-H+） 阴离子交换树脂强碱性N+（CH3）3Cl弱减性（NH2及仲胺、叔胺基）2应用： 用于不同电荷离子的分离，如水提取物中的酸性、碱性、两性化合物的分离。 用于相同电荷离子的分离，如同为生物碱，但碱性强弱不同，仍可用离子交换树脂分离。 （六）根据物质的沸点进行分离分馏法1概念： 分馏法是利用中药中各成分沸点的差别进行提取分离的方法。一般情况下，液体混合物沸点相差100以上时，可用反复蒸馏法；沸点相差25以下时，需用分馏柱；沸点相差越小，则需要的分馏装置越精细。2应用：挥发油、一些液体生物碱的提取分离常

20、采用分馏法。三、结构研究法(一)、化合物的纯度测定在结构研究前必须首先确定化合物的纯度。纯度不合格，会给结构测定工作带来更大难度，甚至会导致结构测定工作的失败。纯度检查的方法很多，如检查有无均匀一致的晶形，有无明确、敏锐的熔点等。但是最常应用的还是各种色谱方法，如在TLC或PPC上选择适当的展开剂，分别将样品推至薄板(或滤纸)的不同位置,并在可见光、UV光下观察，或者喷以一定的显色剂进行观察。一般，只有当样品在三种展开系统中均呈现单一斑点时方可确认其为单一化合物。个别情况下，甚至须采用正相和反相两种色谱方法加以确认。另外，气相色谱(GC)也是判断物质纯度的一种重要方法，但只适用于在高真空和一定

21、加热条件下能够气化而不被分解的物质.HPLC则不然，不受GC那样的条件限制。与GC一样，HPLC也有用量少、时间快、灵敏度高及准确的特点，但两者均须配置价格昂贵的仪器设备。(二)、结构研究的主要程序 对未知天然化合物来说，结构研究的程序及采用的方法大体如下图所示。其中，每个环节的应用方法均各有侧重，且因每个人的经验、习惯及对各种方法熟练掌握、运用的程度而异。对已知化合物的结构鉴定更可大大简化，很难说有一个固定的、一成不变的程序。但是有一点是共同的，即文献检索、调研工作几乎贯穿结构研究工作的全过程。大量事实证明，分类学上亲缘关系相近的植物，如同属、同种或相近属种的植物，往往含有类型及结构骨架类似

22、，或甚至结构相同的化合物，故在进行提取分离工作之前，一般应当先利用中、外文献主题索引按中药名称或拉丁学名查阅同种、同属乃至相近属种的化学研究文献，以利充分了解、利用前人的工作。不仅要了解前人从该种或相近属种植物的那个药用部位中分到过什么成分；还要了解该种或该类成分出现在那个溶剂提取部位? 用什么方法得到?具有什么性质? 分子式、mp、D、颜色反应、色谱行为及各种谱学数据和它们的生物合成途径等，并最好整理概括成一张一览表以利检索、比较.通常在确认所得化合物的纯度后，即应根据该化合物在提取、分离过程中的行为、物理化学性质及有关测试数据，对比上述文献调研结果，分析推断所得化合物的类型及基本骨架，并可

23、利用如分子式索引或主题索引(如推测为已知化合物)查阅各种专著、手册、综述,或者通过系统查阅美国化学文摘，全面比较数据，判断所得化合物为已知或未知化合物。思考题：1中草药有效成分的提取方法有哪些？其各自的使用范围及其优缺点是什么？2分离中草药成分常用的色谱方法有哪些？他们分别适用于哪些类别化合物的分离？各自最常用的洗脱剂及洗脱顺序是什么？3进行结构鉴定常用哪些方法？这些方法可以解决结构式中的什么问题？第二章 糖和苷目的要求：1熟悉糖的结构类型，掌握糖Haworth式的端基碳构型、构象及糖的理化性质。2熟悉苷的结构类型，掌握苷的一般性质、苷键的裂解方法及其裂解规律。3熟悉糖和苷的提取分离方法。4掌

24、握苷元和糖、糖和糖之间连接位置、连接顺序以及苷键构型的确定方法。教学时数：4学时。重点和难点： 一、苷类化合物的结构特征、分类及苷和苷键的定义（一）苷和苷键的定义苷类，又称配糖体，是糖或糖的衍生物（如氨基糖、糖醛酸等）与另一非糖物质通过糖的端基碳原子连接而成的化合物。其中非糖部分称为苷元或配基，其连接的键则称为苷键。（二）苷类化合物中常见糖的种类、结构1单糖构型：其绝对构型分为D型或L型；其端基碳有两种构型：a构型和b构型 2苷键的构型：苷键本质上都是缩醛键，其构型也有a、b之分，与成苷键的糖端基碳原子的构型一致。但须注意b-D-糖苷与a-L-糖苷的端基碳原子的绝对构型是相同的。3常见的单糖和

25、二糖（1）单糖： 五碳醛糖D-木糖，L-阿拉伯糖，D-核糖 甲基五碳醛糖L-鼠李糖，D-呋糖，D-鸡纳糖，D-果糖六碳醛糖D-葡萄糖，D-甘露糖，D-半乳糖糖醛酸D-葡萄糖醛酸，D-鼠李糖醛酸（2）二糖： 芸香糖，龙胆二糖，槐糖，新橙皮糖，麦芽糖昆布二糖，冬绿糖，蚕豆糖。（三）苷类化合物的结构特征和分类苷有不同的分类方式，如以苷元的化学结构、苷类在植物体内的存在状况、苷键原子等为依据对苷类化合物进行分类。其中按苷键原子分类是最常见的苷类分类方式。 1根据苷键原子的不同，可分为O-苷、S-苷、N-苷和C-苷，分类情况见表。其中最常见的是O-苷。类别 举例 备注氧苷 醇苷 红景天苷，毛茛苷，獐牙菜

26、苦苷 通过醇羟基与糖端基羟基脱水而成的苷酚苷 天麻苷、水杨苷 通过酚羟基而成的苷腈苷 苦杏仁苷，垂盆草苷，异垂盆草 主要指一类a-羟腈的苷酯苷 山慈姑苷A，土槿甲酸，土槿乙酸 苷元以羧基和糖的端基相连硫苷 萝卜苷、黑芥子苷，芥子苷 糖端基羟基与苷元上巯基缩 合而成的苷称为硫苷氮苷 巴豆苷，腺苷、鸟苷、胞苷、尿苷 通过氮原子与糖的端基碳相连的苷碳苷 黄酮碳苷（木荆素）、蒽醌碳苷（芦荟苷） 糖基直接以C原子与苷元C相连的苷类2其它分类方法 以连接的单糖基的个数分为单糖苷、二糖苷等； 以苷元上连接糖链的数目可分为单糖苷链、二糖苷链等； 以糖的种类可分为核糖苷、葡萄糖苷等； 以生理作用分类，如强心苷等

27、；以其特殊性质分类，如皂苷。二、苷类化合物的一般性状、溶解度、旋光性及显色反应（一）一般性状1形态：苷类多为固体，其中糖基少的可结晶，糖基多的如皂苷，则多呈具有吸湿性的无定形粉末。2味：一般无味。但有的具苦味，如穿心莲新苷；有很少的苷具甜味，如甜菊苷。（二）溶解度苷类的溶解度与糖基的数目有密切的关系，其亲水性常随糖基数目的增多而增大。糖基少的可溶于低级性有机溶剂，若糖基增多，则在水中的溶解度也增加，因此，用不同极性的溶剂顺次提取时，各提取部位都有发现苷的可能。（三）旋光性多数苷类呈左旋，但水解生成的糖常是右旋的，因而使混合物呈右旋。（四）显色反应Molish反应：糖在浓硫酸、a-萘酚的作用下生

28、成糠醛衍生物而显色，可用于糖和苷类化合物的检识。三、苷键的裂解（一）酸催化水解1原理：苷键具有缩醛结构，易为稀酸催化水解。反应一般在水或稀醇溶液中进行。常用的酸有盐酸、硫酸、乙酸、甲酸等。其机制是苷原子先质子化，然后断键生成阳碳离子或半椅型中间体，在水中溶剂化而成糖。2水解难易：苷键水解的难易与苷键原子的电子云密度及其空间环境有密切的关系，只要有利于苷键原子的质子化就有利于水解，因此水解难易的规律可以从苷键原子、糖、苷元三方面来讨论。（1）按苷键原子不同，酸水解的难易顺序为：N苷O苷S苷C苷。N易接受质子，最易水解，而C上无未共享电子对，不能质子化，很难水解。（2）按糖的不同 呋喃糖苷较吡喃糖苷易水解； 酮糖较醛糖易水解； 吡喃糖苷中吡喃环的C5上取代基越大越难