《天然药物化学》辅导-6-9章

第六章 萜类和挥发油第一节 概述萜类物质是由甲戊二羟酸（MVA）衍生而成，基本骨架多具有2个及2个以上异戊二烯单位（C5）。开链萜烯具有（C5H8）n 的通式，碳原子数一般为5的倍数，而氢的比例一般不是8的倍数。结构与分类按异戊二烯单位（C5单位）的多少分为单萜、倍半萜、二萜、二倍半萜、三萜、四萜和多萜。每类再根据基本碳链是否成环及成环的碳环数的多少进一步分类。绝大多数萜类化合物为含氧衍生物，包括醇、醚、酮、酸、酯、内酯、亚甲二氧基等含氧基团。 有的萜类化合物以苷的形式存在，如环烯醚萜苷类成分；有的萜类化合物分子中含有氮原子，称为萜类生物碱，如乌头碱。分布：萜类化合物在自然界分布十分广泛，种类繁多，是各类天然物质中最多的一类成分。据统计，1970年有萜类化合物10000余种，至1991年已超过22000种。广泛分布于高等植物的腺体、油室和树脂道等分泌组织中，是植物挥发油的主要组成成分，在昆虫激素及海洋生物中也有存在。生物活性：萜类化合物的生物活性也十分重要。如穿心莲内酯；青蒿素，龙胆碱，紫杉醇，薄荷脑，龙脑（俗：冰片）、银杏内酯，雷公藤内酯，甜菊苷 萜类的生源途径1经验异戊二烯法则： 天然界中萜类化合物的结构研究发现，绝大多数萜类物质可以看作是由异戊二烯首尾相连形成的聚合体。 1887年Wallach提出：自然界存在的萜类化合物是由异戊二烯衍生而成首尾相连的聚合体及其衍生物。这就是日后长期沿用的经验异戊二烯法则。2生源异戊二烯法则： 后来很多学者对萜类化学深入研究的结果表明，很难在植物界发现游离的异戊二烯存在，而且有些萜类化合物液无法划分出异戊二烯的基本单元。于是德国学者Ruzicka于1938年提出了生源异戊二烯法则。 生源异戊二烯法则的基本理论是：萜类化合物的形成起源于生物代谢的最基本的物质葡萄糖；葡萄糖在酶的作用下产生乙酸，三分子的乙酸经生物合成产生甲戊二羟酸（MVA），甲戊二羟酸被认为是萜类形成的真正的基本单元；甲戊二羟酸经高能的三磷酸腺苷（ATP）作用生成甲戊二羟酸焦磷酸酯，再经脱羧、脱水形成焦磷酸异戊烯酯（IPP），焦磷酸异戊烯酯可互变异构化为焦磷酸、-二甲基丙烯酯（DMAPP），这两个化合物被认为是萜类成分在生物体内形成的真正前体，即生物体内的“活性异戊二烯法则”物质。 第二节 结构类型及重要代表物卓酚酮 卓酚酮类化合物是一类变形的单萜，它们的碳架不符合异戊二烯法则，具有如下的特性：（1） 卓酚酮具有芳香化合物性质，具有酚的通性，也显酸性，其酸性介于酚类和羧酸之间，即酚卓酚酮二糖苷三糖苷，所以常利用酶解法使植物体内的原生苷水解成强心作用更强的次生苷。碱水解在碱试剂的作用下，可使强心苷分子中酰基水解，内酯环开裂、20（22）转位及苷元异构化等。（1）酰基的水解 弱碱（碳酸氢钠、碳酸氢钾）、中等强度的碱（氢氧化钙和氢氧化钡），它们能选择的水解苷元或糖基上的酰基而不影响内酯环。碳酸氢钠或碳酸氢钾主要使-去氧糖上的酰基水解；氢氧化钙或氢氧化钡可以使-去氧糖、-羟基糖和苷元上的酰基水解。（2）内酯环的水解在水溶液中，氢氧化钠、氢氧化钾能使强心苷的内酯环开裂，酸化后又可重新闭环。醇溶液中，氢氧化钠、氢氧化钾亦能使内酯环开裂，但同时还使其结构异构化，故酸化也不再有可逆变化。甲型强心苷在氢氧化钾的醇性溶液中，通过内酯环的质子转移、双键转移形成C-22活性亚甲基。乙型强心苷在醇性氢氧化钾溶液中，不能发生双键转移，故亦不能形成活性亚甲基。鉴别：强心苷的颜色反应特点是没有专属反应，一般通过三部位的反应进行鉴别： 甾体母核的显色反应，如醋酐-浓硫酸反应（Liebermann-Burchard反应）、不饱和内酯环的显色反应，甲型强心苷再碱性醇溶液中，双键由20（22）转移到20（21），生成C-22活性亚甲基，能与活性亚甲基试剂作用而显色。乙型强心苷在碱性醇溶液中不能产生活性亚甲基，无此类反应。因此，、不饱和内酯环的显色反应可用于区别甲型强心苷与乙型强心苷。如：亚硝酰铁氰化钠试剂(Legal反应)、间二硝基苯试剂（Raymond反应）、3，5-二硝基苯甲酸试剂（Kedde反应）、碱性苦味酸试剂（Baljet反应）-去氧糖的显色的反应，如Keller-Kiliani(K.K)反应，这一反应是-去氧糖的特征反应，游离的-去氧糖才能呈色。苷元与由1分子-去氧糖和葡萄糖或其他羟基糖相连接的双糖、叁糖所组成的强心苷，在此条件下不会水解出游离的-去氧糖而不呈色。吨氢醇反应，只要分子中有-去氧糖即可呈色。 过碘酸-对硝基苯胺反应强心苷的波谱特征UV、 ，-内酯环：max：217220nm，（lg约4.34） ,内酯环：max：295-300nm（lg约3.98） 其它非共轭双键在紫外区无吸收。2、16（17）与 ，内酯环共轭，除在220nm左右有吸收外，在270nm处产生特征吸收用于区分甲型强心苷和乙型强心苷3、8（9），14（15）不与内酯不共轭在240nm左右有吸收。4、14（15），16（17）双烯与内酯环共轭，在330nm处有低吸收（lg约1.8）。若C-11，C-12均为C=O，吸收峰将向长波移动。：用于强心苷母核识别判断方法：改变溶剂极性：不饱和内酯环不饱和内酯环的羰基峰:1800-1700cm-1两个峰。 甲型:1756cm-1 （正常）; 1783cm-1 （不正常，强度随溶剂增加而减弱）。 乙型:1718cm-1 （正常） ; 1740cm-1 （不正常，强度随溶剂增加而减弱）。 向低波数移动40 cm-1可用于区别：甲型、乙型MS：不饱和内酯环特征碎片五员不饱和内酯环： M/Z:111、124、163、164六员不饱和内酯环： M/Z:109、123、135、136NMR(1). 有二个角甲基峰 d 1.00 s 峰位与A/B环的 骈合方式有关。 (2). -CHO d 9.5 10.0 s (3). 不饱和五元内酯环 C22-H d 5.6 6.0 brs C21-H2 d 4.5 5.0 Abq(或类三重峰) J = 18Hz (4). 不饱和六元内酯环 C21-H d 7.2 s , C22-H d 7.8 d, C23-H d 6.3 d 。 (5). C3-H d 3.9 m(或tt) 内酯环信号甲型：C-22烯-H，5.6-6.0 ppm，宽单峰，C-21两个H，4.5-5.0 ppm之间，br或AB，或t峰,J=18Hz。乙型：H-21，7.2,s,H-22和H-23分别为 7.8，d和6.3ppm,d用于区分甲型和乙型强心苷提取与分离1提取由于强心苷易受酸、碱、酶的作用，发生水解、脱水及异构化等反应。因此应注意：如以提取原生苷为目的时，要抑制酶的活性，防止酶解；如以提取次生苷为目的时，要利用酶的活性，进行部分酶解。避免接触酸、碱。1、原生苷的提取：常用的溶剂为70%乙醇2、次生苷的提取：让酶水解后提取纯化1、溶剂法：石油醚脱脂；醇提水沉去叶绿素等杂质。2、铅盐法：鞣质，皂苷，水溶性色素等，可用铅盐法除去（注意吸附强心苷）3、吸附法：活性炭可吸附皂苷 ，糖类，叶绿素，水溶性色素等大分子化合物。2分离一般用各种色谱方法进行分离。两相溶剂萃取法：逆流分配法：色谱法强心苷生理活性构效关系第四节 甾体皂苷概述概念：甾体皂苷是一类由螺甾烷类化合物与糖结合的寡糖苷。有的以游离的形式存在，有的则与糖结合成苷的形式存在，该苷类化合物多数可溶于水，水溶液振摇后产生似肥皂水溶液样泡沫，故被称为甾体皂苷。该类皂苷不具有羧基，呈中性，所以又称之为中性皂苷。 分布：在植物界中分布广泛，主要分布于薯蓣科、百合科等。 生物活性：防止心脑血管疾病，抗肿瘤，降血糖和免疫调节等作用。按照皂苷分子中糖链数目的不同，可分为单糖链皂苷（只含1条糖链的皂苷）、双糖链皂苷（含有2条糖链的皂苷）和三糖链皂苷（含有3条糖链的皂苷）；按照皂苷分子中是否含有酸性基团（如羧基），可将皂苷分成中性皂苷和酸性皂苷。甾体皂苷的皂苷元基本骨架属于螺甾烷的衍生物，由27个碳原子构成。依照螺甾烷结构中C25的构型和环合状态，可将其分为四种类型：（1）螺甾烷醇类 C25为S构型（2）异螺甾烷醇类 C25为R构型（3）呋甾烷醇类 F环为开链衍生物（4）变形螺甾烷醇类 F环为五元四氢呋喃环一甾体皂苷在甾体皂苷元的E、F环中有三个不对称碳原子C-20、C-22和C-25。其中C-25甲基有两种构型，当C-25位上的甲基为直立键时，为型，其绝对构型为L-型（也叫L-系，或25S、25L、25F、Neo）；当C-25位上甲基为平状键时，为型，其绝对构型为D-型（也叫D-系，或25R、25D、25F、Iso）。一般来说，D-型化合物比L-型化合物稳定。L-型的衍生物成为螺旋甾烷，D-型的衍生物为异螺旋甾烷。甾体皂苷分子中不含羧基，显中性，故甾体皂苷又称中性皂苷。理化性质1甾体皂苷元多有较好的结晶；若与糖结合成为苷类，则不易结晶，多为无色无定形粉末。甾体皂苷元易溶于石油醚、苯、氯仿等有机溶剂，不溶于水；甾体皂苷可溶于水，易溶于热水，稀醇、热甲醇和热乙醇中。几乎不溶于石油醚、苯等极性小的有机溶剂。含水的丁醇或戊醇对皂苷的溶解度较好，因此是萃取皂苷时常用的溶剂。2甾体皂苷所具有的表面活性和溶血作用等与三萜皂苷相似，但F环开裂的皂苷往往不具溶血作用，而且表面活性降低。3甾体皂苷与甾醇形成分子复合物，甾体皂苷的乙醇溶液可被甾醇（常用胆甾醇）沉淀。4甾体皂苷在无水条件下，遇某些酸类亦可产生与三萜相类似的显色反应。颜色反应醋酐-浓硫酸（Liebermann-Burchard）反应 可用以区别甾体皂苷和三萜皂苷，甾体皂苷最后呈蓝绿色，三萜皂苷最后呈红色或紫色。三氯醋酸反应 将甾体皂苷样品的氯仿溶液滴在滤纸上，加三氯醋酸试剂，加热至60，生成红色渐变为紫色。在同样条件下，三萜皂苷必须加热到100才能显色。可用于区分三萜皂苷和甾体皂苷。F环裂解的双糖链皂苷： 对E试剂（Ehrlich试剂盐酸二甲胺基苯甲醛）：红色 对A试剂（茴香醛试剂）：黄色F环闭环的单糖链皂苷及螺甾烷： 对E试剂：不显色 对A试剂：黄色可用于F环裂解的双糖链皂苷与其他皂苷的区分波谱特征UV： 饱和甾体：200-400nm无吸收 双键：205-225nm 羰基：285nm ,-不饱和酮：240nm 共轭双键 235nm 浓，加热： 2-nmIR: 螺甾酮： 980 920 900 860cm-1 A B C D A带最强区分螺旋甾烷与异螺旋甾烷 25S: B带C带 25R: B带 d18- CH3 21-CH3 ; 27-CH3:双峰d21- CH3 d27 - CH3 27-CH3: 构型（25R）：较高场 构型（25S）：较低场 27-CH3: CDCl3-C6D6: 0.08-0.13 构型 -0.02 构型 C26-2H: 相似： 构型 相差大： 构型提取与分离苷的提取多采用溶剂提取法。主要使用甲醇或稀乙醇作溶剂，提取液回收溶剂后，用水稀释，经正丁醇萃取或大孔纯化，得粗皂苷，再经过硅胶柱层析分离或高效液相制备，得单体。常用的洗脱剂：氯仿：甲醇：水混合溶剂或水饱和的正丁醇。苷元提取： .在植物组织中将皂苷水解，然后用低极性溶剂提取皂苷元。 .先用极性溶剂如甲醇、乙醇、丁醇将皂苷提出，再加酸加热水解，滤出水解物，然后用低极性溶剂提取皂苷元。 皂苷的精制和分离分段沉淀法将皂苷溶于少量甲醇或乙醇，然后分步加入乙醚、丙酮或乙醚-丙酮混合溶剂，将皂苷分步沉淀出来。胆甾醇沉淀法甾体皂苷与胆甾醇可生成难溶性分子复合物，据此分离。（1）凡有3-OH，A/B环反式稠合（5-H）或的平展结构的甾醇，如-谷甾醇、豆甾醇、胆甾醇和麦角甾醇等，与甾体皂苷形成的分子复合物的溶度积最小。（2）凡有3-OH，或3-OH经酯化或成苷的甾醇，不能与甾体皂苷生成难溶性的分子复合物。（3）三萜皂苷不能与甾醇形成稳定的分子复合物，据此可实现甾体皂苷和三萜皂苷的分离。铅盐沉淀法分离酸性皂苷和中性皂苷。第九章 生物碱本章是本教材的重点。学习和复习时，抓住生物碱的通性这一关键，掌握了通性，就能灵活应用于生物碱的提取分离及检识。第一节 概 述多数教材定义为：生物碱是指一类来源于生物界（以植物为主）的含氮的有机物，多数生物碱分子具有较复杂的环状结构，且氮原子在环状结构内，大多呈碱性，一般具有生物活性。 同时还要了解有些生物碱并不完全符合上述生物碱的的含义，如麻黄碱的氮原子不在环内，咖啡不呈碱性；有些来源于生物界的含氮衍生物又不属于生物碱的范畴，如低分子胺类（如甲胺、乙胺等）、非环甜菜因类、氨基酸、氨基糖、肽类、蛋白质、核酸、核苷酸、卟啉类、维生素等。比较确切的表述：生物碱是含负氧化态氮原子、存在于生物体中的环状化合物。负氧化态氮：包括胺（-3）、氮氧化物（-1）、酰胺（-3）；排除含硝基（+3）、亚硝基（+1）的化合物。分布特点：1、系统发育越低，分布越少2、高等植物中，分布多3、极少与萜类、挥发油共存于同一植物类群。4、特殊类型生物碱，分布越窄。同科同属植物可能含有相同结构类型的生物碱；在植物体内各个器官和组织都可能有分布，但对于一种植物来说，生物碱往往在植物的某种器官含量较高。存在形式： 在植物体内，除以酰胺形式存在的生物碱外，少数碱性极弱的生物碱以游离的形式存在，绝大多数以盐的形式存在；个别生物碱则以氮氧化物的形式存在，如氧化苦参碱。第二节 生物碱生物合成的基本原理（一）环合反应1一级反环合应（1）内酰胺形式：该反应主要限于肽类生物碱等的生物合成。（2）希夫碱形式：含氨基（伯胺或仲胺）和羰基的化合物易加成-脱水形成希夫碱。（3）曼尼希氨甲基化反应：醛、胺（一级胺或二级胺或氨）和负碳离子（含活泼氢的化合物）发生缩合反应，结果是活泼氢被氨甲基所取代，得到曼尼希碱。（4）加成反应：所谓加成反应是特指一亲核氨基与芳香或醌类体系中亲电中心的加成反应。综上所述，氨基和羰基反应体是生物碱生物合成中最重要的形成N-杂环体系的前体物。这中间希夫碱形成和曼尼希缩合所需的醛类以及酶的催化作用则是关键因素。2次级环化反应：最重要的次级环化反应是氧化偶联；其次是亚胺盐的次级环合反应也比较重要。（1）酚氧化偶联：酚氧化偶联的大致过程可归纳为：酚自由基形成®自由基偶联®再芳香化。1）酚自由基形成2）自由基偶联3）再芳香化烯醇化-再芳香化C-C键迁移-再芳香化C-C键裂解-再芳香化（2）亚胺盐次级环合反应（二）C-N键的裂解1内酰胺开环最简单的键裂解是内酰胺开环反应。在某些情况下，仲胺可通过氧化转化成内酰胺，再进行键的裂解。2Hofmann降解和von Braun降解这是生物碱的两个降解反应。在生物体内同样可以化学上等价地进行这两种反应。 第三节 生物碱的分类、生源关系及其分布生物碱的分类主要有三种方法：（1）来源分类（2）化学分类（3）生源结合化学分类分类依据不同，各有利弊。不过，目前似乎以后一种分类方法为主。1来源于鸟氨酸的生物碱2来源于赖氨酸的生物碱3来源于邻氨基苯酸的生物碱4来源于苯丙氨酸和酪氨酸的生物碱5来源于色氨酸的生物碱6来源于萜类的生物碱7来源于甾体的生物碱这一节与实例的内容结合复习，掌握几个重要生物碱（如小檗碱、乌头碱、麻黄碱、莨菪碱、苦参碱、马钱子碱、粉防己碱等）的结构分类，故此处略。第四节 理化性质这一节内容为生物碱通性，其中生物碱的碱性和溶解度占主导地位，是难点也是重点，因此必须掌握，复习时将影响生物碱碱性强弱的因素归纳总结便于记忆。溶解性则是提取分离方法和方案设计的基础。首先明确季铵类生物碱碱性最强，排除季铵碱后，分析氮原子在分子中的杂化方式，这是决定生物碱碱性强弱的本质，氮原子的杂化方式与碱性强弱的关系表现为：SP3杂化SP2杂化SP杂化，因此一般碱性脂氮杂环芳氮杂环。尔后分析氮原子周围的化学环境，主要为电效应和立体效应，而电效应的影响较直接，主要有诱导效应和共轭效应，这两种效应的影响均为如增加氮原子上电子云密度则使生物碱碱性增加，降低氮原子上电子云密度则使生物碱碱性降低。在诱导效应中主要是氮原子、位取代基，如、果为供（斥）电子基（主要为甲基）取代，可增加氮原子电子云密度，则使碱性增加，而吸电子基（如羟基、双键、羰基等）可降低氮原子电子云密度，使碱性降低。共轭效应多以吸电子共轭为多，即共轭体系与氮原子形成P-共轭，使氮原子电子云密度降低，则生物碱碱性降低。在电效应中特别要注意氮原子邻位羟基、双键，在立体条件允许下，反而使生物碱碱性大大增加。影响生物碱碱性的因素还有空间效应、氢健效应等。以上简单概述了影响生物碱碱性的因素，请同学们结合教材复习。另外生物碱碱性强弱的表示也是一个重点，虽不难但容易记混，其实只要牢记最常用的pKa（生物碱共轭酸的离解常数Ka的负对数或叫酸式离解指数）值大生物碱的碱性强这一点，其余的可据此推出。即 碱性强： pKa值大、pKb值小、Kb值大、Ka值小；碱性弱： pKa值小、pKb值大、Kb值小、Ka值大。碱性强度与pKa值关系：pKa 12（强碱）。碱性基团的pKa值大小顺序一般是：胍基季胺碱(pKa 11)脂胺类，脂氮杂环类（pKa 811）芳胺类，芳氮杂环类（pKa 37）两个以上的氮杂环类（pKa 酰胺基（中性）。其它通性在一定程度上均与碱性有关：如溶解性，亲脂性生物碱多为大分子碱性成分，游离状态易溶于有机溶剂（如氯仿、乙醚、甲醇、乙醇等）难溶于水，尤其在氯仿中的溶解度较大；由于有碱性，则可与酸成盐而易溶于水、甲醇、乙醇不溶于亲脂性有机溶剂。强碱性的季铵生物碱由于是离子型化合物，故易溶于水，称为水溶性生物碱（尚有一些小分子量生物碱、具有N-O配位键的生物碱等也为水溶性生物碱），亲水性生物碱也可以溶于甲醇、乙醇、正丁醇等极性有机溶剂。生物碱盐溶解性因成盐的酸的种类不同而有差异。一般与无机酸生成的盐的水溶性大于有机酸盐；无机酸盐中含氧酸盐的水溶性大于卤代酸盐；在有机酸盐中，小分子有机酸或多羟基酸盐的水溶性大于大分子有机酸盐。当然也有一些生物碱盐的溶解性不符合上述规律，此外结构中有酚羟基、羧基等酸碱两性生物碱（称为两性生物碱）还可溶于碱性溶液。具内酯（或内酰胺）结构生物碱的溶解性：这类生物碱如喜树碱、那可汀碱等在正常情况下，其溶解度类似一般叔胺碱。但在热水溶液中，其内酯（内酰胺）结构可开环形成羧酸盐而溶于水。生物碱的沉淀反应 大多数生物碱在酸水或稀醇中能与某些试剂反应生成难溶于水的复盐或分子络合物，这些试剂称为生物碱沉淀试剂。常用的生物碱沉淀试剂有碘化物复盐、重金属盐、大分子酸类等。常见的生物碱沉淀试剂有碘-碘化钾试剂、碘化铋钾试剂、碘化汞钾试剂等。生物碱沉淀反应的条件一般在酸性水溶液中进行。特别要注意假阳性（天然药物中有些非生物碱类物质也能与生物碱沉淀试剂产生沉淀，如蛋白质、多肽、氨基酸、鞣质等）及假阴性（如麻黄碱、咖啡碱等）问题。生物碱沉淀反应常应用于指导生物碱的提取分离、生物碱的分离纯化及鉴别。第五节 提取与分离生物碱的提取分离大致有总生物碱的提取、碱性不同生物碱的粗分离以及单体生物碱的分离。方法有经典的溶剂法（包括酸碱梯度溶剂法）、离子交换树脂法、沉淀法及层析法。这一节实质是对生物碱性质碱性、溶解性的综合利用，重点也在于此。因此应掌握提取分离流程（亲脂性生物碱与亲水性生物碱、酚性碱与非酚性碱、强碱与弱碱）、以及提取分离常用方法、溶剂和实例中一些单体生物碱的分离等。设计流程需要掌握原则，被分离物质的性质与选用的方法、溶剂不能矛盾。如从药材中提取总亲脂性生物碱，则应将药材碱化后用亲脂性有机溶剂回流提取；如提取总生物碱，则用醇溶液提取；如分离得到酚性生物碱，则利用酚性生物碱可溶于苛性碱水溶液的性质从，用氢氧化钠（钾）水溶液从含有亲脂性总碱的亲脂性有机溶剂中萃取，（注意常有在醇液中加水性或有机溶剂萃取是错误的）。利用碱度分离一般采用PH梯度法。对单体生物碱的分离，