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1、,天然药物化学,王定勇,相关词汇和定义天然药物化学：the medicinal chemistry of natural product中药化学：The chemistry of traditional chinese medicine植物化学：Phytochemistry 生药学：Pharmacognosy /pharmacognostics,本草：中 药(chinese traditional medicine)：依据中医学理论和临床经验应用于医疗保健的药物。包括中药材和中成药。草 药(herbal medicine)：指草医用以治病或地区性口碑相传的民间药，其中也有本草记载的药物。民族药

2、(national medicine)：中草药(chinese herbal medicine)：,生 药(crude drug)：一般指取自生物的药物，兼有生货原药之意。如采用药用植物的全草或部分、分泌物或渗出物或药用动物的全体或部分、分泌物经一定方式的简单加工而得，实际指中药材。在国外生药一般不包括矿物药，但我国包含有矿物药。天然药物(natural drug)：广义上讲，中药材、草药或生药都是得自自然界的天然药物。,第一章 总 论, 天然药物化学的研究内容，发展历史 天然药物化学成分的提取分离方法 天然药物化学成分的结构研究方法,中药=天然药物 ？, 药物-用于治疗和预防疾病的物质按来源

3、可分为天然药物、化学合成药物和生物药物 中药-广义的概念，包括传统中药、民间药（草药）和民族药传统中药是指在全国范围内广泛使用，并作为商品在中药市场流通，载于中医药典籍，以传统中医药学理论阐述药理作用并指导临床应用、有独特的理论体系和使用形式，加工炮制比较规范的天然药物及其加工品。,什么是天然药物？, 天然药物人类在自然界中发现并可直接供药用的植物、动物或矿物，以及基本不改变其物理、化学属性的加工品。“中药”、“草药”和“民族药”除极少数（如铅丹等）为人工合成药外，绝大多数均同天然药物范畴。,天然药物包含了中药但并不等于是中药,天然药物化学, 什么是天然药物化学？- 运用现代科学理论与方法研究

4、天然药物中化学成分的一门学科 研究内容- 包括各类天然药物化学成分(主要是生理活性成分或药效成分)的结构特点、物理化学性质、提取分离方法以及主要类型化学成分的结构鉴定知识；- 涉及主要类型化学成分的生物合成途径；,物质基础-有效成分, 一种天然药物往往含有结构、性质不尽相同的多种成分。 在中草药及其它天然药物中，真正搞清有效成分的品种是不多的。多数只是一般化学成分，少数为生理活性成分，即经过不同程度药效试验或生物活性试验，包括体外(in vitro)及体内(in vivo)试验，证明对机体具有一定生理活性的成分。 但是，它们并不一定是真正代表各天然药物临床疗效的有效成分。 有效成分（无效成分）

5、或生理活性成分（非生理活性成分）的相对性。,天然药物化学在新药研发中的地位,药理、毒理作用,一定的剂型,质量标准,临床前新药,天然药物化学,有效部位或有效成分,药理学,药剂学,药物分析学,药物化学,我国天然药物的种类和资源, 神农尝百草，公元前2700年 商代伊尹用药草而为汤液的记载 西周已有食医、疾医(内科)、疡医(外科)、兽医分工，公元前1027年 诗经中记有到现在还应用的药草50余种， 山海经中有药物139种，公元前770-220 神农本草经中有药物365种，公元前221年，,我国天然药物的种类和资源, 本草经集注收药730种，南北朝 唐本草载药844种，公元659年 经史证类备急本草收

6、药1300多种， 宋朝 本草纲目载药1892种，公元1596 本草纲目拾遗 载2608种，清朝 全国性的药用植物资源普查，目前已知天然药物资源有12807种，上世纪80年代,我国古代天然药物化学的实践,我国古代本草药物的研究中，创造出不少新的天然药物和研究方法，冶金、酿酒、制醋、染色、造纸的实践和发现炼丹实践中发展汞制药物、锌制药物炼丹与升华药物：制备樟脑 本草纲目-水银加以硫磺升华为银珠（HgS）冶金炼丹，发展了制药技术：如升华、干馏、蒸馏法炼丹与黑火药的配伍：硝石、硫黄、木炭，“治疮癣杀虫，辟湿气”,英国学者李约瑟研究中国古代科技史50余年，著有中国科学技术史巨著，他在文章中写到： “现代

7、人之所以更优秀，是因为他们发明了印刷术、黑火药和磁罗盘，我们把它归功于中国人，要是没有这种贡献，就不可能有我们西方文明整个发展历程” 他的学生-罗伯特坦普尔曾写了中国，发现与文明的摇篮一书，他们考证了古代中国有许多发现、发明领先于世界。,国外的天然药化大事, 1769年，将酒石（酒石酸氢钾），用钙盐硫酸法分解制得酒石酸（K. W. Schelle，瑞典） 1804年, 鸦片中得到吗啡（Dorosone，法） 1806年, 鸦片中得到吗啡（Serturner，德） 1810年, 金鸡纳碱、奎宁碱（Gomez） 1806-1860年, 生物碱历史的灿烂时期随后各国医药的交流促使天然药物进入了一个快

8、速发展的时期,发展迅猛的原因-技术进步,过去，一个天然化合物从天然药物中分离、纯化，到确定结构、人工合成需要很长的时间。 如从鸦片中（Opium）得到的吗啡（morphine）,1804年，发现1918年，确定结构1952年，人工合成,发展迅猛的原因-技术进步, 如利血平（reserpine）, 5年时间（19521956） 现在只要短短几年的时间甚至几天的时间，且所需要的样品量也减少-分子量小于1000，只需1mg的样品,蛇木中成分，降压,结构复杂的大分子,研究方向及发展趋势, 微量物质 水溶性物质 不稳定物质 海洋生理活性物质 生物体内源性生理活性物质,目的-从中发现新的化合物或者新的骨架

9、类型,天然药物化学成分的划分, 从物质基本类型分： 按有无活性划分： 按组成元素、骨架母核分：生物碱、甙、蒽醌、甾、萜等； 按结构母核与生物活性、物理性状等混合划分：黄酮类、强心甙、皂甙、生物碱等；,雄黄-As2S3朱砂-HgS,相对性,天然药物化学成分的划分, 按成分的酸碱性： 按成分的溶解性： 按成分的生物合成途径： 一级代谢物（糖类、蛋白质等），这类物质是每种药物都含有，是维持生物体正常生存的必需物质； 二级代谢物（生物碱、黄酮、皂甙等）这些物质不是每种药物都有，是生物体通过各自特殊代谢途径产生，反映科、属、种的特性物质；,酸性,碱性,中性,非极性(亲脂性),中等极性,极性(亲水性),生

10、物合成 Biosynthesis,一种天然药物所含成分多种多样，这些成分究竟是怎样产生的?它们之间又有什么联系呢?,主要内容, 一定条件下，每种植物都产生自己具有的生理生化特征性成分; 相近的植物在漫长的历史发展过程中，它们的化学成分发生变化，但母核不变，只是侧链异构化; 一个类群的化学成分反映出这个类群在系统转化中的方向和位置; 亲缘关系越近的植物具有相似的化学成分；亲缘关系越近，化学成分越相似;一些结构相似的化合物在生物合成上可能为同一起源，这对开展植物化学分类学研究、寻找新的天然药物资源很有好处。如：在萜类化合物结构中，常可看到不断重复出现的C5骨架, 也意味着它们具有某种共同的生物合成

11、途径，即所谓异戊二烯(isoprene)规则。,基本结构单位, C2单位(醋酸单位)：如脂肪酸、酚类、苯醌等聚酮类化合物; C5单位(异戊烯单位)：如萜类、甾类等; C6单位：如香豆素、木脂素等苯丙素类化合物; 氨基酸单位：如生物碱类化合物; 复合单位：由上述单位复合构成;,主要的生物合成途径, 很多研究人员注意到天然化合物结构间的联系，许多化合物都有某些组成单位按照不同的方式组合，于是提出天然化合物生物合成假说，其中许多已用同位素示踪试验得到证明，称为生物合成途径；1、醋酸-丙二酸途径（AA-MA） 脂肪酸类、酚类、蒽酮类等由此途径生成。2、甲戊二羟酸途径（ MVA ） 萜类等3、桂皮酸及莽

12、草酸途径 苯丙素类、香豆素类、木质素类、木脂体、黄酮类 等。4、氨基酸途径 生物碱类5、复合途径,研究天然药物化学成分的基本步骤,原材料,单体化合物,总提取物,不同部位,目的化合物,结构修饰人工合成,提取,初步分离,精细分离纯化,提取分离方法, 提取 分离纯化,溶剂提取法,水蒸汽蒸馏法,溶剂,提取方法,溶剂法,离子交换树脂法,沉淀法,结晶法,色谱法,超临界流体萃取,超滤法、透析法、分馏法,升华法,石油醚(低沸点 高沸点) 二硫化碳 四氯化碳 苯 二氯甲烷 氯仿乙醚 醋酸乙酯 正丁醇 丙酮 乙醇甲醇 水乙酸,溶剂,溶剂：按极性分由弱到强的顺序如下：选择溶剂的要点：能有效的提取成分；相似相溶，沸点

13、适中易回收；低毒安全。,非极性溶剂,中等极性溶剂,极性溶剂,提取方法,浸渍法渗漉法煎煮法回流提取法连续回流提取法超临界流体萃取法超声波提取法,根据被提取成分的性质和溶剂性质,提取方法,水蒸汽蒸馏法,用于提取能随水蒸汽蒸馏，而不被破坏的难溶于水的成分；如挥发油原理：这类成分有挥发性，在100时有一定蒸汽压，当水沸腾时，该类成分一并随水蒸汽带出，再用有机溶剂萃取，既可分离出,分离纯化法,根据物质溶解度的不同进行分离 a. 温度不同，溶解度不同（结晶、重结晶法） b. 改变溶液的极性去杂（水/醇法，醇/水法等） c. 酸碱法（酸/碱法，碱/酸法） d. 沉淀法,液液萃取法逆流分溶法（CCD） 液滴逆

14、流色谱法（DCCC）高速逆流色谱法(HSCCC)气液分配色谱法（GC）液-液分配色谱法（LC）,根据物质在两相溶剂中分配比不同进行分离,液-液萃取法,（1）分配系数：K=Cu/Cl ； （2）分离因子：=KA/KB 100，仅一次萃取就可分离；10010需萃取十几次；约等于1，则无法分离。（3）分配比与pH值 对酸性,碱性或两性化合物来说，分配比受pH值影响。（4）液-液萃取与纸色谱 对于未知成分组成的混合物，Rfa（1Rfb）/Rfb（1Rfa），因此可用PC设计分离物质的最佳方案。,溶剂分配法,原理：利用混合物中各组分在两相溶剂中的分配系数差而达到分离的方法；,两相互不相溶,要分离的两种物

15、质在两相中的分配系数差别要大,酸碱溶剂法,根据物质吸附性不同进行分离,1.吸附的类型及特征:物理吸附、化学吸附、半化学吸附。 物理吸附：无选择性 化学吸附：有选择性 半化学吸附：氢键2.常用的吸附剂:硅胶、氧化铝、活性碳、聚酰胺、大孔树脂等。 吸附三要素：吸附剂、溶质、溶剂,a. 物理吸附的基本规律:相似者易于吸附 极性吸附剂（如SiO2,Al2O3.)极性强，吸附力大 非极性吸附剂 (如活性炭- 对非极性化合物的吸附力强)。 化合物的极性大小依化合物的官能团的极性大小而定 c. 氢键吸附聚酰胺吸附层析,3.吸附柱色谱法用于物质的分离操作。 (1).吸附剂与样品量的比例:3060倍；难分离者可

16、达100200倍。 (2).装柱和上样(操作温度小于60度) 。 (3).洗脱剂的选择(经验及注意事项): a.常用的混合洗脱体系(表1-6) b.用TLC筛选(Rf=0.20.3为佳) c.分离酸（碱）性物质时，宜用硅胶（氧化铝），同时加点HAc（氨），可防止拖尾。,4. 聚酰胺吸附色谱法吸附力强弱有以下规律：（1）形成氢键的基团数目越多，则吸附力越强；（2）易形成分子内氢键，其在聚酰胺上的吸附力即减弱；（3）分子中芳香化程度高，吸附力增强。应用：适于酚类、黄酮类化合物的分离，特别适于制备性分离。此外还适于一些极性物质与非极性的分离。,5.大孔吸附树脂法原理：吸附性和分子筛性原理相结合的分离

17、 材料，吸附性是范德华引力或氢键。应用：广泛应用于天然产物的分离和富集工作，如脱糖处理、生物碱的精制 (甜叶菊苷的提取分离) 等。洗脱液的选择：对非极性大孔树脂，洗脱液极性越小，洗脱能力越强；对极性中等和较大的化合物来说，选用极性较大的溶剂。,根据物质分子的大小进行分离常用有透析法、凝胶滤过法、超滤法、超速离心法等。主要用于水溶性大分子如蛋白质、核酸、多糖类的分离与精制。凝胶滤过法 原理: 分子筛 葡聚糖凝胶(Sephadex G and LH-20.)过滤法等膜分离技术 原理 微滤膜、超滤膜、纳滤膜、反渗透膜,根据物质解离程度不同的分离法适用于分离酸性、碱性及两性基团的分子，运用离子交换法和

18、电泳技术进行分离。离子交换树脂法,离子交换树脂是一种高分子材料，由大分子聚合物基质主体结构和具有荷电活性的功能基团组成，（利用酸碱性进行分离）常用的有阳离子和阴离子交换树脂两种,B,影响因素,交换溶液的酸碱度,树脂规格,沉淀法,原理：有些化学成分能和某些试剂生成沉淀，或加入某些试剂能改变某些成分在溶液中的溶解度而自溶液中析出。（利用溶解度的改变）,铅盐沉淀法,专一试剂沉淀法,分级沉淀法,盐析法,结晶法,结晶：由非晶形经过结晶操作形成有晶形的过程关键-溶剂： 被溶解成分的溶解度随温度不同有显著差别； 与成分不产生化学反应； 沸点适中；常用溶剂：甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、吡啶备注：可以采用混合溶

19、剂结晶,-纯化物质最后阶段采用的方法,色谱法（Chromatography）,色谱法：又称层析法，是一种物理化学分离分析方法，它是利用混合物中各组分物理化学性质的差异，使各组分不同程度地分布在两相中，其中一相是固定相，另一相是流动相，由于各个组分受固定相所产生的阻力和受流动相作用所产生的推动力不同，从而产生差速迁移而达到分离的目的；,正相色谱：流动相的极性小于固定相反相色谱：流动相的极性大于于固定相,吸附色谱：硅胶、氧化铝、活性碳,分配层析：纸层析,气相色谱,手性色谱,凝胶色谱：葡聚糖凝胶,高效液相色谱（HPLC）,色谱法,超临界流体萃取 （Supercritical Fluid Extrac

20、tion，SFE）,是一种提取天然物质成分的新技术；改变气体（常用CO2）的温度、压力，使其处于超临界状态，形成一种介于液体和气体之间的流体。它不仅有较高的溶解能力和选择性，而且通过调节温度、压力即可从萃取物中将CO2分离出去。CO2无毒、无臭、不燃、廉价易得，无论从成本和提取的产品质量都比其它方法有利。,超临界CO2萃取天然药物的萃取装置,. CO2钢瓶.液化器.高压计量泵.加热釜.萃取釜 .分离 .分离 1.2.3.4阀门,结构测定的程序,纯度鉴定,推测母体结构类型功能基情况,分子量分子式的确定,波谱、化学方法推测出结构式,人工合成进行确认,see Page 41,纯度确定-最基本的条件,

21、检查纯度的方法： 外观、颜色、形态是否均一； 测定各种物理常数，如熔点、沸点、比旋光度、折光 率等，这些物理常数都反映了化合物的纯度。 如果可能是已知物，用已知结构的对照品进行对照 测定或测定它们的共熔点等， 也可对照文献报导值（注意各种测定条件的一致性） 薄层层析（三种展开系统和三种显色方法） 高效液相层析，,确定分子式，计算不饱和度,1、元素定量分析配合分子量测定 钠融法 质谱法2、同位素丰度比法3、高分辨质谱（HRMS）法4、计算不饱和度,化学方法辅助手段, 某些成分或功能基，可以和一些特定试剂产生各种颜色或沉淀，有助于判断化合物类型和功能基： 生物碱类大都能和生物碱沉淀试剂产生沉淀；

22、羟基葸醌类遇碱呈红色； 盐酸一镁粉试剂能和许多黄酮类化合物呈色， 鉴别功能基的化学反应： 三氯化铁反应、三氯化铝反应等等。 利用在酸水或碱水中的溶解度情况，提示该化合物碱性功能基或酸性功能基的存在以及有无内酯、内酰胺结构。,化学方法辅助手段, 化学降解法-将复杂分子通过氧化、还原等化学反应，降解为几个结构比较简单又稳定的小分子化合物，通过对降解产物的结构鉴定，再按降解机理合理地推导出原来可能的化学结构式； 特点： 需用化合物量大； 反应剧烈； 主要产物得率少又费时； 现在较少应用，仅保留一些比较简单规律性又较强的降解反应 衍生物制备-用化学方法研究结构的一种常用手段，对结构推定有一定意义；,波

23、谱方法主要手段,UV,IR,MS,NMR,四大光谱,光谱,紫外光谱：用波长在200-400nm之间的连续光扫描记录下来的图谱，吸收带比较宽；红外光谱：用波长在800nm-20m之间的连续光扫描记录下来的图谱，谱线比较尖锐；,紫外光谱(Ultra-Violet, UV),测定范围：波长200400nm 之间，作用： 提供基本骨架信息; 样品中杂质的测定 定量分析特点： 液态样品才能测定； 常规紫外光谱仪价格低廉； 样品用量少（只需5-10 g）,生色团：产生紫外吸收的不饱和基团，如C=C, C=O, O=N=O等；助色团：其本身是饱和基团（常含有杂原子），它连到生色团上时，能使后者吸收波长变长或

24、吸收强度增加，如-OH, -NH2, -Cl等；深色位移：由于基团取代或溶剂效应，最大吸收波长变长，也叫红移（red shift）；浅色位移：由于基团取代或溶剂效应，最大吸收波长变短，也叫蓝移（blue shift）；,紫外光谱(Ultra-Violet, UV)的重要概念,具有相同基本骨架化合物的UV光谱相同，但并非是同一化合物；,红外光谱(Infra-Red, IR),测定范围：波数6004000cm -1之间，其中1600cm-1以上为化合物的特征基团区，1000-500cm-1为指纹区。作用：主要用于定性分析，功能基的确认，芳环取代类型的判断等。优点： 任何气态、液态、固态样品均可测定

25、； 每种化合物都有红外吸收； 常规红外光谱仪价格低廉； 样品用量少（只需5-10 g）,特征基团区,指纹区,三要素：位置、强度、峰形,-OH,CH3OH,C=O, 如果被测定物是已知物，只要和已知对照品做一张共红外光谱图，二者红外光谱完全一致则为同一物质； 如无对照品也可检索有关红外光谱数据图谱文献。,核磁共振谱(Nuclear Magnetic Resonance, NMR), 1945年，F. Bloch和E. M. Purcell 几乎同时发现了核磁共振现象，获得1952年诺贝尔物理奖 核磁共振仪器的发展： 4060 90 100 300 500 600 750 MHz核磁共振：天然药物

26、化学成分以有机物为主，分子结构中必然有C、H原子，它们的结合类型、化学环境不同，均可用NMR测定，是天然化合物结构测定的重要手段。,氢核磁共振（1H-NMR)谱,碳核磁共振（13C-NMR)谱, 氢核磁共振（1H-NMR)谱： 化学位移范围：在020 ppm 三大要素：化学位移(H)、偶合常数(J)及峰面积。 灵敏度高，样品用量少（1-5 mg），测试时间短碳核磁共振（13C-NMR)谱： 化学位移范围：在0250 ppm 要素：化学位移(C) 灵敏度较低，样品用量较多（5-20 mg），测试时间长,DEPT-135,二维核磁共振谱,适用范围：信号过于复杂、重叠严重时，而对结构推断产生困难时，

27、可以简化谱图，有助判断；特点： 对测试仪器要求比较高（超导核磁共振仪）； 谱图测试价格比较贵； 测试时间长，样品用量比较多（需5-20 mg）,NOESY,HMQC,质谱（MS）,作用： 用于确定分子量； 求算分子式； 提供其他的结构信息；特点： 适宜测定极性偏小和中等极性的化合物； 常规质谱仪价格比较便宜，一些特殊质谱仪很昂贵； 样品用量少（只需5-10 g）,1243.8M+Na+,1219.7M-H-,ESI-MS,MW=1218,C58H94O27,旋光光谱（ORD）与圆二色谱（CD）,作用： 测定含有酮基、共轭双键、不饱和酮、内酯、硝基化合物的立体化学。 推断非对称分子的构型与构象。

28、 对于饱和环酮、尤其环己酮和甾酮的立体化学研究有重要意义。特点： 图谱简单、明了、容易分析。,常用的分类等级,界（Kingdom）,门（Division）,纲（Class）,目（Order）,科（Family）,属（Genus）,种（Species）,以黄连为例表明其分类等级和分类位置,生物的学名-拉丁双名法,如：黄连Coptis chinensis Franch.,怎样学好天然药物化学？,对每一个具体的结构类型：要掌握下面的主线植物来源 结构特点 理化性质 提取分离 结构测定 生物活性 在理解的基础上，用自己的语言来消化和记忆，善于归纳和总结，做到触类旁通，举一反三；,References,

29、1 中科院上海药物研究所，徐任生，天然产物化学，1997年，科学出版社；2 沈阳药科大学，姚新生，天然药物化学，第四版，2003年，人民卫生出版社；3 南京大学，谭仁祥，植物成分分析，2002年，科学出版社；4 杂志：中草药、天然产物研究与开发中国中药杂志、 中国天然药物、中国药学杂志等；,习 题,一 . 单选1.樟木中樟脑的提取方法采用的是A .回流法 B.浸渍法 C.渗漉法 D.连续回流 E .升华法2.离子交换色谱法，适用于下列（ ）类化合物的分离 萜类 生物碱 淀粉 甾体类 E 糖类3.极性最小的溶剂是A丙酮 B乙醇 C乙酸乙酯 D水 E正丁醇4.采用透析法分离成分时，可以透过半透膜的

30、成分为 A多糖 B蛋白质 C树脂 D叶绿素 E无机盐5.利用氢键缔和原理分离物质的方法是A硅胶色谱法 B氧化铝色谱法 C凝胶过滤法 D聚酰胺 E离子交换树脂6.聚酰胺色谱中洗脱能力强的是A丙酮 B甲醇 C甲酰胺 D水 E NaOH水溶液,7. 化合物进行硅胶吸附柱色谱分离时的结果是A、极性大的先流出 B、极性小的先流出 C、熔点低的先流出 D、熔点高的先流出8.纸上分配色谱, 固定相是 A纤维素 B滤纸所含的水 C展开剂中极性较大的溶剂 D醇羟基 E 有机溶剂9、从药材中依次提取不同极性的成分应采取的溶剂极性顺序是 A、水EtOHEtOAcEt2O石油醚 B、石油醚Et2OEtOAcEtOH水C、Et2O石油醚EtOAcEtOH水 D、石油醚水EtOHEt2OEtOAc10、化合物进行正相分配柱色谱时的结果是A、极性大的先流出 B、极性小的先流出 C、熔点低的先流出 D、熔点高的先流出二、问答题1、硅胶、聚酰胺、葡聚糖凝胶、离子交换树脂、大孔树脂等层析法的分离原理是什么？各自的分离规律如何？2、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？,