天然药物化学 NATURAL PRODUCTS CHEMISTRY

第一章 总论 第一节 绪论 一、概述 　　１、学科性质 　　天然药物化学定义 天然药物 中药 草药 传统药物 民族药 海洋药物

２、天然药物化学学习和研究内容： 天然药物化学主要研究天然药物中的化学成分和有效成分的化学结构、物理化学性质、提取、分离、检识和结构鉴定方法。其次是生物合成途径和必要的化学结构的修饰或改造，以及构效关系等。

３、关于天然药物化学成分的复杂性 天然药物中的化学成分是十分复杂的。某一种天然药物可能含有几种类型的成分，而每一个类型又可能含有少则几种、多则十几种、几十种化学成分。

由于生源途径的关系，一种天然药物中往往存在母核相同、取代基不同的同一类型成分，也有不同类型的成分，例如，人参中含有20余种三萜皂苷类成分，它们都有相同或类似的母体，同时人参中又有黄酮类、多糖及挥发油等类成分。

举例：大黄中的5种蒽醌苷元成分： 苷元名称 R1 R2 大黄酸 -COOH H 大黄素 -CH3 -OH 芦荟大黄素 -CH2OH H 大黄素甲醚 -CH3 -OCH3 大黄酚 -CH3 H

４、相关概念 （1）单体： 即化合物,指具有一定分子量、分子式、理化常数和确定的化学结构式的化学物质 。 （2）有效成分:具有生物活性且能起到防治疾病作用的化学成分。 （3）无效成分：没有生物活性和防病治病作用的化学成分。

（4）有效部位：在中药化学中，常将含有一种主要有效成分或一组结构相近的有效成分的提取分离部分，称为有效部位。如人参总皂苷、苦参总生物碱、银杏总黄酮等。 （5）有效部位群：含有两类或两类以上有效部位的中药提取或分离部分。

三、学习天然药化的目的和意义 1、去粗取精，增强疗效 2、控制质量，保证疗效 3、改进剂型，合理炮制采集 4、探索中药治病原理，追踪有效成分 5、改进结构，化学合成，创制新药

第二节 生物合成 Biosynthesis

一、一次代谢及二次代谢

一次代谢过程：对维持植物生命活动来说是不可缺少的过程，且几乎存在于所有的绿色植物中。 一次代谢产物：糖、蛋白质、脂质、核酸等这些对植物机体生命活动来说不可缺少的物质。 二次代谢过程：并非在所有的植物中都能发生，对维持植物生命活动来说又不起重要作用的过程。 二次代谢产物：

二、生物合成假说 三、主要的生物合成途径 （一）醋酸 —— 丙二酸途径 （AA－MA途径） （二）甲戊二羟酸途径（mevalonic acid pathway） （三）    桂皮酸及莽草酸途径—— （cinnamic acid pathway） （四）              氨基酸途径（amino acid pathway） （五）              复合途径  

第三节 提 取 分 离 方 法 一、天然药物有效成分的提取 溶剂法、水蒸气蒸馏法、升华 (一) 溶剂法 1、原理 2、溶剂选择:相似相溶 三原则

溶剂选择的三原则 （1）对有效成份溶解度大，对杂质溶解度小。 （2）不与成份起化学反应。 （3）要经济，易得，使用安全。

相似相溶 分子极性 溶剂极性 规律 极性溶剂（如水）易溶解极性物质 非极性溶剂（如苯、汽油、四氯化碳、酒精等）能溶解非极性物质 含有相同官能团的物质互溶，如水中含羟基（—OH）能溶解含有羟基的醇、酚、羧酸。

溶剂的极性 水 极性溶剂：甲醇、乙醇、丁醇 中等极性溶剂：丙酮、乙酸乙酯 弱极性溶剂：乙醚、氯仿、二氯甲烷、苯 非极性溶剂：四氯化碳、二硫化碳、石油醚、环已烷

常见的微溶于水的物质有：苯酚 C6H5—OH、苯胺 C6H5—NH2、苯甲酸   C6H5—COOH、正戊醇 CH3CH2CH2CH2CH2—OH（上述物质的结构简式中“—”左边的为憎水基团，右边的为亲水基团）；乙酸乙酯 CH3COOCH2CH3（其中—CH3和—CH2CH3为憎水基团，—COO—为亲水基团）。 卤代烃 R-X、硝基化合物R-NO2 ，由于其中的烃基R—、卤原子—X和硝基—NO2均为憎水基团，故均难溶于水。

溶剂提取范围 亲水性化合物，极性基团多（OH，COOH） 亲脂性化合物，极性基团少（烃类） 如：糖；多－OH，易溶于水，   溶剂提取范围 亲水性化合物，极性基团多（OH，COOH） 亲脂性化合物，极性基团少（烃类） 如：糖；多－OH，易溶于水， 淀粉；也有许多－OH，理论上溶于水，但实际上，不完全如此，因为分子量大，水化现象，难溶解。（是分子的溶剂化过程）。 苷，苷元部分极性小，难溶于水，苷中糖部分多－OH，易溶。 生物碱：游离碱水溶液性一般较小，易溶于有机溶剂，但成盐后则易溶于水。

常用提取溶剂性能特点 提取溶剂 性能特点 适宜提取成分 提取方法 强极性溶剂 溶解范围广 生物碱盐 穿透能力强 苷类 提取溶剂 　 性能特点 适宜提取成分 提取方法 强极性溶剂 　　　 溶解范围广 生物碱盐 穿透能力强 苷类 水 易得、安全 糅质 煎煮法 　　　　　　　　　　　　　　　　 糖类 　 渗漉法 有些脂溶性成分溶解不完全 氨基酸 有些苷类成分的酶解 蛋白质 水提液易发霉、变质 水溶性杂质多，过滤困难 沸点高，浓缩困难

亲水性有机溶剂 （和水可任意混溶） 除去多糖、 溶解范围广（不同浓度乙醇） 蛋白质外 渗滤法（稀醇） 水溶性杂质溶出少 的大多数 浸渍法 乙醇 可抑制酶的活性 化学成分 回流法 提取液不易发霉、变质 均可 连续回流法 大部分可回收利用 但有挥发性、易燃烧 甲醇 溶解特点与乙醇相似，但有毒 丙酮 溶解性能同乙醇，但沸点低、易挥发，作为提取溶剂不常用； 但对色素溶解性能好，在分离、精制时常用。

亲脂性有机溶剂 　　　对化合物溶解选择性较强， 　　　　　　水溶性杂质少、易纯化 ， 　游离生物碱 　 回流法 　　　　　　挥发性大、易燃烧、有毒 ， 　苷元 　连续回流法 　　　　　　价格昂贵，对提取设备要求高， 某些苷类 　　　　　　穿透力较弱，提取时间长， 　　　　　　作为提取溶剂不常用。 　　　　　乙醚 bp. 35℃，极易燃 　　　　　氯仿 bp. 61℃、d 1. 480，不易燃，毒性大 对生物碱溶解性好 　　　　　苯 bp. 80.1℃，毒性大 　　　　　石油醚 沸程 30~60℃、60~90℃、90~120℃ 脱脂、脱色常用 　　　于甲醇、乙醇不能任意混溶

常用提取方法：浸渍、渗漉、煎煮、回流、连续回流、索氏、超临界、超声 注意事项：水的霉变 含淀粉多的药材 对温度敏感成分 挥发性成分

(二)     水蒸气蒸馏法 (三)     升华法

二、天然药物有效成分的分离与精制 1、根据物质溶解度差别进行分离 (1)、温度 (2)、改变溶剂极性：水提醇沉、醇提 水沉、醇/丙酮 (3)、利用酸碱官能团：碱溶酸沉、酸 溶碱沉 (4)、结晶、重结晶法 (5)、金属盐沉淀法：铅盐

2、根据物质在两相溶剂中的分配系数不同进行分离 (1)、液—液萃取与分配系数 K值 (2)、分离难易与分离因子 β (3)、分配比与PH对酸碱两性化合物的影 响（以酸性成分为例）（P22分离） (4)、逆流分溶法 （CCD ） (5)、液－液萃取与PC (6)、液－液分配柱色谱：正相与反相 高压（效）、中压、低压 (7)、Labor柱 (8)、液滴逆流色谱（DCCC）及高速逆流 色谱（HSCCC）

Lobar低压柱层析：小于5个大气（CPLC）。 中压柱层析：5—20个大气压。 快速层析；2个大气压。 高效液相层折：20大气压，用于分析，制备。 Lobar低压柱层析：小于5个大气（CPLC）。 中压柱层析：5—20个大气压。 快速层析；2个大气压。  第一次溶剂如入萃取后，进入第二号...... 第二号溶剂萃取一号后，浓度较低，再进入第二号中.......提高浓度，最后达到分离。 （强心苷提取）

3、根据物质的吸附性差别进行分离 吸附性差别 物理吸附（表面吸附） 无选择性、吸附可逆、可快速进行，应用较多 硅胶 极性吸附剂 物理吸附（表面吸附） 无选择性、吸附可逆、可快速进行，应用较多 硅胶 极性吸附剂 氧化铝 极性吸附剂 吸附性差别 活性炭 非极性吸附剂 化学吸附 有选择性、吸附牢固或不可逆、洗脱难， 应用较少 碱性氧化铝对酚酸类（黄酮、蒽醌）的吸附 酸性硅胶对生物碱的吸附 半化学吸附 吸附力介于上述二者之间、力量较弱 聚酰胺 （氢键吸附） 大孔吸附树脂 吸附原理（范德华引力或产生氢键） 分子筛原理（本身多孔性结构的性质决定的） 吸附性差别

(1)、吸附色谱 A、吸附规律及极性强弱的判断 a.吸附力与物质结构的关系， —CH2—CH—＜—CH=CH—＜—OCH3＜—COOCH3＜=C＝O＜－CHO＜－SH＜NH2＜OH＜COOH ——————→ 极性增强 被分离物质的极性基团越多，吸附能力越强。 b.双键，共轭双键越多，吸附力越强。 c.分子内部状态，取代基的位置，空间结构，如：

常用吸附色谱分离方法介绍 ： 吸附剂 分离原理 吸附规律 应 用 硅胶 吸附原理 弱酸性、极性吸附剂 广泛（酸、碱及 吸附剂 分离原理 吸附规律 应 用 硅胶 吸附原理 弱酸性、极性吸附剂 广泛（酸、碱及 化合物极性越大、 中性成分均可） 吸附能力强（难洗脱） 溶剂极性越小，吸附力越强 氧化铝 吸附原理 碱性、极性吸附剂 碱性、中性成分 吸附规律同上 （酸性成分与铝络合） 活性炭 吸附原理 非极性吸附剂 从稀水溶液中富集微量物质 吸附规律与上相反 脱色（脂溶性色素）

(2)、聚酰胺色谱 氢键吸附 酚类、COOH、烯醇

> > 特点： 吸附容量大，范围广，凡能与=C=O，—NH—形成氢键的成份都可用于分离，一般说，吸附能力与形成氢键有如下关系： A、形成氢键的基团越多，吸附力越强。   > >

B.与形成氢键的基团的位置有关： > >   > 原因是分于内形成氢键，减弱了对聚酰胺的吸附，故易于洗脱。

C、芳香化程度越高，吸附力越强（共轭程度）。   ＞ ＞

水＜甲醇＜乙醇＜丙酮＜稀碱＜二甲基甲酰胺＜尿素水溶液 洗脱力增强 吸附力增强 （3）、大孔吸附树脂色谱 不同溶剂对聚酰胺层析中洗脱能力如下： 水＜甲醇＜乙醇＜丙酮＜稀碱＜二甲基甲酰胺＜尿素水溶液 洗脱力增强 吸附力增强 （3）、大孔吸附树脂色谱 吸附原理 　 非极性化合物易被非极性树脂吸附 糖与苷的分 离 分子筛原理　溶剂中溶解度增大，吸附力下降 （从水提液 富集苷类） 非极性树脂，极性小的溶剂洗脱力强 生物 碱的精制

4、根据物质分子量大小差别进行分离 透析法 (半透膜膜孔的 分子筛作用) 凝胶色谱 (三维网状 结构的分子筛作用) 蛋白质的脱盐精制 蛋白、多糖的分离及 小分子化合物的分离 大分子化合物精制分离 同上 膜分离 (分子大小不同引 起的扩散速度的差别) 超速离心法 (溶质在超速 离心作用下沉降性的差别)

凝胶色谱 利用分子大小不同，象过筛一样，将大小不同的分子分开，故称分子筛，该法所用的载体种类较多，常用的有葡聚糖凝胶（Sephadex G）及羟丙基葡聚糖凝胶（Sephadex LH—20）。

5、根据物质解离程度不同进行分离 离子交换树脂 氨基酸、生物碱、有机酸的分离 阳离子交换树脂 阴离子交换树脂 离解程度不同

树脂类型 原 理 应 用 阳离子交换树脂 离子交换 从酸水溶液中吸附碱性成分（生物碱） 强酸性（R-SO3-H+） （阳离子） （除去酸性、中性成分） 弱酸性（-COO-H+） 阴离子交换树脂 离子交换 从碱水溶液中吸附酸性成分（有机酸） 强碱性（RN+(CH3)3CI-） （阴离子） （除去碱性、中性成分） 弱碱性 (伯、仲、叔胺)

6、其他 (1)、冷冻干燥 (2)、分子蒸馏

第四节 结构研究法 一、化合物纯度的判定方法 1．结晶均匀、一致。 2．熔点明确、敏锐（0.5~1.0℃） 第四节 结构研究法 一、化合物纯度的判定方法 1．结晶均匀、一致。 2．熔点明确、敏锐（0.5~1.0℃） 3．TLC (PPC):三种以上不同展开剂展开，均呈现单一斑点。 4．HPLC、GC也可以用于化合物纯度的判断。

二、结构研究的主要程序 三、结构研究中采用的主要方法—— UV IR MS NMR 2D-NMR CD ORD

（一）、确定分子式、计算不饱和度 （二）、质谱 EI-MS 电子轰击质谱 ESI-MS 电喷雾电离质谱 FAB-MS 快速原子轰击电离 质谱 FD-MS 场解析电离质谱

（二）、红外光谱（IR） 分子振动能级谱 3300~3000 弱吸收 烯氢、芳氢、C=N 强吸收O-H、N-H 3000~2700 饱和C-H 2400~2100 不饱和三键 1900~1650 C=O及其衍生物 1680~1500 C=C及芳香核骨架震动、C=N等 1500~1300 饱和C-H面内弯曲振动 1000~650 不饱和C-H面外弯曲振动

（三）、紫外可见吸收光谱 (UV) 电子跃迁而产生的电子能级谱 解决不饱和共轭体系化合物的问题 近UV200~400 nm 远UV<200nm （四）、核磁共振光谱 (Nuclear Magnetic Resonance ，NMR) 原子核在磁场中吸收一定频率的无线电波而发生核自旋能级跃迁的现象，称为核磁共振。

1、氢核磁共振光谱(PMR) 提示： （1） 由下图谱中能得到什麽? （2 ） 为什麽?

A 化学位移δ （chemical shift) (以四甲基硅烷TMS为内标物，将其化学位移定为0，测定各质子共振频率与它的相对距离，这个相对值称为化学位移） 一般 δ 1-10ppm sp3 δ1~2 sp2 δ6~8 一般来说 δ烯氢> δ炔氢 > δ 烷氢

B 偶合常数J (coupling constant) 偕 偶 J=16Hz左右 邻 偶 J=6~8Hz 远程偶合 J=1~3Hz

芳环 J邻6~10Hz J间 0~3Hz J对0~1Hz 双键 J顺7~11 Hz J反12~18 Hz 环己烷 Jaa 10~13Hz ( θ=180 O ) Jae 2~5Hz ( θ=60 O ) Jee 2~5Hz ( θ=60 O )

C 积分曲线 也称积分面积，与分子中的总质子数相 当。

2、碳核磁共振光谱(CMR)

A 化学位移δ a\范围为δ1~250ppm，分辨率高 b.影响化学位移的因素 C杂化方式(sp3、sp2、sp) 一般 δsp2> δsp > δ sp3

C、基本图谱 I.一维图谱 a. 噪音去偶谱:也叫全氢去偶(COM)或宽带去偶， BBD） b.选择氢核去偶谱（selective proton decoupling spectrum，SPD)

c. NOE效应 选择的照射一种质子使其饱和，则与该质子在立体空间位置上接近的另一个或数个质子信号强度增高的效应称为核Overhauser效应，简称NOE。 是确定分子中某些基团的位置，立体构型和优势构象的重要手段之一。

d. DEPT: 系通过改变1H 核的脉冲宽度（θ）或设定不同的弛豫时间，使不同类型的13C 信号在图谱上呈单峰形式分别朝上或向下伸出。 CH3, CH ↑ CH2 ↓ θ= 90˚ 时 季C信号消失 CH3 , CH2信号消失 CH↑ θ= 45˚ 时 季C信号消失，其它都向上

II.二维图谱(2D-NMR) a. 1H -1H COSY 1H 1H 相关谱 b HMQC谱 （ 1H检测的异核多量子相干试验） 相当于1H - 13C COSY 3 HMBC谱 （1H 13C 远程相关谱） 一般观察到的为二至三个键的1H 13C 偶合

1 1H -1H COSY 即1H 1H 相关谱

2 HMQC谱 （ 1H 13C 近程相关）

3 HMBC谱 （1H 13C 远程相关谱）

4 NOESY谱（1H 核之间的NOE相关） 为了在二维图谱上观察NOE效应而开发 出来的新技术。在其谱中，不仅空间相 近的质子间NOE效应可以观测到，而且 还能作为相关峰出现在图谱上。

（三） 旋光光谱 （optical rotatory dispersion,ORD） 用不同波长的偏振光照射光学活性化合物，并用波长对比旋作图得到的曲线即为旋光光谱。 它的测定意义是解决分子的立体结构（构型、构象）的问题。

主要参考书目： 1 匡学海等 中药化学 北京：中国中医药出版社 ，2003 2 姚新生等 天然药物化学 北京：人民卫生出版社，2001 1 匡学海等　 中药化学　北京：中国中医药出版社 ，2003 2 姚新生等　天然药物化学　北京：人民卫生出版社，2001 3 陆蕴如等　中药化学　北京：学苑出版社，1995 4 徐任生等 天然产物化学 北京：科学出版社，1997 5 姚新生等 有机化合物波谱解析 北京：中国医药科技出版 社，1997 6 于德泉、杨峻山　分析化学手册　第七分册：核磁共振波谱分析　北京：化学工业出版社，1999