天然产物化学

天然产物化学

第一章绪论

1.1天然产物化学概述

研究对象：天然产物，由动物、植物及海洋生物和微生物内分离得到的生物二次代谢产物及生物体内源性生理活性化合物。

研究内容：研究天然产物的的提取、分离、结构、性质、功能、结构鉴定、生物合成、化学合成与修饰，是生物资源开发利用的基础。

应用领域：医药、食品、农药、轻工、化工等。

天然产物的存在：差别很大，一个或几个物种，也许很广。

1.2 天然产物分类

一、按组成分

1.生物碱：为一类存在于生物体内分子中含有氮原子的有机化合物的总称；一般具有碱性，

可与酸成盐。游离生物碱具亲脂性；生物碱盐具亲水性。

2.苷类：为一类经水解后可产生糖和非糖两部分的化合物。非糖部分叫苷元。苷具亲水性，

苷元具亲脂性。

3.挥发油：为一类可随水蒸气蒸馏出来的与水不相混溶的油状液体的总称。具有香味或特

殊气味的天然药物往往都含有挥发油。挥发油具亲脂性。

4.糖类：为天然药物中普遍存在的成分类型，包括单糖、低聚糖、多糖。单糖是糖的基本

单位；低聚糖是由2~9个单糖脱水缩合而成的化合物。多糖是由10个以上至上千个单糖脱水缩合而成的高聚物。

5.有机酸：广义的有机酸泛指分子中有羧基的化合物。在植物中多以金属离子或生物碱盐

的形式存在。按分子大小又分为小分子有机酸和大分子有机酸。前者极性大，具亲水性；

后者极性小，具亲脂性。

6.树脂：为植物组织中树脂道的分泌物。性脆，受热时先软化而后变为液体，燃烧时发生

浓烟并有明火。树脂具亲脂性。按结构又分为树脂酸（主要为二萜酸、三萜酸及其衍生物）、树脂醇（分子中具羟基）、树脂烃（为一类结构复杂的含氧中性化合物）类。

7.氨基酸、蛋白质和酶：

（1）氨基酸：分子中含有氨基的羧酸。构成蛋白质的多为α-氨基酸。为亲水性。在等电点时，溶解度最小。

（2）蛋白质、多肽：蛋白质为二十多种α-氨基酸通过肽键首尾相连而成的高分子化合物，多肽亦为。但二者分子量不同，一般将分子量在5×103以下称为多肽，而介于5×103~1×107之间称为蛋白质。蛋白质在冷水中溶解且成胶体，在热水、60%以上乙醇及其它有机溶剂中变性沉淀。

（3）酶：是有机体内具有催化作用的蛋白质，其催化作用具有专属性，如特定的酶可催化水解特定的苷。酶的性质和蛋白质相同。

8.鞣质：又称单宁或鞣酸，为一类分子较大、结构复杂的多元酚类化合物的总称。可与蛋

白质结合成难溶于水的鞣酸蛋白。为亲水性物质。

9.植物色素：为植物中具有颜色的成分的总称。依溶解性又分为水溶性和脂溶性色素；前

者主要指一些有颜色的苷、花青素，后者主要包括叶绿素、胡罗卜素等

10.油脂和蜡：油脂为一分子甘油和三分子脂肪酸脱水结合形成的酯。主要在种子中。常温

下为液体。蜡为高级不饱和脂肪酸和一元醇生成的酯。主要在植物茎、叶的表面。常温下为固体。均为亲脂性成分

二、按结构分

•糖和苷

•苯丙素

•醌类

•黄酮类

•萜类及其苷

•甾类及其苷

•生物碱

1.3 天然产物的生物合成

1.3.1 一次代谢产物与二次代谢产物：

一次代谢产物：也叫营养成分。指存在于生物体中的主要起营养作用的成分类型；如糖类、蛋白质、脂肪、核酸等。通过光合作用、碳水化合物代谢和柠檬酸代谢，生物的生存繁衍必需的化合物。广泛分布于生物体内。

二次代谢产物：也叫次生成分。指由一次代谢产物代谢所生成的物质，即所谓的天然产物。分布局限。生成与物种所处的外界环境密切相关。作用或影响：有待研究。

1.3.2 二次代谢产物的生物合成途径

二次代谢的生物合成途径：

1.乙酸-丙二酸（AA-MA）途径（β-多酮途径）

以乙酰辅酶A为起始物质，丙二酸单酰辅酶A起延伸碳链的作用。通过这一途径能生成脂肪酸类、酚类、醌类等化合物。

酚和醌类这类物质的生物合成过程中只发生缩合反应。乙酰辅酶A直线聚合后再进行环合生成各种酚类化合物。

CH3-CO-S-CoA + 3 乙酰辅酶A→丙二酸单酰辅酶 A CH3-CO-CH2-CO-CH2-CO-CH2-CO-------Enz

上述多酮环合则生成各种醌类化合物或聚酮类化合物。

2. 莽草酸途径

4-磷酸赤藓糖和磷酸烯醇式丙酮酸化合后经几步反应生成莽草酸。

具有C6-C3及C6-C1基本结构的化合物由这一途径衍化生成。如由此途径生成的苯丙氨酸，经脱氨及氧化反应等分别生成桂皮酸，再由桂皮酸、苯甲酸生物合成各种含C6-C3及C6-C1结构的天然化合物如苯丙素类、木脂素类、香豆素类等。

此途径由莽草酸通过苯丙氨酸，生成桂皮酸，再由桂皮酸生成各种苯丙素类化合物。现也被称为桂皮酸途径。

香豆素生物合成简图

3.甲戊二羟酸（MVA ）途径

萜类、甾类化合物均由这一途径生成。

4. 氨基酸途径

大多数生物碱类成分由此途径生成。有些氨基酸，如鸟氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸及色氨酸等，经脱羧成为胺类, 再经过一系列化学反应(甲基化、氧化、还原、重排等) 生成各种生物碱。

青霉素和头孢菌素也由此途径生成。

5. 复合途径

许多二级代谢产物由上述生物合成的复合途径生成。即分子中各个部分由不同的生物合成途径产生。如查耳酮类、二氢黄酮类化合物的A 环和B 环分别由乙酸-丙二酸途径和莽草酸途径生成，再在各种酶作用下生成黄酮。一些萜类生物碱分别来自甲戊二羟酸途径及莽草酸途径或乙酸-丙二酸途径。

OH O

H OH COOH COOH

H

NH 2

2O 5H 2P 2O 5O P 2O 5H 2

1.4 天然产物化学与药物开发

可以说天然产物应用最经典的领域就是作为药物，目前也仍然是应用最多的领域。

发现新药

天然药物化学与天然产物化学内容相当。

1.5 天然产物化学发展动向

1.5.1 研究方法和手段向高、新方向发展：

•微含量分离技术：常规柱色谱——低压快速色谱——逆流液滴分流色谱——HPLC——离心色谱——气相色谱，色谱填料也不断进步

•结构测定方法不断革新：质谱、核磁共振、2D核磁共振、1H-1H与1H-13C相关谱、质谱中的快原子轰击、次级电离质谱，场解吸质谱。结合红外、紫外

高级结构中也发展了四圆X衍射仪等

•合成方法不断创新：

1.5.2偏重资源开发的实用化

实用化是天然产物一直以来的一个特点。

直接作为新药：

药物先导物：

NIH每年搜集植物样本几千种进行抗癌活性筛选。

食品添加剂：色素、香料、其他添加剂

中药：

保健品：

化妆品

1.5.3 基于生物技术的天然产物化学研究

是天然产物研究中最有前途的部分。以有效、实用、简便的方法生产天然产物。

•植物细胞培养：愈伤组织——悬浮培养——生物反应器

•基因工程方法的应用：

•微生物发酵和酶法生产：

•天然产物的仿生合成：对有机合成的启发