天然药物化学 全套教案

天然药物化学教案

山东大学药学院天然药物化学教研室

天然药物化学为药学专业的专业课，根据教学大纲的要求及学校的安排，课堂讲课54学时，实验54学时，共108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、三萜及其苷类、甾体及其苷类、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．了解天然药物的几个主要生合成途径。

3．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。

4．熟悉化合物结构研究的主要程序及主要方法。

教学时数：6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：

环己烷，石油醚，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。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，由于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

（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，可以利用升华法直接自中草药中提取出来。如樟脑、咖啡因。

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，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1℃~2℃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、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。

①分配系数K值（即分配比）：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

②分离难易与分离因子β：分离因子β可以表示分离的难易。分离因子β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，β≥100，仅作一次简单萃取就可实现基本分离；但100≥β≥10时，则需萃取10~12次；β≤2时，要实现基本分离，需作100次以上萃取才能完成。β≌1时，则K A≌K B，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β值大的溶剂系统，以求简化分离过程，提高分离效率。

③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9.2~10.8，羧酸类化合物的pKa值约为5。

一般pH<3时，酸性物质多呈非解离状态（HA）、碱性物质则呈解离状态（BH+）存在；但pH>12，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：

①简单萃取：利用分液漏斗进行两相溶剂萃取。

②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。

③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。

④液滴逆流分配法（DCCC）：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β>50时，简单萃取即可分离，β<50时，则易采用逆流分溶法。

2．纸色谱（PPC）：纸色谱的原理与液—液萃取法基本相同。

原理：分配原理

支持剂：纤维素

固定相：水

流动相：水饱和的有机溶剂

Rf值：化合物极性越小，Rf值越大；反之，化合物极性越大，Rf值越小。

应用：用作微量分析，特别适合于亲水性较强的成分，其层析效果往往比吸附薄层色谱效果好。但纸层析一般需要较长的时间。

3．液—液分配柱色谱：

原理：分配原理

支持剂：硅胶、硅藻土、纤维素粉等

正相分配色谱：固定相：水、缓冲溶液

流动相：固定相饱和的氯仿、乙酸乙酯、丁醇等弱极性有机

溶剂

洗脱顺序：化合物极性越小，越先出柱；反之，化合物极性越大，越

后出柱。

应用：通常用于分离水溶性或极性较大的成分，如生物碱、苷类、糖

类、有机酸等化合物。

反相分配色谱：固定相：石蜡油、化学键合固定相

流动相：固定相饱和的水或甲醇等强极性有机溶剂

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：适合于分离脂溶性化合物，如高级脂肪酸、油脂、游离甾体

等。

4．液—液分配薄层色谱法：

液—液分配色谱法也可在硅胶薄层色谱上进行。

因此，液—液分配柱色谱的最佳分离条件可以根据相应的薄层色谱结果（正相柱用正相薄层色谱，反相柱用反相薄层色谱）进行选定。

5．化学键合固定相：

常用反相硅胶薄层色谱及柱色谱的填料是普通硅胶经下列方式进行化学修饰，键合上长度不同的烃基（R）、形成亲油表面而成。其中以硅烷化键合型最为常用，其根据烃基（R）长度（—C2H5、—C8H17、—C18H37、）分别命名为：RP—2、RP—8、RP—18。三者亲脂性强弱顺序如下：RP—18> RP—8> RP—2。

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

（<5.05?105Pa），中压柱色谱（5.05~20.2?105Pa），分析用HPLC，制备用HPLC （>20.2?105Pa）。

固定相：RP—2、RP—8或RP—18

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，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。均为极性吸附剂，故有以下特点：

①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。

②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。

③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：

—CH2—CH2—，—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0.2~0.3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：

①形成氢键的基团数目越多，则能力越强。

②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。

③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：

①特别适合于酚类、黄酮类化合物的制备和分离。

②脱鞣质处理

③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：

①一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。

②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：

①碱性水溶液（0.1mol/L NH4OH）含盐水溶液（0.5mol/L NaCl等）

②醇及含水醇，如甲醇、甲醇—水

③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：

① Sephadex-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。

② 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）——稀氢氧化钠洗脱

1．分类：根据交换基团不同分为：

①阳离子交换树脂

强酸性（—SO3-H+）

弱减性（—COO-H+）

②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：

①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。

②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采用分馏法。

三、结构研究法

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．化合物在进行结构鉴定前应注意什么问题？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。