天然药物化学绪论

天然药物化学是系指运用现代科学理论与方法研究药用植物或植物中具有生理活性成分的化学分支学科。它是随着分离技术和鉴定方法趋于微量、快速而发展的。

天然药物化学

• 概述
  • 天然药物
    • 天然来源的药物
      • 植物动物矿物微生物，海洋天然药物
  • 研究现状
    • 国际市场对天然药物的需求日益增大
      • 我国生产的植物提取物很多，但产业链分工地段，销售粗放的提取物原料供应，而利润最大的应该为制剂
    • 世界各地加强天然药物研发的投入
  • 相关定义
    • 天然药物化学
      • 运用现代科学理论方法研究天然药物中化学成分
      • 研究对象
        • 化学成分（especially生理活性/有效成分）
        • 复杂性
          • 丹参，过去认为丹参有效成分是脂溶性红色酮类，后发现水溶性成分含量多，活血功效，后发现水溶性中酚酸类化学成分很重要
          • 不同药物所含成分类型不同
          • 每种类型成分的数目相当多
          • 同种药物所含成分结构性质各异
    • 中药化学
    • 植物化学
    • 天然产物化学
  • 学科发展历史和现状
    • 原始和萌芽阶段
      • 天然药物识别、使用经验
      • 文明进步：对继斌、天然药物的认识趋于客观
    • 学科真正形成阶段
      • 特点1：化学成分的发现分离
        • →烟碱阿片→吗啡，金鸡纳树皮→奎宁，烟草
      • 特点2：结构鉴定主要依靠化学方法
        • 结构推导（氧化、还原等降解反应），结构证明
      • 特点3：生源合成途径、本质的揭示
    • 学科迅速发展时期
      • 特点1：色谱技术用于天然化合物的分离和纯化
      • 特点2：波谱技术用于天然化合物的结构鉴定
        • 绝对构型：单晶衍射、手性光学、化学相关法、NMR；相对构型：核磁共振
          • 至少两个手性原子的相对位置关系，CH相对位置关系是一样的
          • 绝对构型：R,S标记法，真实反映空间排列情况
          • 相对构型：D,L标记法，以甘油醛的构型为参照标准而确定的构型
      • 特点3：研究深度、广度、速度的革命性变化
      • 特点4：生物活性测试普遍展开
  • 学习重点
    • 有机化学
      • 各种结构类型
      • 鉴别反应
    • 分析化学
      • 四大光谱
    • 延伸：药理学与分子生物学
      • 生物活性
• 有效成分的提取
  • 溶剂提取法
    • 溶剂的选择(考虑因素）
      • 溶剂尽可能多地溶出有效成分，杂质少溶或不溶
      • 有效成分、杂质、溶剂的极性（相似相溶原理）
      • 溶剂的安全性、价廉易得、回收方便
    • 溶剂极性
      • 
    • 提取方法
      • 常用
        • 浸渍法
          • 杂质少，简便易行
          • 费事，浸出率低
        • 渗漉法/渗滤法
          • 杂质少
          • 原理：始终保持最大浓度差 要求：药材要粉碎到恰当的颗粒
            • 两种方法提高效率，一升温，二加大浓度差
        • 冷提（常温进行，热不稳定）
        • 煎煮法（中药提取最传统）
          • 水提取
        • 回流提取法（最常用）
        • 动态连续提取法
          • 实验室：索氏提取器
          • 工业生产：多功能浓缩提取器
        • 热提
      • 新技术
        • 连续逆流萃提取（CCE）
          • 特点
            • 接触并呈逆向流动
            • 任意一个截面上的传质推动力都是最大的
              • 药材一个方向，溶剂另一个方向，最大浓度差，越往前溶液越新鲜
          • 优点
            • •提取速度快 •收率高 •无反混现象 •连续运行 •可结合离心、超声等技术 •技术已经成熟
          • 缺点
            • •对药材物性形状粒度要求较高 •清洗问题没有彻底解决
        • 微波萃取技术（MAE）
          • 原理
            • 吸收微波能力差异
            • 选择性加热
              • 微波具有穿透力，微波的能量转化为热能 局部加热药材，其成分迅速转移至溶剂
          • 优点
            • •选择性高 •操作时间短 •溶剂消耗量少 •有效成分得率高 •不产生噪音
          • 缺点
            • •提取挥发油：对微波透明的非极性溶剂，如己醇、己烷等 •提取极性物质：极性溶剂
          • 冷提（使用对微波透明的溶剂） 热提（水作溶剂）
        • 超声提取技术（UAE）
          • 原理
            • 空化作用？？？
            • 次级效应？？
              • 机械振动、乳化、扩散、击碎、化学效应等
                • 超声波是一种振动的能量
            • 加速提取
          • 优点
            • •提取时间短 •提出率相对较高、纯度较高 •低温提取利于有效成分保护
          • 缺点
            • 对容器厚薄及位置要求较高（影响药材浸出效果）
          • 现状
            • 小规模提取
          • 冷提（振动能量较少转化为热能）
        • 超临界液体萃取技术（SFE）
          • 原理
            • 液气临界点附近，温度和压力的微小变化→溶解度突变（几个数量级）
              • 临界温度以上，无论怎样加压都不会变成液体 临界温度以下，加压至液体，则为临界压力
              • 超临界状态既不是气体也不是液体，二者性质兼具 （温度压力接近液体状态，溶解度↑）
          • 优点
            • 同时完成萃取和蒸馏两步操作
            • 分离效率高，操作周期短，渗透力强，蒸发潜热低，选择性易于调节
          • 超临界CO2(SFE-CO2)萃取技术
            • 优点
              • CO2临界度低(31.1℃，7.1 Mpa)可常温操作 化学隋性，可防止热敏、化学不稳定成分氧化分解 无毒，无溶剂残留 价廉易得，安全
                • 使用二氧化碳的原因： 临界点合适，室温即可完成操作 化学惰性
            • 溶剂属性
              • 非极性
            • 压力
              • 压力↑→密度↑→渗透性、溶解力↑
              • 弱极性化合物：7~10 MPa 含OH、COOH化合物：~50 MPa
            • 夹带剂
              • 乙醇（极性强的溶剂，可增加对极性物质溶解能力）
            • 温度
              • 压力较低时 (28~45 Mpa)：T↑→溶解力↓ 压力较高时 >28~45 Mpa：T↑→溶解力↑
          • 适用
            • 主要用于脂溶性物质的提取
          • 冷提
    • 影响效率因素
      • 溶剂
      • 提取方法
      • 粉碎粒度
      • 提取温度
      • 提取时间
  • 水蒸气蒸馏法（挥发性）
    • 原理
      • 挥发性
        • 通过改造，物质随水蒸气挥发出来，后冷凝水冷却，分层成水和油曾
      • 互不相溶，蒸汽总压=分压和
        • 混合后各组分压力↓，变为分压，总压仍＝大气压 各组分沸点降低 （如炒菜，温度未达，油水都沸腾）
    • 适用
      • 具有挥发性
      • 能随水蒸气蒸馏而不被破坏
      • 与水不发生反应
      • 难溶或不溶于水的成分
  • 升华法（升华性）
• 分离与精制 （原理：共存成分的性质差异）
  • 溶解度
    • 调节温度
      • 结晶、重结晶
    • 改变溶剂极性
      • 水醇法
        • 除水溶性杂质（蛋白质、多糖、果胶、黏液质、多肽、鞣质）
      • 醇水法
        • 除脂溶性杂质（油脂、叶绿素等）
      • 醇醚（醇/丙酮）法
        • 皂苷纯化：皂苷醇→加乙醚→皂苷（去脂溶性杂质）
    • 调节pH
      • 改变分子的存在状态→改变溶解度
      • 酸提取碱沉淀法
        • 酸除脂溶性杂质↓，碱除水溶性杂质
        • 生物碱提取：B→BH+→B
      • 碱提取酸沉淀法
        • 碱除脂溶性杂质↓，酸除水溶性杂质
        • 酸性成分提取（如黄酮、蒽醌）：HA→A-→HA
      • 调节pH至等电点
        • 沉淀蛋白
    • 加入沉淀试剂
      • 酸性成分
        • 沉淀试剂：Pb2+、Ba2+、Ca2+
        • 操作：沉淀水悬浮，通H2S，取母液
      • 碱性化合物
        • 沉淀试剂：苦味酸/苦痛算，磷钼酸/磷钨酸/镭氏
        • 操作：沉淀+强酸，Et2O萃取，取H2O层
  • 分配比
    • 分配系数：K=CU / CL 分离因子：β=KA / KB （ KA > KB ）
      • β > 100：1次萃取，基本分离 10 ≤ β ≤ 100：萃取10~12次 β ≤ 2：萃取100次以上 β ≈ 1：无法分离
    • 色谱
      • 两大理论
        • 本质
          • 使用外力使含有样品的流动相（气体、液体或超临界流体）通过一固定于柱或平板上、与流动相互不相溶的固定相表面。样品中各组份在两相中进行不同程度的作用
        • 达到分离度的方法
          • 两组份峰间距足够远：由各组份在两相间的分配系数决定，即由色谱过程的热力学性质决定，代表理论：塔板理论
          • 每个组份峰宽足够小：由组份在色谱柱中的传质和扩散决定，即由色谱过程动力学性质决定，代表理论：速率理论
      • 分离机制
        • 分配色谱法（溶解度不同）
        • 吸附色谱法（固定相对溶质吸附能力不同）
        • 离子交换色谱法IEC（离子交换能力不同）
        • 空间排阻色谱法SEC（固定相对不同分子量溶质的截留能力的不同）
        • 亲和色谱、手性色谱
    • 方法
      • 简单液-液萃取法
        • 条件
          • β > 50
        • 方式
          • 有机溶剂/水
          • 有机溶剂/酸、碱水
          • pH梯度萃取
            • pH →物质存在状态→溶解性→ K
            • 酸性物质
              • pH=pKa+lg[A-]/[HA]
              • 完全解离（离子型）：pH=pKa + 2 完全游离（分子型） ：pH=pKa – 2
            • 碱性物质
              • 共轭酸的pKa越大，碱性越强
            • pH < 3时，多数酸性物质多为游离态，碱性物质为解离态 pH > 12时，多数酸性物质多为解离态，碱性物质为游离态
        • 缺点
          • 手工操作繁琐 溶剂用量大 易乳化
      • 逆流分溶法CCD
      • 液滴逆流色谱DCCC
      • 多次、连续的液液萃取
        • 适用
          • β＜50
        • 优点
          • 避免手工操作
        • 缺点
          • 溶剂用量大 仪器复杂 机械操作,破损、漏液 乳化
      • 高速逆流色谱HSCCC
        • 工作原理
          • 行星式旋转产生的离心力场 固定性保留在蛇形管内 流动相单向、低速经过固定相
            • 公转力，自转力，同向分离反向混合
        • 优点
          • 样品处理能力强 溶剂选择范围广 重现性好
        • 缺点
          • 柱效相对较低 设备成本高
      • 纸色谱PC
        • 可用于确定不同组分在同一溶剂中的β值
        • K有机相/水相=1/ r ( Rf/(1−Rf ))
          • r为滤纸色谱定数 滤纸湿重/干重=1.5时，r=2
        • β= Rfa (1−Rfb)/ Rfb (1− Rfa )
      • 液液分配柱色谱
        • 正向色谱和反向色谱
          • 正：固定相极性大
          • 反：流动相极性大
        • 操作形式
          • 开放柱色谱
          • 加压柱色谱
            • 快速色谱 (Flash chromatography)：~ 2 bar 低压液相色谱 LPLC：＜5 bar 中压液相色谱 MPLC：5 ～20 bar 高压液相色谱 HPLC：＞20 bar
          • 压力单位
            • 1巴(bar) = 10 N/cm2 = 105帕(Pa) = 0.1MPa 1psi = 6.895 kPa = 0.0689476 bar
        • 涡流色谱（TFC）
          • 条件
            • 大粒径填料
            • 流动相在高速条件下（7.5 cm/s） 产生涡流状态
          • 用途
            • 可去除溶液中的大分子，实现对生物样品的直接分析
          • 原理
            • 小分子物质：传质阻抗小，柱效损失小 大分子物质：来不及进入填料内部而被洗出柱外
          • Van Deemter方程（范氏方程）
            • • u—流动相线速度 A—涡流扩散系数 B—分子扩散系数 (纵向扩散项) C—传质阻力系数（包括液相和固相传质阻力系数）
        • 离子抑制色谱（ISC）
          • 流动相中加入酸或碱，或盐
            • 抑制酸、碱类待测物的离解 加盐减少待测物与残留硅醇基作用
          • 适用
            • 加酸、碱分离酸、碱性化合物 加盐改善中性物质保留行为
        • 离子对色谱（IPC）
          • 流动相（常为有机相）中加入与待测物离子（A）电荷相反的离子对试剂（B）
            • 使待测离子A与对离子B形成离子对AB
          • 适用
            • 分离强极性有机酸和有机碱
  • 吸附性
    • 吸附的类型
      • 物理吸附
        • 吸附规律：相似相溶
          • 极性吸附剂：溶剂极性↑，吸附力↓，洗脱力↑
          • 非极性吸附剂：溶剂极性↑，吸附力↑，洗脱力↓
        • 分子间力（无选择性，可逆）
          • 硅胶、氧化铝、活性炭
      • 化学吸附
        • 化学键（选择性较强，常不可逆）
          • 硅胶 + 生物碱 碱性氧化铝 + 黄酮、蒽醌等
      • 半化学吸附
        • 氢键（选择性较弱，多可逆）
          • 聚酰胺
    • 极性强弱判断
      • 一般物质
        • 根据官能团的种类、数目、位置、碳链长短判断
          • R-COOH﹥Ar-OH﹥R-OH﹥R-NH-﹥R-CO-NH-﹥R-CHO﹥R-CO-R﹥R-COO-R﹥R-O-R﹥R-X﹥R-H（羧酸＞酚＞醇＞胺＞酰胺＞醛＞酮＞酯＞醚＞卤代烃＞烷烃） 碳链长，极性↓
      • 溶剂
        • 介电常数ε越大，极性越大
          • 环己烷<苯<无水乙醚 <氯仿<乙酸乙酯<乙醇<甲醇<水
    • 应用
      • 简单吸附法用于物质浓缩精制
        • 活性炭吸附法
          • · 结晶、重结晶中脱色、脱臭 · 从稀水溶液中浓缩微量物质
          • 如：一叶萩碱的浓缩、精制
        • MgO吸附法
          • 皂苷提取液脱色 如：人参皂苷的精制
      • 硅胶、氧化铝柱色谱
        • 吸附剂用量：30～60倍，有时100～200倍 装柱：高比（d/h）1:15～1:20 干法装柱/湿法装柱 上样：干法上样/湿法上样 洗脱：等度/梯度（洗脱剂极性递增） 托尾：化学吸附：硅胶—碱性成分 洗脱剂中加入碱 氧化铝—酸性成分 洗脱剂中加入酸 洗脱系统的选择：TLC（薄层色谱分析），Rf值0.2～0.3
      • 聚酰胺柱色谱
        • 性质
          • 高分子聚合物，不溶于常见有机溶剂 对碱稳定 对酸特别是无机酸稳定性差，可溶于HCl、HCOOH、乙酸中
        • 吸附原理
          • 分子间氢键：半化学吸附
        • 影响吸附力的因素 (溶质)
          • -OH多 C=O多 分子内H键少 芳香化程度大 MW小
        • 用途
          • 醌类、黄酮类等酚性的制备和分离 脱鞣处理 其它极性与非极性化合物的分离
        • 溶剂的洗脱能力
          • 吸附力（随溶剂极性增强而增强）
            • 水中最强：常以水装柱、样品以水溶解上样 含水醇中次之 醇中最弱：常以浓度渐高的含水醇梯度洗脱 EtOH-H2O最常用
              • 水＞含水醇＞醇
          • 洗脱力
            • 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
      • 大孔吸附树脂
        • 性质
          • 高分子聚合物 白色球形颗粒 多孔网状结构 不溶于酸、碱、有机溶剂
        • 分离原理
          • 吸附原理：分子间力、氢键 分子筛
        • 应用
          • 各类成分的分离与富集
        • 树脂的性质
          • 非极性树脂：易吸附非极性化合物 极性树脂：易吸附极性化合物
        • 溶剂的性质
          • 物质在溶剂中的溶解度大 树脂对此物质的吸附力就小
        • 洗脱剂
          • 水、甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯等 最常用：乙醇—水
  • 分子大小
    • 透析法
      • 除大分子中盐及小分子
    • 膜过滤法
      • 微滤、超滤、纳滤、反渗透等
    • 超速离心法
    • 分子尺寸排阻色谱（SEC）
      • 别名
        • 凝胶滤过色谱（gel filtration chromatography，GFC） 凝胶渗透色谱（gel permeation chromatography，GPC）
      • 原理
        • 凝胶三维网状结构的分子筛 分子量由大到小顺序分离
    • 分子筛滤过
      • Sephadex G系列，葡聚糖凝胶
        • 制作
          • 葡聚糖+交联剂（环氧氯丙烷）
        • 分离机制
          • 分子筛
        • 应用范围
          • 水中应用
          • 分离水溶性成份
          • 按交联度分类，以10倍吸水量(ml/g)表示
      • Sephadex LH-20（羟丙基葡聚糖凝胶）
        • 制作
          • Sephadex G-25羟丙基化所得
        • 分离机制
          • 分子筛和反相色谱相结合
        • 应用范围
          • 水、甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、氯仿中使用
          • 可分离水溶性、脂溶性成分
  • 离解程度
    • 用以分离酸碱，离子极性大，在反相色谱中不被保留，不经过处理酸碱会出现拖尾 两种处理方法： 1.分离酸的时候加酸，分离碱的时候加碱（使其受抑制为分子） 2.加相反电荷大分子离子对试剂，凑成大分子保留
    • 离子交换树脂的结构
      • 母核
      • 离子交换基团
    • 种类
      • 阳离子交换树脂
        • 强酸性（-SO3-H+）
        • 弱酸性（-COO-H+）
      • 阴离子交换树脂
        • 强碱性（-N+(CH3)3Cl-）
        • 弱碱性（-NH2，-NH-，-N=）
    • 性质
      • 球形颗粒，不溶于水
      • 可在水中溶胀