天化课件2015年 (2).ppt
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1、第六章 萜类和挥发油,terpenoids and volatile oils,主讲人:张兰胜 副教授 有机药化教研室 2015年11月,1.掌握: 萜类化合物的定义和分类方法;单萜、环烯醚萜、倍半萜和二萜的结构分类;环烯醚萜苷的结构特点和主要理化性质;挥发油的定义、性质和化学组成;挥发油的提取分离方法(水蒸气蒸馏法、超临界萃取法);挥发油化学常数(酸值、酯值、皂化值)的含义及应用。 2.熟悉: 红豆杉中所含主要的萜类成分的结构及其生物活性;龙胆中主要化学成分的结构及提取分离方法;薄荷中主要化学成分的结构特征。 3.了解:萜类的生源途径(生源异戊二烯法则)。,第一节 概 述,一类由甲戊二羟酸(
2、mevalonic acid , MVA)衍生 而成,且分子式符合(C5H8)n通式的衍生物均称萜类化合物(terpenoids) 。,(一)定义,一、萜的含义和分类,(二) 特 点 1.骨架庞杂,种类繁多,数量巨大,结构千变万化。 2.具有广泛的生物活性,研究活跃。 3.多为含氧衍生物,如醇、醛、酮、酸、酯等。 4.主要分布于植物中,近年从海洋生物中发现大量 萜类化合物。,(三) 分 类,1. 根据分子中异戊二烯的数目进行分类。,2.根据分子结构中碳环的有无以及碳环数目分类,可分为:链萜、单环萜、双环萜、三环萜、四环萜等。,第二节 萜类的结构类型及重要代表物,一、单 萜 (monoterpe
3、noids),定义:由两个异戊二烯单位构成,含10个碳原子的一类化 合物,通式(C5H8)2 。 分布:植物挥发油、昆虫和海洋生物。 存在形式:单独、糖配体、混杂萜类的萜源功能基。,性质:a:具有挥发性,是植物挥发油的主要组成成分; b:含氧衍生物多具较强香气和生理活性; c:单萜与糖结合成苷,则不具有挥发性, 不能随水蒸气蒸馏出来。 d:以单环和双环型两种结构类型所包含的单萜化合物最多。,(一)概 述,第二节 萜类的结构类型及重要代表物,一、单 萜 (monoterpenoids),定义:由两个异戊二烯单位构成,含10个碳原子的一类化 合物,通式(C5H8)2 。 分布:植物挥发油、昆虫和海
4、洋生物。 存在形式:单独、糖配体、混杂萜类的萜源功能基。,性质:a:具有挥发性,是植物挥发油的主要组成成分; b:含氧衍生物多具较强香气和生理活性; c:单萜与糖结合成苷,则不具有挥发性, 不能随水蒸气蒸馏出来。 d:以单环和双环型两种结构类型所包含的单萜化合物最多。,(一)概 述,1.链状单萜(无环单萜) 链状单萜中比较重要的化合物是一些含氧衍生物,如萜醇、萜醛等。,共性: 含氧衍生物多是挥发油中芳香成分,是重要香料及化妆品原料。 与单环单萜具有类似空间结构和 骨架,易环合为单环单萜。,(二) 重要的单萜化合物,2. 单环单萜:结构中含有一个碳环,薄荷醇(menthol)是薄荷(Mentha
5、 arensis var. piperasceus)挥发油中的主要组成成分,其左旋体(l-menthol)习称薄荷脑,为白色结晶,用于镇痛和止痒,并具有防腐和杀菌作用。,3.双环单萜:结构中含有两个碳环的单萜。,龙脑(borneol)俗称“冰片”,白色片状结晶,有发汗、兴奋、解痉挛及抗缺氧功能。 樟脑(camphor)俗称“辣薄荷酮”,白色结晶性固体,有局部刺激和防腐作用。,芍药苷(paeoniflorin)为蒎烷单萜苦味苷,有镇静、抗炎等药理作用,近来报道有防治老年性痴呆的生物活性。,4. 卓酚酮类( troponoids) 一类变形的单萜,是一类变形的单萜,碳架不符合异戊二烯规则。 有芳香
6、性和酚的通性;酸性(酚 卓酚酮 羧酸)。 酚性羟基易于甲基化,不易酰化。 羰基类似于羧酸中羰基,但不和一般羰基试剂反应。 可形成多种金属络合物结晶体,显不同颜色,用于鉴别。如:与铜络合绿色结晶,与铁络合赤红色结晶。 多具有抗菌活性,但同时多具有毒性。,特性:,二、环烯醚萜(iridoids),定义:环烯醚萜是臭蚁二醛(iridoidial)的缩醛衍生物,是含有环戊烷结构单元的具有一定特殊形状的环状单萜衍生物。,环烯醚萜类化合物的生物合成途径,(一)概 述,分布:广泛分布于双子叶植物,尤其是玄参科、唇形科、茜草 科、龙胆科等植物中。 基本碳架:,臭蚁二醛,1. 环烯醚萜苷和裂环环烯醚萜苷多具有旋
7、光性(C1,C5,C9多C*),味苦。 2.环烯醚萜苷类易溶于水和甲醇,难溶于三氯甲烷、乙醚等亲酯性溶剂。,(二)环烯醚萜 理化性质,3. 环烯醚萜苷易发生水解,苷元具有半缩醛结构,性质活泼,容易进一步聚合或分解。 如:玄参中含有玄参苷、地黄中含有梓醇,在共存酶的作用下,水解成苷元,苷元发生聚合而成黑色。,4. 检识反应,环烯醚萜环戊烷部分的C7-C8处断裂,则形成裂环环烯醚萜。,环烯醚萜类的半缩醛C1-OH性质不稳定, 故主要以C1-OH与糖成苷的形式存在于植物体内,1.环烯醚萜及其苷: 多以苷的形式存在,以10个碳的 苷元居多,C1羟基多与葡萄糖形成苷,且多以单糖苷存在。,(三)结构分类及
8、重要代表物,鸡屎藤苷(paederoside)是鸡屎藤的主要成分,C10位的甲硫酸酯在植 物组织损伤时,由于酶解的作用而产生甲硫醇,产生鸡屎样的恶臭。,-内酯,环烯醚萜苷C4-去甲基的降解苷,由9个碳构成。如: 桃叶珊瑚苷(aucubin)、梓醇(cataipol)、梓苷(catalposide),2. 4-去甲环烯醚萜苷,清湿热利小便,降血糖利尿,车前草,地黄,裂环环烯醚萜苷的苷元在C7- C8处开环衍生而来的苦味苷。 分布在龙胆科(龙胆属和獐牙菜属)、茜草科、木樨科等中。,3. 裂环环烯醚萜苷,定义:由3个异戊二烯单位构成,含15个碳原子的化合物类群。 分布:分布于植物、微生物、海洋生物中
9、,在植物中多以醇、 酮、内酯或苷的形式存在 。,三、倍半萜 (sesquiterpenoids),性质:挥发油中高沸点部分的主要组成成分,具有挥发性, 分子中氧的含量增加,沸点增高,挥发性下降。 含氧衍生物多有较强香气和生物活性(医药、食品、 化妆品的重要原料)。,(一)概 述,1.无环倍半萜 链状,(二) 重要的倍半萜化合物,金合欢烯存在于枇杷叶、生姜的挥发油中;金合欢醇是一种重要的香料成分可用作东方香型,素心兰香型香精的调合香料 。,-金合欢烯,-金合欢烯,金合欢醇,苦橙油醇,具有苹果香,是橙花油的主要成分之一,是一种贵重的香料,用于配制玫瑰型和橙花型等花香香精 。目前全球年需求量在500
10、0吨左右,其中我国的需求量也不低于500吨,而全世界的生产能力只有3000吨左右。,苦橙油醇,是有过氧基团的倍半萜内酯药物,具有抗恶性疟疾的作用, 过氧基是抗疟活性的关键基团; 对它进行结构修饰,合成大量的衍生物。,2. 环状倍半萜,具有抗疟效价高、原虫转阴快、速效、低毒等特点的双氢 青蒿素(dihydroqinghaosu)、油溶性的蒿甲醚(artemether)、 水溶性的青蒿琥珀酸单酯(artesunate)等。,青蒿素(qinghaosu, arteannuin, artemisinin),黄花蒿在全球多地都有, 但只在中国重庆酉阳生长的黄花蒿被发现含有的青蒿素最高。,屠呦呦,1930
11、年生,药学家, 中国中医研究院终身研究员兼首席研究员, 青蒿素研究开发中心主任。博士生导师。 多年从事中药和中西药结合研究, 贡献是创制新型抗疟药青蒿素和双氢青蒿素。 2015年获诺贝尔生理学或医学奖, -山道年( -santonin),具有驱蛔的作用; 棉酚(gossypol)主要存在于棉籽中,有杀精子作用,副作用大。,双环状倍半萜,定义:薁类化合物是一种特殊的倍半萜, 具有五元环与七元环骈合而成的芳环骨架。,3. 薁类衍生物(azulenoids),鉴别: 1. Sabety反应(溴化反应) 挥发油1滴 + 1mlCHCl3 + 5%Br2-CHCl3蓝紫色或绿色。 2. Ehrlich试
12、剂反应 挥发油 + 对-二甲氨基苯甲醛浓硫酸紫色或红色。,分离: 酸提水沉法,用60-65%硫酸/磷酸提取薁类成分,酸提取液加水稀释后,薁类成分即沉淀析出。,薁类衍生物多半是其氢化衍生物,多数失 去芳香性,其结构以愈创木烷骨架最多。,愈创木烷:凡具有1,4-二甲基-7-异丙基的五元环与七元环骈合的结构骨架。,愈创木烷在S/Se作用下,氧化脱氢形成具有芳香性 的化合物(薁)。,定义:由4个异戊二烯单位构成,含20个碳原子的化合物 类群。 分布:广布于植物界,植物分泌的乳汁、树脂以二萜类 衍生物为主,尤以松柏科植物最为普遍;菌类代谢 产物及海洋生物中也有。,四、二萜 (diterpenoids),
13、生物活性:其含氧衍生物具有较强的生物活性。如紫杉 醇、穿心莲内酯、银杏内酯、雷公藤内酯等。,(一)概 述,2.环状二萜,(1)单环二萜 VitA为重要的脂溶性维生素, 存在于动物肝脏中,是保持夜 间正常视力的必需物质。,自然界中较少,例如叶绿素中的植物醇(phytol)。,(二) 分类及代表化合物,1.链状二萜,(2)双环二萜 穿心莲内酯为穿心莲抗炎作用的主要 活性成分,临床用于治疗急性菌痢、 胃肠炎、咽喉炎、感冒发热等。,银杏内酯(ginkgolides)是银杏根皮及叶中的强苦味成分, 为治疗心血管疾病的有效药物,为双环二萜类化合物。,银杏内酯A、B、C或单独用银杏内酯B可以 应用于转移癌的
14、治疗。它能提高抗癌化疗剂 的效果,减少不良反应,使得耐细胞毒药物 的癌细胞对化疗剂更为敏感有效。,紫杉醇(Taxol),又称红豆杉醇,是90年代国际上抗肿瘤 药三大成就之一,最早从太平洋红豆杉(Taxus brevifolia) 树皮中分得,1992年底美国FDA批准上市,用于治疗卵巢 癌、乳腺癌和肺癌。,植物中紫杉醇(Taxol)的含量比较低,只有百 万分之二,合成困难。其中以紫杉醇的前体 物质巴卡亭和去乙酰基巴卡亭为母核进 行半合成制备的途径最可行。,雷公藤甲素(triptolide)对乳腺癌和胃癌细胞系集落 形成有抑制作用,16-羟基雷公藤内酯醇具有较强的 抗炎免疫抑制和雄性抗生育作用。
15、,第三节 萜类化合物的理化性质,一、萜类化合物的物理性质 (一)性状 1.形态 单萜和倍半萜类多为具有特殊香气的油状液体,为挥发油的主要成分,在常温下可挥发,或为低熔点的固体。二萜和二倍半萜多为结晶性固体。 2.味苦,萜类又称为苦味素。 (例外:二萜甜菊苷的甜味是蔗糖的300倍)。 3.旋光和折光率 多具不对称碳原子,有光学活性。低分子的萜类具有较高的折光率。,萜类化合物亲脂性强,易溶于醇及脂溶性有机溶剂,难溶于水。成苷的萜类,水溶性增加。 具有内酯结构的萜类能溶于碱水,酸化后,可析出。,(三)稳定性 稳定性差,对高热,光和酸碱较敏感,易发生氧化或重排,引起结构的改变。,(二)溶解性,1. 双
16、键加成反应 与氢卤酸类、卤素(Br2)加成 萜类化合物中的双键能与氢卤酸类、卤素(Br2)等反应,生成结晶性加成产物。,二、萜类化合物的化学性质,(一)加成反应,不饱和的萜类化合物与亚硝酰氯(Tilden试剂)反应,生成亚硝基氯化物,生成的产物多呈蓝色绿色,可用于不饱和萜类化合物的鉴定。, 与亚硝酰氯反应, Diels-Alder反应,带有共轭双键的萜类化合物能与顺丁烯二酸酐发生加成反应,生成结晶性化合物,可用此证明萜类化合物中共轭双键的存在。, 与亚硫酸氢钠加成, 与硝基苯肼加成,2. 羰基加成反应, 与吉拉德(Girard)试剂加成,(二)氧化反应,常用氧化剂:O3、CrO3、Pb(Ac)
17、4、KMnO4、SeO2等,其中 O3应用最为广泛,可与萜类化合物中的双键发生烯烃的臭氧化反应,生成相应的羰基化合物。,(三)脱氢反应,脱氢反应在早期研究萜类化合物的母核骨架时具有重要意义(萜类化合物脱氢后转变为容易通过合成的方法加以鉴定的芳香烃类衍生物)。脱氢反应通常在惰性气体保护下,用铂或钯作催化剂,与硫或硒共热而实现脱氢。,一、萜类的提取,第四节 萜类化合物的提取分离,2.非苷类化合物的提取,游离萜类化合物的亲脂性较强。,(二)碱提酸沉法,原理:内酯类化合物在热碱液中开环,而溶于水中, 酸化后闭环,从水中析出。 注意:可能会引起结构的改变。,(三)吸附法,1. 活性碳吸附法 2.大孔树脂
18、吸附法,二、萜类化合物的分离,(一)结晶法分离:某些萜类易形成结晶,当萃取液回收到小体积时,析出结晶,过滤,再重结晶,便得纯的萜类化合物。,(二)柱层析分离(常用),硅胶柱色谱:应用最广,待分离样品与吸附剂用量之比约为130 160。洗脱剂一般选用有机混合溶剂,最常用的有石油醚丙酮、石油醚乙酸乙酯、氯仿甲醇等。,2. 氧化铝柱色谱:分离萜类化合物多选用中性氧化铝。 3. AgNO3色谱法(络合柱色谱): 适用于含不同数目和不同位 置双键的萜类化合物的分离。,(三)利用结构中特殊官能团进行分离,碱提酸沉法:内酯类在热碱液中开环溶于水, 酸化后析出。 酸碱法:如萜类生物碱。 加成法:含不饱和双键和
19、羰基的萜类化合物。,第六节 挥发油 (volatile oils),挥发油又称精油(essential oils), 是一类具有芳香气味的油状液体的总称。在常温下能挥发,可随水蒸气蒸馏。,一、概 述,(一)分布和存在 植物界分布广泛,主要存在于种子植物中,尤其是芳香植物, 如:菊科、芸香科、伞形科、唇形等。 多存在于植物的腺毛,油室(管),分泌细胞或树脂道中,多以 油滴状存在。 同一植物药用部位不同,采集时间不同,挥发油的含量及组成 都有所不同。如:樟科桂属植物,树皮主要含有桂皮醛,叶中 主要含丁香酚,而根和木部以樟脑居多。,挥发油所含成分较复杂,主要分为如下四类:,1. 萜类成分(占多数)
20、主要为单萜和倍半萜及其含氧衍生物。其中含氧衍生物多为生物活性较强或具有芳香气味主要成分。如:薄荷油含薄荷醇8%左右,樟脑油含樟脑约50%。,(二)组成和分类,2. 芳香族化合物 多数为苯丙烷衍生物(苯丙素类),结构中多具有C6-C3骨架,如:桂皮油中的桂皮醛,八角茴香油中的茴香醛。,3.脂肪族化合物 小分子脂肪烃、醛、酸、酯等,如:鱼腥草中的甲基正壬酮等。 4. 含S、N化合物 如:大蒜新素,大蒜辣素等。,异硫氰酸烯丙酯,二、挥发油的性质,颜色:大多为无色或淡黄色的透明液体,少数显其他颜色。如:洋甘菊油含薁类显兰色,苦艾油显蓝绿色,麝香油显红色。 气味:大多具有特殊香气或特殊气味,有辛辣灼烧感
21、,少数具有臭味(如:败酱),或腥气味(如:鱼腥草)。 通常气味是挥发油品质优劣的重要标志。,状态:常温下为透明液体,有的冷却时主要成分可能 会析出结晶,这种析出物习称“脑”。,(一)性状,(二)溶解性 挥发油不溶于水,易溶于有机溶剂,如:石油醚、乙醚等,在高浓度的乙醇溶液中能完全溶解。,(三)稳定性 挥发油对光线,空气,温度等敏感,易氧化变质,因此对储备方法要求高。,挥发性:挥发油在常温下自行挥发而不留任何 痕迹,这是挥发油与脂肪油的本质区别。,沸点:一般在70300oC之间,具有可随水蒸气蒸馏的 特性。 比重:多数比水轻,少数比水重(丁香油、桂皮油 等),相对密度0.851.065之间。 光
22、学活性:几乎都具有光学活性,比旋光度+97177o。 折光率:具有较强的折光率,折光率在1.431.61。,(四)物理常数,三、挥发油的提取,(一)水蒸气蒸馏法 提取时,将原料粗粉在提取器中加水浸泡,直接加热蒸馏,挥发油便随水蒸汽同时被蒸馏出来,收集溜出液,冷却后分离出油层。,优点:设备简单,操作方便,产量大,回收率高。 缺点:易受强热而焦化,或使成分发生改变,不适用于对 热不稳定的化合物。,(二)浸取法,1.油脂吸收法:利用油脂类具有吸收挥发油的性质, 一般用来提取贵重的挥发油。 2.溶剂萃取法: 回流浸出法和冷浸法。 3.超临界流体萃取法: CO2超临界萃取法可用来提 取芳香挥发油。,(三
23、)压榨法:适用于新鲜原料提取挥发油。,四、挥发油的分离,挥发油分离、纯化常用的方法有: (一)冷冻处理:适于低温时便可析出的结晶成分(“脑”)。如:薄荷油冷冻处理即可得到较纯的薄荷脑。 (二)分馏法:减压蒸馏,不同的成分沸点不同,从而达到分离目的。含氧萜中,沸点随着官能团的极性增加而增高:醚酮醛醇酸。,(三)化学方法,1.利用酸碱性的不同进行分离 (1)碱性成分的分离:,(2)酸性成分的分离:,2.利用官能团的不同进行分离 (1)醇化合物的分离:,采用NaHSO3法分离羰基化合物时应注意,提取宜采用低温短时振摇,防止形成不可逆的双键加成物。由于空间位阻, NaHSO3只能和甲基酮和醛羰基反应。
24、,(2)醛、酮化合物的分离: 亚硫酸氢钠(NaHSO3)法:,吉拉德(Girard)试剂: 可以与所有含羰基的化合物反应。,(3)挥发油化学系统分离方法:,(四) 层析分离法(色谱分离法),1.氧化铝和硅胶层析:应用最广。 多采用分馏法与吸附色谱法结合,分离效果更好。,2. 硝酸银薄层层析或柱层析 原理:根据挥发油成分中双键的多少和位置的不 同,与硝酸银形成络合物难易程度和稳定 性不同而分离。 操作:以25%硝酸银水溶液制板或处理硅胶柱。 规律: 络合能力顺式双键 反式双键 双键个数增加,络合能力增强 末端双键的络合能力最强,例:用AgNO3-硅胶柱层析法分离石菖蒲中-细辛醚、-细辛醚、欧细辛
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