天然药物化学 课程教案 课次 1 授课方式 (请打√) 理论课√ 讨论课 实验课 习题课 其他 课时 安排 3 学时 授课题目(教学章、节或主题): 第七章 三萜及其苷类 第一节 概述 第二节 三萜类化合物的生物合成 第三节 四环三萜 第四节 五环三萜 第五节 理化性质 教学目的、要求(分掌握、熟悉、了解三个层次): 让学生掌握三萜类化合物的定义、结构类型及理化性质. 让学生熟悉三萜类化合物的存在形式、及典型的代表化合物. 让学生了解三萜及其苷类的生物合成. 教学重点及难点: 重点:三萜类化合物的定义、存在形式及结构类型,理化性质 难点:三萜类化合物的生物合成 教学基本内容方法及手段 第一节 概述定义:多数三萜是由30个碳原子组成的萜类化合物,根据"异戊二烯定则",多数三萜被认为是由6个异戊二烯(30个碳)缩合而成的. 分布:三萜及其皂苷广泛存在于自然界,菌类、蕨类、单子叶、双子叶植物、动物及海洋生物中均有分布,尤以双子叶植物中分布最多. 生物活性:①抗炎、②抗菌、③抗病毒、④抗肿瘤、⑤杀软体动物、⑥抗生育、⑦降低胆固醇、⑧溶血等活性. 存在形式:①游离形式;②与糖结合成苷.常见的苷元为四环三萜和五环三萜;常见的糖有葡萄糖、半乳糖、鼠李糖、葡萄糖醛酸等.当原生苷由于水解或酶解,部分糖被降解时,所生成的苷叫次皂苷. 性质:该苷类化合物多数可溶于水,水溶液振摇后产生似肥皂水溶液样泡沫,故被称为三萜皂苷;该类皂苷多具有羧基,故又称之为酸性皂苷. 三萜:triterpenoids;三萜皂苷:triterpenoid saponins;三萜皂苷元:triterpene sapogenins;酯皂苷:ester saponins;单糖链苷:monodemosides;双糖链苷:bisdemosides;三糖链皂苷:tridesmosidic saponins;次皂苷:prosapogenins. 第二节 三萜类化合物的生物合成 结构分类:多数为四环三萜和五环三萜.四环三萜包括达玛烷型、羊毛脂烷型、甘遂烷型、环阿屯烷型、葫芦烷型、楝烷型;五环三萜包括齐墩果烷型、乌苏烷型、羽扇豆烷型、木栓烷型. 三萜类化合物经甲戊二羟酸途径合成,由鲨烯经过不同的途径环合而成. 第三节 四环三萜 存在于天然界较多的四环三萜或其皂苷苷元主要有达玛烷型、羊毛脂烷型、甘遂烷型、环阿屯烷型、葫芦烷型、和楝烷型三萜类. 四环三萜tetracyclic triterpenoids;达玛烷型dammarane;羊毛脂烷型lanostane;甘遂烷型tirucallane;环阿屯烷型cycloartane;葫芦烷型cucurbitane;楝烷型meliacane. 一、达玛烷型 达玛烷型四环三萜是环氧鲨烯经全椅式构象环合而成. 结构特点:8-位有β-角甲基,10-位有β-角甲基,13-位有β-H,14-位有α-角甲基,17-位有β-侧链,C-20为R构型或S构型.A/B、B/C、C/D环均为反式构象. [人参皂苷分类] 达玛烷型人参皂苷根据其6位碳上是否有羟基分为二类:由20(S)-原人参二醇[20(S)-protopanaxadiol]衍生的皂苷为第一类,如人参皂苷Ra1、Ra2等;由20(S)-原人参三醇[20(S)-protopanaxatriol]衍生的皂苷为第二类,如人参皂苷Re、Rf等. [苷键的水解] ①50%HOAc于70℃加热4小时,20位苷键断裂,生成较难溶于水的次级苷.进一步再水解,可使3位苷键裂解.②HCl溶液加热煮沸水解,20位上甲基和羟基发生差向异构化,由20(S)转变为20(R)-原人参二醇或20(R)-原人参三醇,然后环合生成人参二醇(panaxadiol)或人参三醇(panaxatriol)的具有三甲基四氢吡喃环的侧链.因此欲得到原生皂苷元,须采用缓和的方法进行水解,例如先用过碘酸钠氧化,水解后再用四氢硼钠还原,后在室温下用2N H2SO4水解;或者在室温下用HCl水解,然后加入消除试剂叔丁醇钠. [生物活性] 由20(S)-原人参三醇衍生的皂苷有溶血性质,而由20(S)-原人参二醇衍生的皂苷则有对抗溶血的作用,因此人参总皂苷不能表现出溶血的现象. 二、羊毛脂烷型 羊毛脂烷型四环三萜是环氧鲨烯经椅-船-椅构象环合而成. 结构特点:10-位有β-角甲基,13-位有β-角甲基,14-位有α-角甲基,17-位有β-侧链,C-20为R构型.A/B、B/C、C/D环均为反式构象. 三、苷遂烷型 结构特点:10-位有β-角甲基,13-位有α-角甲基,14-位有β-角甲基,17-位有α-侧链,C-20为S构型.A/B、B/C、C/D环均为反式构象. 四、环阿屯烷型 结构特点:10-角甲基与9-位脱氢形成三元环,13-位有β-角甲基,14-位有α-角甲基,17-位有β-侧链,C-20为R构型.A/B反式、B/C顺式、C/D环反式构象. [苷键的水解] 当黄芪皂苷在酸性条件下进行水解时,结构中环丙烷环极易在酸水解时开裂,生成具有9(11),19-CH3次生结构.故一般采用两相酸水解或酶水解以避免环的开裂. 五、葫芦烷型 结构特点:5-位有β-H,10-位有α-H,9-位有β-角甲基,13-位有β-角甲基,14-位有α-角甲基,17-位有β-侧链,C-20为R构型.A/B反式、B/C顺式、C/D环反式构象. 六、楝烷型 结构特点:由26个碳构成,8-位有β-角甲基,10-位有β-角甲基,13-位有α-角甲基,14-位有α-H,17-位有α-侧链,C-20为S构型.A/B、B/C、C/D环均为反式构象. 第四节 五环三萜 主要的五环三萜为齐墩果烷型、乌苏烷型、羽扇豆烷型和木栓烷型三萜类.五环三萜pentacyclic triterpenoids,齐墩果烷型oleanane,乌苏烷型ursane,羽扇豆烷型lupane,木栓烷型friedelane. 一、齐墩果烷(oleanane)型 (又称β-香树脂烷(β-amyrane)型) 结构特点:8β-角甲基,10β-角甲基,14α-角甲基,17β-角甲基.A/B、B/C、C/D环反式构象,D/E环顺式构象.为五环骈合,无侧链. (齐墩果烷型五环三萜,降转氨酶,保肝) 柴胡中的三萜类成分均为齐墩果烷型,根据双键的位置可分为4种:12-齐墩果烯型,9(11),12-齐墩果二烯型(同环双烯),11,13(18)-齐墩果二烯型(异环双烯),11-13,28-环氧-齐墩果烯型. [稳定性](1)以上具有13,28-氧环的化合物,氧环不稳定.在酸的作用下醚键可能会断裂生成人工产物异环或同环双烯结构.(2)又如柴胡皂苷a和d在提取过程中亦易受酸性影响,转变为柴胡皂苷b1和b2,如果同时有甲醇存在,则产生b3和b4.如果在提取溶液中加少量吡啶,则可减少如上结构改变.所以柴胡皂苷b系列化合物可能是提取过程中的人工产物. (齐墩果烷型五环三萜,柴胡皂苷a和d抗炎、降脂) 二、乌苏烷(ursane)型 (又称α-香树脂烷(α-amyrane)型) 结构特点:8β-角甲基,10β-角甲基,14β-角甲基,17β-角甲基.19β-甲基,20α-甲基.A/B、B/C环反式构象, C/D、 D/E环顺式构象. (乌苏烷型五环三萜,抗菌、安定) 三、羽扇豆烷(lupane)型 结构特点:8β-角甲基,10β-角甲基,14α-角甲基,17β-角甲基.E环为五环碳环,在E环上有19α-异丙基.A/B、B/C、C/D、 D/E环均为反式构象. 四、木栓烷(friedelane)型 结构特点:5β-角甲基,9β-角甲基,13α-角甲基,14β-角甲基,17β-角甲基,A/B、B/C、C/D环反式构象,D/E环顺式构象. 第五节 理化性质 一、性状及溶解度 晶形:三萜类化合物多有较好结晶;三萜皂苷极性较大,不易结晶,大多为无色无定形粉末. 溶解性:①三萜类化合物能溶于石油醚、苯、乙醚、氯仿等有机溶剂,而不溶于水;②三萜皂苷可溶于水易溶于热水、稀醇、热甲醇和热乙醇中,几乎不溶或难溶于乙醚、苯等极性小的有机溶剂,含水丁醇或戊醇对皂苷的溶解度较好,因此是提取和纯化皂苷时常采用的溶剂. 气味:皂苷多数具有苦而辛辣味. 吸湿性:皂苷还具有吸湿性. 二、颜色反应〖皂苷的通性〗 三萜及其苷类(三萜皂苷)和甾体及其苷类(甾体皂苷)在无水条件下,与强酸、中等强酸、或Lewis酸作用,会产生颜色变化或荧光.强酸:硫酸、磷酸、高氯酸.中等强酸:三氯乙酸.Lewis酸:氯化锌、三氯化铝、三氯化锑. 反应原理:具体作用原理还不清楚,主要是使羟基脱水,增加双键结构,再经双键移位、双分子缩合等反应生成共轭双烯系统,又在酸的作用下形成阳碳离子而呈色.因此,全饱和的、3-位又无羟基或羰基的化合物呈阴性反应.本来就是共轭双键的化合物呈色很快,孤立双键的呈色较慢. 反应名称 实验现象 醋酐-浓硫酸 反应 Liebermann-Burchard reaction 黄→红→紫→蓝等颜色变化,最后褪色 五氯化锑 反应 Kahlenberg reaction 显蓝色、灰蓝色、灰紫色等多种颜色斑点 三氯醋酸 反应 Rosen-Heimer reaction 红色,渐变为紫色 氯仿-浓硫酸 反应 Salkowski reaction 在氯仿层呈现红色或蓝色,硫酸层有绿色荧光出现 冰醋酸-乙酰氯 反应 Tschugaeff reaction 淡红色或紫红色 皂苷作为三萜衍生物或甾体的衍生物,也具有上述颜色反应. 三、沉淀反应〖皂苷的通性〗 (1)皂苷(三萜皂苷和甾体皂苷)的水溶液可以和一些金属盐类如铅盐、钡盐、铜盐等产生沉淀. 皂苷金属盐 三萜皂苷 酸性皂苷 硫酸铵、醋酸铅、其它中性盐类 甾体皂苷 碱性皂苷 碱式醋酸铅、氢氧化钡、其它碱性盐类 利用这一性质可进行皂苷的提取和初步分离. (2)皂苷(三萜皂苷和甾体皂苷)与甾醇形成难溶性分子复合物.甾醇类:除胆甾醇个,其他凡是含有3β-OH的甾醇(如β-谷甾醇、豆甾醇、麦角甾醇等)均可与皂苷结合生成难溶性分子复合物.若3-OH为α-构型,或者是当3-OH被酰化或者生成苷键,就不能与皂苷生成难溶性分子复合物. 甾体皂苷的乙醇溶液可被甾醇(常用胆甾醇)沉淀.生成的分子复合物用乙醚回流提取时,胆甾醇可以溶于醚,而皂苷不溶,从而达到纯化皂苷和检查是否有皂苷类成分存在的目的. ①而且当甾醇的A/B环为反式相连,或具有5结构,形成的分子复合物溶度积最小.②三萜皂苷与甾醇形成的分子复合物不及甾体皂苷稳定. 四、表面活性〖皂苷的通性〗 皂苷水溶液经强烈振摇能产生持久性的泡沫,且不因加热而消失,这是由于皂苷具有降低水溶液表面张力的缘故. 皂苷的表面活性与其分子内部亲水性和亲脂性结构的比例相关,只有当二都比例适当,才能较好地发挥出这种表面活性. 五、溶血作用〖皂苷的通性〗 皂苷的水溶液大多数能破坏红血球而有溶血作用,若将其水溶液注射入静脉中,毒性极大,低浓度水溶液就能产生溶血作用,所以通常称皂苷为皂毒类(sapotoxins),就是指其有溶血作用而言.皂苷水溶液肌内注射容易引起组织坏死,口服则无溶血作用,可能与其在胃肠不被吸收有关. 皂苷溶血机理:多数皂苷能与胆甾醇(cholesterol)结合生成不溶性的分子复合物.当皂苷水溶液与红细胞接触时,红细胞壁上的胆甾醇与皂苷结合,生成不溶于水的复合物沉淀,破坏了血红细胞的正常渗透,使细胞内渗透压增加而发生崩解,从而导致溶血现象. 溶血指数:指在一定条件下能使血液中红细胞完全溶解的最低浓度. 特例:人参总皂苷就没有溶血的现象,因为其中以人参萜三醇和齐墩果酸为苷元的皂苷有显著的溶血作用,而以人参二醇为苷元的人参皂苷则有抗溶血作用. 举例讲解、多媒体讲解 作业、讨论题、思考题: 一、写出下列活性单体化合物的结构式、所属结构类型、及药理作用 1. 齐墩果酸 2. 甘草次酸 二、填空 1. 根据结构可以把皂苷分为( )皂苷和( )皂苷,前者又称( )皂苷,后者又称( )皂苷. 2. 因为三萜皂苷分子中常含有( )基,所以又称为酸性皂苷. 3. 三萜类化合物经( )途径生物合成,由( )经过不同的途径环合而成. 4. 在混合皂苷的乙醇液中,加入过饱和的中性醋酸铅,可使( )皂苷生成沉淀. 三、单选题 1. 三萜皂苷元结构的共同特点是都有( ) [A] 5个环 [B] 30个碳原子 [C] 8个甲基 [D] 羧基 [E]4个环 2. 人参皂苷Ra1用HCl溶液加热煮沸水解,得到的产物是( ) [A] 20(S)-原人参二醇 [B] 20(S)-原人参二醇+20(R)-原人参二醇 [C] 具有三甲基四氢吡喃环侧链的人参二醇 [D] 20(R)-原人参二醇 3. 人参皂苷中具有溶血作用的成分是( ) [A] 人参皂苷Re [B] 人参皂苷Rc [C] 人参皂苷Rd [D] 人参皂苷Rg1 4. 苷草皂苷的苷元是( ) [A] 甘草酸 [B] 甘草次酸 [C] 齐墩果酸 [D] 熊果酸 [E] 乌苏酸 5. 甘草酸的性质不包括( ) [A] 能被中性醋酸铅沉淀 [B] 易成盐 [C] 易溶于热冰醋酸中 [D] 易溶于氨水 [E] 易被酸水解 6. 柴胡皂苷元母核属于( ) [A] 螺旋甾烷 [B] 异螺旋甾烷 [C] 达玛烷 [D] 齐墩果烷 [E] 乌苏烷 7. 可以区别三萜皂苷和甾体皂苷的颜色反应是( ) [A] 香草醛-浓硫酸反应 [B] 三氯醋酸反应 [C] 五氯化锑反应 [D] Kedde反应 [E] K-K反应 8. 皂苷的通性不包括( ) [A] 多呈酸性 [B] 颜色反应 [C] 表面活性 [D] 溶血作用 [E] 沉淀反应 9. 皂苷溶血作用的有无取决于( ) [A] 糖的种类 [B] 糖的数目 [C] 皂苷元结构 [D] 糖链数目 [E] 酸性的有元 10. 能够沉淀甾体皂苷的甾醇类化合物,其结构必须具有( ) [A] 3α-OH [B] 3β-OH [C] 3 [D] C3=O [E] 3β-O-糖基 四、多选题 1. 水解人参皂苷欲得到原人参皂苷元,可选用( ) [A] 矿酸水解法 [B] Smith氧化降解法 [C] 光解法 [D] 土壤微生物培养法 [E] 碱水解法 2. 常见五环三萜皂苷元的结构类型包括( ) [A] 羊毛脂烷型 [B] 达玛烷型 [C] 齐墩果烷型号 [D] 乌苏烷型 [E] 羽扇豆烷型 3. 用于检查皂苷的反应有( ) [A] Liebrmann反应 [B] Gibbs反应 [C] 五氯化锑反应 [D] Baljet反应 [E]Mg(Ac)2反应 五、简答题 1. 为什么皂苷一般不能制成中药注射剂?而人参皂苷可以制成注射剂? 天然药物化学 课程教案 课次 2 授课方式 (请打√) 理论课√ 讨论课 实验课 习题课 其他 课时 安排 1 学时 授课题目(教学章、节或主题): 第七章 三萜及其苷类 第六节 提取分离 第七节 结构测定 教学目的、要求(分掌握、熟悉、了解三个层次): 让学生掌握三萜皂苷的提取通法. 让学生熟悉三萜皂苷元的一般提取方法及分离方法. 让学生了解三萜类化合物的结构测定方法. 教学重点及难点: 重点:三萜皂苷元的一般提取分离方法、三萜皂苷的提取通法 难点:三萜类化合物的结构测定 教学基本内容方法及手段 第六节 提取分离 一、三萜化合物的提取与分离〖皂苷的通法〗 1. 提取 三萜化合物的提取与分离方法大致分四类:①用乙醇、甲醇或稀乙稀提取,提取物直接进行分离.②用醇类溶剂提取后,依次用石油醚、氯仿、乙酸乙酯等溶剂进行分步提取,然后进一步分离,三萜成分主要从氯仿部位中获得.③制备成衍生物再分离,即先将提取物用乙醚提取,再重氮甲烷甲基化,制成甲酯衍生物,或将提取物按常法进行乙酰化制成乙酰衍生物,然后进行分离.④有许多三萜化合物在植物体中是以皂苷形式存在,可将三萜皂苷水解,水解产物用氯仿等溶剂萃取,然后进行分离. 2. 分离 三萜化合物的分离通常是采用反复硅胶吸附柱色谱.常用洗脱剂:石油醚-氯仿、苯-乙酸乙酯、氯仿-乙酸乙酯、氯仿-丙酮、氯仿-甲醇、乙酸乙酯-丙酮等. 二、三萜皂苷的提取与分离〖皂苷的通法〗 1. 提取 提取皂苷的方法1(提取皂苷的通法):三萜皂苷常用醇类(甲醇、稀乙醇)溶剂提取,若皂苷含有羟基、羧基极性基团较多,亲水性强,用稀醇提取效果较好. 提取皂苷的方法2: 2. 分离 (1)分配柱色谱:常用硅胶为支持剂,以氯仿-甲醇-水、二氯甲烷-甲醇-水、乙酸乙酯-乙醇-水、水饱和的正丁醇等溶剂系统进行梯度洗脱,也可用水饱和的正丁醇等作为洗脱剂. (2)制备性高效液相色谱. (3)制备性薄层色谱. (4)反相色谱:通常以反相键合相,Rp-18、Rp-8或Rp-2为填充剂,常用甲醇-水或乙腈-水等溶剂为洗脱剂. (5)Sephadex LH-20色谱:以甲醇等洗脱剂进行纯化较果较好. (6)将皂苷进行乙酰化制成乙酰酯,如果皂苷结构中有羧基,可用CH2N2甲酯化制成甲酯,然后用硅胶柱色谱分离,常以己烷、乙酸乙酯等为溶剂,纯化后在碱性条件下脱乙酰基或甲基. 分离皂苷常常需将多种方法结合使用才能得到满意的结果. 第七节 结构测定 三萜及其皂苷的结构测定主要依照生源关系并采用化学和波谱等方法. 3. 波谱方法 另外,一些母核新颖较复杂的三萜类化合物的结构可采用2D-NMR和单晶X-射线衍射分析等方法进行确定. 一、紫外光谱 紫外光谱可用于判断齐墩果烷三萜化合物结构中双键类型,①如结构中只有一个孤立双键,仅在205~250nm处有微弱吸收,若有α,β-不饱和羰基,最大吸收在242~250nm.②如有异环共轭双烯,最大吸收在240, 250, 260nm.同环共轭双烯最大吸收在285nm.③此外,11-oxo、12-齐墩果烷型化合物,可用紫外光谱判断18-H的构型,当18-H为β构型时,最大吸收在248~249nm,18-H为α构型时,最大吸收在242~243nm. 二、质谱 三、核磁共振谱 (一)核磁共振氢谱 甲基质子信号:一般甲基质子信号在0.625~1.50之间.在1H-NMR的高场区出现多个甲基单峰是三萜类化合物的最大特征. 烯氢信号:①烯氢信号的化学位移值一般为δ4.3~6.②环内双键质子的δ值一般大于5,环外烯氢的δ值一般小于5. 连氧的碳上质子及糖的端基质子信号:①三萜化合物常有OH取代,连OH的碳上质子信号一般出现在δ3.2~4.②连OAc的碳上质子信号一般出现在δ4~5.5.③三萜皂苷糖部分的1H-NMR如同在第二章(糖苷)中介绍的一样,可识别的主要是端基质子,其偶合常数可用于确定苷键构型. (二)核磁共振碳谱 化学位移:在13C-NMR中角甲基一般出现在δ8.9~33.7,其中23-CH3和29-CH3为e键甲基出现在低场,化学位移值依次为28和33左右.苷元中除与氧连接的碳和烯碳等外,其他碳一般在60以下,苷元和糖上与氧相连的碳出现在δ60~90,烯碳在δ109~160,羰基碳为δ170~220. 1. 双键位置及结构母核的确定 三萜及双键位置 烯碳δ值 其他特征碳 12-齐墩果烯 C-12:122~124,C-13:143~144 11-oxo, 12-齐墩果烯 C-12:128~129,C-13:155~167 C-11:199~220 11-13,28-epoxy-齐墩果烯 C-11:132~133,C-12:131~132 11,13(18)-齐墩果烯 (异环双烯) C-11:126~127,C-12:126 C-13:136~137,C-18:133 C-13:84~85.5 9(11),12-齐墩果烯 (同环双烯) C-9:154~155, C-11:116~117 C-12:121~122,C-13:143~147 12-乌苏烯 C-12:124~125,C-13:139~140 20(29)-羽扇豆烯 C-29:109,C-20:150 举例讲解、多媒体讲解 作业、讨论题、思考题: 一、单选题 1. 从中药材中提取纯化皂苷常用的方法有包括( ) [A] 乙醇提取,正丁醇萃取法 [B] 乙醇提取,乙醚沉淀法 [C] 乙醇提取,丙酮沉淀法 [D] 碱水提取,加酸沉淀法 [E] 盐酸水解,氯仿萃取法 2. 分段沉淀法分离皂苷是利用混合物中各皂苷( ) [A] 酸性差异 [B] 分子大小不同 [C] 极性差异 [D] 解离程度不同 3. 分离皂苷时常不使用的色谱分离方法是( ) [A] 硅胶吸附色谱法 [B] 硅胶分配色谱法 [C] 大孔吸附树脂法 [D] 离子交换树脂法 [E] 高效液相色谱法 4. 可用于分离三萜皂苷和甾体皂苷的方法是( ) [A] 正丁醇提取法 [B] 明胶沉淀法 [C] 分段沉淀法 [D] 胆甾醇沉淀法 [E] 乙醇沉淀法 5. 齐墩果烷型三萜皂苷元的13C-NMR谱中,季碳信号数目为( ) [A] 2个[B] 4个[C] 6个[D] 8个[E] 10个二、简答题 1. 请写出提取皂苷的通法.
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天然药物化学 课程教案 课次 1 授课方式 (请打√) 理论课√ 讨论课 实验课 习题课 其他 课时 安排 3 学时 授课题目(教学章、节或主题): 第七章 三萜及其苷类 第一节 概述 第二节 三萜类化合物的生物合成 第三节 四环三萜 第四节 五环三萜 第五节 理化性质 教学目的、要求(分掌握、熟悉、了解三个层次): 让学生掌握三萜类化合物的定义、结构类型及理化性质. 让学生熟悉三萜类化合物的存在形式、及典型的代表化合物. 让学生了解三萜及其苷类的生物合成. 教学重点及难点: 重点:三萜类化合物的定义、存在形式及结构类型,理化性质 难点:三萜类化合物的生物合成 教学基本内容方法及手段 第一节 概述定义:多数三萜是由30个碳原子组成的萜类化合物,根据"异戊二烯定则",多数三萜被认为是由6个异戊二烯(30个碳)缩合而成的. 分布:三萜及其皂苷广泛存在于自然界,菌类、蕨类、单子叶、双子叶植物、动物及海洋生物中均有分布,尤以双子叶植物中分布最多. 生物活性:①抗炎、②抗菌、③抗病毒、④抗肿瘤、⑤杀软体动物、⑥抗生育、⑦降低胆固醇、⑧溶血等活性. 存在形式:①游离形式;②与糖结合成苷.常见的苷元为四环三萜和五环三萜;常见的糖有葡萄糖、半乳糖、鼠李糖、葡萄糖醛酸等.当原生苷由于水解或酶解,部分糖被降解时,所生成的苷叫次皂苷. 性质:该苷类化合物多数可溶于水,水溶液振摇后产生似肥皂水溶液样泡沫,故被称为三萜皂苷;该类皂苷多具有羧基,故又称之为酸性皂苷. 三萜:triterpenoids;三萜皂苷:triterpenoid saponins;三萜皂苷元:triterpene sapogenins;酯皂苷:ester saponins;单糖链苷:monodemosides;双糖链苷:bisdemosides;三糖链皂苷:tridesmosidic saponins;次皂苷:prosapogenins. 第二节 三萜类化合物的生物合成 结构分类:多数为四环三萜和五环三萜.四环三萜包括达玛烷型、羊毛脂烷型、甘遂烷型、环阿屯烷型、葫芦烷型、楝烷型;五环三萜包括齐墩果烷型、乌苏烷型、羽扇豆烷型、木栓烷型. 三萜类化合物经甲戊二羟酸途径合成,由鲨烯经过不同的途径环合而成. 第三节 四环三萜 存在于天然界较多的四环三萜或其皂苷苷元主要有达玛烷型、羊毛脂烷型、甘遂烷型、环阿屯烷型、葫芦烷型、和楝烷型三萜类. 四环三萜tetracyclic triterpenoids;达玛烷型dammarane;羊毛脂烷型lanostane;甘遂烷型tirucallane;环阿屯烷型cycloartane;葫芦烷型cucurbitane;楝烷型meliacane. 一、达玛烷型 达玛烷型四环三萜是环氧鲨烯经全椅式构象环合而成. 结构特点:8-位有β-角甲基,10-位有β-角甲基,13-位有β-H,14-位有α-角甲基,17-位有β-侧链,C-20为R构型或S构型.A/B、B/C、C/D环均为反式构象. [人参皂苷分类] 达玛烷型人参皂苷根据其6位碳上是否有羟基分为二类:由20(S)-原人参二醇[20(S)-protopanaxadiol]衍生的皂苷为第一类,如人参皂苷Ra1、Ra2等;由20(S)-原人参三醇[20(S)-protopanaxatriol]衍生的皂苷为第二类,如人参皂苷Re、Rf等. [苷键的水解] ①50%HOAc于70℃加热4小时,20位苷键断裂,生成较难溶于水的次级苷.进一步再水解,可使3位苷键裂解.②HCl溶液加热煮沸水解,20位上甲基和羟基发生差向异构化,由20(S)转变为20(R)-原人参二醇或20(R)-原人参三醇,然后环合生成人参二醇(panaxadiol)或人参三醇(panaxatriol)的具有三甲基四氢吡喃环的侧链.因此欲得到原生皂苷元,须采用缓和的方法进行水解,例如先用过碘酸钠氧化,水解后再用四氢硼钠还原,后在室温下用2N H2SO4水解;或者在室温下用HCl水解,然后加入消除试剂叔丁醇钠. [生物活性] 由20(S)-原人参三醇衍生的皂苷有溶血性质,而由20(S)-原人参二醇衍生的皂苷则有对抗溶血的作用,因此人参总皂苷不能表现出溶血的现象. 二、羊毛脂烷型 羊毛脂烷型四环三萜是环氧鲨烯经椅-船-椅构象环合而成. 结构特点:10-位有β-角甲基,13-位有β-角甲基,14-位有α-角甲基,17-位有β-侧链,C-20为R构型.A/B、B/C、C/D环均为反式构象. 三、苷遂烷型 结构特点:10-位有β-角甲基,13-位有α-角甲基,14-位有β-角甲基,17-位有α-侧链,C-20为S构型.A/B、B/C、C/D环均为反式构象. 四、环阿屯烷型 结构特点:10-角甲基与9-位脱氢形成三元环,13-位有β-角甲基,14-位有α-角甲基,17-位有β-侧链,C-20为R构型.A/B反式、B/C顺式、C/D环反式构象. [苷键的水解] 当黄芪皂苷在酸性条件下进行水解时,结构中环丙烷环极易在酸水解时开裂,生成具有9(11),19-CH3次生结构.故一般采用两相酸水解或酶水解以避免环的开裂. 五、葫芦烷型 结构特点:5-位有β-H,10-位有α-H,9-位有β-角甲基,13-位有β-角甲基,14-位有α-角甲基,17-位有β-侧链,C-20为R构型.A/B反式、B/C顺式、C/D环反式构象. 六、楝烷型 结构特点:由26个碳构成,8-位有β-角甲基,10-位有β-角甲基,13-位有α-角甲基,14-位有α-H,17-位有α-侧链,C-20为S构型.A/B、B/C、C/D环均为反式构象. 第四节 五环三萜 主要的五环三萜为齐墩果烷型、乌苏烷型、羽扇豆烷型和木栓烷型三萜类.五环三萜pentacyclic triterpenoids,齐墩果烷型oleanane,乌苏烷型ursane,羽扇豆烷型lupane,木栓烷型friedelane. 一、齐墩果烷(oleanane)型 (又称β-香树脂烷(β-amyrane)型) 结构特点:8β-角甲基,10β-角甲基,14α-角甲基,17β-角甲基.A/B、B/C、C/D环反式构象,D/E环顺式构象.为五环骈合,无侧链. (齐墩果烷型五环三萜,降转氨酶,保肝) 柴胡中的三萜类成分均为齐墩果烷型,根据双键的位置可分为4种:12-齐墩果烯型,9(11),12-齐墩果二烯型(同环双烯),11,13(18)-齐墩果二烯型(异环双烯),11-13,28-环氧-齐墩果烯型. [稳定性](1)以上具有13,28-氧环的化合物,氧环不稳定.在酸的作用下醚键可能会断裂生成人工产物异环或同环双烯结构.(2)又如柴胡皂苷a和d在提取过程中亦易受酸性影响,转变为柴胡皂苷b1和b2,如果同时有甲醇存在,则产生b3和b4.如果在提取溶液中加少量吡啶,则可减少如上结构改变.所以柴胡皂苷b系列化合物可能是提取过程中的人工产物. (齐墩果烷型五环三萜,柴胡皂苷a和d抗炎、降脂) 二、乌苏烷(ursane)型 (又称α-香树脂烷(α-amyrane)型) 结构特点:8β-角甲基,10β-角甲基,14β-角甲基,17β-角甲基.19β-甲基,20α-甲基.A/B、B/C环反式构象, C/D、 D/E环顺式构象. (乌苏烷型五环三萜,抗菌、安定) 三、羽扇豆烷(lupane)型 结构特点:8β-角甲基,10β-角甲基,14α-角甲基,17β-角甲基.E环为五环碳环,在E环上有19α-异丙基.A/B、B/C、C/D、 D/E环均为反式构象. 四、木栓烷(friedelane)型 结构特点:5β-角甲基,9β-角甲基,13α-角甲基,14β-角甲基,17β-角甲基,A/B、B/C、C/D环反式构象,D/E环顺式构象. 第五节 理化性质 一、性状及溶解度 晶形:三萜类化合物多有较好结晶;三萜皂苷极性较大,不易结晶,大多为无色无定形粉末. 溶解性:①三萜类化合物能溶于石油醚、苯、乙醚、氯仿等有机溶剂,而不溶于水;②三萜皂苷可溶于水易溶于热水、稀醇、热甲醇和热乙醇中,几乎不溶或难溶于乙醚、苯等极性小的有机溶剂,含水丁醇或戊醇对皂苷的溶解度较好,因此是提取和纯化皂苷时常采用的溶剂. 气味:皂苷多数具有苦而辛辣味. 吸湿性:皂苷还具有吸湿性. 二、颜色反应〖皂苷的通性〗 三萜及其苷类(三萜皂苷)和甾体及其苷类(甾体皂苷)在无水条件下,与强酸、中等强酸、或Lewis酸作用,会产生颜色变化或荧光.强酸:硫酸、磷酸、高氯酸.中等强酸:三氯乙酸.Lewis酸:氯化锌、三氯化铝、三氯化锑. 反应原理:具体作用原理还不清楚,主要是使羟基脱水,增加双键结构,再经双键移位、双分子缩合等反应生成共轭双烯系统,又在酸的作用下形成阳碳离子而呈色.因此,全饱和的、3-位又无羟基或羰基的化合物呈阴性反应.本来就是共轭双键的化合物呈色很快,孤立双键的呈色较慢. 反应名称 实验现象 醋酐-浓硫酸 反应 Liebermann-Burchard reaction 黄→红→紫→蓝等颜色变化,最后褪色 五氯化锑 反应 Kahlenberg reaction 显蓝色、灰蓝色、灰紫色等多种颜色斑点 三氯醋酸 反应 Rosen-Heimer reaction 红色,渐变为紫色 氯仿-浓硫酸 反应 Salkowski reaction 在氯仿层呈现红色或蓝色,硫酸层有绿色荧光出现 冰醋酸-乙酰氯 反应 Tschugaeff reaction 淡红色或紫红色 皂苷作为三萜衍生物或甾体的衍生物,也具有上述颜色反应. 三、沉淀反应〖皂苷的通性〗 (1)皂苷(三萜皂苷和甾体皂苷)的水溶液可以和一些金属盐类如铅盐、钡盐、铜盐等产生沉淀. 皂苷金属盐 三萜皂苷 酸性皂苷 硫酸铵、醋酸铅、其它中性盐类 甾体皂苷 碱性皂苷 碱式醋酸铅、氢氧化钡、其它碱性盐类 利用这一性质可进行皂苷的提取和初步分离. (2)皂苷(三萜皂苷和甾体皂苷)与甾醇形成难溶性分子复合物.甾醇类:除胆甾醇个,其他凡是含有3β-OH的甾醇(如β-谷甾醇、豆甾醇、麦角甾醇等)均可与皂苷结合生成难溶性分子复合物.若3-OH为α-构型,或者是当3-OH被酰化或者生成苷键,就不能与皂苷生成难溶性分子复合物. 甾体皂苷的乙醇溶液可被甾醇(常用胆甾醇)沉淀.生成的分子复合物用乙醚回流提取时,胆甾醇可以溶于醚,而皂苷不溶,从而达到纯化皂苷和检查是否有皂苷类成分存在的目的. ①而且当甾醇的A/B环为反式相连,或具有5结构,形成的分子复合物溶度积最小.②三萜皂苷与甾醇形成的分子复合物不及甾体皂苷稳定. 四、表面活性〖皂苷的通性〗 皂苷水溶液经强烈振摇能产生持久性的泡沫,且不因加热而消失,这是由于皂苷具有降低水溶液表面张力的缘故. 皂苷的表面活性与其分子内部亲水性和亲脂性结构的比例相关,只有当二都比例适当,才能较好地发挥出这种表面活性. 五、溶血作用〖皂苷的通性〗 皂苷的水溶液大多数能破坏红血球而有溶血作用,若将其水溶液注射入静脉中,毒性极大,低浓度水溶液就能产生溶血作用,所以通常称皂苷为皂毒类(sapotoxins),就是指其有溶血作用而言.皂苷水溶液肌内注射容易引起组织坏死,口服则无溶血作用,可能与其在胃肠不被吸收有关. 皂苷溶血机理:多数皂苷能与胆甾醇(cholesterol)结合生成不溶性的分子复合物.当皂苷水溶液与红细胞接触时,红细胞壁上的胆甾醇与皂苷结合,生成不溶于水的复合物沉淀,破坏了血红细胞的正常渗透,使细胞内渗透压增加而发生崩解,从而导致溶血现象. 溶血指数:指在一定条件下能使血液中红细胞完全溶解的最低浓度. 特例:人参总皂苷就没有溶血的现象,因为其中以人参萜三醇和齐墩果酸为苷元的皂苷有显著的溶血作用,而以人参二醇为苷元的人参皂苷则有抗溶血作用. 举例讲解、多媒体讲解 作业、讨论题、思考题: 一、写出下列活性单体化合物的结构式、所属结构类型、及药理作用 1. 齐墩果酸 2. 甘草次酸 二、填空 1. 根据结构可以把皂苷分为( )皂苷和( )皂苷,前者又称( )皂苷,后者又称( )皂苷. 2. 因为三萜皂苷分子中常含有( )基,所以又称为酸性皂苷. 3. 三萜类化合物经( )途径生物合成,由( )经过不同的途径环合而成. 4. 在混合皂苷的乙醇液中,加入过饱和的中性醋酸铅,可使( )皂苷生成沉淀. 三、单选题 1. 三萜皂苷元结构的共同特点是都有( ) [A] 5个环 [B] 30个碳原子 [C] 8个甲基 [D] 羧基 [E]4个环 2. 人参皂苷Ra1用HCl溶液加热煮沸水解,得到的产物是( ) [A] 20(S)-原人参二醇 [B] 20(S)-原人参二醇+20(R)-原人参二醇 [C] 具有三甲基四氢吡喃环侧链的人参二醇 [D] 20(R)-原人参二醇 3. 人参皂苷中具有溶血作用的成分是( ) [A] 人参皂苷Re [B] 人参皂苷Rc [C] 人参皂苷Rd [D] 人参皂苷Rg1 4. 苷草皂苷的苷元是( ) [A] 甘草酸 [B] 甘草次酸 [C] 齐墩果酸 [D] 熊果酸 [E] 乌苏酸 5. 甘草酸的性质不包括( ) [A] 能被中性醋酸铅沉淀 [B] 易成盐 [C] 易溶于热冰醋酸中 [D] 易溶于氨水 [E] 易被酸水解 6. 柴胡皂苷元母核属于( ) [A] 螺旋甾烷 [B] 异螺旋甾烷 [C] 达玛烷 [D] 齐墩果烷 [E] 乌苏烷 7. 可以区别三萜皂苷和甾体皂苷的颜色反应是( ) [A] 香草醛-浓硫酸反应 [B] 三氯醋酸反应 [C] 五氯化锑反应 [D] Kedde反应 [E] K-K反应 8. 皂苷的通性不包括( ) [A] 多呈酸性 [B] 颜色反应 [C] 表面活性 [D] 溶血作用 [E] 沉淀反应 9. 皂苷溶血作用的有无取决于( ) [A] 糖的种类 [B] 糖的数目 [C] 皂苷元结构 [D] 糖链数目 [E] 酸性的有元 10. 能够沉淀甾体皂苷的甾醇类化合物,其结构必须具有( ) [A] 3α-OH [B] 3β-OH [C] 3 [D] C3=O [E] 3β-O-糖基 四、多选题 1. 水解人参皂苷欲得到原人参皂苷元,可选用( ) [A] 矿酸水解法 [B] Smith氧化降解法 [C] 光解法 [D] 土壤微生物培养法 [E] 碱水解法 2. 常见五环三萜皂苷元的结构类型包括( ) [A] 羊毛脂烷型 [B] 达玛烷型 [C] 齐墩果烷型号 [D] 乌苏烷型 [E] 羽扇豆烷型 3. 用于检查皂苷的反应有( ) [A] Liebrmann反应 [B] Gibbs反应 [C] 五氯化锑反应 [D] Baljet反应 [E]Mg(Ac)2反应 五、简答题 1. 为什么皂苷一般不能制成中药注射剂?而人参皂苷可以制成注射剂? 天然药物化学 课程教案 课次 2 授课方式 (请打√) 理论课√ 讨论课 实验课 习题课 其他 课时 安排 1 学时 授课题目(教学章、节或主题): 第七章 三萜及其苷类 第六节 提取分离 第七节 结构测定 教学目的、要求(分掌握、熟悉、了解三个层次): 让学生掌握三萜皂苷的提取通法. 让学生熟悉三萜皂苷元的一般提取方法及分离方法. 让学生了解三萜类化合物的结构测定方法. 教学重点及难点: 重点:三萜皂苷元的一般提取分离方法、三萜皂苷的提取通法 难点:三萜类化合物的结构测定 教学基本内容方法及手段 第六节 提取分离 一、三萜化合物的提取与分离〖皂苷的通法〗 1. 提取 三萜化合物的提取与分离方法大致分四类:①用乙醇、甲醇或稀乙稀提取,提取物直接进行分离.②用醇类溶剂提取后,依次用石油醚、氯仿、乙酸乙酯等溶剂进行分步提取,然后进一步分离,三萜成分主要从氯仿部位中获得.③制备成衍生物再分离,即先将提取物用乙醚提取,再重氮甲烷甲基化,制成甲酯衍生物,或将提取物按常法进行乙酰化制成乙酰衍生物,然后进行分离.④有许多三萜化合物在植物体中是以皂苷形式存在,可将三萜皂苷水解,水解产物用氯仿等溶剂萃取,然后进行分离. 2. 分离 三萜化合物的分离通常是采用反复硅胶吸附柱色谱.常用洗脱剂:石油醚-氯仿、苯-乙酸乙酯、氯仿-乙酸乙酯、氯仿-丙酮、氯仿-甲醇、乙酸乙酯-丙酮等. 二、三萜皂苷的提取与分离〖皂苷的通法〗 1. 提取 提取皂苷的方法1(提取皂苷的通法):三萜皂苷常用醇类(甲醇、稀乙醇)溶剂提取,若皂苷含有羟基、羧基极性基团较多,亲水性强,用稀醇提取效果较好. 提取皂苷的方法2: 2. 分离 (1)分配柱色谱:常用硅胶为支持剂,以氯仿-甲醇-水、二氯甲烷-甲醇-水、乙酸乙酯-乙醇-水、水饱和的正丁醇等溶剂系统进行梯度洗脱,也可用水饱和的正丁醇等作为洗脱剂. (2)制备性高效液相色谱. (3)制备性薄层色谱. (4)反相色谱:通常以反相键合相,Rp-18、Rp-8或Rp-2为填充剂,常用甲醇-水或乙腈-水等溶剂为洗脱剂. (5)Sephadex LH-20色谱:以甲醇等洗脱剂进行纯化较果较好. (6)将皂苷进行乙酰化制成乙酰酯,如果皂苷结构中有羧基,可用CH2N2甲酯化制成甲酯,然后用硅胶柱色谱分离,常以己烷、乙酸乙酯等为溶剂,纯化后在碱性条件下脱乙酰基或甲基. 分离皂苷常常需将多种方法结合使用才能得到满意的结果. 第七节 结构测定 三萜及其皂苷的结构测定主要依照生源关系并采用化学和波谱等方法. 3. 波谱方法 另外,一些母核新颖较复杂的三萜类化合物的结构可采用2D-NMR和单晶X-射线衍射分析等方法进行确定. 一、紫外光谱 紫外光谱可用于判断齐墩果烷三萜化合物结构中双键类型,①如结构中只有一个孤立双键,仅在205~250nm处有微弱吸收,若有α,β-不饱和羰基,最大吸收在242~250nm.②如有异环共轭双烯,最大吸收在240, 250, 260nm.同环共轭双烯最大吸收在285nm.③此外,11-oxo、12-齐墩果烷型化合物,可用紫外光谱判断18-H的构型,当18-H为β构型时,最大吸收在248~249nm,18-H为α构型时,最大吸收在242~243nm. 二、质谱 三、核磁共振谱 (一)核磁共振氢谱 甲基质子信号:一般甲基质子信号在0.625~1.50之间.在1H-NMR的高场区出现多个甲基单峰是三萜类化合物的最大特征. 烯氢信号:①烯氢信号的化学位移值一般为δ4.3~6.②环内双键质子的δ值一般大于5,环外烯氢的δ值一般小于5. 连氧的碳上质子及糖的端基质子信号:①三萜化合物常有OH取代,连OH的碳上质子信号一般出现在δ3.2~4.②连OAc的碳上质子信号一般出现在δ4~5.5.③三萜皂苷糖部分的1H-NMR如同在第二章(糖苷)中介绍的一样,可识别的主要是端基质子,其偶合常数可用于确定苷键构型. (二)核磁共振碳谱 化学位移:在13C-NMR中角甲基一般出现在δ8.9~33.7,其中23-CH3和29-CH3为e键甲基出现在低场,化学位移值依次为28和33左右.苷元中除与氧连接的碳和烯碳等外,其他碳一般在60以下,苷元和糖上与氧相连的碳出现在δ60~90,烯碳在δ109~160,羰基碳为δ170~220. 1. 双键位置及结构母核的确定 三萜及双键位置 烯碳δ值 其他特征碳 12-齐墩果烯 C-12:122~124,C-13:143~144 11-oxo, 12-齐墩果烯 C-12:128~129,C-13:155~167 C-11:199~220 11-13,28-epoxy-齐墩果烯 C-11:132~133,C-12:131~132 11,13(18)-齐墩果烯 (异环双烯) C-11:126~127,C-12:126 C-13:136~137,C-18:133 C-13:84~85.5 9(11),12-齐墩果烯 (同环双烯) C-9:154~155, C-11:116~117 C-12:121~122,C-13:143~147 12-乌苏烯 C-12:124~125,C-13:139~140 20(29)-羽扇豆烯 C-29:109,C-20:150 举例讲解、多媒体讲解 作业、讨论题、思考题: 一、单选题 1. 从中药材中提取纯化皂苷常用的方法有包括( ) [A] 乙醇提取,正丁醇萃取法 [B] 乙醇提取,乙醚沉淀法 [C] 乙醇提取,丙酮沉淀法 [D] 碱水提取,加酸沉淀法 [E] 盐酸水解,氯仿萃取法 2. 分段沉淀法分离皂苷是利用混合物中各皂苷( ) [A] 酸性差异 [B] 分子大小不同 [C] 极性差异 [D] 解离程度不同 3. 分离皂苷时常不使用的色谱分离方法是( ) [A] 硅胶吸附色谱法 [B] 硅胶分配色谱法 [C] 大孔吸附树脂法 [D] 离子交换树脂法 [E] 高效液相色谱法 4. 可用于分离三萜皂苷和甾体皂苷的方法是( ) [A] 正丁醇提取法 [B] 明胶沉淀法 [C] 分段沉淀法 [D] 胆甾醇沉淀法 [E] 乙醇沉淀法 5. 齐墩果烷型三萜皂苷元的13C-NMR谱中,季碳信号数目为( ) [A] 2个[B] 4个[C] 6个[D] 8个[E] 10个二、简答题 1. 请写出提取皂苷的通法.