1、中药化学全国普通高等中医药院校“十三五”规划教材第二第二章章 中药中药化学的一般研究方法化学的一般研究方法目录第一节 中药化学成分及生物合成简介第二节 中药有效成分的提取分离方法第三节 中药有效成分化学结构的研究方法第一节 中药化学成分及生物合成简介一、中药化学成分类型简介二、各类中药化学成分的主要生物合成途径 5 5 一、中药化学成分类型简介v1.生物碱 是一类存在于生物体内的含氮有机化合物，具有碱的性质，能与酸结合成盐。游离的生物碱大多不溶或难溶于水，能溶于乙醇、三氯甲烷、乙醚和苯等有机溶剂中。生物碱的无机酸盐和小分子有机酸盐易溶于水及乙醇，不溶或难溶亲脂性有机溶剂。6 6 一、中药化学成
2、分类型简介v2.糖类 糖类：单糖、低聚糖、多糖 苷类：是糖与非糖物质（苷元）结合的化合物，能溶于水，乙（甲）醇。苷元：难溶于水，易溶于有机溶剂 7 7 一、中药化学成分类型简介v3.醌类化合物 一类具有醌式结构的化合物。游离醌类：溶于乙醇、乙醚、苯、三氯甲烷；苷 类：溶于热水、乙醇、甲醇等。8 8 v4.苯丙素类化合物 一类分子中苯环与三个直链碳相连为单位（C6-C3）构成的化合物。主要有简单的苯丙素类、香豆素类、木脂素类化合物。一、中药化学成分类型简介 7羟基香豆素 去甲二氢愈创木脂酸桂皮醛 9 9 一、中药化学成分类型简介v5.黄酮类化合物 泛指两个苯环通过中间三碳链相互连结而成的一类化合
3、物。游离黄酮类：溶于乙醇、乙醚、苯、三氯甲烷；黄酮苷类：溶于热水、乙醇、甲醇等。10 10 一、中药化学成分类型简介v6.鞣质类化合物 是一类能使蛋白质沉淀的多元酚类化合物。能溶于水、乙醇、丙酮和乙酸乙酯等极性大的溶剂。11 11 一、中药化学成分类型简介v7.萜类化合物 由甲戊二羟酸衍生、基本母核符合（C5H8）n 的一类化合物。三萜皂苷：由30个碳原子组成有萜类化合物。OOH莪术醇 12 12 一、中药化学成分类型简介v8.甾体类化合物 具有环戊烷骈多氢菲甾核的化合物。包括植物甾醇、胆汁酸、C21甾类、昆虫变态激素、强心苷、甾体皂苷、甾体生物碱、蟾毒配基等。13 13 二、各类中药化学成分
4、主要生物合成途径p一次代谢产物 绿色植物及藻类通过光合作用将水和二氧化碳合成为糖类，进一步通过不同途径生产植物中普遍存在的维持有机体正常生存的必需物质，即一次代谢产物，如蛋白质、糖类、叶绿素、脂类、核酸等。p二次代谢产物 以一次代谢产物为前体，经不同代谢过程生成的化合物。如生物碱、黄酮、萜类、皂苷等。14 14 二、各类中药化学成分主要生物合成途径 15 15 v醋酸-丙二酸途径 二、各类中药化学成分主要生物合成途径乙酰辅酶A醋酸-丙二酸途径饱和脂肪酸 酚类醌类 16 16 二、各类中药化学成分主要生物合成途径v甲戊二羟酸途径 OOOHHOO 青蒿素 17 17 二、各类中药化学成分主要生物合
5、成途径v桂皮酸途径 18 18 二、各类中药化学成分主要生物合成途径v氨基酸途径 19 19 二、各类中药化学成分主要生物合成途径v复合途径 常见复合途径：醋酸-丙二酸莽草酸途径 醋酸-丙二酸甲戊二羟酸途径 氨基酸醋酸-丙二酸途径 氨基酸莽草酸途径 氨基酸甲戊二羟酸途径 20 20 第二节 中药化学成分的提取分离方法一、中药有效成分的提取方法二、中药有效成分的分离精制方法 21 21 一、中药有效成分的提取方法现代提取方法溶剂提取法水蒸气蒸馏法升华法超声波提取法超临界提取法微波提取法仿生提取法生物酶解法提取方法经典提取方法 22 22 一、中药有效成分的提取方法v常见溶剂 石油醚 苯 三氯甲烷
6、 乙醚 乙酸乙酯 正丁醇 丙酮 乙醇 甲醇 10时：萃取1012次可实现基本分离；28 28 二、中药有效成分的分离精制方法p简单萃取法 常用萃取溶剂：石油醚-水：萃取强亲脂性成分 三氯甲烷-水：萃取中等亲脂性成分，如游离生物碱等 正丁醇-水：萃取亲水性成分，如皂苷等 29 29 二、中药有效成分的分离精制方法ppH梯度萃取法 酸性物质：HA +H2O A-+H3O+碱性物质：BH+OH-B +H2O 酸碱化合物pH值变化可改变其存在状态，即游离型或解离型。适用于分离：亲脂性碱性、酸性、酚性及内酯化合物。pH 12 30 30 二、中药有效成分的分离精制方法 31 31 二、中药有效成分的分离
7、精制方法p连续萃取法 利用两相溶液比重不同自然分层、分散相液滴穿过连续相溶剂时发生传质而达到分离的目的。p液滴逆流分溶法 利用混合物中各组分在两相间的分配系数的差别，由流动相形成液滴，通过作为固定相的液柱而达到分离纯化的目的。32 32 v沉淀法 p 水提醇沉法：在水提浓缩液中加入乙醇使含醇量达60%以上，可使多糖和蛋白质等沉淀。中药多糖成分时常采用此法进行粗多糖的分离。p 醇提水沉法：醇提浓缩液中加入10倍量以上水，可沉淀亲脂性成分，如油脂、叶绿素等。p 酸提取碱沉淀：利用碱性成分在酸中成盐而溶解，在碱中游离而沉淀的性质，分离中药中亲脂性碱性成分。p 碱提取酸沉淀：利用酸性成分在碱中成盐而溶
8、解，在酸中游离而沉淀的性质，分离中药中亲脂性酚类、酸类和内酯类成分。二、中药有效成分的分离精制方法 33 33 p 专属试剂沉淀法 雷氏铵盐：用于沉淀水溶性生物碱；明胶：沉淀鞣质，可用于分离或除去鞣质。p 盐析法 在中药水提液中，加入无机盐至饱和状态，可使某类成分在水中溶解度降低而沉淀，与水溶性杂质分离。常用盐析的无机盐有氯化钠、硫酸钠、硫酸镁等。黄藤中掌叶防己碱可用盐析法制备。二、中药有效成分的分离精制方法 34 34 v结晶法 利用混合物中各成分在溶剂中的溶解度不同来达到分离的方法。p 结晶溶剂的选择 对结晶成分冷时溶解度较小，热时溶解度较大；对杂质在冷时、热时均溶或不溶。溶剂与被结晶的化
9、合物不发生化学反应。溶剂的沸点适中。二、中药有效成分的分离精制方法 35 35 p 结晶过程的操作 选择合适的溶剂，将混合物加热溶解，形成饱和溶液，趁热过滤除去不溶杂质，滤液低温或室温放置，析出晶体，从而达到与溶液中杂质分离的目的。p 结晶纯度的判断 由化合物的晶形和色泽、熔点和熔距、色谱分析等鉴定。晶形、色泽均匀一致；熔距在0.51.0范围；3种以上不同极性展开剂展开，目标成分Rf值在0.5左右。二、中药有效成分的分离精制方法 36 36 v分馏法 是利用液体混合物中各成分沸点的差异，通过反复蒸馏来分离液体成分的方法。p 常压分馏 适用于混合物各成分沸点相差100以上液体成分的分离。p 减压
10、分馏 适用于分离沸点相差25以下液体混合物。p 分子蒸馏 挥发油中各成分沸点在150以上、有热敏性易氧化的化合物，需减压分馏或高真空度下的分子蒸馏分离。二、中药有效成分的分离精制方法 37 37 v膜分离法 p 透析法 是利用混合物中化合物分子大小不同，小分子物质能通过半透膜，而大分子物质不能通过半透膜的性质达到分离的方法。中药中的皂苷、蛋白质、多肽和多糖等大分子物质可用透析法除去无机盐，单糖、双糖等杂质分离纯化。p 超滤法 利用具有一定孔径的多孔滤膜，以外加压力或化学位差为推动力，对分子大小不同的混合物进行筛分而达到相互分离的方法。分为微滤、超滤和纳滤3种主要类型 适用中药提取液的除杂、大分
11、子化合物的纯化。二、中药有效成分的分离精制方法 38 38 v色谱分离法 二、中药有效成分的分离精制方法 39 39 二、中药有效成分的分离精制方法p 吸附色谱 吸附规律 硅胶：极性吸附剂，化合物极性越大吸附越强；适用于中性或酸性成分如萜类、蒽醌类等的分离。氧化铝：极性吸附剂，化合物极性越大吸附越强；碱性氧化铝适用于分离中药中的碱性成分；中性氧化铝适用于分离中药中碱性或中性成分；活性炭：非极性吸附剂，对非极性成分有较强的亲和力；主要用来分离水溶性成分及脱色。40 40 二、中药有效成分的分离精制方法 聚酰胺：酰胺键与酚类、酸类、醌类等形成氢键缔合而吸附。规律：形成氢键的基团越多，吸附能力越强；
12、易形成分子内氢键的化合物吸附能力相应减弱；分子中芳香化程度高则吸附性增强；“双重色谱”性能：含水极性溶剂流动相：反相色谱行为；非极性溶剂流动相：为正相色谱行为。41 41 二、中药有效成分的分离精制方法 化合物极性判断 从分子结构中所含官能团的种类、数目及排列方式等因素综合判断和比较成分的极性。官能团的极性强弱排列顺序：R-COOH Ar-OH H2O R-OH R-NH2(R-NH-R,R-N-RR)R-CO-N-RR R-CO-R R-CO-OR R-O-R R-X R-H 比较化合物极性基团及在分子中的比例，如苷与苷元；两种化合物结构类似时，其分子平面性越强，极性越小；能形成分子内氢键的
13、异构体化合物极性较小；酸性、碱性及两性化合物的极性由其游离型、解离型的存在状态所决定。42 42 二、中药有效成分的分离精制方法 洗脱剂的选择（1）极性吸附色谱 极性越大洗脱能力越强。通过调节混合溶剂比例以改变极性，达到梯度洗脱分离成分的目的。43 43（2）聚酰胺色谱 常用洗脱剂的洗脱能力由小到大的顺序为：水甲醇或乙醇丙酮氢氧化钠水溶液甲酰胺二甲基甲酰胺 尿素水溶液 聚酰胺与酚性成分的结合在水中最强，在含水醇中随醇浓度增加而随之减弱。用水装柱，醇浓度由低到高洗脱。（3）非极性吸附色谱 成分在水中吸附最强，在含水醇中随醇浓度增加而减弱。用水装柱，醇浓度由低到高洗脱。二、中药有效成分的分离精制方
14、法 44 44 二、中药有效成分的分离精制方法v 凝胶色谱法 p 分离原理 利用分子筛分离物质。混合物中成分通过凝胶柱时按分子由大到小顺序先后流出得到分离。p 凝胶的种类与性质 葡聚糖凝胶(Sephadex-G）分子筛原理，分离不同分子量的物质。羟丙基葡聚糖凝胶(Sephadex LH-20)分子筛和极性吸附原理，适于不同类型化合物的分离。45 45 二、中药有效成分的分离精制方法v 离子交换色谱法（1 1）分离原理）分离原理 离子性成分与树脂进行离子交换反应而被吸附，再用适合的溶剂将其从树脂上洗脱下来，实现成分的分离。（2）分类及应用 阳离子交换树脂：分离阳离子化合物，如氨基酸、肽类、生物碱
15、类成分；阴离子交换树脂：分离阴离子化合物，如有机酸、酚类、氨基酸类成分。46 46 二、中药有效成分的分离精制方法v 大孔树脂吸附法 p 吸附原理 吸附和分子筛原理相结合的色谱方法。p 影响吸附因素 极性大孔树脂在水中易吸附极性较大的化合物，非极性化合物在水中易被非极性大孔树脂吸附；在一定条件下，化合物体积越大，吸附力越强。物质在溶剂中溶解度大，则大孔树脂对其吸附力小。p 洗脱液的选择 非极性大孔树脂：洗脱剂极性越小，洗脱能力越强；极性大孔树脂：洗脱剂极性越大，洗脱能力越强。47 47 二、中药有效成分的分离精制方法v 分配色谱法 利用混合物中各成分在固定相和流动相中分配系数不同而达到分离的色
16、谱法 正相分配层析：正相分配层析：流动相的极性小于固定相的极性；反相分配层析：反相分配层析：流动相的极性大于固定相的极性；载体 将作为固定相的溶剂吸附于某种惰性固体物质的表面。常用的载体有硅胶、硅藻土、纤维素粉等。溶剂系统的选择 亲水性较强的成分：如苷类、糖类，常采用正相分配色谱 亲脂性稍强的成分：如甾体和强心苷类，用反相分配色谱 48 48 二、中药有效成分的分离精制方法v 液滴逆流色谱法 流动相通过固定液相柱时形成液滴，使混合物中的各化学成分在互不混溶的两相液滴中因分配系数不同而达到分离。常在二相溶剂中附加第三种溶剂（或第四种溶剂）即三元或四元溶剂系统，以实现相似物质的有效分离。49 49
17、 二、中药有效成分的分离精制方法v 高速逆流色谱法 利用聚氟乙烯螺旋分离柱高速行星式旋转下所产生的离心力作用，使固定相稳定地保留在分离柱中、样品和流动相单向、低速通过固定相，实现连续逆流萃取分离物质的目的。适用于极性及非极性化合物的分离，如皂苷、生物碱、酸性化合物、蛋白质和糖类等。50 50 二、中药有效成分的分离精制方法v 加压液相柱色谱 加压柱色谱分类及分离规模如下：加压柱色谱分类及分离规模如下：51 51 第三节 中药有效成分化学结构的研究方法一、中药有效成分的理化鉴定二、中药有效成分的波谱测定三、中药有效成分结构修饰方法 52 52 一、中药有效成分的理化鉴定v物理常数的测定 固体纯物
18、质：熔距在0.51.0 液体纯物质：有恒定的折光率和比重、沸点，沸程小于5 光学活性物质：比旋度v分子式确定 高分辨率质谱法：精确分子量、分子式 同位素丰度法 元素分析法 53 53 v化合物的结构骨架与官能团的确定 化合物不饱和度 计算化合物不饱和度，了解结构中的双健数或环数。分子结构骨架与官能团 特征性呈色反应：如各类化合物及官能团的检识反应 波谱数据：IR等 物理常数 一、中药有效成分的理化鉴定 54 54 二、中药有效成分的波谱测定 各类波谱方法及在分析化合物结构中的作用如下：各类波谱方法及在分析化合物结构中的作用如下：55 55 v紫外可见吸收光谱（UV）主要用于确定分子中的不饱和共
19、轭系统，主要化合物结构的特征UV吸收特下如下：二、中药有效成分的波谱测定 56 56 v红外光谱（IR）能充分反应化合物官能团与波长的关系，主要用于羟基、羰基、苯环、双键等官能团的确认。二、中药有效成分的波谱测定 57 57 v核磁共振光谱p 核磁共振氢谱（1H-NMR）通过化学位移（）、峰面积及峰形与偶合常数（J）提供分子中1H的类型、数目及相邻原子或原子团的结构信息。二、中药有效成分的波谱测定 58 58 p 核磁共振碳谱（13C-NMR）提供分子中各种不同类型及化学环境的碳核化学位移（c）、异核偶合常数（JCH)及弛豫时间（T1)的结构信息。二、中药有效成分的波谱测定 59 59 常见的
20、13C-NMR测定技术：质子宽带去偶谱：质子与碳的偶合被消除，每个不等价碳原子都会给出一个单峰。偏共振去偶谱：连接质子的碳有残余裂分，如次甲基（-CH)碳呈双峰，亚甲基（-CH2）碳呈三重峰，甲基（-CH3)碳呈四重峰，季碳呈单峰。低灵敏核极化转移增强法：调节CH、CH2、CH3信号的强度，从而有效地识别CH、CH2、CH3。DEPT谱：改变脉冲角度（=45、90和135），使不同类型的碳核在谱图中得以辨别。二、中药有效成分的波谱测定 60 60 v二维NMR谱（2D-NMR）2D-NMR谱的二维坐标F1、F2表示化学位移值，可以给出化合物分子结构中1H-13C、1H-1H之间的相互连接及耦合
21、的信息。应用较多的2D-NMR谱：同核化学位移相关谱（1H-1H COSY）异核单量子相关谱（HSQC）异核多键相关谱（HMBC）二、中药有效成分的波谱测定 61 61 p 1H-1H COSY 用于测定1H-1H间相互偶合的二维图谱，沿对角形成的斑点称为对角峰，其他斑点称为相关峰。地胆草新内酯二、中药有效成分的波谱测定 62 62 p 异核化学位移相关谱HMQC：通过1H核检测的异核多量子相关谱，能反映1H核与其直接相连的13C的关联关系，以确定C-H偶合关系。地胆草新内酯二、中药有效成分的波谱测定 63 63 p 异核化学位移相关谱HMBC：是通过1H核检测多键相关谱，可突出表现相隔2个键
22、（2JCH）和相隔3个键（3JCH）的1H-13C之间的偶合。地胆草新内酯二、中药有效成分的波谱测定 64 64 v质谱 通过测定样品分子离子及碎片的质量和强度信息进行成分结构分析的一种方法。HR-MS：获得化合物分子量、分子式 分子离子峰：获得分子量信息 碎片峰、分子离子峰：推测化合物的结构 二、中药有效成分的波谱测定 65 65 质谱法的主要技术及相应特点：电子轰击质谱（EI-MS）：碎片信息丰富，利于推测化合物结构。分子量较大或热稳定性差的化合物难获得分子离子峰；快原子轰击质谱（FAB-MS）：产生M+Na+或M+K+峰，适合分子量稍大或难于气化的化合物如糖苷类、肽类的测定。可获得分子中
23、苷元、糖的结构碎片峰。电喷雾电离质谱（ESI-MS）：产生M+H+或 M-H-离子峰，适于大分子、小分子及强级性化合物结构分析。飞行时间质谱（TOF）：灵敏度高、测定质量范围宽，尤其适合大分子化合物的测定。二、中药有效成分的波谱测定 66 66 v旋光光谱与圆二色谱 旋光光谱（ORD）和圆二色光谱（CD）主要用于测定手性化合物的构型和构象，发色团在手性分子中的位置。p ORD化合物的旋光度：用不同波长的偏振光照射光学活性化合物，并用波长对比旋光度 或摩尔旋光度作图所得的曲线即为旋光谱。化合物分子手性中心邻近有发色团，旋光度发生显著变化、产生峰和谷的现象称为 Cotton效应。p CD光学活性：
24、分子对左、右圆偏振光的吸收不同，透过后变成椭圆偏振光，这种现象称为圆二色性。二、中药有效成分的波谱测定 67 67 vX射线衍射法 是利用X射线的衍射方向和强度与晶体结构的内在联系，确定化合物结构的方法。可以获得化合物的结构式，还可以获得结构中键长、键角、构象和绝对构型等信息。适用于微量成分、新骨架化合物和大分子物质的确定。二、中药有效成分的波谱测定 68 68 三、中药有效成分结构修饰方法v概 述 从中药研发得到的有效成分，仅有约 5%活性强、毒副作用小、生物利用度好，可直接制成制剂供临床使用，如小檗碱、芦丁和苦参碱等。大多数从中药中发现有效成分，筛选出先导化合物，通过结构修饰后获得单体药物
25、。是一条研制新药的重要途径。69 69 v中药有效成分结构修饰的准则p 类药5规则（Rule of Five）：分子量在500以下；氢键的给体（含OH和NH的数目）不超过5个；氢键的接受体（N、O和F原子的总数）不超过10个；分配系数（正辛醇-水系统）logP值不超过5；化合物的柔性不宜过强。三、中药有效成分结构修饰方法 70 70 三、中药有效成分结构修饰方法p 先导化合物的结构修饰准则 最少修饰准则：设计与先导化合物结构相近的类似物，改变先导化合物的生物活性、选择性和毒性等作用；生物学逻辑准则：分析先导化合物结构与活性之间的关系，推测构效关系，指导目标化合物的结构修饰；结构逻辑准则：推测出
26、先导化合物化学结构与活性或选择性相关的立体电性参数，以指导先导化合物的结构修饰；易合成准则：优先采用最简单的合成路线对先导化合物进行结构修饰，提高结构修饰的效率。71 71 去除手性中心准则：保持先导化合物的活性和成药性，去掉手性中心；若外消旋体无活性与毒性，不必拆分单一异构体；先合成其消旋体，证实手性中心活性后，再对其单一的异构体拆分或合成并进行活性研究。药理学逻辑准则：必须遵照的准则是量效关系、最佳剂量、对照物参比试验、达峰时间的确定等。三、中药有效成分结构修饰方法 72 72 v中药有效成分结构修饰的方法p 取代基的改变 具有相同原子数和电子数的原子或分子（电子等排体），表现出最大的生物
27、活性相似性。如毒扁豆碱：三、中药有效成分结构修饰方法 73 73 结构修饰先导化合物的基团，使其增强活性、调整水溶性及亲脂性、改变离解性及降低毒性，从而筛选出活性高、成药性好的目标化合物。如胡椒碱：三、中药有效成分结构修饰方法 74 74 p 环结构改造 先导化合物结构中环的大小有时会影响其活性，有的结构复杂、环系较多，难合成。因此，需要对其环的结构进行剖裂、扩环或缩环的结构修饰。吗啡结构优化得到一系列结构简化的合成镇痛药如下：三、中药有效成分结构修饰方法 75 75 p 立体因素影响 药物的三维结构与受体三维结构的互补性（匹配性）对两者间的相互作用有重要的影响。药物结构中立体因素对生物活性的
28、影响主要表现：官能团间的距离；几何异构体；光学异构体 构象异构体 等效构象三、中药有效成分结构修饰方法 76 76 p 前药、孪药和软药与硬药 前药：一类体外无活性或活性较弱，在体内经酶或其他作用，释放出活性物质而产生药效的药物。设计的目的是提高药物对靶部位作用的选择性。孪药：将两个药物经共价键连接合成新的药物，在体内代谢生成前两 种药物，而产生协同作用、增强活性、新的药理活性或提高选择性。软药：在原药分子中设计易代谢失活的部位，使药物在完成治疗作用后速率迅速分解、失活并排出体外，从而避免药物的蓄积性毒性。硬药：设计一类在体内不能被代谢，直接从胆汁或肾排出的有效药物，以避免有害代谢物产生。三、中药有效成分结构修饰方法 77 77 p 计算机辅助药物设计 直接药物设计：当受体靶点的三维结构已知时，以生物大分子的三维结构为基础，根据受体受点的形状和性质，研究药物与受体的相互作用，采用直接药物设计。间接药物设计：在受体靶点的三维结构未知的情况下，以小分子的构效关系研究为基础，通过研究一类小分子化合物结构与活性之间的关系规律，发现或优化先导化合物。三、中药有效成分结构修饰方法
