第四章醌类化合物

第四章醌类化合物(Quinonoids)第四章醌类化合物概述第一节结构与分类第二节理化性质第三节检识方法第四节提取与分离方法第五节蒽醌类化合物的结构测定概述醌类化合物(quinonoids)是植物中一类具有醌式结构的有色物质，在植物界分布较广泛，高等植物中大约有50多个科100余属的植物中含有醌类，集中分布于蓼科、茜草科、豆科、鼠李科、百合科、紫葳科等植物中。天然药物如大黄、虎杖、何首乌、决明子、丹参、番泻叶、芦荟、紫草中的有效成分都是醌类化合物。醌类化合物多数存在于植物的根、皮、叶及心材中，也有存在于茎、种子和果实中。天然的醌类化合物的生物活性是多方面的，如泻下、抗菌、抗病毒、止血、利尿和抗肿瘤作用，还有一些用于治疗高血压及心脏病，是一类很有前途的生物活性成分。第一节结构与分类醌类化合物主要分为苯醌、萘醌、菲醌和蒽醌四种类型。一、苯醌类苯醌类(benzoquinones)化合物分为邻苯醌和对苯醌两大类。邻苯醌不稳定，故天然存在的苯醌多数为对苯醌的衍生物。对苯醌邻苯醌天然的苯醌类衍生物多为黄色或橙色的结晶体，如中药凤眼草果实中具有抗菌作用的2,6-二甲氧基对苯醌，及白花酸藤果和木桂花果实中具有解热、镇痛、驱绦虫作用的信筒子醌(embelin)。具有苯醌结构的泛醌类(ubiquinones)又称辅酶Q(coenzymesQ)类，广泛存在于生物界，参与生物体内氧化还原过程，其中辅酶Q10（n=10）用于高血压及心脏病等疾病的辅助治疗。2,6-二甲氧基苯醌信筒子醌辅酶Q10二、萘醌类天然存在的萘醌类(naphthoquinones)化合物分为α（1,4）、β（l,2）及amphi-（2,6）三种类型。大多数是α-萘醌类衍生物，多为橙色或橙红色结晶，少数呈紫色。OO1234567891010987654321OO10987654321OOα-(1,4)萘醌β-(l,2)萘醌amphi-(2,6)萘醌胡桃叶及未成熟的果实中含有α-萘醌基本母核的胡桃醌(juglon)具有抗菌、抗肿瘤及中枢神经镇静作用；中药紫草的有效成分紫草素(shikonin)具有止血、抗菌及抗肿瘤作用；维生素K类也属于萘醌类成分。唇形科植物红根草中的红根草邻醌(saprotho-quinone)属邻萘醌，具有抗菌活性及对P-388白血病细胞有细胞毒性；从子囊菌纲竹红菌中分离得到的竹红菌甲素(hypocrellinA)属二萘酮化合物，具显著的光敏活性，有望发展成新型的治疗肿瘤、艾滋病的光疗药物。三、菲醌类天然菲醌(Phenanthraquinone)分为邻菲醌及对菲醌两种类型，如从中药丹参根中分离得到的多种菲醌衍生物，具有抗菌和扩张冠状动脉作用，均属于邻菲醌类和对菲醌类化合物。邻菲醌对菲醌四、蒽醌类蒽醌类（anthraquinones）成分按母核的结构分为单蒽核及双蒽核两大类。（一）单蒽核类1．蒽醌及其苷类天然蒽醌以9,10-蒽醌最为常见，由于整个分子形成共轭体系，C9、C10又处于最高氧化状态，因此比较稳定。OO57123468910位:1，4，5，8位:2，3，6，7meso（中位）:9，10根据取代基在蒽醌母核上的分布情况，可将羟基蒽醌衍生物分为两种类型。（1）大黄素型：取代基分布在两侧的苯环上。如大黄中的主要蒽醌成分属于这种类型。R1R2大黄酸(rhein)-H-COOH大黄素(emodin)-OH-CH3芦荟大黄素(aloe-emodin)-H-CH2OH大黄素甲醚(physcion)-OCH3-CH3大黄酚(chrysophanol)-H-CH3OOOHOHR1R2大黄中的羟基蒽醌衍生物多与葡萄糖结合成苷类，一般为单糖苷和双糖苷。（2）茜草素型：这种类型的蒽醌取代基分布在一侧的苯环上，如茜草中的茜草素等化合物即属此种类型。OOOHR3R1R2R1R2R3茜草素(alizarin)-OH-H-H羟基茜草素(purpurin)-OH-H-OH伪羟基茜草素(pseudopurpurin)-OH-COOH-OH茜草中蒽醌主要以游离的苷元形式存在，部分与葡萄糖和木糖结合生成单糖苷或双糖苷。2．蒽酚或蒽酮衍生物蒽醌可被酶或在酸性条件下被还原，生成蒽酚及其互变异构体蒽酮。用于治疗疥癣的柯桠素(chrysarobin)属于此类衍生物。OOSnHClOHOOHCH3OHOHOHOHOCH3蒽醌蒽酚蒽酮柯桠素蒽酚（或蒽酮）不稳定，易氧化成蒽醌，因此蒽酚（或蒽酮）衍生物一般只存在于新鲜植物中。（二）双蒽核类1．二蒽酮类二蒽酮类是由两分子蒽酮脱去一分子氢，通过碳-碳键结合而成的化合物。其结合方式多为C10-C10′连接。例如大黄及番泻叶中致泻的主要有效成分番泻苷A、B、C、D等皆为二蒽酮衍生物的二糖链苷。OOHOglcCOOHHOOHOglcCOOHHOOHOglcCOOHOOHOglcCOOHHH番泻苷A番泻苷B2．二蒽醌类为两分子蒽醌通过碳-碳键结合而成的化合物。天然二蒽醌类化合物中的两个蒽醌环都是相同而对称的，由于空间位阻的相互排斥，故两个蒽环呈反向排列，如：OOOHOHHOCH3OHOOOHOHOHH3COH黄色霉素（三）蒽醌类化合物的生物活性1．泻下作用番泻叶、生大黄等常作为泻药应用于临床，泻下作用的主要活性成分是蒽醌类，经研究分析大黄中各种蒽醌成分的泻下作用，具有二蒽酮结构的番泻苷类泻下作用最强。2．抗菌作用蒽酮类成分大多有抗菌活性，且苷元作用大于蒽醌苷类。在常见苷元中，大黄酸的抗菌作用最强。3．抗肿瘤作用蒽醌类化合物有一定的抗肿瘤活性。第二节理化性质一、性状：天然的醌类成分多为有色结晶，且随着母核上酚羟基等助色团增多，可显黄、橙、棕红色以至紫红色；蒽醌类化合物中茜草素型颜色（红→紫）较大黄素型（橙→黄）深。蒽醌类化合物多有荧光，并且在不同的pH条件下所呈的荧光不同。二、升华性：游离的醌类化合物一般具有升华性。将药材粉末加热升华，再检识升华物可用来判断药材中有无醌类化合物的存在。三、溶解性：游离醌类极性较小，一般溶于甲醇、乙醇、丙酮、醋酸乙酯、氯仿、乙醚、苯等有机溶剂，不溶或难溶于水；与糖结合成苷后极性显著增大，易溶于甲醇、乙醇中，溶于热水，但在冷水中溶解度较小，几乎不溶于乙醚、苯、氯仿等极性较小的有机溶剂中。四、酸碱性（一）酸性：醌类化合物多具有酚羟基、羧基，故具有一定的酸性。醌类化合物因分子中羧基的有无和酚羟基的数目以及位置的不同，酸性强弱表现出显著的差异。其规律如下：1．含有羧基的醌类化合物的酸性强于不含羧基者。2．醌类化合物母核上β-羟基的酸性强于α-羟基。3．酚羟基数目增多，酸性增强。酸性顺序：-COOH＞2个β-羟基＞1个β-羟基＞2个α-羟基＞1个α-羟基（二）碱性：由于羰基上的氧原子具有微弱的碱性，能溶于浓硫酸中生成yang盐再转成阳碳离子，同时颜色显著加深，羟基蒽醌在浓硫酸中一般呈红至红紫色。如大黄酚为暗黄色，溶于浓硫酸中转为红色，大黄素由橙红色变为红色。生成的yang盐不稳定，加水即分解（颜色褪去）。第三节检识方法一、显色反应醌类的颜色反应主要是由于其氧化还原性质以及分子中的酚羟基性质而引起颜色的变化。（一）无色亚甲蓝显色试验：本试验为苯醌类及萘醌类的专属性反应，可在PC或TLC上进行。试样在白色背景上与无色亚甲蓝乙醇（1mg/ml）溶液呈现蓝色斑点，蒽醌类化合物无此反应，可用于区别。（二）菲格尔(Feigl)反应：醌类化合物包括苯醌、萘醌、菲醌和蒽醌，在碱性条件下加热，能迅速与醛类及邻二硝基苯反应生成紫色化合物。（三）碱液呈色反应(Bornträger反应)：羟基蒽醌类在碱性溶液中颜色加深，多呈红色或紫红色。此种红色物质不溶于有机溶剂，加酸则颜色褪去。（四）与金属离子的反应在蒽醌类化合物中，如果有α-酚羟基或邻二酚羟基结构时，则可与Pb2+、Mg2+等金属离子形成螯合物。（五）对亚硝基二甲苯胺反应此反应是蒽酮类化合物的专属反应，尤其是1,8-二羟基蒽酮衍生物，其羰基对位的亚甲基上的氢很活泼，可与0.1％对亚硝基二甲苯胺吡啶溶液反应立即显色。二、色谱检识（一）薄层色谱羟基蒽醌苷元及其苷类的薄层色谱，常用硅胶作为吸附剂，也可选用聚酰胺，一般不使用氧化铝，因羟基蒽醌能与氧化铝形成螯合物，吸附性强，难以展开。展开剂多用混合溶剂，对于极性较弱的游离蒽醌可用亲脂性溶剂系统展开如氯仿-醋酸乙酯（75∶25），石油醚（30～60℃）-醋酸乙酯-甲酸（15∶5∶1的上层）等。蒽醌苷类可采用极性较大的溶剂系统，如醋酸乙酯-甲醇-冰醋酸（l00∶17∶13）等。蒽醌类及其苷在可见光下多显黄色，在紫外光下则显黄棕、红、橙色等荧光，可用氨熏或用碳酸钠、氢氧化钾甲醇溶液喷雾，亦可喷醋酸镁甲醇溶液，观察颜色变化。（二）纸色谱游离蒽醌的纸色谱一般在中性溶剂系统中进行，展开剂常用水或甲醇饱和的石油醚，如石油醚-丙酮-水（1∶1∶3上层），97％甲醇饱和的石油醚；也可用酸性溶剂系统，如正丁醇-醋酸-水（4∶1∶5上层）；非水溶剂系统，如以10％甲酰胺的乙醇液处理滤纸，石油醚-氯仿（94∶6）为展开剂，羟基蒽醌苷元可获得较好的色谱效果。显色方法可参照薄层色谱法。蒽醌苷类极性较强，需要选用极性较大的溶剂系统，如正丁醇-醋酸乙酯-水（4∶3∶3上层），氯仿-甲醇-水（2∶1∶1下层）。第四节提取与分离方法一、提取方法（一）有机溶剂提取法：游离醌类的极性较小，可用苯、氯仿、乙醚等极性较小的有机溶剂提取。苷类极性较大，可用甲醇、乙醇和水提取。实际工作中，常选甲醇或乙醇加热提取，可以把各种醌类苷及苷元都提取出来，所得的醌类混合物再进一步纯化与分离。（二）碱提酸沉法：用于提取具有游离酚羟基的醌类化合物。酚羟基与碱成盐而溶于碱水中，酸化后酚羟基游离而沉淀析出。（三）水蒸气蒸馏法适用于分子量小具有挥发性的游离苯醌及萘醌类化合物的提取。二、分离方法（一）初步分离：可将蒽醌苷或苷元的混合物用水分散，用苯、氯仿、乙醚萃取可得到游离蒽醌，再用正丁醇萃取可得到蒽醌苷类，也可将苷或苷元的混合物直接用苯等有机溶剂回流提取游离蒽醌，蒽醌苷则留在母液中。（二）游离蒽醌的分离1．pH梯度萃取法对于酸性强弱明显的游离蒽醌，pH梯度萃取法是最常采用的方法。其流程如下：药材乙醇提取，回收乙醇乙醇浸膏乙醚搅拌不溶物乙醚溶液5%NaHCO3NaHCO3液5%Na2CO3酸化沉淀重结晶结晶(含-COOH或二个β-OH)Na2CO3液乙醚液酸化沉淀重结晶结晶(含一个β-OH)1%NaOHNaOH液乙醚液酸化沉淀重结晶结晶(含二个α-OH)5%NaOHNaOH液乙醚液酸化沉淀重结晶结晶(含一个α-OH)乙醚液2．色谱法当游离蒽醌混合物性质相近时，需通过柱色谱才能达到分离目的。常用的吸附剂有硅胶、磷酸氢钙、聚酰胺等（见实例大黄酚和大黄素甲醚的分离）。（三）蒽醌苷类的分离蒽醌苷类因其分子中含有糖，故极性较大，水溶性较强，分离和纯化都比较困难，主要采用色谱方法。在进行色谱分离之前，往往用经典方法分离提取物，除去大部分杂质，如用正丁醇、醋酸乙酯等极性较大的亲脂性有机溶剂，将蒽醌苷类从水溶液中萃取出来，使其与水溶性杂质相互分离，制得较纯的蒽醌苷后再用硅胶吸附柱色谱或反相硅胶附柱色谱分离。第五节蒽醌类化合物的结构测定蒽醌类化合物的结构测定，一般是在进行Feigl反应、Bornträger反应初步判断为醌类化合物之后，再进行必要的化学试验和波谱分析才能确定其化学结构。一、紫外光谱：羟基蒽醌的紫外光谱主要是由a、b两个部分引起的。OOOO252nm352nm272nm405nm（a）（b）a部分具有苯甲酰基结构，可给出两组吸收峰；b部分具有苯醌样结构，也给出两组吸收峰，此外羟基蒽醌多在230nm附近有一强大的吸收峰，故羟基蒽醌类可有五个主要吸收峰：第一峰230nm左右（由羟基蒽醌引起）第二峰240～260nm（由苯甲酰基结构引起）第三峰262～295nm（由对醌结构引起）第四峰305～389nm（由苯甲酰基结构引起）第五峰400nm以上（由对醌结构中的C＝O引起）二、红外光谱：羟基蒽醌类化合物红外光谱的主要特征是有羰基、羟基和芳环