天然产物化学教案(第一章-总论)

1天然产物化学教案授课对象2002级生物工程学院授课人林治华授课单位制药工程系授课时间2003～2004二学期2天然产物化学教案重庆工学院生物工程学院制药工程系天然产物化学为药学专业的专业课，根据教学大纲的要求及学校的安排，课堂讲课36学时。天然产物化学内容分为总论和各论两部分。总论主要阐述了研究天然药物有效成分常用的各种色谱分离方法和各种结构鉴定方法。各论是本课程的重点，在讨论了糖和苷的一般性质和结构研究法基础上，将所有的天然产物按照其结构母核分为苯丙素类、蒽醌类、黄酮类、萜类和挥发油、三萜及其苷类、甾体及其苷类、生物碱等七个部分，详细论述了它们的结构特点、理化性质、提取分离和结构鉴定，并结合生物活性及应用介绍了一些有代表性的化合物。现将每章节教学的目的要求、教学时数、教学重点和难点、思考题等方面的内容具体安排如下：3第一章绪论目的要求：1．了解天然产物化学的发展及其重要性。2．掌握研究天然产物的方法：（1）天然产物有效成分的提取、分离方法；（2）掌握色谱技术中洗脱剂选择的原则；（3）熟悉天然产物结构研究的主要程序及主要方法。教学重点和难点：（主要部分）重点、难点、疑难解析一、天然产物化学的含义及研究内容天然产物是包括了存在于陆生动植物、海洋生物和微生物体内各类物质成分，甚至还可以包括人与动物体内许多内源性成分（包括天然药物、天然树脂、天然精油、天然高分子、天然香精、天然色素等等）。天然产物是由各种化学成分所组成的复杂体系。如在陆生植物体内的主要成分就有：生物碱、萜类、甾体、苷类、黄酮类、蒽醌类、糖类、蛋白质、脂类等等。不同的天然产物在其组成和含量等方面具有生命体的一般特征，某一相同的化学成分可能分布于各种不同的天然产物中，同时，不同来源的天然产物，所含的物质成分及其含量也存在很大的不同。有效成分（activecompound）（1）在药理和生物学角度来看是指有生物活性的物质，这种物质在化学上能用分子式和结构式来表示，并具有一定的物理常数；（2）在食品领域中，有效成分的范畴可扩展到除生物活性成分、功效成分之外，如：营养成分、天然食品添加剂成分等。但随着认识水平的提高，有效成4分也在发生变化（多糖和不饱和脂肪酸在降血脂方面的功效；一些天然色素如叶黄酸在抗氧化方面的作用等）。应当强调指出，在中草药及其他天然药物中，真正搞清有效成分的品种是不多的，更多的只是一些生理活性成分，即经过不同程度药效实验或生物活性实验，包括体外（invitro）、体内实验（invivo），证明对机体有一定生理活性的成分。但它不一定是真正代表天然药物临床疗效的有效成分。另外，有效成分或生理活性成分不能简单而机械地理解。以氨基酸、蛋白质、多糖类成分为例，在多数场合均视为无效成分，并在加工过程中应尽量除去；但在鹧鸪菜、天花粉、猪苓等药物中，却分别证实是中药驱虫（鹧鸪菜中的氨基酸）、引产（天花粉中的蛋白质）及抗肿瘤（猪苓中的多糖）的有效成分。天然产物化学是运用现代科学的理论与方法研究天然产物中化学成分的一门学科。二、天然产物研究的发展史在人类的史前时期，我们的祖先就已经掌握了用动植物制作箭毒的技术。先民们从各种天然物质中提取药用成分治疗疾病，但在19世纪以前，制药的手段比较原始。据国外文献记载，从天然药物中分离其中所含的有机化学成分，始于1769年舍勒将酒石（酒石酸氢钾）转化为钙盐，再用硫酸分解制得酒石酸(2,3-二羟基丁二酸)。后来又用类似的方法从天然产物中得到了苯甲酸（1775）、乳酸（1785）(2-羟基丙酸)、没食子酸（1786）（倍酸、五倍子酸，化学名：3，4，5-三羟基苯甲酸）等有机酸类物质。但古代中国早在这之前就有了明确的记载。例如，明代李延的《医学入门》（1575）中记载了用发酵法从五倍子中得到没食子酸的过程。《本草纲目》卷39中则有“看药上长起长霜，则药已成矣”的记5载。这里的“生白”、“长霜”均为没食子酸生成之意，是世界上最早制得的有机酸，比舍勒的发明早了二百年。（黑龙江大庆市中医院日前采用了一项中西医结合新疗法，在超声引导穿刺下，将自行研制的“五倍子硬化剂”用于卵巢囊肿的治疗，迄今共为400多名患者解除了隐疾。据介绍，“五倍子硬化剂”是由五倍子、鸦胆子、元胡等组方而成，经科学提炼形成针剂型。现代药理学研究证实：五倍子具有明显的收敛作用，内含鞣酸能使蛋白沉淀；鸦胆子所含的鸦胆子油，可破坏赘疣细胞的细胞核；元胡镇痛效果好。多药伍用的结果，能使囊壁上皮细胞发生坏死、萎缩，失去分泌功能，最终达到治疗的目的。）又如樟脑的记载在中国最早见于1711年洪遵著的《集验方》一书，后由马可波罗传至西方。《本草纲目》卷34下详尽记载了用升华法等制备、纯化樟脑的过程。但欧洲直至18世纪下半叶才提出了樟脑的纯品。由此可见，古代中国的医药化学与其它自然科学一样，在世界上居于领先地位，故有“医药化学源于中国”的高度评价，这是作为后人的我们应当引以自豪的。从药用动植物中提取活性成分则始于19世纪。第一个被提取的成分是吗啡碱，于1805年由德国药师塞图尔自鸦片中提取。（纯净吗啡为无色或白色结晶或粉末，难溶于水，易吸潮。随着杂质含量的增加颜色逐渐加深，粗制吗啡则为咖啡似的棕褐色粉末。在“金三角”地区，吗啡碱和粗制吗啡又称为“黄皮”、“黄砒”、“1号海洛因”等，在非法买卖中，“黄皮”论“个”数进行交易，每个重1公斤。非法生产的吗啡一般被制成砖块状。东南亚的产品有“999”、“AAA”、“OK”等商标，呈白色、浅黄或棕色。鼻闻有酸味，但吸食时有浓烈香甜味。滥用吗啡者多数采用注射的方法。在同样质量下，注射吗啡的效果比吸食鸦片强烈10-20倍。6医用吗啡一般为吗啡的硫酸盐、盐酸盐或酒石酸盐，易溶于水，常制成白色小片状或溶于水后制成针剂。其药理作用有：(1)强烈的麻醉、镇痛作用。吗啡的麻醉、镇痛作用是自然存在的任何一种化合物无法比拟的。它的镇痛范围广泛，几乎适用于各种严重疼痛包括晚期癌变的剧痛，一次给药镇痛时间可达4-5小时，并且镇痛时能保持意识及其他感觉不受影响。此外还有明显的镇静作用，能消除疼痛所引起的焦虑、紧张、恐惧等情绪反应，显著提高患者对疼痛的耐受力。(2)吗啡能抑制大脑呼吸中枢和咳嗽中枢的活动，使呼吸减慢并产生镇压咳作用。(3)吗啡作用于心血管系统可引起体位性低血压及心动过缓。(4)对胃肠道平滑肌、括约肌有兴奋作用，使它的张力提高，蠕动减弱，因此有止泻和治便秘的效果。吸食吗啡对神经中枢的副作用表现为嗜睡和性格的改变，引起某种程度的惬意和欣快感；在大脑皮层方面，可造成人注意力、思维和记忆性能的衰退，长期大剂量地使用吗啡，会影起精神失常的症状，出现澹亡和幻觉；在呼吸系统方面，大剂量的吗啡会导致呼吸停止而死亡。吗啡的极易成瘾性使得长期吸食者无论从身体上还是心理上都会对吗啡产生严重的依赖性，造成严重的毒物癖，从而使吗啡成瘾者不断增加剂量以收到相同效果。吸食吗啡的戒断症状有：流汗、颤抖、发热、血压高、肌肉疼痛和挛缩等。）此后的数十年间发掘了大量民间药中的活性成分，如土根碱、奎宁、辛可宁、番木鳖碱、咖啡因、阿托品毛地黄强心苷、毒毛旋花苷、蟾蜍（chanchu）等，以生物碱居多，都具有显著的生理活性，可以代表其原生药，多数至今仍用作药物。但当时只能利用分馏和重结晶来纯化单体成分。720世纪50年代先后自印度萝芙木中获得降压活性成分利血平，以及从降血糖药长春花中获得抗癌活性成分春花碱，成为两个很有价值的药物，引起了各方的重视。对海洋天然产物的研究是从1960年左右才开始的，到目前已取得了丰硕的成果。如：从被囊类动物中分离得到的具有细胞毒活性的吲哚生物碱；从一些海绵中分离的具有抗白血病的双吲哚物质。天然药物化学的发展有两个转折点。其一是1930年前后，由于微量元素分析法的导入，试料量降至毫克水平，推进了天然成分的分析工作。其二是1960年代前后，各种层析方法的兴起，使微量天然新成分的分离纯化简便易行。同时红外光谱、核磁共振、质谱等新技术问世，结构研究工作趋向微量，快速和准确。新技术的兴起使研究天然产物化学成分的周期大大缩短。过去，一个天然化合物从天然药物中分离、纯化、到确定结构、人工合成需要很长时间。如吗啡（morphine），1804~1805年发现、1925年提出正确结构，1952年人工合成，花了约150年时间。而利血平（reserpine）从发现、确定结构，到人工合成，只用了几年的时间（1952-1956）。这个速度还在不断增加，仅以生物碱类成分为例，1952-1962年中发现的新生物碱数目（1107）就已超过了在此之前100年中发现的总数（950），但1962-1972年的10年中发现的新生物碱数（3443）又比前10年超出了三倍之多。目前，生物碱类成分数目已达1万多个。20世纪80年代以来，由于分子生物技术的迅猛发展，为有效成分的提取和功能研究提供了新方法，如细胞培养、转基因器官培养和反义技术等。例如利用发根农杆菌转化植物，产生生长迅速、生产效能高而稳定的毛状根培养物，从而产生有效的次生物质。8总之，大自然是一个天然药库，中国用中草药治病已有数千年的历史和经验，这笔宝贵遗产亟待整理。三、研究天然产物化学的意义研究天然产物化学有助于人类从分子层面全面了解和认识天然产物，从而通过人工培养或人工合成的方式定向获得大批量的目标产物并造福人类。这些目标产物可能是药物，用于帮助人类与疾病作斗争，保障人类的健康，提高人类的生存质量；也可能是有特种功能的物质，对人类生活提供方便；也为我们更好地认识自然和利用自然，提供了一个渠道。21世纪的今天，人们已经充分认识到天然产物及其改性产物所具有的独特性质与功效是人类社会可持续发展的根本保证。四、研究天然产物的一般方法和程序1、天然药物有效成分的提取常见的提取方法有：溶剂法、水汽蒸馏法、分馏法、吸附法、沉淀法、盐析法、透析法、升华法等。2、天然产物有效成分的分离和纯化3、天然产物有效成分的分子结构鉴定4、天然产物有效成分毒理学、药效学评价五、四种药物成为21世纪“新星”蓝色药物：医学家从20多万种海洋生物中筛选出具有活性的海洋生物（包括细菌、真菌、植物和动物）1000种以上，同时还从海洋矿产和黑泥中发现并提出多种药物。据统计，从海洋生物中提取的药品将达两万种。9绿色药物：随着癌症、心脑血管疾病、糖尿病等对人类健康威胁和开发治疗此类疾病的化学合成药物耗资巨大，科学家把目光投向植物、矿物等绿色药库中开发新药。基因药物：经过各国医学家的不懈努力，从牛、羊等动物乳汁中获取药物已成功。这种基因药物在进行进一步的研制和开发。据专家估计，通过转基因药物，乳腺生物反应器生产的药物或珍稀蛋白，在21世纪初就会大量出现在国际市场上。微生物药物：微生物品种多、代谢多样是研制新药的取之不尽的宝库。微生物药物是临床最常用的药物之一，在医疗保健中占有重要地位。随着抗生素耐药性的发展及新病原体的不断出现，人们必须不断从微生物代谢物中寻找新药。以保障人类的健康。六、中药及天然药物化学的研究现状及发展前景中国政府于1993年1月正式向全世界宣布：从那一年起，中国开始实行化合物专利，并且将不再允许任何仿制受专利权保护的药物。但是统计资料表明，当时中国合成药品的97％为仿制药品。对于象中国这样拥有12亿人口的大国来说，人民医疗保健所需要的医药品如何才能得到保障呢？例如：生产其他国家已经过专利保护期的药品；从国外进口药品或购买国外专利许可证等；并特别提到发展和使用传统中药制剂。众所周知，从“神农尝百草”至今，中华民族几千年来之所以能够繁衍昌盛、绵延不断，靠的就是中医中药。中医中药在临床应用了几千年，其疗效经过了实践的检验，并成为世界文化的一朵奇葩。但是由于生产工艺比较落后，质量10监控亟待改进，特别是中医独特的哲学思想使一般西方人难以理解，成为中药产品在全世界进一步推广发展的严重障碍。所以，新药研究与开发成为当今十分重要和紧迫的课题。中国的天然药物资源情况在中国，天然药物有中药、草药、民族药物及民间药、地方习惯用药等。而且，中药多不单用，绝大多数是按照一定的组方规律配伍应用，构