萜类与生物碱

第10章萜类与生物碱10.1食品中常见的萜类化合物10.1.1概述萜类化合物（terpenoids）是自然界存在的一类以异戊二烯为结构单元组成的化合物的统称，也称为类异戊二烯（isoprenoids）。该类化合物在自然界分布广泛、种类繁多，迄今人们已发现了近3万种萜类化合物，其中有半数以上是在植物中发现的。植物中的萜类化合物按其在植物体内的生理功能可分为初生代谢物和次生代谢物两大类。作为初生代谢物的萜类化合物数量较少，但极为重要，包括甾体、胡萝卜素、植物激素、多聚萜醇、醌类等。这些化合物有些是细胞膜组成成分和膜上电子传递的载体，有些是对植物生长发育和生理功能起作用的成分。主要功能有：醌类为膜上电子传递的在载体，载体是细胞膜组成成分，胡萝卜素类和叶绿素的侧链参与光合作用，赤霉素、脱落酸是植物激素。而次生代谢物的萜类数量巨大，根据这些萜类的结构骨架中包含的异戊二烯单元的数量可分为单萜（monoterpenoidC10）、倍半萜（sesquiterpenoidC15））、二萜(diterpeniodC20)和三萜（triterpenoidC30）等。它们通常属于植物的植保素，虽不是植物生长发育所必需的，但在调节植物与环境之间的关系上发挥重要的生态功能。植物的芳香油、树脂、松香等便是常见的萜类化合物，许多萜类化合物具有很好的药理活性，是中药和天然植物药的主要有效成分。有些萜类化合物已经开发出临床广泛应用的有效药物，如青蒿中的倍半萜青蒿素被用于治疗疟疾，红豆杉的二萜紫杉醇被用于治疗乳腺癌的癌症。一般来说，含有两个异戊二烯单位骨架的萜类称为单萜；含有三个异戊二烯单位骨架的萜类称为倍半萜；含有四个异戊二烯单位骨架的萜称为双萜；依次类推，有三萜、四萜等。此外，按萜类化合物是否含有环状结构又将其再分为无环萜(开链萜)、单环单萜、双环单萜、四环三萜等等。最简单的无环单萜是存在于月桂中的月桂烯（myrcene也称罗勒烯），其结构式简式为：CH2=CH—C—CH2—¦—CH2—CH=CH—CH3(式中虚线表示异戊二烯单位的分界线)CH2CH3单环单萜母体也称萜烷或对芋烷(图10-1)。从植物薄荷的茎叶中提取所得的精油即薄荷油，它是萜的衍生物，其主要成分是薄荷醇（menthanol），并含有少量薄荷酮（menthanone）。图10-1萜烷（对芋烷）图10-2薄荷醇图10-3薄荷酮薄荷醇分子中含有3个手性碳原子，应该有（23）8种对映异构体，但天然产的都是左旋体。薄荷油或薄荷脑常用于清凉饮料或糖中。维生素A是含有四个异戊二烯单位的双萜，而胡萝卜之类的多烯色素则是含有8个异戊二烯单位的四萜。它们是食品中常遇到的萜类化合物。10.1.2单萜类化合物（monoterpenoid）单萜是由两个异戊二烯单位首尾相连而成的。由于碳架的不同，单萜分为开链萜、单环萜和双环萜。10.1.2.1开链萜牦牛儿醇（geraniol）和牦牛儿醛是开链萜中的重要化合物。牦牛儿醇是玫瑰油的主要成分（约占40%~60%），具有玫瑰花的香味，是一种名贵的香料。对黄曲霉菌和癌细胞有强大的抑制活性。牦牛儿醇是一个不饱和的伯醇，具有伯醇和不饱和醇的性质。它具有E式的构型，它的Z式异构体是橙花醛，存在于橙花油中，其结构式如下：图10-3橙花醇柠檬醛a（牦牛儿醇）和柠檬醛b（橙花醛）两者互为几何异构体，它们存在于新鲜柠檬油中，有很强的柠檬香气，用于配制香精或作为合成维生素A的原料。10.1.2.2单环萜（mono-cycleterpene）单环萜也是由两个异戊二烯单位相连而成的化合物，其区别在于它的分子中含有一个碳环，主要的单环萜有宁和萜醇（terpenealcohol）等。宁就是1，8-萜二烯，它较广泛的存在于自然界，主要存在于柠檬油中。其结构式见图10-4。宁是无色液体有柠檬香味，不溶于水而易溶于有机溶剂，比较稳定，可以在高压下蒸馏而不分解。宁含有一个手性碳原子，有旋光性，具有两个异构体。右旋宁存在于柠檬油和橙皮油中，左旋宁存在于松针和薄荷油中；外消旋宁存在于松节油中。图10-4宁图10-5宁烯（柠檬烯）萜醇的羟基连在C3上，称为3-萜醇。3-萜醇有三个手性碳原子（C1、C3、C4），有八个旋光异构体;自然界存在的主要是薄荷醇，它的C1、C3、C4都是以e键连取代基。薄荷醇(menthanol)是薄荷油的主要成分。薄荷油是重要的出口创汇商品，它有芳香、清凉气味，有杀菌、消炎和防腐作用，熔点为42~44℃。它广用于医疗、食品工业，是驰名的清凉剂，是配制清凉油、十滴水、人参、痱子水的主要成分之一。图10-6薄荷醇10.1.2.3双环萜（bicyclo-terpene）当萜烷中的第8位碳原子分别与环中不同碳原子相连时，就构成集中双环萜（bicyclo-terpene）骨架。若萜烷中的8位碳原子与第1位碳相连就得到莰；若萜烷中的第8位碳和第6位碳相连就得到蒎。最重要的莰族和蒎族化合物，它们的母体分别为莰和蒎。α-蒎烯（α-pinene）是β-蒎烯（β-pinene）的异构体，它们都存在于松节油中，α-蒎烯是松节油的主要成分，含量达80%，而β-蒎烯的含量较少，它们的结构式如下：图10-7α-蒎烯图10-8β-蒎烯α-蒎烯和β-蒎烯在结构上的差异主要是双键位置的不同。将松树皮割开后，从开口处分泌出一种胶态物质叫做松脂，松脂经水蒸气蒸馏，可以得到固态的松香和液态的松节油。蒎烯是无色的液体，不溶于水，有特殊气味，松节油在工业上是重要的油漆溶剂，亦可做合成樟脑的原料。医药上用作祛痰剂，亦可用作舒筋活血的外用药。樟脑又称莰酮（bornanone），它是白色闪光结晶性粉末，或无色半透明结晶块。熔点178-179℃，比重为1，不溶于水而易溶于有机溶剂。它有独特的穿透性怡人香气，易升华。主要存在于樟树中，我国的台湾、江西、福建均有出产。将樟树枝叶切细进行水蒸气蒸馏，得到的樟脑油再经减压分馏得到樟脑粗品，再经连续升华法可得到精制的樟脑。自然界存在的樟脑是右旋体，人体合成的是外消旋体。樟脑有两个手性碳原子，应有两对对应异构体，但由于碳桥只能在环的一侧，桥的存在限制了桥头两个碳原子的构型，因此，樟脑只有一对对映体：图10-9樟脑的对映体樟脑具有兴奋呼吸和加强血液循环的作用，是一种强心剂和兴奋剂。又有局部刺激神经兴奋及防腐作用，因此，用于治疗神经痛和冻疮。工业上用于制造赛璐璐、电木、无烟火药，又广泛用作防蛀剂。10.1.3倍半萜类化合物10.1.3.1倍半萜的概述倍半萜（sesquiterpenes）是指分子中含15个碳原子的天然萜类化合物。倍半萜类化合物分布较广，在木兰目（magnoliales）、芸香目（rutales）、山茱萸目（cornales）及菊目（asterales）植物中最丰富。在植物体内常以醇、酮、内酯等等形式存在于挥发油中，是挥发油中高沸点部分的主要组成部分。多具有较强的香气和生物活性，是医药、食品、化妆品工业的重要原料。倍半萜类化合物较多，无论从数目上还是从结构骨架的类型上看，都是萜类化合物中最多的一支。倍半萜化合物多按其结构的碳环数分类，例如无环型、单环型、双环型、三环型和四环型。亦有按环的大小分类，如五、六、七元环，直到十一元大环都有。如按倍半萜结构的含氧基分类，则便于认识它们的理化性质和生理活性，例如倍半萜醇、醛、内酯等。倍半萜化合物在植物中生物合成的前体物质是焦磷酸金合欢酯（FPP），FPP由焦磷酸香叶酯（GPP）或焦磷酸橙花酯（nerolpyrophosphate，NPP）和一分子焦磷酸异戊烯酯（IPP），经酶作用缩合衍生。图10-10FPP的缩合过程10.1.3.2倍半萜的结构类型倍半萜的主要结构类型如表1所示：表10-1倍半萜的主要结构类型类型实例结构来源无环类金合欢烯（farnesene）枇杷叶挥发油单环类姜烯（zingiberene）生姜、莪术、百里香挥发油牻牛儿酮（germacrone）兴安杜鹃叶的挥发油双环类α-桉醇（α-eudesmol）桉叶油β-丁香烯（β-caryophyllene）丁香香附酮（cyperone）香附子挥发油三环类喇叭茶醇（ledol）喇叭茶广藿香醇（patchoulialcohol）广藿香青蒿素（artemisinin）青蒿10.1.3.3重要的倍半萜化合物（1）烃类倍半萜（sesquiterpenoidhydrocarbons）没药烯（bisabolene）是植物界分布广泛的倍半萜烃。在没药油、各种柠檬油、松叶油、檀香油、八角油等多种挥发油中均含有没药烯。金合欢烯（farnesene）本品最初由金合欢醇制备，在姜、杨芽、依兰及洋甘菊花的挥发油中均含有。有α、β式，在啤酒花挥发油中为β-金合欢烯。姜烯（zingiberene）存在于生姜、莪术、姜黄、百里香等挥发油中。其药效是能驱风散寒、温味解表。既可以增进食欲，又有镇呕止吐的作用。芹子烯（selinene）本品在芹菜种子挥发油中含有。β-丁香烯（β-caryophyllene）本品在丁香油、薄荷油中含有。葎草烯（humulene，α-caryophyllene）本品在啤酒花挥发油中含有，为β-丁香烯十一碳大环异构物。图10-11几种烃类倍半萜（2）醇类倍半萜（sesquiterpenoidalcohols）橙花倍半萜醇（nerolidol）本品具苹果香，是橙花油中主成分之一。金合欢醇（farnesol）在金合欢（acaciafarnesiana）花油、橙花油、香茅油中含量较多，为重要的高级香料原料。白檀醇（santalol）为白檀油中沸点较高的组分，用作香料的固香剂。对凹顶藻醇（oppositol）本品存在于凹顶藻属Laurenciaspp.植物中，是含溴元素的倍半萜醇，有较强的抑制金黄色葡萄球菌的活性。环桉醇（cycloeudesmol）本品存在于对枝软骨藻(chondricoppsiticlada)中，有很强的抗金黄色葡萄球菌作用，还有抗白色念球菌活性。图10-12几种醇类倍半萜（3）醛类、酮类、酸类倍半萜缬草酮（valeranone）本品在缬草Valerlanafauriei的根中含有。香附可布酮（kobusone）本品是香附子中的一种去甲倍半萜酮。图10-13缬草酮香附酮（cyperone）本品在中药香附子中含有，有理气止痛的作用，α-香附酮（α-cyperone）分子中的双键在酸的作用下能发生转位，异构化而形成β-香附酮。图10-14香附酮的异构化棉酚（gossypol）本品存在于棉籽中，约含0.5%，在棉的茎、叶中亦含有，为有毒的花色色素。本品不含手性碳原子，但由于二个苯环折叠障碍而有光学活性。本品可视为焦磷酸金合欢酯（FPP）衍生为杜烯型的衍生物。图10-15棉酚（4）过氧化物倍半萜（sesquiterpenoidperoxides）青蒿素（arteannuin，artemisinin）本品是从中药青蒿（黄花蒿）中分离到的抗恶性疟疾的有效成分，吸收快、副作用小，但复发率高。将青蒿素氢化、甲基化制成蒿甲醚衍生物，为活性更高的抗疟疾药物。鹰爪甲素（yingzhaosuA）本品是从民间治疗疟疾的有效草药鹰爪根中分离出的具有过氧基团的倍半萜衍生物，对鼠疟原虫的生长有强的抑制作用。图10-16过氧化物倍半萜10.1.3.4倍半萜内酯（sesquiterpenoidlactone）倍半萜内酯种类较多，有一般倍半萜内酯、变形倍半萜内酯，还有愈疮木倍半萜内酯，现举例如下：山道年（l-α-santonin）本品是山道年草或蛔蒿未开放的头状花序或全草中的主成分。山道年是强力驱蛔剂，但有一定毒性。β-山道年为α-山道年的异构体。苦艾素（artemisin）为8-α-羟基山道年。绵毛马兜铃内酯（mollislactone）本品系得自绵毛马兜铃根、根茎（中药寻骨风）中的新倍半萜内酯。图10-17倍半萜内酯印防己毒内酯（picrotoxinin）和羟基马桑毒素（picrotin）本品是从印度防己种子中得到的化合物。这两种成分的等分混合物称印防己毒素（picrotoxin），曾用于巴比妥类催眠药中毒时的