综合化学实验-3.1-天然产物提取6

第一节分离技术与天然产物有效成分提取第三章应用型综合实验1天然产物的提取方法2天然产物的分离纯化方法3天然产物的化学成分鉴定及结构表征本章基本内容天然产物有效成分的提取、分离、鉴定及结构表征是研究天然产物中有效成分时必不可少的内容。研究天然产物的有效成分时，首先要将其中的有效成分提取出来，但多数是得到多种成分的混合物，因此要经过一系列的分离，只有在得到单一组分（单体）后，才可以进行成分的结构分析和表征。提取与分离方法都有多种，可根据自己具有的条件来选择，而结构表征则较为复杂，所用仪器设备往往很特殊和昂贵。本课程仅介绍常用方法。1天然产物的提取方法天然产物中有效成分的提取方法很多，而且大多方法简单易做。常用的主要有如下五大类：┌压榨法├溶剂提取法提取方法类型┼水蒸气蒸馏法├升华法└超临界流体萃取法通过压榨的方法提取有效成分，是一种单纯的物理操作过程。优点：方法简单、操作方便、不破坏有效成分的性质。缺点：提取得到混合物，杂质多、成分复杂，提取不完全，得率低；此法用于新鲜原料中成分的提取。如：从新鲜桔皮中榨取香精油、大豆榨油等。日常的榨油、甘蔗榨汁、果蔬榨汁等也是。2.1.1压榨法简易压榨设备1.2溶剂提取法天然物中有效成分提取最常用的方法（一）溶剂提取法原理——“相似相溶”选用什么样的溶剂？取决于被提取成分的化学结构、溶解性及溶剂的性质。但应注意：乙醇、甲醇虽然属于亲水性溶剂，可与水混溶，但很多亲脂性成分可溶于乙醇、甲醇，所以乙醇或甲醇提取液中既有水溶性成分，也有很多脂溶性成分乙醇或甲醇中可加入水配成不同浓度的乙醇或甲醇，根据提取成分的情况可选用适当浓度的醇进行提取。常用溶剂的分类可分为三类1.强极性溶剂（水及酸水或碱水等）适合提取无机盐、可溶性糖、多酚类、氨基酸、水溶性蛋白质、有机酸盐、生物碱盐、苷类等。2.弱极性溶剂（亲水性有机溶剂）如甲醇(MeOH)、乙醇(EtOH)、丙酮(Me2CO)适合提取极性小的成分，但渗透性差，易燃、易挥发，常有毒性；样品中水分多则提取效果差。3.非极性溶剂（亲脂性有机溶剂）如乙醚（Et2O）、氯仿（CHCl3）、乙酸乙酯（EtOAc）、苯、石油醚、环己烷等适合提取：除蛋白质、粘液质、果胶、淀粉与部分多糖外，大多可溶；部分脂溶成分亦可溶。通过调节乙醇浓度、加酸、加碱可改变分离效果。常见溶剂极性的强弱顺序：石油醚＞苯＞乙醚＞氯仿＞乙酸乙酯＞丙酮＞乙醇＞甲醇＞水＞酸水或碱水8常用溶剂的分类影响提取效率的因素影响提取效率的因素溶剂类型原料的粉碎度提取时间提取温度提取次数固液比设备条件溶剂提取法的操作方式通常是用极性不同的溶剂对原料分别进行多次提取（一般2～3次）具体做法一般为：先用非极性溶剂提取，再用弱极性溶剂提取，最后用强极性溶剂提取。常用操作方式浸渍渗漉煎煮回流提取连续回流提取1.浸渍：操作方法：将处理（挑选、清洗、粉碎等）过的原料，用适当的溶剂在常温或加热（一般为60～80℃）的条件下浸泡以溶出其中成分。适用情况：适用于较易提取的、有效成分遇热易破坏以及含多量淀粉、树胶、果胶、粘液质的天然物的提取。特点：浸出率较差，特别是用水为溶剂，其提取液易于发霉变质，须注意加入适当的防腐剂。2.渗漉：操作方法：向原料粗粉中不断添加溶剂，使其渗过原料，从渗漉筒下端出口流出浸出液的一种浸出方法。当溶剂渗进原料溶出成分比重加大而向下移动时，上层的溶液或稀浸出液便置换其位置，造成良好的浓度差，使扩散能较好地进行，特点：浸出效率较高，浸出液较澄清。溶剂消耗量大、费时长。3.煎煮：操作方法：将天然物原料粗粉加水加热煮沸，使其成分提取出来的方法。特点：此法简便，原料中大部分成分可被不同程度地提出，但含挥发性成分及有效成分遇热易破坏的原料不宜用此法，对含有多糖类原料，煎煮后，溶液比较粘稠，过滤比较困难。4.回流提取：操作方法：用易挥发的有机溶剂加热回流提取。特点：溶剂消耗较少，浸出效率较高。但受热易破坏的成分不宜用此法，且溶剂消耗量仍大，操作较麻烦。5.连续回流提取：为了弥补回流提取法中需要溶剂量较大、操作较麻烦的不足，可采用连续回流提取法。实验室常用脂肪提取器或称索氏提取器。特点：节约溶剂，提取率高；但提取液受热时间长，受热易分解的成分不宜用此法。溶剂提取法中的辅助提取新技术1.微波提取法微波：频率为3×108~3×1013Hz(波长1m~1mm)的电磁波。原理：有效成分在微波电磁场中快速转向及定向排列，从而产生撕裂、相互磨擦导致发热，保证能量快速传递与充分利用，实现组分的快速释放、溶出。特点：可透过绝缘体，不能进入导体，能被介质吸收，且与介质极性相关。密闭式微波萃取/合成系统工业生产用微波提取罐要求：材料有一定含水量，组分对热稳定且有一定极性。优点：选择性高、重现性好、溶剂消耗少、回收率高、污染小、时间短。提取条件：溶剂(对微波透明)、功率、提取时间。应用：挥发油、苷、多糖、萜类、生物碱、黄酮、单宁、甾体、有机酸。实例：薄荷油提取。剪碎的新鲜薄荷叶放入盛有正已烷的玻璃杯中，微波提取20秒，薄荷油即释放到正已烷中。与乙醇提取法相比，产品中不含叶绿素和薄荷酮。与水蒸气蒸馏2小时及索氏提取6小时效果相当。2.超声提取法原理：超声波为弹性机械振动波，能产生强烈振动，有高速强烈的空化效应（大量超声波作用于提取介质，振动处于稀释状态时，介质被撕裂成许多小空穴，因其瞬时闭合会产生高达几千大气压的瞬时高压）、搅拌作用，破坏材料细胞，溶剂渗入细胞中加速有效成分的溶解。特点：提取时间短，不需加热。适于小规模实验。3.酶法提取植物样品中用纤维素酶破坏细胞壁，加速成分的溶出。实验室用小型超声仪工业生产用超声仪4.常温超高压技术高压生物化学研究证明：压力达到一定值，蛋白质、多糖（淀粉、纤维素）等有机大分子会发生变性，但生物碱、低聚糖、甾、萜、维生素等小分子物质则不发生任何变化。超高压提取就是利用了超高压对生物材料的这种作用而实现有效成分提取的。植物细胞壁上有很多微孔，因此我们可以把植物细胞壁看作是由许多微孔组成的薄膜。当植物细胞处于溶剂中时，溶剂将通过这些微孔进入细胞内部。常温超高压提取技术可以使用多种溶剂，包括水、不同浓度的醇和其它有机溶剂，可以从不同的天然产物中提取不同性质的有效成分（如生物碱、黄酮、皂苷、多糖、挥发油）。181.3水蒸气蒸馏法此类成分的沸点多在100℃以上，但在100℃左右应有一定的蒸气压。天然物中的挥发油、某些小分子生物碱（如麻黄碱、烟碱、槟榔碱）以及某些小分子的酚性物质（如牡丹酚）等的提取可采用水蒸气蒸馏。19只适用于具有挥发性能随水蒸气蒸出而不被破坏与水不发生反应难溶或不溶于水等成分的提取20共水蒸馏装置1.4升华法某些固体物质（如水杨酸、苯甲酸、樟脑等）受热后，在低于其熔点的温度下，不经过熔化就可直接转化为蒸气，蒸气遇冷后又凝结为固体称为升华。天然物中有一些成分具有升华性，能利用升华的方法直接从中药中提取出来。如从樟木中升华的樟脑，在《本草纲目》中已有详细记载，为世界上最早应用升华法制取药材有效成分的记述。21又如茶叶中的咖啡因具有升华性，可将茶叶放在大小适宜的烧杯中，上面用圆底烧瓶盛水冷却，然后加热，到一定温度（178℃），咖啡因可凝结于烧瓶底部，成白色针状结晶。天然物中的成分一般很少可升华。22常压升华装置图1、将茶叶与95%乙醇回流2h；2、滤出茶叶，浓缩提取液至适当体积；3、浓缩液与生石灰粉混合，搅成浆状，用蒸发皿在蒸汽浴上蒸干，除去水份；4、在蒸发皿上盖一张刺孔向上的滤纸，再在滤纸上罩一个大小适合且颈部塞有棉花的漏斗；5、用酒精灯隔石棉网加热，适当控制温度，白色咖啡因在滤纸上结晶。实验室提取咖啡因步骤：固体样品近年来发展起来的一种新提取方法。是利用流体在超临界下具有的气液双重性质，使物质的溶解性发生剧变，从而对成分进行提取。改变提取的温度、压力或加入夹带剂，可实现不同极性组分的分离。此法有很多优点，也有局限性，需要特殊的设备。25美国SFT-150型超临界萃取仪1.5超临界流体提取(SFE)法•操作流程：控制T、p，得SF浸提，固液分离梯度减压不同性质组分分离CO2钢瓶冷温槽高压泵恒温箱控温面板接受瓶流量计CO2原料玻璃珠脱脂棉萃取柱超临界CO2萃取实验装置示意图超临界流体萃取有以下突出的优点：(1)可以在接近室温(35-40℃)及CO2气体笼罩下进行提取，有效地防止了热敏性物质的氧化和逸散。因此，在萃取物中保持着药用植物的全部成分，而且能把高沸点，低挥发度、易热解的物质在其沸点温度以下萃取出来；(2)使用SFE是最干净的提取方法，由于全过程不用有机溶剂，因此萃取物中绝无残留溶媒，同时也防止了提取过程对人体的毒害和对环境的污染，是100%的纯天然；(3)萃取和分离合二为一，当饱含溶解物的CO2-SCF流经分离器时，由于压力下降使得CO2与萃取物迅速成为两相（气液分离）而立即分开，不仅萃取效率高而且能耗较少，节约成本；(4)CO2是一种不活泼的气体，萃取过程不发生化学反应，且属于不燃性气体，无味、无臭、无毒，故安全性好；(5)CO2价格便宜，纯度高，容易取得，且在生产过程中循环使用，从而降低成本；(6)通过改变温度或压力可达到萃取目的。压力固定，改变温度可将物质分离；反之温度固定，降低压力也可使萃取物分离。2天然产物的分离纯化方法有时，天然物提取液经浓缩（或不浓缩）后，较长时间放置，就可析出沉淀，再经重结晶可得单体成分，但这是个别现象，如从槐米中提取芦丁。如果要得到更多的成分，或者要系统地研究一种天然物中的化学成分，则需经过比较复杂的过程，一般是经过初步分离纯化，得到某一类型的总成分（混合物），或者得到极性相近的一类混合物，再经过进一步分离得到单体成分。分离方法有很多种。31分离纯化方法类型系统溶剂分离法两相溶剂萃取法沉淀法盐析法分馏法结晶法色谱法（可同时进行鉴定）其他新技术系统溶剂分离法原理：相似相溶。也用于提取！较常用的做法是将天然物的乙醇或甲醇提取液适当浓缩后，与某种担体（也叫固定相，如硅藻土、硅胶等）混合均匀，干燥后，用极性不同的溶剂，按极性由小到大分别提取。然后再选择适当方法进行分离。也可以将天然物粗粉直接用极性不同的溶剂分别提取，得各个部分。按溶剂的极性梯度变化或pH梯度变化操作。有效成分及较适用的提取溶剂见下表。有效成分及其较适用的提取溶剂成分的极性成分的类型提取溶剂强亲脂性（极性小）挥发油、脂肪油、蜡、脂溶性色素、甾醇类、某些苷元石油醚、己烷亲脂性苷元、生物碱、树脂、醛、酮、醇、醌、有机酸、某些苷类乙醚、氯仿中等极性小中大某些苷类（如强心苷等）某些苷类（如黄酮苷等）某些苷类（如皂苷、蒽醌苷等）氯仿：乙醇（2:1）乙酸乙酯正丁醇亲水性极性很大的苷、糖类、氨基酸、某些生物碱盐丙酮、乙醇、甲醇强亲水性蛋白质、粘液质、果胶、糖类、氨基酸、无机盐类水33两相溶剂萃取法原理：相似相溶。为液-液两相！萃取法是利用混合物中各成分在互不混溶的溶剂中分配系数不同而分离的方法。可将被分离物溶于水中，用与水不混溶的有机溶剂进行萃取，也可将被分离物溶在与水不混溶的有机溶剂中，用适当pH的水液进行萃取，达到分离的目的。又有多种具体操作方法。(一)简单萃取法常采用的方法是将水提取液适当浓缩，或将乙醇（甲醇）提取液适当浓缩，回收醇后，加入适量水，用极性不同的与水不混溶的有机溶剂，极性由小到大，分别进行萃取，分别回收溶剂得到极性不同的萃取物。如选用石油醚（或己烷）、氯仿（或乙醚）、乙酸乙酯、正丁醇，分别进行萃取，在某些情况下也可只选1～2种溶剂进行萃取。分离碱性成分（生物碱）或酸性成分，可调节溶液的pH值后再进行萃取是常用的方法。操作简单，一般用分液漏斗即可进行！但效率低。3536萃取分液倒转分液漏斗分液漏斗架振荡(二)连续萃取法为克服使用分液漏斗多次萃取的操作麻烦，可采用连续萃取器。这一仪器利用两溶剂的比重不同，自然分层和分散相液滴穿过连续相溶剂时发生传质。选择连续萃取法时，需视所用溶剂的比重大于或小于被提取的水溶液比重的情况，而采用不同式样的仪器。37轻溶剂上行重溶剂下行(三)pH梯度萃取法用pH不同的溶剂