1、,第九章 生物堿,開場白,一.,二.,三.,四.,第一節(jié) 概述,一. 簡史二. 定義三. 存在形式四. 植物界分布,一. 簡史,16世紀(jì)中葉(埃貝斯-紙莎草手稿/Eber-Payrus): 罌粟、天仙子 曼陀羅史前瑞士人、古希臘人: 嗎啡 (痛疼、失眠

2、、憂郁)1803年 那可丁 (Derosne)1806年 嗎啡堿 (Sertüner F.W.) → 生物堿化學(xué)1818年    邁師納 (Meissner W.) "Alkaloid "1817-1827年 派勒蒂埃(Pelletier P.J.)/ 卡云圖(Caventou J.B.): 吐根堿 (emetine, 1817

3、)，馬錢子堿 (brucine, 1817)， 士的寧 (strychnine, 1819)，金雞納堿 (cinchonine, 1820)， 奎寧、秋水仙堿、可尼因、蒂巴因 (thebaine, 1835)同時代 ：胡椒堿、咖啡因、尼古丁、烏頭堿、麥角胺,2. 結(jié)構(gòu)、合成 可尼因: (1870 / 1886) 士的寧: [1946(羅賓遜)/1956(伍德沃爾德)]

4、 ------里程碑 嗎啡堿: [(幾十年 / 1952 (蓋茨)] 烏頭堿: 127年后 (1959~1960),3. 研究內(nèi)容 200年： ~ 150 (1940's以前) 分離純化、化學(xué)法 1970‘s后 生物合成-調(diào)節(jié)代謝遺傳學(xué)/ 酶學(xué)、 積累、生物學(xué)意義 1960‘s 分

5、水嶺,4. 數(shù)量 1900 (~100) 1950 (~1000) 2001 (26900) → 1872骨架 (15.6%) / 21120 (32.5%) 植動霉菌海洋微生物 植物,5. 廣布植物界 罌粟、麻黃、金雞納、番木鐅、漢防已、茛菪、 元胡、洋金花、秋水仙、長春花、三尖

6、杉、 烏頭 (附子)等; 藥物 (46% / 植物藥),6. 巨人 羅賓遜 (Robison R.) 巴特爾斯布 (Batlesby A.R.) 伍德沃爾德 (Woodward R.B.) 巴頓 (Barton D.H.R.),1). 羅賓遜 (R. Robison) 托品酮的仿生合成 生源學(xué)說馬錢子堿結(jié)構(gòu) (1946年)嗎啡堿 (立體化學(xué)),2). 巴特爾斯布 (

7、A. R. Battesby) 結(jié)構(gòu) (嗎啡堿 / 1958-1968, 巴頓)芐基異喹啉 / 苯乙基異喹啉類 (結(jié)構(gòu)、化學(xué)與合成)生物合成石竹科 (1961-1964, Widman) 芐基異喹啉類、原小蘗堿、阿樸菲、樟科白屈菜屬 (Chelidonium) (1962-1981) 秋水仙堿類 (1960-1

8、972) 吲哚類 (單萜番木鱉苷、裂環(huán)番木鱉苷) 1965-1971 吐根堿類,,,,3). 巴頓 (D. H. R. Barton) 立體有機(jī)化學(xué) 嗎啡堿 (生物合成: 酚氧化偶聯(lián)) 芳香體系天然有機(jī)化合物 (生物堿 ) 仿生(生物)合成,4). 伍德沃爾德 波譜學(xué) 結(jié)構(gòu) (番木鱉堿 / 1948) 生源 / 有機(jī)化學(xué)理論

9、 合成 / 奎寧(Doering, 1944) / 士的寧 (1954) / 利血平 (1956),7. 天然有機(jī)化學(xué) 方法、技術(shù)、反應(yīng),二. 定義,現(xiàn)代定義含負(fù)氧化態(tài)氮原子 的 天然有機(jī)體 環(huán)狀化合物

10、 排除 -3 (胺，酰胺) 動、植 非環(huán)物 -1 (N-氧物) 霉菌 生物胺 NO2 (+3) 細(xì)菌 氨基酸 (糖) NO2 (+1) 微生物

11、 肽(除肽類生物堿) 海洋 蛋白 核酸

12、 核苷酸 卟啉 Vitamins 馬兜玲酸 II,,,,三. 存在形式,存在形式 (舉例 I),存在形式 (舉例 II),四. 植物界分布,分布規(guī)律,分布特征

13、,1). 特殊類型 窄→類群 (科、目、屬特征) 茛菪烷 (茄科) 二萜生物堿 (毛茛科烏頭屬 Aconitum、翠雀 屬Delphinium) 吲哚類 (夾竹桃科、馬錢科) 雙稠吡咯烷 (菊科千里光族、紫草科) 2

14、). 含大量揮發(fā)油植物類群 少或無,具體分布,主要類型生物堿 (見第三節(jié)),第二節(jié) 生物合成的基本原理,一. 前言 1). 1950-1950’S 假設(shè)→中期 同位素標(biāo)記 (飼喂實(shí)驗(yàn)、組織培養(yǎng)) (多) 2). 上萬種，有限前體物 (9種氨基酸：鳥脯賴，苯丙酪、

15、 色鄰苯、組與煙等) 3). 化學(xué) / 酶 ● C-N鍵、C-C鍵和C-O鍵形成與裂解 ● 重排 ● 取代基 (引入、增減、消除、轉(zhuǎn)換) 4). “構(gòu)件”： C6H2N、吲哚 ? C2N、C4N 、C5N,,圖1-1 與生物堿生物合成有關(guān)的“構(gòu)件”,6). 酶促反應(yīng) 轉(zhuǎn)氨

16、酶、脫氫酶、脫羧酶、氧化 / 還原酶、 異構(gòu)酶、羥化酶、轉(zhuǎn)甲基酶等,7). 生物合成 ● 同源 (親緣) 形成、轉(zhuǎn)化、關(guān)系 ● 結(jié)構(gòu) ● 仿生合成(生源型合成)、結(jié)構(gòu)改造,二. 原理,一級：內(nèi)酰胺形成、希夫堿形成、曼尼希 ● 環(huán)合反應(yīng) 氨甲基化、氨基加成 (C-N鍵形成) 次級： 酚氧化偶聯(lián)

17、、亞胺鹽次級環(huán)合 N-雜環(huán) ● C-N鍵裂解: 內(nèi)酰胺開環(huán)、Hofmann / von Braun降解 ● 氨基化 ● 次級修飾,,,I. 環(huán)合反應(yīng),主要介紹 1. 希夫堿 (Schiff’s Base)形成 2. 曼尼希氨甲基化 (Mannich反應(yīng)) 3. 酚氧化偶聯(lián) (Oxidative Coupling of Phenols),1. 希夫

18、堿 (Schiff’s Base)形成,范圍：吡咯、吡咯里西丁、哌啶、喹諾里西丁,2. 曼尼希氨甲基化 (Mannich反應(yīng)),圖1-2 由曼尼希反應(yīng)生物合成的生物堿示例,芐基四氫異喹啉類、單萜吲哚類生物堿,3．酚氧化偶聯(lián)(oxidative coupling of phenols),酚自由基形成→自由基偶聯(lián)→再芳香化,(1) 酚自由基形成,(2) 自由基偶聯(lián)形成 C-C、C-O、C-N鍵,配對反應(yīng) 分子間

19、 分子內(nèi) O-P (主) P-P O-O (少),,,(3) 再芳香化,① 烯醇化 (偶聯(lián)位置有氫) ② C-C鍵遷移 (偶聯(lián)位置有C-C鍵) ③ C-C鍵裂解 (偶聯(lián)位置無氫),烯醇化-再芳香化 (見前) C-C鍵遷移-再芳香化,二烯酮 (醇)重排過程,芐基四氫異喹啉類,,C-C鍵裂解－再芳香化,II. C－N鍵的裂解

20、,1. 內(nèi)酰胺開環(huán) 2. Hofmann降解和von Braun降解 (生物體等價),III. 氨基化,氨基化反應(yīng)過程主要有三種方式：氧化-還原取代加成,1. 氧化-還原,2. 取代,3. 加成,單萜,倍半萜,石斛堿,二萜,維特欽,反考烷,甾體生物堿,第三節(jié) 生物堿的分類、生源關(guān)系及其分布,希格諾爾 (Hegnauer R, 1963)經(jīng)典分類法 原生物堿 (protoalkaloids)

21、 真生物堿 (true alkaloids) 偽生物堿 (pseudoalkaloids)分類方法主要有：來源分類法 (早、中期)化學(xué)分類法生源結(jié)合化學(xué)分類法,來源于氨基酸的生物堿,1．吡咯類 4. 哌啶類 來源于鳥氨酸 2．吡咯里西丁類

22、 來源于賴氨酸 5. 吲哚里西丁類 3．托品烷類 6. 喹諾里西丁類

23、 7. 喹啉類 來源于鄰氨基苯甲酸 8. 吖啶酮類 9. 簡單苯丙胺類

24、 10. 四氫異喹啉類 來源于苯丙氨酸/酪氨酸 11. 芐基四氫異喹啉類生 12. 苯乙基四氫異喹啉類

25、 13. 芐基苯乙胺類生物堿 14. 吐根堿類生物堿 15. 簡單吲哚堿類 來源于色氨酸 16

26、. 簡單β-卡波林類 17. 半萜吲哚堿類 18. 單萜吲哚堿類,來源于異戊烯的生物堿,一、來源于鳥氨酸的生物堿,(一) 吡咯類(Pyrrolidi

27、nes)生物堿,(二) 吡咯里西丁類(pyrrolizidines)生物堿,(三) 托品烷類(tropanes)生物堿 (茄科),二、 來源于賴氨酸的生物堿,(一) 哌啶類(piperidines)生物堿,(二) 吲哚里西丁類(indolizidines)生物堿,大戟科一葉萩屬 (Securinega spp.),1956 (蘇)梁曉天 (藥學(xué)學(xué)報(bào)，1963，10：225)Satoda (Tet. Lett., 1962, 1199

28、),(三) 喹諾里西丁類(quinolizidines)生物堿,豆科、石松科石松屬,三、 來源于鄰氨基苯甲酸的生物堿,四、來源于苯丙氨酸和酪氨酸的生物堿,(一) 苯丙胺類(phenylalkylamines)生物堿,ephidrine,pseudo-ephidrine (康泰克),四氫異喹啉類,陳克恢1928 (升壓),(二) 四氫異喹啉類(tetrahydroisoquinolines)生物堿,(三) 芐基四氫異喹啉(be

29、nzyltetrahydroisoquinolines)生物堿,1. 化學(xué)分類 (共7類),2. 生源關(guān)系,3．分布,主要分布于 木蘭科、防己科、大戟科、樟科、馬錢科、 番荔枝科、馬兜鈴科、小檗科、罌粟科、 毛莨科、蕓香科等植物中。,(四) 苯乙基四氫異喹啉類生物堿 (phenethyl-tetrahydroisoquinolines),(五) 芐基苯乙胺類(benzylphen

30、ethylamines)生物堿,(六) 吐根堿類 (emetines)生物堿,五、來源于色氨酸的生物堿,最大 (1/4)，最復(fù)雜，研究最多 (結(jié)構(gòu)、立化、反應(yīng)、合成),色氨酸,主要有四類：,(一) 簡單吲哚堿類(二) 簡單b-卡波林堿類,吲哚母核,(三) 半萜吲哚類(semiterpenoid indoles)生物堿,(四) 單萜吲哚類(monoterpenoid indoles)生物堿,根據(jù)生源并結(jié)合化學(xué)結(jié)構(gòu)分成三類：

31、單萜吲哚類堿雙分子吲哚類堿與單萜吲哚類堿相關(guān)的生物堿。,1. 單萜吲哚類生物堿,2. 雙分子吲哚堿類,Dimers / Bis,3．與單萜吲哚類堿有關(guān)的生物堿,阿巴利生類烏勒因類喜樹堿類金雞寧堿類,六、 來源于萜類的生物堿,(一) 單萜生物堿 (monoterpenoid alkaloids) (二) 倍半萜生物堿 (sesquiterpenoid alkaloids) (三) 二萜生物堿(diterpeno

32、id alkaloids) (四) 三萜生物堿(triterpenoid alkaloids),(一). 單萜生物堿(monoterpenoid alkaloids),(二). 倍半萜生物堿(sesquiterpenoid alkaloids),石斛堿,(三). 二萜生物堿(diterpenoid alkaloids),,二萜生物堿的生源關(guān)系,(四). 三萜生物堿(triterpenoid alkaloids),(>

33、200)/交讓木科交讓木屬,七、 來源于甾體的生物堿,分類： 孕甾烷(C21)類生物堿 環(huán)孕甾(C24)類生物堿 膽甾(C27)類生物堿,(一). 孕甾烷類 (二). 環(huán)孕甾烷類,(三) 膽甾烷(C27)生物堿 (cholestane alkaloids),1. 膽甾烷堿類,2. 異膽甾烷堿類,第四節(jié) 理化性質(zhì),一. 性狀 顏色 (高共軛體系)

34、 mp (雙熔點(diǎn)) (罕見) 旋光 (分子手性，如棉酚)二. 旋光性三. 溶解度四. 檢識 (預(yù)試、提分、鑒定),(一). 氮原子的雜化形式,實(shí)際上：常見者僅SP2, SP3,(二). 電性效應(yīng) (SP3),NH3 ﹤ 伯 ﹤ 仲 ﹤ 叔胺,示例,3) 氮雜縮醛 a-羥胺,2. 誘導(dǎo)場－效應(yīng) (直接效應(yīng)),同分子中2個處境同 (類似) N，但堿性不同,統(tǒng)計(jì)學(xué)上： ka1 / ka2 = 4

35、 , D pKa = 0.60 (實(shí)際 > 0.6),表,3. 共軛效應(yīng),DP－p 共軛 D共平面性1) 苯胺型,2) 烯胺型,3) 酰胺型,(三) 空間效應(yīng) (立體),1. N原子上取代基的立體位阻,2. 苯胺型 (二種效應(yīng)),3. 橋頭氮 (Bred's rule),4. 1, 3-雙直立關(guān)系,(四) 分子內(nèi)氫鍵效應(yīng),①,②,③,④,生物堿的理化性質(zhì)之 六.

36、 成 鹽,1. 絕大多數(shù)生物堿可與酸形成鹽類。2. 對質(zhì)子化來說，仲胺、叔胺生物堿成鹽 時， 質(zhì)子多結(jié)合在氮原子上。3. 對于1)季銨堿 2)氮雜縮醛 3)烯胺 4)具有涉及氮原子的跨環(huán)效應(yīng)形式存在的生物堿， 質(zhì)子化則往往并非發(fā)生在氮原子上。,1). 季銨生物堿的成鹽,季銨生物堿A與酸形成

37、鹽B時，質(zhì)子與OH－結(jié)合成水,,小檗堿可能的三種存在形式,,2). 含氮雜縮醛結(jié)構(gòu)單元的生物堿的成鹽,這類生物堿A與酸作用形成亞胺鹽B，質(zhì)子是與RO-結(jié)合成醇或水,,斯米生在酸堿條件下的相互轉(zhuǎn)化,3). 具有烯胺結(jié)構(gòu)的生物堿的成鹽,此類生物堿質(zhì)子化多在b-碳上，而非氮原子上,,二氫奧斯東寧,4).涉及氮原子跨環(huán)效應(yīng)的生物堿的成鹽,生物堿分子中氮原子上孤電子對空間上靠近酮基時，則多產(chǎn)生跨環(huán)效應(yīng)，導(dǎo)致許多理化性質(zhì)的變化,,,甲醇(主),CF

38、3CO2H或H2O(19S -19R = 1:1),第五節(jié) 提取與分離,總生物堿的提取 溶解度 堿性 (水蒸汽蒸餾) 麻黃堿,(一) 溶劑法,1. 水或酸水－有機(jī)溶劑提取法 2. 醇－酸水－有機(jī)溶劑提取法 3. 堿化－有機(jī)溶劑提取法,1. 水或酸水－有機(jī)溶劑提取法,2. 醇－酸水－有機(jī)溶劑提取法,3. 堿化－有機(jī)溶劑提取法,(二) 離子交換樹脂法,(二) 離子交換樹脂法(續(xù)),*,(三) 沉淀

39、法,二. 分離 1. 程序：總堿→類別 / 部位→單體生物堿 2. 原理：堿性 鹽溶解度 層析 其它,3. 系統(tǒng)分離 特定成分分離①系統(tǒng)分離實(shí)例：選擇原則 (共性、特殊性)② 生產(chǎn) (藥用堿，表9-1),(一). 類別生物堿的一般分離流程,類別生物堿的一般分離流程 (續(xù)

40、 I),類別生物堿的一般分離流程 (續(xù) II),(二) 單體生物堿的分離1. 利用生物堿鹽溶解度的差異進(jìn)行分離 實(shí)例,利用生物堿鹽溶解度的差異進(jìn)行分離 實(shí)例(續(xù)),2. 利用生物堿堿性的差異進(jìn)行分離,3. 色譜法 4. 其它方法,化學(xué)法 制備HPLC,三、 生物堿提取分離的實(shí)例,(一). 浙貝母中生物堿的分離 (二). 主要藥用生物堿工業(yè)生產(chǎn)的提取 分離方法,(一). 浙貝母中生物堿

41、的分離 (I),浙貝母中生物堿的分離 (II),浙貝母中生物堿的分離 (III),DCCC: Droplet Counter Current Distribution,(二). 主要藥用生物堿工業(yè)生產(chǎn)的 提取分離方法,提取分離的主要原理,鹽溶解度差異堿溶解度差異高含量較高含量或主成分堿性差異弱堿性色譜法,麻黃堿 & 偽麻黃堿,小檗堿 & 小檗胺,漢防己甲素,喜樹堿,秋水仙堿,莨菪堿﹑ 山莨菪

42、堿﹑ 樟柳堿 & 紅古豆堿,長春堿 & 長春新堿,第六節(jié) 結(jié)構(gòu)鑒定與測定,一. 光譜法在生物堿結(jié)構(gòu)測定中的應(yīng)用 常用的包括: 1). 四大光譜：UV、IR、MS、 NMR (1H-、13C- 和2D-NMR) 2). CD ORD 單晶X－射線衍射分析,(一). 紫外光譜 反映基本

43、骨架 / 生色團(tuán)特點(diǎn),1. 結(jié)構(gòu)分類與UV譜關(guān)系 1) 生色團(tuán) (非主體部分)：吡咯里西丁 / 甾 喹諾里西丁 / 萜 2) 生色團(tuán) (整體部分)：吡咯、喹啉、氧化阿樸菲、哚吲堿 3) 生色團(tuán) (主體部分)： ① 含1個生色團(tuán)： 托品烷，芐基四氫異喹啉，

44、 普羅托品、二氫吲哚 ② 含2個生色團(tuán)：嗎啡堿類，刺桐堿類,2. 與pH關(guān)系 參與 (異) (喹啉、吲哚、吖啶酮類等)堿性N與生色團(tuán)關(guān)系 與非堿性N相連 (似) (箭頭毒V等)

45、 不相連 (遠(yuǎn)) (柯蒲堿), 近：皮克尼寧 (似酚類, 紅移),N1無取代二氫吲哚堿類 (UV: ~240, ~295 nm),,,3. UV特征,(二). 紅外光譜,1. 跨環(huán)效應(yīng) 1660~1695 cm-1,2. Bohlmann吸收帶

46、 (2700~2800 cm-1),(三). 質(zhì)譜,特征性離子的產(chǎn)生 1) 難裂解或由取代基或側(cè)鏈裂解 (基峰或強(qiáng)峰),2). 受氮原子支配（a-裂解) / 涉及骨架裂解,① 金雞寧堿類,② 甾體生物堿類,3)．主要由RDA裂解產(chǎn)生特征離子,① 吲哚生物堿類,② 四氫異喹啉類,4)．主要由芐基裂解產(chǎn)生特征離子,(四). 核磁共振譜,,,,1.,,2.,3.,A,X,3.,4.,5.,6.,7.,B,

47、7.,C,二. 結(jié)構(gòu)測定實(shí)例,A. 光譜分析,1. 物理常數(shù) mp. 210-212oC [a] - 80°(c, 0.6, CHCl3) C30H33H6N,2. 功能基定性 / 量：,由相應(yīng)光譜可知： NCH3×1 OAc×1 OBz×1

48、1710 cm-1 ＞= CH2×1 CO×1或2 (1710、1690 cm-1; d 210.8) CD: [q]300 nm = 2.2×103: CE : (－),3. 定骨架,證明①與類似物比較 C-16(13譜)：一般維特欽型 >阿替生型,紫烏紫

49、定 (C-6): d 141.6,化學(xué)證明②－臭氧化,證明③－1H NMR (6-CO / 7-H2),4. 取代基定位,①,②,R = Ac 或 Ph, R1 = Ph 或 Ac,雙酯定位 (J. NOE),B. 單晶X－射線衍射分析,C. 結(jié)構(gòu)修正后化學(xué)與光譜工作,1. 雙酯定位,,2.    “13”－酮基定位,NMR (90、100、200 MHz).累加間隙時間：5 秒 → d 200.2 →

50、 C(6)- 酮 d 210.8 → C(13)- 酮,非充分堿化條件下測C6- 酮 d 值不可靠 (加權(quán)值),,生物堿的生物活性與藥用價值 見附錄《生物堿》部分,第十一章 天然藥物的研究開發(fā),一. 前言 (大部分)二. 程序,2. 程序 (表10-1) (p 390) 國內(nèi)薄弱環(huán)節(jié),三、天然活性成分的分離研究方

51、法,(二). 實(shí)例 1. 茜草環(huán)肽 (系川秀治) 2. 靛玉紅 3. 青蒿素 4. 聯(lián)苯雙酯與雙環(huán)醇 5. 山莨菪堿與樟柳堿,,,五味子素 → 聯(lián)苯雙酯 → 雙環(huán)醇,唐古特山莨菪堿(Scopolia tangutica),山莨菪堿 (Anisodamine)抗膽堿藥，急性微循環(huán)障礙有機(jī)磷中毒,阿托品 (dl-Atropine)解痙，有機(jī)磷中毒,四. 結(jié)構(gòu)修飾,舉例：

52、 腎上腺素能受體藥物 嗎啡堿類藥物,王鋒鵬，梁曉天：天然創(chuàng)新藥物研究的思考, 中國天 然藥 (增刊), 2006年, 11月, p1-4。,腎上腺素能受體藥物,去氧腎上腺表(防治低血壓，抗休克)(a1),甲基多巴胺(抗高血壓)(a2),多巴酚丁胺(治療周圍血管病)(b1),沙丁胺醇(治療哮喘/支氣管痙攣)(b2),嗎啡堿類藥物,總 結(jié),一. 學(xué)科 (天