Transcript 项目一中药中生物碱类化学成分的提取分离技术

一、理论基础
二、任务
一、概述
理
论
基
础
二、结构与分类
三、理化性质
四、提取分离方法
一、概述
十九世纪德国学者F.W.Sertrner从鸦片中
分离出吗啡碱(morphine)
现从自然界中分离得到约10000种
《全国医药产品大全》中收载的药物及其
制剂达六十余种
植物中存在的生物碱大多有明显的生理活
性如：
概述
•
鸦片中的吗啡——镇痛作用
• 麻黄中的麻黄碱——止喘作用
• 长春花中的长春碱——抗癌活性
• 黄连中的小檗碱——抗菌消炎作用
• 山莨菪碱——抗中毒性休克作用
生物碱化学结构的研究为合成药物提供了线
索，如：
概述
植物古柯中的有效成分古柯碱（cocaine）虽有很
强的局部麻醉作用，但是毒性较大，久用容易成瘾
NH2
COOCH3
H
C2H5
N CH3
O
N
C2H5
O
古柯碱
cocaine
（可卡因）
O
O
普鲁卡因
procaine
(合成品)局麻药
概述
㈠生物碱的定义
指存在于生物体内一类含氮的有机化合物；
多数具有碱性且能和酸结合生成盐；
大部分为杂环化合物且氮原子在杂环内；
多数有较强的生理活性。
㈡分布
存在于一百多个科中如：豆科、茄科、防己科、
罂粟科、毛茛科等植物中。
概述
㈢存在形式
1.游离碱：碱性极弱，以游离碱的形式存在。
2.成
盐：有机酸：柠檬酸、酒石酸等；特殊的酸
类：乌头酸、绿原酸等无机酸：硫酸、盐酸等。
3.苷
类：以苷的形式存在于植物中；
4.酯
类：多种吲哚类生物碱分子中的羧基，常以
甲酯形式存在。
5.N-氧化物：植物体中的氮氧化物约一百余种。
二、 结构与分类
㈠有机胺类（苯丙氨酸/酪氨酸）
结构特点
氮原子不结合在环内的一类生物碱。
OH
CH
CH CH 3
OH
NHCH 3
CH CH
CH3
NHCH3
麻黄碱
伪麻黄碱
(1R,2S)
(1S,2S)
ephedrine
pseudoephedrine
麻黄枝、茎
麻黄
二、 结构与分类
㈡吡咯烷类生物碱
由吡咯或四氢吡咯（吡咯烷）衍生的生物碱。
N
H
N
H
吡咯
四氢吡咯
重要的分类：简单的吡咯衍生物
吡咯里西啶衍生物（又称双稠吡咯啶）
吲哚里西啶衍生物。
二、 结构与分类
㈡吡咯烷类生物碱
简单的吡咯衍生物
OCOMe
O
O
O
N
N
Me
Me
红古豆碱
cuscohygrine
（无活性）
N
N
Me
Me
红古豆醇苦杏仁酸酯
（有活性）
似阿托品药物
的散瞳等作用
山莨菪
二、 结构与分类
㈢吡啶衍生物
由吡啶或六氢吡啶衍生的生物碱。
分类：简单吡啶衍生物、喹诺里西啶（quinolizidine）
N
吡啶
N
喹诺里西啶
二、 结构与分类
㈢吡啶衍生物
OMe
NH
CN
Me
Me
N
N
N
猕猴桃碱
actinidine
O
Me
蓖麻碱
ricinine
O
金雀花碱
cytisine
二、 结构与分类
㈢吡啶衍生物
O
O
N
N
N
N
O
苦参碱
matrine
氧化苦参碱
oxymatrine
苦 参
二、 结构与分类
㈣莨菪烷（tropane）衍生物
由吡咯啶和哌啶骈合而成的杂环。
分类：颠茄生物碱（belladonna alkaloids）
古柯生物碱（coca alkaloids）
H 3C
N CH 3
H
N
N CH3
H
莨菪烷
H
H
H
H
二、 结构与分类
莨菪碱是由莨菪醇（tuopine）与莨菪酸（tuopic
acid）缩合而生成的酯：
CH2 OH
H
N CH3
HOOC
+
OH
莨菪醇
缩合
H
N CH3
OCO
CH2 OH
C
H
莨菪碱（阿托品）
C
H
莨菪酸
二、 结构与分类
颠茄生物碱（belladonna alkaloids）
H
N CH3
OCO
H
N CH3
CH2 OH
C
H
OCO
HO
O
N CH3
OCO
CH2 OH
C
H
东莨菪碱
scopolamine
C
H
山莨菪碱
anisodamine
莨菪碱
阿托品
hyoscyamine atropine
H
CH2 OH
H
O
N CH3
CH2 OH
OCO
樟柳碱
anisodine
OH
白花曼陀罗
二、 结构与分类
古柯生物碱（coca alkaloids）
COOH
H
COOCH3
H
N CH3
N CH3
OH
O C
O
爱康宁
ecgonine
古柯碱
cocaine
古柯树
二、 结构与分类
㈤喹啉衍生物
5
4
3
6
7
8
O
N
O
OH
喜树碱
camptothecine
治白血病和直肠癌
2
1
内酯结构
O
N
N
喹 啉
碱化开环
成盐溶于水
喜 树
二、 结构与分类
（六）异喹啉类生物碱
N
原小檗碱型 protoberberine
HO
O
O
+
N OH
小檗碱（黄连素）
berberine
MeO
+
N OH
OMe
OMe
OMe
OMe
药根碱
jatrorrhizine
黄
连
二、 结构与分类
（七）吲哚（yinduo）衍生物
H
CH2 OH
CONH
4
Me
5
N
3
6
7
1
N
H
吲哚
Me
2
N
H
麦角新碱
ergonovine
ergometrine
二、 结构与分类
（七）吲哚（yinduo）衍生物
CH3 NH
CH3
CH3
COO
N
N
N
CH3
CH3
毒扁豆碱
physostigmine
治疗青光眼
N
H
CH3
玫瑰树碱
ellipticine
抗癌作用，低毒。
二、 结构与分类
(八) 甾体生物碱类
H
N
H
H
H
HO
H
OH
H
H
OH
H
H
贝母碱
peimine
verticine
二、 结构与分类
(九) 萜生物碱类
OH
N
Me
OCH3
OCH3
O
O
Me
CH3 CH2
O
C
O
N
OH
O C
HO
O
OCH3
石斛碱
dendrobine
OCH3
乌头碱
aconitine
CH3
二、 结构与分类
(十) 大环生物碱类
Cl
MeO
N
Me
O
Me
O
O
Me
Me
N
H
Me
O
O
Me
H
Me
O
MeO
OH N
H
美登碱
maytansine
O
高效低毒、安全幅度大的抗癌活性成分
二、 结构与分类
(十一) 其他类型生物碱
Me
N
Me
Me
N
Me
四甲基吡嗪（川芎嗪）
tetramethylpyrazine
OMe
CH3 O
O
CH3 O
N
H
O
O
N
H
CH3
OH
O
莲氏花烷
hasubanane
OH
Cl
间千金藤碱
metaphanine
MeO
N
Me
OMe
短防已碱
acutumine
三、 理化性质
（一）一般性质
1.形态——多为结晶固体，少为粉末；有熔点。
少数常温下——液体（多不含氧，若含多成酯键）
COOCH3
N
N
H
N
毒藜碱
dl-anabasine
N
Me
烟碱
nicotine
N
Me
槟榔碱
arecoline
三、理化性质
（一）一般性质
2.颜色——多为无色或白色，少数有色。
O
O
O
+
N
Zn
O
OMe
小檗碱
（黄色）
OMe
N
H2SO4
OMe
四氢小檗碱
（无色）
OMe
三、理化性质
（一）一般性质
O
O
N
一叶萩碱
（黄色）
• 一叶萩碱成盐后则无色。
三、理化性质
（一）一般性质
3.味
觉——多具苦味。
4.挥发性——多无挥发性，少数具挥发性。
5.旋光性——多为左旋光性。
有的产生变旋现象。
如：烟碱
中性溶液——左旋光性
酸性溶液——右旋光性
多数左旋体呈显著生理活性。
三、理化性质（一）一般性质
6.溶解度
(1)游离碱
类别
极性
溶解性
H2O CHCl3 H+ OH-
非酚性
较弱
脂溶性
—
+
+
—
季铵碱
强
水溶性
+
—
+
+
半极性 中等水溶 +
±
+
+
脂溶性 —
水溶性 +
+
—
+
+
+
+
氮氧化物
两性: Ar-OH 较弱
-COOH 强
*酸、碱均为1%。
三、理化性质（一）一般性质
6.溶解度
(1)游离碱
少数酚性碱，由于各种原因而导致不溶碱水中。
如：
OMe
Me
N
MeO
N
OH
O
O
OMe
去甲基粉防已碱
Me
Ar-OH
由于空间位阻且能
形成分子内氢键
所以不溶于碱水
三、理化性质（一）一般性质
6.溶解度
(2)成盐
多易溶于水，不溶或难溶有机溶剂。
含氧酸盐的水溶性往往较大。
与大分子有机酸所形成的盐水溶性差
与小分子有机酸或无机酸成盐水溶性较好。
三、理化性质 （二）碱性
1.碱性强弱的表示方法
游离碱浓度
[B]
pKa
pH
¡ª¡ª
lg
+
成盐碱浓度
[BH ]
pKa = - lgKa£»pKb = - lgKb£»pKa + pKb = 14
pKa: < 2
极弱碱
2~7
7 ~ 11
> 11
弱 碱
中强碱
强碱
三、理化性质 （二）碱性
2.影响碱性强弱的因素
（1）杂化方式
SP3 (
pKa 10~
N ) > SP2 (-N C ) > SP ( C N )
5~6
0~1
N
吡啶
pka= 5.2 ( SP2 )
N
H
胡椒啶
pka = 11.2 ( SP3 )
三、理化性质 （二）碱性
2.影响碱性强弱的因素
（2）电子效应
NH 3
胺
pka 9.3
1)诱导效应
Me NH 2
伯胺
10.6
Me N Me
H
仲胺
Me N Me
Me
叔胺
10.7
连接供电基团则使碱性增强。
9.74
比较下面化合物的碱性大小：
三、理化性质 （二）碱性
2.影响碱性强弱的因素
（2）电子效应
2）共轭效应
氮原子孤电子对处于P~共轭体系时，碱性减弱。
O
..
N
O
C
N
O
R
酰胺结构
O
O
Me
O
Me
N
N
N
N
Me
胡椒碱
（pKa=1.42）
咖啡因
（ pKa=1.22）
三、理化性质 （二）碱性
2.影响碱性强弱的因素
（3）立体因素
叔胺分子——碱性降低
但如：苦参碱——使碱性增强
O
N
16
..N
N
1
苦参碱
三、理化性质 （二）碱性
2.影响碱性强弱的因素
（4）分子内氢键
若能形成稳定的分子内氢键，可使碱性增强。
（指成盐时接受的质子能形成稳定的分子内氢键）
H
H
C
C
OH H
CH3
OH NHCH3
麻黄碱
C
C
CH3
H
NHCH3
伪麻黄碱
三、理化性质 （二）碱性
2.影响碱性强弱的因素
（4）分子内氢键
Me
Me
O
H
H2
H1
麻黄碱
H1
H
+NHMe
+
NHMe
H2
O
H
H
伪麻黄碱
三、理化性质 （二）碱性
2.影响碱性强弱的因素
（4）分子内氢键
Me
Me
O
H
H2
H1
H1
H
+NHMe
+
NHMe
H2
O
H
H
麻黄碱
伪麻黄碱
pKa=9.58
pKa=9.74
三、理化性质 （二）碱性
2.影响碱性强弱的因素
碱性强弱：
N OH >
+
季铵
O
N H >
仲胺
NH2
伯胺
> N > Ar-NH2 >
叔胺
供电--碱性↑
共轭、诱导吸电--碱性↓
芳胺
N
H
酰胺
三、理化性质
（三）成盐
生物碱与酸成盐，对质子化来说，仲胺、叔胺
生物碱成盐时，质子多结合于氮原子。
季胺碱、氮杂缩醛、烯胺以及具有涉及氮原子
的跨环效应形式存在的生物碱，质子化则往往并非
发生在氮原子上。
三、理化性质 （四）检识方法
•用途：
鉴别——试管、TLC或PC显色剂；
提取分离——检查是否提取完全。
•主要内容： 1.沉淀试剂
2.反应原理
3.反应条件
4.结果判断
三、理化性质 （四）检识方法
1.沉淀试剂
金属盐类
•碘-碘化钾（Wagner）KI-I2 棕褐色沉淀
•碘化铋钾（Dragendoff）BiI3KI
•碘化汞钾（Mayer试剂）HgI22KI
红棕色沉淀
类白色沉淀
若加过量试剂，沉淀又被溶解
三、理化性质 （四）检识方法
1.沉淀试剂
•酸类——硅钨酸(Bertrand试剂)SiO212WO3 乳白色
•酚酸类——苦味酸(Hager试剂) 2,4,6-三硝基苯酚黄色
•复盐——雷氏铵盐(Ammoniumreineckate) 硫氰酸铬铵
试剂 ，生成难溶性复盐 紫红色
三、理化性质 （四）检识方法
2.反应原理：生成更大多分子复盐和络盐
NH
+
-
+
+ KBiI4
+
NH BiI4 + K
生物碱盐 碘化铋钾
O2 N
NO2
NH
+
+ -
+
NH O
NO2
O2 N
OH
生物碱盐
苦味酸
O2 N
NO2
三、理化性质 （四）检识方法
3.沉淀反应条件
（1）通常在酸性水溶液中生物碱成盐状态下进行；
（若在碱性条件下则试剂本身将产生沉淀）
（2）在稀醇或脂溶性溶液中时，含水量>50%；
（当醇含量>50%时可使沉淀溶解）
（3）沉淀试剂不易加入多量。
（如：过量的碘化汞钾可使产生的沉淀溶解）
三、理化性质 （四）检识方法
4.结果的判断
（1）鉴别时每种Alk需采用三种以上沉淀试剂；
（沉淀试剂对各种Alk的灵敏度不同）
（2）直接对中药酸提液进行沉淀反应，则
阳性结果——不能判定Alk的存在
阴性结果可判断无Alk存在
氨基酸、蛋白质、多糖、鞣质等 + 沉淀试剂——沉淀
三、理化性质 （四）检识方法
色谱检识
（1）薄层色谱
吸附剂：硅胶、氧化铝
展开剂：以苯、氯仿为主因硅胶为弱酸性，因此需加碱处
理：
1）在湿法铺板时加一定量的NaOH溶液，使板呈碱性。
2）在中性展开剂中加入一定量的二乙胺或氨水（如氯仿二乙胺9﹕5或9﹕1）
3）在层析槽中放一盛有氨水的小杯。
四、提取分离方法
（一）提取
1.酸水提取法
2.醇类溶剂提取法
3.亲脂性有机溶剂提取法
（二）分离
1. 溶解性——结晶法
2.特殊功能基——沉淀结晶法
3. 碱性强弱——pH梯度萃取
4.色谱法
任 务
1.酸水提取法（黄连中小檗碱的提取分离方法）
分离 ——（离子交换树脂法、有机溶剂萃取法、沉淀法）
2.醇类溶剂提取法（粉防己中生物碱类成分的提取分
离方法)
3.亲脂性有机溶剂提取法（乌头中生物碱的提取分离
方法）
任 务一
黄连中小檗碱的提取分离方法
酸水提取法：冷提法（渗漉法、冷浸法）
酸性水——0.5% ~ 1%H2SO4、HCl、HOAc等
生药
H+/H2O
药渣
H+/H2O
OH-
弱碱及杂质
OH-/H2O
亲水性Alk
Alk 
任 务一
酸水提取法
此法缺点：
提取液体积较大（浓缩困难）
提取液中水溶性杂质多
解决方法：
（1）离子交换树脂法
（2）沉淀法
任 务一
酸水提取后的处理方法：（分离）
（1）离子交换树脂法
- +
RSO3H +
氢离子型阳
离子交换树脂
Alk
+
NH
RSO3
生物碱盐
有机溶剂提取
+
NH +
+
H
OH- 如：NH4OH
RSO3 NH4+ +
阳离子交换
树脂的铵盐
N + H2O
游离生物碱
任 务一
酸水提取后的处理方法：（分离）
（2）沉淀法
①酸提碱沉法
适用于碱性弱的生物碱
药 材
H+/H2O提取；加碱碱化
沉 淀
H2O
不溶或难溶性Alk
水溶性Alk、杂质
任 务一
酸水提取后的处理方法：（分离）
（2）沉淀法
②盐析法：适用中等弱碱。
黄连提取液（处理后）
加NaCl达饱和
沉淀
盐酸小檗碱
H2O
任 务一
酸水提取后的处理方法：（分离）
（2）沉淀法
③雷氏铵盐沉淀法
适用于季铵碱
(B[Cr(NH3)2(SCN)4])
B+ + NH4[Cr(NH3)2(SCN)4]
Ag2SO4
B2SO4
+ Ag[Cr(NH3)2(SCN)4]
BaCl2
BaSO4
+ B . Cl
任务一
季铵碱的水溶液
加酸水调至弱酸性
加新配制的雷氏铵盐饱和/H2O
沉淀(雷氏复盐)
水溶液
溶丙酮（乙醇）中
加Ag2SO4饱和水溶液
雷氏银盐沉淀
滤液 (B2SO4)
加入氯化钡（BaCl2）
沉 淀
滤 液
硫酸钡沉淀
季铵碱的盐酸盐
任 务二
粉防己中生物碱类的提取分离方法
防己又称粉防己、汉
防己、倒地拱，为防己科植物
粉防己（Stephania tetrandra
S.Moore）的干燥根，为临床
常用中药。防己味苦，辛，性
寒，具有祛风止痛、利水消肿
等功效。防己中主要有效成分
为粉离己碱（tetrandrine，又
称汉防己甲素）和防己诺林碱
（demethytetrandrine，又称
汉防己乙素）。
任 务二
粉防己中生物碱类的提取分离方法
醇类溶剂提取法
生药
醇或酸性醇
醇液
药渣
挥醇；加酸水
沉淀
H+ / H2O
碱性较弱的碱
OH-/H2O CHCl3
OH-/H2O
亲水性Alk
CHCl3
Alk
任务三
乌头中生物碱类的提取分离方法
乌头来源于毛茛科植
物乌头（Aconitum
carmichaeli Debx.）的干燥母
根，乌头的子根加工品附子，
以及同属植物北乌头（草乌）
的块根。乌头生物碱有很强的
生物活性，具有镇痛、麻醉、
祛风除湿的功效，但毒性较强。
乌头主要含二萜类生物碱，属
于四环或五环二萜类衍生物。
据报道，从各种乌头中分离出
的生物碱达90多种，其中以乌
头碱和乌头次碱为主要成分。
任务三
乌头中生物碱类的提取分离方法
亲脂性有机溶剂提取法
乌头粗粉
碱化（如NH4OH）（使Alk游离）
渗滤（或浸渍）（如CHCl3等）
残 渣
CHCl3
亲水性Alk
H+/H2O
CHCl3
碱性较弱的Alk
H+/H2O
OH-/H2O
Alk沉淀
分离方法论
生物碱的分离
系统分离
特定分离
多用于基础研究
侧重于生产实用
总 碱
类别
指酸碱性强弱
部位
指极性不同
依据Alk的理化性质
单体Alk的分离
1.根据Alk及其盐的溶解度不同进行分离
（1）游离生物碱：氧化苦参碱 的分离；
（2）生物碱盐：麻黄碱和伪麻黄碱 的分离
士的宁与马钱子碱 的分离
2.利用生物碱特殊功能基不同进行分离
吗啡与可待因 的分离
复习思考题
1、异喹啉类生物碱有哪些主要类型？试举例。
2、简述生物碱的溶解性规律。
3、简述影响生物碱碱性的因素。
4、生物碱的沉淀反应应在什么条件下进行？应注
意什么问题？
5、通常用什么样的方法从药材中提取生物碱？
6、乙醇提取法提取生物碱时如何除去药液中的脂
溶性杂质？
溶剂提取法
1、定义
根据中药中各类化学成分的溶解度不同
（在溶剂中的溶解性不同），选择对有效成分
溶解度大而对其他成分溶解度小的溶剂，将有
效成分从药材组织中提取出来的一种方法。
2、基本原理（渗透扩散原理）
粉碎后的药材，加入适宜的溶剂 →
溶剂渗透、进入药材，溶解可溶性成分
→ 药材细胞内外，可溶性成分形成浓度
差，产生渗透压 → 扩散 → 再不断地渗
透、扩散 → 最终达到动态平衡
3、影响因素
影响提取效率的因素：
（1）溶剂的选择：相似相溶的原理，根据溶剂
的极性，被提取成分及共存的其他成分的性质来
决定，同时兼顾考虑溶剂是否使用安全、易得、
价廉、浓缩方便等问题；
（2）浓度差：形成较大的浓度差；
（3）温度：不同的提取方法采用不同的温度；
（4）药材粉碎度：根据药材的特点，采用不
同的粉碎度，一般以能通过二号筛为宜；
（5）药材的干湿度：一般为干燥药材；
（6）提取时间
4、溶剂的选择
（1）常见溶剂的介电常数、极性大小
溶剂名称
石油醚
苯
乙醚
氯仿
醋酸乙酯
介电常数
1.8
2.3
4.3
5.2
6.1
溶剂名称
正丁醇
丙酮
乙醇
甲醇
水
介电常数
17.5
21.5
26.0
31.2
80.0
常用溶剂的极性大小顺序排列如下：
石油醚＜苯＜无水乙醚＜氯仿＜醋酸乙酯
脂溶性溶剂（亲脂性）
正丁醇＜丙酮＜乙醇＜甲醇＜水
水溶性溶剂（亲水性）
（2）溶剂的性质、特点
1）水：极性强，穿透力大，价廉、易得、使用安全的溶
剂，但易霉变，难以保存，不易浓缩和滤过。
常用于提取盐类、苷类、糖类、蛋白质等
2）亲水性有机溶剂：溶解极性成分，穿透力强，某些
脂性成分也能溶解，提取范围广，易于保存、滤过和回
收；易燃，价格贵。
3）亲脂性有机溶剂：选择性强，提取液易浓缩回收，
但穿透力差，毒性大。
常用于提取脂溶性成分，如油脂、挥发油、游离生
物碱、苷元等。
5、各官能团的极性顺序如下：
羧基＞酚羟基＞醇羟基＞氨基＞酰氨基＞
醛、酮＞酯基＞醚基＞烯基＞烷基
四、提取技术
1、浸渍法：包括冷浸法和温浸法
（1）适用范围：有效成分遇热易破坏及易溶于
水的成分（如淀粉、果胶、粘液质等多糖类化
合物）
（2）提取温度： 常温或40。-80。C
（3）提取时间：浸渍1-2天，共2-3次，合并浸液
（4）优点：操作方便，简单易行
（5）缺点：提取时间长，效率低，易霉变。
2、渗漉法（动态浸提方法）
（1）适用范围：遇热不稳定的成分或含大
量多糖类药材的提取
（2）提取温度：常温
（3）提取时间：较长
（4）优点：保持较好的浓度差，提取效率
高
（5）缺点：操作不方便，提取溶剂用量大，
时间长。
（6）连续渗漉装置
3、煎煮法
（1）适用范围：有效成分能溶于水且不易
被水、热破坏的天然药材，不宜用于含
挥发性成分、遇热不稳定及含多糖类的
药材
（2）提取温度：煮沸1小时左右，2-3次
（3）优点：操作简单，提取效率高
（4）提取时应避免使用铁器
4、回流提取法
（1）适用范围：有效成分对热稳定，易溶
于低沸点有机溶剂的天然药材
（2）优点：提取效率高
（3）缺点：溶剂消耗量大，对热不稳定的
药材不适用
5、连续回流提取法
（1）用少量溶剂进行连续循环回流提取，
充分将有效成分浸出；
（2）溶剂用量少；索氏提取器
1、冷凝管
2、溶剂蒸气上升管
3、虹吸管
4、将有药粉的滤纸袋
5、溶剂
6、水浴
6、超声提取法
（1）原理：利用超声波的空化作用，破坏
植物药材细胞，使溶剂易于渗入细胞内，
同时超声波的强烈振动使浸提的药材和
溶剂作高速运动加强胞内物质的释放、
扩散和溶解，提高提取效率。
苦 参