一般天然产物的提取方式有哪些?残余物质如何除去
(一)溶剂提取法:
1.溶剂提取法的原理:溶剂提取法是根据中草药中各种成分在溶剂中的溶解性质,选用对活性成分溶解度大,对不需要溶出成分溶解度小的溶剂,而将有效成分从药材组织内溶解出来的方法。当溶剂加到中草药原料(需适当粉碎)中时,溶剂由于扩散、渗透作用逐渐通过细胞壁透入到细胞内,溶解了可溶性物质,而造成细胞内外的浓度差,于是细胞内的浓溶液不断向外扩散,溶剂又不断进入药材组织细胞中,如此多次往返,直至细胞内外溶液浓度达到动态平衡时,将此饱和溶液滤出,继续多次加入新溶剂,就可以把所需要的成分近于完全溶出或大部溶出。
2.溶剂的选择:运用溶剂提取法的关键,是选择适当的溶剂。溶剂选择适当,就可以比较顺利地将需要的成分提取出来。选择溶剂要注意以下三点:①溶剂对有效成分溶解度大,对杂质溶解度小;②溶剂不能与中药的成分起化学变化;③溶剂要经济、易得、使用安全等。
3.提取方法:用溶剂提取中草药成分,、常用浸渍法、渗漉法、煎煮法、回流提取法及连续回流提取法等。同时,原料的粉碎度、提取时间、提取温度、设备条件等因素也都能影响提取效率,必须加以考虑。
1)浸渍法:浸渍法系将中草药粉末或碎块装人适当的容器中,加入适宜的溶剂(如乙醇、稀醇或水),浸渍药材以溶出其中成分的方法。本法比较简单易行,但浸出率较差,且如用水为溶剂,其提取液易于发霉变质)须注意加入适当的防腐剂。
2)渗漉法:渗漉法是将中草药粉末装在渗漉器中,不断添加新溶剂,使其渗透过药材,自上而下从渗漉器下部流出浸出液的一种浸出方法小当溶剂渗进药粉溶出成分比重加大而向下移动时,上层的溶液或稀浸液便置换其位置,造成良好的浓度差,使扩散能较好地进行,故浸出效果优于浸渍法。但应控制流速,在渗渡过程中随时自药面上补充新溶剂,使药材中有效成分充分浸出为止。或当渗滴液颜色极浅或渗涌液的体积相当于:原药材重的10倍时,便可认为基本上已提取完全。在大量生产中常将收集的稀渗淮液作为另一批新原料的溶剂之用。
3)煎煮法:煎煮法是我国最早使用的传统的浸出方法。所用容器一般为陶器、砂罐或铜制、搪瓷器皿,不宜用铁锅,以免药液变色。直火加热时最好时常搅拌,以免局部药材受热太高,容易焦糊。有蒸汽加热设备的药厂,多采用大反应锅、大铜锅、大木桶,或水泥砌的池子中通入蒸汽加热。还可将数个煎煮器通过管道互相连接,进行连续煎浸。
4)回流提取法:应用有机溶剂加热提取,需采用回流加热装置,以免溶剂挥发损失。小量操作时,可在圆底烧瓶上连接回流冷凝器。瓶内装药材约为容量的%~%,溶剂浸过药材表面约1~2cm。在水浴中加热回流,一般保持沸腾约1小时小放冷过滤,再在药渣中加溶剂,作第二、三次加热回流分别约半小时,或至基本提尽有效成分为止。此法提取效率较冷浸法高,大量生产中多采用连续提取法。
5)动连续提取法:应用挥发性有机溶剂提取中草药有效成分,不论小型实验或大型生产,均以连续提取法为好,而且需用溶剂量较少,提取成分也较完全。实验室常用脂肪提取器或称索氏提取器。连续提取法,一般需数小时才能提取完全。提取成分受热时间较长,遇热不稳定易变化的成分不宜采用此法。
6)水蒸气蒸馏法:水蒸气蒸馏法,适用于能随水蒸气蒸馏而不被破坏的中草药成分的提取。此类成分的沸点多在100℃以上,与水不相混溶或仅微溶,且在约100℃时存一定的蒸气压。当与水在一起加热时,其蒸气压和水的蒸气压总和为一个大气压时,液体就开始沸腾,水蒸气将挥发性物质一并带出。例如中草药中的挥发油,某些小分子生物碱一麻黄碱、萧碱、槟榔碱,以及某些小分子的酚性物质。牡丹酚(paeonol)等,都可应用本法提取。有些挥发性成分在水中的溶解度稍大些,常将蒸馏液重新蒸馏,在最先蒸馏出的部分,分出挥发油层,或在蒸馏液水层经盐析法并用低沸点溶剂将成分提取出来。例如玫瑰油、原白头翁素(protoanemonin)等的制备多采用此法。
7)升华法:固体物质受热直接气化,遇冷后又凝固为固体化合物,称为升华。中草药中有一些成分具有升华的性质,故可利用升华法直接自中草药中提取出来。例如樟木中升华的樟脑(camphor),在《本草纲目》中已有详细的记载,为世界上最早应用升华法制取药材有效成分的记述。茶叶中的咖啡碱在178℃以上就能升华而不被分解。游离羟基蒽醌类成分,一些香豆素类,有机酸类成分,有些也具有升华的性质。例如七叶内酯及苯甲酸等。升华法虽然简单易行,但中草药炭化后,往往产生挥发性的焦油状物,粘附在升华物上,不易精制除去,其次,升华不完全,产率低,有时还伴随有分解现象。
4.分离和纯化:
(一)溶剂分离法:一般是将上述总提取物,选用三、四种不同极性的溶剂,由低极性到高极性分步进行提取分离。水浸膏或乙醇浸膏常常为胶伏物,难以均匀分散在低极性溶剂中,故不能提取完全,可拌人适量惰性填充剂,如硅藻土或纤维粉等,然后低温或自然干燥,粉碎后,再以选用溶剂依次提取,使总提取物中各组成成分,依其在不同极性溶剂中溶解度的差异而得到分离。例如粉防己乙醇浸膏,碱化后可利用乙醚溶出脂溶性生物碱,再以冷苯处理溶出粉防己碱,与其结构类似的防己诺林碱比前者少一甲基而有一酚羟基,不溶于冷苯而得以分离。利用中草药化学成分,在不同极性溶剂中的溶解度进行分离纯化,是最常用的方法。
(二)两相溶剂萃取法:
1.萃取法:两相溶剂提取又简称萃取法,是利用混合物中各成分在两种互不相溶的溶剂中分配系数的不同而达到分离的方法。萃取时如果各成分两相溶剂中分配系数相差越大,则分离效率越高、如果在水提取液中的有效成分是亲脂性的物质,一般多用亲脂性有机溶剂,如苯、氯仿或乙醚进行两相萃取,如果有效成分是偏于亲水性的物质,在亲脂性溶剂中难溶解,就需要改用弱亲脂性的溶剂,例如乙酸乙酯、丁醇等。还可以在氯仿、乙醚中加入适量乙醇或甲醇以增大其亲水性。提取黄酮类成分时,多用乙酸乙脂和水的两相萃取。提取亲水性强的皂甙则多选用正丁醇、异戊醇和水作两相萃取。不过,一般有机溶剂亲水性越大,与水作两相萃取的效果就越不好,因为能使较多的亲水性杂质伴随而出,对有效成分进一步精制影响很大。
2.逆流连续萃取法:是一种连续的两相溶剂萃取法。其装置可具有一根、数根或更多的萃取管。管内用小瓷圈或小的不锈钢丝圈填充,以增加两相溶剂萃取时的接触面。例如用氯仿从川楝树皮的水浸液中萃取川楝素。将氯仿盛于萃取管内,而比重小于氯仿的水提取浓缩液贮于高位容器内,开启活塞,则水浸液在高位压力下流入萃取管,遇瓷圈撞击而分散成细粒,使与氯仿接触面增大,萃取就比较完全。如果一种中草药的水浸液需要用比水轻的苯、乙酸乙酯等进行萃取,则需将水提浓缩液装在萃取管内,而苯、乙酸乙酯贮于高位容器内。萃取是否完全,可取样品用薄层层析、纸层析及显色反应或沉淀反应进行检查。
3.逆流分配法(CounterCurrentDistribution,CCD):逆流分配法又称逆流分溶法、逆流分布法或反流分布法。逆流分配法与两相溶剂逆流萃取法原理一致,但加样量一定,并不断在一定容量的两相溶剂中,经多次移位萃取分配而达到混合物的分离。本法所采用的逆流分布仪是由若干乃至数百只管子组成。若无此仪器,小量萃取时可用分液漏斗代替。预先选择对混合物分离效果较好,即分配系数差异大的两种不相混溶的溶剂。并参考分配层析的行为分析推断和选用溶剂系统,通过试验测知要经多少次的萃取移位而达到真正的分离。逆流分配法对于分离具有非常相似性质的混合物,往往可以取得良好的效果。但操作时间长,萃取管易因机械振荡而损坏,消耗溶剂亦多,应用上常受到一定限制。
4.液滴逆流分配法:液滴逆流分配法又称液滴逆流层析法。为近年来在逆流分配法基础上改进的两相溶剂萃取法。对溶剂系统的选择基本同逆流分配法,但要求能在短时间内分离成两相,并可生成有效的液滴。由于移动相形成液滴,在细的分配萃取管中与固定相有效地接触、摩擦不断形成新的表面,促进溶质在两相溶剂中的分配,故其分离效果往往比逆流分配法好。且不会产生乳化现象,用氮气压驱动移动相,被分离物质不会因遇大气中氧气而氧化。本法必须选用能生成液滴的溶剂系统,且对高分子化合物的分离效果较差,处理样品量小(1克以下),并要有一定设备。应用液滴逆流分配法曾有效地分离多种微量成分如柴胡皂甙原小檗碱型季铵碱等。液滴逆流分配法的装置,近年来虽不断在改进,但装置和操作较繁。目前,对适用于逆流分配法进行分离的成分,可采用两相溶剂逆流连续萃取装置或分配柱层析法进行。
(三)沉淀法:是在中草药提取液中加入某些试剂使产生沉淀,去杂质的方法。
1.铅盐沉淀法:铅盐沉淀法为分离某些中草药成分的经典方法之一。由于醋酸铅及碱式醋酸铅在水及醇溶液中,能与多种中草药成分生成难溶的铅盐或络盐沉淀,故可利用这种性质使有效成分与杂质分离。中性醋酸铅可与酸性物质或某些酚性物质结合成不溶性铅盐。因此,常用以沉淀有机酸、氨基酸、蛋白质、粘液质、鞣质、树脂、酸性皂甙、部分黄酮等。可与碱式醋酸铅产生不溶性铅盐或络合物的范围更广。通常将中草药的水或醇提取液先加入醋酸铅浓溶液,静置后滤出沉淀,并将沉淀洗液并入滤液,于滤液中加碱式醋酸铅饱和溶液至不发生沉淀为止,这样就可得到醋酸铅沉淀物、碱式醋酸铅沉淀物及母液三部分。
然后将铅盐沉淀悬浮于新溶剂中,通以硫化氢气体,使分解并转为不溶性硫化铅而沉淀。含铅盐母液亦须先如法脱铅处理,再浓缩精制。硫化氢脱铅比较彻底,但溶液中可能存有多余的硫化氢,必须先通人空气或二氧化碳让气泡带出多余的硫化氢气体,以免在处理溶液时参与化学反应。新生态的硫化铅多为胶体沉淀,能吸咐药液中的有效成分,要注意用溶剂处理收回
HPLC分离纯化糖类及其衍生物
糖类是植物光合作用的初生产物,是一类最丰富的天然产物,糖类在植物中的分布十分广泛,常占有植物干重的80-90%。糖类根据碳链的长短可分为单糖、低聚糖和多糖[6]。在糖类的提取方面,P.Abreu 等[7]用制备色谱纯化了来自植物Sarcocephalus latifolius中的糖类物质。他们首先将提出的糖类混合物甲酰化合,用正相的PHPLC 以己烷-乙酸乙酯为流动相进行梯度(90:10到10:90)洗脱,进样量为250mg 将其分离为11个组分,每个组分再用PHPLC 或制备薄层色谱等进一步纯化和,发现上一步得到的组分有的是纯品有的为混合物,经过两次纯化后得到3个纯品。将这些纯品用配有示差法折光检测器的HPLC 定量,用核磁确定化合物的结构。
2 、HPLC 分离纯化萜类化合物
萜类化合物是广泛存在于植物和动物体内的有机化合物,随着人类对萜类化合物的深入研究和不断的开发利用,其分析方法也得到了快速的发展,高效液相色谱也广泛的应用于萜类化合物的研究中[8]。张建州等[9]用HPLC 法测定樟脑丸中奈的含量,并与GC 法进行比较。结果表明,HPLC 法所消耗的样品量少仅为GC 法的1/100-1/10,HPLC 的检出下线为8.541x10-2ug 。
3、HPLC 分离纯化黄酮类化合物
黄酮类化合物是天然产物中非常重要的一类化合物,现代证明黄酮类化合物是一种很强的抗氧化剂, 可有效清除体内的氧自由基, 可以降低胆固醇, 改善血液循环, 预防心脑血管疾病, 可以治疗糖尿病, 具有抗肿瘤、抗炎等作用[10-14]。曲丽萍等[15]从淡豆鼓中提取黄酮类物质,先采用索氏提取法除去脂溶性成分,再经过1300型大孔树脂初步分离纯化,再用不同浓度的乙醇梯度洗脱,其中对40%乙醇
1.称量。200-300目硅胶,称30-70倍于上样量;如果极难分,也可以用100倍量的硅胶H。干硅胶的视密度在0.4左右,所以要称40g硅胶,用烧杯量100ml也可以。
2.搅成匀浆。加入干硅胶体积一倍的溶剂用玻璃棒充分搅拌。如果洗脱剂是石油醚/乙酸乙酯/丙酮体系,就用石油醚拌;如果洗脱剂是氯仿/醇体系,就用氯仿拌。如果不能搅成匀浆,说明溶剂中含水量太大,尤其是乙酸乙酯/丙酮,如果不与水配伍走分配色谱的话,必须预先用无水硫酸钠久置干燥。氯仿用无水氯化钙干燥,以除去1%的醇。如果样品对酸敏感,不能用氯仿体系过柱。
3.装柱。将柱底用棉花塞紧,不必用海沙,加入约1/3体积石油醚(氯仿),装上蓄液球,打开柱下活塞,将匀浆一次倾入蓄液球内。随着沉降,会有一些硅胶沾在蓄液球内,用石油醚(氯仿)将其冲入柱中。
4.压实。沉降完成后,加入更多的石油醚,用双联球或气泵加压,直至流速恒定。柱床约被压缩至9/10体积。无论走常压柱或加压柱,都应进行这一步,可使分离度提高很多,且可以避免过柱时由于柱床萎缩产生开裂。
5.上样。干法湿法都可以。海沙是没必要的。上样后,加入一些洗脱剂,再将一团脱脂棉塞至接近硅胶表面。然后就可以放心地加入大量洗脱剂,而不会冲坏硅胶表面。
6.过柱和收集。柱层析实际上是在扩散和分离之间的权衡。太低的洗脱强度并不好,推荐用梯度洗脱。收集的例子:10mg上样量,1g硅胶H,0.5ml收一馏分;1-2g上样量,50g硅胶(200-300目),20-50ml收一馏分。
7.检测。要更多地使用专用喷显剂,如果仅用紫外灯,会损失较多产品,紫外的灵敏度一般比喷显剂底1-2个数量级。
8.送谱。收集的产品旋干,在送谱前通常需要重结晶。如果样品太少或为液体,可过一小凝胶柱,作为送谱前的最后纯化手段。可除去氢谱1.5ppm左右所谓的“硅胶”峰。
硅胶柱层析原理
硅胶层析法的分离原理是根据物质在硅胶上的吸附力不同而得到分离, 一般情况下极性较大的物质易被硅胶吸附,极性较弱的物质不易被硅胶吸附,整个层析过程即是吸附、解吸、再吸附、再解吸过程。
1824年,德国化学家维勒从氰经水解制得草酸;1828年他无意中用加热的方法又使氰酸铵转化为尿素。氰和氰酸铵都是无机化合物,而草酸和尿素都是有机化合物。维勒的实验结果给予“生命力”学说第一次冲击。此后,乙酸等有机化合物相继由碳、氢等元素合成,“生命力”学说才逐渐被人们抛弃。
由于合成方法的改进和发展,越来越多的有机化合物不断地在实验室中合成出来,其中,绝大部分是在与生物体内迥然不同的条件下台成出来的。“生命力”学说渐渐被抛弃了, “有机化学”这一名词却沿用至今。
从19世纪初到1858年提出价键概念之前是有机化学的萌芽时期。在这个时期,已经分 离出许多有机化合物,制备了一些衍生物,并对它们作了定性描述。
法国化学家拉瓦锡发现,有机化合物燃烧后,产生二氧化碳和水。他的研究工作为有机化合物元素定量分析奠定了基础。1830年,德国化学家李比希发展了碳、氢分析法,1833年法国化学家杜马建立了氮的分析法。这些有机定量分析法的建立使化学家能够求得一个化合物的实验式。
当时在解决有机化合物分子中各原子是如何排列和结合的问题上,遇到了很大的困难。最初,有机化学用二元说来解决有机化合物的结构问题。二元说认为一个化合物的分子可分为带正电荷的部分和带负电荷的部分,二者靠静电力结合在一起。早期的化学家根据某些化学反应认为,有机化合物分子由在反应中保持不变的基团和在反应中起变化的基团按异性电荷的静电力结合。但这个学说本身有很大的矛盾。
类型说由法国化学家热拉尔和洛朗建立。此说否认有机化合物是由带正电荷和带负电荷的基团组成,而认为有机化合物是由一些可以发生取代的母体化合物衍生的,因而可以按这些母体化合物来分类。类型说把众多有机化合物按不同类型分类,根据它们的类型不仅可以解释化合物的一些性质,而且能够预言一些新化合物。但类型说未能回答有机化合物的结构问题。
有机化合物按不同类型分类,根据它们的类型不仅可以解释化合物的一些性质,而且能够预言一些新化合物。但类型说未能回答有机化合物的结构问题。
从1858年价键学说的建立,到1916年价键的电子理论的引入,是经典有机化学时期。
1858年,德国化学家凯库勒和英国化学家库珀等提出价键的概念,并第一次用短划“-”表示“键”。他们认为有机化合物分子是由其组成的原子通过键结合而成的。由于在所有已知的化合物中,一个氢原子只能与一个别的元素的原子结合,氢就选作价的单位。一种元素的价数就是能够与这种元素的一个原子结合的氢原子的个数。凯库勒还提出,在一个分子中碳原子之间可以互相结合这一重要的概念。
1848年巴斯德分离到两种酒石酸结晶,一种半面晶向左,一种半面晶向右。前者能使平面偏振光向左旋转,后者则使之向右旋转,角度相同。在对乳酸的研究中也遇到类似现象。为此,1874年法国化学家勒贝尔和荷兰化学家范托夫分别提出一个新的概念,圆满地解释了这种异构现象。
他们认为:分子是个三维实体,碳的四个价键在空间是对称的,分别指向一个正四面体的四个顶点,碳原子则位于正四面体的中心。当碳原子与四个不同的原子或基团连接时,就产生一对异构体,它们互为实物和镜像,或左手和右手的手性关系,这一对化合物互为旋光异构体。勒贝尔和范托夫的学说,是有机化学中立体化学的基础。
1900年第一个自由基,三苯甲基自由基被发现,这是个长寿命的自由基。不稳定自由基的存在也于1929年得到了证实。
在这个时期,有机化合物在结构测定以及反应和分类方面都取得很大进展。但价键只是化学家从实践经验得出的一种概念,价键的本质尚未解决。
现代有机化学时期 在物理学家发现电子,并阐明原子结构的基础上,美国物理化学家路易斯等人于1916年提出价键的电子理论。
他们认为:各原子外层电子的相互作用是使各原子结合在一起的原因。相互作用的外层电子如从—个原了转移到另一个原子,则形成离子键;两个原子如果共用外层电子,则形成共价键。通过电子的转移或共用,使相互作用的原子的外层电子都获得惰性气体的电子构型。这样,价键的图象表示法中用来表示价键的短划“-”,实际上是两个原子共用的一对电子。
1927年以后,海特勒和伦敦等用量子力学,处理分子结构问题,建立了价键理论,为化学键提出了一个数学模型。后来马利肯用分子轨道理论处理分子结构,其结果与价键的电子理论所得的大体一致,由于计算简便,解决了许多当时不能回答的问题。
有机化学的研究内容
有机化合物和无机化合物之间没有绝对的分界。有机化学之所以成为化学中的一个独立学科,是因为有机化合物确有其内在的联系和特性。
位于周期表当中的碳元素,一般是通过与别的元素的原子共用外层电子而达到稳定的电子构型的。这种共价键的结合方式决定了有机化合物的特性。大多数有机化合物由碳、氢、氮、氧几种元素构成,少数还含有卤素和硫、磷等元素。因而大多数有机化合物具有熔点较低、可以燃烧、易溶于有机溶剂等性质,这与无机化合物的性质有很大不同。
在含多个碳原子的有机化合物分子中,碳原子互相结合形成分子的骨架,别的元素的原子就连接在该骨架上。在元素周期表中,没有一种别的元素能像碳那样以多种方式彼此牢固地结合。由碳原子形成的分子骨架有多种形式,有直链、支链、环状等。
在有机化学发展的初期,有机化学工业的主要原料是动、植物体,有机化学主要研究从动、植物体中分离有机化合物。
19世纪中到20世纪初,有机化学工业逐渐变为以煤焦油为主要原料。合成染料的发现,使染料、制药工业蓬勃发展,推动了对芳香族化合物和杂环化合物的研究。30年代以后,以乙炔为原料的有机合成兴起。40年代前后,有机化学工业的原料又逐渐转变为以石油和天然气为主,发展了合成橡胶、合成塑料和合成纤维工业。由于石油资源将日趋枯竭,以煤为原料的有机化学工业必将重新发展。当然,天然的动、植物和微生物体仍是重要的研究对象。
天然有机化学主要研究天然有机化合物的组成、合成、结构和性能。20世纪初至30年代,先后确定了单糖、氨基酸、核苷酸牛胆酸、胆固醇和某些萜类的结构,肽和蛋白质的组成;30~40年代,确定了一些维生素、甾族激素、多聚糖的结构,完成了一些甾族激素和维生素的结构和合成的研究;40~50年代前后,发现青霉素等一些抗生素,完成了结构测定和合成;50年代完成了某些甾族化合物和吗啡等生物碱的全合成,催产素等生物活性小肽的合成,确定了胰岛素的化学结构,发现了蛋白质的螺旋结构,DNA的双螺旋结构;60年代完成了胰岛素的全合成和低聚核苷酸的合成;70年代至80年代初,进行了前列腺素、维生素B12、昆虫信息素激素的全合成,确定了核酸和美登木素的结构并完成了它们的全合成等等。
有机合成方面主要研究从较简单的化合物或元素经化学反应合成有机化合物。19世纪30年代合成了尿素;40年代合成了乙酸。随后陆续合成了葡萄糖酸、柠檬酸、琥珀酸、苹果酸等一系列有机酸;19世纪后半叶合成了多种染料;20世纪40年代合成了滴滴涕和有机磷杀虫剂、有机硫杀菌剂、除草剂等农药;20世纪初,合成了606药剂,30~40年代,合成了一千多种磺胺类化合物,其中有些可用作药物。
物理有机化学是定量地研究有机化合物结构、反应性和反应机理的学科。它是在价键的电子学说的基础上,引用了现代物理学、物理化学的新进展和量子力学理论而发展起来的。20世纪20~30年代,通过反应机理的研究,建立了有机化学的新体系;50年代的构象分析和哈米特方程开始半定量估算反应性与结构的关系;60年代出现了分子轨道对称守恒原理和前线轨道理论。
有机分析即有机化合物的定性和定量分析。19世纪30年代建立了碳、氢定量分析法;90年代建立了氮的定量分析法;有机化合物中各种元素的常量分析法在19世纪末基本上已经齐全;20世纪20年代建立了有机微量定量分析法;70年代出现了自动化分析仪器。
由于科学和技术的发展,有机化学与各个学科互相渗透,形成了许多分支边缘学科。比如生物有机化学、物理有机化学、量子有机化学、海洋有机化学等。
有机化学的研究方法
有机化学研究手段的发展经历了从手工操作到自动化、计算机化,从常量到超微量的过程。
20世纪40年代前,用传统的蒸馏、结晶、升华等方法来纯化产品,用化学降解和衍生物制备的方法测定结构。
后来,各种色谱法、电泳技术的应用,特别是高压液相色谱的应用改变了分离技术的面貌。各种光谱、能谱技术的使用,使有机化学家能够研究分子内部的运动,使结构测定手段发生了革命性的变化。
电子计算机的引入,使有机化合物的分离、分析方法向自动化、超微量化方向又前进了一大步。带傅里叶变换技术的核磁共振谱和红外光谱又为反应动力学、反应机理的研究提供了新的手段。这些仪器和x射线结构分析、电子衍射光谱分析,已能测定微克级样品的化学结构。用电子计算机设计合成路线的研究也已取得某些进展。
未来有机化学的发展首先是研究能源和资源的开发利用问题。迄今我们使用的大部分能源和资源,如煤、天然气、石油、动植物和微生物,都是太阳能的化学贮存形式。今后一些学科的重要课题是更直接、更有效地利用太阳能。
对光合作用做更深入的研究和有效的利用,是植物生理学、生物化学和有机化学的共同课题。有机化学可以用光化学反应生成高能有机化合物,加以贮存;必要时则利用其逆反应,释放出能量。另一个开发资源的目标是在有机金属化合物的作用下固定二氧化碳,以产生无穷尽的有。机化合物。这几方面的研究均已取得一些初步结果。
其次是研究和开发新型有机催化剂,使它们能够模拟酶的高速高效和温和的反应方式。这方面的研究已经开始,今后会有更大的发展。
20世纪60年代末,开始了有机合成的计算机辅助设计研究。今后有机合成路线的设计、有机化合物结构的测定等必将更趋系统化、逻辑化。
合成化学
合成化学,是化学最中心的研究与生产任务之一,是新中间体、新药、新材料、新催化剂等最主要的来源,是化学学科中最活跃、最具创造性的领域,也是整个科学界最活跃的方向。现在,全世界化学工作者每年合成近百万种新化合物。
合成化学可分为无机合成与有机合成。迄今人类已知的近2500万种物质中,绝大多数为有机化合物(约90%以上),90%以上由人工合成。所以,有机合成理所当然地成为合成化学最主要的内容。
1828年 ,Woher由异氰酸铵(无机物)合成尿素(有机物),拉开了有机合成的序幕,同时也使有机化学真正成为化学学科主要的分支之一。
1965年 ,中国有机化学家合成具有全功能生物活性的蛋白分子牛胰岛素,第一次突破了合成一般有机物与合成生物高分子的界限。
1973年 ,Woodward(1965年诺贝尔得主)等合成维生素B12: 1948年从肝脏中发现;1955年确定其立体分子结构;1973年成功地合成。 一百多位有机化学家参与合成工作,他们经由95步化学反应,合成出最多有9个手性碳原子512个异构体 。——这是有机合成达到高度发展水平的标志,展现了人类高超的有机合成艺术。
1990年,E.J.Corey 在有机合成理论与方法上的杰出成就而获得诺贝尔化学奖。于此,理论与实践的高度统一显示出:有机合成化学已经从科学进入到了科学-艺术的殿堂。
以高技术设备为基础,现代有机合成技术已经包括计算机程序设计、生化合成、电化合成、光化合成、催化合成和仿生合成等新的内容。
金属有机概述
一 金属有机化学简史
金属有机化学和有机金属化学是同一概念不同的说法,直译英文为有机金属化学(Journal of Organometallic Chemistry: J. Organometal. Chem.),中文习惯为金属有机化学。纵观金属有机化学发展史,其特点是——有趣又有用,有趣在于其具有多样性和意外性,因此,有人说:金属有机化学的历史是一部充满意外发现的历史。
最早的金属有机化合物是1827年由丹麦药剂师Zeise用乙醇和氯铂酸盐反应而合成的;比俄国门捷列夫1869年提出元素周期表约早40年,与有机合成之父Wöher合成尿素几乎同一时期(1828年)(附:有机化学发展之父Liebig, Jusius Liebig's Annalen 的创刊人)。
金属与烷基以s键直接键合的化 合物是1849年由 Frankland在偶然 的机会中合成的(Frankland是He 的 发现人)。他设计的是一个获取乙基游 离基的实验: 实验中误将C4H10当成了 乙基游离基;但是这却是获得 二乙基锌 的惊人发现。所以,人们称这个实验为“收获 最多的失败”。直到1900年Grignard试剂发现前,烷基 锌一直作为是重要的烷基化试剂使用。
1890年Mond发现了羰基镍的合成方法;1900年Grignard发现了Grignard试剂(获得1912年诺贝尔化学奖)。但是,金属有机化学飞速发展的契机仍是:1951年Pauson和Miller合成著名的“夹心饼干”——二茂铁,及1953年末Ziegler领导的西德MaxPlank煤炭研究所发现的Ziegler催化剂。随后,Natta发现Natta催化剂,史合称Ziegler-Natta催化剂。Wilkison, Fischer(1973年),Ziegler, Natta(1963年)等由于这些研究获得了诺贝尔化学奖。 1950年初,是金属有机化学新纪云的开端。
1979年研究烯烃硼氢化的H.C.Brown与有机磷Wittig反应者Wittig获得诺贝尔化学奖。Lipscomb(1976年)由于对硼烷类的缺电子键的理论研究获得了诺贝尔化学奖。
2000年Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid, Hideki Shirakawa因Ziegler-Natta催化合成导电高分子——聚乙炔而获得诺贝尔奖。
金属有机化学是一个闪烁着诺贝尔光环的前沿领域!!
二 金属有机化合物概念
金属有机化合物(organometallic compound)是金属与有机基团以金属与碳直接成键而成的化合物 ;因而,金属与碳间有氧、硫、氮等原子相隔时,不管该金属化合物多么象有机化合物,也不能称为金属有机化合物。
即使有金属-碳键存在的化合物,有些显然属于无机物,如金属碳化物(CaC2, Mg2C3, Al4C3) (carbide)和氰化物(KCN)(cyanide).
但是,带有羰基(CO)的金属化合物显示出有机物的性质,则列入金属有机化合物; 金属氢化物属于金属有机化合物;有机膦(P-C)化合物,如PPh3,仍为准金属有机化合物.
B或Si-C化合物是金属有机化合物。周期表位于P以下的As, Sb, Bi的化合物,通常按金属有机化合物处理。含金属-氮(M-N)化合物不具有有机物性质;但是,新合成的N2配位络合物,如美国人称为“珍珠港络合物”(Pearl Harbor complex:纪念二战珍珠港事件)的CoH(N2)(PPh3)3,属于金属有机化合物(N2,CO是等电子的)类似羰基金属化合物。
电负性也用作定义标准,一般将电负性在2.0(含2.0)以下元素与C成键的化合物称为金属有机化合物。
生物有机化学
20世纪60年代起,很多有机化学家己感觉到,有机化学长远的发展方向是与生命现象相结合,解决生物化学中的问题。将来的有机化学家也同时是生物化学家,而生物化学家也是有机化学家。因而“生物有机化学”开始成为有机化学中的一个新分支。
1972年,《生物有机化学》杂志开始出版.它标志了生物有机化学领域已进入活跃的研究阶段。有机理论的发展(尤其是反应机理)、物理有机化学中动力学的研究。同位素标记方法的应用、x—射线结晶结构分析以及光谱等结构测定方法的建立,都为酶学,也为生物有机化学的发展提供了极好的背景和工具。
Pederson、Cram和Lehn三人在主—客体化学(host-guestchemistry)及超分子化学(Super-molecular chemistry)方面的卓越成就令人瞩目,获得了1987年诺贝尔化学奖。
2002年瑞典皇家科学院10月9日宣布:诺贝尔化学奖授予美国科学家约翰·芬恩、日本科学家田中耕一和瑞士科学家库尔特·维特里希,以表彰他们发明了对生物大分子进行识别和结构分析的方法。(1)芬恩和田中的贡献在于开发出了对生物大分子进行质谱分析的“软解吸附作用电离法”;(2)维特里希的贡献是开发出了用来确定溶液中生物大分子三维结构的核磁共振技术。他们三人的这些研究成果对于研究包括蛋白质在内的大分子具有“革命性的”意义,使人类可以通过对蛋白质进行详细的分析而加深对生命进程的了解,使新药的开发发生了革命性的变化,并在食品控制、乳腺癌和前列腺癌的早期诊断等其他领域也得到了广泛的应用。
瑞典皇家科学院10月8日宣布,将2003年诺贝尔化学奖授予美国科学家彼得·阿格雷和罗德里克·麦金农,以表彰他们在细胞膜通道方面做出的开创性贡献。 (1)阿格雷得奖是由于发现了细胞膜水通道,而麦金农的贡献主要是在细胞膜离子通道的结构和机理研究方面。他们的发现阐明了盐分和水如何进出组成活体的细胞。(2)诺贝尔科学奖通常颁发给年龄较大的科学家,获奖成果都经过几十年的检验。但阿格雷只有54岁,而麦金农才47岁。他们的成果也比较新:麦金农的发现产生于5年前;阿格雷的工作于1988年完成。(3)当年诺贝尔化学奖及生理学或医学奖的结果都显示出了当代科学跨领域研究的趋势。
天然有机化学
天然有机化学是研究动物、植物、昆虫、海洋生物及微生物代谢产物化学成分的学科,它甚至包括人与动物体内许多内源性成份的化学研究,它是在分子水平上揭示自然奥秘的重要学科,与人类的生存、健康和发展息息相关。天然产物的分离、结构解析和全合成,是天然产物化学的主要研究方向,每一个天然产物的发现无不凝聚着化学家们数载甚至数十载的汗水和心血。有机化学最早就是从天然产物研究开始的, 改造自然也是有机化学发展的最主要的目标之一,天然有机化学的发展史是有机化学发展史的重要组成部分。它主要包括以下几大类:1、生物碱2、萜类化合物3、甾族化合物4、激素与信息素5、海洋产物及其它
一、生物碱(Alkaloids)
广义讲,生物界所有含氮的有机化合物都可称为生物碱。但是,生物碱一般是指植物中的含氮有机化合物(蛋白质、肽类、氨基酸及维生素B除外)。
Alkaloid(生物碱) 由来——生物碱是科学家研究最早的有生物活性的一类天然有机化合物。中国最早记载是17世纪初《白猿经》中箭毒用的乌头碱(乌头中提取)。在欧洲,1806年,德国科学家Sertürn-er第一次从鸦片中分离到吗啡,曾称为植物碱(vegetable alkalis)。1810年西班牙医生Gomes从金鸡纳树皮中分得结晶Cinchonino(奎宁和辛可宁cinchonine混合物)。1819年W.Weissner把植物中的碱性化合物统称为类碱(Alkali-like)或生物碱(Alkaoids)。
目前为止,已报道的生物碱并结构清楚的已达3500多种,并且每年约100个的速度递增。由于生物碱类化合物大多具有生物活性,又具有复杂的结构,所以生物碱一直吸引着有机化学家们的兴趣而经久不衰。近年来,植物中极微量、结构复杂的大环含氮化合物的发现,如美登素等,使生物碱的分离、结构解析和全合成仍是天然产物有机化学家们的重要研究领域。
Morphine(吗啡) Quinine(奎宁)
吗啡(Morphine)——1806年分离到纯品,1847年确定分子式,1925年确定分子结构。白色有丝光针状晶体或结晶粉末,无臭,味苦,有毒!易溶于水,溶于热乙醇、甘油,不溶于氯仿或乙醚。常用其盐酸盐。阿片受体激动剂。有镇痛、镇静、镇咳和抑制肠蠕动的作用,对呼吸中枢有强大抑制效果。用于镇痛。可将由鸦片中提取出来的吗啡用盐酸处理而制得。也可人工合成.遇光易变质,在约100℃失去结晶水,在约200℃分解。
奎宁(Quinine)——继吗啡后研究最早的生物碱之一。1792年Fourcroy分离到粗品,1810西班牙医生Gomes将KOH放于金鸡纳树皮的酒精溶液中,分离到结晶性物质,其称为"cinchonino",1828年法国化学家Pel-letier与Caventou从Cinchona condaminea树皮中分到cinchonino,进一步分离到Quinine和Cinchonine.奎宁又称金鸡纳碱。熔点172.8°C,白色粉末,味极苦。易溶于乙醇、氯仿,溶于苯、乙醚,微溶于水。用于治疗和预防各种疟疾(《长征》电视剧主角有关于奎宁的对话)。也又兴奋子宫,抑制心肌和解热镇痛作用。金鸡纳树皮中的主要生物碱。可将干燥磨碎的金鸡纳树皮以石灰与氢氧化钠溶液处理,再以石油醚反复热提,提出液中加入硫酸使成硫酸盐分出。也可由间羟基苯甲醛与2-氨基乙醛等原料合成。三水物熔点57℃,在空气中易失水成一水物。加热至110℃时变为无水物。从无水乙醇结晶也成无水物。硫酸奎宁是无色针状或棒状晶体,遇光变棕色,溶于热乙醇,易溶于沸水,微溶于乙醚、氯仿。
美登素(Maytansine)——1972年Kupchan报道的第一个新型抗癌含氮大环化合物,结构通过衍生物单晶结构确定。其最早从卫予科卵叶美登木(May-tanus ovatus Loes)全植株中提取的高效低毒抗癌成分,得率为千万分之二(2´10-8)(每吨植物仅能分离到200mg)。结构有8个手性中心,一个19元内酰胺环。1980年E. J. Coery (1990年诺贝尔化学奖得主)等首次完成全合成 ,这也是比较经典的全合成范例(J. Am. Chem. Soc., 1980,102,6613-6615)。
有机化学的发展前沿和研究热点
20世纪的有机化学,从实验方法到基础理论都有了巨大的进展,显示出蓬勃发展的强劲势头和活力。世界上每年合成的近百万个新化合物中约70%以上是有机化合物。其中有些因具有特殊功能而用于材料、能源、医药、生命科学、农业、营养、石油化工、交通、环境科学等与人类生活密切相关的行业中,直接或间接地为人类提供了大量的必需品。与此同时,人们也面对着天然的和合成的大量有机物对生态、环境、人体的影响问题。展望未来,有机化学将使人类优化使用有机物和有机反应过程,有机化学将会得到更迅速的发展。
有机化学的迅速发展产生了不少分支学科,包括有机合成、金属有机、元素有机、天然有机、物理有机、有机催化、有机分析、有机立体化学等。
1、乙醇>丙酮>乙酸乙酯>乙醚>氯仿>环己烷>
2、沸点由高到低:正戊醇-乙酸-正丁醇-吡啶-甲苯-苯-乙酸乙酯-甲醇-氯仿-丙酮-二氯甲烷-乙醚
3、洗脱能力由弱到强:水-甲醇-氢氧化钠水溶液-甲酸铵
4、硅胶,氧化铝、聚酰胺、大孔树脂、离子交换树脂,特点上书上查
2)缩液亦采用正丁醇萃取
下面是2种方法的介绍
一....超临界流体萃取(Supercritical Fluid Extraction, SFE)技术是20世纪60年代兴起的一种新型分离技术。20世纪80年代中期以来,由于其选择分离效果好、提取率高、产物没有有机溶剂残留、有利于热敏性物质和易氧化物质的萃取等特点SFE技术逐渐被运用到天然产物有效成分的提取分离上,并且与GC、IR、GC-MS、HPLC等联用形成有效的分离技术。
超临界流体(Supercritical Fluid,SF)是指在临界温度(Tc)和临界压力(Pc)以上,以流体形式存在的物质,目前研究较多、最常用的超临界流体是二氧化碳。在超临界状态下将SF与待分离的物质接触,使其有选择性地溶解其中的某些组分。SF的密度和介电常数随着密闭体系压力的增加而增加,因此利用程序升压可将不同极性的成分进行分步提取。然后通过减压、升温或吸附的方法使超临界流体变成普通气体,让被萃取物质分离析出,从而达到分离提纯的目的,这就是超临界流体萃取的基本原理。
目前,超临界萃取技术的分离主要用于挥发油、生物碱类、香豆素和木脂素类、黄酮类、萜类、苷类、醌类等天然产物活性成分提取。
二,,,,,苷类溶于各种醇、丙酮、乙酸乙酚 ,氯仿等、氨基酸常用甲醇或乙醇来结晶等。
如果在文献中找不到合适的溶剂,可根据要结晶化合物的极性大小,利用相似相溶的溶解度规则,通过实验选择溶剂。其方法是:取0.1g的产物放人一支试管中,滴人1ml.溶剂,震荡下观察产物是否溶解,若不加热很快溶解。说明产物在此溶剂中溶解度太大,不适合作此产物重结晶的溶剂若加热至沸腾还不溶解,可补加溶剂,当溶剂量大于4ml一产物仍不溶解,则说明此溶剂也不适宜。如所选择的溶剂能在1~4ml.溶剂沸腾的情况下使产物全部溶解,并在冷却后能析出较多晶体,说明此溶剂适合作为此产物重结晶的溶剂。实验中应同时选用几种溶剂进行比较.有时很难选择到一种较为理想的单一溶剂,这时应考虑使用混合溶剂。
所谓混合溶剂,就是把对此物质溶解度很大的和很小的而又能互溶的两种溶剂(例如水和乙醇)混合起来,这样常可获得新的良好的溶解性能口用混合溶剂重结晶时,可先将待纯化物质在接近良溶剂的沸点时溶于良溶剂中〔在此溶剂中极易溶解)。若有不溶物,趁热过滤:若有色,则用活性炭煮沸脱色后趁热过滤。于此热溶液中小心地加人热的不良溶剂(物质在此溶液中溶解度很小),直至所呈现的混浊不再消失为止。再加人少量良溶剂或稍稍加热使恰好透明。然后将混合物冷却至室温,使结晶自溶液中析出。有时也可将两种溶剂先行混合,再进行结晶。如1:1的乙醇和水,其操作和使用单一溶剂时相同。常用的混合溶剂
如表3--1所示。
表3-1结晶和重结晶常用的混合溶剂
水一乙醇 甲醇一水 石油醚一苯 氯仿一醇 苯一无水乙醇
水一丙醇 甲醇一乙醚 石油醚一丙酮 乙醇乙醚一乙酸乙醋
苯一环己烷 水-乙酸 甲醇一二氯乙烷 氯仿一醚 乙醚一丙酮
蒸馏是一种热力学的分离工艺,它利用混合液体或液-固体系中各组分沸点不同,使低沸点组分蒸发,再冷凝以分离整个组分的单元操作过程,是蒸发和冷凝两种单元操作的联合。
提纯是指将混合物中的杂质分离出来以此提高其纯度。提纯作为一种重要的化学方法,不仅在化学研究中具有重要作用,在化工生产中也同样具有十分重要的作用。
分液是把两种互不混溶的液体分离开的操作方法。分液使用的仪器是分液漏斗,另外,分液还需要烧杯与铁架台进行辅助。分液是把两种互不混溶的液体分离开的操作方法
硅胶是一种酸性吸附剂,适用于中性或酸性成分的层析。同时硅胶又是一种弱酸性阳离子交换剂,其表面上的硅醇基能释放弱酸性的氢离子,当遇到较强的碱性化合物,则可因离子交换反应而吸附碱性化合物。所以硅胶是一种普适的吸附剂。 氧化铝:
碱性氧化铝:对于分离一些碱性中草药成分,如生物碱类的分离颇为理想。不宜用于醛、酮、酸、内酯等类型的化合物分离。因为有时碱性氧化铝可与上述成分发生次级反应,如异构化、氧化、消除反应等。 中性氧化铝:仍属于碱性吸附剂的范畴,可适用于酸性成分的分离。 酸性氧化铝:适合于酸性成分的层析。
对于硅胶、氧化铝等极性吸附剂来讲,则有下列特点:
1)对极性物质具有较强的亲和能力,极性强的溶质被优先吸附;
2)溶剂极性越弱,则吸附剂对溶质的吸附能力越强。反之,溶剂的极性越强,则吸附剂对溶质的吸附能力越弱;
3)洗脱:被硅胶、氧化铝等吸附的溶质,可以再加入极性较强的溶剂,使其被该溶剂置换从而洗脱下来。
活性炭:非极性吸附剂
活性炭主要用于分离水溶性成分,如氨基酸、糖类及某些甙。
吸附特点:对非极性物质具有较强的亲和能力,极性弱的溶质被优先吸附;
溶剂的极性越强,则吸附剂对溶质的吸附能力越强;反之,溶剂极性越弱,则吸附剂对溶质的吸附能力越弱。因此,活性炭的吸附作用,在水溶液中最强,在有机溶剂中则较弱。所以,溶剂极性降低,活性炭对溶质的吸附郁能力也随之降低。 聚酰胺:氢键吸附(半化学吸附)
聚酰胺是由酰胺聚合而成的高分子物质,分子内存在着很多酰胺基(-CONH) ,可与酚、酸、硝基化合物、醌类等形成氢键,因而产生吸附作用。 吸附作用的特点:
① 形成氢键的基团数目越多,则吸附能力越强。
② 成键位置对吸附能力也有影响。易形成分子内氢键者, 其在聚酰胺上的吸附响应减弱。
③ 分子中芳香化程度高者,则吸附性增强;反之,则减弱。
一般情况下,各种溶剂在聚酰胺柱上的洗脱能力由弱致强的大致顺序如下: 水—甲醇—乙醇—氢氧化钠水溶液—甲酰胺—二甲基甲酰胺—尿素水溶液 大孔吸附树脂:
大孔吸附树脂一般为白色球形颗粒,通常分为极性和非极性两类。
大孔吸附树脂是吸附性和分子筛性相结合的分离材料。吸附性是由范德华引力或氢键引起的。分子筛是由于其本身多孔性结构产生的。 特点:
①一般非极性化合物在水中易被非极性树脂吸附, 极性化合物在水中易被极性树脂吸附。
②化合物的分子量、极性、能否形成氢键等都影响其与大孔树脂的吸附作用。分子量小、极性小的化合物与非极性大孔树脂吸附作用强。