中药化学成分的结构类型和理化性质

# 1.中药化学成分 
一种中药往往含有结构和性质不同的多种成分。例如中药麻黄中就含有左旋麻黄素等多种生物碱类物质，也含有挥发油、淀粉、树脂叶绿素、纤维素和草酸钙等成分；中药甘草中则含有甘草酸等多种皂苷、黄酮、淀粉、纤维素和草酸钙等成分。左旋麻黄素具有平喘、解痉作用；甘草酸则具有抗炎、抗过敏和治疗胃溃疡的作用，分别被认为是麻黄及甘草中的代表性有效成分，而淀粉、树脂和叶绿素等一般被认为是无效成分或者杂质。然而在中药及其他天然药物中，明确所有有效成分的品种并不多。更多的只是一些生理活性成分，即经过不同程度药效试验或生物活性试验，包括体外及体内试验，证明对机体具有一定生理活性的成分。但是它们并不一定是真正代表该中药临床疗效的有效成分。另外，所谓有效成分或生理活性成分与无效成分或非生理活性成分的概念也不能简单机械地加以理解。以氨基酸、蛋白质和多糖类成分为例，在多数情况下均被视为无效成分，并在加工过程中尽量设法除去，但在鹧鸪菜、天花粉和猪苓等药物中，却分别被证实是该中药驱虫（鹧鸪菜中的氨基酸）、引产（天花粉中的蛋白质）及抗肿瘤（猪苓中的多糖）的有效成分。
# 2.中药化学成分的结构类型
中药化学成分的主要结构类型有：生物碱、有机酸、苯丙素类化合物、香豆素类化合物、木脂素类化合物、醌类化合物、黄酮类化合物、萜类化合物、三萜皂苷、甾体皂苷、强心苷、鞣质、蛋白质和多糖等。
# 3.中药化学成分的理化性质
中药化学成分的理化性质研究包括：性状、挥发性、旋光性、水中溶解性、有机溶剂中溶解性、酸性、碱性、荧光性质、发泡性、溶血性、显色反应、沉淀反应、水解反应、酶解反应、氧化还原反应等。不同类型的中药化学成分的理化性质有很大的差异，例如生物碱类化合物大多具有碱性，有机酸类化合物多具有酸性，三萜皂苷类化合物具有表面活性剂的性质，而鞣质类化合物的分子量较大，但水溶性较好。研究中药化学成分的理化性质，可以明确各类成分之间的相互作用，对科学配伍提供理论依据。

# 中药化学成分的提取

从药材中提取化学成分的方法有溶剂法、水蒸气蒸馏法及升华法等。后两种方法的应用范围十分有限，大多数情况下是采用溶剂法。
## 1.溶剂提取法
溶剂提取法系选择适当溶剂将中药中的化学成分从药材中提取出来，其关键是选择合适的溶剂。极性较小的药物成分，易溶于三氯甲烷、乙醚等亲脂性溶剂；极性较大的药物成分，易溶于水和乙醇。而溶剂的极性与介电常数有关，介电常数越大，极性就越大。常用溶剂的极性大小顺序为：水＞甲醇＞乙醇＞丙酮＞正丁醇＞醋酸乙酯＞氯仿＞乙醚＞石油醚。
⑴浸渍法：是在常温或温热（60~80℃）条件下用适当的溶剂浸渍药材以溶出其中有效成分的方法。本法适用于有效成分遇热不稳定的或含大量淀粉、树胶、果胶、黏液质的中药的提取。但本法出膏率低，需要特别注意的是当水为溶剂时，其提取液易于发霉变质，需注意加入适当的防腐剂。
⑵渗漉法：是不断向粉碎的中药材中添加新鲜浸出溶剂，使其渗过药材，从渗漉筒下端出口流出浸出液的一种方法。但该法消耗溶剂量大、费时长，操作比较麻烦。
⑶煎煮法：是中药材加入水浸泡后加热煮沸，将有效成分提取出来的方法。此法简便，但含挥发性成分或有效成分遇热易分解的中药材不宜用此法。
⑷回流提取法：是用易挥发的有机溶剂加热回流提取中药成分的方法。但对热不稳定的成分不宜用此法，且溶剂消耗量大，操作麻烦。
⑸连续回流提取法：连续回流提取法弥补了回流提取法中溶剂消耗量大，操作麻烦的不足，实验室常用索氏提取器来完成本法操作。但此法耗时较长。
⑹超声提取法：是采用超声波辅助溶剂进行提取的方法。超声波提取不会改变有效成分的化学结构，并可缩短提取时间，提高提取效率，为有效成分的提取常用方法之一。
⑺超临界流体萃取法：是采用超临界流体代替常规溶剂对中药材进行萃取的方法。已知可作为超临界流体的物质很多，如二氧化碳、一氧化二氮、六氟化硫、乙烷、庚烷、氨、二氯二氟甲烷等，其中以CO2最为常用。
——优点：①不残留有机溶剂、萃取速度快、收率高、工艺流程简单、操作方便；②无传统溶剂法提取的易燃易爆的危险，减少环境污染，无公害，产品是纯天然的；③因萃取温度低，适用于对热不稳定物质的提取；④萃取介质的溶解特性容易改变，在一定温度下只需改变其压力；⑤还可加入夹带剂，改变萃取介质的极性来提取极性物质；⑥适于极性较大和分子量较大物质的萃取；⑦萃取介质可循环利用，成本低；⑧可与其他色谱技术联用及IR、MS联用，可高效快速地分析中药及其制剂中的有效成分。
——局限性：①对脂溶性成分溶解能力强，而对水溶性成分溶解能力弱；②设备造价高而导致产品成本中的设备折旧费比例过大；③更换产品时清洗设备较困难。
——夹带剂的作用：夹带剂作为亚临界组分，挥发度介于超临界流体与被萃取溶质之间，以液体形式和相对小的量加入超临界流体中。其作用在于，①改善或维持选择性；②提高难挥发溶质的溶解度。
## 2.水蒸气蒸馏法
水蒸气蒸馏法适用于具有挥发性的、能随水蒸气蒸馏而不被破坏，且难溶或不溶于水的化学成分的提取。主要用于挥发油的提取。
## 3.升华法
固体物质在受热时不经过熔触直接转化为气体状态，该气体遇冷后又凝结成固体的现象称为升华。中药中有一些成分具有升华的性质，能利用升华法直接从中药中提取出来。如樟木中的樟脑，茶叶中的咖啡因等。
中药化学成分的分离与精制中药经过取得到的是混合物，尚需进一步分离与精制。药化学成分分离的原理比较复杂，依据不同分离原理，可采用不同的分离介质与载体，而达到不同的分离目的，现根据分离原理不简要介绍中药化学成分的分离。

# 根据物质溶解度差别分离中药化学成分
主要包括结晶法、重结晶法、水提醇沉法和醇提水沉法等。
## 1.结晶法及重结晶法
一般来说，将不是结晶状态的固体物质处理成结晶状态的操作称为结晶；从不纯的结晶经过进一步精制处理得到较纯结晶的过程称为重结晶。其原理是利用待纯化物质和杂质在溶剂中溶解度的不同，可使待纯化物质以结晶形态从过饱和溶液中析出，杂质则全部或大部分留在母液中；若杂质在溶剂中的溶解度极小，则可以配成过饱和溶液后过滤除去，从而达到分离纯化的目的。
⑴溶剂的选择：选择溶剂时必须考虑到溶质的成分与结构，根据“相似相溶”原则，即极性物质易溶于极性溶剂中，难溶于非极性溶剂中；非极性物质则相反。理想的溶剂必须具备下列条件：
①不与重结晶物质发生化学反应。
②在较高温度时能够溶解大量的待重结晶物质；而在室温或更低温度时，只能溶解少量的待重结晶物质。
③对杂质的溶解度或者很大（待重结晶物质析出时，杂质仍留在母液中）或者很小（待重结晶物质溶解在溶剂里，用过滤除去杂质）。
④溶剂的沸点较低，容易挥发，易与结晶分离除去。
⑤无毒或毒性很小，便于操作。
常用的重结晶溶剂有水、冰醋酸、甲醇、乙醇、丙酮、乙醚、三氯甲烷、苯、四氯化碳、石油醚和二硫化碳等。
⑵结晶纯度的判断
一般可以根据下述几点来判断结晶的纯度。
①结晶的形态和色泽：一个纯的化合物一般都有一定的晶形和均匀的色泽，如看出结晶形状不均一，就可判断该结晶不是单一的化合物。
②熔点和熔距：单一化合物一般都有一定的熔点和较小的熔距。但要注意有些化合物具有双熔点特性，如汉防己乙素在176℃时熔化后继续加热至近200℃时又固化，在242℃时又分解。又如芫花素及一些与糖结合的苷类化合物，也有双熔点现象。一般单一化合物的熔距很窄，在1~2℃的范围内。
③色谱法：常用的色谱法有纸色谱、纸上电泳和薄层色谱。单一化合物在纸上或薄层上点样后经过展开和显色，一般只应观察到一个斑点。
④高效液相色谱法(HPLC)：是近年来发展迅速的可以用来判断有效成分纯度的一种重要手段，具有样品用量小、操作时间短、灵敏度高和准确等优点。
⑤其他：质谱和核磁共振等。
## 2.水提醇沉法和醇提水沉法
在药材浓缩水提取液中加入数倍量高浓度乙醇，以沉淀除去多糖、蛋白质等水溶性杂质达到分离的目的称为水提醇沉法（也称水/醇法）。在浓缩乙醇提取液中加入数倍量水稀释，放置以沉淀除去树脂、叶绿素等水不溶性杂质达到分离目的的方法称为醇提水沉法（醇/水法）等。
在乙醇浓缩液中加入数倍量乙醚（醇/醚法）或丙酮9醇/丙酮法），可使皂苷沉淀析出，而脂溶性的树脂等类杂质则留存在母液中，也是分离常用的方法之一。
## 3.酸提碱沉法和碱提酸沉法

一些生物碱类在用酸性水从药材中提出后，加碱调至碱性即可从水中沉淀析出称为酸提碱沉法（酸/碱法）。提取黄酮、蒽醌类酚酸性成分时采用氢氧化钙提取，加酸中和使其沉淀出来达到分离的目的称为碱提酸沉法。另外，酸性或碱性化合物还可通过加入某种沉淀试剂使之生成水不溶性的盐类等沉淀析出，这叫沉淀试剂法。

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根据物质在两相溶剂中的分配比不同分离中药化学成分
主要包括液–液萃取法、PH萃取法、柱色谱法等。
1.液–液萃取法
液-液萃取法是根据物质在两相溶剂中的分配比不同进行分离，简称萃取法。
分离的难易用分离因子β值来表示。分离因子β可定义为A、B两种溶质在同一溶剂系统中分配系数的比值。就一般情况而言，β≥100，仅作一次简单萃取就可实现基本分离；如果100 >β≥10，通常须萃取10 ~12次；若β≤2时，要想实现基本分离，须作100次以上萃取才能完成；当β≌1时，则意味着两者性质极其相近，即使作任意次分配也无法实现分离。
纸色谱法的原理与液–液萃取法基本相同，只是两相中其中一相以固态为基质，与某种液相形成饱和状态，进而达到分离的目的。
2.PH萃取法
PH萃取法也是液-液萃取分离的一种，分离原理是依据两相液体PH值大小不同达到分离目的。一般PH＜3时，酸性物质多呈非解离状态(HA)、碱性物质则呈解离状态(BH+)存在；但pH>12时，则酸性物质呈解离状态(A-  )、碱性物质则呈非解离状态（B）存在。据此，可在不同pH的缓冲溶液与有机溶剂中进行分配，使酸性、碱性、中性及两性物质得以分离。
3.柱色谱法
将两相溶剂中的一相涂覆在硅胶等多孔载体上，作为固定相，填充在色谱管中，然后加入与固定相不相混溶的另一相溶剂（流动相）冲洗色谱柱。物质在两相溶剂中相对作逆流移动，在移动过程中不断进行动态分配而得以分离。这种方法称之为液-液分配柱色谱法，所用的载体主要有硅胶、硅藻土及纤维素粉等。
通常，分离水溶性或极性较大的成分如生物碱、苷类、糖类、有机酸等化合物时，固定相多采用强极性溶剂（如水、缓冲溶液等），流动相则用三氯甲烷、乙酸乙酯、丁醇等弱极性有机溶剂，称之为正相色谱；但当分离脂溶性化合物，如高级脂肪酸、油脂、游离甾体等时，则两相可以颠倒，固定相可用石蜡油，而流动相则用水或甲醇等强极性溶剂，故称之为反相分配色谱。
常用反相硅胶薄层及柱色谱的填料系将普通硅胶经下列方式进行化学修饰，键合上长度不同的烃基（R）、形成亲油表面而成。根据烃基（–R）长度为乙基（–C2H5），还是辛基（–C8H17）或十八烷基（–Cl8H37），分别命名为RP-2、RP-8及RP-18。三者亲脂性强弱顺序为：RP-18> RP-8> RP-2。  
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各种吸附色谱法的分离方法及应用
1.硅胶
极性吸附剂，硅胶微显酸性，吸附性能随含水量的增加而减弱，吸附有以下特点：①对极性物质具有较强的亲和能力。故同为溶质，极性强者将被优先吸附。②溶剂极性越弱，则吸附剂对溶质将表现出越强的吸附能力；溶剂极性增强，则吸附剂对溶质的吸附能力即随之减弱。③溶质即使被硅胶、氧化铝吸附，但一旦加入极性较强的溶剂时，又可被后者置换洗脱下来。
2.大孔吸附树脂
大孔吸附树脂是一类有机高聚物吸附剂，通常分为非极性和极性两类。它具有传统分离纯化方法无法比拟的优势：操作简便，树脂再生容易；可重复操作，产品质量稳定，收率恒定；既能选择性吸附，又便于溶媒洗脱，且不受无机盐干扰；一般不用有机溶媒，既保持传统的中医理论用药特色，又最大限度地保留了其有效成分。
⑴大孔吸附树脂的吸附原理：大孔吸附树脂具有选择性吸附和分子筛的性能。它的吸附性是由于范德华引力或产生氢键的结果，分子筛的性能是由其本身的多孔性网状结构所决定的。
⑵影响吸附的因素：①大孔吸附树脂本身的性质是重要的影响因素之一，如比表面积、表面电性、能否与化合物形成氢键等。一般非极性化合物在水中易被非极性树脂吸附，极性树脂则易在水中吸附极性物质。糖是极性的水溶性化合物，与D型非极性树脂吸附作用很弱。据此经常用大孔吸附树脂将中药的化学成分和糖分离。②洗脱剂的性质是另一个影响因素，通常情况下洗脱剂极性越小，其洗脱能力越强，一般先用蒸馏水洗脱，再用浓度逐渐增高的乙醇或甲醇洗脱。多糖、蛋白质、鞣质等水溶性杂质会随着水流出，极性小的物质后被洗出。对于具有酸碱性的物质还可以用不同浓度的酸、碱液结合有机溶剂进行洗脱。例如用非极性大孔吸附树脂对生物碱的0.5%盐酸溶液进行吸附，其吸附作用很弱，极易被水洗脱下来，生物碱回收率很高。③化合物的性质也是影响吸附的重要因素。化合物的分子量、极性、能否形成氢键等都影响其与大孔吸附树脂的吸附作用。极性小的化合物与非极性大孔吸附树脂吸附作用强。另外，能与大孔吸附树脂形成氢键的化合物易被吸附。
⑶洗脱液的选择：洗脱液可选择水、甲醇、乙醇、丙酮、不同浓度的酸碱液等。根据吸附作用的强弱可选择不同的洗脱液或不同浓度的同一溶剂对各类成分进行粗分。其一般方法是：
①用适量水洗，洗下单糖、鞣质、低聚糖、多糖等极性物质，用薄层色谱检识，防止极性大的皂苷被洗下；
②70%乙醇洗，洗脱液中主要为皂苷，但也含有酚性物质、糖类及少量黄酮，实验证明30%乙醇不会洗下大量的黄酮类化合物；
③3%~5%碱溶液洗，可洗下黄酮、有机酸、酚性物质和氨基酸；
④10%酸溶液洗，可洗下生物碱、氨基酸；
⑤丙酮洗，可洗下中性亲脂性成分。
3.聚酰胺
高分子聚合物质，不溶于水、甲醇、乙醇、乙醚、三氯甲烷及丙酮等常用有机溶剂，对碱较稳定，对酸尤其是无机酸稳定性较差，可溶于浓盐酸、冰乙酸及甲酸。
⑴吸附原理：系通过分子中的酰胺羰基与酚类、黄酮类化合物的酚羟基，或酰胺键上的游离胺基与醌类、脂肪羧酸上的羰基形成氢键缔合而产生吸附。至于吸附强弱则取决于各种化合物与之形成氢键缔合的能力。通常在含水溶剂中大致有下列规律：
①形成氢键的基团数目越多，则吸附能力越强。
②成键位置对吸附力也有影响。易形成分子内氢键者，其在聚酰胺上的吸附即相应减弱。
③分子中芳香化程度高者，则吸附性增强；反之，则减弱。
④以上是仅就化合物本身对聚酰胺的亲合力而言。但因为吸附是在溶液中进行，故溶剂也会参加吸附剂表面的争夺，或通过改变聚酰胺对溶质的氢键结合能力而影响吸附过程。一般情况下，各种溶剂在聚酰胺柱上的洗脱能力由弱至强的顺序为：水→甲醇→丙酮→氢氧化钠水溶液→甲酰胺→二甲基甲酰胺→尿素水溶液。
⑵应用：特别适合于分离酚类、醌类、黄酮类化合物。又因为对鞣质的吸附特强，近乎不可逆，故用于植物粗提取物的脱鞣处理特别适宜。此外，对生物碱、萜类、甾体、糖类、氨基酸等其他极性与非极性化合物的分离也有着广泛的用途。

其他的分离方法
1.凝胶过滤法
也叫凝胶渗透色谱、分子筛过滤或排阻色谱，系利用分子筛分离物质的一种方法。凝胶的种类很多，常用的有葡聚糖凝胶以及羟丙基葡聚糖凝胶。葡聚糖凝胶，是在水中不溶、但可膨胀的球形颗粒，具有三维空间的网状结构，只适于在水中应用。羟丙基葡聚糖凝胶在水和有机溶剂中均可应用。由于凝胶网孔半径的限制，大分子将不能渗入凝胶颗粒内部（即被排阻在凝胶粒子外部），故在颗粒间隙移动，并随溶剂一起从柱底先行流出；小分子因可自由渗入并扩散到凝胶颗粒内部，故通过色谱柱时阻力增大、流速变缓，将较晚流出。样品混合物中各个成分因分子大小各异，渗入至凝胶颗粒内部的程度也不尽相同，故在经历一段时间流动并达到动态平衡后，即按分子由大到小的顺序先后流出并得到分离。
2.膜分离法
膜过滤技术主要包括渗透、反渗透、超滤、电渗析和液膜技术等。对于生物大分子，一般可以通过透析法进行浓缩和精制。透析法是一种根据溶液中分子的大小和形态，在微米（um）数量级下选择性过滤的技术。在常压下，选择性的使溶剂和小分于物质通过透析膜，大分子不能通过，以达到分离纯化的目的，从本质上讲它是一种溶液相的分子筛作用。按照孔径大小，可将透析膜分为：微滤膜(0.025~14um)；超滤膜（0.001~0.02um）；反渗透膜（0.0001~0.001um）；纳米膜（约2nm）。
3.离子交换法
系以离子交换树脂作为固定相，以水或含水溶剂作为流动相。当流动相流过交换柱时，溶液中的中性分子及具有与离子交换树脂交换基团不能发生交换的离子将通过柱子从柱底流出，而具有可交换的离子则与树脂上的交换基团进行离子交换并被吸附到柱上，随后改变条件，并用适当溶剂从柱上洗脱下来，即可实现物质分离。
⑴分类：根据交换基的不同，离子交换树脂分为：①阳离子交换树脂，主要有强酸性和弱酸性两种；②阴离子交换树脂，主要有强碱性和弱碱性两种。
⑵应用：中药所含大多数酸性、碱性或两性成分的酸碱性均较弱，一般在分离碱性成方时选择强酸性的阳离子交换树脂，在分离酸性成分时选择强碱性的阴离子交换树脂。离子交换法亦可用于相同电荷离子的分离，其分离的依据是解离程度的不同（酸性或碱性不同的化合物，在相同条件下，其解离程度会有差异）。解离程度越大，被洗脱下来的速度越慢。
4.分馏法
分馏法是利用中药中各成分沸点的差别进行提取分离的方法，一般来说，液体混合物各成分沸点相差在100 ℃以上时，可用反复蒸馏法达到分离的目的，如沸点相差在25℃以下，则需要采用分馏柱，沸点相差越小，则需要的分馏装置越精细。
中药化学成分的结构鉴定
## 1.化合物的纯度测定
纯度检查的方法很多，如检查有无均匀一致的晶形，有无明确、敏锐的熔点等。但是最常应用的还是各种色谱方法，薄层色谱法和纸色谱法在中草药化学成分的鉴定中，可用于化合物的纯度鉴定。一般，只有当样品在三种展开系统中均呈现单一斑点时方可确认其为单一化合物。另外，气相色谱法和高效液相色谱法也是判断物质纯度的重要方法，但气相色谱法只适用于在高真空和一定加热条件下能够气化而不被分解的物质，高效液相色谱法则不然。
## 2.结构研究的主要程序
⑴结合文献调研，初步推断化合物的类型。①注意观察样品在提取、分离过程中的行为。②测定其有关理化性质，如不同PH、不同溶剂中的溶解度及色谱行为、烧灼试验、化学定性反应等。
⑵测定分子式。分子式测定，可采用下列方法：①元素定量分析配合分子量测定；②同位素峰法；③高分辨质谱（HR – MS）法。
⑶计算不饱和度。①官能团定性及定量分析；②测定并解析化合物的有关谱学数据，如UV、IR、MS、H-NMR及C-NMR。
⑷确定分子中含有的官能团，或结构片段，或基本骨架：
⑸结合文献调研，综合分析谱学数据及官能团定性及定量分析结果，与已知化合物进行比较或化学沟通（化学降解、衍生生物制备或人工合成），进一步推断并确定分子的平面、立体结构。
⑹推断并确定分子的立体结构（构型、构象）。
## 3.结构研究中采用的主要方法
⑴质谱(MS)：可用于确定分子量及求算分子式和提供其他结构信息。此外，还可由分子离子丢失的碎片大小或由碎片离子的m/z值以及裂解特征推定或者复核分子的部分结构。
⑵红外光谱（IR）：分子中价键的伸缩及弯曲振动将在光的红外区域，即4000~ 625cm-1  处引起吸收。测得的吸收图谱叫红外光谱。许多特征官能团，如羟基、氨基以及重键（如C＝C、C≡C、C＝O、N＝O）、芳环等吸收均出现在这个区域，可据此进行鉴别。某些情况下，红外光谱可用于区别芳环的取代方式、构型及构象等。
⑶紫外–可见吸收光谱（UV）：UV光谱对于分子中含有共轭双键、α，β–不饱和羰基（醛、酮、酸、酯）结构的化合物以及芳香化合物的结构鉴定来说是一种重要的手段。
⑷核磁共振谱：①氢核磁共振（1   H – NMR）：测定中通过化学位移（δ）、谱线的积分面积以及裂分情况（重峰数及偶合常数J），可以提供分子中质子的类型、数目及相邻原子或原子团的信息，对中药化学成分的结构测定具有十分重要的意义。②核磁共振碳谱(13    C-NMR)：可以给出碳原子的化学环境、某些官能团的信息。
## 中药化学成分研究的作用与意义
⑴阐明中药的药效物质基础，探索中药防治疾病的原理：中药化学可为中药临床前有效性和安全性评价的标准化、规范化提供有说服力的化学信息；为中药药效学评价研究的标准化、规范化提供有效成分的监控指标及药理评价方法。
⑵为中药临床试验的标准化、规范化提供临床疗效评价的物质基础。
⑶改进中药制剂剂型，提高临床疗效。
⑷控制中药及其制剂的质量：中药化学可为中药材生产的标准化、规范化奠定化学物质基础；为中成药生产的标准化、规范化提供合理的技术保障。
⑸为中药炮制的标准化、规范化提供现代科学依据。
⑹开发新药、扩大药源。
⑺结构修饰、合成新药。