第四章 醌类化合物 课　　次：10、11 课　　题：　第四章　蒽醌及其苷 一、单元教学目的要求： 1. 阐述蒽醌类结构特点和药用价值、分布规律。 2. 归纳蒽醌类结构分类。详述其基本性质和检识反应、检识方法。 3. 概述蒽醌类提取分离，设计蒽醌类成分提取分离的简易流程。 4. 熟练大黄中游离蒽醌的提取分离和检识，解释演示实验现象。 二、单元教学内容摘要： 1． 蒽醌概述。 2． 蒽醌类结构、分类。 3． 蒽醌类性质、检识。 4． 蒽醌类提取、分离。 5． 蒽醌类实例：大黄、虎杖、决明子中的蒽醌类。 三、重点： 蒽醌类结构分类；蒽醌类提取分离；游离蒽醌的提取分离（如PH梯度萃取法）和检识。 难点： 蒽醌类结构特点；PH梯度萃取法。 四、育人目标： 通过对羟基蒽醌类化合物结构和性质的系统学习，在学习、总结前人间接经验的基础上，认识结构与效能的辩证关系，强化存在决定意识的唯物主义世界观。 五、教学内容分析及教法设计： 蒽醌类化合物是醌类化合物中的重要部分，以大黄和番泻叶为主，从结构－性质－检识的顺序进行系统学习。 教学中以中药大黄的日常功用为主线，精讲多练，尤其对其结构递变必须进行详细剖析。 六、教学过程： 组织教学：检查学生出勤，填写教学日志，随机应变，组织好课堂纪律。 课程引入：从苯酚、对苯二酚的氧化，说明醌的结构和形成原因，引出醌类药物的基本性质和结构特点。 展示目标： 进行新课： 第四章 醌类化合物 醌类化合物包括醌类或容易转化为具有醌类性质的化合物，以及在生物合成方面与醌类有密切联系的化合物。 醌类化合物基本上具有α β-不饱和酮的结构，当其分子中连有OH， OCH3等助色团时，多显示黄、红、紫等颜色。在许多常用中药中，如大黄、虎杖、丹参、紫草等存在此类化合物，其中许多有明显的生物活性。 第一节 结构与分类 醌类化合物从结构上分主要有苯醌、萘醌、菲醌、蒽醌等四类。 一、苯醌类 苯醌类化合物从结构上可分为邻苯醌和对苯醌两大类，由于前者不稳定，故天然存在的苯醌类化合物多为对苯醌的衍生物，且醌核上多有-OH、-CH3、-OCH3等基团取代。 从中药软紫草（Arnebia euchroma）中分得的几个对前列腺素 PEG2生物合成有抑制 作用的活性物质arnebinol、arnebinone等就属于对苯醌化合物。 二、萘醌类 从结构上考虑可以有α（1，4），β（1，2）及amphi（2，6）三种类型。但迄今为止自然界得到的几乎均为α-萘醌类。 萘醌类还原后即得到无色的萘氢醌，后者又可重新氧化得到萘醌，并重新显色。 许多萘醌类化合物具有明显的生物活性，如从中药紫草及软紫草中分得一系列紫草素及异紫草素衍生物，具有止血、抗炎、抗菌、抗病毒及抗癌作用，与其清热凉血的药性相符，可认为这些萘醌化合物为紫草的有效成分。 三、菲醌类 天然菲醌类行生物包括邻醌及对醌两种类型。如从中药丹参（Salvia miltionrrhiza）根中提取得到多种菲醌衍生物，其中丹参醌ⅡA。、丹参醌ⅡB、隐丹参醌、丹参酸甲酯、羟基丹参醌ⅡA等为邻醌类衍生物，而丹参新醌甲、丹参新醌乙、丹参新醌丙则为对醌类化合物。 丹参中菲醌类的鉴别方法是取少量样品，加浓硫酸2滴，丹参醌ⅡA显绿色，隐丹参醌显棕色。 丹参醌类成分具有抗菌及扩张冠状动脉的作用，由丹参醌ⅡA制得的丹参醌磺酸钠注射液已用于临床，用于治疗冠心病、心肌梗死。 丹参醌类结构上具有菲醌母核，但生源却属于二萜类。 四、蒽醌类 蒽醌类成分包括总醌及其不同还原程度的产物。按母核可分为单蒽核及双蒽核，按氧化程度又可分为氧化蒽酚、蒽酮、蒽酚及蒽酮的二聚物。 （一）单蒽核类 1．蒽醌及其苷类　天然蒽醌以9，10－蒽醌最为常见，其C-9、C-10为最高氧化状态，较为稳定。中药中存在的蒽醌类成分多为蒽醌的羟基、羧甲基、甲氧基和羧基衍生物，游离或成苷存在。根据羟基在蒽醌母核的分布，可将羟基总醌分为两类： （1）大黄素型　这类蒽醌其羟基分布于两侧的苯环上，多数化合物呈黄色。许多中药如大黄、虎杖等有致泻作用的活性成分就属于此类化合物。 羟基蒽醌类衍生物多与葡萄糖、鼠李糖结合成苷存在。 （2）茜素型 这类蒽醌其羟基分布于一侧的苯环上。 2．氧化蒽酚衍生物 蒽醌在碱性溶液中可被锌粉还原生成氧化蒽酚及其互变异构体蒽二酚，氧化蒽酚及蒽二酚均不稳定，氧化蒽酚易氧化成蒽酮或蒽酚，蒽二酚易氧化成蒽酮，故两者较少存在于植物中。 3．蒽酚或蒽酮衍生物 蒽酮在酸性溶液中被还原或氧化，则生成蒽酚及其互变异构体的蒽酮。在新鲜大黄中含有蒽酚类成分，贮存2年以上后则检测不到蒽酚。如果蒽酚衍生物的meso位羟基干糖缩合成苷，则性质比较稳定，只有经过水解去糖后，才容易被氧化转变成蒽醌类化合物。 4．C-糖基蒽衍生物 这类蒽衍生物是以糖作为侧链通过碳－碳键直接与苷元相连。 （二）双蒽核类 1．二蒽酮类衍生物　二蒽酮类是二分子蒽酮脱去一分子氢后相互结合而成的化合物，其上下两环的结构相同且对称，又可分为中位连接体和α位连接体等形式。二蒽酮多以苷的形式存在，苷催化加氢还原则生成二分子蒽酮，用FeCl3氧化则生成二分子蒽醌。如中药大黄、番泻叶中致泻的主要成分番泻苷A、B、C、D等皆为二蒽酮类行生物。 二蒽酮类化合物C10－C10'键易于断裂，生成蒽酮类化合物。大黄中致泻的主要成分为 番泻苷A和番泻苷B。番泻苷A 就是因其在肠内转变为大黄酸蒽酮而发挥作用。 2．二蒽醌　蒽醌类脱氢缩合或二蒽酮类氧化均可形成二蒽醌类。天然二蒽醌类中两个蒽醌环都是相同且对称的，由于空间位阻的相互排斥，使两个蒽环呈反向排列，如山扁豆双醌。 3．去氢二蒽酮类中位二蒽酮脱去一分子氢被进一步氧化，两环之间以双键相连的称为去氢二蒽酮。颜色呈紫红色。 第二节 理化性质 一、性状 醌类化合物如无酚羟基，则近乎无色。随着助色团酚羟基的引入而表现出一定的颜色。引入的助色团越多，颜色则越深。天然酮类多为有色晶体。苯醌及蒽醌多以游离状态存在，蒽醌往往结合成苷。 二、升华性 游离的醌类多具升华性，小分子的苯醌类及茶酮类具有挥发性，能随水蒸汽蒸馏，可因此进行提取、精制。 三、溶解性 游离酮类多溶于乙醇、乙酸、苯、氯访等有机溶剂，微溶或不溶于水。而配类成苷后，极性增大，易溶于甲醇、乙醇、热水，几乎不溶于苯、乙醇等非极性溶剂。 四、酸碱性 蒽醌类衍生物多具有酚羟基，故呈酸性，易溶于碱性溶剂。分子中酚羟基的数目及位置不同，酸性强弱也不一样。其规律如下： （1）带有羧基的蒽醌类衍生物酸性强干不带羧基者，一般蒽核上羧基的酸性与芳香酸相同，能溶于NaHCO3的水溶液。 （2）羟基位于苯酮或蒽醌的醌核上属插烯酸的结构，酸性与羧基类似。 （3）由于α-羟基蒽醌中的-OH与C＝O形成分子内氢键，β-羟基蒽醌的酸性强于α-羟基蒽醌衍生物。α-羟基蒽酮的酸性很弱，不但较苯酚及α-羟基蒽弱，且不及碳酸第二步解离时的酸性，故不溶于碳酸氢钠及碳酸钠溶液。 （4）羟基数目越多，酸性越强 随着羟基数目的增加，无论α位或β位，其酸性都有一定程度的增强。如1，5与1，4-二羟基蒽醌虽各自均能形成氢键，但酸性仍有增强。 1，8一二羟基蒽醌因两个羟基中的一个与羰基形成氢键，故酸性大大增强，较碳酸第二步解离时的酸性高出近百倍，所以大黄酚能溶于沸碳酸钠溶液。 综上所述，蒽酮类衍生物酸性强弱的排列顺序为：含COOH ＞含二个以上β－OH＞含一个β－OH＞含二个以上 α－OH＞含一个α－OH。在分离工作中，常采取碱梯度萃取法分离蒽酮类化合物。如用碱性不同的水溶液（5％碳酸氢钠溶液、5％碳酸钠溶液、1％氢氧化钠溶液、5％氢氧化钠溶液）依次提取，其结果为酸性较强的化合物（带 COOH或二个β－OH）被碳酸氢钠提出；酸性较弱的化合物（带一个β－OH）被碳酸钠提出；酸性更弱的化合物（带二个或多个α－OH）只能被1％氢氧化钠提出；酸性最弱的化合物（带一个 α-OH）则只能溶于 5％氢氧化钠。 由于氧原子的存在，蒽醌类衍生物具有微弱的碱性，能溶于浓H2SO4生成样盐后再转成阳离子，并伴有颜色的改变。 五、显色反应 （1）Feisl反应醌类行生物在碱性条件下加热与醛类、邻二硝基苯反应，生成紫色化合物。醌类在反应中仅起传递电子作用。 （2）无色亚甲蓝显色试验无色亚甲蓝乙醇溶液专用于鉴别苯醌及萘醌。样品在白色背景下呈现出蓝色斑点，可与蒽醌类区别。 （3）Borntraiger’s反应在碱性溶液中，羟基醌类颜色改变并加深，多呈橙、红、紫红及蓝色。如羟基蒽醌类化合物遇碱显红、紫色，称为Borntrager’s反应。蒽酚、蒽酮。二蒽酮类化合物需氧化形成蒽醌后才能呈色。其机理是形成了共轭体系。 （4） Kesting－Craven反应当苯醌及萘醌类化合物的醌环上有未被取代的位置时，在碱性条件下与含活性次甲基试剂，如乙酰乙酸酯、丙二酸酯反应；呈蓝绿色或蓝紫色。 蒽醌类化合物因不含有未取代的醌环，故不发生该反应，可用以与苯醌及萘醌类化合物区别。 （5）与金属离子的反应蒽醌类化合物如具有α－酚羟基或邻二酚羟基，则可与Pb2+、Mg2+ 等金属离子形成络合物。 与Pb2+形成的络合物在一定pH条件下能沉淀析出，与Mg2+形成的络合物具有一定的颜色，可用于鉴别。如果核上只有一个α-OH或一个β-OH，或二个OH不在同环上，显橙黄至橙色；如已有一个α-OH，并另有一个OH在邻位则呈显蓝至蓝紫色，若在间位则显橙红至红色，在对位则显紫红至紫色。 第三节 提取与分离 一、提取 蒽衍生物在植物体内存在形式多样，各类型之间的极性、溶解度各不相同，故提取方法也多种多样。一般选用甲醇、乙醇作为提取溶剂，把不同类型，性质各异的蒽类成分提取出来，浓缩后再依次进行分离。 二、分离 1．蒽醌苷类和游离蒽醌衍生物的分离　蒽醌苷类与游离蒽醌衍生物的溶解性不一样，后者易溶于有机溶剂如氯仿，前者易溶于水，因而常用与水不混溶的有机溶剂萃取或回流提取蒽醌粗提物，即可将两者分开。 2．游离蒽衍生物的分离　一般采取溶剂分步结晶法、梯度PH萃取法和色谱法。梯度PH萃取法是最常用的手段，根据蒽醌的α与β位羟基酸性差异及羟基的有无，使用不同碱性的水溶液，从有机溶剂中提取蒽醌类成分。如大黄蒽醌的分离。另外柱色谱也是常用手段，常用的吸附剂有硅胶、磷酸氢钙、聚酰胺，一般不用氧化铝，以免发生永久性吸附。 目标检测：根据课堂目标，随机命题考核。 教学参考资料：见中化练习。 课外作业： 课　　次　12 教学目的　熟悉蒽醌类化合物的波谱分析。 教学重点　 1. 蒽醌类化合物的紫外光谱。 2. 蒽醌类化合物的红外光谱。 3. 蒽醌类化合物的氢谱。 第五节 蒽醌类化合物的结构测定 一、化学反应 蒽醌衍生物的结构测定，一般是在进行Borntr?ger反应、乙酸镁反应初步确定为蒽醌化合物之后，再进行必要的化学试验，常用的化学试验方法有： 1．锌粉干馏 羟基蒽醌衍生物与锌粉混合进行干馏时，蒽醌取代基中的氧原子被还原除去而生成相应的母体烃类，若仅有羟基、甲氧基或羧基则得到的产物是蒽，若为甲基或羟甲基取代的蒽醌得到的产物是甲基蒽。   2. 氧化反应 未取代的蒽醌一般很难氧化，若环上有羟基取代则可氧化开环，产物为苯二甲酸的衍生物，不同氧化剂和不同的反应条件，能生成不同的产物，通过氧化产物的分析，有利于判断取代基的有无及位置。　　　　 3. 甲基化反应 化学环境不同的羟基对甲基化反应的难易依次为：醇羟基、α－酚羟基、β－酚羟基、羧基。 甲基化反应的难易及作用位置与试验中所用的甲基化试剂的种类和反应条件有关。 表：甲基化试剂与反应功能基的关系 甲基化试剂的组成 反应功能基  CH2N2/Et2O -COOH、β-酚OH、-CHO  CH2N2/Et2O＋MeOH -COOH、β-酚OH、两个α-酚OH之一、-CHO  (CH3)2SO4＋K2CO3＋丙酮 β-酚OH、α-酚OH  CH3I＋Ag2O -COOH、所有的酚OH、醇OH、-CHO   从上表可知，羧基最容易被甲基化，醇羟基则较难被甲基化，故采用不同的甲基化试剂，控制适当的反应条件进行甲基化反应，可以得到不同的甲醚化衍生物，然后分别作元素分析和波谱分析，以确定各衍生物的甲氧基数目，就可推测原来分子中羟基的数目、性质，这有助于判断羟基的位置。 4. 乙酰化反应 常用的乙酰化试剂和反应条件及作用规律见下表： 乙酰化试剂和反应条件及作用位置 试剂组成 反应条件 作用位置  冰乙酸（加少量乙酰氯） 冷置 醇OH  乙酐 ┌ 短时间 加热┤ └ 长时间 醇OH、β-酚OH 醇OH、β-酚OH、两个α-酚OH之一  乙酐＋硼酸 冷置 醇OH、β-酚OH  乙酐＋浓硫酸 室温放置过夜 醇OH、β-酚OH、α-酚OH  乙酐＋吡啶 室温放置过夜 醇OH、α及β酚OH、烯醇式OH   从上表可知，醇羟基最容易被乙酰化，α-酚羟基则较难。举例。 进行乙酰化时，有时为了保护α-酚羟基不被乙酰化，往往采用乙酐加硼酸试剂。由于硼酸能与α-酚羟基形成硼酸酯，使α-酚羟基不参与乙酰化反应，被保护下来，反应产物经水解后，α-羟基的硼酸酯被水解，又恢复了游离的酚羟基，这样就可得到β-酚羟基的乙酰化产物。　 例如:　　　　　　　　　　　　　　 二、波谱分析 紫外光谱　蒽醌母核可以划分为a、b两部分。 苯甲酰基 苯醌 这两部分分别给出2组吸收峰，再加上230nm左右的强吸收峰，故羟基蒽醌的衍生物共有五个主要吸收谱带： （1）第1峰：230nm左右，多数羟基蒽醌均有此吸收，且为强峰。 （2）第2峰：240～260nm，由a部分的苯甲酰基结构引起。 （3）第3峰：262～295nm，由b部分的醌样结构引起。 （4）第4峰：305～389nm，由a部分的苯甲酰基结构引。 　　（5）第5峰：400nm以上，由醌样结构中的C＝0引起。 2．红外光谱 蒽醌的羰基频率：未取代的蒽醌C＝0的伸缩振动频率为1675cm-1，若其α位有羟基时，则其变化有以下规律。 （1）具有1个α-羟基的蒽醌，在IR上出现两个C＝0峰，其一在1675～1647cm-1区间，为正常羰基峰，另一个在1637～1621cm-1之间，两峰相距约24～38cm-1。 （2）具有两个α-羟基的蒽醌衍生物，可以区分为两种情况： 1，8-二羟基蒽醌，有两个C＝0峰,其一在1678～1661cm-1之间，但强度低，为正常峰，缔合C＝0峰则在1626～1616cm-1之间，两峰相距40～57cm-1。 1，4-或1，5-二羟基的蒽醌仅出现一条谱带，在1645～1608cm-1。 （3）具有3个α-羟基的蒽醌，如1，4，5-三羟基蒽醌，产生1个频率更低的缔合C＝0峰，出现在1616～1592cm-1之间。 （4）具有4个α羟基的蒽醌，其单一的缔合的C＝0峰移到1592～1572cm-1区，与C＝C骨架振动频率重叠，难以分辨。　 　　羟基蒽醌的羟基频率：羟基频率随取代位置不同而有很大变化。一般α-酚羟基的吸收频率多在3150cm-1以下，而β－酚羟基的吸收频率则大于3150cm-1。 3. 1H-NMR　　　　　 蒽醌母核芳氢的核磁共振信号：蒽醌母核共有8个芳氢，可分为两类，其中α－芳氢处于C＝0负屏蔽区，处于较低磁场，中心位置在δ8.07ppm处，而β－芳氢则在较高磁场，峰中心位置在δ6.67ppm左右。 在取代蒽醌中，若有孤立芳氢，则氢谱中出现芳氢单峰。 取代基的化学位移及对芳氢的影响 （1）甲基 甲基质子在蒽醌核上其化学位移为δ2.1～2.9ppm，为单峰或宽单峰，并使相邻芳氢及间位芳氢的δ值均减少0.1～0.15ppm左右。 （2）甲氧基 芳环上甲氧基的δ值为δ4.0～4.5ppm左右，为单峰，并使邻位及对位芳氢减少0.45ppm。 （3）羟甲基（CH2OH） 与苯环相连的-CH2OH，其-CH2-质子的δ值约4.6ppm左右（2H，双峰），其-OH质子的δ值约5.6ppm左右（1H）。 （4）酚羟基及羧基 　　α-酚羟基受C＝0影响大，δ值在低磁场区，δ值约11～12ppm，为单峰；β-酚羟基δ值小于11ppm，-COOH也在此范围内，但酚羟基使邻位及对位芳氢的化学位移减少0.45ppm，而－COOH则使其增大0.8ppm。 4. 13C-NMR 蒽醌母核上共有14个C原子，这14个C原子可分为4类：α-碳，β-碳，C＝0碳和季碳。   蒽醌母核上有取代基后，取代基的性质、数目和位置不同，对被取代碳及其它碳的δ值产生不同的影响。 5. 质谱 蒽醌质谱的特征是其分子离子峰多为基峰，裂解时均相继失去2分子CO形成m／z180（M-CO）及152（M-2CO）的强峰，并在m/z90及76出现较强的双电荷离子峰。 　　裂解过程如下：  三、含蒽醌中药实例 （一）大黄 大黄为重要中药之一，具通里攻下、清热解毒、活血通瘀等各种功能。其化学成分较复杂，有游离羟基蒽醌、蒽苷、苷及鞣苷等，其中以蒽苷含量为最高，还有少量土大黄苷。通常认为含有土大黄苷的大黄质次。此外，还含树脂类物质、碳水化合物及有机酸等多类成分。 大黄中游离羟基蒽醌类成分的分离过程如下： （二）决明子 其蒽衍生物主要以苷形式存在，也含有一些游离的羟基蒽醌衍生物。 提取方法介绍：决明子蒽醌可用干柱色谱予以分离。取决明子1kg，用氯仿2L，20％H2SO4250ml提取3次。合并氯仿提取液，浓缩，然后拌在少量磷酸氢钙上，把它加在预先装好的磷酸氢钙（干装）柱上。用苯洗脱，先在柱上出现5个色带，继续用苯洗脱，分别收集各色带的洗脱液，各色带的洗脱液分别按下述方法处理。 第一条色带，蒸干苯后所得的黄色物质，用石油醚萃取，再以磷酸氢钙干柱分离，以石油醚洗脱，又可分得两部分。先洗出者为大黄酚，后洗出者为大黄素-6-甲醚。 第二条色带，蒸干苯后得针状结晶，以甲醇重结晶，得钝叶素（obtusifolin）即1-甲氧基-2，8-二羟基-3-甲基蒽醌，熔点237～238℃。 第三条黄褐色带，蒸干苯后得长针状结晶，以乙醇重结晶，得决明素。 第四条黄色带，蒸干苯后得针状结晶，以甲醇重结晶，得甲基钝叶决明素（Chryso-obtusin）即6，7，8-三甲氧基-2-羟基-3-甲基蒽醌，熔点214～215℃。 第五条橙黄色带，蒸干苯后得针状结晶，以乙醇或氯仿重结晶，得橙黄决明素。 （三）何首乌 主含磷脂、羟基蒽醌衍生物及二苯乙烯类化合物。总蒽醌提取可参照大黄中总蒽醌的提取方法。 提取方法介绍：具体的提取分离过程为:取何首乌块根粗粉24kg，用乙醇回流提取3次，减压回收溶剂得浸膏，分别用氯仿和乙酸乙酯提取。乙酸乙酯部分行硅胶柱色谱，分别用二氯甲烷、二氯甲烷-乙酸乙酯（1:1）、乙酸乙酯-甲醇（9:1）、（8:2）洗脱。二氯甲烷部分得化合物Ⅱ，母液再经低压柱色谱，得化合物Ⅲ和Ⅹ，二氯甲烷-乙酸乙酯部分得化合物Ⅰ，其母液再用低压柱色谱，得化合物Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ和Ⅸ将在乙酸乙酯-甲醇（9:1）部分行硅胶柱色谱后所得之第五部分再经低压柱色谱而获得。此外，关于总蒽醌的提取，可考虑参照大黄中总蒽醌的提取方法。 目标检测：根据课堂目标，随机命题考核。 教学参考资料：见中化练习。 课外作业：