紫阳花仙境梦游记.pdf

Univ.Chem.2023,38(7),169174 169 收稿：2022-07-25；录用：2022-09-23；网络发表：2022-11-18 2021 级本科生*通讯作者，Email: 基金资助：中国高等教育学会2021理科教育研究专项课题(21LKD02)；山东大学教学改革项目(2022Y076)科普 doi:10.3866/PKU.DXHX202207119 紫阳花仙境梦游记紫阳花仙境梦游记 徐乐佳1,，郭今心2,*1山东大学基础医学院，济南 250012 2山东大学化学化工学院，济南 250100 摘要摘要：紫阳花，盛开于晚春与初夏，大团的花簇彰显其精致美丽。紫阳花绮丽的背后，蕴藏着种种玄机。本文将以第三人称拟人的手法，从化学的角度逐步揭开紫阳花神秘的面纱。关键词：关键词：紫阳花；花色苷；氰化氢；甘茶素；退热碱 中图分类号：中图分类号：G64；O6 A Journey to the Hydrangea Wonderland Lejia Xu 1,Jinxin Guo 2,*1 School of Basic Medical Sciences,Shandong University,Jinan 250012,China.2 College of Chemistry and Chemical Engineering,Shandong University,Jinan 250100,China.Abstract:Hydrangeas bloom in late spring and early summer.Large clusters of flowers highlight their exquisite beauty.Behind the beauty of hydrangeas,there are a variety of mysteries.This article will reveal the mysterious veil of hydrangeas from the perspective of chemistry in the third person personification.Key Words:Hydrangea;Anthocyanin;Hydrogen cyanide;Phyilodulcin;Febrifugine 紫阳花(Hydrangea macrophylla(Thunb.)Ser.)，又叫绣球花，八仙花，为虎耳草科绣球属植物，盛开于初夏，聚伞的花序形似绣球，饱满而美丽，但颜色却变幻莫测，就像梅雨季节的风物诗，也如美丽无常的少女。有这么一位女孩，在院子里种满了紫阳花。经过悉心呵护，紫阳花终于在晚春绽放了。女孩常常徘徊在花丛中，为花儿们剪枝、浇水，有时痴迷地看着那一团团皎洁饱满的花朵，喜爱之情无以言表。花儿们似乎也充满了灵性，对着女孩笑得格外娇艳美丽，而且经常变幻色彩，初开为青白色，渐变为粉红色，再转换成紫红色花儿们多变的色彩，让女孩感到很好奇，有时她会对着花儿们发问，就像问好朋友一样，“可爱的紫阳花啊，你们是如何变幻出这么多美丽的颜色？难道你们会魔法吗？”在一个静谧的夜晚，女孩做了一个很长很长的梦。在梦中，她竟然进入了一片紫阳花仙境 1 唱初夏之风物诗 唱初夏之风物诗 放眼望去，漫山遍野的紫阳花在微风中轻轻摇曳着她们洁白的花团。花团中每朵小花都像是精170 大 学 化 学 Vol.38雕细琢的艺术品，精致程度丝毫不亚于雪花，女孩想起了宋人的诗：“何人团雪高抛去，冻在枝头春不知。”“好美呀！”女孩不由自主地惊叹道。正看得出神，忽然听到身后传来一阵吃吃的笑声，女孩猛一回头，发现身后闪现出一位白衣仙女，“小主人，这边请，别站在那里发呆啦！感谢你平时对我们的精心照料，我是紫阳花仙子，欢迎你来到紫阳花仙境，让我带你去参观一下吧。”话音未落，紫阳花丛里竟出现了一条小路。女孩大吃一惊，但经不住花仙子的热情邀请，便顺着小路走向花丛的深处。2 着流彩之锦衣 着流彩之锦衣 女孩跟着花仙子穿越在花丛中，来到了一个外形似花瓣形状的奇特小屋，门口挂着“调色室”的牌子。只见众多的Al3+调色师们正在忙忙碌碌地制作染料。女孩好奇地问：“这些染料是用来做什么的呀？”“你不是对我们身上多彩的衣裙好奇吗？”紫阳花仙子指着其中一位年长的调色师回答道，“让我们的调色室主任告诉你吧。”一位高高瘦瘦的Al3+调色师停下手头的工作，笑着对女孩说：“这些染料是用来给紫阳花仙子的衣裙(花萼)染色的呀。紫阳花仙子们除了拥有一部分白色衣裙外，其他衣裙都需要我们染上颜色呢。”Al3+调色师边说边指向远处。女孩看过去，一些紫阳花仙子的衣裙已经完成了染色，红色的、蓝色的、紫色的、粉色的有的花仙子迎着风翩翩起舞，兴奋地炫耀着自己的新衣。“这么多的颜色，都是你们亲手染出来的吗？”女孩问道。“哈哈，很不可思议是吧？一般而言，植物鲜艳的颜色大多与花色苷(anthocyanin)(图1)有关。你知道花色苷吗？”图图1 花色苷的基本结构式 花色苷的基本结构式“当然，花色苷也是植物的调色师，多为苯并吡喃(penotyriliun)的衍生物，是花色素与糖以糖苷键结合后生成的，他们很多都在植物的根、茎、叶、花、果实等器官细胞的细胞液中工作，这也是植物的颜色除绿色外，更加绚丽多彩的原因。”女孩回答道，同时很庆幸自己平时读的书不算少。“哈哈，你懂得真不少！”Al3+调色师似乎很满意女孩的回答，“但我们紫阳花仙子与其他的花仙子相比，有一点特别之处。大多数花仙子不同颜色的衣裙，是由不同的花色苷调色师染色完成的。而我们紫阳花只有一位花色苷调色师1，请跟我走，我给你介绍这一位最特别的调色师飞燕草素-3-葡萄糖苷(delphinidin-3-glucoside,Dp3G)(图2)。”图图2 飞燕草素 飞燕草素-3-葡萄糖苷在酸性条件下的转化平衡葡萄糖苷在酸性条件下的转化平衡 No.7 doi:10.3866/PKU.DXHX202207119 171在这位Al3+调色师的带领下，女孩见到了Dp3G调色师。“我们两个的工作可是密不可分的。”Al3+调色师热情地拍着Dp3G调色师的肩膀说道。“是呀！”Dp3G调色师点了点头，接着说，“我们Dp3G调色师和Al3+调色师共同负责紫阳花仙子蓝色衣裙染料的前期调制工作2，不过，与我们合作的Al3+调色师的人数能够影响衣裙的染色效果。在酸性土壤中，愿意与我们合作的Al3+调色师的人数更多些，花仙子们的衣裙多为蓝色系3,4。”“原来是这样啊，这让我想到了动物体内的呼吸色素。含铜的是血蓝蛋白，含钒的是血绿蛋白，而含铁的是血红蛋白。”女孩突然想到了生物课上老师讲过的知识。“没错没错，这很相似。我们两个共同参与蓝色络合物的部分制作过程，而蓝色络合物就是染色的秘诀。其中pH的调控很关键。实际上，红色衣裙染料的pH小于蓝色衣裙染料呢5。”Al3调色师连连点头。“但你刚才不是说，在酸性环境中花仙子们的衣裙多是蓝色系呀！”女孩不解。“这是因为我们也有应变能力啊！我们能够自我调节，以使自己耐受环境影响。”一旁的紫阳花仙子插嘴道。“正常情况下，Dp3G调色师是以红色鎓离子的形式存在，调出红色染料。当环境pH增大或者Al3+调色师人数增多时，Dp3G调色师的红色鎓离子就会失去两个质子，转化为醌式阴离子。以醌式阴离子的形式再与Al3+调色师合作，就制作出蓝色络合物染料的一部分6。”Al3+调色师边说边与Dp3G调色师一同在染料缸中演示操作着。看到这里，一旁的紫阳花仙子也想要换上一件新裙装，迫不及待地说：“太好了，两位调色师帮我也换一件新裙子吧！”Al3+调色师笑着说：“别急别急，还有最后一步！我们还要将染料交给共色素调色师。他们会通过共色作用(共色作用是指类黄酮和其他有关化合物与花色苷结合而产生增色效应及红移，从而呈现从紫到蓝的不同色系1的现象)对染料的颜色进一步修饰。蓝色的染料是由许多Dp3G、Al3+调色师和共色素调色师5-O-奎宁酸共同制作而成的7(图3)，制作红色染料需要的人手相对较少些。而不同级别的共色素调色师(此处为奎宁酸)染出的衣裙颜色会有所不同。”图图3 紫阳花萼片蓝色络合物的形成 紫阳花萼片蓝色络合物的形成 172 大 学 化 学 Vol.38Al3+调色师见女孩一头雾水，便换了种说法，“这好比绘画，蓝色颜料为画纸铺好了底色。而共色作用就像在底色的基础上进行修改，从而使画面产生了颜色属性上细微的不同。”女孩恍然大悟，连连鞠躬表示感谢：“谢谢你们帮我揭开了紫阳花颜色的奥秘，这些颜色原来这么来之不易呀！”3 藏致命之玄机 藏致命之玄机 离开了调色室，女孩走近花仙子，伸手想仔细触摸一下花仙子的衣裙。可是不等她靠近，有个声音阻止了她：“站住！当心别再靠近了！”仔细一看，花叶间突然钻出一个个穿着铠甲的小护卫兵来，“我们是氰苷，是保护紫阳花仙子的护卫！”“你们这么小的个子，怎么保护花仙子呀？”女孩扑哧一下，疑惑地望着这群穿着铠甲的小护卫们。“你可不能小瞧我们，”护卫队长站出来说，“紫阳花仙子们遇到危险的话，我们就会挺身而出，以命相搏。我们可以在你们人类的胃中水解变身为氰化氢，若人们误食则会有致命的风险。”“变身成为氰化氢后，我们就能够大显神威，”另一位护卫补充道，“你知道吗？氰化氢(HCN)又名甲腈，标准状态下为液体，易挥发，有苦杏仁味，水溶液为氢氰酸，属于剧毒类。氰化氢主要经你们人类的呼吸道吸入引起中毒,皮肤沾染氢氰酸或误服也可吸收8。”“推理小说中经常出现的氰化钾就是氰化氢的亲戚，他们的作用机制是相同的，都能在人体内分解出氰根离子(CN)。氰根离子是我们的终极武器，氰根离子能够与铜、硫、铁等物质结合，而这些元素往往构成代谢过程中重要分子的活性位点。氰根离子能抑制人体细胞内多达42种酶的活性，其中以细胞色素c氧化酶最为敏感(cytochrome c oxidase)。”护卫队长继续说道。“我们训练严格，能抓住敌人的要害，”护卫队长挺了挺胸，“细胞色素c氧化酶处于线粒体氧化体系中电子传递链的末端，又称复合体IV，能够接受还原型细胞色素c(Cyt c)的电子，并传递给O2生成H2O，同时承担质子泵的作用。细胞色素c氧化酶中的铜、铁离子组成了双核中心，这是其发挥电子传递功能的重要单元。高价细胞色素c氧化酶Fe3+能够与CN形成非常稳定的络合物，使之无法被还原为Fe2+，阻断电子的传递，使细胞缺氧，导致人体内最基础的生物氧化过程中断，严重情况下可使人快速死亡。”“此外，氰化物在消化道中可以释放出氢氧离子，有腐蚀作用，重者可在23分钟内停止呼吸，呈电击样死亡。氰离子还可以与血液中的Fe2+结合形成Fe(CN)64，降低血液运输氧的能力。所以说，我们可不好惹哦。”看到女孩脸上流露的一丝犹豫不安的神情，紫阳花仙子赶忙用轻柔的语气安慰道：“亲爱的主人，想和我们一起玩的话要十分注意哟。我们身上的毒对于人类来说确实很危险呢。我们见过好多人误食紫阳花，他们轻则头痛、眩晕、恶心，重则惊厥、抽搐、丧失意识、心跳呼吸停止甚至死亡。”“其实，氰苷不仅我们紫阳花家族拥有，许多植物，比如苦杏、油桃、樱桃、李子等的果仁中也含有氰苷。你们人类已经想出采用亚硝酸钠-硫代硫酸钠等疗法解毒，因为亚硝酸盐可使人类的血红蛋白迅速形成高铁血红蛋白，高铁血红蛋白中的三价铁离子与体内游离的或是已经与细胞色素氧化酶结合的氰根离子结合形成氰化高铁血红蛋白，使酶免受抑制。此外，由于氰化高铁血红蛋白不稳定，故需要用硫代硫酸钠将分解出来的氰根离子及时转化为低毒性的硫氰酸盐排出体外。如果人们只是观赏我们的话，我们对人是无害的。”花仙子补充道。4 爱市朝之熙攘 爱市朝之熙攘 听了花仙子的话，女孩有些不好意思，“感谢仙子姐姐告诉我这些，我会注意的。”女孩接着便与花仙子热聊起来。仙子对女孩说，她们很久很久以前就开始装饰着人们晚春与初夏的庭院了，每No.7 doi:10.3866/PKU.DXHX202207119 173年夏日渐深，她们也会渐渐凋落。“你们就这样静静地开放，静静地凋落，会感到寂寞吗？”女孩问。紫阳花仙子微微一笑，“不会的，我们其实也融入到人们的生活中了哦，请跟我来。”4.1 苛毒化良药 苛毒化良药 花仙子带女孩来到仙境里面的药房，女孩见到了退热碱(febrifugine)和异退热碱(isofebrifugine)两位药剂师(图4)。花仙子介绍说：“这两位住在紫阳花叶片中，他们均属于常山碱类，拥有相互变身成为彼此的本领。”图图4 退热碱和异退热碱的结构式 退热碱和异退热碱的结构式 “那你们会治什么病呀？”女孩好奇地问。两位药剂师答道：“我们可以帮助人类杀灭疟原虫，疗效为奎宁的100倍呢！因为我们能够促进人类的巨噬细胞产生NO 9，通过我们身上的羰基和六氢吡啶环上的羟基与疟原虫体内的微量金属形成螯合物，从而发挥作用。”他们看起来很自豪。女孩连忙向他们俩竖起了大拇指，表示赞扬和感谢。“俗话说是药三分毒，我们也会对人体产生危害，主要表现为胃肠道反应，如腹泻、呕吐等，还会造成轻微的肝损伤和神经系统损伤10，使用我们时要小心了。不过，我们可以作为先导化合物，帮助科学家们开发新型抗疟药物11。”4.2 花叶沏甘茶 花叶沏甘茶 离开药房，转过回廊，女孩跟随着花仙子来到了一间散发着淡淡茶香的品茗室。落座后，花仙子热情地递过一杯茶，“我们逛了这么长时间，主人渴了吧？请喝一杯我们仙境的茶水吧。”女孩确实有些口渴，接过杯子喝了一大口，“这是什么茶呀？甘甜可口，还有一种特殊的香味。我好像从没喝过呢。”女孩边问边一饮而尽。紫阳花仙子又递给女孩一个精致的包裹，“如果你喜欢喝，就送你一包吧。这是人们用我们紫阳花叶子制成的干茶，在制茶过程中，有毒物质大多挥发了，人们可以适当饮用。其中甘甜的味道，是因为里面含有甘茶素(phyilodulcin，分子式为C16H14O5，为白色针状结晶，熔点105110 C，对热、酸较稳定)(图5)，它的甜度约为蔗糖的600800倍呢。”在紫阳花仙子的带领下，女孩游历了仙境中许多有趣的地方。这次旅行，让女孩对紫阳花有了更深的认识。在女孩眼中，紫阳花有了一种别样的美丽。紫阳花精致的不仅是花朵，其内在的化学机理同样复杂而精密。众多化学物质共同构成了鲜活而美丽的紫阳花，构成了丰富而多彩的世界。图图5 甘茶素的结构式 甘茶素的结构式 174 大 学 化 学 Vol.38旅程结束，与紫阳花仙子依依不舍地告别后，女孩沿着来时的小路返回。突然一道白光闪过，天亮了。女孩从梦中醒来，起身望向窗外，紫阳花一如既往地静静绽放着。参参 考考 文文 献献 1 程福英,王瑶,伍晓春.化学教育(中英文),2022,43(8),14.2 Takeda,K.;Kubota,R.;Yagioka,C.Phytochemistry 1985,24(10),2251.3 Chenery,E.M.Ann.Bot.1948,12(2),121.4 Schreiber,H.D.;Jones,A.H.;Lariviere,C.M.;Mayhew,K.M.;Cain,J.B.BioMetals 2011,24(6),1005.5 Yoshida,K.;Yuki,T.K.;Kiyoshi,K.;Tadao,K.Plant Cell Physiol.2003,43(3),262.6 Yoshida,K.;Mori,M.;Kondo,T.Cheminform 2009,26(44),884.7 Takeda,K.;Kariuda,M.;Itoi,H.Phytochemistry 1985,24(10),2251.8 晏奎,方志成,杨贤义,曾桓超.中国工业医学杂志,2021,34(1),34.9 王芳,杜爱琴,张斌.化学通报,2008,No.1,32.10 马丽娜,张广平,叶祖光.抗疟中药常山及其有效成分常山碱毒理研究进展/中国毒理学会中药与天然药物毒理与安全性评价第四次(2019年)学术年会论文集.中国毒理学会中药与天然药物毒理与安全性评价第四次(2019年)学术年会,海口,2018年11月1518日.北京,2019:275.11 李燕,刘明川,金林红,胡德禹,杨松.广州化工,2011,No.39,7.