中药化学教案—第九章强心苷.doc

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第九章 强心苷

课　　次：26
课　　题：第九章　强心苷
第一节　强心苷的结构与分类
教学目的　1. 了解强心苷的含义、分类。
2. 掌握强心苷的结构类型。
教学内容　1. 强心苷的含义。
2. 强心苷的分类。
3. 强心苷的类型。
教学重点　强心苷的结构类型。

第一节 强心苷的结构与分类
一、含义、结构和分类
（一）含义
强心苷类是指天然界存在的一类对心脏有显著生理活性的甾体苷类，可用于治疗充血性心力衰竭及节律障碍等心脏疾患，由强心苷元及糖缩合而成，其苷元是甾体衍生物，所连接的糖有多种类型。
（二）结构及分类
强心苷的苷元是甾体衍生物，具有下列特征：
1．苷元部分
苷元部分根据在C17位上连接的不饱和内酯环不同分为两类：
（1）甲型强心苷（强心甾烯类）
也称甲型强心苷元C17位连接的是五元不饱和内酯环，即△αβ-γ内酯，大多数是β-构型，少数为α-构型（allo一体），其母核称强心甾。
在已知的强心苷元中，绝大多数属于强心甾烯类。如强心甾烯。
（2）乙型强心苷（蟾蜍甾二烯类）
又称乙型强心苷元或海葱甾二烯C17位连接的是六元不饱和内酯环，即△αβ，γδ-双烯δ内酯，是β-构型，其母核称蟾蜍甾或海葱甾。
自然界中仅少数几种强心苷元属于这一类型。如蟾蜍甾二烯或海葱甾二烯。
2．其它特征：环戊烷多氢菲的结构特点：田字格结构，“山窝窝里两颗树，高山顶上一颗葱”；碳原子的编号与命名。
　　（1）天然存在的已知强心苷元B/C环都是反式稠合，C/D环都是顺式稠合，A/B环则顺反两种稠合方式都有，但大多数为顺式，如为反式调合，则称异强心甾。
A/B顺式 C/D顺式 A/B反式 C/D顺式

（2）在苷元母核的C3、C14位上都有羟基，C3位上的羟基大多数是β-构型，少数为α-构型，当C3为α-构型时，命名时冠以“表（epi-）”字。C3羟基与糖缩合而成苷键。C14位上的羟基都是β-构型。C10位上连接的多为甲基或其氧化产物（-CH2OH，-CHO，-COOH）。C13位上连接的均为甲基。
（3）苷元母核的其他位置可能出现羰基、羟基、双键、环氧基等。
3．糖部分
对糖结构的教学，设想通过对比分析和2－羟基糖的结构不同，导出羟基数目与化合物水溶性的关系，再对强心苷中糖结构进行分析，使学生认识强心苷中糖链的特殊性。
构成强心苷的糖有20多种，根据它们的C2位上有无羟基可以分成α-羟基糖和α-去氧糖两类，常见的有：
（1）α-羟基糖
除广泛分布于植物界的D-葡萄糖、L-鼠李糖外，还有：
　　a.6-去氧糖，如L-夫糖、D-鸡纳糖、D-弩箭子糖、D-6-去氧阿洛糖等。
b.6-去氧糖甲醚，如L-黄花夹竹桃糖（L-黄夹糖）、D-洋地黄糖等。
（2）α-去氧糖
　　a.2，6-二去氧糖，如D-洋地黄毒糖等。
b.2，6-二去氧糖甲醚，如L-夹竹桃糖、D-加拿大麻糖、D-迪吉糖和D-沙门糖等。
（三）糖和苷元的连接方式
强心苷中，糖和苷元的连接方式有三种类型：
Ⅰ型：苷元-（2，6-去氧糖）x-（D-葡萄糖）y
Ⅱ型：苷元-（6-去氧糖）x-（D-葡萄糖）y
Ⅲ型：苷元-（D-葡萄糖）y
植物界存在的强心苷种类很多，以Ⅰ、Ⅱ型较多，Ⅲ型较少。
（四）结构与强心作用的关系
强心苷为心脏兴奋剂，主要作用是延长传导时间，兴奋心肌。主治慢性心脏病、心代偿失效及重症心房纤维颤动等，其强心作用主要取决于苷元部分，但糖部分对强心苷的生理活性也有影响。
　　1. 苷元结构与强心作用的关系
　　（1）如前所述，强心苷元甾体母核必须具有一定的构象和C17位连接的不饱和内酯环及其β-构型是不可缺少的，若异构化为α-型（allo-体）或开环或不饱和内酯环被氢化或双键位移，均无毒性或毒性显著降低。
　　（2）C14位上羟基只有是β-构型的才有效，C14-βOH如与邻近的碳原子（如C8，C15）上的氢脱水形成双键或与C8脱氢成氧桥，均使强心作用减低或消失。C14-βOH可能是保持氧的功能和C/D环为顺式构象的重要因素。
　　3）A/B环顺式的甲型强心苷元，C3位羟基必须是β-构型，α-构型无活性。
　　（4）C10位上的甲基氧化成羟甲基或醛基或羧基后，可影响强心作用的强度或毒性，但不是决定因素。
　　（5）引入5β、11α、12β-羟基有增强活性作用，而引入1β、6β、16β-羟基有降低活性作用，例如异羟基洋地黄毒苷的毒性大于羟基洋地黄毒苷。
（6）在母核上引入双键，对强心作用影响不一致，引入△4(5)与引入5β-羟基的影响相似，能增强活性，而引入△16(17)则活性消失或显著下降。
（7）无论在苷元或糖基上增加乙酰基都有增强活性的作用。
　　2. 构成强心苷的糖对强心作用的影响
构成强心苷的糖的数目和种类不同，对强心苷活性影响不同。
（1）甲型强心苷元及其苷的毒性规律一般为：苷元＜单糖苷＞二糖苷＞三糖苷
（2）单糖苷的毒性大于苷元是由于其对心肌细胞膜上类脂质的亲和力大于苷元，而二糖苷、三糖苷的毒性小于单糖苷是由于随着这些分子中糖基数目的增加，水溶性增大，亲脂性降低，与心肌细胞膜上类脂质的亲和力减弱，使强心作用减小。
（3）单糖苷的毒性次序为：葡萄糖苷＞甲氧基糖苷＞6-去氧糖苷＞2，6-去氧糖苷。
（4）乙型强心苷元及其苷的毒性规律为：苷元＞单糖苷＞二糖苷。
（5）甲型、乙型强心苷元比较，乙型强心苷元的毒性大于相应的甲型强心苷元。
　　为了寻找更理想的强心药，可用人工合成或生物合成方法改造强心苷的结构。

课　　次：27
课　　题：第九章　强心苷
第二节　理化性质
第三节 检识方法—颜色反应
教学目的　1. 掌握强心苷的理化性质。
2. 掌握强心苷的显色反应。
教学内容　1. 强心苷的理化性质。
2. 强心苷的显色反应。
教学重点　1. 强心苷的理化性质。
2. 强心苷的显色反应。

第二节　理化性质
一、理化性质
　　（一）性状
多为无色晶体或无定形粉末，中性物质，有旋光性。C17位上的侧链为β-构型者味苦，而α-构型者味不苦，但无疗效。对粘膜有刺激性。
（二）溶解性
　　1. 溶解性
强心苷一般可溶于水、甲醇、乙醇、丙酮等极性溶剂，难溶于乙醚、苯、石油醚等非极性溶剂。弱亲脂性苷略溶于氯仿-乙醇（2∶1），亲脂性苷略溶于乙酸乙脂、含水氯仿、氯仿-乙醇（3∶1）等。
2. 影响溶解性的因素
强心苷的溶解性随着分子中所含糖基的数目、糖的种类以及苷元中所含的羟基多少和位置不同而异。
　（三）脱水反应
强心苷混合强酸（3～5％HCl）加热水解反应的同时，苷元往往发生脱水反应，生成缩水苷元。比较容易脱水的羟基有：C14-OH、C16-OH、5β-OH等等。
缩水羟基洋地黄毒苷元

（四）水解反应
水解法是研究强心苷组成的常用方法，分化学方法和生物方法两大类。化学方法主要有酸水解，碱水解和乙酰解；生物方法主要有酶水解。强心苷的苷键水解难易因组成糖的不同而异，水解产物亦不同。
1．酸水解法
（1）温和酸水解
用稀酸如0.02～0.05mol/L的盐酸或硫酸在含水醇中经短时间（自半小时至数小时）加热回流，可使Ⅰ型强心苷水解成苷元和糖。
此法可水解苷元和α－去氧糖之间的苷键或α－去氧糖与α－去氧糖之间的糖苷键，对α－去氧糖与葡萄糖之间的苷键不易切断，对苷元的影响小，不致引起脱水反应，对不稳定的α－去氧糖亦不致分解，故常得到双糖和叁糖。
此法不适用于16位有甲酰基的洋地黄强心苷类。
（2）强烈酸水解
Ⅱ型和Ⅲ型强心苷中的糖，均非α－去氧糖，由于α－羟基阻挠了苷原子的质子化，使水解反应较为困难，不能用上法使之水解，必须增高酸的浓度（3～5％），增加作用时间或同时加压，在这种情况下，才能得到定量的葡萄糖，但易得到缩水苷元。此外，常用冰乙酸-水-浓盐酸（35∶55∶10）混合液（Kiliani混合液）来水解强心苷类，沸水浴上加热1小时即能水解完全。
（3）氯化氢丙酮法（Mannich和Siewert法）
Mannich和Siewert曾将乌本苷置于1％氯化氢丙酮中，经20℃放置2周并时时振摇，得到了乌本苷元单丙酮化合物和氯代L-鼠李糖丙酮化合物，再经稀酸水解即得乌本苷元。
用此法对铃蓝毒苷及多数Ⅱ型苷进行水解，证明它是得到原来苷元的有效方法，对Ⅲ型苷推想亦应有效（Ⅲ型强心苷主要用酶解法）。此法多用于单糖苷中能溶于丙酮者，难溶于丙酮的苷类可用丁酮等代替丙酮。
2. 酶水解法
在含强心苷的植物中，有水解葡萄糖的酶，无水解α－去氧糖的酶，所以能水解除去分子中的葡萄糖而保留α－去氧糖。
除了植物中与强心苷共存的酶外，其他生物中的水解酶也能使某些强心苷水解，尤其是蜗牛酶（是一种混合酶）几乎能水解所有的苷键，能将强心苷分子中的糖逐步水解，直至获得苷元，常用来研究强心苷的结构。糖及苷元的类型不同，被水解难易也有区别。
3. 碱水解法
碱试剂可使强心苷分子中的酰基水解，内酯环裂开、△20(22)转位及苷元异构化等。
（1）酰基水解
常用来水解强心苷中酰基的碱有碳酸氢钠、碳酸氢钾、氢氧化钙、氢氧化钡，前二个碱主要使α－去氧糖上的酰基水解，而α－羟基糖及苷元上的酰基往往不被水解；后二个碱可以使α－去氧糖上的、α－羟基糖上的、苷元上的酰基水解。氢氧化钠的碱性太强，不但能使糖基和苷元上的酰基全部水解，而且还使内酯环破裂，故不常用。
甲酰基较乙酰基活泼易水解，提取分离用氢氧化铅处理时已有使甲酰基水解的危险。
（2）内酯环的水解
NaOH或KOH水溶液可使强心苷内酯环开裂，酸化后又闭环，但在强心苷的醇溶液中加NaOH或KOH内酯环开裂，酸化后不再有可逆变化。甲型强心苷在醇性氢氧化钾溶液中，通过内酯环的双键转移和质子转移形成C22活性亚甲基，是许多颜色反应的基础，乙型强心苷则无此反应。
4. 乙酰解法
在研究强心苷的结构时，乙酰解常用来研究糖与糖之间的连接位置，如葡萄糖之间的1，6糖苷键很容易乙酰解，而1，4糖苷键较难乙酰解。

第三节 检识方法—颜色反应
一、颜色反应
强心苷的颜色反应很多，根据颜色反应发生在分子的不同部位可以分为以下数种：
　　1. 作用于甾体母核的反应
一般在无水条件下，经强酸（如硫酸、磷酸、高氯酸）、中等强度的酸（如三氯乙酸）或lewis酸（如三氯化锑、二氯化锌等）的作用，甾体化合物经脱水形成双键、双键移位，分子间缩合形成共轭双键系统，并在浓酸溶液中形成多烯阳碳离子的盐而呈现一系列的颜色变化。常见的反应有：
　　（1）乙酐浓硫酸反应（Liebermann-Burchard反应）：取试样溶于冰醋酸，加浓硫酸-醋酐（1∶20）混合液数滴，反应液呈黄→红→蓝→紫→绿等变化，最后褪色。
（2）Tschugaev反应：取试样溶于冰醋酸，加无水氯化锌及乙酰氯后煮沸，或取试样溶于氯仿或二氯甲烷，加冰醋酸、乙酰氯和氯化锌煮沸，反应液呈紫→红→蓝→绿等变化，B环有不饱和双键的作用更快。
（3）磷酸反应
（4）Salkowski反应：将试样溶于氯仿，沿试管壁加入浓硫酸，静置，氯仿层呈血红色或青色，硫酸层有绿色荧光。
（5）三氯乙酸氯胺T（chloramine T）反应：将试样醇溶液点在滤纸（或薄板上，喷以三氯醋酸-氯胺T试剂（25%三氯醋酸乙醇溶液4 ml加3%氯胺T水溶液1ml混匀），待纸片干后，100℃加热数分钟，于紫外光下观察。该反应可初步区别洋地黄类的苷元。
（6）三氯化锑反应
2. 作用于α、β不饱和内酯环的反应
甲型强心苷在碱性醇溶液中，双键由20（22）转移到20（21），生成C22活性亚甲基，能与下列活性亚甲基试剂作用而显色，乙型强心苷不能产生活性亚甲基，故无此类反应。具体的有：
　　（1）亚硝酰铁氰化钠试剂（Legal反应）
（2）间二硝基苯试剂（Raymond反应）：反应机理是间二硝基苯与活性亚甲基缩合后，又经过量间二硝基苯氧化成醌式而显色。此法可用于薄层色谱和纸色谱显色，喷雾后显紫红色，5~10分钟褪色。
（3）3，5-二硝基苯甲酸试剂（Kedde反应）：原理与间二硝基苯试剂反应类似，本试剂可作为强心苷纸色谱和薄层色谱的显色试剂，喷雾后显紫红色，几分钟后褪色。
（4）碱性苦味酸试剂（Baljet反应）：《药典》以此法测定强心苷类药物含量。
以上反应均呈红或紫红、橙红色。
3. 作用于α-去氧糖的反应
（1）Keller-Kiliani（K-K）反应：该反应为α-去氧糖的特征性反应，对游离的α-去氧糖或在此条件下能水解产生游离α-去氧糖的苷都能反应。
（2）吨氢醇反应
（3）过碘酸-对硝基苯胺反应：该反应原理是：过碘酸将α-去氧糖氧化成丙二醛，丙二醛与硝基苯胺试剂反应呈深黄色。
（4）对-硝基苯肼反应
（5）对-二甲氨基苯甲醛反应：分子中含有α-去氧糖的强心苷可显灰红色斑点。

课　　次：28
课　　题：第九章　强心苷
第四节 提取分离
第五节 实例
教学目的　1. 掌握强心苷的提取、分离方法，熟悉强心苷的结构测定。
教学内容　1. 强心苷的色谱检识。
2. 强心苷的提取分离。
3. 强心苷的结构测定。
4. 含强心苷的中药实例。
教学重点　1.掌握强心苷的提取、分离方法。

第四节 提取分离
一、提取、分离
（一）提取
从中药中提取分离强心苷是比较困难的，主要原因是强心苷含量比较低，且同一植物中常含有许多结构相近，性质相似的强心苷，每一苷又有原生苷、次生苷之分；其次是因为强心苷常与许多糖类、皂苷、鞣质等杂质共存，从而影响了强心苷的溶解度；第三是在提取分离中强心苷易受酸、碱或共存酶的作用，发生水解，脱水，异构化等反应，使生理活性降低，因此在提取时要控制酸碱性和抑制酶的活性。
一般常用的提取溶剂为70％～80％的甲醇或乙醇，油脂及叶绿素多者要先进行脱脂。再用铅盐沉淀法或聚酰胺吸附法除去与其共存的杂质，最后再用CHCl3和CHCl3：MeOH不同比例依次萃取，将强心苷按极性大小分为几个部分，以备进一步分离用。
（二）分离
分离混合强心苷，通常采用溶剂萃取法、逆流分溶法和色谱分离法等，对于少数含量高的成分，可采用反复重结晶的方法得到单体。但在多数情况下往往需要多种方法配合使用，反复分离才能得到单一成分。
1. 溶剂萃取法
利用强心苷在两相溶剂间的分配系数不同而达到分离。
如：毛花洋地黄总苷（混合苷）中苷甲、乙、丙的分离
利用毛花洋地黄苷甲、苷乙、苷丙在氯仿中溶解度不同，采用甲醇-氯仿-水混合溶剂系统，可将苷丙与苷甲、苷乙分离。

总苷
先将总苷溶于甲醇，滤过，再向滤液中加氯仿和水，按总苷-甲醇-氯仿-水（1∶100∶500∶500）的比例进行第一次分离
稀甲醇层
氯仿层（主含苷甲、苷乙）
粗结晶（苷丙及部分苷乙）
减压浓缩至小体积，冷却
氯仿层（主含苷乙）
稀甲醇层
减压浓缩，析晶。
母液
结晶（主含苷丙）
按上述分配比例进行第二次分离。

　　2. 逆流分溶法
也是利用强心苷在两相溶剂间的分配系数不同而达到分离。
　　3. 吸附色谱法
吸附色谱法一般用于分离亲脂性强心苷（单糖苷或次生苷），常用中性氧化铝（或硅胶）作吸附剂，苯、苯-氯仿、氯仿、氯仿-甲醇作洗脱剂。但C16位有酰氧基的不能用氧化铝色谱，用氧化铝常引起酰氧基消去反应，形成△16(17)不饱和化合物。
弱亲脂性强心苷，常先进行乙酰化，将乙酰化强心苷的混合物进行氧化铝吸附色谱，获得乙酰化苷的单体，再以碳酸氢钾水解去乙酰基而得原苷。
4. 液滴逆流色谱法（DCCC）
也是分离弱亲脂性强心苷的一种有效方法，它是利用混合物中各组分在两液相间的分配系数差别，由流动相形成液滴，通过作为固定相的液柱而达到分离纯化的目的。
二、结构测定
研究强心苷的结构包括研究苷元和糖的结构以及二者之间的结合方式，除上述的水解反应外，色谱法、波谱法和各种化学反应对鉴定强心苷结构也是很有价值的。
1. 纸色谱和薄层色谱
色谱法是分离鉴定强心苷的一种重要手段，最早使用的是纸色谱法。一般将滤纸预先用甲酰胺或丙二醇处理作为固定相，用亲脂性有机溶剂作流动相可分离亲脂性较强的强心苷，用含水有机溶剂系统作流动相可分离亲水性较强的强心苷。
强心苷的薄层色谱法有吸附薄层色谱法和分配薄层色谱法两种。以后者分离效果较好。
吸附薄层常用的吸附剂有硅胶、氧化铝、氧化镁等，分配薄层常用的支持剂有硅藻土、纤维素、滑石粉等，最常用的固定相是甲酰胺。二者常用的混合溶剂作移动相，用活性亚甲基试剂或三氯乙酸-氯胺T试剂作显色剂。这些试剂均需新配制。
2．波谱分析
（1）强心苷元的UV光谱
具有△αβ五元内酯环的强心苷元即甲型强心苷元在217～220nm（logε4.20-4.24）处呈现最大吸收，结构中双键及羟基位置不同，其UV光谱特征也不同。
　　具有△αβ，δ六元内酯环的强心苷元即乙型强心苷元在295～300nm (logε约3.93)处有特征吸收，其他孤立羰基的吸收峰因在同一波长区而被掩盖。
（2）强心苷元的IR光谱
α、β五元不饱和内酯环的γc=0峰为特征吸收峰，一般在1800～1700cm-1处有两个强吸收峰，其中在低波数的为正常的吸收峰，在高波数的为非正常的吸收峰。非正常吸收峰可随溶剂的性质而改变，当溶剂极性增大时，非正常吸收峰的吸收强度显著降低，甚至消失。而△αβ，γδ六元内酯环的强心苷元的C=0红外吸收峰与五元内酯环相同，也有两个吸收峰，但由于环内共轭程度增高，导致两个吸收峰向低波数位移。
（3）NMR谱 略
（4）1H-NMR谱
1H-NMR谱是测定强心苷结构的一种极有用的方法，一般水解后除去糖或全乙酰化后测定时常能获得较易解析的图谱，它可用来判断甲基、醛基、羟甲基等上的质子特征，具体信号特征如下：
　　 △αβ-γ-内酯环：C22-H在δ6.00～5.60内，呈宽的单峰，C21-2H在δ5.00～4.50ppm内，呈AB型四重峰，J=18Hz，或宽单峰或三重峰。
　　 C10和C13上的甲基在δ1.00ppm左右均为单峰。
　　 C10上连结的醛基在δ10.0～9.50ppm内为单峰。
C10上连结的羟甲基乙酰化后，在δ4.50～4.00ppm内呈AB型四重峰，J=12Hz。
C16位上无含氧取代时该位上的二个质子在δ2.50～2.00ppm内呈m峰，C17-H在δ2.80ppm左右，为m峰或dd峰，J=9.5Hz。
C3-H为m峰，在苷元中约在δ3.90ppm，成苷后向低场位移。
糖部分除常见的糖外还有一些特殊的糖，均有一些特征信号可以识别。
（5）13C-NMR谱
13C-NMR谱对研究强心苷结构也十分有用，此外，13C-NMR还有下列用途：
　　 根据13C-NMR可以用来判断甾体A/B环的构象。
　　 C3-OH的构型也可用13C-NMR来判断。
　　 可以确定强心苷分子中各糖基连接顺序。
　　 可以判断强心苷中糖基之间的连接位置。
（6）MS谱
强心苷元裂解方式较多，除RDA裂解、羟基的脱水、脱甲基、脱17位支链和醛基脱CO外，还有一些由较复杂裂解产生的特征碎片，如保留有内酯环的a、b、c、d碎片，含有A、B、C环的e、f碎片以及含有A、B环的g、h碎片等。
在强心苷的EI-MS中，分子离子常难以出现或很弱，而FD-MS的灵敏度高，分子离子峰较强，适用于分子量和糖连接顺序的测定。在CI-MS中，当以氨为反应气体时，有较强的[M+NH4]+和其他高质量离子，而在D/CI-MS（解吸化学电离质谱）中，以氨气作反应气体，可观察到相当于苷和脱去一、二、三分子洋地黄毒糖的离子分别与质子或铵组成的4对强峰。此外，还有一些苷元的碎片。
　　　3. 含强心苷的中药实例 略
　　含强心苷的中药主要有黄花夹竹桃、滇杠柳、铃蓝、福寿草、羊角拗、万年青等，它们都具有强心作用，其有效成分为强心苷。
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