第十八章 油脂和类脂化合物.pdf

263第十五章 脂类学习目标知识目标熟悉油脂的组成和结构掌握油脂的化学性质了解类脂的性质掌握甾体化合物的基本结构能力目标能够说出几种甾体化合物在医药方面的应用脂类化合物广泛存在于生物体内，它们是维护生命活动不可缺少的物质,包括油脂和类脂。油脂是指植物油和动物脂肪。类脂化合物通常是指磷脂、糖脂、蜡、萜类和甾族化合物等。它们在化学组成和结构上虽有较大的差异，但有某些共同的物理性质，如不溶于水而易溶于乙醚、丙酮及氯仿等有机溶剂，而且常与油脂一起共同存在于生物体内，因此将它们称为类脂化合物。第一节 油脂一、油脂的组成和结构（一）油脂的分类油脂来源于动植物，按在常温下状态把油脂分为油和脂肪：在常温下为液态的油脂称为油。如豆油、花生油、菜籽油、棉籽油等。脂肪：在常温下为固态和半固态的油脂称为脂肪。如猪油、牛油、羊油等。（二）油脂的组成从化学结构看，都是 3 分子高级脂肪酸与一分子甘油所形成的酯，结构通式为：CH2CH2O C R2O C R3O C R1CHOOO其中 R1，R2，R3相同，为简单甘油酯；不相同，为混合甘油酯。天然油脂大多数是多种混合甘油酯的混合物。组成油脂的脂肪酸种类很多，但绝大多数是偶数碳原子的直链羧酸，一般含 16 和 18碳原子的脂肪酸最多，只有极少数含有支链、脂环、羟基的脂肪酸。含不饱和脂肪酸较多的油脂在室温下为液体，含饱和脂肪酸较多的油脂在室温下为半固体和固体。不饱和脂肪酸以油酸、亚油酸、亚麻酸等十六和十八碳烯酸最常见。人体自身也能合成多种脂肪酸，但不能合成亚油酸、亚麻酸和花生四烯酸等，这些脂肪酸必须从食物中摄取，又称为必需脂肪酸。（三）油脂的用途天然油脂主要存在于植物和动物体内，油脂是人类生存不可缺少的食物和营养品，特别是植物油脂是人类生活必需获取的营养品。油脂也是重要的化工原料，也是食品、医药工业的生产原料，加工天然油脂的工业称为油脂工业。同时油脂作为化工原料，是一种可再生的原料，是一种稳定来源的原料。264二、油脂的物理性质纯净的油脂是无色无味的中性化合物。但天然油脂，有的带有香味，有的带有特殊气味，而且有颜色，这是因为其中溶有维生素和色素。油脂的密度都小于 1g/ml，不溶于水，易溶于乙醚氯仿丙酮苯和热乙醇等有机溶剂。天然油脂是混甘油酯的混合物，所以没有固定的熔点和沸点。油中不饱和脂肪酸的含量较高，不饱和脂肪酸中碳碳双键具有顺式结构，分子呈弯曲形，互相之间不能靠近，结构比较松散，因此熔点较低。脂肪中饱和脂肪酸的含量较高，饱和脂肪酸具有锯齿形的长链结构，分子间能够互相靠近，吸引力较强，因此熔点较高。脂肪酸链的伸展状态三、油脂的化学性质（一）皂化反应油脂在酸碱或酶的作用下发生水解反应，生成一分子甘油和三分子高级脂肪酸。如果在氢氧化钠或氢氧化钾碱性条件下水解，得到的产物是甘油和高级脂肪酸的钠盐或钾盐，即肥皂，因此油脂在碱性条件下的水解称为皂化。工业上制造肥皂就是利用这个反应，工业上测定油脂的皂化值也是依据这个反应。皂化反应是逐步进行的，三个脂肪酸逐步水解下来，反应速度与碱的浓度、温度、油脂的结构有关。CH2OCOR1CHOCOR2CH2OCOR3+NaOHCH2OHCHOHCH2OH+R1COONaR2COONaR3COONa通常把皂化一克油脂所需氢氧化钾的毫克数称为该油脂的皂化值。根据皂化值的大小，可以判断油脂的平均相对分子质量。皂化值大，表示油脂的平均相对分子质量小，反之，则表示油脂的平均相对分子质量大。从皂化值还可以计算出油脂的平均分子量。表表 15-115-115-115-1 常见油脂的皂化值常见油脂的皂化值碘值碘值酸值酸值（二）酯交换反应工业上用油脂的酯交换反应制备高纯度的高碳脂肪酸的甲酯或乙酯，还可以进一步还原得到高碳脂肪醇：油脂名称皂化值碘值酸值猪油19320046661.56蓖麻油17618781900.120.8花生油1851958393茶籽油170180921092.4棉籽油1911961031150.60.9豆油189194124136亚麻油18919617020413.5桐油190197160180C=C =5631000 265CH2OCOR1CHOCOR2CH2OCOR3+3CH3OHCH2OHCHOHCH2OH+R1COOCH3R2COOCH3R3COOCH3RCOOCH3NiRCH2OHCH3OH+H2（三）加成反应油脂中不饱和脂肪酸的 C=C 双键，可以和氢卤素等发生加成反应。1氢化油脂中的 C=C 在金属催化下，可与氢元素发生加成反应，使不饱和脂肪酸变为饱和脂肪酸，这样得到的油脂称为氢化油，并且由液态变为半固态或固态，所以油脂的氢化又称为油脂的硬化，氢化油又称硬化油。硬化油熔点高，性质稳定不易变质，而且也便于储藏和运输。2加碘油脂中的 C=C 可与碘发生加成反应，100g 油脂所能吸收碘的最大克数称为碘值（iodine number）。碘值用来判断油脂的不饱和程度，碘值越大，油脂的不饱和程度也越大。由于碘与 C=C 加成反应的速度很慢，实际测定时常用氯化碘或溴化碘的冰醋酸溶液作试剂。常见油脂的碘值见表 15-1。（四）氧化反应1.油脂的酸败油脂在空气中放置过久，常会变质，产生难闻的气味，这种变化称为酸败。酸败的主要原因是油脂中不饱的脂肪酸的双键在空气中的氧水分和微生物的作用下，发生氧化，生成过氧化物，这些过氧化物继续分解或氧化生成有臭味的低级醛和酸等。光或潮湿可加速油脂的酸败。油脂的酸败程度可用酸值（acid number）来表示。中和 1g 油脂中的游离脂肪酸所需氢氧化钾的毫克数称为油脂的酸值。酸值越高，油脂酸败的程度越大。用氢氧化钾测定油脂的皂化值中，其实还包括了它的酸值，而测定油脂的酸值时不包括其皂化值。皂化值，碘值和酸值是油脂重要的理化指标，药典对药用油脂的皂化值碘值和酸值均有严格的要求。2.环氧化反应不饱和油脂的碳碳双键可以氧化成环氧化物，如环氧豆油、环氧棉籽油等。油脂环氧化物可以用作塑料的稳定剂。CH3(CH2)mCH=CH(CH2)nCOORH2O2CH3(CH2)mCH-CH(CH2)nCOORO第二节 类脂类脂是一类包括多种分子结构和具有不寻常的生物化学作用的天然化合物。如，萜类化合物、甾族化合物、一些维生素、脂肪、蜡、磷脂、糖脂等。在不同的著作中，类脂的定义是不完全相同的。但这类化合物有一个共同的性质，能溶于非极性有机溶剂中，这一性质与脂肪烃类似，故称类脂。实际上利用类脂在非极性有机溶剂中的溶解性把它从生物组织中分离出来。一、类脂的分类266依据水解反应，把类脂分成两大类：（一）简单类脂不能被水解的类脂称为简单类脂。简单类脂包括萜类化合物和甾族化合物。（二）复杂类脂水解能够得到长链脂肪酸的类脂称为复杂类脂。按照类脂水解得到长链脂肪酸以外的产物把类脂又分为五种：1甘油磷脂：磷酸单甘油酯、长链脂肪酸和一些小分子醇组成的化合物。2神经鞘磷脂：磷酸单甘油酯与神经鞘氨醇、胆碱、长链脂肪酸的酯。3蜡：长链（C16）脂肪酸和脂肪醇形成的酯。4油脂（三脂肪酸甘油酯）：长链脂肪酸和甘油形成的酯5糖苷脂：神经鞘氨醇、脂肪酸和糖苷组成的化合物二、磷脂磷脂是分子中含有磷酸基团的高级脂肪酸酯。按照分子中醇的不同，磷脂有多种，由甘油构成的磷脂称为甘油磷脂，由鞘氨醇构成的磷脂称为鞘磷脂（又称神经磷脂）。磷脂广泛存在于动植物组织中，具有特殊的功能。（一）甘油磷脂甘油磷脂又称为磷酸甘油酯，其母体结构是磷脂酸，即一分子甘油与二分子脂肪酸和一分子磷酸通过酯键结合而成的化合物。通常，R1为饱和脂肪酰基，R2为不饱和脂肪酰基，所以 C2是手性碳原子。磷脂酸有一对对映体，天然磷脂酸为 R 构型。磷脂酸中的磷酸与其它物质结合，可得到各种不同的甘油磷脂，最常见的是卵磷酯和脑磷脂。1卵磷脂-卵磷脂又称为磷脂酰胆碱,是由磷酯酸分子中的磷酸与胆碱中的羟基酯化而成的化合物。结构式如下：胆碱磷酸酰基可连在甘油基的或位上，故有和两种异构体，天然卵磷脂为型。卵磷脂完全水解可得到甘油脂肪酸磷酸和胆碱。其中的饱和脂肪酸通常是软脂酸和硬脂酸，连在 C1上，C2上通常是油酸亚油酸亚麻酸和花生四烯酸等不饱和脂肪酸。卵磷脂为白色腊状固体，吸水性强。在空气中放置，分子中的不饱和脂肪酸被氧化，将生成黄色或棕色的过氧化物。卵磷脂不溶于水和丙酮，易熔于乙醚乙醇及氯仿。卵磷脂存在脑和神经组织及植物的种子中，在卵黄中含量丰富。2脑磷脂脑磷脂又称为磷酯酰胆胺，是由磷脂酸分子中的磷酸与胆胺（乙醇胺）中的羟基酯化而成的化合物。结构式如下：CH2-O-C-R1CH2OOHOCOP OO-OCH2CH2N+(CH3)3R2磷脂酸267脑磷脂完全水解时，可得到甘油，脂肪酸，磷酸和胆胺。脑磷脂的结构和理化性质与卵磷脂相似，在空气中放置易变棕黄色，脑磷脂易溶于乙醚，难溶于丙酮，与卵磷脂不同的是难溶于冷乙醚中，由此可分离卵磷脂和脑磷脂。脑磷脂通常与卵磷脂共存于脑，神经组织和许多组织器官中，在蛋黄和大豆中含量也较丰富。（二）鞘磷脂鞘磷脂又称为神经磷脂，其组成和结构与卵磷脂脑磷脂不同，鞘磷脂的主链是鞘氨醇(神经氨基醇)而不是甘油，鞘氨醇的结构式如下:鞘氨醇的氨基与脂肪酸以酰胺键相连,形成 N-脂酰鞘氨醇即神经酰胺：神经酰胺的羟基与磷酸胆碱结合而形成鞘磷脂：鞘磷脂是白色晶体，化学性质比较稳定，因为分子中碳碳双键少，不象卵磷脂和脑磷脂那样在空气中易被氧化。不溶于丙酮和乙醚，而溶于热乙醇中。鞘磷脂大量存在于脑和神经组织，是围绕着神经纤维鞘样结构的一种成分，也是细胞膜的重要成分之一。第三节 甾体化合物甾体化合物是一类广泛存在于动植物体内，并在动植物的生命活动中起着重要作用的化合物，例如，肾上腺皮质激素对人体的盐代谢和糖代谢有很大的作用；中药毛地黄所含强心苷具有很强生理作用；有的可作为甾体药物的合成原料。一、甾体化合物的基本结构甾体药物的基本结构为环戊烷并多氢菲和三个侧链。分子中含有四个环，其中 A、B 和C 环为六元环，D 环为五元环。其基本骨架如下：CH2CH2OOOHCOR1COP OO-OCH2CH2N+H3R2CH2OHHHO-CH-CH=CH-(CH2)H2N12CH3CH2OHHHO-CH-CH=CH-(CH2)12-CH3R-C-NHOCH2HHO-CH-CH=CH-(CH2)2-CH3R-C-NHOP OO-CH2CH2N+(CH3)3OO268ABCD一般说来其中两个侧链（R1,R2）是甲基(专称角甲基)，另一个（R2）为含不同碳原子数的碳链或含氧基团如羟基等。环上所有的碳原子的编号顺序也是固定的。见下式：17161514131211109876543211819CABD2021222325262724甾体化合物碳架的构型，取决于分子中碳环的稠合方式，自然界中的甾体化合物，B 环与 C 环是反式稠合，C 环与 D 环大多数也是反式稠合，而 A 环与 B 环有两种稠合方式：顺式稠合和反式稠合。所以，甾体母核虽然有 6（C5、C8、C9、C10、C13及 C14）个手性碳原子，理论上应该有 64 个异构体，但天然甾体化合物现知的只有两种构型。HHHHHHHHCH3CH3CH3CH3A、B 反式（5系）A、B 顺式（5系）为了能在平面结构中方便的表示出甾体化合物的空间结构，通常将环平面上方的原子或基团用实线相连，称为-构型；位于环平面下方的则用虚线相连，称为-构型；上下方不确定，用波纹线相连，称为。所以在甾体化合物中，2 种构型的区别就在 5 位碳原子上所连有基团的构型，A、B 环顺式稠合为正系，其 5 位上的氢原子在环上方，属于-构型，用5表示A、B 环反式稠合为别系，其 5 位上的氢原子在环下方，属于-构型，用 5表示。别系（5）正系（5）如果 C4-C5、C5-C6、C5-C10间有双键，则 A/B 环稠合的构型无正系和别系之分。二、甾体化合物的命名很多存在于自然界的甾体化合物都有其各自的习惯称呼。若按系统命名法定名，则需先确定所选用的甾体母核，然后在其前后表明各取代基或功能基的名称、数量、位置于构型（-型或-型）。根据 C10、C13、与 C17处所连的侧链不同，甾体母核的名称如下：HHHHHHHH269甾烷雌甾烷雄甾烷孕甾烷胆甾胆甾烷当母核中含有碳碳双键时，将“烷”改成相应的“烯”、“二烯”、“三烯”等并表示出其位置。双键的位次除用阿拉伯数字表示外，亦可用“”来表示，如1，4表明 l 位和 2位、4 位和 5 位之间各有一个双键；5（10）则表示 5 位和 10 位之间含有一个双键。例如：OCH3CH3HHHCH3OHCH3HCH3OHCH3HHO孕甾-4-烯-3，20-二酮17-甲基-17-羟基雄甾-4-烯-3-酮（黄体酮）（甲睾酮）用“去甲基”或“降”表示比原母核失去一个甲基或环缩小一个碳原子；用“高”表示环扩大一个碳原子。例如：OHHHHCH3OHCCH17-羟基-19-去甲-17-孕甾-4-烯-20-炔-3-酮（炔诺酮）三、重要的甾体化合物（一）甾醇类1胆甾醇（胆固醇）胆甾醇是最早发现的一个甾体化合物，以游离和成酯形式存在于人和动物的血液、脂肪中，血液中胆甾醇含量过高可引起胆结石和动脉粥样硬化。其结构如下：270CH3CH3HHHHOCH3CH3CH3 胆甾醇是无色或略带黄色的结晶，熔点 148.5，在高真空度下可升华，微溶于水，溶于乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂。在制药上，胆甾醇是合成维生素 D2的原料。27-脱氢胆甾醇胆甾醇在酶催化下氧化成 7-脱氢胆甾醇。7-脱氢胆甾醇存在于皮肤组织中，在日光照射下发生化学反应，转化为维生素 D3：CH3CH3HHHOCH3CH3CH37-CH3CH3HHHOCH3CH3CH3维生素D3维生素 D3是从小肠中吸收 Ca2+离子过程中的关键化合物。体内维生素 D3的浓度太低，会引起 Ca2+离子缺乏，不足以维持骨骼的正常生成而产生软骨病。3.麦角甾醇麦角甾醇是常见的植物甾醇，最初是从麦角中得到的，但在酵母中更易得到。麦角甾醇经日光照射后，环开环而前钙化醇，前钙化醇加热后形成维生素 D2(即钙化醇)。CH3CH3HHHOCH3CH3CH3CH3 CH3CH3HHHOCH3CH3CH3CH3维生素D2维生素 D2同维生素 D3一样，也能抗软骨病，因此，可以将麦角甾醇用紫外光照射后加入牛奶和其他食品中，以保证儿童能得到足够的维生素 D。（二）胆酸类胆汁酸胆汁酸存在于动物的胆汁中，从人和牛的胆汁中所分离出来的胆汁酸主要为胆酸。HOOHOHCH3COOH 271（三）甾体激素类1.性激素性激素是高等动物性腺的分泌物，能控制性生理、促进动物发育、维持第二性征（如声音、体形等）的作用。它们的生理作用很强，很少量就能产生极大的影响。性激素可分为雄性激素和雌性激素两大类，两类性激素都有很多种，在生理上各有特定的生理功能。雄性激素有睾丸酮素、甲睾酮等；雌性激素有雌二醇、黄体酮等。例如：HHHCH3CH3OH0 HHHCH3CH3OHHO 2肾上腺皮质激素肾上腺皮质激素是哺乳动物的肾上腺皮质所分泌的甾体激素的总称，对维持生命活动有重要作用。从结构上看，肾上腺皮质激素具有孕甾烷的基本结构，按生理作用分为盐皮质激素和糖皮质激素两大类。在医药上肾上腺皮质激素主要用作甾体抗炎药物。例如：可的松、氢化可的松等。000OHOH00OHOHHO可的松氢化可的松通过改变可的松和氢化可的松的结构，可以得到高效低毒的甾体抗炎药物，这种改变分子结构以取得较理想药物的方法，是开发新药的一条途径。（四）强心苷类强心苷存在于植物中，能使心跳减慢，强度增加，所以称作强心苷。是由强心苷元与糖两部分组成。例如，最主要的强心苷是毛地黄叶中的毛地黄毒苷，经水解后，可得糖和几种苷元，毛地黄毒苷元是其中之一。毛地黄毒苷元是在 C3、C14上各有 1 个-羟基；C17上有 1 个五元环的不饱和内酯。苷元几乎无生理活性。习 题1.解释下列名词：（1）皂化值（2）碘值（3）干性油2猪油的皂化值 193200，花生油的皂化值 185195，哪种油脂的平均相对分子质量大？3牛油的碘值为 3048，大豆油为 127138，这说明什么？4油脂的皂化值和酸值有什么不同？5.列出下列化合物完全水解时所得到的产物：（1）卵磷脂（2）脑磷脂6.写出甘油和软脂酸、油酸以及亚麻酸形成的混合甘油酯的（1）结构式（2）皂化反应式（3）在体内消化反应式（4）计算混合甘油酯的碘值（5）在室温下它可能是液体还是固体？7.用化学方法鉴别：272(1)硬脂酸和蜡(2)甘油三油酸酯和甘油三硬脂酸酯8.虽然甘油无光学活性，但是当 C1和 C3连有不同的酯取代基时，则 C2成为手性的。天然的磷酸甘油酯或磷脂酸是以对映体形式存在的。下面这个天然的对映体磷酯是 R 构型还是 S构型？RCOOCCH2CH2HOCROOPOOHO-9.卵磷脂、脑磷脂、硬脂酸钠和对十二烷基苯磺酸钠共同具有什么样的一般结构特征和一般的物理性质？