萜类化合物

一、萜类化合物概述萜类化合物(Terpenoids)是所有异戊二烯聚合物及其衍生物的总称[4]。萜类化合物中的烃类常单独称为萜烯。萜类化合物除以萜烯的形式存在外,还以各种含氧衍生物的形式存在,包括醇、醛、羧酸、酮、酯类以及甙等。萜类化合物在自然界中分布广泛,种类繁多,估计有1万种以上,是天然物质中最多的一类。萜类化合物的分子结构是以异戊二烯为基本单位的,因此其分类依据主要是以异戊二烯单位数目的不同为标准来进行。开链萜烯的分子组成符合通式(C5H8)n(n≥2),含有两个异戊二烯单位的称为单萜,含有三个异戊二烯单位的称为倍半萜,含有四个异戊二烯单位的则称为二萜(图1),以此类推[4]。倍半萜约有7000多种,是萜类化合物中最大的一类[5]。二萜类以上的也称“高萜类化合物”,一般不具挥发性[6]。此外,有的萜类化合物分子中具有不同的碳环数,因此又进一步区分为链萜、单环萜、双环萜、三环萜等。其中,单萜和倍半萜及其简单含氧衍生物是挥发油的主要成分,而二萜是形成树脂的主要成分,三萜则以皂甙的形式广泛存在。萜类化合物在植物界中普遍存在[4]。常见含萜类化合物的植物类群有:蔷薇科(Rosaceae)、藜科(Chenopodiaceae)、天南星科(Araceae)、毛茛科(Ranunculaceae)、萝科(Asclepi-adaceae)、莎草科(Cyperaceae)、禾本科(Gramineae)、柏科(Cu-pressaceae)、杜鹃科(Ericaceae)、木犀科(Oleaceae)、木兰科(Magnoliaceae)、樟科(Lauraceae)、胡椒科(Piperaceae)、马鞭草科(Verbenaceae)、马兜铃科(Aristolochiaceae)、芸香科(Ru-taceae)、唇形科(Labiatae)、菊科(Compositae)、松科(Pinaceae)、伞形科(Umbelliferae)、桃金娘科(Myrtaceae)等[7]。1陈晓亚,叶和春.植物次生代谢及其调控.见:李承森主编.植物学进展(第一卷).北京:高等教育出版社,1998.293~3042杜近义,胡国赋,秦际威.植物次生代谢产物的生态学意义.生学杂志,1999,16(5):9~103陈晓亚,刘培.植物次生代谢的分子生物学及基因工程.生命学,1996,8(2):8~94肖崇厚主编.中药化学.上海:上海科学技术出版社,1991.323~375BohlmannJ,GilbertMG,RodneyC.Plantterpenoidsynthases:Molecularbiologyandphylogeneticanalysis.ProcNatiAcadSci,1998,95(8):4126~41336LangenheimJH.Plantresins.AmSci,1990(78):16~247谷文祥,段舜山,骆世明.萜类化合物的生态特性及其植物的化作用.华南农业大学学报,1998,19(4):108~110二、萜类化合物的分类1.单萜类单萜类是由2个异戊二烯单元组成的具有10个碳原子的一类化合物（如图），单萜类广泛分布于高等植物的分泌组织、昆虫激素、真菌及海洋生物中。单贴类也是植物精油的主要组成成分单贴类的含氧衍生物多具有较强的生物活性和香气。单贴类化合物依据具有基本碳骨架是否成环的特征，可分为链状单萜和单环、双环、三环的环状单萜，其中单环和双环较多，构成的碳环多数为六元环。其中，又具有桂花烷基本碳骨架的环戊烷型单环单萜氧化物环烯醚萜是一类具有显著生物活性的重要的但萜类化合物。单贴类化合物广泛分布于高等植物的腺体、油室和树脂道等分泌组织中，多数是挥发油中沸点较低部分的主要组成部分。单萜类的含氧衍生物（醇类、醛类、酮类）具有较强的香气和生物活性，是医药、食品和化妆品工业的重要原料，常用作芳香剂、防腐剂、矫味剂、消毒剂及皮肤刺激剂。如樟脑有局部刺激作用和防腐作用，斑蝥素可作为皮肤发赤、发泡剂，其半合成产物N-羟基斑蝥胺(N-hydroxycantharidimide)具有抗癌活性。2.倍半萜类倍半萜（sesquiterpenes）是指分子中含15个碳原子的天然萜类化合物。倍半萜类化合物分布较广，在木兰目（magnoliales）、芸香目（rutales）、山茱萸目（cornales）及菊目（asterales）植物中最丰富。在植物体内常以醇、酮、内酯等等形式存在于挥发油中，是挥发油中高沸点部分的主要组成部分。多具有较强的香气和生物活性，是医药、食品、化妆品工业的重要原料。倍半萜类化合物较多，无论从数目上还是从结构骨架的类型上看，都是萜类化合物中最多的一支。倍半萜化合物多按其结构的碳环数分类，例如无环型、单环型、双环型、三环型和四环型。亦有按环的大小分类，如五、六、七元环，直到十一元大环都有。如按倍半萜结构的含氧基分类，则便于认识它们的理化性质和生理活性，例如倍半萜醇、醛、内酯等。倍半萜化合物在植物中生物合成的前体物质是焦磷酸金合欢酯（FPP），FPP由焦磷酸香叶酯（GPP）或焦磷酸橙花酯（nerolpyrophosphate，NPP）和一分子焦磷酸异戊烯酯（IPP），经酶作用缩合衍生。3.二萜类二萜类(diterpenoids)是由4个异戊二烯单位构成、含20个碳原子的化合物类群。是高等植物的普遍成分，它们形成树脂，尤其是针叶树树脂中的主要部分。在树脂中，它们与苯基丙烷衍生物，如松醇一起存在，而松醇是木质素的基本成分。多数双萜烯都呈现有两个或三个环的环状结构。在无环的双萜烯中叶绿醇是最重要的组分，它是非常丰富的叶绿素分子的一部分。3.三萜类多数三萜类(teiterpenoids)化合物是一类基本母核由30个碳原子组成的萜类化合物，其结构根据异戊二烯规则可视为六个异戊二烯单位聚合而成，是一类重要的天然产物化学成分。三萜及其萜类化合物在植物中分布广泛，菌类、单子叶和双子叶植物、动物及其海洋生物中均有分布，尤以双子叶植物中分布最多。三萜主要来源于菊科、豆科、卫矛科、橄榄科、唇形科等植物。三萜类化合物结构复杂。这是由其生物合成途径的多样性决定的。目前已发现的三萜类化合物，多为四环三萜和五环三萜，少数为链状、单环、双环和三环三萜类化合物。常见的四环三萜类主要有羊毛脂甾烷型、大戟烷型、达玛烷型、葫芦素烷型、原萜烷型、楝烷型和环菠萝蜜烷型；五环三萜包括齐墩果烷型、乌苏烷型、羽扇豆醇型、木栓烷型、羊齿烷型、异羊齿烷型、何帕烷型和异何帕烷型等。三、萜类化合物的理化性质1、萜类化合物的物理性质（1）形态单萜和倍半萜类多为具有特殊香气的油状液体，在常温下可以挥发，或为低熔点的固体。可利用此沸点的规律性，采用分馏的方法将它们分离开来。二萜和二倍半萜多为结晶性固体。（2）味萜类化合物多具有苦味，有的味极苦，所以萜类化合物又称苦味素。但有的萜类化合物具有强的甜味，如具有对映-贝壳杉烷骨架（ent-kaurane）的二萜多糖苷—甜菊苷的甜味是蔗糖的300倍。（3）旋光性大多数萜类具有不对称碳原子，具有光学活性。（4）溶解度萜类化合物亲脂性强，易溶于醇及脂溶性有机溶剂，难溶于水。随着含氧功能团的增加或具有苷的萜类，则水溶性增加。具有内酯结构的萜类化合物能溶于碱水，酸化后，又自水中析出，此性质用于具内酯结构的萜类的分离与纯化。萜类化合物对高热、光和酸碱较为敏感,或氧化,或重排,引起结构的改变。在提取分离或氧化铝柱层析分离时，应慎重考虑。2、萜类化合物的化学性质1、加成反应含有双键和醛、酮等羰基的萜类化合物，可与某些试剂发生加成反应，其产物往往是结晶性的。这不但可供识别萜类化合物分子中不饱和键的存在和不饱和的程度，还可借助加成产物完好的晶型，用于萜类的分离与纯化。1.双键加成反应(1)与卤化氢加成反应：柠檬烯与氯化氢在冰醋酸中进行加成反应，反应完毕加入冰水即析出柠檬烯二氢氯化物的结晶固体。+2HClClCl柠檬烯柠檬烯二氢氯化物冰醋酸(2)与溴加成反应：萜类成分的双键在冰醋酸或乙醚与乙醇的混合溶液中与溴发生加成反应，在冰冷却下，滤取析出的结晶性加成物。BrBr+Br2(3)与亚硝酰氯(Tilden试剂)反应：先将不饱和的萜类化合物加入亚硝酸异戊酯中，冷却下加入浓盐酸，混合振摇，然后加入少量乙醇或冰醋酸即有结晶加成物析出。生成的氯化亚硝基衍生物多呈蓝色~绿色，可用于不饱和萜类成分的分离和鉴定。生成的氯化亚硝基衍生物还可进一步与伯胺或仲胺(常用六氢吡啶)缩合生成亚硝基胺类。后者具有一定的结晶形状和一定的物理常数，在鉴定萜类成分上颇有价值。H3CHCH2CH2CONOCH3+HClH3CHCH2CCH2OHH3C+ClNO亚硝酸异戊酯亚硝酰氯(4)顺丁烯二酸酐（Diels-Alder）加成反应：带有共轭双键的萜类化合物能与顺丁烯二酸酐产生Diels-Alder加成反应，生成结晶形加成产物，可借以证明共轭双键的存在。CCCCHCHCCOCCCCCHCHCCOCOOOO+2.羰基加成反应(1)与亚硫酸氢钠加成：含羰基的萜类化合物可与亚硫酸氢钠发生加成反应，生成结晶形加成物，加酸或加碱又可使其分解。此性质可用于分离。含双键和羰基的萜类化合物若反应时间过长或温度过高，可使双键发生加成，并形成不可逆的双键加成物。(2)与硝基苯肼加成：含羰基的萜类化合物可与对硝基苯肼或2,4-二硝基苯肼在磷酸中发生加成反应，生成对硝基苯肼或2,4-二硝基苯肼的加成物。(3)与吉拉德试剂加成：吉拉德(Girard)试剂是一类带有季铵基团的酰肼，常用的GirardT和GirardP,它们的结构式为：NH3CH2CCH3CH3OCHNNH2NH2COCHNNH2吉拉德试剂T吉拉德试剂P将吉拉德试剂的乙醇溶液加入含羰基的萜类化合物中，再加入10%醋酸促进反应，加热回流。反应完毕后加水稀释，分取水层，加酸酸化，再用乙醚萃取，蒸去乙醚后复得原羰基化合物。(二)氧化反应不同的氧化剂在不同的条件下，可以将萜类成分中各种基团氧化，生成各种不同的氧化产物。常用的氧化剂有臭氧、铬酐(三氧化铬)、四醋酸铅、高锰酸钾和二氧化硒等,其中以臭氧的应用最为广泛。臭氧氧化萜类化合物中的烯烃反应，可用来测定分子中双键的位置。OOOOOOOOOOCH3CCH3OCHOCHO+3O3[H]+2HCHO月桂烯丙酮铬酐几乎与所有可氧化的基团作用。用强碱型离子交换树脂与三氧化铬制得具有铬酸基的树脂，它与仲醇在适当溶剂中回流，则生成酮，产率高达73-98%，副产物少，产物极易分离、纯化。例如薄荷醇氧化成薄荷酮的反应如下：OHOCrO3/H薄荷醇薄荷酮高锰酸钾是常用的中强氧化剂，可使环断裂而氧化成羧酸。O薄荷酮KMnO4CH3CCH3OCOOHCOOH丙酮β-甲乙二酸+二氧化硒是具有特殊性能的氧化剂，它较专一地氧化羰基的α-甲基或亚甲基，以及碳碳双键旁的α-亚甲基。RH2CCCH3ORH2CCCHOOH2CCHCHHCCHCHCCHCHOOHSeO2SeO2(三)脱氢反应环萜的碳架经脱氢转变为芳香烃类衍生物。脱氢反应通常在惰性气体的保护下，用铂黑或钯做催化剂，将萜类成分与硫或硒共热(200~300oC)而实现脱氢。有时可能导致环的裂解或环合。OOHSe+薄荷酮(四)分子重排反应在萜类化合物中，特别是双环萜在发生加成、消除或亲核性取代反应时，常常发生碳架的改变，产生重排。目前工业上由α-蒎烯合成樟脑的过程，就是应用萜类化合物的重排反应，再氧化制得。三、萜类颜色反应萜类化合物产生颜色变化的具体作用原理还不清楚，主要是使羟基脱水，增加双键结构，再双键移位、双分子缩合等反应生成共轭双烯系统，又在酸作用下形成正碳离子而呈色。因此，全饱和的、3位无羟基的三萜在上述条件下呈阴性反应。分子结构中本身就具有共轭双键的化合物显色很快，孤立双键的显色较慢，常见的颜色反应如下：1、Liebermann-Burchard反应（醋酐-浓硫酸反应）将样品溶于醋酐，加入浓硫酸-乙醋酐（1：20）数滴，可产生黄→红→紫→蓝等颜色变化，最后褪色。2、Rosen-Heimer反应（三氯乙酸反应）此反应也