植物化学(第三版)

上篇 总论 **章 绪论 我国是世界上植物资源*丰富的国家之一，高等植物约有3万种，药用植物有11000多种，其资源利用的悠久历史和丰富经验及复方的独*功效为世界罕见。如此巨大的资源宝库亟待进一步挖掘、整理和提高，以便为植物药、功能食品、功能化妆品的开发提供丰富多样的物质基础。 **节 植物化学的研究与发展概况 一、植物化学的研究内容与任务 “植物化学”是植物学与有机化学相结合而形成的一门交叉学科，它是天然有机化学的重要组成部分，是植物资源合理利用的基础，是与植物学等学科密切相关的学科。该学科运用有机化学的知识与方法，对植物的化学成分，主要是具有生理活性的植物次生代谢产物进行提取分离、结构鉴定、化学合成与结构改造，揭示植物次生代谢产物的生物合成、分布、功能与用途。 目前植物化学研究范围在不断扩大，Phytochemistry杂志将现代植物化学分为四大类：①植物化学；②植物生物化学；③植物分子生物学；④化学生态学。围绕植物化学成分的多学科进一步交叉已经成为植物化学研究的新生长点。其他收录植物化学研究的国际期刊还有 Journal of Natural Products、Planta Medica、Angewandte Chemie International Edition、Organic Letters等，以及综述方面的著名国际期刊 Chemical Reviews、Natural Product Reports等。 从植物药和植物杀虫药中发现生物活性成分进而发现药用先导化合物（lead compound），即生物活性显著且分子结构骨架新颖的有机化合物，是植物化学发展的主流（图1-1）。 图1-1 基于生物活性的植物化学研究体系 许多植物化学成分作为药品一直沿用至今，其中有些化合物在相当长的一个历史时期内还难以用合成药物代替，如青蒿素（artemisinin）、紫杉醇（taxol）、喜树碱（camptothecine）、长春碱（vinblastine）、鬼臼毒素（podophyllotoxin）等。有些生物活性天然产物则是现代合成药物的先导化合物。这方面具有代表性的成功例子很多，如以青蒿素为先导化合物开发的蒿甲醚（图1-2）、以鬼臼毒素开发的抗癌药物依托泊苷（VP-16，etoposide）（图1-3），以及以神经钠离子通道为作用靶标的除虫菊素的研究，以除虫菊素Ⅰ（pyrethrinⅠ）为先导化合物，然后通过合成和结构优化，开发出一代高效拟除虫菊酯（如溴氰菊酯）类杀虫剂（图1-4）。 图1-2 以青蒿素为先导化合物开发的蒿甲醚 图1-3 鬼臼毒素化学合成为依托泊苷 图1-4 基于除虫菊素Ⅰ的结构优化发现溴氰菊酯 改革开放30多年来，特别是近10余年，我国植物化学发展迅速，已成为在药学及化学领域中与国外学者交往*为频繁、学术交流*为活跃、人才队伍较多的一个分支学科。其研究水平和产出均跻身世界前列，与欧美和日本等国大致处于同一发展水平，并在某些领域处于引领地位，是国际天然产物尤其是植物化学研究的重要力量。 尽管如此，我国植物化学还应加强以下三方面的研究：①基于生物活性的新颖植物化学成分研究；②利用资源优势建设有我国特色的植物化学学科方向；③密切与其他相关学科渗透交叉，外延植物化学的研究范围。此外，其研究领域不应局限于植物药，要同时进行新天然农药、特殊油脂、特殊精油、营养健康食品和保健化妆品等的研究，并注意与植物相关学科如化学生态学、分类学、系统学等交叉，这对于促进我国植物化学的发展无疑是至关重要的。 二、植物化学发展简史及新中国成立后我国植物化学的发展与成就 我国是*早进行植物化学成分纯化与应用的国家之一，有“医药化学源于中国”之说，明代李梃（1575）的《医学入门》中记载了用发酵法从五倍子中得到没食子酸的过程，“五倍子粗粉，并砚、曲和匀，如作酒曲样，入瓷器遮不见风，候生白取出”；《本草纲目》卷39中则有“看药上长起长霜，药则已成灾”的记载，这里的“生白”“长霜”均指没食子酸，其是世界上*早被纯化和应用的有机酸。樟脑的记载*早见于1170年洪遵著的《洪氏集验方》一书，后由马可波罗传至西方，欧洲直至18世纪下半叶才得到樟脑纯品。 19世纪初至中期，人们的化学知识已有相当积累。当时主要是利用化学方法提取天然药物中的有效成分，如吗啡、可卡因、士的宁、奎宁、阿托品等，供临床应用。 我国当代植物化学研究始于20世纪20年代末，由赵承嘏开创，先后有庄长恭、黄鸣龙、朱任宏、高怡生、曾广方、朱子清等有机化学家投身于中草药化学成分的研究。赵承嘏、曾广方两位科学家先后对麻黄、延胡索、防己、贝母、钩吻、常山等30多种中草药进行了以生物碱为主的化学成分研究，黄鸣龙完成了其中延胡索乙素的结构鉴定，这是我国植物化学首例结构鉴定成果。曾广方是一位生药学家兼化学家，他首先对中药芫花中芫花素的结构进行了表征和化学全合成，其中的化学全合成在当时被公认是一项出色的研究工作。庄长恭与高怡生等曾对汉防己新生物碱——防己诺林碱进行了结构研究，并初步证明其为脱甲基汉防己碱，但脱甲基的位置直到20世纪50年代初才得以确认。值得提及的是，庄长恭先生不仅是我国有机化学研究的先驱者，更是合成和天然有机微量分析的奠基人。朱子清先生在马钱子碱、钩吻素、贝母素等植物生物碱的研究方面有突出贡献。 20世纪50年代以前以经典方法分离到数千种植物成分，并以化学降解和合成确定其结构。众所周知，那时植物成分的经典化学结构类型已能基本确定并得以合理分类；生源学说也开始初步形成，如萜类的异戊二烯理论、甾体的乙酸理论、生物碱的氨基酸理论等。更由于维生素的发现，甾体在医药工业上的应用，多种生物碱如吗啡、喹啉的应用，以及多种有实际应用的植物成分，赋予植物化学以新的生命力。 20世纪50年代以后，随着现代仪器分析新技术和新方法的开发应用，植物化学成分的分离纯化和结构鉴定得以长足发展。其特点之一就是人们开始对成分绝对构型确定的重视，大部分有意义的新结构都实现了全合成，使立体结构得到了确证。另一特点是植物学家、生物学家开始重视将化学手段用于植物分类、植物生理及生化研究，从而使植物化学逐渐形成了自己的学科特色并开始了与其他学科如有机合成化学、植物分类、植物生理、合成生物学等学科的交叉融合。 在应用方面，化学成分的药理活性普遍受到重视。特别是近年来，对治疗肿瘤、心血管疾病、艾滋病等药物的探索，以及从这些生理活性物质的结构出发，为人工合成类似物开辟了道路。例如，利血平、宫血宁、长春碱类、三尖杉碱类、喜树碱类和美登木素类等植物化学成分的研发。 新中国成立60多年来，我国在植物化学研究和开发方面取得了显著的成就，涉足药学、农药学、功能食品、特殊医学用途食品、化妆品等诸多领域，下面仅就其主要代表性成果进行简要介绍。 20世纪70年代，青蒿素及其高效抗疟功效的发现，是人类抗疟之路的一个新的里程碑，为人类做出了巨大的贡献，挽救了数百万人的生命。青蒿素的发现与应用是以屠呦呦为代表的中国诸多科学家集体智慧的结晶。2015年10月5日，青蒿素主要发现人屠呦呦获得2015年诺贝尔生理学或医学奖。这个奖项的获得使人们再一次认识到以植物为主的中药是“尚未充分开发的宝库”。其诺贝尔奖演讲题目为 Artemisinin—A Gift from Traditional Chinese Medicine to the World（Nobel Lecture）。 孙汉董等系统研究了唇形科香茶菜属植物对映 -贝壳杉烷类二萜化合物，为该属植物二萜类化合物生物活性研究奠定了坚实的物质基础。丹参的抗菌消炎活性成分（二萜醌类）和穿心莲抗炎活性成分（二萜内酯）曾吸引了国内许多植物化学家参与研究。国内科学家曾对瑞香科和大戟科二萜原酸酯的抗癌和引产活性成分进行了广泛研究。而且还系统开展了对产抗癌活性成分紫杉醇及其衍生物的红豆杉资源的调查和研究，并发现系列新紫杉醇衍生物。土荆皮的抗菌成分土荆皮酸（pseudolaric acid）是一类具有新奇结构的二萜酸。二萜生物碱的新结构研究始于1979年，其后北京、上海、昆明、成都等地开展了深入的化学和应用研究，有些已开发成镇痛药，有些正研制成抗心律失常药。国内科学家对卫矛科植物中具有杀虫活性和昆虫拒食作用的倍半萜也有较多研究，同时还研究了唇形科的二萜成分及杀虫活性。楝科植物驱虫成分川楝素（toosendanin）是一类研究较早的三萜类化合物。三七皂苷的结构表征是国内配糖体（或称苷）领域里的*早研究工作，由此我国科学家开始了广泛的糖苷化学研究，特别是五加科达玛烷型皂苷和毛茛科齐墩果烷型皂苷等的研究。 新中国成立后，为满足我国甾体药物的需要，国内进行了大量的薯蓣资源植物化学研究，尤以盾叶薯蓣为*佳原料，发现了澳州茄碱（solasodine）、薯蓣皂苷元（diosgenin）、海柯皂苷元（hecogenin）、替告皂苷元（tigogenin）等。C27甾体皂苷的深入化学研究有重楼等百合科植物，其中重楼的偏诺皂苷元（pennogenin）苷已研制成妇科用药，还有从薯蓣科的黄山药和蒺藜科的蒺藜中都成功研制出以呋甾苷为主成分的治疗心血管的药物。在C21甾体苷方面，主要集中于萝藦科多种植物的化学研究，发现了几个新奇C21甾体苷和应用于治疗癫痫的青阳参。在黄杨科甾体生物碱方面也有较多发现，特别是在化学上证明了甾体 A环有船式构象的存在。在蜕皮激素资源植物寻找方面发现了高含量β-蜕皮激素的植物露水草，使我国成为国际上工业生产蜕皮激素的唯一国家。 从唐古特莨菪中分离出了治疗休克的山莨菪碱（anisodamine）和樟柳碱（anisodine）。同时，在丁公藤中发现了另一类治疗青光眼的丁公藤碱Ⅱ（erycibe alkaloid Ⅱ）。到了20世纪60年代初，发现了降压药利血平（reserpine）的理想国产资源萝芙木，并应用至今。在抗癌药长春花生物碱的生产工艺方面经改进后应用于生产。我国首先自主研制成功了治疗慢性粒细胞白血病的药物靛玉红（indirubin），并对靛玉红进行化学修饰找到了疗效更好、毒性较小的新抗癌药异靛甲。从胡椒中分离出的胡椒碱（piperine），经结构改造得到具有抗癫痫作用的抗痫灵。在异喹啉生物碱研究方面，目前应用*广泛的是抗菌药黄连素（berberine，也称为小檗碱）、镇痛药罗通定（L-rotundine）。在单萜吲哚生物碱的新颖结构及药理活性方面取得重要进展。发现了石蒜生物碱加兰他敏（galanthamine）的新资源，用于治疗阿尔茨海默病。对喜树碱、美登木素（maytansine）、三尖杉碱（harringtonine）、长春新碱（vincristine）及其同系物等抗癌药物，国内进行了包括合成在内的大量研究，后三者已应用于临床。 20世纪80年代，从中药千层塔中发现了一种新奇的乙酰胆碱酯酶抑制剂石杉碱甲（huperzine A），已经用于治疗记忆障碍；现在一种石杉碱甲衍生物已在欧美开展临床试验，用于治疗阿尔茨海默病。从番荔枝科植物中提取的番荔枝内酯（annonaceous acetogenin）具有杀虫、杀寄生虫和抑制肿瘤细胞生长等作用，在抗癌机制方面已经取得了一些进展。 20世纪90年代以后，中国科学院（简称“中科院”）昆明植物研究所周俊开始了植物环肽的研究，已有较多新发现，植物环肽作为石竹科的特征成分已经得到了国内外学术界的认可，周俊等在该领域做出了一些开拓性研究工作。此外，孙汉董对 24种五味子科药用植物的化学成分和生物活性进行了系统研究，将结构新颖、复杂、高氧化度的三萜化合物称为“五味子降三萜”（schinortriterpenoids）。 木脂素方面突出的研究工作是五味子中的木脂素，其具有降低血