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[资源] 三萜及其皂苷的结构研究

三萜及其皂苷的结构研究
三萜及其皂苷是天然药物中的一类重要的化学成分,具有很强的药理活性.由于色谱等分离手段、波谱等结构测定技术的迅速发展，越来越多的三萜及其皂苷类化合物分离和鉴定，具有生物活性的该类化合物也不断被发现。
这些有机化合物结构复杂，种类繁多，用途广泛，含量往往较低，并与许多其他化学成分共存。其提取分析和结构鉴定是一项非常烦琐而艰巨的工作。过去，一个天然化合物经过提取分离和纯化，到确定结构需要很长的时间。如吗啡，从1804-1806年开始发现，到1925年确定其结构，1952年人工合成，总共花了约150年时间。在用量方面，，以往需要用化学方法进行降解，或做适当衍生进行比较才有可能确定，一般需要至少几百毫克甚至几克的纯物质。现在，由于科学技术的飞速发展，尤其是核磁共振（NMR）、质谱（MS）、X射线单晶衍射在设备、性能及测试技术方面的巨大进步，以及计算机的广泛应用，结构测定所需要的样品数量已大幅度下降，几十毫克甚至十几毫克就能完成测定工作。
有机化学家通常把UV（紫外光谱）、IR（红外光谱）、NMR(核磁共振谱)以及MS (质谱)称为四大谱。综合四种波谱方法可以对有机化合物的结构进行鉴定和分析。实际上这四种方法在结构分析中所起的作用并非同等重要。通常，利用IR确定含有哪些官能团；NMR确定质子的种类、数目及排列顺序；MS可确定分子的局部结构及全部结构；在这些分析的基础上再利用紫外光谱确定分子是否含有不饱和键，特别是处于共轭基团的分子，紫外光谱才呈现出它的特性。
三萜皂苷由三萜皂苷元与糖或糖醛酸组成。糖的组成主要有葡萄糖、半乳糖、鼠李糖、阿拉伯糖、以及其它戊糖类。常见的糖醛酸主要有葡萄糖醛酸及半乳糖醛酸等。苷元主要包括四环三萜（如人参皂苷）及五环三萜（如甘草皂苷）。
尽管三萜皂苷的结构解析较为繁琐，但还是有其规律可循。可从下几个方面加以考虑：
1）分子量及分子式的确定；
2）母核类型、糖基个数、种类及苷化位置；
3）糖基连接位置及顺序；
4）苷键的构型；
最常用的方法就是红外光谱、质谱及核磁共振谱。紫外光谱较少用（三萜皂苷不饱和键少）。
此外，化学方法在确定皂苷的结构时也具有不可替代的作用。如苷元结构的确定也可采用脱水、氧化、还原、甲基或双键转位、乙酰化、甲酯化等化学反应将未知苷元结构转变为已知化合物，然后将其IR、mp.、Rf或其它光谱数据与已知物数据对照的方法推测其结构。也可采用半合成或全合成方法制备相应的合成产物以确证天然产物的结构。
一、UV和IR
（一）UV用于判断齐墩果烷三萜类化合物双键类型：
一个双键，205~250nm有微弱吸收
α,β-不饱和羰基（-C=C-C=O），最大吸收242~250nm
C18-βH（D/E cis），248~249nm
C18-αH（D/E trans），242~243nm
异环共轭双键，最大吸收在240，250，260nm
同环共轭双键，最大吸收在285nm
（二）IR用于区别骨架类型
                        A(1355~1392cm-1)          B(1245~1330cm-1)
      齐墩果烷型          2个峰                   3个峰
      乌苏烷型          3个峰                   3个峰
      四环三萜类          1个峰                   1个峰
二、MS
质谱可用于确定分子量及求算分子式。此外，还可由分子离子丢失的离子碎片的m/z推定或复核分子的部分结构。
EI-MS只能测到皂苷的碎片峰，故应用较少。
FD-MS、FAB-MS、ESI-MS在皂苷的解析过程中常被使用。这些质谱均可看到明显的分子离子峰(或[M+H]+、[M+Na]+ 等伪分子离子峰)及依次失去糖碎片的离子峰；FAB-MS和ESI-MS还可以给出相应的阴离子质谱。
对于新化合物可结合元素分析或HI-MS确定分子式。
五环三萜类的共同规律：有环内双键，RDA开裂；无环内双键，从C环断裂；有时RDA和C环开裂同时发生。
1. 饱和三萜化合物

2. 不饱和三萜化合物

（a）是三萜烯的特征碎片。C-17为-COOH、-COOMe、内酯时，（a）易失去上述基团生成（c），（c）强度稍大于或等于（a）；C-17为CH2OAc时，（c）大于（a）。C-17为-CH3时，（c）是（a）的三分之一
当C-11位氧代的Δ12的结构时，除RDA开裂外，还有麦氏重排：
重排必须具备的条件：
      ①适当位置的杂原子（如：O）
      ②π-体系（通常一个双键）
      ③可除去的氢（对C=O体系的γ位）
三、1H-NMR
甲基质子、与氧同碳质子、双键上烯氢质子、糖的端基质子等。
1）甲基质子：δ0.625~1.500 ppm
         最高场甲基（26-CH3）
                  δ<0.775ppm（28-COOCH3）
                  δ>0.775ppm（28-CH2OH、CH3或内酯）
         最低场甲基
                     δ1.13~1.15ppm（27-CH3）其它小于1.0ppm
2）烯氢信号：判断双键取代情况：
环内双键 δH>5 ppm
环外双键 δH<5 ppm
3）氧取代的氢信号：判断构型
C3-Oac：
               3-αH δ4.00~4.75ppm
               3-βH δ5.00~5.48ppm
C4-CH2OAc
               24-H δ4.08~4.30ppm  dd
               23-H δ3.77~3.80ppm  dd
若C-16位连有羟基则27位甲基质子信号由于去屏蔽效应向低场位移，出现在1.70-1.90 之间；16位氢信号则在5.0-5.50 处出现一单峰，H-3及H-18信号通常在3.22-3.88 之间呈dd峰。

观察氢谱中δ4.70-6.33 范围内端基质子及碳谱中δ95-110 端基碳的个数，可以确定糖的个数。糖的端基质子多数呈特征性的双峰，少数呈单峰。

四、13C-NMR
用于判断结构类型、某些取代基位置及构型

13C-NMR由低场向高场可以分为七个区域：
1、羰基碳区：大于163
2、烯碳区：110~160，区别苷元类型
3、端基碳区：95~110，糖的个数及类型
4、结合碳区：80~95（糖与苷元，糖与糖）
5、游离羟基碳区：65~80（苷元羟基，糖上羟基）
6、 C6碳区：60~65
7、苷元区：0~60
（1）  terpene（苷元）区，0～60ppm
季碳数目
      齐墩果烷型 6个季碳δ30~42ppm
      乌苏烷型和羽扇豆型 5个季碳δ30~42ppm
      羽扇豆有异丙烯基信号  δ19.3(q), 109.2(t), 150.6(s)
甲基信号：

齐墩果烷8个甲基δ8.9~33.7ppm
   低场：23-αCH3 δ27.8~28.7ppm
         29-αCH3 δ32.7~33.7ppm
判定C20和C4位取代基构型：
30-βCH3氧取代时， 29-αCH3δ32.7~33.7 → δ27.9~29.7ppm，最低场甲基信号。29-αCH3氧取代时, 30βCH3δ23.6→δ20；23-αCH3氧取代时， 24-βCH3δ15.6→ δ8.9~13.7 ppm,  最高场甲基信号。
(2) 糖C5-CH2O—区（60~65ppm）
三萜皂苷如分子中含有6碳糖如葡萄糖或甘露糖时，在糖分子中的C5CH2OH，C6位数目可辨认，有几个峰就有几个未被取代的糖，如果6位被取代时-CH2O-R则向低场位移至67～69ppm。
（3）游离-OH区（65~80ppm）
此区为苷元上的羟基C和糖上未被取代的游离OH碳。通常母核上连有羟基时，α碳向低场位移约34-50，β碳向低场位移约  2-10，γ碳则向高场位移约0-9。
如23位甲基连有羟基时，碳信号向低场位移至约64.0处，24位甲基则向高场位移约13.0；16位连有α羟基时，C-16信号低场位移至74.7，C-15及C-17分别向低场位移约8.2、2.1；连有β羟基时，C-16信号向低场位移至68.0，其余碳信号与α羟基取代时相近，据此可推断母核上的羟基取代。

对于母核上取代基的构型还可以通过NOESY谱解决，通常甲基上质子与空间上相近的质子有较强的相关峰。如从头序楤木中分离得到的以16-羟基齐墩果酸为苷元的皂苷中，在NOESY谱中，可观测到16-H与27-CH3和29-CH3的相关峰。因此推测16位羟基为β羟基。
（4）结合C区（80～95ppm）
查看结合C区，若δppm＞84，则苷元C3OH一般接有糖，而且糖与糖如果为1-3相连的（G1c-G1c），一般在结合碳区则有峰。
（5） anomeric 区（95～110）
①联糖数目的确定
   主要查看anomeric区有几条线或几个碳就连有几个糖。
②联糖的种类的确定
a.葡萄糖：可以查看60～65 区域C数目辨认。
b.Ara(f):108~109.8ppm；Ara(p): 104.5~104.9ppm
c. xyl : 104～106
d. Rham  101.6
e. GlcA：106左右
f.Glc：105左右，成酯苷95左右(如齐墩果酸28-葡萄糖苷）。
③糖与苷元连接位置的确定
主要根据苷化位移规律，再查看结合C区（80~95）ppm＞84，  C3-OH一定接糖；目前二维核磁共振技术（COSY、HMQC、HMBC、TOCSY等）在皂苷结构研究中具有非常重要的作用，通过观察各个信号之间的远程相关，可以找到结构联系的重要信息。
④糖与糖的连接式样（例葡萄双糖的位移效应）
（6）烯碳区（120~163nnm）
根据烯碳区，再结合三萜苷元区（0～60ppm），可以区别三萜皂苷的类型如下

五、2DMNR
目前二维核磁共振技术（COSY、HMQC、HMBC、TOCSY等）在皂苷结构研究中具有非常重要的作用，通过观察各个信号之间的远程相关，可以找到结构联系的重要信息。如COSY谱可以归属相邻H信号，TOCSY谱可以将自旋系统内一组H信号明确地归属；再借助QC谱可以将与之相对应的C信号加以归属；HMBC 谱对于判定成苷位置具有重要意义。

主要参考文献：
1、分析化学手册（第五分册），化学工业出版社；
2、有机化合物提取分离和结构鉴定，汪茂田等，化学工业出版社；
3、天然药物化学（第四版），吴立军，人民卫生出版社；
4、有机化合物结构分析与鉴定，冯金城，国防工业出版社；
5、 Triterpenoid saponins from Mitragyna rotundifolia，Wenyi Kang, Xiaojiang Hao Biochemical Systematics and Ecology 34 (2006) 585e587
6、Anti-androgenic activities of the triterpenoids fraction of Ganoderma lucidum，Jie Liu，Food Chemistry xxx (2006) xxx–xxx
7、Quantitative determination of six major triterpenoids in Ganoderma lucidum and related species by high performance liquid chromatography，Xiao-Ming Wang，Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis 41 (2006) 838–844

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