Bài giảng Hoá học các hợp chất thiên nhiên

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA HĨA VÀ MƠI TRƯỜNG BỘ MƠN KỸ THUẬT HĨA HỌC HỌC PHẦN: HĨA HỌC CÁC HỢP CHẤT THIÊN NHIÊN Hà Nội – 1/2020 GIÁO TRÌNH SỬ DỤNG, TÀI LIỆU THAM KHẢO Giáo trình: Trần Thu Hương, Phan Minh Giang, Hóa học hợp chất thiên nhiên, NXB Bách khoa Hà Nội, 2016 Các tài liệu tham khảo: [1] McMurry J and Simanek E, Fundamentals of Organic Chemistry, 7th edition Thomson Brooks Cole, 2010 Học: LÝ THUYẾT 30 TIẾT (GiẢNG 25T + TỰ HỌC 5T) Tài liệu: GIÁO TRÌNH HỌC TẬP VỞ GHI, GiẤY NHÁP MÁY TÍNH CÁ NHÂN Đánh giá: Kiểm tra kỳ: 01 (10%) Bài tập lớn nhà: 01 (10%) Chuyên cần, thái độ : Quá trình học (10%) Thi: Tự luận 90 phút Trọng số điểm thi: 70% 4NỘI DUNG HỌC PHẦN CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG - NHÓM CARBOHYDRAT CHƯƠNG 2: CÁC HỢP CHẤT TERPENOID CHƯƠNG 3: CÁC HỢP CHẤT STEROID Nội dung CHƯƠNG 4: CÁC HỢP CHẤT ALKALOID CHƯƠNG 5: CÁC AMINO ACID, PEPTID VÀ PROTEIN CHƯƠNG 6: CÁC HỢP CHẤT PHENOLIC CHUẨN ĐẦU RA CỦA HỌC PHẦN Kiến thức: + Trình bày khái niệm, phân bố đường sinh tổng hợp hợp chất thiên nhiên + Trình bày quy trình tiến hành nghiên cứu hợp chất thiên nhiên, thành phần, phân loại, cấu trúc, đặc điểm hóa học, hoạt tính sinh học tiêu biểu hợp chất phổ biến tự nhiên + Vận dụng kiến thức môn học để dự đốn hoạt tính, phân tích thành phần hoạt chất có mẫu dược liệu thực tế CHUẨN ĐẦU RA CỦA HỌC PHẦN Kỹ năng: + Có khả đọc hiểu tài liệu chun mơn có nội dung liên quan đến mơn học + Kỹ phán đoán thành phần hoạt chất mẫu dược liệu dựa vào giống, họ, loài, địa phương sinh trưởng + Kỹ sử dụng số phần mềm máy tính (word, chemdraw ) để làm tập lớn Phẩm chất đạo đức cá nhân, nghề nghiệp, xã hội + Rèn luyện tính tư độc lập, ham tìm hiểu, học hỏi + Có ý thức bảo vệ môi trường, bảo vệ thiên nhiên + Bồi dưỡng tình u ngành, u nghề Kỹ thuật Hóa học Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG - NHÓM CARBOHYDRAT 1.1 Mở đầu 1.2 Các carbohydrat 1.1 Mở đầu 1.1.1 Vài nét lịch sử đối tượng nghiên cứu 1.1.2 Sự phân bố hợp chất thiên nhiên (HCTN) 1.1.1 Vài nét lịch sử đối tượng nghiên cứu Tên hợp chất Năm phân lập Acid tartaric 1769 Acid lactic 1782 Base hữu - Morphin - Cafein, quinin - Nicotin 1805 1820 1828 Các loại chất màu hữu - Chlorophyl - Caroten 1818 1831 Các hợp chất thiên nhiên - Hợp chất terpen - Hợp chất hydrat cacbon - Hợp chất peptit - Hợp chất steroid 1825 1825 1900 1900 - Hóa học HCTN hình thành từ cuối kỷ XIX - Đối tượng nghiên cứu: lớp chất hóa học sinh vật Phân lập, nhận dạng, xác định đặc điểm Xác định cấu trúc Nhiệm vụ Tổng hợp hợp chất phân tử nhỏ Nghiên cứu hoạt tính sinh học 10 122 5.2 Cấu trúc amino acid 5.2.1 Phân loại gọi tên amino acid 5.2.2 Cấu hình amino acid 5.2 Cấu trúc amino acid + Trong 20 amino acid thường tìm thấy protein, 19 các123 amino acid chứa nhóm amino bậc + Amino acid đơn giản nhất, glycin H2CH2COOH, khơng có nhóm khác hydro không đối ảnh + Các C α amino acid khác tâm lập thể + Prolin imino aicd chứa nhóm amin bậc hai đưa vào vòng năm cạnh + Các amino acid phân biệt nhóm R (mạch nhánh) liên kết với cacbon α Các mạch nhánh cho protein đa dạng cấu trúc theo đa dạng chức chúng 5.2.1 Phân loại gọi tên amino acid Các amino acid thường gọi tên danh pháp thông thường 124 + Glycin (vị ngọt); Valin (5 C giống acid valeic); Asparagin (măng tây asparagus); Tyrosin (phân lập từ phomat) + Mỗi amino acid có tên gọi tắt gồm ký tự đầu tên gọi amino acid/tên gọi tắt gồm ký tự đầu; Các trường hợp ngoại lệ cho tên gọi ba ký tự Asn (asparagin) Gln (glutamin) để phân biệt chúng khỏi acid carboxylic gốc, Ile (isoleucin) để tránh sử dụng tên gọi Iso Trp (tryptophan) để tránh trùng hợp với từ tiếng Anh thường gặp Try + Các amino acid chia thành nhóm trung tính, base acid phụ thuộc vào cấu trúc mạch nhánh + Trong số 20 amino acid phổ biến, 15 amino acid có mạch nhánh trung tính, (lysin, arginin histidin) có nhóm amio base mạch nhánh (acid aspartic acid glutamic) có thêm nhóm chức acid carboxylic mạch nhánh Cả cystein (một thiol) tyrosin (một phenol) phân loại amino acid trung tính có mạch nhánh có tính acid chủ yếu bị tách proton dung dịch có tính base mạnh 5.2.1 Phân loại gọi tên amino acid Dựa cấu trúc amino acid chia thành nhóm: 1) Các 125 amino acid có mạch nhánh béo - glycin (Gly,G: (R=H), alanin (Ala, A: nhóm methyl), valin (Val, V: mạch nhánh isopropyl), leucin (Leu, L: mạch nhánh isobutyl), isoleucin (Ile, I: mạch nhánh sec-butyl) 2) Amino acid có mạch nhánh chứa nhóm alcohol serin (Ser, S: alanin nhóm OH) threonin (Thr, T: mạch nhánh nhóm ethanol phân nhánh) Cystein (Cys, C: alanin SH) methionin (Met, M: nhóm 2methylthioethyl 3) NHóm amino acid có chứa nhóm acid carboxylic aspartat (Asp, D: analin nhóm carboxyl) glutamat (Glu, E: > aspartat nhóm methylen) Nếu nhóm carboxyl proton hóa, chúng gọi acid aspartic acid glutamic Amino acid asparagin (Asn, N) glutamin (Gln, Q) amid 5.2.1 Phân loại gọi tên amino acid 4) Hai amino acid có chứa nhóm 126 nitơ base lysin (Lys, K: nhóm εamino) arginin (Arg, R: nhóm δguanidino) 5) Hai amino acid chứa vòng benzen phenylanalin (Phe, F: alanin nhóm phenyl) tyrosin (Tyr, Y: phenylalanin với nhóm phydroxy) 6) Prolin (Pro, P), histidin (His, H) trytophan (Trp, W) amino acid dị vịng Prolin có N đưa vào vòng năm cạnh - amino acid có chứa nhóm amin bậc hai Histidin alanin vòng imidazol Tryptophan alanin indol (hợp chất thơm) 127 Chương 6: CÁC HỢP CHẤT PHENOLIC 6.1 Các dạng cấu trúc phenolic 6.2 Sự xuất hợp chất phenolic thiên nhiên 6.3 Tổng hợp tồn phần phịng thí nghiệm 6.1 Các dạng cấu trúc phenolic 128 6.1.1 Các phenolic đơn giản 6.1.2 Các phenylpropanoid 6.1.3 Các coumarin 6.1.4 Các lignan 6.1.5 Các flavonoid 6.1.6 Các stiren 6.1.7 Các quinon 6.1.8 Các lignin 6.1.9 Các tannin 129 + Phenolic hợp chất thơm với nhóm hydroxy + Hợp chất gốc phenolic phenol, đa số có thiên nhiên polyphenol VD quercetin hợp chất flavonoid xuất phổ biến có nhóm hydroxy + Phần lớn có nguồn gốc thực vật + ~ 8.000 chất polyphenol thực vật, flavonoid nhóm lớn + Cấu trúc monome dime, polyme - lignin thành tế bào thực vật, pigmen metalin đen thực vật, tanmin thân gỗ + Cấu trúc phenolic có hợp chất chứa N (amino acid tyrosin); phenolic terpenoid Δ-1-Tetrahydrocannabinol (thành phần gây ảo giác nhựa gai dầu Cannabis sativa), dẫn xuất resorcinol monoterpen  Polyphenol thực vật quan trọng: tạo vị, mùi, màu thực phẩm, nước uống + Mùi 130và vị chè: chứa 30% khối lượng khô polyphenol + Vị đắng bia: dẫn xuất phloroglucinol, humulon + Màu đỏ rượu vang đỏ: anthocyanin (chất màu có cấu trúc malvin)  Trong thiên nhiên, hợp chất phenolic có vai trị sinh thái quan trọng bảo vệ thực vật khỏi loài động vật nhai lại  Là chất truyền tin hóa học; q trình cộng sinh thực vật nhiễm ký sinh trùng thực vật  Favonoid có tiềm bảo vệ sức khỏe người (chống oxi hóa, kháng khuẩn, kháng virus, dị ứng, đóng cục máu, viêm, ung thư); hấp thu flavonoid liên quan đến giảm triệu chứng bệnh tim mạch  Coumarin có đa hoạt tính: kháng HIV, chống viêm, tăng huyết áp, giảm đau, ngăn chặn bệnh hen khử trùng; chất chống đông tụ; lignan chất giống estrogen có khả liên kết vào thụ quan estrogen can thiệp vào xúc tiến ung thư mô vú, chất chống oxi hóa chống viêm  Quinon có hoạt tính cần thiết cho điều trị bệnh tim mạch, naphthoquinon vitamin K1 K2 gây đông máu, sử dụng điều trị chảy máu + Phenolic tạo thành từ chuyển hóa sơ cấp tế bào một/hai đường: 131 đường ahikimat carbohydrat đường polyketid acetyl malonyl coenzym A + Nhiều hợp chất có hai nhiều nhân phenolic (flavonoid có nguồn gốc sinh tổng hợp hỗn hợp, với vòng dẫn xuất từ shikimat vòng từ polyketid) + Nguồn gốc sinh tổng hợp xác định kiểu hydroxyl phenol tiếp theo, dựa vào thường xác định đường sinh tổng hợp + Các phenol dẫn xuất shikimat tạo thành từ acid cinnamic + Polyketid tạo thành phenol với nhóm hydroxy vị trí 1,3,5 vịng benzen, phloroglucinol + Các hợp chất phenolic liên kết với ghép cặp oxi hóa Sự oxi hóa xúc tác peroxidase alcohol conifeyl, tiền chất trung gian tổng hợp lignin → nhiều gốc tự do, hai số chúng dime hóa dễ dàng để tạo thành pinoresinol, lignan thiên nhiên Quá trình ghép cặp gốc tự phenylpropanoid bước cuối sinh tổng hợp lignin, polyme hóa ngẫu nhiên tạo thành chất cellulose thành tế bào thực vật 6.1.1 Các chất phenolic đơn giản + Gồm phenol đơn giản: phenol phenol (catechol (1,2dihydroxybenzen), phloroglucinol (1,3,5-trihydroxybenzen) 132 + Sau phenol đơn giản có lớp nhỏ với mạch nhánh có (acid phenolic C6-C1), hai (acid phenylacetic acetophenon C6-C2) ba nhóm cacbon (acid hydroxycinnamic C6-C3) (acid salicylic, acid phydroxyphenylacetic, 2-hydroxyacetophenon acid caffeic, thành phần phổ biến tế bào thực vật bậc cao 6.1.2 Các phenylpropaniod 133 hydroxycinnamic + Acid số vài lớp chất C6-C3 (phenylpropanoid) Phenylpropanoid có mạch C liên kết vào vòng thơm + Các phenylpropanoid phổ biến aicd cinnamic acid hydroxycinnamic acid p-coumaric, acid caffeic, acid ferulic, acid 5hydroxyferulic acid sinapic 6.1.3 Các coumarin: nhóm dẫn xuất 1-benzopyran + Sự lacton hóa đóng vịng acid hydroxycinnamic tạo thành coumarin, ví dụ aesculetin tạo thành đóng vịng acid o-hydroxycaffeic 6.1.3 Các coumarin + Coumarin chia thành nhóm 134 (các khung coumarin đánh dấu liên kết đậm) 1) Coumarin đơn giản: coumarin có khung C6-C3 với dị vòng chứa oxy phần C3, (schinicoumarin) 2) Furanocoumarin: coumarin có hệ vịng furan ngưng tụ với hệ vòng phenyl coumarin, VD glaumacidin A 3) Pyranocoumarin: coumarin vòng pyran ngưng tụ với hệ vòng phenyl coumarin (lunamarin A) 4) Coumarin dime trime: coumarin tạo thành từ ghép cặp đơn vị coumarin (khelmarin-D triumbelletin) 5) Isocoumarin: isocoumarin có nhóm oxy carbonyl đổi chỗ cho dị vòng (achlisocoumarin III) 6.1.4 Các lignan + Lignan dime đơn vị phenylpropanoid C6-C3 từ acid cinnamic 135 podophyllotoxin (từ rễ Podophyllum peltatum) bán + Lignan tổng hợp thành thuốc sử dụng lâm sàng để điều trị số bệnh ung thư Các lignan đặc trưng vị trí liên kết dime hai đơn vị C6-C3 1) Lignan: lignan có đơn vị C6-C3 nối liên kết vị trí C-8 C-8’ (8-8’ β-β’) (sauriol A) 2) Neolignan: lignan với đơn vị C6-C3 nối liên kết hóa học khác C8 C-8’ (methylrocaglat) 3) Norlignan: lignan chứa đơn vị phenylpropanoid bị một/C đơn vị (aglacin H) 4) Lignan oligome: lignan chứa 3, nhiều đơn vị phenylpropanoid (morinol A diarctigenin) 6.1.5 Các flavonoid + Các flavinoid nhóm chất dựa khung 15 cacbon C6-C3-C6 gồm vòng chroman gắn vòng thơm vị trí C-2, C-3 C-4 136 + Các flavonoid sinh tổng hợp từ tiền chất phenylpropanoid (acid p-hydroxycinnamic) liên kết với mạch polyketid từ đơn vị malonyl coenzyme A + Các flavonoid phân loại theo mức oxi hóa vịng pyran trung tâm thành flavon (apigenin), flavonol (quercetin), flavanon (naringenin), flavanonol (kushenol H), isoflavon (genistein), isoflavanon (calycosin), chalcon (butein), dihydrochalcon (nothofagin), catechin (catechin), anthocyanin (malvin), xanthon (mangiferin) auron (sulfuretin)