bài giảng hóa học các hợp chất thiên nhiên

BÀI GIẢNG HÓA HỌC CÁC HỢP CHẤT THIÊN NHIÊN Đối tượng: CN Hóa học GVGD: ThS. Phạm Thế Chính Bộ môn Hóa hữu cơ – Khoa Hóa học – ĐH Khoa học – ĐH Thái Nguyên NỘI DUNG Chương 1: Phương pháp nghiên cứu Chương 2: Cacbohidrat Chương 3: Tecpenoit Chương 4: Steorit Chương 5: Flavonoit Chương 5: Flavonoit Chương 6: Ancaloit CHƯƠNG 1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.1

BÀI GIẢNG

HÓA HỌC CÁC HỢP CHẤT THIÊN NHIÊN

Đối tượng: CN Hóa học

GVGD: ThS Phạm Thế Chính

Bộ môn Hóa hữu cơ – Khoa Hóa học – ĐH Khoa học –

ĐH Thái Nguyên

CHƯƠNG 1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.1 Lịch sử và đối tượng nghiên cứu

1.2 Phân loại các hợp chất thiên nhiên

1.3 Sinh tổng hợp các hợp chất thiên nhiên

1.4 Qui trình nghiên cứu các hợp chất thiên nhiên

1.1 Lịch sử và đối tượng nghiên cứu

- Hóa học các hợp chất thiên nhiên hình thành từ cuối thế kỷ XIX

- Đối tượng nghiên cứu các lớp chất hóa học của sinh vật

Phân lập, nhận dạng, định đặc điểm

-Nhiệm vụ

Xác định cấu trúcTổng hợp các hợp chất phân tử nhỏNghiên cứu hoạt tính sinh học

Nghiên cứu chuyên sâu

1.2 Phân loại các hợp chất thiên nhiên

Phân loại

Hợp chất sơ cấp Phân loại

Hợp chất thứ cấp

1.3 Sinh tổng hợp các hợp chất thiên nhiên

CO2 + H2O

quang hîp Cacbohi®rat

COOH

OH OH HO

shikimic OH

COOH O

CH2COOH chorismic

Tanin

amino axit th¬m

axit nucleic

Purines

amino axit

N2chu tr×nh axit citric

axit th¬m

1.4 Qui trình nghiên cứu các hợp chất thiên nhiên

CHƯƠNG 2 CACBOHIDRAT

2.1 Đại cương về cacbohidrat 2.2 Monosaccarit

2.3 Oligosaccarit

2.4 Polysaccarit

2.1 Đại cương về cacbohidrat

Khái niệm: Cacbohidrat hay còn gọi là saccarit,

gluxit, là các hợp chất hữu cơ không màu, ít nhiều

có vị ngọt, dễ tan trong nước, dễ kết tinh, được tìm thấy trong thực vật, động vật, đa số có công thức chung Cn(H2O)m.

chung Cn(H2O)m.

Ngoài ra theo nghĩa rộng cacbohidrat có cả N,

S và không phải đều có vị ngọt.

Tên gọi các đường riêng biệt kết thúc bằng đuôi ozơ (ose)

Phân loại: dựa theo thành phần và tính chất của

cacbohidrat

Cacbohidrat

Cacbohidrat đơn giản hay

monoscarit (không thể thủy phân được).

VD: glucozơ, ribozơ, fructozơ

Cacbohidrat phức

tạp khi thủy phân

hoàn toàn cho các

-Chức năng:

+ Làm nhiên liệu cung

cấp tới 60% năng lượng cho cơthể sống

+ Làm khung cấu trúc và

vỏ bảo vệ, thường có mặt ở cácvách tế bào vi khuẩn và thực vậtcũng như ở mô nối và vỏ bảo vệđộng vật

+ Liên kết với protein vàlipit màng, đóng vai trò làmphương tiện vận chuyển tín hiệugiữa các tế bào

2.2 Monosaccarit

2.2.1 Phân loại

-Định nghĩa: Monosaccarit là hợp chất polyhidroxicacbonyl,

phân tử có nhiều nhóm –OH ở các nguyên tử cacbon kề nhau.VD: glucozơ, fructozơ, ribozơ…

CH OH

CH OH

OH

CH OH

CH OH

CH OH

C CH2OH O

CH2OH

CH OH

CH OH

CH OH

CH OH

CH OH

OH

CH OH

CH OH

CH OH

C CH2OH O

-Phân loại

Monosaccarit

-Dựa theo nhóm C=O:

+ C=O là andehit: andozơ

+ C=O là xeton: Xetozơ

- Dựa theo số nguyên tử C: + 2C (biozơ), 3C (triozơ), 4C (tetrozơ) 5C (pentozơ), + C=O là xeton: Xetozơ 4C (tetrozơ) 5C (pentozơ),

CH OH

CH OH

OH

CH OH

CH OH

CH OH

C CH2OH O

2.2.2 Cấu hình của monosaccarit

VD: Biểu diễn phân tử glucozơ bằng công thức chiếuFisher

Nhóm nguyên tử

cacbon có số oxi

hóa cao

Nguyên tử cacbon bất đối C *

b, Cấu hình tương đối D,L

- Để xác định cấu hình tương đối D,L của các monosaccarit

người ta xét cấu hình của nguyên tử cacbon chiral (C*) nằm

xa nhóm cacbonyl nhất (C4 ở pentozơ, C5 ở hexozơ) Sau đó

so sánh với cấu hình của C* trong phân tử glyxerandehit

+ Có cấu hình D khi OH nằm ở bên phải của côngthức chiếu Fisher

+ Có cấu hình L khi OH nằm ở bên trái của công thứcchiếu Fisher

- Đồng phân D và L là một cặp đối quang, nên đồng phân D

là ảnh của đồng phân L qua gương và ngược lại

- Đồng phân epimer là các monosaccarit chỉ khác nhau về cấu

hình của nguyên tử cacbon số 2 (C2)

-OH bên phải -OH bên trái

Ví dụ về các cặp đồng phân epimer của các pentozơ

Cấu hình của C2 khác nhau

Cặp đồng phân epimer

Các cặp epimer của hexozơ

Cặp đồng phân epimer

- Cấu hình tuyệt đối R,S của monosaccarit được xác

định theo hệ thống danh pháp của Can, Ingol và Preloc,nghĩa là độ phân cấp của các nhóm thế

2.2.3 Cấu trúc vòng của monosaccarit

- Monosaccarit không tham gia được hết các phản ứng đặctrưng cho nhóm cacbonyl Điều này đã được Tollens giảithích dựa trên phản ứng của nhóm cacbonyl với nhómhidroxy trong môi trường axit tạo ra hemiaxetal (I) vàaxetal (II)

R'OH (H+)

H OR' OR' (II)

- Trong trường hợp andohexozơ, sự kết hợp của OH ở C5 tạo

ra vòng 6 cạnh có tên là pyranozơ, OH ở C4 cho vòng 5 cạnh gọi là furanozơ.

- C1 (andozơ), C2 (xetozơ) gọi là C-anome nên HO-C1 (C2) gọi là OH-anome.

- Với dãy đồng phân D:

+ OH-anome nằm bên phải của công thức gọi là

H OH

β-D-glucofuranozơ

OH H

1 2

3 4

5 6

H O

3 4 5

2 1

OH

H

H HO

b, Công thức Haworth

- Công thức Haworth biểu diễn cấu hình của monosaccarit rõ

ràng hơn, được biểu thị bằng một hình 6 (pyranozơ) cạnh hoặc 5 (furanozơ) cạnh, nằm trên một mặt phẳng vuông góc

với mặt phẳng giấy với 1 nguyên tử oxi nằm ở phía sau

- Dãy đồng phân D: nhóm –CH2OH nằm ở phía trên mặtphẳng vòng:

+ Đồng phân α khi OH-anome nằm ở phía dưới mặt

phẳng vòng (-CH2OH và OH-anome ngược chiều nhau).

+ Đồng phân β khi OH-anome nằm ở phía trên mặt

phẳng vòng (-CH2OH và OH-anome cùng chiều).

O

OH

H OH

H OH

OH H

OH

OH

H

CH2OH H

β-D-xilofuranozơ D-Xilozơ

Quá trình hình thành vòng của đường 5

β-D-glucopyranozơ α-D-glucopyranozơ

Quá trình hình thành vòng của đường 5

OH H OH

H OH

H

H OH

H

CH2OH

O

OH H H

OH OH

H

H OH

H

CH2OH

- Để có đồng phân L ta chiếu D qua gương, đơn giản nhất là

chiếu theo phương của trục z

z

O

H OH H

OH H

OH

OH H

CH2OH

H

O

H OH OH

H H

OH

OH H

CH2OH H

3 2 1

O HOCH6 2 5 H

4 3

HOCH2 H

O

α-D-fructofuranozơ β-D-fructofuranozơCông thức Tollens

* Mối quan hệ giữa các công thức biểu diễn monosaccarit

6 5 4 3

O CH2 OH

OH OH

H OH

H H

CH2OH OH

H OH

H H

CH2OH

1 2

3 4

5

6 1

2

3 4

5 6

- Thực tế đa phần các monosaccarit tồn tại trong thực tế ởdạng công thức Reeves, kể cả các đường 5C.

β-D-ribopyranozơ (56%) β-D-ribopyranozơ (18%)

α-D-ribopyranozơ (20%) D-ribozơ α-D-ribopyranozơ (6%)

<1%

2.2.4 Tính chất hóa học của monosaccarit

a, Phản ứng của nhóm cacbonyl

- Trong dung dịch kiềm các xetozơ dễ dàng chuyển hóa

thành andozơ, nên cả andozơ và xetozơ đều có phản ứngvới thuốc thử Fellinh và Tollens

D-Fructoz¬ D¹ng endiol D-Mannoz¬ D-Glucoz¬

HOCH2[CHOH]4CHO Br2, H2O HOCH2 [CHOH]4COOH

liên kết 1,2-diol

R CH OH

CH OH

OH

CH OH

CH OH

CH OH

CH2OH NNHC6H5CH=NNHC6H5

b, Phản ứng của nhóm hydroxyl

- Phản ứng với Cu(OH)2

O HOCH2

H

H

O

O H

H

OH

OH

H H

H

H O

O H

6

1 2

3

4

5 6

- Phản ứng tạo ete

O

OH

H H

H OH

H OH

H

3 O)SO

2 , NaOH

H OCH3

H

H H

CH2OCH3

H OCOCH3

H

H H

CH2OCOCH3O

OH H OH

H OH

H OH

OCOCH3

H H

CH2

CH3COO

CH3COO

- Phản ứng tạo axetal và xetal vòng

O

H OH OH

H OH

O

H O O

H OH

H

H OH

H OH

H H

CH

CH2O

O C

CH3 C CH3

O

- Các disaccarit thi nhiên quan trọng là: saccarozơ, mantozơ,lactozơ và xenlobizơ

- Hai phân tử monosaccarit được liên kết với nhau theo haicách:

+ Nhóm OH hemiaxetal của mỗi monosaccarit liên kếtvới nhau tạo ra disaccarit không khử

+ Nhóm OH hemiaxetal của monosaccarit này kết hợpvới 1 nhóm OH khác của monosaccarit còn lại tạo radisaccarit khử

a, Saccarozơ

- Là thành phần chính của cây mía (14-26%), thốt nốt, củ cảiđường (16-20%)… Còn được gọi với những tên khác: đườngmía, đường kính, đường phèn, đường củ cải…

- Có công thức phân tử: C12H22O11, tên hóa học là: glucopyranozyl-β-D-fructofuranozit hay α-D-glucopyranozyl-(1→2)-β-D-fructofuranozit.

2-O-α-D-6 5

CH2OH

O

H H

từ (+) sang (-), vì vậy quá trình này còn gọi là quá trìnhnghịch đảo đường, hỗn hợp trên được gọi là đường nghịchđảo

4 3

H OH

OH H

b, Lactozơ

- Lactozơ hay còn gọi là đường sữa có vị ngọt kém hơnsaccarozơ, có vai trò quan trọng trong dinh dưỡng của trẻ em.Trong sữa người có từ 6-7% lactozơ, sữa bò chỉ có 4-5%lactozơ

- Có CTPT: C12H22O11, tên hóa học: galactopyranozyl-α-D-glucopyranozơ hay β-D-

4-O-β-D-galactopyranozyl-α-D-glucopyranozơ hay galactopyranozyl-(1→4)-α-D-glucopyranozơ

β-D-O

H

OH

H OH

H

CH2OH

OH O

OH

H OH

4

5 6

4 5 6

1

2.3.2 Trisaccarit

- Trisaccarit là olisaccarit có chứa 3 gốc monosaccarit.Trisaccarit phổ biến nhất và biết rõ hơn cả là rafinozơ, có tênhóa học: α-D-galactopyranozyl-(1→6)-α-D-glucopyranozyl-(1→2)-β-D-fructopyranozit

1

2 3

4

4

5 6

1

O

H OH

H OH

H

H OH

H

CH2

H OH

H OH

H OH

H

CH2OH O

1

2.4 Polysaccarit

- Polysaccarit là những polyme thiên nhiên, được cấu tạo từhàng trăm, hàng nghìn mắt xích là các monosaccarit, liên kếtchặt chẽ với nhau qua liên kết glucozit

- Polysaccarit được tạo thành từ một loại monosaccaritđược gọi là homopolysaccarit, đại diện cho nhóm này là: tinhbột, glycogen, xenlulozơ

- Polysaccarit được tạo thành từ hai loại monosaccarittrở lên được gọi là heteropolysaccarit, hay gặp nhất trongthiên nhiên là: pectin, aga, hemixenlulozơ…

- Hàm lượng tinh bột phụ thuộc loài, giống, thời vụ, địa lý vàthổ những khác nhau.

- Về mặt hóa học tinh bột là polyme sinh học được tạo thành

từ các monome là α-D-glycopyranozơ liên kết với nhau qualiên kết 1,4 và 1,6-glucozit Được chia làm 2 loại:

+ Amylozơ được tạo thành từ các monome là glycopyranozơ liên kết với nhau qua liên kết 1,4 –glucozit

α-D-O

CH2OH O

+ Amylopectin được tạo thành từ các monome là glycopyranozơ liên kết với nhau qua liên kết 1,4 và 1,6–glucozit.

H

CH2O

H

OH

H OH

2.4.2 Glycogen

- Glycogen là polysaccarit dự trữ của cơ thể động vật, thườngtập trung trong gan (khoảng 20%) và trong cơ bắp (khoảng4%), còn được gọi là tinh bột động vật

- Là chất rắn dạng bột, màu trắng vô định hình, dễ tan trongnước, phân tử khối khảng 1 trệu đvC, có cấu trúc tương tựamylopectin nhưng mức độ phân nhánh cao hơn

H

CH2O

H

OH

H OH

2.4.3 Xenlulozơ

- Xenlulozơ là một polysaccarit cao phân tử, không có tínhđường, là thành phần chính của màng tế bào thực vật, là cơ sởxây dựng cấu trúc gỗ của thực vật Xenlulozơ có nhiều trongtất cả các loại gỗ (40-60%), trong bông lên tới 98%

- Xenlulozơ được tạo thành từ các monome là glycopyranozơ liên kết với nhau qua liên kết 1,4 –glucozit

β-D-n

1 4

1 4

O

OH

H OH

H

CH2OH

H O

OH

H OH

H

CH2OH

H O

2.4.4 Aga

- Aga là một polygalactopyranzit, có trong một số loài rong tảbiển và một số cơ thể vi sinh vật Aga còn gọi là thạch trắng,được dùng nhiều trong công nghiệp thực phẩm

- Khi thủy phân aga người ta nhận được D-galactozơ, galactozơ và axit sunfuric theo tỷ lệ 9:1:1

L Các mắt xích của aga là DL galactozơ được gắn với nhau quaC1 và C3 Đến mắt xích thứ 10 lại có L-galactozơ, ở vị trí số

1 và 4 của L-galactozơ thì tạo thành mạch, còn ở vị trí số 6của nó bị este bởi axit sunfuric; mạch cứ kéo dài liên tục nhưvậy (công thức là bài tập sinh viên tự vẽ)

CHƯƠNG 3

TECPENOIT 3.1 Khái niệm

3.1 Khái niệm

- Tecpen hay còn gọi là tecpenoit là những hợp chất hữu

cơ chứa C, H và O tồn tại trong thiên nhiên mà có bộ khung cacbon gồm nhiều mắt xích giống với khung cacbon của isopren, tức là có thể biểu diễn bởi công thức (iso-C5)n với (n≥2).

7 8 9 10 11

Oximen isopren

®Çu

®u«i

Loại tepen Khung cacbon Số lượng C

3.2 Monotecpenoit

3.2.1 Axiclic monotecpen

- Các monotecpen không vòng là dẫn xuất của đimetyloctan, ở hầu hết các monotecpen này đều chứa nhóm isopropyliden (a) (đồng phân β) và một số ít chứa nhóm isopropenyl (b), (đồng phân α).

2,6-2 6

(b)(a)

2,6-®imetyloctan

a, Hidrocabon tecpen

- Đối với hiđrocacbon tecpen loại này, chỉ có hai

hiđrocacbon đáng được đề cập đến là Oximen và Mirxen,

mỗi chất đều có 3 liên kết C=C Chúng xuất hiện trong tinh

dầu basil (Ocimum basilicum), và tinh dầu cây nguyệt quế

(laurel oil) Cả hai đều có chứa nối đôi liên hợp, chúng chỉphân biệt được với nhau bởi vị trí của các nối đôi

Mirxen Oximen

b, Dẫn xuất ancol tecpen

-Ứng với 2 khung hiđrocacbon tecpen đó có những ancol tecpen chứa một hoặc 2 liên kết đôi, đều là những chất có mùi thơm đặc trưng, những đơn hương quý tách được từ tinh dầu hoa hồng, tinh dầu sả…

Linalool

CH2OH

Nerol Geraniol

Xitronellol

CH2OH

c, Dẫn xuất cacbonyl tecpen

CH3

C CH

H

C O

CH3

OH-, H2O

(CH3)2CO citral

C O H

3.2.2 Monoxiclic monotecpen

- Các monoxiclic monotecpen đều là dẫn xuất của

p-menthan p-menthan xuất hiện dưới hai dạng không quang hoạt, các đồng phân cis và trans.

5 6

8

9 10

1 2

3 4

5 6

8

9 10

1 2

3 4

5 6

8

9 10

α-terpinen γ-terpinen terpinolen α-phellandrene β-phellandren limonen

(R)-(+)- và (S)-(+)- Limonen, C10H16 đều xuất hiện trong các tinh dầu lá thông, một số loài citrus (cam, chanh, bưởi…).

b, Ancol tecpen

-Menthanol hoặc menthan-3-ol, C10ưH20O, là ancol no có ba trung tâm chiral trong phân tử, và kết quả có tám đồng phân lập thể Cấu hình tương đối giữa nhóm hiđroxi và nhóm isopropyl đK được xác định; ở

neo-menthol và neo-isomenthol 2 nhóm này định hướng cis với nhau, còn ở mentol và isomenthol chúng là trans của nhau.

H H

H H

(±)-menthol (±)-Isomenthol (±)-Neomenthol (±)-Neoisomenthol

H

OH H H

H

OH H H

H

OH H H

H

OH H H

-α-Terpineol, C10H16O, mét trong sè c¸c ancol kh«ng no xuÊt hiÖn trong tinh dÇu b¹ch ®Ëu khÊu Khi l¾c α-Terpineol víi dung dÞch axit sunfuric loKng cã thÓ thu ®−îc hi®rat cña 1,8-tecpin, C10H20O2.

O (H2O )

c, Cacbonyl tecpen

-Carvon, p-methan-6,8(9)-®ien-2-on, d¹ng (S)-(+)- cña nã ®−îc t×m

thÊy trong tinh dÇu c©y Caraum vµ tinh dÇu th×a lµ, vµ cã mïi carum.

Cl NOH

- Ba xeton một lần không no (C10H16O) đ−ợc nghiên cứu kĩ là pulegon, isopulegon và piperiton, tất cả chúng đều có nhóm xeto ở

vị trí C3.

isopulengon

H

O H

Pulegon

O

Piperiton

O

- Menthon, p-menthan-3-on, C10H18O, chứa 2 nguyên tử cacbon bất

đối xứng, và tồn tại ở 4 đồng phân quang hoạt.

D,L-isomenthon D,L-menthon

O O

- C¸c xeton no víi nhãm chøc oxo trªn C2 nh− ë Carvomethon

Isocarvomenthol

OH

O

OH O

3.2.3 Bixiclo monotecpen

- C¸c monotecpen hai vßng ®−îc ph©n lo¹i theo 7 nhãm

vßng no nh−: thujan, caran, pinan, boran, isocamphan, fenchan, vµ isobornilan.

fenchan

Isobornilan Isocamphan

Thujan

Bornan (Camphan) Pinan

Caran

a, Nhóm pinan

- Hiđrocabon không no quan trọng α và β - pinen là các thành phần chủ yếu (80-90%) của tinh dầu thông.

α-Pinen (156 0 C) β-Pinen (164 0 C) α-Pinen (156 C) β-Pinen (164 C)

- Khi bị hiđrat hóa trong môi trường axit vô cơ loKng cả α và pinen đều mở vòng 4 cạnh, cho α-terpineol hoặc 1,8-terpin hoặc hiđrat của nó.

b, Nhãm camphan

Tån t¹i tÊt c¶ 6 olephin lµ camphen, bornylen, isotricyclen, isocaphen, vµ endo-isocamphen.

exo-Camphan exo-Isocamphan endo-Isocamphan Camphen

- Trong tÊt c¶ c¸c olephin nãi trªn, camphen lµ chÊt quan träng

xeton 2 vßng cã trong c©y long nKo).

Camphan exo-Isocamphan endo-Isocamphan Camphen

3.3 Secquitecpen

3.3.1 Axiclic secquitecpen

Secquitecpen ancol farnesol và nerolidol, C15H16O, chúng đều

có 3 nối đôi C=C Nerolidol phân biệt với farnesol ở vị trí nối đôi C=C và nhóm OH Các ancol này quan hệ với nhau theo cùng cách nh− giữa geraniol và linalool.

3.3.2 Xiclic secquitecpen

- Hi®rocacbon bisabolen ®−îc t×m thÊy trong tinh dÇu váchanh vµ tinh dÇu l¸ th«ng, cadinen (tõ tinh dÇu cña c¸c loµib¸c xï vµ tuyÕt tïng) vµ β-selinen (c©y cÇn t©y)

O

H OHCH3

H2O

H+HOCH2

Farnesol Bisabolen Hernandulcin

Cadinen beta-selinen

- Các azulen được phân lập từ các tinh dầu, ví dụ vetivasulen (tinh dầu hương lau) và guaiazulen (tinh dầu phong lữ), α-Santalen,

C15H24, từ tinh dầu gỗ đàn hương trắng, và modhephen, C15H24, một dẫn xuất của [3.3.3]propellan được phân lập từ vi khuẩn que

có màu vàng (Isocome wrightii)

HOCH

Farnesol Guaiazulen (xanh)

CH2OH

Farnesol Vetivazulen (tím)

HOCH2anfa-Santanlen

Modhephen

3.4 Ditecpen

3.4.1 Axiclic ditecpen

Phytol, C20H40O, chứa một nối đôi C=C và hai trung tâm bất đối xứng Cấu hình tuyệt đối của phytol, [(2E)-(7R,11R)-3,7,11,15- tetrametylhexanđec-2-enol] được xác định một tổng hợp đặc thù lập thể.

*

(R)

OH

- Vitamin A, còn gọi là vitamin A1 hoặc INN: retinol, C20H30O là một

đitecpen ancol bậc 1 không no Nó được tìm thấy trước hết trong tinh dầu gan cá, òng đỏ trứng gà và sữa

X=COOH Vitamin A, axit

X=CH2OH Vitamin A

vòng-ò-ionon 11-cis-Retinal

11

CHO X