bài giảng tổng quan về các hợp chất thiên nhiên

Trong cây, các hợp chất hữu cơ tồn tại ở dạng hòa tan trong nước, trong dầu béo hoặc tinh dầu - Các hợp chất hòa tan trong nước dịch tế bào là các hydratcacbon có phân tử lượng thấp mo

- Một nhìn nhận toàn diện về quá trình phát triển thuốc từ hợp chất thiên nhiên

- Tầm quan trọng của hợp chất thiên nhiên trong y học

- Mô tả nguồn gốc, hóa học, sinh tổng hợp và ứng dụng trong y dược của một số nhóm chất quan

trọng: flavonoid, alkaloid, steroid, glycosid…

ĐẠI CƯƠNG HÓA HỢP CHẤT THIÊN NHIÊN

-Theo WHO 3,4 tỷ người sử dụng thực vật

• Năm 2001, 8/30 loại thuốc bán nhiều nhất là hợp chất thiên nhiên.

• Có khoảng 125 000 loài thực vật, 10% mới được nghiên cứu

• 160 000 hợp chất đã được xác định, khoảng

10000 chất/năm

Người Ai Cập (Sách Ebers papyrus, 1550 TCN)

Mô tả 1000 hợp chất và công thức điều chế thuốc, phần lớn từ thực vật

Hippocrates (460-377 TCN)

“Cha đẻ của nền Y học”

Dioscorides (40-80 SCN)

nhà thực vật Hy Lạp

đã viết “De Materia Medica” (600 cây thuốc)

Y học cổ truyền TQ

Thuyết âm - dương

Âm: Tối, phái nữ, nước

Dương: Sáng, đàn ông, lửa

Âm và Dương

• Âm được xem là yếu tố mạnh hơn: lửa bị

dập tắt bởi nước, và nước được xem là

không thể phá hủy Do vậy Âm luôn được đề cập trước Dương

• Âm và Dương luôn cân bằng với nhau.

Việc nghiên cứu thuốc từ thực vật vào thế kỷ 16

Plasmodium falciparum

Soát reùt

O HO

OH

OH

OH

OH +

Vincristine

Hải sâm: Holothuria scabra

O

O

O HO

O O

O O

O O O O

OH OH

CH3OH

OH

NaO 3 SO

Xyl

1 4

9

12 17

6

30 15

28 29

18 19

20

21 22

23 24

25 26

5'

1'' 4''

2'' 6''

1''' 2''' 4'''

6'''

1'''' 2''''

4''''

6''''

3

Qui Glc

Capsaicin Chất kích thích

Allicin Chống cảm

• Thông đỏ Thái bình dương, Taxus brevifolia,

(vỏ cây)

• 1964, NCI phát hiện ra hoạt tính sinh học

• 1966 paclitaxel được cô lập

• Được dùng trong hóa trị liệu ung thư

– Phổi, buồng trứng, vú

Các nguồn để tìm kiếm thuốc

Những hợp chất trên đều được

thực vật/động vật tổng hợp

 Tại sao chúng được tổng hợp?

 Chúng được tổng hợp như thế nào?

CO2 + H2O

Acetyl CoA

Chu trình acid citric

Acid béo Lipids

Acetogenins Terpenes Steroids

Đơn vị cơ bản

Amino Acids

Proteins

Tổng hợp Enzymes

Chất điều hoà

Nucleic Acids Tái sản xuất

n g

P h â n

Hợp chất Thiên nhiên = Hợp chất được cô lập từ động, thực vật.

* Hợp chất sơ cấp: cần

cho sự sinh trưởng và phát

triển của thực vật

* Hợp chất thứ cấp: được

tổng hợp ở giai đoạn sau

của sự phát triển và không

được tổng hợp liên tục

Hợp chất thiên nhiên là các sản phẩm hữu cơ của các quá

trình trao đổi chất trong cơ thể sống Ngành hóa học nghiên

cứu tính chất và cấu trúc của các hợp chất thiên nhiên được gọi

là hóa học các hợp chất thiên nhiên

CÁC NHÓM CHẤT CHÍNH

Vai trò của hợp chất thiên nhiên

Bẫy bắt sâu tơ trên đồng ruộng

Giải độc 2,4 - D

Azadirachtin

3 Trong nền Y học hiện đại:

- Là những loại thuốc hữu ích, rất khó tạo ra bằng con đường tổng hợp hoá học

- Là nguồn cung cấp những hợp chất, sau đó được biến tính để tạo dược tính cao hơn, độ độc ít.

- Là chất kiểu mẫu để tổng hợp những thuốc có tác dụng tốt hơn chất ban đầu.

COOH HO

COOH O

HỢP CHẤT THIÊN NHIÊN TỒN TẠI TRONG ĐỘNG,

THỰC VẬT

NGUYÊN LIỆU

• Trong điều kiện cho phép nên dùng nguyên liệu tươi Nguyên liệu thu hái xong nên ổn định bằng cách nhúng vào cồn hay nước đun sôi trong vài phút, sau đó để ráo nước hay làm khô tự nhiên trong không khí Hết sức tránh dùng nhiệt độ cao

để làm khô nguyên liệu

• Phải sơ bộ xử lý nguyên liệu ban đầu như: vứt

bỏ nguyên liệu có sâu bệnh,

• Phải xác định đúng tên khoa học của cây Do đó thường khi thông báo khoa học phải ghi địa chỉ người xác định, cơ quan…để người đọc có thể liên hệ tham khảo khi cần thiết

Trong cây, các hợp chất hữu cơ tồn tại ở dạng

hòa tan trong nước, trong dầu béo hoặc tinh dầu

- Các hợp chất hòa tan trong nước (dịch tế

bào) là các hydratcacbon có phân tử lượng thấp (monosaccarit, một số oligosacarit như pectin,

gôm); các glycozit, muối ankaloit của các axit hữu cơ; các aminoaxit, muối của aminoaxit; các hợp chất phenol hòa tan dưới dạng glycozit

• Nói chung các chất tan trong nước là các chất

phân cực

• Các hợp chất có nguyên tử H liên kết trực tiếp với

nguyên tố âm điện như O, N, F, Cl…là những

nhóm phân cực, càng nhiều nhóm phân cực trong phân tử thì tính phân cực càng lớn

TÍNH PHÂN CỰC CÁC HỢP CHẤT THIÊN NHIÊN

- Các hợp chất tan trong dầu béo hoặc

tinh dầu: các hidrocacbon, monotecpen,

sesquitecpen, sterol, carotenoit…

• Các chất tan trong dầu béo và tinh dầu là

các chất ít phân cực Tuy nhiên tính phân cực của chúng cũng khác nhau tùy thuộc vào khối lượng nguyên tử và nhóm chức

có trong phân tử hợp chất

• Thông thường các hợp chất có mạch

cacbon dài kém phân cực,

DUNG MÔI

Tính phân cực của dung môi

• Cơ sở để lựa chọn dung môi để chiết là độ phân cực của các hợp chất chứa trong nguyên liệu và

độ phân cực của dung môi

• Người ta phân biệt các dung môi theo độ

phân cực

+ Dung môi phân cực mạnh: nước, các ancol

thấp (metanol, etanol….)

+ Các dung môi phân cực yếu hoặc vừa: etyl

axetat, cloroform, axeton,…

+ Các dung môi không phân cực: ete, ete-dầu

hỏa, benzen, toluen, hexan…

Chất tan trong nước

và dung môi phân cực

• Các chất điện ly như muối vô cơ

• Các hợp chất hữu cơ nói chung không ion hóa, nhưng nếu chúng có những nhóm

tạo được liên kết hydro với nước thì tan

được trong nước.

• Càng nhiều nhóm phân cực thì phân tử ấy càng

dễ tan trong nước, nếu mạch carbon càng dài

thì độ hòa tan càng giảm.Các hợp chất tan được trong nước khi:

+ Nếu 1 nhóm phân cực trong phân tử có khả

năng tạo thành liên kết hidro với nước nếu phân

tử của chất đó có mạch cacbon không quá 5

hoặc không quá 6 nếu hợp chất có mạch nhánh + Nếu phân tử có nhiều nhóm phân cực (từ 2 trở lên) thì tỉ lệ này giảm xuống: một nhóm phân cực cho 3 hoặc 4 nguyên tử cacbon trong mạch thì phân tử ấy tan được trong nước

Chất tan trong ete và các dung môi

• Các phân tử có một nhóm phân cực trong phân tử

có thể tan được trong ete

• Hầu hết các chất hữu cơ tan trong nước thì không tan trong ete

• Nếu một chất vừa tan trong nước vừa tan trong ete thì chất đó phải là chất không ion hóa, có số

cacbon không quá 5, có một nhóm phân cực tạo

liên kết hidro nhưng không phải là phân cực mạnh

NGUYÊN LIỆU → CHẤT TINH KHIẾT

• Ly trích (chiết): quá trình tách và hoà tan các chất trong mẫu.

• Chiết bao gồm 3 quá trình liên tục:

đicloetan.

Khi cần li trích lấy toàn bộ thành phần trong hợp chất thiên nhiên thì dung môi thích hợp nhất là cồn 80%.

Cồn, metanol được xem là dung môi vạn năng

Nó hòa tan được các chất không phân cực đồng thời cũng có khả năng tạo dây nối hidro với các nhóm phân cực khác

Dựa vào tính phân cực của dung môi và có thể

dự đoán sự có mặt của các chất có mặt trong các dịch chiết.

 Trong phân đoạn ete, ete dầu hỏa sẽ có

hidrocacbon béo hoặc thơm, các thành phần của tinh dầu như monotecpen, các chất không phân cực như các chất béo caroten, các sterol, các chất màu thực vật, clorofyl

 Trong dịch chiết cloroform có sesquitecpen, ditecpen, coumarin, quinon các aglycon do các glycozit thủy phân tạo ra, một số ankaloit bazo yếu

 Trong dịch chiết cồn sẽ có mặt glycozit,

ankaloit, flavonoit, các hợp chất phenol khác, nhựa, axit hữu cơ, tanin

 Trong dịch nước sẽ có sẽ có các hợp chất phân cực như các glycozit, tanin, các đường, các hidratcacbon phân tử vừa như pectin,

các protein thực vật, các muối vô cơ…

Chiết lấy toàn bộ thành phần trong nguyên liệu

 Dung môi thích hợp nhất là cồn (metanol hay etanol) 80% trong nước Cồn, đặc biệt là

metanol được xem như dung môi vạn năng

nó có thể hòa tan các chất không phân cực

cũng như các chất phân cực khác

 Dịch chiết khi bay hơi dung môi được cao

toàn phần chứa hầu hết các hợp chất trong

nguyên liệu

 Sau đó cần tách phân đoạn các chất trong

cao thì chuẩn bị một dãy các chất không tan trong nước có độ phân cực từ yếu đến mạnh như ví dụ dãy ete- dầu hỏa, ete, cloroform, etyl axetat, butanol.

 Hòa tan cao vào một lượng nước , cho vào bình chiết , lần lượt chiết với các dung môi trên Dịch chiết mỗi phân đoạn sau khi thu

hồi dung môi đem đi phân tích.

MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHIẾT

 Phương pháp ngấm kiệt

 Phương pháp ngâm dầm

 Sử dụng Soxhlet

 Đun hoàn lưu

 Lôi cuốn hơi nước

Soxhlet: chiết nóng liên tục

ĐIỀU CHẾ CAO

TLC dịch chiết EtOAC C xanthorrhiza

Xanthorrhizol : R f = 0.43 (PE:Et 2 O = 4:1)

GC: t R = 44.86 min [80-200ºC, 2ºC/min]

Curcumin : R f = 0.62 (CH 2 Cl 2 :MeOH = 95:5)

CÁC PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ

Khái niệm về sắc ký

• Sắc ký là một phương pháp vật lý dùng

để tách riêng các thành phần ra khỏi hỗn hợp bằng cách phân bố chúng ra 2 pha:

một pha có bề mặt rộng gọi là pha cố định

và một pha kia là một chất lỏng hay chất khí gọi là pha di động, di chuyển qua pha

cố định.

• Phân loại: Chia thành 2 loại: là sắc ký lỏng

và sắc ký khí

Sắc ký lỏng: là sắc ký có pha động là chất lỏng.

Trong sắc ký lỏng có các kỹ thuật:

• Sắc ký giấy: pha tĩnh là giấy

• Sắc ký lớp mỏng: pha tĩnh là lớp mỏng chất hấp phụ được trải bằng trên tấm thủy tinh hoặc kim loại

• Sắc ký cột: Pha tĩnh là chất rắn được nhồi thành cột Trong sắc ký cột tùy thuộc vào bản chất của chất rắn nhồi cột mà chia thành các loại

-Cột cổ điển: cột đơn giản với chất hấp phụ là vô cơ hay hữu cơ

-Cột trao đổi ion: Cột là chất trao đổi ion âm hoặc dương -Cột gel hay lọc gel: Pha tĩnh là một gel tổng hợp có lỗ xốp xác định để lọc các chất có kích thước khác nhau

• Sắc ký lỏng cao áp: (sắc ký lỏng hiệu năng cao-HPLC)

Trong thực tế người ta thường dùng SKK

để phát hiện số lượng các chất trong hỗn hợp, hàm lượng của chúng dựa vào diện tích pic của phổ đồ sắc ký

a) Chuẩn bị mẫu thử

• Chất thử được pha trong lượng tối thiểu dung môi Dung môi thường dùng là các chất dễ bay hơi như axeton, metanol,

b) Chấm mẫu thử:

• Dùng ống mao quản có đường kính từ

0,5- 1mm Thông thường nồng độ chất chấm từ 0,1-1%, lượng chất chấm từ 1-

1000 µ g tùy thuộc vào độ nhạy để phát

hiện chúng.

• Điều quan trọng trong kỹ thuật chấm vết

là chấm vết càng nhỏ càng tốt và các vết trên cùng một lần sắc ký phải đồng đều nhau về kích thước và độ đậm đặc

c) Bản mỏng dùng cho sắc ký

• Nếu dùng sắc ký bản mỏng để phát hiện

chất thì có thể dùng loại bản mỏng tráng sẵn trên đế thủy tinh hoặc nhựa

• Khi sử dụng cần triển khai đúng chiều

của bản.

d) Dung môi: Việc chọn dung môi thích hợp là yếu tố chính quyết định kết quả thí nghiệm

< dicloetan < các ancol < nước < pyridin

< các axit hữu cơ < các axit vô cơ và bazo

• Cũng có thể dùng dung môi nguyên chất hoặc hỗn

hợp dung môi với tỉ lệ thích hợp

• Để lựa chọn hệ dung môi ta có thể dùng chạy thử với chiều cao 10 cm là đủ

+ Các loại hệ dung môi

• Hệ dung môi có pha cố định là nước

• Hệ dung môi có pha cố định là dung môi hữu cơ phân cực (ưa nước)

• Hệ dung môi có pha cố định là dung môi hữu cơ không phân cực (kỵ nước)

e) Cách khai triển:

• Triển khai trên xuống: Ưu điểm của phương

pháp này là tốc độ chảy tương đối ổn định và

• Triển khai ngang

• Triển khai vòng

• Triển khai nhiều lần

• Sắc ký hai chiều

g) Phát hiện vết

• Phương pháp hóa học: Dùng các chất hiện màu đặc

trưng cho từng loại hợp chất Thuốc thử được pha có nồng độ thích hợp cho tác dụng lên giấy Có 2 cách:

- Nhúng bản: Áp dụng cho các sắc đồ nhỏ,và thuốc thử không hòa tan các vết

- Phun: Phương pháp này thường dụng hơn

• Phương pháp vật lý:

- Thường áp dụng với các hợp chất hấp thụ tia cực tím trong khoảng từ 240-260 nm hình thành các vết tối trên nền phát quang Trong một số trường hợp có thể phun lên giấy dung dịch Fluorescein (C20H18O2) với mục đích làm tăng độ phát quang của nền để nhìn vết rõ hơn.

- Một số chất có khả năng phát huỳnh quang khi chiếu tia cực tím ở bước sóng khoảng 360nm

B Các yếu tố ảnh hưởng đến giá trị Rf

a) Giá trị R f

• Trong sắc ký để biểu thị sự di chuyển của các

chất người ta dùng khái niệm Rf

• Giá trị Rf không phải là một hằng số đặc trưng

cho sự di chuyển của một chất ở mọi điều kiện,

do đó khi ghi giá trị Rf phải ghi đầy đủ những

điều kiện thí nghiệm kèm theo (loại bản, nồng độ chất thử, lượng chấm, hệ dung môi, lượng dung môi, chiều triển khai, nhiệt độ tiến hành thí

nghiệm)

b) Phương pháp làm tăng độ lặp lại trong SKLM

• Giữ nhiệt độ không đổi trong khoảng nhiệt độ cho phép ± 50C

• Trộn đều dung môi và giử ở nhiệt độ thí nghiệm

trong 1-2 ngày

• Kiểm tra lại dung môi bằng cách chạy thử với chất chuẩn đối chiếu

• Đậy bình kín trong suốt quá trình triển khai

• Đường di chuyển của dung môi phải từ 30-35 cm nếu triển khai xuôi và 25 cm cho triển khai ngược

• Dùng một loại bản mỏng, tiến hành trong cùng một điều kiện

dung môi khác nhau từ phân cực yếu đến phân cực mạnh

• Tùy theo tính chất của chất dùng làm cột

mà sự tách có thể xãy ra chủ yếu theo cơ chế hấp phụ (cột hấp phụ) ví dụ như

silicagel, oxit nhôm hoặc cơ chế phân bố (cột phân bố ) ví dụ như xenlulo.

mẩu thử lớn hơn 8:1

• Tuy nhiên với những chất khó tách thì cần cột to và lượng chất hấp phụ phải lớn hơn

Mẫu sắc ký

(g)

Khối lượng chất hấp phụ (gam)

Đường kính cột (mm)

Chiều cao

cột (mm)

0,001

0,1

1,0

0,33

30

3,57,5

16

3060

130

b) Hóa chất dùn cho sắc ký cột

♦ Cột phân bố: xenlulo, kieselguhr (Cellite), gel

của axit silixic

♦ Cột hấp phụ : oxit nhôm, silicagel, poliamit,

CaCO3, MgO, than hoạt

• Một số hóa chất dùng cho sắc ký cột đã được

tiêu chuẩn hóa

+ Oxit nhôm trung tính (Merck), cở hạt 0,063-0,200

• Khi cho chất hấp phụ vào dung dịch chứa chất hữu cơ, thì các chất hữu cơ sẽ bám vào chất hấp phụ do nhiều loại liên kết

khác nhau Trật tự các loại lực này thay đổi như sau:

• Sự tạo muối > liên kết phối trí >

liên kết hidro > tương tác lưỡng cực >

lực Van-der-Valls

• Dung môi: Các dung môi thường dùng cho

sắc ký cột là hexan, benzen, CHCl3, axeton, etanol, metanol, butanol, nước

Thứ tự độ phân cực tăng dần của dung môi: Ete dầu < hexan < xiclohexan < CCl4,< benzen < toluen < diclometan < CHCl3 < ete etylic < etyl axetat < axeton < pyridin <

propanol < etanol < nước < axit axetic

♦ Hứng các phân đoạn vào dụng cụ hứng và

thu hồi dung môi:

• Thông thường các chất không phân cực ra

trước sau đó mới đến các chất phân cực yếu và cuối cùng là các chất phân cực mạnh

• Với dung môi không phân cực: Giải ly ra sớm

Ankan→ Anken, ankin; → Xicloankan,

xicloanken; → Aren; → Xeton; → Andehit

• Với dung môi phân cực : Giải ly ra chậm

Este; → Ancol, thiol; → Amin; → Phenol,axit

cacboxylic

C Kỹ thuật

a) Chuẩn bị cột: Yêu cầu là chất rắn làm cột phải

phân tán đồng đều ở mọi điểm trong cột thành một khối đồng nhất

♦Cột hấp phụ: Có 2 cách nhồi cột

+ Nhồi khô:

+ Vào cột bằng dung môi (Nhồi ướt): Chú ý là

không được khô dung môi trong cột Tiếp tục

cho dung môi hứng được rót vào cột cho chảy tiếp tục một thời gian (từ 5-10 giờ) để cho cột ổn định hoàn toàn

♦Cột phân bố: Cũng như sắc ký giấy, tách bằng

cột phân bố là thực hiện sự tách giữa 2 pha là pha cố định và pha di động do đó phải có giai

đoạn xử lý pha cố định

b Đưa chất thử vào cột:

Yêu cầu là phải phân tán chất thử thành một lớp mỏng đồng đều trên một mặt phẳng Có nhiều cách đưa chất thử vào cột:

♦ Phương pháp dùng đĩa giấy:

Dùng giấy lọc cắt thành đĩa tròn có đường kính nhỏ hơn đường kính trong của cột khoảng 0,5 mm, dùng kim

khâu đâm thành những lỗ thủng nhỏ cách đều nhau

khoảng 1,5 mm.

♦ Phương pháp cho thẳng dung dịch thử lên cột:

♦ Phương pháp trộn đều chất hấp phụ với mẫu chất thử

Trong 3 cách trên cho thẳng mẫu thử vào cột là nhanh hơn cả