BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM
HỌC PHẦN
HÓA HỌC CÁC HỢP CHẤT TỰ NHIÊN CHEMISTRY OF NATURAL PRODUCTS Nguyen Ngoc Tuan, PhD. Lecturer, Department of Food Quality Management, Institute of Biotechnology and Food Technology (IBF), Industrial University of Ho Chi Minh City (IUH) Room F4.08, Building F Address, 12 Nguyen Van Bao Str., Go Vap Dist., Ho Chi Minh City, Vietnam
www.trungtamtinhoc.edu.vn
NỘI DUNG
1
1
Giới thiệu chung về hóa học các hợp chất thiên nhiên
2
3
4
5
• Đối tượng nghiên cứu • Lịch sử phát triển • Sinh tổng hợp các hợp chất thiên nhiên • Qui trình nghiên cứu các hợp chất thiên nhiên
NỘI DUNG
1
2
Phân loại và các nguồn chứa hợp chất thiên nhiên
2
3
4
5
2.1. Phân loại 2.2. Các nguồn chứa hợp chất thiên nhiên
NỘI DUNG
1
2
3
Thu mẫu nghiên cứu
3.1 Phương pháp thu mẫu 3.2. Qui trình tiến hành thu mẫu
3
4
5
NỘI DUNG
1
2
4
Chiết tách các hợp chất thiên nhiên
4.1. Các quá trình ngâm chiết 4.2. Các kỹ thuật sắc ký để phân lập
3
4
5
NỘI DUNG
1
5
Xác định các đặc tính của hợp chất thiên nhiên
2
3
4
5
5.1. Xác định cấu trúc hóa học 5.2. Xác định hoạt tính sinh học
What are “Natural Products”? Chemical characteristics • Naturally-occurring small organic compounds • including heterocyclic compounds, and peptides. • does not include proteins, carbohydrates, and nucleic acids. • MW: ~150 ~ <800 amu (“small molecule”) • Methods of extraction and purification are generally similar to the techniques used for organic compounds (e.g., TLC, column chromatography, HPLC, GC) • Methods of structural determination • NMR, MS, IR, X-ray, UV 1. Introduction to the Chemistry of Natural Products
7
What are “Natural Products”? Biological characteristics • Compounds are generally characteristic of a particular species or family, i.e., narrow taxonomic distribution (nonubiquitous) • No nutritional or structural function. Functional roles may include: - color (identification) - scent (attraction or repulsion) - sexual attraction - social communication - defense (e.g., plant toxins and antibiotics)
but many still have unknown function in the organism in which they are found. • Classified as “secondary metabolites” in contrast to 1. Introduction to the Chemistry of Natural Products 8 “primary metabolites”
Diverse aspects of the Chemistry of Natural Products: • Structural determination of natural products compounds • Total synthesis or semi-synthesis of natural products; enzyme synthesis • Determination of biosynthetic pathways using using plant tissues, cell culture and isotopic labeling • Pharmaceutical science: pharmacologic effects • Functional foods, herbal medicines • Agricultural science: antipest, allelopathy, IPM • Ethnobotany • Plant chemistry and plant development • Biodiversity and Ecology; Marine natural products • Chemotaxonomy and genetic classification • Genomics and metabolonomics 1. Introduction to the Chemistry of Natural Products
9
Why study Natural Products? • Natural products are the source of the most complex and fascinating chemical structures. • Natural products represent biological diversity. • Natural products are expressions of the genome. • Natural products represent natural biological activity, whether as single compounds or as complex mixtures. • Natural products are part of the natural wealth of the country, and can be an important source of livelihood, from agriculture and food, pharmaceuticals, fine chemicals industry. • Natural products can be an effective bridge from tradition to modern scientific developments, including genetics, molecular biology, biotechnology, and pharmaceutical science. 1. Introduction to the Chemistry of Natural Products
10
Range of products from natural products:
1. Introduction to the Chemistry of Natural Products
11
Morphin
Vincristin
Artemisinin
Paclitaxel
Bob Holton claimed victory in totally synthesizing the drug on Dec. 9, 1993
Range of products from natural products:
1. Introduction to the Chemistry of Natural Products
13
MỞ ĐẦU
A country rich in biodiversity Birds World = 9,8201 Vietnam = 980 Plants World = 250,000 Vietnam = 12,000
Mammals World = 4,260 Thailand = 282
Fungi World = 80,000 (Expected No. = 1,500,000) Vietnam = 6,000 (Expected No. = 150,000)
Other microbes World = 84,000 (Expected No. = 1,600,000) Vietnam = 300 (Expected No. = 100,000)
• Đối tƣợng:
Hợp chất thiên nhiên từ: 1. Thực vật bậc cao (higher plants)
2. Thực vật bậc thấp (nấm, tảo..) (lower plants) 3. Vi sinh vật (microorganisms)
4. Động vật (aminals) 5. Sinh vật biển (marine)
Natural products and Ecology Antifeedant Toxins Scents
Antipest Attractants
Plants
Allelopathy Communication
Symbiosis
Chemotaxis Communication
Animals Toxins
Insects
Toxins Pheromones Communication
Antifungals Symbiosis
Antifungals
Fungi
Antibacterials
Bacteria
1. Introduction to the Chemistry of Natural Products
Chemotaxis Communication
17
Tài liệu tham khảo: 1. Phƣơng pháp nghiên cứu cây thuốc, Nguyễn Văn Đàn và Nguyễn Viết Tựu (1985), NXB Y học.
2. Bài giảng dƣợc liệu (2006), Viện Dược liệu. 3. Chemistry of Natural Product, Bhat S. V., Nagasampagi B. A. and Silvakumar M. (2007), Springer. 4. Natural product from plants, Kaufman P. B. et al. (2006) CRC Press. 5. Terpenoids and Application, Nguyen Xuan Dung, Tran Dinh Thang. (2005). NXB Đại học Quốc gia Hà Nội.
Tấp chĂ: 1. Journal of Natural Product
2. Phytochemistry 3. Planta Medica
4. Chemical and Pharmaceutical Bulletin Review:
1. Natural product Reports 2. Progress in the Chemistry of Organic Natural Products 3. Studies in Natural Products Chemistry
Database: 1. Dictionary of Natural Products on CDROM (Chapman & Hall Chemical Database, USA) . 2. Napralet™ data base (Natural Products Alert, College of Pharmacy, University of Illinois, Chicago, IL, USA). 3. Beilstein Handbook of Organic Chemistry (Germany).
http://www.khalidshadid.com/chemistry-ofnatural-products.html
28
The 18th century … ◦ At the end of the 18th century, crude drugs were still being used as powders, simple extracts, or tinctures. ◦ The era of pure compounds (In 1803, a new era in the history of medicine)
◦ Isolation of morphine from opium ◦ Strychnine (1817) ◦ Quinine and caffeine (1820) caffeine
morphine Nicotine Strychnine
◦ Nicotine (1828) ◦ Atropine (1833) ◦ Cocaine (1855)
Atropine
Cocaine
Quinine 29
â—Ś
In the 19th century, the chemical structures of many of the isolated compounds were determined
â—Ś
In the 20th century, the discovery of important drugs from the animal kingdom, particularly hormones and vitamins. In addition, microorganisms have become a very important source of drugs
Captopril
Epibatidine
Penicillin 30
â—Ś
Compounds from natural sources play significant roles in modern medicine:
1. They provide a number of extremely useful
drugs that are difficult, if not impossible, to produce commercially by synthetic means 2. Natural sources also supply basic compounds that may be modified slightly to render them more effective or less toxic 3. Their utility as prototypes or models for synthetic drugs possessing physiologic activities similar to the originals
Spirea salicylic acid
Aspirin
Ibuprofen
31
Sinh tổng hợp các hợp chất thiên nhiên
Overview of a bioassay-guided traditional natural product drug discovery process Source materials (e.g. plant)
Extraction
Extract (s)
Bioassay
Active extract (s) Chromatographic fractionation
Active fraction (s)
Bioassay
Chromatograp hic fractions
Isolation and purification Bioassay Isolated compounds Identification by spectroscopic techniques, e.g. UV, IR, MS, NMR Identified compounds
Active compound (s)
Bioassay Identified bioactive compound (s)
33
2. Phân loại và các nguồn chứa các hợp chất thiên nhiên
Hợp chất thiên nhiên
2.1 Phân loại Hợp chất sơ cấp
Carbonhydrat
Lipit Axit amin, peptit, protein Terpenoit Steroit
Hợp chất thứ cấp
Alkaloit
Flavonoit Phenolic
2.2. Các nguồn chứa hợp chất thiên nhiên 2.2.1. Giới thực vật:
Thành phần của tinh dầu trong các bộ phận của thực vật
2.2.2. Giới vi sinh vật
Alexander Fleming đã phát hiện ra penicillin
2.2.3. Sinh vật biển:
Sao biển San hô
Bọt biển
Cá ngựa
3. Thu mẫu nghiên cứu
Nghiên cứu quy trình phân lập và nhân nuôi nấm linh chi
Mùn cưa cao su Ngâm nước vôi 0,5% Thêm dinh đưỡng Vào túi màng mỏng PP Hấp ở 1210C trong 120 phút
Bảo quản nấm trong môi trường thạch Cấy hệ sợi sang môi trường lúa.
Cấy giống
Bịch mùn cưa đã khử trùng Nuôi ủ hệ sợi nấm cho đầy bịch
Bịch phôi
Chai lúa giống
Chuyển qua nhà nuôi trồng, duy trì Độ ẩm 85-95%
Tháo nút bông
Nấm linh chi được nuôi trồng tại Công ty CP Sinh học An Hà (BIO – ANHA)
Quả thể nấm linh chi
4. Chiết tách hợp chất thiên nhiên
Quy trình nghiên cứu thành phần hóa học và hoạt tính sinh học
Kỹ thuật chiết
Chiết là quá trình phân lập các phân đoạn chứa hoạt tính từ các mô thực vật (và động vật) bằng
các dung môi chọn lọc thông các quá trình phù hợp.
Hai quá trình chính: lựa chọn dung môi và các quá trình chiết
Nƣớc
Etanol
Metanol
Clorofom
Ete
Anthocyani n
Tannin
Anthocyani n
Tecpenoit
Alkaloit
Phenol
Tinh bột
Polyphenol
Tecpenoit
Flavonoit
Tecpenoit
Flavono l
Tannin
Polytacetylen
Saponin
Coumari n
Saponin
Flavonol
Tannin
Axit béo
Tecpenoit
Tecpenoit
Xanthoxylin
Polypeptit
Sterol
Totarol
Lectin
Alkaloit
Quassinoit Lacton Flavon Phenon Polyphenol
Aceton
Quy tắc chọn
- Độ độc thấp, - Dễ bay hơi ở nhiệt độ thấp,
-Tăng được tốc độ hấp thụ vật lí của dịch chiết, - Dễ bảo quản, - Không làm cho dịch chiết phân ly hoặc tạo phức.
Các phương pháp chiết Chiết lần lượt
Chiết hỗ trợ vi sóng
Chiết Soxhlet
Chiết sóng siêu âm
Ngâm
CHIẾT
Thẩm thấu
Sắc
Thủy phân
Hãm
Dịch chiết thô - Dung môi
Chiết, tách
Hợp chất
- Sắc ký CC, TLC, HPLC, LC-MS, GC-MS
Xác định cấu trúc -UV, IR, MS, NMR
Thử hoạt tính
-X-ray, CD...
sinh học in vitro, vivo
Tổng hợp, chuyển hóa
Quy trình phân lập hợp chất thiên nhiên
Injector
Hệ thống HPLC đơn giản
Column
Mobile phase
Detector
Start
tM
tR1
tR2
tR3
tR4
5. Xác định cấu trúc hóa học các hợp chất thiên nhiên
-
Phổ IR: Phân tử hấp thụ năng lượng bên ngoài dẫn đến quá trình quay, dao động của liên kết. Dùng xác định nhóm chức đặc trưng:
Tần số dao động của một vài liên kết thường gặp
- Phổ UV- vis: Dùng để xác định sự có mặt hay vắng mặt các nhóm riêng biệt trong vùng 200-400 nm.
- Một số nhóm đặc trưng:
λmax < 150 (nm) liên kết σ
λmax : 200-260 (nm) nhóm benzen hoặc benzen thế
λmax > 280 (nm) hệ liên hợp
Phổ khối lượng: Sử dụng để đo khối lượng phân tử xác định phân tử đặc biệt hoặc xác định các hợp chất chưa biết.
Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)
γ-lactone
carbomethoxyacetyloxy
lanostan
H-4’
H-31
H-27
H-2’
spiro 26
180
170
23
25
3’ 1’
24
160
150
140
130
120
110
100
Phổ X-Ray: Sử dụng để xác định góc liên kết, độ dài liên kết … từ đó xác định được cấu hình tuyệt đối
X-Ray
HPLC Dịch chiết
Mẫu nấm và thực vật
Agilent 1200 LC-MSD detector: multiple wavelength (MWD)
LC-MS
LC-NMR
Agilent 1200 LC-MSD ionization: APCI, ESI
Varian Unity AS 400MHz 1D techniques : 1H 2D techniques: TOCSY, TOCSY COSY, NOESY, HMQC, ROESY
[M]+
δ λmax Nếu có hoạt tính: điều chế lượng lớn hoặc tổng hợp
δ
m/z Cấu trúc của hợp chất
Thử hoạt tính
FINGERPRINT
6. Kỹ thuật thử hoạt tính sinh học Ngày nay, phép thử sinh học rất mạnh, siêu nhạy thậm chí có thể chỉ cần sử dụng khối lượng chất thử rất nhỏ khoảng vài picogam (pg). Phần lớn các phép thử (sử dụng đĩa 96 hoặc 384 giếng) được tiến hành tự động hoặc bán tự động.
7. Tổng hợp hữu cơ Nhiều hợp chất thiên nhiên được sử dụng trực tiếp lâm sàng. Ví dụ: vinblastin (Velban), vincristin (Oncovin), epotosit (VP-16), paclitaxel (Taxol) được sử dụng trong điều trị ung thư; artemisinin, quinin để điều trị sốt rét... Một số dẫn xuất bán tổng hợp từ hợp chất thiên nhiên được sử dụng trong lâm sàng như: vinorelbin (Navelbin), taxotere (Docetaxel), topotecan (Hycamtin) và irinotecan (Campostar) là các dẫn xuất của vinblastin, paclitaxel và camptothecin ưu việt hơn về hoạt tính, độ tan trong nước cũng như phổ tác dụng trong lâm sàng.
8. Cơ sở dữ liệu về hợp chất thiên nhiên Cơ sở dữ liệu chung có chứa các hợp chất thiên nhiên. Địa chỉ web, tổng số các hợp chất cũng như số lượng các hợp chất thiên nhiên được đưa ra. (N.A.: không có thông tin).
Tên ChEBI
Trang chủ http://... www.ebi.ac.uk/chebi
ChemBank chembank.broad.harvard.edu ChemID NCI PubChem
chem.sis.nlm.nih.gov/chemidpl us cactus.nci.nih.gov/ncidb3/dow nload_ncidb3.html pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
Số lƣợng Số lƣợng hợp chất hợp chất thiên nhiên >6800
∼3500
>1.100.000
N. A.
>379.000
∼2.000
>260.000
N. A.
>5.000.000
N. A.
Cơ sở dữ liệu hợp chất thiên nhiên thương mại. Địa chỉ web, số tổng thể của các hợp chất, số lượng các hợp chất thiên nhiên (N.A.: không có thông tin). Tên AntiBase Chapman & Hall Chemical Abstracts R ¨ OMPP Online
The Beilstein Database
Trang chủ http://... eu.wiley.com/WileyCDA
www.crcpress.com/
www.cas.org www.roempp.com/thiemechemistry/np/info www.beilsteininstitut.de/englisch/1024/ chemie/index.php3. Available at:
Số lƣợng hợp chất >31.000 >190.000 (CD-ROM)
>185.000 (Web)
Số lƣợng hợp chất thiên nhiên >31.000 >190.000 (CD-ROM) >185.000 (Web)
>27.000.000
N. A.
∼6.000
∼6.000
>9.300.000
>142.000
>10.000
N. A.
www.mdli.com/products/knowledge/cr ossfire_beilstein The Merck Index
www.merckbooks.com
9. Các nhà sản xuất các hợp chất thiên nhiên Công ty và các nhà cung cấp hợp chất thiên nhiên ở Châu Mỹ. Địa chỉ trang web của công ty, số lượng các hợp chất và sự sẵn có của các hợp chất để thử nghiệm thực nghiệm. (Yes: hợp chất có sẵn để thử nghiệm. N. A.: không có thông tin). Tên
Trang chủ http://...
Số lƣợng hợp chất
Độ khả dụng Yes
Gaia Chemical Corporation
www.gaiachem.com
∼500
Kosan Biosciences
www.kosan.com
N. A.
Life Pharms Inc. Magellan BioScience Group Inc. Martek Biosciences Mera Pharmaceuticals, Inc. Micro-Source, Discovery Systems, Inc. Sequoia Sciences TimTec
www.lifepharms.com
150.000
Tổng hợp sau khi đặt hàng Yes
www.magellanbioscience.com
>10.000
Yes
www.martekbio.com
N. A.
Yes
www.aquasearch.com
N. A.
N. A.
www.msdiscovery.com
N. A.
N. A.
N. A. 13.000
Yes Yes
www.sequoiasciences.com www.timtec.net
Công ty và các nhà cung cấp của các hợp chất thiên nhiên ở châu Á và Australia. Địa chỉ web của các công ty, số lượng các hợp chất và độ khả dụng của các hợp chất để thử nghiệm thực nghiệm. (Yes: hợp chất có sẵn để thử nghiệm. N. A.: không có thông tin). Tên Asia Albany Molecular Research, Inc. Australia Cerylid Biosciences Entocosm Pty Ltd.
Trang chủ http://...
Số lƣợng Độ khả dụng hợp chất
www.albmolecular.com
∼300.000
Yes
www.cerylid.com.au www.csiro.au
600.000 N. A.
Yes Yes
Các công ty và các nhà cung cấp của các hợp chất thiên nhiên ở châu Âu. Địa chỉ web của các công ty, số lượng các hợp chất và sự sẵn có của các hợp chất để thử nghiệm thực nghiệm. (Yes: hợp chất có sẵn để thử nghiệm. N. A.: không có thông tin) Tên Ambinter Amp-Lab GmbH Analyticon Discovery Instituto Biomar, S.A. InterBioScreen, Ltd GmbH IRIS Biotech GmbH Moscow MedChemLabs, Ltd Specs WERNER BioAgents
Số lƣợng hợp chất 500-1.000 N. A. ∼14.000 ∼15.000 41.000 ∼1.200
Độ khả dụng Yes Yes Yes Yes Yes Yes
www.mosmedchemlabs.com
∼200
Yes
www.specs.net/ www.webioage.com/
∼500 9
Yes Yes
Trang chủ http://... www.ambinter.com/ www.amplab.de/ www.ac-discovery.com/ www.institutobiomar.com/ www.ibscreen.com/ www.iris-biotech.de/
www.trungtamtinhoc.edu.vn