第二章 中藥化學成分結構類型及理化性質

第一節 中藥化學成分結構類型

中藥的化學成分結構復雜、種類多樣，主要結構類型有糖類、苷類、醌類、苯丙素類、黃酮類、萜類、揮發油、皂苷類、強心苷類、生物堿類、有機酸、蛋白質、氨基酸及鞣質等。本節主要對中藥各類化學成分的結構定義和分類進行簡要介紹。

一、糖的結構定義及分類

糖（saccharides）又稱為碳水化合物，是多羥基醛或多羥基酮及其衍生物、聚合物的總稱。糖類根據是否能水解及水解后生成單糖的數目分為單糖（monosaccharides）、低聚糖（oligosaccharides）、多聚糖（polysaccharides）三類。

單糖是不能再水解的最簡單的糖，是組成糖類及其衍生物的基本單元。低聚糖又稱為寡糖，由2～9個單糖通過苷鍵聚合而成。多糖又稱多聚糖，是由10個以上的單糖通過苷鍵聚合而成。

二、苷的結構定義及分類

苷類（glycosides）是糖或糖的衍生物與另一非糖物質通過糖的端基碳原子連接而成的一類化合物。苷類又稱配糖體，苷中的非糖部位稱為苷元或配基；苷中苷元與糖之間的化學鍵稱為苷鍵（糖與糖之間的鍵也稱為苷鍵）；苷元上與糖連接的原子稱為苷鍵原子，也稱為苷原子。

苷類的分類依據及結構類型有：①根據苷元的化學結構類型分類，可分為香豆素苷、木脂素苷、黃酮苷、蒽醌苷等。②根據苷鍵原子不同，可分為氧苷、硫苷、氮苷和碳苷，其中以氧苷數量最多，如蘿卜苷、黑芥子苷等屬于硫苷；腺苷、巴豆苷等屬于氮苷；牡荊素、蘆薈苷等屬于碳苷。③根據組成苷的糖的種類不同，可分為葡萄糖苷、蕓香糖苷等。④根據苷中連接單糖基的個數不同，分為單糖苷、雙糖苷、三糖苷等。⑤根據糖基與苷元連接位置的數量不同，分為單糖鏈苷、雙糖鏈苷等。⑥根據苷的植物來源不同分類，如人參皂苷、黃芩苷等。⑦根據苷類在植物體內的存在狀態不同，分為原生苷和次生苷，原存于植物體內的苷稱為原生苷，原生苷水解失去一部分糖后生成的苷稱為次生苷。⑧根據苷的理化性質及生理活性不同分類，如皂苷、強心苷等。

三、醌的結構定義及分類

醌類化合物（quinonoids）是指分子中具有不飽和環二酮結構（醌式結構）的一類有機化合物，包括醌類及能夠轉變成醌式結構，以及在生物合成方面與醌類有密切聯系的化合物。醌類化合物根據結構中苯環的數目和稠合方式分為苯醌（benzoquinones）、萘醌（naphthoquinones）、菲醌（phenanthraquinones）、蒽醌（anthraquinones）四種類型。根據羰基的相對位置，苯醌又分為鄰苯醌和對苯醌；萘醌分為α-（1，4）萘醌、β-（1，2）萘醌及amphi-（2，6）萘醌；菲醌分為鄰菲醌和對菲醌。根據結構中所含蒽核個數，蒽醌分為單蒽核和雙蒽核兩類，單蒽核類包括蒽醌及其苷、蒽酚或蒽酮衍生物；其中蒽醌及其苷類根據羥基在蒽醌母核的分布情況，分為大黃素型和茜草素型；雙蒽核類包括二蒽酮類、二蒽醌類、去氫二蒽酮類、日照蒽酮類、中位萘駢二蒽酮類等。

四、苯丙素的結構定義及分類

苯丙素類化合物（phenylpropanoids）是指以C6-C3為基本單元的一類化合物。C6-C3單元可以獨立形成化合物，也可以2個、3個甚至多個單元聚合形成某一類化合物，可形成多種氧化程度不同的衍生物。苯丙素類化合物根據C6-C3單元是否成環及聚合情況主要分為簡單苯丙素、香豆素和木脂素三類。

簡單苯丙素類是指結構中具有一個C6-C3單元，且C3為鏈狀結構的一類化合物，根據C3側鏈的結構變化，可分為苯丙烯、苯丙醇、苯丙醛、苯丙酸等類型。香豆素類是母核為苯駢α-吡喃酮的一類化合物，根據香豆素母核上取代基及連接方式的不同，又可分為簡單香豆素類、呋喃香豆素類、吡喃香豆素類和其他香豆素類等。木脂素類是一類由兩分子（少數為三分子或四分子）C6-C3單元聚合而成的化合物，根據其基本單元之間縮合的位置等不同，分為簡單木脂素類和新木脂素類等。

五、黃酮的結構定義及分類

黃酮類化合物（flavonoids）原指基本母核為2-苯基色原酮的一系列化合物，現在則泛指兩個苯環（A環與B環）通過三個碳原子相互連接而成的一系列化合物，大多具有C6-C3-C6的基本骨架。黃酮類化合物根據A環與B環之間三碳鏈的氧化程度、三碳鏈是否構成環狀結構、B環連接位置（2位或3位）、3位是否有羥基取代以及聚合度等，可將其分為黃酮類、黃酮醇類、異黃酮類、查爾酮類、二氫黃酮類、二氫黃酮醇類、二氫異黃酮類、二氫查爾酮類、橙酮類、花色素類、黃烷-3-醇類、黃烷-3，4-二醇類、雙黃酮類、雙苯吡酮類、高異黃酮類等十余種。

六、萜和揮發油的結構定義及分類

（一）萜的結構定義及分類

萜類化合物（terpenoids）是一類由甲戊二羥酸衍生而成，由n個異戊二烯單位首尾相連的聚合體及其衍生物，其骨架一般以五個碳為基本單元，通式為（C5H8）n。

半萜（5個碳原子）、萜類化合物沿用經驗異戊二烯法則分類，即按分子中異戊二烯單位的數目進行分類，如單萜（10個碳原子）、倍半萜（15個碳原子）、二萜（20個碳原子）、二倍半萜（25個碳原子）、三萜（30個碳原子）等，依此類推；又根據結構中碳環的有無及數目多少，進一步分為鏈萜（無環萜）、單環萜、雙環萜、三環萜及四環萜等。需要注意的是，有些萜類化合物的基本碳架不符合經驗異二烯法則或其基本碳架的碳原子數不是5的倍數，則是因其在生物合成過程中產生異構化或發生脫羧降解反應所致。

（二）揮發油的結構定義及分類

揮發油（volatile　oils）也稱精油，是存在于植物體內的一類具有揮發性、可隨水蒸氣蒸餾、與水不相混溶的油狀液體。揮發油在冷卻條件下其主要成分可析出結晶，稱為“析腦”，這種析出物習稱為“腦”，濾除析出物的油稱為“脫腦油”。

揮發油是混合物，包括萜類化合物、芳香族化合物、脂肪族化合物及含硫和含氮化合物等。揮發油中萜類主要包括單萜、倍半萜及其含氧衍生物，是揮發油的主要組成部分；芳香族類多為小分子的苯丙素類衍生物，且多為酚性化合物或其酯類；脂肪族類多為一些小分子化合物，包括醇、醛、酮、羧酸類等；除上述三類化合物以外，中藥中其他能隨水蒸氣蒸餾出的揮發性成分也屬于揮發油類。

七、皂苷的結構定義及分類

皂苷類化合物（saponins）是一類由皂苷元和糖結合而成的苷類化合物，因其水溶液振搖后能產生大量持久性肥皂樣的泡沫，且不因加熱而消失，故稱為皂苷。根據苷元的不同將其分為三萜皂苷（triterpenoidal saponins）和甾體皂苷（steroidal saponins）。

三萜皂苷元由6個異戊二烯單位組成，具有30個碳原子，因多數三萜皂苷具有羧基，所以又稱為酸性皂苷。根據苷元成環數目的不同分為四環三萜類和五環三萜類。其中四環三萜類又分為達瑪烷型（dammarane）、羊毛脂甾烷型（lanostane）、環菠蘿蜜烷（環阿屯烷或環阿爾廷烷）型（cycloartane）、葫蘆素烷型（cucurbitane）、大戟烷型（euphane）、甘遂烷型（tirucallane）、楝烷型（meliacane）和原萜烷型（protostane）等。五環三萜類又分為齊墩果烷型（oleanane）、烏蘇烷（熊果烷）型（ursane）、木栓烷型（friedelane）、羽扇豆烷型（lupane）、羊齒烷型（fernane）和異羊齒烷型（isofernane）、何帕烷型（hopane）和異何帕烷型（isohopane）等。甾體皂苷元由27個碳原子組成，其碳架是螺甾烷的衍生物。按照螺甾烷結構中C-25的構型和F環的環合狀態，將其分為螺甾烷醇型（spirostanol）、異螺甾烷醇型（isospirostanol）、呋甾烷醇型（furostanol）和變形螺甾烷醇型（pseudospirostanol）四類。

八、強心苷的結構定義及分類

強心苷（cardiac　glycosides）是生物界中存在的一類對心臟有顯著生理活性的甾體苷類化合物。根據強心苷苷元C-17位側鏈連接的不飽和內酯環類型不同，強心苷可分為甲型強心苷和乙型強心苷；根據組成強心苷的糖的種類及與苷元連接方式的不同，又可分為Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型強心苷。

甲型強心苷的C-17側鏈為五元不飽和內酯環（Δαβ-γ-內酯），又稱為強心甾烯類，天然存在的強心苷大多屬于此種類型；乙型強心苷的C-17側鏈為六元不飽和內酯環（Δαβ，γδ-δ-內酯），又稱海蔥甾二烯類或蟾蜍甾二烯類。Ⅰ型強心苷具有苷元-（2，6-二去氧糖）x-（α-羥基糖）y的結構特點；Ⅱ型強心苷具有苷元-（6-去氧糖）x-（α-羥基糖）y的結構特點；Ⅲ型強心苷具有苷元-（α-羥基糖）y的結構特點。

九、生物堿的結構定義及分類

生物堿是指來源于生物界（主要是植物界）的一類含負氧化態氮原子的有機化合物。大多數生物堿分子結構中具有復雜的環狀結構，且氮原子多位于環內；大多具有堿性，可與酸成鹽；具有顯著的生物活性。一般來說，生物界除生物體必需的含氮有機化合物（如氨基酸、蛋白質、肽類、核酸、氨基糖、含氮維生素）外，其他含氮有機化合物均被視為生物堿。生物堿的分類方式主要有四種，一是根據植物來源分類；二是根據化學結構類型分類；三是根據生源途徑分類；四是按照生源途徑結合化學結構類型分類（圖2-1）。

十、其他成分的結構定義及分類

（一）其他甾體類

1.C21甾類　C21甾類（C21 steroids）稱孕甾烷類（pergine），是一類含有21個碳原子的甾體衍生物。C21甾類成分結構都是以孕甾烷或其異構體為基本骨架的羥基衍生物。

2.植物甾醇　植物甾醇（phytosterols）是甾體母核C-17位側鏈為8～10個碳原子鏈狀脂肪烴的甾體衍生物。

3.膽汁酸類　膽汁酸（bile acid）是膽烷酸（ cholanic acid）的衍生物，存在于動物膽汁中。

4.昆蟲變態激素　昆蟲變態激素（insect moulting hormones）可認為是甾醇的衍生物或甾醇類的代謝產物。該類化合物最初在昆蟲體內發現，是昆蟲蛻皮時必要激素。

5.醉茄內酯　醉茄內酯（withanolides）是一類高度氧化的、基本骨架為28個碳原子的麥角甾烷的C-26羧酸內酯類甾體化合物。1962年，Lavie和Yarden報道從以色列產茄科植物醉茄的葉中首次分離出一個結晶狀化合物，后經鑒定為含有28個碳原子的甾體化合物，命名為Withaferin　A。因該類化合物是首次從醉茄中分離得到，故稱此類化合物為醉茄內酯。

（二）鞣質

鞣質又稱為單寧（tannins），是由沒食子酸（或其聚合物）的葡萄糖（及其他多元醇）酯、黃烷醇及其衍生物的聚合物及兩者混合共同組成的植物多元酚。

（三）氨基酸、環肽、蛋白質和酶

1.氨基酸　氨基酸（amino acid）是一類既含氨基又含羧基的化合物。從結構上看，氨基酸是羧酸分子中羥基上的氫被氨基所取代的衍生物。根據氨基和羧基相對位置，即氨基處于羧基的鄰位（α位）、間位（β位）和間隔二位（γ位）等，將氨基酸分為α-氨基酸、β-氨基酸、γ-氨基酸等，其中以α-氨基酸占多數。此外，還可根據氨基酸分子中所含氨基和羧基的數目，分為中性氨基酸、酸性氨基酸和堿性氨基酸三類。中性氨基酸分子中的羧基和氨基數目相等；酸性氨基酸分子中羧基多于氨基；堿性氨基酸則氨基多于羧基。中藥中所含有的氨基酸，具有一些特殊的生物活性，這些非蛋白氨基酸稱為天然游離氨基酸。

2.環肽　環肽化合物（cyclopeptides）是指由酰胺鍵或肽鍵形成的一類環狀肽類化合物。目前得到的環肽類化合物根據其骨架可分為雜環肽和均環肽兩類，其中雜環肽又分為環肽類生物堿（13元環對-柄型、14元環對-柄型、15元環對-柄型）、縮酚酸環肽；均環肽又分為石竹科環肽和茜草科環肽兩類。環肽化合物主要來源于植物、海洋生物和微生物等。

3.蛋白質和酶　蛋白質（protein）和酶（enzyme）是生物體最基本的生命物質，蛋白質分子中的氨基酸殘基由肽鍵連接，形成含多達幾百個氨基酸殘基的多肽鏈。酶的化學本質是蛋白質，是活性蛋白中最重要的一類。

（四）脂肪酸類

脂肪酸是脂肪族中含有羧基的一類化合物。脂肪酸在生物體內幾乎均以酯的形式存在。根據結構中是否含有雙鍵可分為飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸兩大類。

（五）腦苷類化合物

腦苷類化合物（cerebrosides）又稱酰基鞘胺醇己糖苷，是由神經酰胺和己糖通過苷鍵連接而成的化合物，屬于神經鞘脂類。神經酰胺是由長鏈脂肪酸中的羧基與神經鞘氨醇的氨基經脫水以苷鍵相連形成的一類酰胺類化合物。

（六）無機元素

中藥中的無機元素尤其是微量元素是中藥的基本成分之一，也是中藥有效成分的重要組成部分。目前認為生命活動所必需的微量元素有15種：鐵、銅、鋅、錳、鉬、鈷、鉻、硒、鋇、鎳、鍶、錫、硅、碘和氟。隨著研究的不斷深入，人們發現微量元素在疾病的防治過程中發揮著重要作用。此外，中藥的藥性，如四氣、五味、歸經及中藥的功效與無機元素的含量也具有一定的相關性。

（七）海洋天然產物

海洋天然產物的結構類型主要包括大環內酯類（macrolides）、聚醚類（polyethers）、前列腺素（prostaglandins，PGs）、C15乙酸原（聚乙酰）類代謝物（C15 acetogenins）以及生物堿等其他類。

大環內酯類化合物是海洋生物特別是海洋微生物中常見的一類化合物，它們是由長鏈脂防酸形成的含有一個或多個內酯環的化合物，從八元環至六十二元環、大小差別較大。根據結構類型不同通常可分為以下幾類：簡單大環內酯類化合物、內酯環含有氧環的大環內酯類化合物、多聚內酯類化合物及其他大環內酯類。

聚醚類化合物是海洋中一類毒性成分，該類化合物的結構特點是雜原子相對于碳原子的比例較高。根據其結構特點，聚醚類化合物主要分為聚醚梯、線性聚醚、大環內酯聚醚和聚醚三萜四大類，其中聚醚梯和線性聚醚因結構巨大且毒性較強。該類化合物結構特殊、新穎、分子量大，多數對神經系統或心血管系統具有高特異性作用，聚醚類毒素有望在研制新型心血管藥和抗腫瘤藥中發揮重要作用。

前列腺素是一類具有20個碳的多不飽和脂肪酸衍生物，最初發現于哺乳動物的精囊中，是存在于哺乳動物和人體中的一種激素，但含量甚微，雖然結構不復雜，但全合成也甚為困難，限制了對其深入研究。1969年Weinheimer和Aproggins從佛羅里達附近的柳珊瑚Plexure homomalla中首次分離得到15-epi-PGA2和其甲酯的乙酰化物，從柳珊瑚中發現豐富的前列腺素是海洋天然產物最大的研究成果之一，不但改變了前列腺素研究的被動局面，也促進了海洋次生代謝產物的研究。所有前列腺素類化合物可以看作是前列酸的衍生物，由一個環戊烷與一個七碳側鏈和一個八碳側鏈組成的20個碳的非二萜類化合物。

C15乙酸原（聚乙酰）類代謝物是一類由乙酸乙酯或乙酰輔酶A生物合成的一類獨特的含有15個碳原子的非倍半萜類化合物，從其生源合成過程可以發現，它們是從十六碳-4，7，10，13-四烯酸衍生而來。

海洋產物中其他類的化學成分主要包括生物堿、萜類、甾醇和肽類等。其中，萜類化合物數量最多，約占海洋天然產物的45%，生物堿類次之，約占海洋天然產物的15%。