Hóa học hợp chất tự nhiên

www.trungtamtinhoc.edu.vn HÓA HỌC CÁC HỢP CHẤT TỰ NHIÊN CHEMISTRY OF NATURAL PRODUCTS BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM HỌC PHẦN Nguyen Ngoc Tuan, PhD.. Phân loại và c

www.trungtamtinhoc.edu.vn

HÓA HỌC CÁC HỢP CHẤT TỰ NHIÊN CHEMISTRY OF NATURAL PRODUCTS

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM

HỌC PHẦN

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

• Qui trình nghiên cứu các hợp chất thiên nhiên

Giới thiệu chung về hóa học các hợp chất thiên nhiên

NỘI DUNG

Phân loại và các nguồn chứa hợp chất thiên nhiên

1

NỘI DUNG

1

NỘI DUNG

Xác định các đặc tính của hợp chất thiên nhiên

1

NỘI DUNG

1 Introduction to the Chemistry of Natural Products 7

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 8

What are “Natural Products”?

Biological characteristics

• Compounds are generally characteristic of a particular

species or family, i.e., narrow taxonomic distribution ubiquitous)

(non-• 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

“primary metabolites”

1 Introduction to the Chemistry of Natural Products 9

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 10

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 11

Range of products from natural products:

1 Introduction to the Chemistry of Natural Products 13

Range of products from natural products:

MỞ ĐẦU

A country rich in biodiversity

Fungi World = 80,000 (Expected No = 1,500,000) Vietnam = 6,000

(Expected No = 150,000)

Birds World = 9,8201 Vietnam = 980

Plants World = 250,000 Vietnam = 12,000

Mammals World = 4,260 Thailand = 282

Other microbes World = 84,000

(Expected No = 1,600,000) Vietnam = 300

(Expected No = 100,000)

• Đối tƣợng:

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)

1 Introduction to the Chemistry of Natural Products 17

Natural products and Ecology

Bacteria Fungi Antibacterials

Antifungals

Plants

Antifungals Symbiosis

Insects

Antipest Attractants

Animals

Antifeedant Toxins

Toxins Pheromones Communication

Chemotaxis Communication

Tài liệu tham khảo:

1 Phương pháp nghiên cứu cây thuốc, Nguyễn Văn Đàn và Nguyễn Viết Tựu (1985), NXB Y học

2 Bài giảng dược 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

Dung, Tran Dinh Thang (2005) NXB Đại học Quốc

gia Hà Nội

1 Natural product Reports

2 Progress in the Chemistry of Organic Natural

Products

3 Studies in Natural Products Chemistry

28

http://www.khalidshadid.com/chemistry-of-natural-products.html

The 18th century …

◦ At the end of the 18 th 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

Quinine

caffeine Nicotine

Atropine Cocaine

29

◦ In the 19 th century, the chemical

structures of many of the

isolated compounds were

determined

◦ In the 20 th century, the discovery

of important drugs from the

animal kingdom, particularly

hormones and vitamins In

addition, microorganisms have

become a very important source

◦ 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

salicylic acid Aspirin Ibuprofen

Spirea

31

Sinh tổng hợp các hợp chất thiên nhiên

Bioassay

Active extract

(s)

Chromatographic fractionation

Chromatograp

hic fractions

Identification by

spectroscopic techniques,

e.g UV, IR, MS, NMR

Identified compounds

Bioassay

Identified bioactive compound (s)

2 Phân loại và các nguồn chứa các hợp chất thiên nhiên 2.1 Phân loại

Axit amin, peptit, protein

Hợp chất thứ

cấp

Terpenoit Steroit 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:

San hô

Sao biển

3 Thu mẫu nghiên cứu

Nấm linh chi được nuôi trồng tại Công ty CP Sinh học An Hà (BIO – ANHA)

Ngâm nước vôi 0,5%

Thêm dinh đưỡng Vào túi màng mỏng PP Hấp ở 121 0 C trong 120 phút

Bịch mùn cưa đã khử trùng

Bịch phôi

Nuôi ủ hệ sợi nấm cho đầy bịch

Chuyển qua nhà nuôi trồng, duy trì

Quy trình nghiên cứu thành phần hóa học và hoạt tính sinh học

4 Chiết tách hợp chất thiên nhiên

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

Nước Etanol Metanol Clorofom Ete Aceton

Anthocyani

Anthocyani

n Tecpenoit Alkaloit Phenol

Tinh bột Polyphenol Tecpenoit Flavonoit Tecpenoit Flavono

l

n

Tecpenoit Tecpenoit Xanthoxylin

Polypeptit Sterol Totarol

Lectin Alkaloit Quassinoit

Lacton Flavon Phenon Polyphenol

- 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

CHIẾT

Chiết lần lượt

Chiết Soxhlet

Ngâm

Sắc

Hãm

Thủy phân

Thẩm thấu

Chiết sóng siêu âm

Chiết

hỗ trợ

vi sóng

Các phương pháp chiết

Dịch chiết thô

-UV, IR, MS, NMR -X-ray, CD

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

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)

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

Mẫu nấm và

thực vật

Dịch chiết

HMQC, ROESY

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

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

7 Tổng hợp hữu cơ

8 Cơ sở dữ liệu về hợp chất thiên nhiên

hợp chất

Số lƣợng hợp chất thiên nhiên

Tên Trang chủ http:// Số lƣợng

hợp chất

Số lƣợng hợp chất thiên nhiên

>185.000 (Web) Chemical

9 Các nhà sản xuất các hợp chất thiên nhiên

Tên Trang chủ http:// Số lƣợng hợp chất Độ khả dụng

Gaia Chemical

Corporation www.gaiachem.com ∼500 Yes

Kosan Biosciences www.kosan.com N A Tổng hợp sau

khi đặt hàng Life Pharms Inc www.lifepharms.com 150.000 Yes

Magellan BioScience

Group Inc www.magellanbioscience.com >10.000 Yes

Martek Biosciences www.martekbio.com N A Yes

Mera Pharmaceuticals,

Micro-Source, Discovery

Systems, Inc www.msdiscovery.com N A N A

Sequoia Sciences www.sequoiasciences.com N A Yes

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 Asia

600.000

N A

Yes Yes

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 Trang chủ http:// Số lƣợng

hợp chất

Độ khả dụng

Ambinter www.ambinter.com/ 500-1.000 Yes

Analyticon Discovery www.ac-discovery.com/ ∼14.000 Yes Instituto Biomar, S.A www.institutobiomar.com/ ∼15.000 Yes InterBioScreen, Ltd GmbH www.ibscreen.com/ 41.000 Yes IRIS Biotech GmbH www.iris-biotech.de/ ∼1.200 Yes Moscow MedChemLabs,

WERNER BioAgents www.webioage.com/ 9 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)

www.trungtamtinhoc.edu.vn