天然产物药物的高效集群式化学修饰合成方法技术领域
本发明属于天然药物研究开发技术领域，具体涉及一种天然产物药物的高效集群
式化学修饰合成方法。
背景技术
药理活性和成药性是新药创制的两大要素，成药性是由分子的物理化学性质、生
物化学性质、药代动力学性质和安全性所支撑。以来源于动物、植物、海洋生物、矿物等天然
药物化学成分为先导物的新药研究是药物研究的重要途径。天然药物具有多样性和复杂性
结构。天然活性物质是良好的先导物, 但未必能满足成药性要求, 因此需要对其进行结构
修饰和优化。天然产物作为药物研究的先导化合物有其无法替代的独特性质, 比如紫杉
醇、红霉素和利福霉素等天然产物不仅具有各自独特的生物学活性，而且还可以帮助科学
家们理解重要的生物过程。组合化学技术兴起之后，药物研发的重心曾从天然产物转向了
化学全合成。尽管这些技术在提供筛选样品数量、优化结构方面相当成功，大量的化合物库
已经建立起来，但30年来获批的完全基于组合化学技术的创新药物却很少。根据统计结果
显示，现在已经上市的药物中70％以上的药物与天然产物有关。因此，天然产物是新的药物
结构、新药研发的重要来源。
天然产物具有显著的生理学活性，可作为大多数药物研发的先导化合物。但是很
多天然产物中的有效单体实际上可能是药物的前体，而且有些单体在体内难于转化成高活
性结构，表现为治疗效果较差。另有研究发现，天然产物中多含氧原子，如羟基，羰基以及双
键等官能团结构。临床应用的药物的结构中却多含氮原子，卤素原子，硫原子等。因此，仅仅
采取直接从天然产物中分离获得有效单体来进行药物筛选评价的研究思路难以获得高疗
效的药物，而基于对天然产物中成分结构进行有目的修饰才可以达到提高药物活性，治疗
专一性，同时降低毒副作用的目的。
综上所述，以天然产物的基本骨架为基础进行有目的的结构改造和修饰是获得结
构和性质多样性的药物新型化合物的重要途径。
然而，由于天然产物来源有限、所以导致其价格昂贵，并且通过传统的分离、提取
方法得到的成份或组分含量很低，如果在此基础上再进行后续的结构修饰，会使产率进一
步降低，成本进一步升高，所以传统的天然产物分离提纯然后再进行结构修饰改造的技术
路线越来越不能满足高通量药物筛选的需求，极大地阻碍了药物的研发速度，提高了最终
药物的销售成本，影响了人类健康生活水平的提高。因此，发展新的更加高效的化合物的结
构改造和修饰技术，对于满足新药筛选所需的新化合物需求，加速新药的研发和上市速度，
提高人类生活卫生健康水平，促进人类医学药学研究水平的提升具有重要意义。
现有的天然产物结构修饰方法可以分为两大类。经典的修饰方法就是经过一系列
分离提取技术得到单一的化合物单体，然后将单体经过一系列合成、分离提纯步骤之后得
到相应的目标产物。这种修饰方法优点是每一步的反应物明确单一，但是具有高生物活性
的成分往往在天然产物中的含量较低，经过一系列合成反应、分离提纯步骤之后很难得到
足够量的产物用于结构修饰，更不适合量少化合物的结构修饰，同时提高了药物筛选的成
本，因此不能够满足目前药物行业研究中高通量药物筛选的需求。
除经典的修饰方法以外，通过组合修饰的方法也能得到一系列先导化合物。这种
修饰方法多数是通过分离提纯后的单体化合物与多种试剂进行同时组合反应，分离提纯后
可以同时得到一系列取代基不同的类似物。国内外的研究者利用固相或液相合成对糖类、
脂肪酸类、黄酮类等天然产物进行组合修饰，得到类天然产物化合物库，但是此类方法对于
反应物的条件要求比较苛刻，需要先经过分离提纯天然产物得到单体成分，并要求提纯的
成分必须具备羟基等基团、必须要可以与树脂发生偶联反应，连接在树脂上才可行。该类方
法对于天然产物本身结构特点和含量要求较为苛刻，因此并不能适用于通用性构建天然产
物化合物库。
我们分析中药有效成分的物质基础发现，其主要的化学组成成份中具有高度的结
构集群（相同或相似结构化合物的集合）特点。例如：传统中药当归、川穹等天然植物分离产
物中含有多种相似结构的苯肽内酯类化合物，它们结构中都含有苯并内酯结构，只是在苯
环和内酯环上的取代基位置或种类不同、或者立体结构不同。黑香豆、野香荚兰、兰花中含
有多种香豆素类化合物，包括简单香豆素类，呋喃香豆素类，吡喃香豆素类等多种衍生物，
它们的结构中都含有相同结构：苯并吡喃环。很多中药含有多种黄酮类、多糖类、醌类、皂苷
类、萜类结构物质的集群。这些高度的结构集群往往官能团相同、性质类似，极性相近，可以
通过简单的溶剂粗提等方式进行组分富集。简单粗提富集后的混合组份中有很多官能团相
同、性质类似，极性相近的化合物，如果对这些化合物集群不像传统那样进行一个个的单独
分离提纯后再进行分别单独修饰改造，而是将粗提的混合物集群与相同的试剂进行集群反
应修饰改造，这样可以一步同时得到很多结构和性质相似的新的化合物集群，然后再进行
修饰化合物群的分离，这样就可以一步分离同时得到新的化合物单体库。这种新的化合物
修饰改造方法不仅可以大大提高天然化合物的修饰改造效率，显著缩减了修饰改造、分离
提纯的工艺步骤，极大地降低化合物修饰改造过程中原料和溶剂等耗材的用量，同时也能
提高天然产物的利用效率，降低药物修饰改造的成本，此外更是一种低碳环保的药物修饰
改造技术方法，基于新药研发需求提出该研究课题，具有广阔应用前景。新药创新重在筛选
先导化合物的源头创新。因此，本发明公布了一种天然产物药物高效率集群式化学修饰合
成方法，旨在建立通用性的快速构建新型类天然化合物库的技术，可以快速提供大量的、多
样性的新型化合物，满足新药筛选对于化合物结构多样性和高通量的要求。对于拓展医药
行业研究领域的研究思路，提升药物研究开发的速度，促进人类医药健康事业的发展具有
重要的意义。
发明内容
本发明的目的就是提供一种天然产物药物的一种高效集群式化学修饰合成方法。
本发明的另一目的就是通过实施例介绍这种天然产物药物的高效集群式化学修
饰合成方法的运用。
本发明所述的一种天然产物药物的集群修饰合成方法包括以下步骤：先对天然生
物药物中的成份进行提取，然后针对天然药物提取化合物混合物中的某一类反应官能团添
加一种或多种反应物进行修饰合成反应，待反应物与天然产物提取混合物进行充分反应之
后再对合成得到的修饰化合物混合物进行分离纯化，结构鉴定和药物功能研究。
本发明所述的天然生物药物中的成份提取方法主要是指超临界/超声波/微波辅
助的溶剂萃取，或者采用溶剂蒸汽蒸馏提取，或者采用溶剂浸泡后机械压榨提取等工艺。
本发明所述的提取化合物混合物是指从天然生物药物中提取出来的化合物母核
结构类似，具有同种类型反应官能团的多个化合物组成的集群，用通式表示如下：C1-G，C2-
G，C3-G，C4-G，......，Cx-G 。其中C1，C2，C3，C4，......，Cx表示提取出的混合物集群中各
个类似化合物结构中的母核，G表示与化合物集群中各个化合物母核结构相连的相同反应
基团。
本发明所述的相同反应基团G主要是指碳碳双键/三键，或者芳香环，或者羟基，或
者羰基，或者羧酸/羧酯/羧酰胺基，或者卤原子，或者活泼α氢原子，或者氨基/胺基，或者磺
酸/磺酸酯/磺酰胺基，或者酮/醛基团，或者环氧基，或者巯基/硫醇，或者醚/硫醚键，或者
磷酸/磷酯/磷酰胺等具有反应活性的基团。
本发明所述得到的修饰化合物混合物的分离纯化方法主要是指柱色谱分离纯化、
分馏精馏纯化、膜分离纯化、分级沉淀分离纯化等工艺。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
天然生物药物经过简单的粗提得到的混合物集群不经分离纯化同时与相同的试剂进
行集群式化学反应修饰改造，这样可以一步同时得到很多结构和性质相似的新的化合物集
群，然后再进行修饰化合物群的分离，这样就可以一步分离同时得到新的化合物单体库。这
种新的天然产物药物化合物修饰改造方法不仅可以大大提高天然化合物的修饰改造效率，
显著缩减了修饰改造、分离提纯的工艺步骤，极大地降低化合物修饰改造过程中原料和溶
剂等耗材的用量，同时也能提高低含量天然产物的利用效率，降低药物修饰改造的成本，此
外更是一种低碳环保的、通用型的、可以快速构建新型类天然化合物库的药物修饰改造技
术，有利于满足新药筛选对于化合物结构多样性和高通量的需求。对于拓展医药行业研究
领域的研究思路，提升药物研究开发的速度，促进人类医药健康事业的发展具有重要的意
义和广阔的应用前景。
附图说明
图1是茶叶中提取的多酚类物质结构图。
图2是四种苦豆子生物碱类化合物结构图，分别是1羽扇豆碱，2苦参碱，3鹰爪豆
碱，4金雀花碱。
具体实施方式
以下通过具体的实施例详细介绍本发明中一种天然产物药物的高效集群式化学
修饰合成方法的运用。
实施例一
现代医学研究结果表明,山药具有多种生物活性,如调节和提高机体免疫力、延缓衰
老、抗肿瘤、抗氧化、抗突变和降血糖等多方面的功能,其主要功效成分是山药多糖(Common
Yam Rhizome polysaccharide, 简写为：CYRP)。多糖硫酸酯或称硫酸酯化多糖是指含有硫
酸基团的天然及其半合成的酸性多糖,为聚阴离子化合物,具有抗病毒、抗肿瘤、抗凝血和
增强免疫等生物学活性。为了提高中药多糖的生物活性,可通过硫酸化修饰等方法对其进
行结构改造,获取更多的多糖硫酸酯。本实施例主要列举了山药多糖的粗提富集、集群式硫
酸化修饰和分离纯化。
山药多糖(CYRP)的提取：
用水煮-醇沉淀法。取淮山药饮片,粉碎后用80%乙醇浸泡过夜,用80%乙醇回
流脱脂,弃去乙醇,取药澄置于锅中,并加8倍水60℃煮4h,四层纱布过滤,药渣同法再
煎1次,两次滤液合并。先减压浓缩再水浴浓缩至含生药0.5 g/mL,离心得上清液。缓缓向上
清液中加入3%的三氯乙酸,至无沉淀生成,静置1h后,离心得上清液。取部分上清液加95%乙
醇使醇浓度达到80%,静置过夜,取出沉淀干燥,得不同分子量的山药总多糖(CYRPt)。
多糖的集群式硫酸酯化修饰：
将带有搅拌和冷凝装置的三颈烧瓶置盐水-冰浴中,氯横酸与吡啶的体积比为1:4,先
加入预冷的无水吡啶25 mL,剧烈搅拌,使之充分冷却,再将氯磺酸40min内逐滴加入,见烧
瓶中出现大量淡黄色固体,停止反应,制备得到酯化试剂。精密称取山药总多糖(CYRPt)
300 mg,加入磺化试剂,70℃反应3h。反应结束后冷却至室温,反应液加入预冷的100 mL冰
水,边搅拌边加入NaOH中和至pH为7。加入3倍体积的无水乙醇,静置24 h,取沉淀用超纯水
水透析3天,透析液冷冻干燥得硫酸化山药多糖(sCYRPt)。
硫酸化山药多糖(sCYRPt)的分离纯化：
用Sephadex G-100 柱层析分离：取直径16 mm,长800 mm的玻璃层析柱,垂直固定在铁
架台上,柱底留1-3cm的蒸馏水,把溶胀好的填料倒入柱中,自然沉降,不可有断层,不可含
气泡。用0.1 mol/L氯化钠溶液洗脱液洗脱,平衡过夜。将sCYRPt配制为50 mg/ml的水溶液,
取10 mL用滴管缓慢加入柱内,打开出口,使样品完全渗入凝胶后,加入约5 cm柱高的洗脱
液,然后接上恒压洗脱瓶开始洗脱,调节柱中洗脱液流速0.33 mL/min,每14min收集一管。
用苯酚-硫酸法检测,以洗脱体积为横坐标,吸光度为纵坐标绘制洗脱曲线,按出峰收集组
分,透析,浓缩,干燥,得纯化的不同分子量级别的硫酸酯化山药多糖sCYRP1、sCYRP2、
sCYRP3、sCYRP4、sCYRP5、sCYRP6、sCYRP7、sCYRP8、sCYRP9。
实施例二
茶多酚是从绿叶茶中提取出的多酚类物质，具有高效的抗氧化、抗癌、辅助治疗心血管
疾病、精神疾病、肺损伤、关键炎等多种药理保健功效。茶多酚中的儿茶素ECG和EGC及其氧
化产物等,有助于抵制斑块增生,降低纤维蛋白原,使血凝变清,从而抑制动脉粥样硬化。茶
多酚具有潜在的杀伤癌细胞和提高机体免疫力,并能有效的抑制亚硝酸盐等致癌物质的合
成。另外,茶叶中的儿茶素类化合物对多种癌症的预防和辅助治疗,都有很好的效果。但是
茶多酚氧化稳定性和脂溶性差，需要进行修饰改性。
茶多酚的提取：
称取茶叶原料粉碎至20目左右,料液比1:12的去离子水于80℃提取2次,每次30min,过
滤合并滤液。在浸提液中加入茶多酚与锌摩尔比为2.5：1的氯化锋溶液,碳酸氢钠溶液调节
pH=6,沉淀30分钟后过滤得到茶多酸锌配合物,去离子水洗涂至无氯离子检出,得到茶多酚
锌浸膏。然后在2mol/L的稀硫酸、料液体积比为1:4、20℃酸解20min,茶多酚从络合物里游
离出来,直至沉淀被酸解完全,1-2倍体积醋酸乙酯萃取2次,醋酸乙酯层旋转蒸发,50℃左
右真空浓缩干燥,得黄色粉末或结晶茶多酚产品。茶叶中提取的多酚类物质结构见图1所
示。
茶多酚的乙酰化修饰改性：
在10ml乙酸乙酯中加入1g茶多酚，搅拌溶解后加入8ml乙酸酐和0.32g吡啶做催化剂，
在75℃下搅拌回流3h。结束反应后用少量去离子水洗涤、静置分层、乙酸乙酯层减压蒸馏，
真空干燥后得乙酰化修饰的茶多酚混合产物。
茶多酚乙酸酯的分离纯化：
色谱柱:C18,(3.9x150mm)，检测器:双波长紫外检测器，检测波长:278nm，
流动相A:分别将90mL乙酸乙酯、20mL乙酸、2mLEDTA(lOmg/mL)加入lOOOmL容量瓶中用
重蒸水定容。溶液需过0.45um的膜。流动相B:分别将800mL乙酸乙酯、20mL乙酸、2mLEDTA
(lOmg/mL)，加入lOOOmL容量瓶中定容至刻度。溶液需过0.45um膜。流速:1.0mL/min;AUFS=
2.000。柱温:35℃。先用流动相A洗脱，然后用流动相B洗脱。每10分钟接收1管，旋转蒸发，干
燥，得不同组份的乙酰化茶多酚。
实施例三
苦豆子是我国西北地区十分常见的野生植物资源，资源相当丰富，其有效成分—生物
碱的含量较高，如地上部分含总碱约 6.11%～8.03%，成熟种子含约 8.11%。生物碱是苦豆
子中目前研究得较多的一类物质，主要作为一种药物原料来开发，研究发现苦豆子生物碱
在抗肿瘤、抗菌、抗心率失常、抗乙肝、免役等方面具有重要的药理活性和应用前景。目前用
来治疗慢性乙型肝炎的特色新药“苦参素”的主要成分氧化苦参碱就是苦豆子生物碱的一
种，此外，利用苦豆子生物碱抗菌、杀菌、抗病毒的生物活性，可以用来生产农药、消毒类产
品。
生物碱由于其水溶性和吸收性差，所以需要进行结构修饰。图2示出四种苦豆子生
物碱类化合物结构，由于苦豆子中生物碱的种类多，有的生物碱结构和性质接近，如果直接
分离纯化带来了一定困难，现阶段较系统地提取、分离、纯化苦豆子生物碱的生产实用技
术、工艺还很不成熟。因此本实施例直接对分离富集的苦豆子碱进行集群式化学修饰合成，
然后再进行分离纯化，这样相比传统方法可以降低生产成本、提高经济效益。
苦豆子生物总碱的提取：
将苦豆子粉研磨至60目以下，称取250g加入到烧杯中，然后按照液料比20：1（V/W）的比
例加入PH0.4的稀盐酸水溶液，在室温进行搅拌提取18h，然后就行离心固液分离，连续提取
2次，将离心分离得到的液相收集在一起进行低温减压浓缩，低温干燥的苦豆子生物总碱。
苦豆子生物总碱的乙酸化修饰：
将苦豆子生物碱、氯乙酸钠按照胺基碱量摩尔比例1:1加入到DMF溶剂中，搅拌溶解，然
后在60℃反应20h,用稀盐酸调节PH为5.6，重结晶分离，低温干燥。
乙酸化苦豆子生物碱单体的分离纯化：
样品制备:将乙酸化苦豆子生物碱溶解在乙醇和水混合溶剂中,再加入适量的经过处
理的柱层析硅胶,充分搅拌后,挥干溶剂,等待上柱。
湿法装柱:将玻璃层析柱(5Omm x 600mm),洗净,晾干,在柱底部铺上一层玻璃纤
维或脱脂棉,用乙醇作洗脱剂,将硅胶拌成糊状,搅拌,使其中的气泡全部溢出"打开色谱柱
下端活塞,将少量糊状物倾入柱中,并用吸耳球轻轻敲打玻璃柱使硅胶均匀沉降"应当注意
的是,容积表面始终不能低于硅胶的表面,好的柱子填料应当适度紧密，均匀,并且不能有
气泡存在,否则会影响分离效果。
上样及洗脱:将下面的活塞打开,待溶剂层下降至硅胶面时,将制备好的样品均
匀撒于硅胶上,再加少量的乙醇,然后再打开活塞,如此两三次后,用不同比例的乙醇/
水梯度洗脱,每50mL/瓶收集洗脱液,同时注意用TLC监测，对于同一单体收集液进行合并，
最后对各个单体收集液进行减压浓缩，低温真空干燥。
由以上3中不同天然产物药物的集群式修饰实施例可以看出，天然产物药物的集
群式修饰技术路线相比传统的修饰技术路线，不仅步骤少，天然产物药物的利用率高，而且
在得到相同的修饰化合物的同时可以节约很多的反应和分离纯化用溶剂。特别是对于含量
很低的天然产物药物组份的修饰更是一种优选的修饰技术路线，有利于加速和促进天然产
物药物的研究和开发。
天然产物传统修饰技术路线是：天然动植物——粗提物——分离纯化——单
体——化学修饰——单体修饰后的分离纯化——修饰单体（一种）。
天然产物集群式修饰技术路线是：天然动植物——粗提物——集群式化学修
饰——天修饰混合物的分离纯化——修饰单体（多个）。