1、高中化学竞赛讲义设计天然产物化学第六章 醌类2020高中化学竞赛讲义天然产物化学2020苏州中学竞赛讲义第五章 醌类化合物一、结构类型（一）苯醌类(benzoquinones)是醌类中最简单而重要的一类化合物。从结构上分为邻苯醌和对苯醌两大类。邻苯醌不稳定，故天然界存在的大多为对苯醌。在醌核上多有-OH、-OMe、-Me等基团取代。信筒子醌（embilin）存在于白花酸藤果、木桂花等的果实中。为橙红色板状结晶；其活性驱除肠寄生虫（驱涤作用）辅酶Q10（coenzymes Q10）用于治疗心脏病、高血压及癌症。对苯醌类在碱性下可被次亚硫酸钠还原为氢醌（hydroquinones）。但后者不安定，
2、在光、热或适当氧化剂作用下，很容易被重新氧化成对苯醌类。很多醌类化合物，正是通过这种可逆的氧化还原过程，在生物体内起着重要的电子传递媒介作用，参与生物体内许多重要的氧化还原过程。（二）萘醌类(naphthoquinones)从结构上可分为：迄今为止，从天然界得到的几乎均为-萘醌类。如：胡桃醌。存在于植物胡桃的叶及未成熟果实中。熔点159；橙色针状结晶；具有抗菌、抗癌及中枢神经镇静作用。兰雪醌（plumbagin）橙色结晶活性抗菌、止咳、祛痰存在于白雪花全草等植物。（三）菲醌类(phenanthraquinones)有两种类型：如：丹参醌类成分丹参醌类成分具有抗菌及扩张冠状动脉的作用。临床上治疗
3、冠心病、心肌梗塞、治疗由金黄色葡萄球菌引起的疾病。（四）蒽醌类(anthraquinones)位 1，4，5，8位 2，3，6，7meso（中位） 9，10依据其还原程度的不同，将其分成以下三类：1.蒽醌衍生物根据-OH在母核上分布的位置不同分两类：（1）大黄素型（-OH在羰基的两侧） 如：（2）茜草素型（-OH在一侧苯环上）2.蒽酚（或蒽酮）衍生物依其还原程度的不同而分为蒽酚和蒽酮。蒽酚、蒽酮性质不稳定，故只存在于新鲜植物中。3.二蒽酮类衍生物依据聚合度分二蒽酮类衍生物。如：番泻叶中致泻的主要有效成分番泻苷A、B、C、D属此类成分。二、理化性质（一）物理性质1.性状 颜色 无Ar-OH近乎于
4、无色，助色团越多，颜色越深。 如：黄、红、橙、紫红等 天然醌类多为有色晶体（苷元、极性不大的苷类）。存在状态： 苯醌、萘醌多以游离状态存在； 蒽醌类则往往结合成苷而存在于植物中。2.溶解度 H2O MeOH EtOH Et2O CHCl3游离醌 + + + +成 苷 +（热） + + 有些醌类对光不太安定，故处理时应避光。3.挥发性小分子的苯醌、萘醌类具有挥发性，能随水蒸气蒸馏，可据此进行提取、精制工作。4.升华性游离的醌类多具有升华性，蒽衍生物在常压下加热即能长华。5.不同pH条件下显不同的颜色如： OH- 中性 H+ 紫草 兰 紫 红 大黄 红 黄（二）化学性质1.酸性醌类多具有Ar-OH
5、的存在，故显酸性，易溶于碱水中，加酸酸化时又可重新沉淀析出用于碱提酸沉分子中Ar-OH的数目、位置不同则酸性强弱有差异，例如：-羟基蒽醌，实际上为插烯酸结构，表现出与羧酸类似的酸性，见下图：在-羟基蒽醌中，羟基受羰基的吸电子影响，使羟基上氧原子电子密度降低，故质子解离度增高，酸性较强。在-羟基蒽醌中，由于羟基上的H与相邻羰基形成分子内氢键，降低了质子的解离度，故酸性很弱。以游离蒽醌类衍生物为例，酸性强弱将按下列顺序排列： 含-COOH 2个以上-OH 1个-OH 2个-OH 1个-OH 5%NaHCO3 5%Na2CO3 1%NaOH 5%NaOH 可用于提取分离例：试比较下列化合物的酸性强弱
6、D A C B2.颜色反应此类反应主要取决于醌类氧化还原性质及存在的酚-OH的性质。（1）Feigl反应（菲格格）醌类氧化还原过程醌类衍生物在OH-下经加热能迅速与醛类及二硝基苯反应，生成紫色化合物。原理如下： 从上述反应中可知，在反应中醌类仅起一电子传递媒介作用，醌类成分含量越高，则反应速度也越快。试验：（2）无色亚甲蓝显色试验 苯醌、萘醌区别于蒽醌无色亚甲蓝溶液用于PPC及TLC作为喷雾剂，能检出苯醌及萘醌，样品在白色背景上作为蓝色斑点出现。（3）碱性条件下的显色反应羟基醌类在碱性溶液中发生颜色改变，会使颜色加深。多呈橙、红、紫红色及蓝色。Borntragers反应（保恩特来格）羟基蒽醌类
7、化合物遇碱显红紫红色的反应。反应机理如下： 形成了新的共轭体系呈色反应与形成共轭体系的酚羟基和羰基有关。所以，羟基蒽醌以及具有游离酚羟基的蒽醌苷均可呈色。 O 蒽酚、蒽酮、二蒽酮蒽醌 呈色 氧化例：检查中药中蒽醌类成分（4）与活性次甲基试剂反应 （Kesting-Craven法） 苯醌、萘醌区别于蒽醌当苯醌及萘醌类化合物的醌环上有未被取代的位置时，即可在氨碱性下与一些含有活性次甲基试剂（如：丙二酸酯、乙酰醋酸酯等）的醇溶液反应，生成兰绿色或兰紫色。即：如果结构中有-OH存在，影响反应的灵敏度，速度减慢或不发生反应。例：下列化合物中哪一个能反应，哪个不能或受抑制。 醛（或酮）中的活泼氢，在碱的作
8、用下，失去一个氢，形成一个负碳离子，但是负碳离子旁还有一个碳氧双键，因此这个负电荷可以分配在碳氧原子之间，也就是说，发生离域的作用，使这个负离子特别稳定，也就是这个原因，碳上的氢很容易被碱移去。（5）与金属离子反应在蒽醌类化合物结构中，如果有-酚羟基或具有邻二酚羟基时，则可与Pb+、Mg+等金属离子形成络合物。以醋酸镁为例：与Pb+形成的络合物在一定的pH条件下能沉淀析出，故可精制。与醋酸镁形成的络合物具有一定的颜色，可用于鉴定。在母核上： 1个-OH 或 1个-OH 或 2个-OH不在同环时 （邻位有-OH） （间位有-OH） （对位有-OH）据此可用于进行羟基的定位。三、提取分离（一）游离
9、醌类的提取方法1.有机溶剂提取法2.碱提取酸沉淀法该法可用于提取含酸性基团（Ar-OH、-COOH）的化合物。3.水蒸气蒸馏法适用于小分子的苯醌及萘醌类化合物。（二）游离羟基蒽醌的分离1.pH梯度萃取法依据结构中Ar-OH位置、数目不同，酸性强弱不同，来进行分离。一般的分离过程如下：2.层析法 吸附剂硅胶、聚酰胺（Ar-OH） *不易用氧化铝，尤其不易用碱性氧化铝产生化学吸附例：利用极性差异进行分离（三）蒽醌苷与游离蒽醌衍生物的分离苷及苷元在CHCl3中溶解度不同，苷不溶，苷元及其衍生物易溶于CHCl3故可分离。在植物体内，苷及苷元多通过酚羟基或-COOH结合成Mg+、K+、Na+、Ca+盐形
10、式存在，为充分提取，必须预先加酸进行酸化使之全部游离后，再进行提取。例：（四）蒽醌苷类的分离由于蒽醌苷类水溶性较强，分离精制较困难，故现多用柱色谱进行分离。柱层析载体常用有：硅胶、聚酰胺、葡萄糖凝胶、纤维素等。分离前，多进行预处理除部分杂质。预处理方法：1.铅盐法2.溶剂法用极性较大的溶剂将苷类从提取液中提取（萃取）出来。四、结构鉴定（一）衍生物的制备1.甲基化反应目的保护-OH、测定-OH数目及成苷的位置。反应条件： (1)反应物甲基化易难： -COOH -OH Ar-OH -OH R-OH ( 酸性越强，质子易解离，甲基化易 ) (2)试剂的活性 CH3I (CH3)2SO4 CH2N2
11、(3)溶剂溶剂的极性强，甲基化能力增强例：曲菌素的甲基化反应2.乙酰化反应 (1)反应物的活性： R-OH -OH -OH 强 弱（易与羰基形成氢键） （亲核性越强，越容易被酰化） (2)酰化试剂的活性 乙酰氯 醋酐 酯 冰醋酸 CH3COCl (CH3CO)2O CH3COOR CH3COOH (3)催化剂的催化能力 吡啶 浓硫酸例：曲菌素的乙酰化反应（二）波谱学方法1.紫外光谱（UV）（1）苯醌类的紫外吸收特征（2）萘醌类的紫外吸收特征主要有四个吸收峰：引入助色团（如-OH，-OMe）使相应吸收峰红移醌环上引入助色团影响257nm红移（不影响苯环引起的吸收）苯环上引入-OH影响335nm红
12、移到427nm（3）蒽醌类的紫外吸收特征蒽醌有四个吸收峰：羟基蒽醌类有五个主要吸收带（比母核多230nm强吸收峰）第 峰 230 nm左右第 峰 240 260 nm （苯样结构引起）第 峰 262 295 nm （醌样结构引起）第 峰 305 389 nm （苯样结构引起）第 峰 400 nm （醌样结构中 C=O引起）-OH取代将影响相应的吸收带向红位移吸收带的具体峰位与吸收强度与母核上取代基的性质、数量及排列方式有关。（详见教材）2.醌类化合物的红外光谱（IR）羟基蒽醌类化合物的红外区域有： VC=O 1675 1653 cm-1 （伸缩振动） V-OH 3600 3130 cm-1 （
13、伸缩振动） V芳环 1600 1480 cm-1 （骨架振动）母核上无取代 两个C=O只给出一个吸收峰：1675cm-1芳环上引入一个-OH时，给出两个C=O吸收峰： 1675 1647 （游离C=O） 1637 1608 （缔合C=O）3.醌类化合物的核磁共振光谱（NMR）1H-NMR(1)醌环上的质子（苯醌和萘醌）当醌环上有一个供电取代基时，将使醌环上其它质子移向高场。位移幅度大小如下顺序：(2)芳环质子具有芳氢的只有萘醌（最多4个）及蒽醌（最多8个）。可分为-H及-H组。当有取代基时，峰的数目及峰位都将改变。13C-NMR13C-NMR已经广泛用于醌类化合物的结构研究，并通过测定大量数据
14、，已经累积了一些经验规律。（1）1,4-萘醌类醌环上取代基的影响；如：C3-OH或-OR（烷氧基）取代引起C3向低场移约20ppm； C2向高场移约30ppm。苯环上取代基的影响；（2）9,10-蒽醌类一侧苯环上有取代，另一侧苯环无取代时，无取代苯环各碳移位值变化较小，即取代基的跨环影响不大。4.醌类化合物的质谱（MS）主要特征如下：（1）分子离子峰通常为基峰；（2）失去12分子CO；（3）特征碎片峰：(m/z) P-苯醌82、80、54、52 1,4-萘醌104、76、50 9,10-蒽醌180、152、90、76五、生物活性（一）泻下作用 如：大黄中主要泻下成分为二蒽酮类成分（二）抗菌作用
15、 大黄酸、大黄素、芦荟大黄素等具有此作用（三）其它作用 抑制大鼠乳癌及艾氏腹水癌有明显作用 对cAMP磷酸二酯酶有显著的抑制作用在历史上，醌类化合物曾在染料工业中占有重要地位，最知名的蒽醌染料是茜素，是一种早为古埃及人和古波斯人所知道的天然染料。它存在于亚洲的茜草根中。早在700年时茜草在欧洲已成为商品，并且在欧洲移植，于1868年年产量已增至约7万吨。虽然茜素在1826年才第一次被分离出来，但所有早期测定其结构的尝试均告失败。1868年格雷柏和利伯曼最终确定了茜素的结构，并合成了它。合成的茜素不久把天然茜素驱逐出市场，结果对西欧的农业经济造成相当的影响。由于合成染料代替了天然染料后，人们对醌类化合物的兴趣逐渐减少，甚至不予理会。直至有人发现了醌类化合物的生理作用，才再度引起人们对这类化合物的研究。
