第1章总论天然药物化学（第2版）

总论





1掌握常用的天然药物有效成分提取方法、分离方法及各类色谱填料的特点。
2熟悉天然药物化学研究范围和课程的学习重点、各类化合物的生物合成途径、天然化合物的结构研究方法。
3了解天然药物化学的发展概况。

第1节绪论
一、天然药物化学研究的内容及意义
天然药物是药学学科发展的基石,人类应用天然药物有着悠久的历史。自古以来，在人类获取食物和与疾病做斗争的过程中，通过以身试药以及历代经验积累，逐渐发展形成了具有各民族和区域特色的天然药物，天然药物为人类的繁衍昌盛做出了巨大的贡献。在人类日益倡导“回归自然”和“绿色运动”的今天，天然药物在世界范围内更加受到关注。
（一）天然药物化学的概念和研究内容
天然药物通常指来源于自然界中具有防治疾病作用的物质，可以是单一化学成分，也可以是多组分物质，其来源包括植物、动物、微生物和矿物。天然药物化学（medicinal chemistry of natural products）是运用现代科学理论和方法研究天然药物中的化学成分、寻找防治疾病的活性物质或有效成分的一门学科。其研究内容主要包括各类天然药物化学成分（主要是生理活性成分或药效成分）的结构特征，物理、化学性质，提取、分离和纯化方法，结构鉴定，生物合成途径，有效成分的半合成或全合成，结构修饰改造和构效关系等。
天然药物是一个广义的概念，具有悠久用药历史的中药、植物药均属于天然药物的范畴。天然药物是药物的重要组成部分，它之所以能够防治疾病，其物质基础在于所含的有效成分。然而天然药物的化学成分多数极其复杂，一种天然药物往往含有结构、性质不尽相同的多种成分，但并不是所有成分都具有防治疾病的作用。天然药物中所含有的化学成分通常被划分为有效成分、有效部位和无效成分或杂质。有效成分（effective constituent）一般指天然药物中经动物实验验证或临床上能够起到防治疾病作用的化学成分;有效部位（effective fraction）一般指天然药物中经动物实验验证或临床上具有防治疾病作用的一类或几类化学成分组成的混合物，它们可以是诸如总生物碱、总皂苷等某一大类成分，也可以是经提取分离得到的某个极性部分;而与有效成分共存的其他成分则一般视为无效成分。如中药甘草（Glycyrrhiza uralensis的根及根茎）含有甘草酸等多种皂苷以及黄酮类、淀粉、纤维素、草酸钙等成分。甘草酸（glycyrrhizin）具有抗炎、抗过敏、治疗胃溃疡等作用，被认为是甘草的代表性有效成分。在以甘草为原料的制剂中，应以有效成分甘草酸为指标性成分进行质量控制，而甘草中含有的淀粉、纤维素、草酸钙等则是无效成分或者杂质，在加工过程中应设法除去，以得到有效成分。……………………
需要强调指出的是：
第一，在中草药及其他天然药物中，真正搞清有效成分的品种并不多，多数情况下获得的只是经过体内或体外生物活性试验证明对机体具有一定生理活性的成分，它们并不一定是真正代表天然药物临床疗效的有效成分。



第二，一种天然药物往往含有多种有效成分，故可有多种临床用途。例如中药麻黄中含有麻黄碱（lephedrine）、伪麻黄碱（dpseudoephedrine）等多种有机胺类生物碱，其中麻黄碱具有平喘、解痉作用，而伪麻黄碱则有升压、利尿作用，它们是麻黄中具有不同药理作用的有效成分。又如中药鸦片中的吗啡（morphine）具有镇痛作用，罂粟碱（papaverine）具有解痉作用，而可待因（codeine）具有止咳作用，这三种作用不同的有效成分分别代表了鸦片不同的临床用途。
第三，有效成分和无效成分的划分是相对的，“有效”的概念针对的是某种特定疾病的治疗作用，同类成分在不同中药中的情况可能完全不同。例如鞣质，在多数中药中被认为是无效成分，尤其在中药注射剂中，因其能聚合产生沉淀使患者疼痛难忍而属于毒副作用成分，在生产中应尽量除去。但在地榆、大黄、五倍子等中药中，它们又是具有收敛、止血和抗菌消炎作用的有效成分。而且，随着研究的不断深入，一些原来认为的无效成分的药理作用被不断发现，如鹧鸪菜中的氨基酸具有驱虫活性，天花粉中的蛋白质具有引产活性，香菇多糖具有协同抗肿瘤活性。
第四，天然药物中的一些无效成分，虽然本身没有特定的疗效，但有的可能起到减毒增效的作用，有的可能有利于有效成分的溶出或中药制剂的稳定，在研究中同样不可忽视。


（二）天然药物化学在药学研究中的作用与地位
1寻找药物分子或先导化合物，研究开发新药天然药物是人类预防和治疗疾病的重要物质来源，不仅世界各国传统医学中使用的药物均属于天然药物，而且现代医学临床应用的许多化学药物最初也是从药用植物中开发出来的，如吗啡、奎宁、利血平、青霉素、长春碱、紫杉醇等。从国内外创新药物的研制历史可以看出，既可以从天然药物中寻找有效成分，直接开发成新药；也可以以活性成分作为先导化合物（leading compound），经过结构修饰制备有效衍生物，从中发现新药；还可以根据活性成分的结构进行人工设计和（或）人工合成。如青蒿素（qinghaosu,arteannuin,artemisinin）是我国科学家屠呦呦从菊科植物黄花蒿（Artemisia annua Linn）中分离得到的抗恶性疟疾的有效物质，具有高效低毒的特点，但在水和油中均难溶解，生物利用度低，影响其临床应用，经过结构修饰和改造，相继开发成功双氢青蒿素（dihydroartemisinin）、蒿甲醚（artemether）和青蒿琥酯（artesunate），现已有多种制剂用于临床，为人类健康做出了重要贡献。我国天然药物化学家屠呦呦教授也因为在青蒿素研究方面的卓越贡献而获得2015年诺贝尔生理学或医学奖。又如早期由南美洲古柯树叶中分离得到的可卡因（cocaine）具有局部麻醉作用，但毒性大且有成瘾性，其水溶液在制剂过程中常因加热灭菌导致水解而失效，经过结构改造后，人们获得了优良的局部麻醉药物普鲁卡因（procaine）。


在寻找新的先导化合物或开发新药的过程中，植物依然是天然药物化学研究者主要的研究对象。世界上的高等植物有近50万种，药用植物约14 500种，其中仅约5%的高等植物进行过药理筛选。我国幅员辽阔，复杂的地形、地貌特征和气候条件孕育生长了大量珍贵的生物资源，已证实的药用植物约11 800种，其中不少为我国特有植物，为发现生物活性成分、筛选先导化合物提供了极其有利的自然条件。我国各民族在长期与疾病作斗争的过程中，积累了宝贵的医学经验，传统中药、民族药、民间药是祖国医药学的重要宝库，从中研究开发新药前景广阔。
海洋占地球表面积的71%，其中蕴藏着极为丰富的生物资源。海洋生物生存在高压、高盐、低温、缺氧、低营养、弱光照的生长环境中，其次生代谢产物往往具有不同于陆生生物的独特新颖的化学结构，并表现出各种各样的生物学活性，成为一个潜在的巨大药物宝库。近年来，对海洋生物活性物质的研究日益增加，已逐渐成为天然药物研究的热点领域。此外，从菌类、微生物及其发酵产物等天然资源中寻找生物活性成分或先导化合物也是天然药物化学研究者关注的热点。
除了从天然药物中发现生物活性成分或先导化合物，开发成单一成分的药物外，从天然药物，特别是中药中开发有效部位新药也是天然药物化学工作者重要的研究任务和方向。有效部位药物不仅仍然具有传统中药多成分、多靶点、多途径协同作用发挥药效的特点，而且经过精制，除去无效成分，药理作用和临床疗效增强，服用剂量降低，达到了化学成分相对清楚、质量稳定可控的目的，符合中药现代化的发展趋势。
2探索天然药物防治疾病的物质基础及作用机制应用天然药物化学的研究方法与技术可以探索包括中药在内的天然药物预防和治疗疾病的物质基础，即相应的生物活性成分。研究方法有很多，目前较为常用的是针对某种疾病选择合适的生物活性筛选体系，在其指导下，综合运用现代提取分离和结构鉴定技术追踪分离获得药效成分，进而用药理实验或体外分子生物学实验阐明药效成分的作用机制。在此基础上，可以进一步研究有效成分的化学结构和生物活性之间的相关性，还可以应用现代科学技术，观察有效成分在体内的吸收、分布、代谢和排泄过程。中药和天然药物中的成分，由于具有比化学药更好的生物顺应性，在体内更易发生代谢，在一些情况下，其代谢产物才是真正的活性成分。如黄芩苷在体内水解成黄芩素后才可被吸收，番泻苷在体内真正发挥作用的是代谢产物大黄酸蒽酮。上述工作不仅对探索中药、天然药物防治疾病的作用基础和作用机制具有重要意义，还将有助于推动拥有自主知识产权的新药研究与开发。
中药复方是中医药防治疾病的主要手段，是在中医理论的指导下配伍组合而成的，强调整体调节作用，其疗效在长期临床实践中已得到充分验证。研究复方中的药效物质是中药复方研究的核心，采用现代细胞、分子和基因水平的研究方法探索中药复方不同化学层次的配伍规律、药效和作用机制，将有助于揭示中药复方多成分、多靶点、多途径协同作用防治疾病的科学内涵，使其达到安全、有效和质量可控。
3开发中药和植物药新资源随着我国医疗卫生事业的发展，中药的需求量日益增大，供需矛盾导致的过度采伐造成一些中药材资源严重匮乏，甚至一些中药材有濒临灭绝的危险。通过天然药物化学的研究方法，确定某种中药材所含的有效成分，就可以根据有效成分的化学结构和性质，在其他植物中寻找该成分，从而获得临床用药和工业生产的代用品，开发新的药用资源。如具有抗菌消炎作用的小檗碱（其盐酸盐称黄连素），最初是从毛茛科植物黄连中发现的，但黄连资源较为紧缺，供不应求，后来发现小檗科的三颗针、芸香科的黄柏等植物中也含有此成分。因此，三颗针等成为制药工业上提取小檗碱的主要原料。
4解决中药现代化的关键问题我国中药材拥有量居世界之首，但目前主要以原药材为主，高附加值的制剂在国际市场上占有率不高，究其原因，我国传统中药药效成分复杂、制剂质量不稳定、剂型服用不便等问题有待解决。天然药物化学的学科知识在与上述问题相关的中药质量控制、中药炮制、中药制剂、中药资源开发及品质评价、中药材规范种植等领域的研究中发挥着举足轻重的作用。
天然药物发挥防病治病的作用，取决于有效成分的存在及其含量的多少，而含量又受其品种、产地、采收季节、储存条件等因素的影响，其结果就会影响到临床疗效。例如汉防己中的有效成分生物碱的含量与产地有关，北京地区出产的汉防己中生物碱的含量为1%，而浙江出产的汉防己中生物碱的含量可达2%~3%。若仅以药材的重量作为标准，而不考虑有效成分的含量，必然难以保证制剂质量和临床疗效。如果从天然药物中分离出有效成分作为对照品，对药材进行定性和定量分析，则可有效控制制剂的质量，确保临床疗效。如银黄口服液，由金银花和黄芩两味中药提取的有效部位配制而成，其质量控制方法就是测定制剂中绿原酸（金银花中的有效成分之一）和黄芩苷（黄芩中的有效成分之一）的含量。
中药炮制是根据中医临床用药理论和药伍的需要，将药材进一步加工的传统技术，是祖国医药遗产的组成部分，其目的是消除和降低药物的毒性和副作用，改变药性，提高疗效。但传统炮制法没有客观标准可循，往往不同操作的人有不同的经验和方法，所得产品很难一致。例如中药黄芩，因其有小毒，需炮制后再作药用，炮制方法有冷浸法和热蒸法两种。药理实验表明，热蒸法的疗效优于冷浸法。其原因为有效成分黄芩苷在冷浸法炮制时容易被存在于同一植物中的酶水解为苷元，水解后苷元又容易被氧化变为带有绿色的物质，使其药理作用降低。因此黄芩的炮制以热蒸为宜，可破坏其共存酶的活性，使药材保持黄色为佳，并使药材软化容易切片，天然药物化学的研究结果为黄芩的炮制提供了科学依据。
中药的传统剂型如丸、散、膏、丹、汤剂等，虽然几千年来在保障我国人民健康方面发挥了巨大的作用，但已不能完全适应现代临床应用的需要。应在研究天然药物有效成分的基础上，对其进行提取分离、去粗取精，加工成现代药物剂型，如片剂、胶囊剂、注射剂等，从而满足临床用药安全、高效、便携、易服的需要。
二、天然药物化学发展概况
早在公元前，四大河流域文化发达地区的人民就开始了应用天然药物的漫长历史，经过不断的尝试和世代的积累、发展，在天然药物应用方面获得了丰富的经验，保留下来很多宝贵的医药学遗产。
（一）天然药物化学的产生和发展
人类应用天然药物的历史可谓源远流长。早在公元前2600年，两河流域的苏美尔人最早以楔形文字记载了用作药物的30种动物、植物和矿物。欧洲草药医学的创立者之一戴奥斯柯瑞迪（Pedanius Dioscorides）出版的《药物学》一书，收载了600种药用植物并记录了相应的采集、储存和使用方法，成为欧洲早期重要的医药经典著作。我国数千年前就有神农尝百草的传说；汉代的《神农本草经》记载了365种药物，其中主要是植物药、动物药和矿物药；明代李时珍整理编写的《本草纲目》共52卷，收载了1892种草药；清代赵学敏的《本草纲目拾遗》又补充了1021种，对东南亚、日本等国的草药研究产生了深远的影响。传统医药学的产生和发展对天然药物化学的产生起到了关键作用。
18世纪后期，瑞典化学家舍勒从多种植物中分离得到酒石酸等多种有机酸，促成了天然有机化学和植物化学的形成。19世纪初德国药剂师泽尔蒂纳（Sertürner）从鸦片中首次分离出单体化合物吗啡，开创了从天然药物中寻找活性成分的先河，也是天然药物化学初级阶段开始形成的标志。随着有机化学和天然药物化学的逐步发展，吐根碱、马钱子碱、士的宁、奎宁、麻黄碱、咖啡因、阿托品、洋地黄毒苷和苦杏仁苷等具有生物活性的单体化合物陆续从植物中被发现并应用于临床。
20世纪50年代，磺胺类化合物等合成药物得到爆发性发展，这一时期成为化学合成药物的黄金时代，而天然药物化学研究进入低潮。然而，一些较严重的药源性损害不断涌现，其中影响最大的是20世纪60年代初震惊世界的德国“反应停”事件，造成万例以上的短肢畸胎。当年的“反应停”是沙利度胺（thalidomide）的外消旋化合物，用以治疗妊娠呕吐，随后的研究发现其R型异构体具有良好的镇静和止吐作用，而S型异构体则具有强烈的致畸作用。由此，各国纷纷加强药品监管，对新药研究中毒性实验严格要求，导致新药上市数量急剧减少，研究费用增加，于是人们开始重新重视经千百年临床实践检验的天然药物。而青霉素的偶然发现和成功上市不但扩大了天然药物的研究范围，同时也加快了其发展速度。
1952年从印度民间草药蛇根木（Rauwolfia serpentina）的根中发现了具有较高治疗指数的降压药利血平（reserpine），1954年确定其结构，1956年完成全合成，这被认为是现代天然药物化学研究兴盛的开始。1958年美国科学家从长春花（Catharanthus roseus）中发现具有抑制肿瘤细胞微管聚合活性的长春碱（vinblastine），随后又发现了长春新碱（vincristine），1963年投入市场，给美国制药企业带来了3000万美元的年销售收入。1972年从非洲的卵叶美登木(Maytenus hookeri)中首先分离得到具有抗肿瘤作用的美登碱(maytansine)，临床对肺癌较有效。1969年美国科学家从太平洋红豆杉（Taxus brevifolia）中分离得到紫杉醇（taxol），1971年确定其结构，1992年美国FDA批准其用于卵巢癌和乳腺癌的临床治疗，紫杉醇被誉为20世纪最令人瞩目的抗肿瘤药物。



（二）我国天然药物化学发展概况
我国古代本草著作中记载着许多关于中药、天然药物化学成分研究的描述。例如，明代李梴的《医学入门》（1575年）记载了用发酵法从五倍子中制备没食子酸的全过程，是世界上最早制得的有机酸，比瑞典化学家舍勒的发明早了二百多年。关于樟脑的记载在我国最早见于1170年洪遵的《集验方》一书，《本草纲目》中很详细地描述了用升华法制备、纯化樟脑的过程，后由马可·波罗传到欧洲，而欧洲直到18世纪下半叶才提取出樟脑纯品。由此可见，古代中国的医药化学与其他自然科学一样，在世界处于领先地位，故有“医药化学源于中国”的高度评价。
尽管我国中医药理论博大精深、蕴涵丰富并且有着悠久的历史，但直到20世纪20年代，我国天然药物化学先驱赵承嘏先生等科学家才开始运用近代化学方法研究中药、天然药物，先后对延胡索、防己、贝母等多种中药中的有效成分进行研究，其中成就最大的是对麻黄碱的研究。1923年，我国现代药理学先驱陈克恢先生从麻黄（Ephedra sinica）中分离出麻黄碱纯品，并通过药理作用和临床疗效的研究证实其具有平喘作用，使麻黄碱成为世界范围治疗哮喘病的常用药物，同时奠定了我国天然麻黄碱制药工业的基础。在最初的三四十年中，我国科学家虽然在中草药有效成分和药理作用方面开展了一些艰苦的工作，但突破性成果不多。
中华人民共和国成立后，“中西医药结合创造新医学、新药学”和“中药现代化”的号召推动天然药物化学进入了蓬勃发展的新时代。一方面，我国科学家利用丰富的药用植物资源生产出麻黄素、芦丁、洋地黄毒苷、小檗碱等天然化学药物；另一方面，逐步实现了地高辛、阿托品、长春碱、长春新碱等依赖于进口的药物的自给自足；对于合成激素的原料药薯蓣皂苷元，则不仅满足了国内需求，还有大量出口。在天然创新药物的研发方面，从民间草药中开发出岩白菜素、川楝素、鹤草酚、羟基喜树碱等；利用我国传统中草药研制出青蒿素、三尖杉酯碱、山莨菪碱、齐墩果酸、石杉碱甲等；还通过结构修饰和改造生产出常咯啉、联苯双酯等，对我国创新药物的发展产生深远的影响。此外，我国的小檗碱、延胡索乙素、山莨菪碱、天麻素、咖啡因等一些天然药物已经能够实现工厂半合成、全合成供药。
（三）天然药物化学研究的发展趋势
随着现代科学技术的进步，天然药物化学得到了长足的发展。过去，一个天然化合物从天然药物中分离、纯化，到确定结构需要很长的时间，测定一个化合物的结构时，往往需要用化学方法进行降解或制成适当衍生物进行比较才可能确认，因此对样品的需求量较大，一般需要至少几百毫克甚至几克的纯化合物，十几毫克乃至几十毫克的物质往往难以确定结构。以吗啡为例，1804—1806年由德国学者发现，1925年提出结构，1952年人工合成，其间经历了约150年的时间。近几十年来，随着各种新的色谱学分离技术和光谱学分析鉴定方法的不断发现和利用，天然药物化学的研究速度和水平得到了很大的提高。仅以生物碱类成分为例，从第一个生物碱吗啡分离出来到确定其结构的150年间，发现生物碱的总数为950种，1952—1962年10年间发现的新生物碱的数目为1107种，而1962—1972年发现新生物碱3443种，又是前10年的3倍多，1972—1987年发现新生物碱4500多种，目前生物碱总数已超过1万种。
色谱技术的发展极大地推动和加快了复杂天然产物的分离纯化进程，过去由于技术手段限制研究甚少的水溶性成分、不稳定成分、微量成分以及生物体内源性生理活性物质的研究方法日趋成熟，一些具有较强生物活性的物质逐渐被发现。如从药用植物瑶山润楠(Machilus yaoshansis)茎枝的乙醇提取物中分离得到1个与腺苷偶联的微量三萜苷类成分，体外抗炎活性试验显示其具有显著的抑制大鼠巨噬细胞释放TNFα活性（IC5001μmol/L）。而蚕蛾醇（bombykol,10E,12Zhexadiene1ol）的分离鉴定可以作为超微量生理活性物质研究的一个典型例子，研究者从50万只蚕蛾中才得到12mg的蚕蛾醇NABS衍生物，这种雌性信息素10-10μg/mL的超微量浓度即对蚕的雄性成虫具有明显的诱引活性。


在天然化合物的结构鉴定中，随着高分辨质谱（HRMS）、二维核磁共振（2DNMR）、X射线单晶衍射等在仪器性能和测试技术方面的不断完善，化学方法已降至次要地位，成为辅助手段，只需要几毫克的样品量就可以借助仪器完成结构测定工作。相对分子质量在1000以下的大多数天然化合物甚至单用NMR技术就可以确定其结构；有的微量成分，相对分子质量虽然很大，结构也相当复杂，但如果能够培养好的单晶，单独采用X射线单晶衍射的方法就可以确定其分子结构。沙海葵毒素（palytoxin）的结构确定就是一个典型的例子，沙海葵毒素分子式C129H223N3O54，平均相对分子质量高达2680，含有64个不对称碳原子，如此复杂的庞大分子，从1974年分离得到纯品（从60kg原料中分离得到几毫克）到1981年确定其平面结构仅用了不到10年的时间。
在自然界蕴涵的生物资源中寻找天然药物分子或先导化合物始终是天然药物研究的重点领域，结构新颖的活性天然化合物一直是创新药物先导化合物的主要来源之一。色谱波谱联用技术[液相色谱质谱（HPLCMS、HPLCMSn）、液相色谱核磁共振（HPLCNMR）等]的发展为复杂混合样品的快速在线分离、分析创造了条件，可以在微克级水平高效、快速的识别、鉴定并有针对性地获取复杂天然产物样品中的新型结构化合物，配以高通量活性筛选技术，可以达到高效快速地从天然资源中发现微量新型结构活性天然产物的目的，为新药先导化合物的发现提供物质基础。现代分离纯化和结构鉴定技术与高通量活性筛选技术相结合应用于天然药物化学研究，改变了传统的天然药物化学研究模式，加快了天然药物的研究步伐。


天然药物与生物体的相互作用具有其特殊性和复杂性，有的天然药物是以单体原形形式在体内直接作用于特定靶点，有的则是进入体内经代谢后产生新的代谢物再作用于特定靶点而发挥作用，有的进入体内后通过调控内源性物质间接地发挥药理活性，还有不同天然药物作用于不同的靶点并发生协同作用，因而在活性筛选时应尽量采用体外和体内筛选模型相结合的方法，并且应加强对体内代谢过程的研究。从代谢产物中发现新药一直是国际上非常重视的领域，可以大大提高新药发现的概率，降低研发成本。中药和天然药物中的成分，由于具有比化学药更好的生物顺应性，在体内更易发生代谢，其代谢产物往往才是其真正的活性成分。
对活性天然化合物进行结构修饰、改造和构效关系研究是创新药物研究的重要环节。通过化学和生物学等方法，根据疾病的病因、发病机制、细胞生物学特点、受体的结构等寻找活性化合物尤其是有特殊作用机制的先导化合物，利用适当的药理模型研究分子的活性和毒性作用机制，在此基础上进行分子结构改造，研究分析不同活性分子的结构和构象差异，确定结构中的活性和毒性部位及官能团，据此进行结构优化，使毒性降低、活性和生物利用度提高。临床上应用的许多药物都是以新颖结构的活性天然产物为先导物，经过结构改造获得的结构优化产物。例如，氢化可的松经结构修饰发展出了一系列弱、中、高和强效的甾体激素药物；喜树碱副作用较大，其衍生物10羟基喜树碱则毒性降低，临床用来治疗肝癌和头颈部肿瘤等。
天然化合物的全合成和半合成也是天然药物化学研究的重要内容。在天然药物化学研究的早期，全合成主要是结构测定过程中的一种辅助手段。随着分离和结构鉴定技术的发展，目前天然化合物的全合成和半合成研究的主要目的是解决具有潜在应用价值的微量活性天然化合物的来源，以保护天然生物资源。以金属有机化合物为主，许多特殊的合成试剂和合成技术的发展，尤其是立体选择性合成的进步，含有多个不对称碳原子的天然化合物的全合成、半合成研究得到了快速发展。近年来较热门的紫杉醇的研究便是一个很好的例子，紫杉醇最初是从太平洋红豆杉的树皮中分离得到的，为解决其资源严重匮乏的问题，目前在生产上主要采用10去乙酰基巴卡亭Ⅲ半合成的方法，紫杉醇的全合成也已有文献报道。
除了采用常规化学方法进行合成或结构改造获得先导化合物外，广泛应用于生物制药领域的生物转化（biotransformation）技术近年来被引入到天然药物的研究中，以期能够充分利用生物体对外源底物进行生物转化而获得活性成分。生物转化是利用生物体或生物组织培养体系对外源化合物进行结构修饰，完成常规化学方法难以实现的化学反应，进行有机化合物结构的衍生化合成而获得有价值产物的研究，具有专一性强、反应条件温和、副产物少、产量高等优点。如以微生物（肠道细菌或真菌）对甾体、萜类成分的转化，可以实现某些化学惰性位置的结构修饰，同时也可以实现某些活性转化产物的定向制备，为活性天然产物的结构改造开辟了新的途径。
现代科学技术的进步和多学科理论方法的交叉渗透、综合运用，促使目前天然药物化学的研究速度明显加快，研究水平迅速提高，研究深度和广度日益加强。天然药物化学主要的发展趋势有：研究对象从传统的陆生动植物向海洋生物、微生物、生物体内源性生理活性物质等延伸，从单一中药或天然药物向中药复方扩展，从主成分向微量、超微量成分深入；研究范围从传统的萜类、生物碱类、甾体类等小分子结构的化合物向聚醚类、大环内酯类、多肽类等结构复杂的大分子化合物延伸，从脂溶性成分向水溶性成分拓展；研究方向由单纯化学成分的分离鉴定转变为以生物活性为导向的天然生物活性物质或先导化合物的发现。相信随着现代分离、结构鉴定和生物活性测试技术的飞速发展以及国家、地区、民族间文化交流的扩大，我国的天然药物化学研究必将取得更加丰硕的成果，为我国的新药创制和中药现代化做出更大的贡献。
第2节天然产物化学成分的生物合成
天然产物所含化学成分复杂多样，随着研究的不断深入，人们发现天然化合物的结构之间具有一定的规律性，各类天然产物在生物体内是经几种共同的生物合成途径代谢而成的。探讨和研究天然产物化学成分的生源途径和形成规律对整理天然药物化合物类群、发现先导化合物和天然药物资源的可持续发展都具有重要的意义。下面以植物中的有机化合物为例进行介绍。
一、一次代谢与二次代谢
植物体内的部分物质代谢与生物合成过程如图11所示。在代谢过程中，绿色植物中的叶绿素可以通过光合作用将二氧化碳和水合成为糖类，并释放氧气。生成的糖类进一步通过不同的途径（五碳糖磷酸途径及糖分解途径）代谢，产生三磷酸腺苷(ATP)及辅酶Ⅰ(NADPH)等维持植物机体生命所必需的物质，以及丙酮酸（pyruvic acid）、磷酸烯醇丙酮酸（PEP）、赤藓糖4磷酸、核糖等。核糖为合成核酸的重要原料；磷酸烯醇丙酮酸和赤藓糖4磷酸可进一步合成莽草酸（shikimic acid）；丙酮酸经过氧化、脱羧后生成乙酰辅酶A（acetyl CoA），再进入三羧酸TCA循环，生成一系列的有机酸及丙二酸单酰辅酶A（malonyl CoA，合成脂质的重要原料）等，并通过反应得到一系列氨基酸（合成含氮类化合物的重要原料）。上述过程几乎存在于所有绿色植物中，对维持植物生命活动来说是不可缺少的，习惯称为一次代谢过程。糖、蛋白质、脂质、核酸等对植物机体生命活动来说是不可缺少的物质，则称为一次代谢产物（primary metabolites）。
…………
图11植物体内的部分物质代谢与生物合成过程
代谢过程到此并没有停止，在特定的条件下，一些重要的一次代谢产物，如乙酰辅酶A、丙二酸单酰辅酶A、莽草酸及一些氨基酸等作为原料或前体物，又进一步经不同的代谢过程，生成如生物碱、黄酮、萜类等化合物。这一过程并非在所有的植物中都能够发生，对维持植物生命活动来说不起重要作用，故称为二次代谢过程。生物碱、黄酮、萜类等化合物则称为二次代谢产物（secondary metabolites）。二次代谢产物不仅具有维系植物形态特征的作用，而且由于它们的结构千变万化，又多具有明显的生物活性，因而成为天然药物化学的主要研究对象，也是活性先导化合物的主要资源。
二、主要生物合成途径
尽管从自然界得到的化合物数目众多，结构复杂多样，但仔细分析后可以发现它们均是由一定的基本单位按不同方式组合而成的。
常见的基本单位类型如下：
C2单位（乙酸单位）：如脂肪酸类、酚类、醌类等化合物。
C5单位（异戊烯单位）：如萜类、甾体类等化合物。
C6单位：如香豆素、木脂素等苯丙素类化合物。
氨基酸单位：如生物碱类化合物。
复合单位：由上述单位复合构成。
下面介绍几种天然产物的主要生物合成途径，这些途径大多数已采用同位素示踪试验得到了证实。
（一）乙酸丙二酸途径
乙酸丙二酸途径（acetatemalonate pathway,AAMA途径）是生物合成的主要途径之一，脂肪酸类、酚类、蒽酮类等物质均由这一途径生成。
1脂肪酸类天然饱和脂肪酸类均由AAMA途径生成。这一过程的出发单位是乙酰辅酶A，起延伸碳链作用的是丙二酸单酰辅酶A，碳链的延伸由缩合和还原两个步骤交替而完成，得到的饱和脂肪酸均为偶数（图12）。碳链为奇数的脂肪酸，起始物质不是乙酰辅酶A，而是丙酰辅酶A（propionyl CoA）。不饱和脂肪酸的主要生物合成途径为饱和脂肪酸碳链经环氧化、羟基化后脱水形成，主要过程如下：


图12饱和脂肪酸的生物合成途径
2酚类和蒽醌类天然酚类和蒽醌类化合物主要由乙酰辅酶A和不同比例的丙二酸单酰辅酶A缩合形成聚酮，再环合形成酚类和蒽醌类化合物（图13、图14）。与脂肪酸生物合成途径不同的是碳链延伸过程中只有缩合过程，没有还原过程，生成的聚酮链的大小与丙二酸单酰辅酶A的比例有关。聚酮类化合物根据分子结构中乙酸单位的数目可以分为聚戊酮类（pentaketide）、聚己酮类（hexaketide）、聚庚酮类（heptaketide）等。
图13酚类化合物的生物合成途径
图14蒽醌类化合物的生物合成途径
（二）甲戊二羟酸途径
甲戊二羟酸途径（mevalonic acid pathway,MVA途径）是由乙酰辅酶A出发，经甲戊二羟酸形成焦磷酸二甲烯丙酯（DMAPP）及其异构体焦磷酸异戊烯酯（IPP），进而以不同方式形成萜类化合物的途径（图15），详细介绍可参见萜类相关章节。各种萜类分别经由对应的焦磷酸酯得来；三萜及甾体则由反式角鲨烯（transsqualene）转变而成，它们再经氧化、还原、脱羧、环合或重排，生成种类繁多的三萜（triterpenoids）和甾体（steroids）类化合物。

图15甲戊二羟酸途径图15（续）
（三）莽草酸途径
莽草酸途径（shikimic acid pathway）是由赤藓糖4磷酸经环合、还原形成莽草酸，进一步转化成苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸等化合物的生物合成途径（图16）。

图16莽草酸途径由莽草酸转化得到的苯丙氨酸是桂皮酸的前体，故莽草酸是桂皮酸的前体。但莽草酸也是色氨酸、酪氨酸等其他芳香氨基酸的前体，这些芳香氨基酸与生物碱的生物合成密切相关，而对天然苯丙素类化合物的生物合成贡献相对较少，因此现在通常用桂皮酸途径定义苯丙素类化合物的生物合成途径。桂皮酸途径（cinnamic acid pathway）是由苯丙氨酸（phenylalanine）经苯丙氨酸脱氨酶（phenylalanine ammonialyase,PAL）脱去氨后生成的桂皮酸，再经环化、氧化和还原等多种反应形成苯丙素类化合物的生物合成途径（图17）。

图17桂皮酸途径
天然化合物中具有C6C3骨架的苯丙素类（phenylpropanoid）、香豆素类（coumarin）、木脂素类（lignan）、木质素类（lignin）以及具有C6C3C6骨架的黄酮类化合物（flavonoid）在自然界极为多见。其中的C6C3骨架多由桂皮酸途径而来，桂皮酸还可经氧化、还原等反应生成具有C6C2、C6C1及C6等骨架的化合物。
（四）氨基酸途径
氨基酸途径（amino acid pathway）是以氨基酸为前体，脱羧形成有机胺中间体，再经环合、氧化、还原和重排等反应形成以生物碱为主的天然产物的生物合成途径（图18）。

图18氨基酸途径并非所有的氨基酸都能转变为生物碱。已知作为生物碱前体的氨基酸，在脂肪族氨基酸中主要有鸟氨酸（ornithine）、赖氨酸（lysine）；芳香族氨基酸中有苯丙氨酸（phenylalanine）、酪氨酸（tyrosine）及色氨酸（tryptophane）等，由这些芳香族氨基酸衍生的生物碱类占绝大多数。
（五）复合途径
复合途径(combination pathway)是指天然化合物的生物合成途径中包括两种或两种以上的不同的生物合成途径。在复杂天然化合物的形成过程中，经常涉及多种途径共同完成，不同途径构成不同的结构片段，经环合、缩合、氧化还原等过程形成最终产物。
常见的复合生物合成途径有以下几种：
（1）乙酸丙二酸莽草酸途径（桂皮酸途径）；
（2）乙酸丙二酸甲戊二羟酸途径；
（3）氨基酸甲戊二羟酸途径；
（4）氨基酸乙酸丙二酸途径；
（5）氨基酸莽草酸途径。
例如查耳酮（chalcone）或二氢黄酮（flavanone）的生物合成途径是乙酸丙二酸桂皮酸途径（图19）。
图19复合途径
第3节天然药物的提取分离方法
天然药物的有效成分提取分离是用适当的方法将植物、动物等生物体中的有效成分或生物活性物质分离出来的过程。只有将有效成分或生物活性物质提取出来并加以分离纯化，才能够开展深入的研究工作，因而天然药物的提取和分离在天然药物化学研究中始终占有重要的地位。在进行提取之前，应考察所用材料的基源（如动、植物的学名）、产地、药用部位、采集时间与方法等信息，并系统地查阅文献，以便充分了解和利用前人的经验。
如果目标物为已知成分或已知化学结构类型，如从麻黄中提取麻黄碱，或从植物中提取某类成分，如总皂苷、总生物碱或总酸性成分，工作比较简单,一般通过查阅有关资料全面了解该种或该类成分的各种提取方案，尤其是工业生产方法，再根据具体情况加以选用。如果从中药或天然药物中寻找未知有效成分或有效部位，情况就要复杂得多,一般是根据预先选定的目标，在适当的活性测试体系指导下，进行提取、分离，并通过体外和体内模型进行筛选，或经临床验证，才能达到目的。
一、天然药物有效成分的提取方法
天然药物有效成分的提取方法可分为经典提取方法和现代提取方法。经典提取方法有溶剂提取法、水蒸气蒸馏法和升华法等，其中溶剂提取法最为常用。现代提取法包括超临界流体萃取法、超声波辅助溶剂提取法、微波辅助溶剂提取法等。
在提取前，首先要对待提取的药材进行预处理,应根据选择的提取方法对药材进行干燥和适当的破碎，通过增大样品的表面积使溶剂更易于渗入细胞以提高提取效率。种子类药材常含有大量油脂，通常采用压榨法或有机溶剂萃取脱去大量油脂；叶或花中的蜡、树脂和叶绿素也可先用石油醚处理除去；苷类成分的提取，为防止酶的水解，可用乙醇或沸水处理，抑制或杀灭酶的活性，但若要提取苷元或次生苷，则要保留酶的活性。
（一）溶剂提取法
1基本原理溶剂提取法是根据天然药物中各种化学成分的溶解性能，选择对有效成分溶解度大而对其他成分溶解度小的溶剂，用适当的方法将所需化学成分尽可能完全地从药材组织中溶解提出的过程。具体操作方法：根据所要提取物质的性质，选择合适的溶剂，加入到经适度破碎的药材中，溶剂在渗透、扩散作用下渗入药材组织细胞内部，溶解可溶性物质，造成细胞内外溶质的浓度差，从而带动溶质做不断往返的运动，直至细胞内外溶液中被溶解的化学成分的浓度达到平衡，将此溶液滤出，即提出所需化学成分。为使提取更加充分，可向过滤后的药渣中再加入新溶剂，重复上述过程多次。
采用溶剂提取法从天然药物中提取所需成分遵循“相似相溶”原理，即天然药物中的成分在溶剂中的溶解度与溶剂的性质直接相关。溶剂根据极性的不同，可分为水、亲水性有机溶剂和亲脂性有机溶剂。常用的甲醇、乙醇是亲水性比较强的溶剂，它们的分子较小，并且存在羟基与水分子的结构近似，可和水以任意比例混溶。正丁醇分子中虽有羟基，但分子中的碳链较长，与水分子性质逐渐疏远，与水仅能部分互溶，在与水互溶达到饱和状态后，能与水分层，常用来从水中萃取极性较大的物质，如皂苷等。石油醚、三氯甲烷等为烃类或卤代烃类，属于亲脂性强的有机溶剂。
常见溶剂的极性强弱顺序可表示如下：
石油醚(低沸点→高沸点)＜二硫化碳＜四氯化碳＜苯＜二氯甲烷＜三氯甲烷＜乙醚＜乙酸乙酯＜正丁醇＜丙酮＜乙醇＜甲醇＜水＜吡啶＜乙酸。
被溶解的成分由于分子结构的差异也有亲水性和亲脂性程度的不同。一般来说，两种基本母核相同的成分，其分子中官能团的极性越大或极性官能团的数目越多，则整个分子的极性越大，亲水性越强，亲脂性越弱；其分子中非极性部分越大或碳链越长，则整个分子的极性越小，亲脂性越强，亲水性越弱；如果两种成分的结构相似，则分子的平面性越强，亲脂性越强。
依据相似相溶的原理，天然药物中的亲水性成分易溶于亲水性溶剂，亲脂性成分则易溶于亲脂性溶剂，因此，在实际工作中可针对天然药物化学成分的性质，选择相应的溶剂进行提取。例如，甾体、萜类等脂环类及芳香类化合物，因极性较小，易溶于三氯甲烷、乙醚等亲脂性有机溶剂；糖苷、氨基酸等类成分极性较大，易溶于水及含水醇中；酸性、碱性及两性化合物，其存在状态（分子或离子形式）随溶液pH变化，溶解度随之改变；生物碱盐类因能够离子化，极性加大而易溶于水，不溶或难溶于有机溶剂；而多数游离生物碱是亲脂性化合物，易溶于三氯甲烷等亲脂性有机溶剂，难溶或不溶于水。
然而天然药物化学成分十分复杂，各成分间相互影响，存在增溶现象或发生化学作用，使溶解性能有所改变，因此，从天然药物中提取活性成分很难有一个固定的模式，需根据多方面的因素进行综合考虑。
2溶剂的选择溶剂提取法的关键是选择适当的溶剂。选择溶剂时应考虑：①溶剂对所需成分的溶解度要大，对杂质溶解度要小，或反之；②溶剂不能与天然药物成分发生包括可逆反应在内的任何化学反应；③溶剂要经济、易得、使用安全；④沸点适中，便于回收。
在具体操作中，可根据不同的提取方式选择适当的溶剂。
（1）单一溶剂提取
1）水：水是一种强极性的溶剂，对药材细胞穿透力大。天然药物中，如糖类、氨基酸、蛋白质、鞣质、生物碱盐、有机酸盐、大多数苷类、无机盐等亲水性成分都可被水溶出。对于碱性、酸性等成分，为了增加其溶解度，也常用酸水或碱水作为提取溶剂。例如多数生物碱是亲脂性化合物，在水中溶解度低，但与酸结合成盐后可离子化，极性增大，成为亲水性物质，故常用酸水提取生物碱；而有机酸、黄酮、蒽醌等酸性及酚性成分，则常用碱水提取。使用水作为提取溶剂具有廉价易得、安全无毒等优点，但是也存在不少不足：水提取液（尤其是含糖及蛋白质者）易霉变，难以保存；某些含果胶、黏液质较多的药材，水溶液常呈胶状，很难过滤；含淀粉多的药材，加热过程中易于糊化，过滤困难；水提取液中若含有皂苷、黏液质类成分，在减压浓缩时会产生大量气泡，造成浓缩困难，需要通过加入少量戊醇或辛醇消泡等方式来克服。
2）亲水性有机溶剂：指甲醇、乙醇、丙酮等极性较大且能与水相互混溶的有机溶剂，其中乙醇最为常用。乙醇能与水以任意比例混溶，溶解极性成分，同时具有较强的穿透能力，对一些亲脂性成分也有很好的溶解性能，因此提取范围较广，效率较高，且提取液易于保存、过滤和回收，毒性小，价格相对便宜，来源方便，但易燃问题需要注意。甲醇具有与乙醇相似的性质，但因为有毒性，使用较少。
3）亲脂性有机溶剂：指石油醚、三氯甲烷、乙醚、乙酸乙酯等极性较小，与水不能混溶的有机溶剂。这些溶剂具有较强的选择性，天然药物中的亲脂性成分如油脂、挥发油、脂溶性色素、某些游离生物碱及一些苷元等均可被提出。此类溶剂穿透力较弱，常需长时间反复提取。这类溶剂容易挥发，故易于浓缩回收，但多易燃、毒性大、价格较贵、对设备要求高，使用时应注意安全，应用具有一定的局限性。
4）酸性、碱性有机溶剂：如果有效成分是酸性或碱性化合物，常可加入适当的酸或碱，再用有机溶剂提取。如生物碱在植物体内一般与酸结合成盐存在，在药材中加入适当的碱液，拌匀，使生物碱游离出来，再用有机溶剂（如三氯甲烷）提取。同样，加酸可使有机酸类成分游离，再用有机溶剂提取。
5）反应溶剂：通常内酯类化合物不溶于水，其内酯环遇碱水解成为羧酸盐而溶于水，再加酸酸化，可重新形成内酯环不溶于水，从而与其他杂质分开。但有些内酯类化合物用这种方法处理会发生异构化而难以恢复原来的结构，应引起注意。
（2）不同极性溶剂分步提取：除了选择某种单一溶剂提取出药材中的大部分成分外，还可以选择3~4种不同极性的溶剂，由低极性到高极性分步进行提取，使各成分依据其在不同极性溶剂中的溶解度的差异而得到分离。一般先采用低极性、与水不互溶的有机溶剂，如石油醚、三氯甲烷、乙酸乙酯等进行提取；然后再用能与水互溶的有机溶剂，如丙酮、乙醇、甲醇等进行提取；最后用水提取。这样可以使药材中的非极性成分与极性成分得到初步分离，本法常用于制备供前期生物活性筛选的样品。
需要强调指出的是，在新药开发和药品生产中，除要根据待提取物质和溶剂的性质选择溶剂外，还要充分考虑药品中残留溶剂的安全性问题。所谓药品中的残留溶剂系指在原料药或辅料的生产中，以及在制剂制备过程中使用的，但在工艺过程中未能完全去除的有机溶剂。根据人用药品注册技术要求国际协调会（International Conference on Harmonization of Technical Requirements for Registration of Pharmaceuticals for Human Use,ICH）颁布的残留溶剂研究指导原则将溶剂分为4类：第一类溶剂是指人体致癌物、疑为人体致癌物或环境危害物的有机溶剂，因其具有不可接受的毒性或对环境造成公害，应避免使用，如苯、四氯化碳等；第二类溶剂是指有非遗传毒性致癌（动物实验）、或可能导致其他不可逆毒性（如神经毒性或致畸性）、或可能具有其他严重的但可逆毒性的有机溶剂，此类溶剂应限制使用，如三氯甲烷、环己烷、二氯甲烷、甲醇等；第三类溶剂是指GMP(good manufacturing practice)或其他质量要求限制使用，对人体低毒的溶剂，如丙酮、正丁醇、乙醇、乙酸乙酯等；第四类溶剂是指在药品生产过程中可能会使用到，但目前尚无足够毒理学资料的溶剂，如石油醚、三氟乙酸等。《中华人民共和国药典》2020年版中规定的药品中常见残留溶剂的种类和限度见表11。

表 11药品中常见的残留溶剂及限度溶剂名称限度/%溶剂名称限度/%第一类溶剂(应该避免使用)苯00002四氯化碳000041,2二氯乙烷000051,1二氯乙烯000081,1,1三氯乙烷015第二类溶剂(应该限制使用)乙腈0041氯苯0036三氯甲烷0006环己烷03881,2二氯乙烯0187二氯甲烷0061,2二甲氧基乙烷001N,N二甲基乙酰胺0109N,N二甲基甲酰胺0088二氧六环00382乙氧基乙醇0016乙二醇0062甲酰胺0022正己烷0029甲醇032甲氧基乙醇0005甲基丁基酮0005甲基环己烷0118N甲基吡咯烷酮0053硝基甲烷0005吡啶002四氢噻吩0016四氢化萘001四氢呋喃0072甲苯00891,1,2三氯乙烯0008二甲苯0217第三类溶剂(药品GMP或其他质量标准要求限制使用)乙酸05丙酮05甲氧基苯05正丁醇05仲丁醇05乙酸丁酯05叔丁基甲基醚05异丙基苯05二甲基亚砜05乙醇05乙酸乙酯05乙醚05甲酸乙酯05甲酸05正庚烷05乙酸异丁酯05乙酸异丙酯05乙酸甲酯053甲基1丁醇05丁酮05甲基异丁基酮05异丁醇05正戊烷05正戊醇05正丙醇05异丙醇05乙酸丙酯05三乙胺05第四类溶剂(尚无足够毒理学资料)1,1二乙氧基丙烷1,1二甲氧基甲烷2,2二甲氧基丙烷异辛烷异丙醚甲基异丙基酮甲基四氢呋喃石油醚三氯乙酸三氟乙酸3提取方法常用的溶剂提取方法有浸渍法、渗漉法、煎煮法、回流提取法及连续回流提取法等。为避免提取过程中成分发生变化，一般采用玻璃或搪瓷器皿进行提取。
（1）浸渍法(maceration)：浸渍法是将处理过的药材用适当的溶剂在常温或温热（＜80℃）的条件下浸泡以溶出有效成分的方法。此法适用于有效成分遇热易破坏及含有多糖、淀粉、果胶、黏液质、树胶等物质较多的药材，操作方便，简单易行,但提取时间长，效率低，以水为溶剂时浸提液易霉变，必要时需加适量的甲苯、三氯甲烷等防腐剂。
（2）渗滤法(percolation)：渗滤法是将适度粉碎的药材置于渗滤筒(percolator)中，连续添加溶剂使其自上而下慢慢渗过药材，从渗滤筒下端流出浸出液的一种动态提取方法。当溶剂浸出有效成分向下移动时，新鲜的溶剂或较稀的溶液便会及时补充其位置，能够保持良好的浓度差，故提取效率高于浸渍法。本法在常温下进行，选用的溶剂多为水、酸水、碱水及不同浓度的乙醇等，适用于提取遇热易破坏的成分。不足之处是溶剂消耗量大，提取时间长，操作比较麻烦。渗滤装置如图110所示。
（3）煎煮法（boiling）：煎煮法是将药材加水加热煮沸以提取有效成分的方法，是我国中医常用的中药传统提取方法。此法操作简单（注意勿使用铁器），药材中的大部分成分可被不同程度地提取出来，提取效率高于浸渍法、渗漉法等冷浸方法，适用于有效成分能溶于水且热稳定性好的天然药物的提取，但不适于提取含挥发性成分及有效成分遇热易破坏的天然药物。煎出液杂质较多，特别是含多糖类丰富的药材，煎出液黏稠，难以过滤，且容易发生霉变。
（4）回流提取法（reflux）：回流提取法是使用易挥发的有机溶剂，如乙醇、三氯甲烷等，加热回流提取天然药物中的有效成分的方法。有机溶剂由于沸点低，为避免挥发损失和污染环境，需采用加热回流装置。本法提取效率高，但溶剂消耗量仍较大，操作较麻烦，对热不稳定成分的提取不宜采用此法。
（5）连续回流提取法(soxhlet)：连续回流提取法是在回流提取法的基础上改进的，能用少量溶剂进行连续循环回流提取，充分将有效成分浸出的方法。实验室中常用索氏提取器进行提取，其装置如图111所示。该法提取效率高，溶剂用量少，但浸出液受热时间长，故不适用于热不稳定物质的提取。

图110渗滤装置图111索氏提取器
1冷凝管；2溶剂蒸气上升管；3虹吸回流管；
4装有药物的滤纸筒；5溶剂；6水浴




（6）超临界流体萃取法(supercritical fluid extraction，SFE)：超临界流体（supercritical fluid,SF）是指当某物质处于其临界温度（Tc）和临界压力（Pc）以上时，形成的一种既非液体又非气体的特殊相态。超临界流体兼有气体和液体的双重特性，既有与气体相近的黏度，又有与液体相近的密度，具有良好的溶解特性和传质特性，其扩散系数大、黏度小、渗透性好，且介电常数随压力增大而增加，因此对许多物质有很强的溶解能力，可作为溶剂进行萃取。
可用作超临界流体的物质很多，如二氧化碳、乙烷、一氧化二氮、六氟化硫、乙烯等，其中最常用于天然产物提取的是二氧化碳。二氧化碳具有溶解能力强、传质速率高、安全、无毒、无污染、可循环利用、成本低等多方面的优点，因而在超临界流体技术中具有广泛的应用。
虽然通过调节压力与温度可以方便地改变超临界二氧化碳的溶解性能，但是单一的超临界二氧化碳对某些溶解度很低、选择性不高的物质仍具有局限性，因此夹带剂的应用越来越广泛。夹带剂可以提高被分离组分的溶解度，改善或维持选择性。常用的夹带剂大多为甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯等有机溶剂。
SFE是一种利用某物质在超临界区域所形成的流体，对天然药物中有效成分进行萃取分离的新型技术。通过控制不同的温度、压力以及不同种类及含量的夹带剂，使超临界流体有选择性地把极性大小、沸点高低和相对分子质量大小不同的成分依次萃取出来。
超临界二氧化碳萃取技术（SFECO2）与传统的化学法萃取相比具有许多优点：①萃取和分离合二为一，操作方便，选择性和溶解性能好，萃取速度快，工艺流程短，产品纯度高，适用于极性较大和相对分子质量较大的物质的萃取；②具有较低的临界压力(Pc=739MPa)和临界温度(Tc=311℃)，便于在室温和可操作的压力下操作，适用于对热不稳定、容易氧化分解的成分的提取；③二氧化碳的溶解特性容易改变，在一定温度条件下，只要改变压力或加入适宜的夹带剂即可提取不同极性的物质；④二氧化碳的化学性质不活泼，无传统溶剂提取法易燃易爆的危险，无毒、无污染、无溶剂残留，而且来源丰富，可循环利用，成本低；⑤可与GC（gas chromatography）等其他色谱技术及IR（infrared radiation）、MS(mass spectrometry)等联用，快速有效地对天然物质进行提取、分离、测定，实现提取与质量分析一体化。但这种方法也具有一定的局限性，如对脂溶性成分溶解能力强，对极性大或相对分子质量大的成分萃取较难，需加入与溶质亲和力较强的夹带剂（水、甲醇、乙醇、戊醇等）以提高溶解度，或需在很高的压力下进行；而且所用设备投资较大，运行成本高，清洗较为困难，给工业化和普及带来一定的难度和限制。
本法主要适用于提取分离挥发性成分、脂溶性成分、高热敏性成分及易氧化分解成分，已广泛应用于挥发油、生物碱类、香豆素和木脂素类、黄酮类、萜类、醌类等天然药物有效成分的提取分离。
（7）超声波辅助溶剂提取法(ultrasonic assisted extraction，UAE)：超声波辅助溶剂提取法是一种利用外场介入强化提取过程的技术。超声波具有三大效应：①机械效应，即超声波使介质质点在其传播空间内产生振动，从而强化介质的扩散和传质效应；②空化效应，即超声波使介质中溶解的气泡产生振动，当声压达到一定值时，气泡由于定向扩散而增大，形成共振腔，然后突然闭合，使其周围产生高达几千个大气压的压力，使生物体细胞壁及整个生物体在瞬间破裂，释放出有效成分；③热效应，超声波在传播过程中，声能不断地被介质所吸收，吸收的能量几乎全部转变为热能，从而导致介质本身和待萃取成分温度升高，增大了有效成分的溶解度。这种吸收声能引起生物体组织内部温度的升高是瞬时的，因此可使被提取成分的生物活性保持不变。此外，超声波的一些次级效应（如乳化、扩散、击碎、化学效应等）也促进了生物体中有效成分的溶解、扩散和与溶剂的充分混合。