推荐一个综合化学实验

渠桂荣 王菲菲 郭海明 王东超 李建平 赵扬

摘要：本文介绍了一种提取芦丁的新方法，即以水为溶剂、石灰乳调节碱性、超声波破碎细胞壁，从裂叶苣荬菜或槐米中分离提取芦丁。利用UV、IR、1H-NMR波谱技术结构对所提取的芦丁进行了表征，同时对芦丁的疗效、用途与开发的价值做了简要介绍。该实验知识要点多、学科覆盖面广、友好环境无污染、贴近生活、安全可操作性强、实验效果好、能调动学生的学习积极性，有利于培养学生综合能力与创新思想的形成，体现了科研成果转化为实验教学的优越性。

关键词：芦丁；绿色提取；结构表征；综合实验

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）10-0234-02

大学教育改革的总体目标是提高大学生的动手能力、创新能力和服务于社会的能力，实验教学正是培养创新人才的重要途径。基础单元操作实验能让学生了解和体验实验的过程，提高学生的动手能力，综合实验与设计实验能让学生既动手又动脑，培养学生的科学实验素养，逐步提高学生解决实际问题的能力，从而真正提高学生的创新能力与综合素质。我们作为国家级实验教学实验中心，多年来牢牢抓住基础实验教学，以培养学生的实践动手能力与探索精神为目标，力求发现、发展与挖掘学生的个性与潜质。我们以培养学生基本操作技能、实际动手能力和创新能力为主线，构建了抓住基础、推崇应用、重视能力、引领创新为核心的实验教学课程体系，采取迎合市场需求、分专业按需求的分流培养模式，获得河南省教学成果一等奖[1]。在该课程体系中学生的应用与创新能力培养是关键，必须借助于后期的综合实验与设计实验来完成。为了提高设计性和综合性实验比例，开发、凝练、建设一批能激发学生兴趣、启迪科学思维、训练探索精神、引导学生创新的实验教学项目，我们实验教学中心每年都面向全院教师征集本科生综合实验教学项目。要求教师从自己的科研成果中寻找尽可能贴近生活，贴近社会，与学科前沿相结合并能激发学生科研兴趣的研究内容。在实验设计上力争做到使用无毒或少毒的药品或试剂，体现绿色化学的教学理念，在实验仪器使用上尽可能选择实验中心现有仪器设备，同时考虑实验成本、实验的可行性和安全性等因素。通过申述答辩、专家评审逐项打分、优中选优，被选中的项目将有专门的经费资助其完成开课前的试做与准备工作。“芦丁的绿色分离提取方法与结构表征”便是2009年被实验中心选中的项目。这个实验是作者承担完成的国家新药基金项目的部分内容，是科学研究的新成果。该实验知识要点多、学科覆盖面广、友好环境无污染、贴近生活、成本低、实验效果好，符合我院实验教学中心本科生综合实验教学项目的基本要求，有利于培养学生实践能力与创新能力，能够体现科研成果转化为实验教学的优越性。芦丁，又叫槲皮素-3-氧芸香糖苷，英文名称为Rutin，分子式是C27H30O16，分子量为610.51。它是维生素P中的一种重要的黄酮类化合物[2-3]。芦丁存在于菊科植物裂叶苣荬菜、豆科植物槐米（或槐角）、芸香科植物芸香叶、蓼科植物荞麦花、大戟科植物野梧桐中。多种常用食品大枣、番茄、橙皮、杏中也含有芦丁。芦丁具有抗炎镇痛、抗癌、抑菌、抗病毒、抗心脑血管疾病、抗氧化、抗衰老、抗过敏、利尿、镇咳、降血脂、降低毛细管的通透性与脆性等多种药理活性，也是食疗和食补的重要物质[4]。在临床上常用芦丁及其衍生物防治脑溢血、高血压、视网膜出血，治疗慢性气管炎、血管发脆等疾病。芦丁的衍生物三羟乙基芸香苷（维脑路通）目前还被广泛应用于临床，用于治疗各种血管疾病及关节炎。从各种植物中分离提取芦丁的方法很多，并已经被很多专家广为研究，例如冷碱渗漉提取-酸沉淀法、乙醇浸提法、丙酮浸提法、超临界CO2提取法、渗漉法、煎煮法等[5-7]。但这些方法大多数都存在操作成本高、工艺流程长、提取效率低、对环境不友好等不足之处。本实验则采取了石灰乳调节的碱性水溶液浸泡-超声波破碎细胞壁-加热回流提取-酸中和游离-水重结晶纯化-各种波普表征结构的新工艺，可操作性强，经济、安全、环保，真正体现了“学生为主体，教师为主导”的实验教学模式，培养了学生学习化学的兴趣，改善了实验室的环境，特别适用于本科生做综合实验。

实验内容如下：

一、实验目的

1.建立从天然植物中分离提取化学成分的研究思路；

2.掌握通过文献综述和已有知识设计研究方案的方法；

3.设计绿色提取方案、分离纯化黄酮化合物-芦丁；

4.利用紫外光谱、红外光谱、核磁共振谱等手段表征化合物结构。

二、实验原理

芦丁属于黄酮类化合物，具有一定的酸性，并且其酸性大小与黄酮母核上取代基的种类、取代基的数目及其相对位置有关。芦丁的分子中含有很多羟基，酸性较大，水溶性也较大。超声波具有微观破碎的能力，所以根据芦丁的化学特性和超声波仪器的简单可操作性，本实验设计用碱性水溶液浸泡，超声波破碎提取、用无机酸酸化游离，然后萃取、用水或乙醇重结晶即可得到纯净的芦丁。

三、实验仪器与药品

1.主要仪器设备：超声波装置（1台，常规），加热回流装置（1台，常规），重结晶装置（1套，常规）；

2.主要化学试剂：石灰乳200ml（自制），裂叶苣荬菜40g（6～7月份采集晒干），槐米40g（7～8月份采集晒干），浓盐酸5ml（分析纯）；

3.检测用大型仪器：NMR仪（Bruck-AV-400兆），Bruker Vector 22红外光谱仪，Lambda-17 UV紫外可见分光光度计。

四、实验步骤

干燥裂叶苣荬菜（Sonchus arvensis L.）或槐米（Sephara japonica L.）40克加约6倍量水，煮沸，在搅拌下缓缓加入石灰乳至pH值达到8-9，反应瓶移至已经加热到80℃的超声波仪器中，超声30分钟，然后微沸回流30分钟，趁热抽滤；残渣同上再加4倍量水，石灰乳调至pH值达8-9，再移至80℃的超声波仪器中，超声30分钟，微沸回流20分钟，趁热抽滤。合并滤液，温度降至60℃以下，用浓盐酸调节pH至5左右，搅匀，静置24小时，抽滤。沉淀物水洗至中性，60℃干燥得到芦丁粗品，用水重结晶，80℃干燥得到芦丁纯品。

芦丁的波谱数据测定：

1.在甲醇溶剂中测定芦丁的紫外光谱；

2.然后在芦丁的甲醇溶液中加入三氯化铝，测定其紫外光谱；

3.溴化钾压片法测定芦丁的红外光谱；

4.在DMSO-D6中测芦丁的1H-NMR谱；

5.在DMSO-D6中滴加D2O测芦丁的1H-NMR谱。

五、实验注意事项

操作要点：（1）饱和石灰乳的制备；（2）超声及微沸提取；（3）浓盐酸调pH值；（4）重结晶；（5）紫外光谱、红外光谱、核磁共振图谱测试及解析。难点：紫外光谱、红外光谱、核磁共振图谱解析（教师指导完成）。紫外光谱中应指出黄酮的带Ⅰ与带Ⅱ吸收位置，并强调指明由于B环上邻二酚羟基的存在，加入AlCl3后，邻二酚羟基与铝络合使带Ⅱ红移的现象。红外光谱中让学生找出羟基、羰基、芳环的骨架特征吸收。核磁共振氢谱中首先指出高场区鼠李糖上甲基的吸收峰（1.00ppm，双峰）和低场区产生了分子内氢键的5位羟基质子的吸收（12.00ppm，滴加重水消失），同时比较滴加重水前后的氢谱，找出所有的羟基质子吸收，然后指出芳香质子吸收（6.15-7.55ppm）和芸香糖上质子吸收（3.1-5.5ppm），让本科生认识到用波谱数据解释化学结构的重要性和科学性。

六、问题与讨论

1.尽可能多地说出你所熟悉的天然植物中所含的化学成分；

2.请自行设计一种天然植物化学成分的分离提取方案；

3.提取液的碱性用石灰乳调节，而不用氢氧化钠或碳酸钠水溶液来调节的原因？（指出含羟基的杂质易生成钙盐沉淀，不致溶出。更有利于黄酮类化合物的纯化处理）

4.对比分析芦丁在MeOH和MeOH/AlCl3中UV谱的差别，讨论B环上邻二羟基与三氯化铝络合红移现象在鉴别黄酮中的应用[8]。

5.对比分析芦丁在DMSO-D6中滴加D2O前后测得1H-NMR谱的异同，讨论该测试方法还能在哪些研究中应用。

七、教学建议

1.分离提取及纯化部分由学生1人1组，独立完成；

2.UV、IR、1H-NMR波谱测试以学生小组为单位进行，然后波谱数据的分析以实验班为单位由教师指导和讲解；

3.实验报告除给出本次实验的做法与体会外，要求每个学生一定自行设计一种天然植物化学成分的提取方案，并给出其可行性、绿色性和先进性。

本实验综合了天然药物化学、有机化学、分析化学、波谱分析等多学科的知识，注入了绿色化学的理念，采用了超声波破裂细胞壁和石灰乳调节碱性的创新性工艺，这项工艺不仅提高了芦丁的提取效率，而且石灰乳调节碱性的方法能有效地去除其他含羟基的杂质化合物，便于产品的分离纯化。这是我们承担国家新药基金《裂叶苣荬菜抗病毒口服液的研究》项目的科研成果之一，该实验知识要点多、学科覆盖面宽、友好环境无污染、贴近生活、成本低、实验效果好，试验完成后，满实验室的清香味，令人心情愉快。该实验已经在两届本科生中开设，十分有利于培养学生综合能力与创新思想的形成，是值得推荐交流的一个综合实验项目。

参考文献：

[1]郭海明，渠桂荣.基于市场需求和个性培养 构建高师本科化学专业分类别培养模式[J].中国大学教学，2010，（2）：22-24.

[2]李宇彬.重要有效成分药理与应用[M].哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，1995.

[3]徐任生.天然药物化学导论[M].北京：科学出版社，2005.

[4]王玉枝等.食疗食补功效的重要物质-芦丁[J].大学化学，2010，（增）：109-113.

[5]战玉琴，等.冷碱法从槐米中提取芦丁的实验研究[J].中成药，1994，16（7）：10.