有机化学论文
摘要：天然有机化学是一门研究动物、植物、微生物的次级代谢产物的基础性学科。通过研究及改进次级代谢产物, 并且将其应用于各种领域。但是天然有机化学在发展过程中还是存在着许多的问题, 如不确定性、自然模拟等。本文对存在的问题一一进行展开阐述。
关键词：基础性学科; 次级代谢产物; 存在问题;
天然有机化学的主要任务是提取和分离动物、植物、微生物的次级代谢产物并对其进行研究及相关的改进并应用于各行各业如抗生素、胰岛素等。近年来, 天然有机化学的发展十分迅速, 并取得了可观的成果, 如抗生素的种类、生物碱类在肿瘤方面的应用等。它与我们的生活息息相关, 密切关系着我们的生命健康。但是天然有机化学在其发展的过程中, 还存在的许多问题, 如对环境的破坏、不确定因素、手性问题等。
1 天然有机化学的发展趋势
有机化学是研究电子转移的化学, 而天然有机化学是有机化学中重要的分支之一。人类对天然有机化学的研究大概有着两百多年的历史, 至今人类对天然有机化学的研究分为以下几种趋势: (1) 提取、分离生物体内的次级代谢物并将其进行结构与活性分析, 其次应用生物以及化学手段将其改进, 最后应用于其他领域; (2) 注重联系实际, 通过模拟自然环境让生物产生大量的次级代谢产物与对其进行改进, 并将其的修饰物应用于工业生产; (3) 运用转基因等技术手段将优良的基因导入生物体使其产生更好的次级代谢物并应用于实际。
天然有机化学从二十世纪五十年代发展至今, 取得了一系列的研究成果。例如, 生物催化剂的应用、抗生素在医药行业的应用、新技术和新方法的发展与应用等。但其也有不足之处如手性活性的作用、对环境的破坏、不确定因素、难以进行大规模的工业化进展等, 这些问题还有待解决。
2 天然有机化学的研究方法
2.1 课题的选择[1]
在天然有机化学的研究中, 课题的选择至关重要, 它决定着研究方向成功与否的关键。首先, 课题是否与实际有着一定的联系。通过对课题的研究, 能否对科学有一定的促进作用。其次, 在选择课题的过程中, 须考虑课题能否实现的问题。课题能否实现与个人研究能力有关。因此, 在选择课题的过程中, 应权衡自己的研究能力, 选择适合自己的科研课题。
2.2 天然有机化学中的理性思维[1]
在对天然有机化学的研究中, 首先要明白化学并不是一个纯理论性学科, 它是个实验性的学科。对于天然有机化学提出的每条理论, 都必须有严格且严谨的实验过程, 并且对大量的实验数据进行整理、归纳和理性分析, 最后得到理论的正确性和准确性。在研究天然物质结构的过程中, 借助紫外、红外、氢谱、碳谱、质谱、X衍射等方法可以精确地分析天然物质中官能团的种类与位置以及物质的相对分子质量等物理化学性质, 且大大缩短了研究的周期。
2.3 建立次级代谢产物分子模型
在研究天然有机化学的过程中, 建立模型有利于对天然物质结构的分析。模型在有机化学中有助于演绎和推理, 借助它可以建立和发展天然有机化学中一系列的理论体系。在此基础上建立的理论和模型一方面可以指导实验, 另一方面可以解释已有的现象, 预测未知的现象以及为以后的研究打下夯实的基础。
3 天然有机化学中存在的问题
3.1 不确定性[2]
天然有机化学的主要任务是天然产物的分离、提纯天然物质, 研究天然物质的结构、在生物体内的合成和代谢途径等问题, 将它们应用在实际生活中。但是由于生物种类以及不同生物种类的体内合成和代谢途径的不同, 无法有针对性地某种生物、某种部位以及某种活性部位进行相应地研究, 使其中的不确定性因素增加, 导致原来的预测结果与最后的研究结果相去甚远。因此, 在天然有机化学的研究过程中, 调整实验方案、研究方法以及改变原来目标变得尤为重要。
3.2 对生态环境的破坏巨大
天然有机化学是研究动物、植物以及微生物的次级代谢物的化学, 其主要任务从动物、植物以及微生物体内提取出天然代谢产物, 然后进行各种组分分离以及纯化, 最后从中得到我们所需要的物质。但是在这整个的过程中, 对环境造成的破坏是无法估量的。例如, 紫杉醇是1971年从红豆杉属植物短叶紫杉树皮中发现的一种抗肿瘤活性的药物, 由于紫杉醇的全合成步骤繁多且收益不高, 在工艺生产中基本无使用价值。然而, 紫杉醇的分离需要剥取红豆杉的树皮, 从红豆杉的树皮中提取且分离紫杉醇, 但失去树皮的红豆杉无法存活, 从而导致对生态系统造成破坏。
3.3 无法大规模进行工业生产
天然有机化学是研究动物、植物以及微生物的次级代谢物的一门基础性学科。而次级代谢物是指生物在一定的生长时期, 以初级代谢产物为前体, 合成一些对生物的生命活动无明确功能物质的物质, 如生物碱、毒素、抗生素等。虽然有些次级代谢产物对生物体无明确功能, 但是它们本身具有生物活性, 可以通过一系列的生物以及化学修饰后应用于各种领域, 如抗生素的使用、治理环境等。但是生物体在自然环境中所产生的次级代谢产物含量较少, 无法大规模对其进行化学及生物改进, 从而进行大规模的工业化生产。
3.4 分离方法复杂
天然有机化学主要研究生物体中的次级代谢产物的化学, 所以分离技术在其中至关重要。但在自然界中, 这些代谢产物结构复杂, 含量较低, 并且与其他化学成分共同存在, 分离起来较为复杂。一般而言, 分离方法有超临界流体萃取技术、超声波提取技术、仿生提取技术、微波提取技术与酶提取技术等。根据这些化学成分不同的物理化学性质, 选择不同的提取技术去分离不同的物质。但是由于其中许多化学成分共同存在, 一般采用多种技术的联合去分离产物, 大大增加了成本。而且大多数次级代谢产物具有不同的空间构型, 在一定程度上增添了不小的难度。
3.5 活性成分难以确定
次级代谢产物是生物生长到一定阶段后在初级代谢产物的基础上通过次级代谢合成的物质。由于生物体内的酶反应是具有高度立体专一性与选择性的反应, 合成的次级代谢产物在空间结构上有着各自的构型。不同的手性产物拥有不同数目的对映异构体, 不同的对映异构体有着不同的活性且强度也有所不同, 从而导致我们难以确定哪种对映异构体起着主要的活性作用。如在20世纪50至60年代初期, 欧洲发生一场医药惨案。当时反应停作为作为止吐剂和镇痛剂被孕妇广泛使用, 生出了许多怪婴。其主要原因是反应停是一对外消旋体, S-对映体具有镇静作用, 但是R-对映体对胎儿具有较强的致畸作用。因此, 手性成为了人们关注的焦点。
4 未来展望
当代许多无法解决的问题, 大多都能在自然界找到答案。而天然有机化学能够帮助我们在自然界中寻找到问题的思路。通过对动物、植物、微生物的次级代谢产物的研究, 我们可以找到应对一些问题的思路以及设计方案。通过模拟自然界的条件对动物、植物、微生物进行培养, 适当的给它们施加环境胁迫, 以及应用气相、液相等仪器设备的检测, 从而得到大量的次级代谢产物, 并应用生物或化学手段将它们进行修饰, 最后应用于各个领域内, 造福人类。
参考文献
[1]林翠梧, 赵文浩.天然有机化学研究中的科学方法论[J].广西大学学报 (自然科学版) , 1988 (01) :88-91.
[2]张国林.天然有机化学研究:针对性与不确定性[A].中国化学会、国家自然科学基金委员会.中国化学会第八届天然有机化学学术研讨会论文集[C].中国化学会、国家自然科学基金委员会, 2010:1.
[3]陈艳君.近年来天然有机化学的进展[J].化工设计通讯, 2016, 42 (02) :105+107.
[4]龙康侯, 林永成.八十年代海洋天然有机化学的进展[J].有机化学, 1985 (05) :369-375.