在本科实验教学中应用加压热水萃取技术探索天然产物化学

摘要

本实验采用加压热水提取法（PHWE），利用未经改装的家用意式浓缩咖啡机，在实验室中向本科生介绍天然产物化学。实验包括两个部分：从丁香中提取丁子香酚和乙酰丁子香酚，以及从澳大利亚植物Correa reflexa中提取二氢山芹素和(+)-环氧栓果芹素。

摘要

一种新近开发的加压热水提取（PHWE）方法利用未经改装的家用意式浓缩咖啡机促进天然产物研究，该方法也已作为有效的教学工具得到应用。具体而言，该技术已被用于在实验室内向大学二年级和三年级本科生介绍天然产物化学的相关内容。本报告中介绍了两个实验：从丁香中提取丁子香酚和乙酰丁子香酚的PHWE实验，以及从澳大利亚特有植物种类Correa reflexa中提取蛇床素和(+)-环氧栓芹素的PHWE实验。通过在这些实验中采用PHWE技术，二年级本科生从丁香中获得了占其质量4–9% w/w的富含丁子香酚和乙酰丁子香酚的粗提物，而三年级学生从C. reflexa中分别以最高达1.1% w/w和0.9% w/w的产率分离得到了蛇床素和(+)-环氧栓芹素。前者被开发为传统水蒸气蒸馏实验的替代方案，用以介绍提取与分离技术；后者则采用引导式探究教学方法，旨在模拟天然产物生物勘探过程。这主要归因于该PHWE技术相较于传统提取方法更为快速，而传统方法通常难以适应本科生实验课的时间限制。这种快速且实用的PHWE方法可用于高效地从多种植物物种中分离各类有机分子。此前研究也已证实该技术与更传统的提取方法具有互补性。

引言

天然产物的分离与鉴定对科学界乃至整个社会都具有重要意义。¹ 生物勘探（bioprospecting），即在自然界中寻找有价值的有机分子，仍是发现新药先导化合物和潜在治疗剂不可或缺的过程。据估计，1981年至2014年间获批的小分子药物中，约有75%为天然产物、天然产物衍生化合物或受天然产物启发而设计的化合物。¹ 此外，天然产物具有巨大的结构和化学多样性。因此，它们也可作为有价值的化学骨架，直接用于有机合成，或用于手性配体和催化剂的开发。^2,3

传统上，像浸渍、索氏提取和水蒸气蒸馏等相对耗时的步骤一直是植物次生代谢产物分离研究的主要方法。⁴ 更现代的提取技术，包括加速溶剂萃取，致力于缩短提取时间并建立更环保的实验方案。^4,5 2015年，一种新型加压热水提取（PHWE）方法被报道。⁶ 该技术使用未经改装的家用意式浓缩咖啡机，实现了从八角茴香中快速且高效地提取莽草酸。意式浓缩咖啡机专门设计并制造用于从适当研磨的咖啡豆中提取有机分子。为实现这一目的，这些仪器可将....

方案

注意：建议所有操作均在通风橱中进行。学生在实验室中必须始终佩戴适当的个人防护装备，并在使用每种试剂前查阅相关的安全数据表（SDS）。

1. 丁香的加压热水萃取：丁子香酚和乙酰丁子香酚的分离

1. 从丁香中提取丁子香酚和乙酰丁子香酚
   1. 将粗磨的丁香（12.5 g）放入250 mL烧杯中。
   2. 将砂糖（12.5 g）加入丁香粉中，充分混合。
   3. 收集一个手柄滤网（样品室），将整粒丁香与砂子的混合物装入滤网篮中，用压粉锤轻轻压实样品。
      注意：切勿过度压缩混合物，否则液体将无法流过。
   4. 将手柄装入意式咖啡机，并在其下方放置一个洁净的250 mL烧杯。加入30%乙醇/H₂如果意式咖啡机的水箱水量不足一半，请向水箱中加入 O 溶液。
   5. 使用意式咖啡机收集100 mL提取液。
      注意：若仪器出现堵塞现象，请咨询指导教师。
   6. 让冲煮手柄滴完最后一滴后，从意式咖啡机上取下。
      警告：研磨部位及周围金属区域将会发热。
   7. 使用刮刀将粉碗中的咖啡粉残渣刮除，并丢入废物桶中。
   8. 用 H 冲洗冲煮手柄中的残留固体₂在水槽中的水龙头下冲洗，并将其归还供下一位使用者使用。
   ....

结果

丁香的PHWE。在进行液-液萃取步骤时，学生常常遇到乳化现象（加入饱和食盐水通常无效）。在此阶段，学生被要求让混合液在分液漏斗中静置，同时探究洗脱剂组成对薄层色谱（TLC）分离丁香酚和乙酰丁香酚的影响。需要注意的是，在液-液萃取步骤中，己烷可用庚烷或二氯甲烷替代。⁹ 学生被分配了不同比例的丙酮-环己烷展开剂，并获得丁香酚和乙酰丁香酚的纯品标准样，随后进行TLC分析（图3）。他们的实验结果被汇总在白板上，并通过小组讨论分析溶剂组成对保留因子（R_f）的影响以及最佳展开剂的选择（表1）。学生确定的最佳溶剂组成通常为5-20%丙酮/环己烷，ΔR_f在0.1-0.2之间。

在完成薄层色谱（TLC）洗脱剂的优化后，学生们回到丁香酚提取实验中。粗丁香.......

讨论

从丁香中通过水蒸气蒸馏法分离丁香酚的经典实验程序几十年来一直是悉尼大学中级化学实验课程的一部分，但该实验于2016年进行了现代化改进，采用了加压热水萃取（PHWE）方法（图1）^9,18。这一改进带来了多项优势。首先，在实验室环境中使用家用意式浓缩咖啡机，通过展示一种非传统、替代性方法来完成经典科学实验，立即引起了学生的浓厚兴趣并增强了他们的参与度。此外，新方法缩短了萃取所需的时间，使得在该实验的新版本中可以引入更多附加实验内容。具体而言，这使得能够加入薄层色谱（TLC）分析，并为高阶学生提供快速柱色谱分析的机会。

本实验以丁香的加压热水萃取（PHWE）为重点，是为大学二年级化学专业本科生设计的入门级实验课程，因此采用了说明式教学方法。⁹ 这种更具指导性、类似食谱式的操作流程，使在有机化学方面经验相对有限的学生也能够高效完成从丁香中提取丁子香酚（eugenol）.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
意式咖啡机	Breville/Sunbeam	Breville 意式咖啡机型号 800ES / Sunbeam EM3820 Café Espresso II
旋转蒸发仪	Buchi 和 Heidolph
丁香（植物材料）	Dijon Food Pty Ltd		丁香必须由学生使用食品加工机进行研磨。
反折山龙眼（Correa reflexa，植物材料）	样品采自塔斯马尼亚	样品采集自塔斯马尼亚大学Thomas Crawford保护区内的成熟灌木
砂子	Ajax	1199
乙醇	Redoc Chemicals	E95 F3
己烷	Ajax	251
硫酸镁	Ajax	1548
乙醚	Merck	1009215000
硅胶铝薄层色谱板	Merck	1055540001
丁子香酚	Merck	1069620100
乙酸丁香酯	Aldrich	W246905
丙酮	Redox Chemicals	Aceton13
环己烷	ChemSupply	CA019
硅胶 60	Trajan	5134312	40 - 63 µm（230-400目）
刚果红试纸	ChemSupply	IS070-100S
32% 盐酸	Ajax	256