天然药物化学（medicinal chemistry of natural products）是系指运用现代科学理论与方法研究药用植物或植物中具有生理活性成分的化学分支学科。
定义
天然药物化学(medicinal chemistry of natural products)是系指运用现代科学理论与方法研究药用植物或植物中具有生理活性成分的化学分支学科。
概述：
其研究内容包括:
1、各种天然药物化学成分和活性成分的结构特点、理化性质、提取分离及结构鉴定等知识，以探索其防病治病的原理，并根据已阐明结构的成分，按植物亲缘关系寻找同类成分，以扩大药用植物资源、发掘新的生物活性成分。
2、研究有效成分在植物体内随生态环境、生长季节、时间消长以及发育阶段的动态变化，以了解和掌握提高中草药品质的变化规律，为规范化种植(GAP)的研究提供科学依据。
3、研究中草药在加工炮制和贮藏过程中的成分变化，为保证中草药疗效以及中草药及其制剂质量标准的制定和控制提供科学依据。
4、研究有效成分的构效关系，以便利用先导化合物进行结构修饰和改造，合成或半合成高效、低毒、安全的新的衍生物。
天然药物利用自然界中的植物、动 物及矿物质等经简单加工而制成的药物。在我国，天然药物一般指中药材，由于中药中绝大部分都是植物类药物，且古代的称谓是“本草”，所以又称中草药，具有我国自己的特点，与中医共同构成了中国民族文化的瑰宝，是中华民族五千年以来繁衍昌盛的一个重要因素，也是全人类的宝贵遗产。
学科特点：
本课程是高等院校中药学、药学、制药工程等专业的必修或主要专业课程，其涵盖的专业知识涉及药物的研发、生产和监管的各个环节，特别是在创新药物分子的发现、中药或民族药物现代化等领域发挥着不可替代的作用。
天然药物化学学科知识繁杂，先修课程包括有机化学、分析化学、有机化合物光谱解析等。
发展历史：
人类发展和进化的过程同时也是人类不断与疾病做斗争的过程。据记载人类利用天然产物作为药物已有几千年的历史，在远古时代，人类有了身体上的痛苦或称谓“疾病”就开始从自然界中寻找被称为“药”的物质来缓解疾病带来的痛苦。这种来自自然界的可以缓解或治疗疾病的物质就是最原始的“药物”，并一代代流传下来，国外称之为“天然药物(natural medicines)”，我国称之为“中草药(Chinese herbal medicines)或中药(Chinese materia medica,CMM)”。之所以能防病治病，其物质基础在于其中所含的具有活性的化学成分。
我国明代李挺所著的《医学入门》（1575年）记载了用发酵法从五倍子中得到没食子酸的过程。书中所谓“五倍子粗粉并矾，曲和匀作酒曲样入瓷器避不见风，候生白取出”，“生白”即没食子酸生成之意，这是世界上最早从天然产物中得到的有机酸。李时珍在《本草纲目》（1596年）中详细记载了用升华法制备、纯化樟脑的过程。
1805年21岁的德国药剂师Sertürner从罂粟中首次分离出单体化合物吗啡(morphine)，开创了从天然产物中寻找活性成分的先河。这一伟大功绩不仅是人类开始利用纯单体化合物作为药物的标志，也是天然药物化学初级阶段开始形成的标志。紧接着又陆续从植物中分离出吐根碱(emetine)、马钱子碱(brucine)、士的宁(strychnine)、金鸡纳碱(cinchonine)、奎宁(qui-nine)、咖啡因(caffene)、尼古丁(nicotine)、可待因(codeine)、阿托品(atropine)、可卡因(cocaine)和地高辛(digitoxin)等具有活性的单体化合物。但是，由于受到当时分离技术和结构鉴定技术限制，天然药物化学方面的研究进展相当缓慢，表现在主要集中于酸性或碱性等易于处理的成分的研究上。
第二次世界大战期间，20世纪伟大成就之一青霉素的偶然发现以及广泛应用不但扩大了天然药物的研究范围,同时也加速了其发展速度。到20世纪90年代，约80%的药物都与天然产物有关：有的直接来源于天然产物，有的通过对天然产物的结构修饰，有的受天然产物结构的启发而设计后人工合成。意义重大、标志性天然药物的发现包括：20世纪50年代Wall博士从中国特有植物喜树Camptotheca acuminata Decn中分离出抗癌活性成分喜树碱(camptothecin)，后经结构修饰诞生抗癌药物伊立替康(Irinotecan)和托泊替康(Topotecan)；60年代从植物中发现的抗癌药物长春碱(vinblastine)和长春新碱(vincristine)以及1989年美国批准上市的长春碱衍生物(vinorelbine)；美国Merck公司筛选开发并于1987年被批准上市的用于治疗高胆固醇血症和混合型高脂血症的药物洛伐他汀(lovasatine)也是来源于自然界中里程碑式的标志性天然药物之一；90年代从红豆杉中发现的抗癌药物紫杉醇(taxol)及其衍生物多烯紫杉醇(docetaxel)等,这些都是天然药物研究开发的成功例证。
青蒿素（Qinghaosu, arteannuin, artemisimnin）是我国科学家从黄花蒿Artemisia annua L.叶中得到的新型抗虐倍半萜过氧化物，是我国自主开发的在该领域最杰出的工作，1977 年3 月在《科学通报》上首次发表了其独特的结构，2002 年4 月22 日，复方蒿甲醚被列入WHO 第12 版基本药物名录的核心目录。中国发现者屠呦呦因此获2015诺贝尔生理学或医学奖。
目前国外以天然产物作为药物主要有两类:一类是单体成分,如吗啡、麻黄碱、青霉素、东莨菪碱、利血平、青蒿素、紫杉醇等；另一类是某一类混合成分,如银杏叶制剂等。
天然药物化学发展的方向：
1、以化学研究为导向(chemical oriented)的天然产物活性成分研究：其突出特点是以化合物为核心，也就是最传统的研究天然产物化学的方法。采用这种策略的关键环节是获得尽可能多的不同类型的化合物。其研究程序通常是首先根据天然药物在传统医学或者民间应用情况，或者植物的亲缘关系等确定研究对象，有时也随机选取研究对象，如非洲热带雨林植物、高等真菌或微生物发酵产物等，再通过现代天然药物化学的研究方法从中获得各种类型的化合物，并进行结构鉴定和分析，以此作为物质基础，根据文献资料提供的信息等定向研究其生物活性，最终发现新药或先导化合物。这种研究方法在20世纪普遍使用并已经取得显著的成果。
2、以生物活性为导向(bioassay guided)的天然产物活性成分研究：实际上是活性评价与化学活性成分的分离相结合的策略，这是20世纪80年代以后发展起来的一种研究方法。采用这种策略的关键是必须对每一步骤的分离样品都要进行生物活性评价，活性筛选技术和高效快速筛选体系的建立和有效发挥功能将起到决定性作用。其研究程序是首先通过生物活性的指标跟踪化学成分分离纯化的整个过程，确定需要分离的部位或组分以便更有效地获得有效成分，然后针对具有活性的部位或组分进行有选择的分离，直至获得活性理想的化学成分。这种方法目的明确，强调并实现了化学研究与生物活性研究的密切结合。但此研究方法也有明显的缺点：活性评价与化学分离不能同步而制约研究进度；生物活性实验方法的灵敏度不够会导致有效成分的遗漏；随着分离纯化的进行发现生物活性下降甚至最后分离得到的单体反而没有活性；工作量较大,不可能用多个活性指标去跟踪每一步骤分离的样品；如果仅用1~2个活性指标进行活性跟踪显然是不全面的。总的来说，这种研究方法过程比较长、工作效率低、劳动强度较大，还不能保证所筛选出的化合物可以直接作为新药或先导化合物或申请专利。
天然药物化学与其他学科之间的关系：
1、 与合成化学（synthetic chemistry）的关系
从非常重要的经典学科——有机化学的发展历史很容易看出：天然药物化学的研究历史其实就是有机化学的发展史，有机化学的起源就是对天然产物的研究。
对天然药物的研究促进了有机化学理论及应用的发展，而反过来有机化学理论的应用与发展也进一步促进了对天然产物的研究。Wallach 通过对天然脂环式化合物的研究提出了碳环张力理论；Haworth 通过对糖的结构研究提出了著名结构表示方法（Haworth projection）；Ruzicka 通过对天然萜类结构的研究提出了萜类的生源异戊二烯规则（biogenetic isoprene rule）；Woodward 通过合成 VB12（vitamin B12）等复杂天然产物得到启发提出了著名的“轨道对称守恒定律”（conservation of orbital symmetry）；Bartont 和 Hassel等通过对天然甾体化合物结构的研究提出环状化合物立体构型构象理论（the concept of conformationand its application in chemistry）。
同样，有机化学理论对天然药物的发展，如对具有生物活性的天然产物的半合成、全合成及结构修饰等，也具有非常重要的指导意义。随着对天然产物生物合成的了解，也促成了新兴学科——仿生合成化学（biomimetic synthesis）的诞生。Robinson 利用仿生合成的方法合成了托品酮（tropinone），开创了仿生合成的先河，而后又有人利用仿生合成的方法合成了黄体酮（progesterone）、虎皮楠碱（aphniphylline）等天然产物。
20 世纪伟大的化学家Woodward 曾说：“结构已知但未全合成的化合物，对于化学家来说就象未攀登的高峰、未发现的海洋、未到达的星球、未开垦的土地。”
2、 与现代提取分离纯化技术（modern technology of extraction, isolation, and purification）的关系
天然产物结构复杂，结构类似的化合物往往共生于一体，所以分离得到单体化合物非常困难。但随着现代提取分离技术的发展，使得分离得到单体化合物变得相对容易。Tiselius 发明了吸附色谱法（adsorption chromatography），Martin 和 Synge 开发并应用了分配色谱法（partion chromatographyanalysis ）， Craig 发 明 了 逆 流 分 溶 装 置（countercurrent distribution），Ito 博士发明了高速逆流色谱（high speed counter current chromato-graphy，HSCCC）等，这些发明对天然产物的研究起到了至关重要的作用。目前，天然药物化学的发展已从常量、易得的成分转向微量、甚至超微量的活 性 成 分 的 研 究 。 HSCCC 、 制 备 薄 层 色 谱（preparative thin-layer chromatography，PTLC）、高效 薄 层 色 谱 （ high performance thin-layerchromatography，HPTLC）、高效液相色谱（highperformance liquid chromatograph，HPLC）、闪柱色谱（flash chromatography）、毛细管电泳（capillaryelectrophoresis，CE）、真空液相色谱（vacuum liquidchromatography ， VLC ）、超声提取（ ultrasonicextraction）、微波萃取（microwave extraction）、仿生 和 半 仿 生 提 取 （ bionic and semi-bionicextraction）、膜分离技术（membrane separation）、分子蒸馏技术（molecular distillation）及分子印迹技术（molecular imprinting）等新技术的发展和应用极大地促进了天然产物的研究。
目前，微量成分、水溶性成分、超大分子、生物大分子等也得到了深入研究。特别需要指明的是，现代分离技术与现代结构鉴定技术的联用在天然产物的研究历史上堪称一次重大革命。
3、 与现代谱学（modern spectroscopy）的关系
天然产物数量巨大、结构类型繁多，其中立体异构体的测定最为困难。在现代谱学技术应用以前，天然产物的结构确定主要是通过各种化学反应，如制备衍生物、化学降解甚至全合成方法对照等手段来完成，一个复杂化合物的结构鉴定往往花费几十年的时间，如胆固醇、胆酸、吗啡、番木鳖碱等化合物合物的结构确定
。从 20 世纪 60 年代开始，随着各种分离技术和谱学技术的飞速发展以及广泛应用，天然产物的研究取得了显著进步，如结构更为复杂的天然药物利血平（reserpine）从发现、确定结构到人工全合成，仅用了短短 4 年（1952—1956 年）的时间。而近 30 年来，现代谱学解析方法（NMR、MS、IR、UV、ORD、CD、X-ray），尤其是二维核磁共振技术的应用，如1H-1H 化学位移相关谱（1H-1H COSY）、HMQC 谱（heteronuclear multiplequantum coherence）、HMBC 谱（heteronuclear multi-ple bond correlation）、NOESY（nuclear overhausereffect spectroscopy）谱等，极大地加快了天然产物化学的研究速度。
Ernst 正是因为对二维核磁共振技术应用研究的贡献，获得 1991 年诺贝尔化学奖。其他还有村田（Murata）创立的根据邻位的偶合常数决定构型的方法（Murata’s method of J-based configurational assignment），岸义人（Kishi）创立的核磁数据库（Kishi’s NMR database method），Mosher酯衍生物分析法（Mosher ester analysis）等。
4、 与药用植物学（medicobotany）的关系
药用植物学是研究具有药用价值的植物，包括研究其形态、组织、生理功能、分类鉴定、细胞组织培养、资源开发和合理利用的学科。天然药物化学研究的主要研究对象 90%以上都是陆生高等植物，即所谓的植物药或草药，所以与药用植物学有着非常密切的相辅相承的关系。
对天然产物化学与植物分类之间关系的研究促进了植物化学分类学（plant chemotaxonomy）的产生。相近缘的植物具有相近的遗传特征，自然应该有相似或相近的次生代谢产物，特殊的植物群体含有特殊的次生代谢产物，如银杏内酯仅存在于银杏中，紫杉烷类化合物仅分布在紫杉属植物中，乌头生物碱类主要存在于毛莨科（Ranunculaceae）乌头属（Aconitum L.）、翠雀属（Delphinium L.）和飞燕草属[Consolida (DC.) Opiz.]植物中。所以植物的分类不仅可以由传统的形态学为指导进行分类，而且可以因其体内次生代谢产物即化学成分结构相同或相近而进行分类研究，对于发掘、利用和研究药用植物起到了非常大的促进作用。
天然药物化学在新药开发中的作用：
随着多学科的相互渗透与交叉，天然产物研究与生物学研究越来越密切，天然药物研究的对象也日益扩大。在过去的100多年间，天然产物化学研究的对象主要是陆生植物资源。近20年来以开发海洋资源为标志的“蓝色革命(blue revolution)”正在形成前所未有的浪潮。
天然产物研究的对象从传统的陆生动植物逐渐向海洋动植物、无脊椎动物、微生物等发展，并且从近海生物向极地海洋生物延伸，研究范围也从传统的萜类、生物碱类、甾体类等向结构更为复杂的聚醚类、大环内酯类、前列腺素类、超级碳链化合物以及生物活性内源性物质如多糖、多肽等延伸。