第二章生物碱（Alkaloids）

第二章生物碱（Alkaloids）学习目标1.掌握生物碱的基本概念。2.熟悉生物碱的结构。掌握吡啶类、异喹啉类、莨菪烷类、吲哚类、有机胺类的结构特征。3.掌握生物碱的性质。重点：生物碱的概念、结构类型、理化性质（碱性、溶解性、沉淀反应）。难点：结构类型、生物碱的碱性。第一节概述一、含义：生物碱是存在于生物界的一类含氮有机化合物，多数具有复杂的氮杂环结构，大多氮原子在环内，具有碱性和显著的生物活性。二、分布：主存于植物界，多分布于双子叶植物中，有100多科。较集中分布在防己科、罂粟科、夹竹桃科、毛茛科、豆科、马钱科、茄科等。在单子叶植物中分布较少。主要在兰科、百合科、石蒜科、禾本科等。裸子植物、低等植物、动物中分布较少。三、存在生物碱的含量差别较大。在植物组织中都有存在，但可能集中于某一部位。不同地区、不同采集时间含量都有差别。同一科、属植物含有类似结构的生物碱。在植物体中，生物碱往往和有机酸结合成盐的形式存在。第二节生物碱的结构与分类生物碱的分类主要有三种方法：Ⅰ、来源分类，如鸦片生物碱、麦角生物碱等；Ⅱ、化学分类，如托品烷生物碱，异喹啉生物碱等；Ⅲ、生源结合化学分类，如来源于鸟氨酸系的生物碱等。分类依据不同，各有利弊。第Ⅲ种分类法如下表:来源名称结构特点典型化合物功能鸟氨酸系吡咯烷类一个吡咯烷结构水苏碱祛痰镇咳莨菪烷类C3-醇羟基与有机酸缩合成酯莨菪碱抗胆酸镇痛吡咯里西啶类二个吡咯共用一个N的稠环衍生物大叶千里光碱抗菌消炎赖氨酸系蒎啶类蒎啶衍生物槟榔碱驱涤虫喹诺里西啶类两个蒎啶共用一个N的稠环衍生物苦参碱抗癌吲哚里西啶类蒎啶和吡咯共用一个N的稠环衍生物一叶萩碱兴奋中枢神经来源名称结构特点典型化合物功能苯丙氨酸和酪氨酸系苯丙胺类苯环连接－NH2基麻黄碱止咳平喘异喹啉类原小檗碱类两个异喹啉稠合而成，前者为季铵碱，后者为叔胺碱延胡索乙素黄连小檗碱抗菌消炎止痛苄基异喹啉类异喹啉母核C1位连有苄基罂粟碱解痉双苄基异喹啉类两个苄基异喹啉通过1-3个醚键连接蝙蝠葛碱吗啡烷类具有部分饱和的菲核可待因镇咳苄基苯乙胺类石蒜碱催吐来源名称结构特点典型化合物功能色氨酸系简单吲哚类含吲哚母核（一个N）靛青苷消炎色胺吲哚类色胺部分组成（二个N）吴茱萸碱止呕半萜吲哚类由色胺构成的吲哚连有一个异戊二烯单位麦角新碱兴奋子宫单萜吲哚类由色胺和一个１０C或９C的单萜构成利血平降压邻氨基苯甲酸系喹啉吖啶酮母核为喹啉或吖啶酮奎宁山油柑碱抗疟抗癌组氨酸系咪唑类咪唑母核毛果芸香碱治青光眼来源名称结构特点典型化合物功能萜类生物碱单萜类环烯醚萜衍生而成龙胆碱倍半萜类倍半萜衍生而成石斛碱止痛退热二萜类C19或C20构成的四环二萜或五环三萜乌头碱麻醉镇痛三萜类三萜衍生物交让木碱甾体类孕甾烷类具有甾体母核，氮原子不在母核上常绿黄杨碱强心按氮原子所在基本母核的化学结构分类:一、吡啶类生物碱由吡啶或六氢吡啶衍生的生物碱。NN吡啶喹诺里西啶NNONNOO苦参碱氧化苦参碱二、莨菪烷类生物碱是由四氢吡咯和六氢吡啶并和而成的杂环，由莨菪醇和莨菪酸缩合而成的酯。OCONCH3CHCH2OH1234567三、异喹啉类1、1-苄基异喹啉2、双苄基异喹啉3、原小檗碱类4、吗啡烷类N67123458异喹啉isoquinolineN1-苯甲基异喹啉1-benzyl-isoquinoline+NOOOCH3OCH3OH-小檗碱四、吲哚类包括简单吲哚类和双吲哚类衍生物。五、有机胺类N不在杂环内，在环外。吲哚里西啶一叶萩碱NNOOHNH1234567吲哚CHCH3NHCH3NH2CHOH麻黄碱特点：游离时可溶于水，能与酸生成稳定的盐，有挥发性，不易与大多数生物碱沉淀试剂反应生成沉淀。作业二一、单选题:1、根据色谱原理不同，色谱法主要有：Ａ．硅胶和氧化铝色谱Ｂ．聚酰胺和硅胶色谱Ｃ．分配色谱、吸附色谱、离子交换色谱、凝胶过滤色谱Ｄ．薄层和柱色谱Ｅ．正相和反相色谱2、磺酸型阳离子交换色谱可用于分离：Ａ．强心苷Ｂ.有机酸Ｃ．醌类Ｄ.苯丙素Ｅ．生物碱3、下列生物碱碱性最强的是Ａ．酰胺Ｂ．季铵Ｃ．仲胺Ｄ．伯胺Ｅ．吡咯类4、加丙酮生成黄色结晶:Ａ．麻黄碱Ｂ．小檗碱Ｃ．莨菪碱Ｄ．东莨菪碱Ｅ．樟柳碱5、与二硫化碳-硫酸铜产生棕色沉淀:(题5～8选项同题号4)6、加氯化汞变黄色，加热转为红色:7、不产生Vitali反应的莨菪烷类生物碱;8、与氯化汞产生白色的复盐沉淀:二、多选题:9、生物碱是：Ａ．来源于生物界含N的化合物Ｂ．N原子多在环外Ｃ．N原子多在环内Ｄ．全部呈碱性Ｅ．多数呈碱性10、与生物碱沉淀试剂产生阳性或假阳性反应的是:Ａ．多数生物碱Ｂ．木脂素Ｃ．蛋白质、多肽、氨基酸、鞣质Ｄ．麻黄碱Ｅ．乌头碱第三节生物碱的理化性质一、性状由C、H、O、N等元素组成。多数无色，为结晶性固体，部分有颜色，有的有荧光。多数味苦。小分子生物碱和液态生物碱具有挥发性。个别具有升华性。二、旋光性大多数生物碱有旋光性，多呈左旋。旋光性与生理活动密切相关。三、溶解性四、碱性1、概念及碱性大小的表示方法生物碱分子中氮原子外围具有孤电子对，可以给出电子，也可以接受质子，所以具有碱性。生物碱碱性大小可用碱的碱式离解常数pKb表示，也可用其共轭酸的酸式离解常数pKa表示。B＋H2OBH+＋OH—碱酸共轭酸共轭碱2．生物碱碱性大小与分子结构的关系（1）氮原子的杂化方式生物碱分子中氮原子的孤电子对在有机胺分子中为不等性杂化，其碱性强弱随杂化程度的升高而增强，即sp3＞sp2＞sp。生物碱分子中碱性基团的pKa值大小顺序一般是：季铵碱＞N-烷杂环＞脂肪胺＞芳香胺≈N-芳杂环＞酰胺≈吡咯。（2）诱导效应生物碱分子中的氮原子上电子云密度受到氮原子附近供电基团（如烷基）和吸电基团（如各类含氧基团、芳环、双键）诱导效应的影响。供电诱导使氮原子上电子云密度增加，碱性增强；吸电诱导使氮原子上电子云密度减小，碱性降低。关于氮杂缩醛结构：具有氮杂缩醛结构的生物碱常易于质子化而显强碱性。例如氮原子的邻位碳上具α、β双键或α-羟基者，可异构成季铵碱，使碱性增强。又如醇胺型小檗碱亦为氮杂缩醛结构，其氮原子上的孤电子对与α-羟基的C-O单键的б电子发生转位，形成季铵型小檗碱。氮杂缩醛醇胺型小檗碱季胺型小檗碱HOHNNCHROHCHHOR+-+：+OOOMeOMeNOHNOOOMeOMeOH+-（3）空间效应氮原子的周围取代基的构型、构象等立体因素，如果阻碍氮原子与质子的结合，则使碱性降低。例如:甲基麻黄碱。（4）氢键效应当生物碱成盐后，氮原子附近如有羟基、羰基，并处于有利于形成稳定的分子内氢键时，氮上的质子不易离去，碱性增强。五、沉淀反应（在酸水条件下或酸性稀醇中进行）沉淀试剂多为分子量较大的碘化物复盐，重金属盐，大分子酸类。常用的有：碘化铋钾（橘红色沉淀）、碘化汞钾（类白色沉淀）、碘-碘化钾（棕色沉淀）、硅钨酸（灰白色或淡黄色沉淀）。苦味酸（中性条件下，黄色沉淀）。雷氏铵盐与季铵碱生成红色沉淀。注意假阳性的干扰。它们是酸水浸出液中的蛋白质、多肽、鞣质。所以进行沉淀反应前，要净化。六、显色反应不同生物碱可与特殊试剂生成不同颜色，用于鉴别。第四节生物碱的提取分离一、总碱的提取1.脂溶性生物碱的提取（1）水或酸水提取法：可直接用水（提取盐、季铵碱）或用0.5%～1%的酸水提取。常用酸：盐酸、硫酸、醋酸、酒石酸等。方法：渗漉法、浸渍法。缺点：提取液体积大、杂质多，需净化。阳离子交换树脂法：用强酸型阳离子交换树脂，多为磺酸型，交联度4%～8%，用生物碱沉淀反应检识是否交换完全，洗脱时先用水或乙醇除杂。用酸水或盐水洗脱生物碱时，先将树脂用氨水碱化，再用有机溶剂提取，碱性乙醇洗脱。有机溶剂萃取法：先碱化，后萃取。加碱沉淀法：一般加石灰乳沉淀，此法用于生产。（2）醇类溶剂提取法：适用于游离生物碱及生物碱盐的提取。方法：渗漉法、浸渍法和回流法。常含有亲脂性杂质，可利用生物碱溶于酸水，杂质不溶的性质加以分离。（3）亲脂性有机溶剂提取法：先用碱水湿润，使生物碱游离，再用有机溶剂提取。方法:回流法和连续回流法。（碱水：10%氨水，石灰乳或碳酸钠。如为弱碱，可直接用水）。2、水溶性生物碱的提取（1）沉淀法：雷氏铵盐沉淀季铵碱，pH=2～3，加入新鲜配制的雷氏铵盐饱和水溶液。柱色谱净化，生物碱的雷氏铵盐用丙酮溶解后，滤除不溶物，将滤液通过氧化铝短柱，以丙酮洗脱。硫酸银分解：加入硫酸银饱和水溶液至不再产生雷氏铵银沉淀为止，滤除沉淀。氯化钡沉淀硫酸银，生成硫酸钡和氯化银沉淀，生物碱转化为盐酸盐。（2）溶剂法：用正丁醇、异戊醇，或氯仿-甲醇混合液萃取。二、生物碱的分离1、不同类别生物碱的分离：利用碱性不同及特殊功能基分成几大类。2、利用碱性差异：将生物碱混合物溶于酸水中，逐步加碱，每调节一次，用氯仿萃取，则生物碱依照碱性由弱到强被依次提出。将生物碱溶于有机溶剂中，用PH由高到低的酸性缓冲液顺次萃取，生物碱由强到弱被依次萃取出。3.利用生物碱或盐的溶解度不同。4.利用特殊功能基：酚性生物碱溶于稀氢氧化钠中；含羧基的生物碱溶于碳酸氢钠中；含内酯或内酰胺生物碱溶于热氢氧化钠中。5.色谱法（1）吸附柱色谱：常用氧化铝、硅胶作吸附剂；用苯、氯仿、乙醚等混合溶剂作展开剂。注意：硅胶作吸附剂时，需加碱在展开剂中，抑制硅胶的酸性。第五节色谱检识一、TLC1.吸附薄层：硅胶作吸附剂，常用缓冲碱液代替水铺板（0.1%～0.5mol\L),克服拖尾。或在展开剂中加入二乙胺；氧化铝作吸附剂，多分离亲脂性较强的生物碱。分离亲脂性的生物碱多用亲脂性的混合溶剂。分离季铵碱多用正丁醇-冰醋酸-水系统，显色：常用改良碘化铋钾，显橘红色。2.分配薄层：支持剂：硅胶或纤维素粉；固定相：甲酰胺或水。3.纸色谱：以水为固定相的正相纸色谱。常用正丁醇-冰醋酸（或盐酸）-水为流动相。另外，可用多层缓冲纸色谱进行PH梯度层析。当生物碱以分子状态层析时，流动相偏碱性亲脂性，实际应用时，以非水的甲酰铵作固定相。二、应用1．苦参：豆科槐属苦参的根。清热燥湿、杀虫、利尿。（1）主成分结构及性质：生物碱类如苦参碱、氧化苦参碱、氧化槐果碱等。一般氧化苦参碱含量最高，氧化槐果碱次之。其结构大多属于喹诺里西啶类。（2）性质：都含有两个氮，一个叔胺，碱性较强，一个内酰胺，不显碱性.氧化苦参碱：易溶于水，氯仿、乙醇，极难溶于乙醚，水溶液呈较强碱性；苦参碱：溶于水、苯、氯仿、乙醚等，略溶于石油醚、正己烷；苦参碱的内酰胺可被皂化；槐果碱不被皂化。（3）苦参生物碱的提取分离：见参考书2．麻黄：麻黄科草麻黄、中麻黄、木贼麻黄（1）主成分结构与性质：a）麻黄生物碱：主要有左旋麻黄碱，右旋伪麻黄碱，左旋N-甲基麻黄碱，右旋N-甲基伪麻黄碱，左旋去甲基麻黄碱，右旋去甲基伪麻黄碱。b）理化性质：游离碱具有挥发性，可随水蒸汽蒸馏，不易和多数生物碱沉淀试剂反应，多为仲胺衍生物，属中强碱，麻黄碱的碱性比伪麻黄碱弱。游离的麻黄碱可溶于水，伪麻黄碱比之小；两者均可溶于氯仿、乙醚、苯及醇类溶剂中。草酸麻黄碱难溶于水，草酸伪麻黄碱易溶于水；盐酸麻黄碱不溶于氯仿，盐酸伪麻黄碱可溶于氯仿。c)鉴别反应：①二硫化碳-硫酸酮-氢氧化钠，产生棕黄色沉淀，仲胺为阳性,伯叔胺为阴性。②硫酸酮-氢氧化钠，溶液显蓝紫色，加入乙醚振摇，乙醚层为红色，水层为蓝色。（2）麻黄碱与伪麻黄碱的提取分离a）溶剂法:利用两者既可溶于水又可溶于有机溶剂,其盐则可溶于水而不溶有机溶剂的性质进行提取.再利用草酸麻黄碱的溶解度小于伪麻黄碱进行分离。b)水蒸汽蒸馏法：游离麻黄碱和伪麻黄碱具有挥发性,先用水提取,碱化后再用水蒸汽蒸馏法提取.c)离子交换树脂法：利用两者碱性差异,控制洗脱液量来分离.麻黄碱碱性弱先从树脂柱上洗下。3．黄连：毛茛科黄连（味连）、三角叶黄连（雅连）、云连。清热燥湿、泻火解毒。（1）主成分结构和性质：小檗碱含量约为5%-8%，有的可达10%。其它尚含黄连碱、甲基黄连碱、巴马亭、药根碱、表小檗碱等。a）作用：抗菌。b）分布：毛茛科黄连属和唐松草属，防己科古山龙属，芸香科黄柏属，小檗科小檗属和十大功劳属。