第四章 生物碱 alkaloids,4.1 概述 4.2 生物碱的分类 4.3 生物碱的性质 4.4 生物碱的提取与分离 4.5 生物碱的鉴定和结构测定 4.6 有代表性的生物碱,4.1 概述,生物碱是人类对植物药中有效成分研究得最早而较多的一类成分。从十九世纪德国学者F.W.Sertrner从鸦片中分离出吗啡碱（morphine）以来，迄今已从自然界中分离得到约10000种生物碱类化合物。 植物中存在的生物碱大多有明显的生理活性 。,生物碱化学结构的研究为合成药物提供了线索,植物古柯中的有效成分古柯碱（cocaine）虽有很强的局部麻醉作用，但是毒性较大，久用容易成瘾。化学合成工作者对它进行结构改造，从中找到普鲁卡因（procaine），不但结构较古柯碱简单，毒性也大大地被降低了，成为临床广泛使用的局部麻醉药物。,生物碱的定义,是生物体内一类除蛋白质、肽类、氨基酸基维生素B以外含氮化合物的总称，是结构复杂具有生理活性的植物碱。,生物碱的分布,生物碱主要分布于植物界,在动物中发现得很少。在高等植物尤其在双子叶植物中分布为广： 在双子叶植物的小檗科(Berberidaceae)，毛茛科(Rununcu-laceae)，木兰科(Magnoliaceae)，防己科(Menisperma-ceae)，罂粟科(Papaveraceae)，芸香科(Rutaceae)等植物中广为分布；,裸子植物中，在红豆杉科红豆杉属(Taxus)，松柏科松属(Pinus)，云杉属(Picia)，三尖杉科三尖杉属Cepha-lotaxus)，麻黄科麻黄属(Ephedra)等属植物中有分布 少数单子叶植物如石蒜科，百部科(Stemonaceae)，百合科(Liliaceae)等植物中有分布。在低等植物中，生物碱分布少，而且结构一般为简单。生物碱在生物体中的存在部位和含量往往差别很大，一般来说，含量在千分之一以上即为高含量。,生物碱在植物体内主要存在的形式有,1.游离碱：由于部分生物碱的碱性极弱，不易或不能与酸生成稳定的盐，因而以游离碱的形式存在。 2.成盐：除少数极弱碱性生物碱（如：秋水仙碱及吲哚类生物碱）外，大多生物碱，在植物细胞中都是与酸类结合成盐的形式存在。常见的有机酸有：柠檬酸、酒石酸、苹果酸、草酸、琥珀酸等。,3.苷类：一些生物碱以苷的形式存在于植物中； 4.酯类：多种吲哚类生物碱分子中的羧基，常以甲酯形式存在。 5.N-氧化物：在植物体中已发现的氮氧化物约一百余种。,4.2 生物碱的分类,可以 1) 按来源分类, 2) 按化学骨架分类, 3)按生源结合化学分类。按3)法分类的生物碱可以分为氨基酸途径生成的生物碱和萜类及甾体来源的生物碱。,一、有机胺类,结构特点：氮原子不结合在环内的一类生物碱。 如 麻黄碱和伪麻黄碱是属于芳烃仲胺类生物碱，有些性质和生物碱类的通性不完全一样，例如：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。,秋水仙碱（colchicine）是环庚三烯酮醇的衍生物，分子中有两个骈合七元碳环，氮在侧链上成酰胺状态。临床上用以治疗急性痛风，并有抑制癌细胞生长的作用。,二、吡咯烷衍生物,由吡咯或四氢吡咯衍生的生物碱。该类生物碱种类不少，较重要的分为：简单的吡咯衍生物、吡咯里西啶衍生物（又称双稠吡咯烷）和吲哚里西啶衍生物。,三、吡啶（pyridine）衍生物,由吡啶或六氢吡啶衍生的生物碱。该类型生物碱主要有：简单吡啶衍生物和喹诺里西啶（quinolizidine）。猕猴桃碱属简单吡啶衍生物，该成分是一种油状液体生物碱， 蓖麻碱（ricinine）：是蓖麻种子中的一种生物碱，是吡啶酮的衍生物，分子中含有氰基，因之毒性较大。,金雀花碱属喹诺里西啶衍生物。其具有兴奋中枢神经的作用，可从野决明种子中获得。 来自于豆科植物苦参的干燥根中的主要成分是苦参碱和氧化苦参碱，二者均有抗癌活性，能抑制肉瘤180的生成。,四、莨菪烷衍生物,莨菪烷是由吡咯啶和哌啶骈合而成的杂环。该类生物碱可分为二个类型： 颠茄生物碱 古柯生物碱,喹啉衍生物（邻氨基苯甲酸）,喜树碱：来自于我国南方特产植物珙桐科喜树中，其木部、根皮和种子中都含有生物碱，并以喜树碱为主要成分。具有抗癌活性，对白血病和直肠癌有一定临床疗效，但毒性很大，其安全范围较小。,五、异喹啉衍生物,是一类很重要的生物碱，由于其数量多且结构类型复杂，仅就其主要类型说明如下 1.1-苯甲基异喹啉型生物碱那可丁（属此类生物碱。其具有镇咳作用与可待因相似，但无成瘾性，可替代可待因。,2.双苯甲基异喹啉 3.原小檗碱型生物碱,小檗碱和药根碱属此类型生物碱，存在于黄连、黄柏及三颗针等植物中。,4.阿朴啡型生物碱 5.原阿朴啡型生物碱 6.吗啡烷型生物碱,吗啡碱（morphine）是鸦片中的成分，具有止痛的作用。 存在于青藤中的青藤碱具有显著的镇痛和消炎作用。,7.原托品碱型生物碱,六、吲哚衍生物 该类型生物碱数量也较多且结构也比较复杂。 较重要的还有：麦角新碱 毒扁豆碱,毒扁豆碱：来自于豆科植物毒扁豆种子中的一种生物碱，又称依色林，是一种副交感神经兴奋药，用于青光眼治疗，还用于中药麻醉的催醒药。 玫瑰树碱：从玫瑰树属植物Ochrosia elliptica Labill.中获得。其具有类似喜树碱的抗癌作用，且毒性较低。,七、嘌呤衍生物,香菇嘌呤是由香菇中分离得到的一种生物碱，具有显著降低血液中胆甾醇、甘油三酯、磷酯的生物活性，用于动脉硬化，临床作为防治冠心病的药物。,八、甾体生物碱类,本类被认为是天然甾体的含氮的简单衍生物，又与萜类生物碱统称为伪生物碱。,九、萜类生物碱,此类生物碱包含：一萜生物碱、倍半萜生物碱、二萜生物碱、三萜生物碱等。,乌头碱毒性极大，产生毒性的根源是其结构中含有二个酯键。若将乌头碱与稀碱水溶液加热，很容易除去二个酯键，生成乌头原碱（aconine）。或将乌头碱在中性水溶液中加热，酯键也同样被水解。 经水解后生成的乌头原碱，其毒性极小。这就是中医用乌头、附子必经炮制的原由。,十、大环生物碱 十一、其他类型生物碱,中药川芎中的生物碱川芎嗪，其结构为四甲基吡嗪，用于治疗各种闭塞性血管疾病。,4.3 生物碱的性质,一、一般性质 1.形态：大多为结晶形固体，只有少数是非结晶形的粉末，有一定的熔点。少数有升华性。 少数在常温时为液体，液体生物碱大多都不含氧，如果分子中含氧原子则氧原子也多结合成酯键。,2.颜色：,生物碱一般是无色或白色的化合物，只有少数有色。 颜色与共轭系统有关，共轭系统长则颜色深，共轭系统短则颜色浅。 3.味觉：生物碱多具苦味。 4.挥发性：一般无挥发性，少数有挥发性（如：液体生物碱）。 5.旋光性：大多数生物碱分子有手性碳原子存在，有光学活性，且多数为左旋光性。,有的生物碱产生变旋现象，有的生物碱在不同的溶剂中旋光度不同，例如：生物碱的生理活性与其旋光性密切相关。一般地，左旋体呈显著的生理活性，而右旋体则无或很弱。,6.溶解度,大多数游离生物碱均不溶或难溶于水，能溶于氯仿、乙醚、丙酮、醇或苯等有机溶剂。 季铵类生物碱，由于碱性强，离子化程度大，亲水性强，故较易溶于水。有少数生物碱虽不属于季铵类，但在水中也有较大的溶解度。 酸碱两性的生物碱，既能溶于酸性水溶液，又能溶于碱性水溶液，而不溶或难溶于常见的有机溶剂，如果它的酸性和碱性都很强，因能形成两性离子（内盐式），故亦易溶于水中。,吗啡属酸碱两性生物碱，但由于其具有的酚羟基酸性很弱，离子化程度小，加以分子比较复杂，故表现既难溶于水，又难溶于常见的亲脂性有机溶剂（包括氯仿），只有在醇类如乙醇、戊醇中才能溶解。如果将吗啡分子中的酚羟基甲基化，转为只有碱性的可待因，则可增加其在氯仿等亲脂性有机溶剂中的溶解度。,去甲基粉防己碱 其虽含有酚羟基，但不溶于碱性水溶液中，这是由于它的酚羟基受到邻位取代基的空间阻碍和形成分子内氢键，使酸性大大减弱的缘故。,生物碱盐类尤其是无机酸盐和小分子的有机酸盐多易溶于水，不溶或难溶于常见的有机溶剂。,一般说来，含氧酸盐的水溶性较大。,7、碱性,酸碱质子理论：所有的酸碱反应都是它和它的共轭酸碱对的平衡，且向形成弱酸、弱碱的方向移动。 碱是任何分子或离子能接受质子的物质，而接受质子后的碱则为其共轭酸。 生物碱分子中的氮原子通常具有孤电子对，能接受质子，表现出碱性，所以是碱。,碱性强弱的表示方法,生物碱的碱性强度一般用pKa表示。 pKa的值越大，其碱性就越强。而pKb的值越大，则酸性就越强。氮原子上孤电子对的杂化方式、氮原子的电子云密度分布及分子的空间效应,影响碱性强弱的因素,氮原子的杂化方式：生物碱分子中氮原子孤电子对处于杂化轨道中，其碱性强弱随杂化度升高而增强。 如：吡啶（pKa=5.17）和异喹啉（pKa=5.4）的氮原子均为SP2杂化，其碱性较弱 ，其氢化产物六氢吡啶、四氢异喹啉（ pKa=5.4）的氮为SP3 杂化，故后者的碱性比前者强。,电子效应：,诱导效应：氮原子所连接的基团如为供电基团则碱性增强。叔胺碱性弱于仲胺，其原因是由于立体影响（即位阻），叔胺结构中的三个甲基阻碍了氮原子对质子的结合能力，而使碱性降低。,氮原子附近若有吸电基团存在，则使氮原子电子密度降低，因此碱性减弱。由于-COOCH3基的吸电作用，其碱性弱于托哌可卡因（tropococaine）。,氮原子孤电子对处于p-共轭体系时，通常情况下，其碱性较弱。,如果氮原子与羧酸缩合成酰胺状态，则形成了p-共轭而使其碱性降低。在此情况下，虽有诱导效应，但共轭效应（+C）诱导效应（I）。,（3）诱导场效应：使生物碱的碱性降低。,在生物碱分子中若同时含有二个氮原子时，即使其处境完全相同，其碱度总是有差异的。当第一个氮原子质子化后，它对第二个氮原子产生两种碱性降低的效应：诱导效应和静电场效应。统称为诱导场效应。,分子内氢键：若能形成稳定的分子内氢键，则使碱性增强。,碱性强度不同的原因是伪麻黄碱能形成稳定的分子内氢键。氢键与一般化学键相同，其强度与原子间的距离成反比，从麻黄碱和伪麻黄碱的优势构象来看，它们的羟基和甲氨基之间的距离似乎没有什么差别，但在结构中，处在邻位交叉较大的基团即甲基和苯基之间存在一定的排斥力，在伪麻黄碱的结构中，由于这种排斥力的作用，使羟基与甲氨基的距离较为接近，故氮原子接受质子成为N+H后，氮上的氢与邻近羟基上的氧所形成的氢键就比较稳定，而呈较强的碱性。在麻黄碱的结构中，当氮原子接受质子并与邻近羟基上的氧形成氢键时，同样由于甲基和苯基的排斥作用，使所形成的分子内氢键的强度减小，而N+H较易解离，故碱性较弱。,分子内互变异构：有些生物碱可异构化成季铵型，而季铵碱离子化程度大，使氮原子具有似金属性，所以表现出强碱性。,蛇根碱分子中N4位的、位有双键，N4上孤电子对参予了共轭体系，因之当双键转位，N4可形成季铵型，N1原子就作为N4季铵的电子受体，因而表现出强碱性。,碱性强弱小结：,供电碱性共轭碱性诱导吸电碱性立体因素碱性增强、降低（视结构而定）； 结构中有-COOH、Ar-OH基团，则为两性生物碱。,习题：比较碱性,沉淀反应,用途：鉴别试管、TCL或PPC的显色剂。如：改良碘化铋钾试剂。提取分离检查是否提取完全、精制、定量分析。 大多数生物碱能和某些酸类、重金属盐类以及一些较大分子量的复盐反应，生成单盐、复盐或络盐沉淀。 这些能与生物碱产生沉淀的试剂称为生物碱沉淀试剂。,表 常用的生物碱沉淀试剂,显色反应,用于生物碱的显色试剂很多，它们往往因生物碱的结构不同而显示不同的颜色。但是，颜色反应仅可作为识别生物碱的参考，因为生物碱纯度不同，显色就有差别。生物碱与酸性染料如溴麝香草酚蓝、溴甲酚绿等，在一定pH的缓冲液中也可形成复合物而显色，此种复合物定量地被氯仿等有机溶剂提出而用于比色测定，是应用广泛的一种微量测定生物碱的方法。,4.4 生物碱的提取与分离,