生物碱

null生物碱 (Alkaloid)生物碱 (Alkaloid)中国科学院研究生院 生命科学学院null本章内容第一节、概述 第二节、分类 第三节、理化性质 第四节、提取分离 第五节、结构鉴定null第一节、概述(一)生物碱的定义 指天然产的一类含氮的有机化合物； 多数具有碱性且能和酸结合生成盐； 大部分为杂环化合物且氮原子在杂环内； 多数有较强的生理活性。 生物碱是含负氧化态氮原子，存在于生物有机体中的环状化合物。null生物碱的发现史： 1803年，从鸦片中得到第一个生物碱那可汀(narcotine)； 1806年，德国Serturner又从鸦片中得到吗啡(morphine)； 1810年，金鸡纳树皮中得到奎宁和辛可宁混合物； 1817年，发现士的宁(strychnine)和吐根碱(emetine)； 1819年，发现马钱子碱(brucine)、胡椒碱(piperine)和咖啡 碱(caffeine)； 1820年，发现奎宁(quinine)和秋水仙碱(colchicine)。 现从自然界中分离得到约10000种。 植物中存在的生物碱大多有明显的生理活性。第一节、概述null生物碱的生物活性： 鸦片中的吗啡——镇痛作用 麻黄中的麻黄碱——止喘作用 长春花中的长春碱——抗癌活性 黄连中的小檗碱——抗菌消炎作用 山莨菪碱——抗中毒性休克作用第一节、概述null生物碱化学结构的研究为合成药物提供了线索。 如：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。第一节、概述null(二)生物碱在生物界的分布 1、在系统发育较低级的类群中，生物碱存在少或无。1、藻类、水生植物、异养植物中无生物碱。 2、菌类植物中少数植物含有生物碱。 3、地衣、苔藓类植物中含有少量生物碱。 4、蕨类植物中除少数简单生物碱(如菸碱)，生物碱集中分布于小叶形的真蕨如卷柏科、木贼科、石松科等植物当中。第一节、概述null(二)分布 2、在系统发育较高级的类群中分布较多：1、裸子植物中，仅松属、云杉属、红豆杉属、三尖杉属等植物中含有少量生物碱。 2、单子叶植物中，生物碱分布较少。主要存在于百合科、石蒜科、百部科等。 3、双子叶植物含生物碱远比单子叶植物为多。并较为集中地分布于防己科、毛茛科、罂粟科、夹竹桃科、豆科、马钱科、茄科。第一节、概述null(二)分布 3、在动物中含有少数生物碱： 河豚：河豚毒素；箭毒蛙：青蛙毒素； 蟾蜍：蟾蜍色胺； 蛤蚧：肉毒碱。第一节、概述null(二)分布 有些科几乎全科植物均含生物碱，如罂粟科。 同一科属或亲缘关系相近的植物中往往含有相同或相似的生物碱，如茄科的颠茄属(Atropa)、东莨菪属(Scopolia) 、莨菪属(Hyoscyamus)、曼陀罗属(Datura)等属的植物都含有莨菪碱(hyoscyamine)。 同一种生物碱也可分布于不同科中，如在毛茛科、小檗科、防己科与芸香科的一些植物中都有小檗碱。第一节、概述null(二)分布 同种植物中所含生物碱常不止一种，有的可含数十种。生物碱在植物体内各部分中分布是不相等的，往往集中于某一器官或某一部分中。 在同一植物的不同部分，不但生物碱的含量有差异，而且生物碱的种类也可能不同。第一节、概述null(二)分布 生物碱极少与萜类、挥发油共存于同一植物中。 植物中生物碱的含量大多低于1%。 有少数含量特别低，如长春花中长春新碱含量为百万分之一，美登木中美登木素含量为千万分之一； 也有些含量特别高，如黄连中小檗碱含量可达9%、金鸡纳皮中奎宁含量高达15%。 第一节、概述null(三)存在形式 1.游离碱：碱性极弱，以游离碱的形式存在。 2.成 盐： 有机酸有：柠檬酸、酒石酸等； 特殊的酸类：乌头酸、罂粟酸等； 无机酸：硫酸、盐酸等。 3.苷 类：以苷的形式存在于植物中。 4.酰胺类：喜树碱，秋水仙碱等。 5.N-氧化物：植物体中的氮氧化物约一百余种。第一节、概述null(四)命名规则 1. 类型的命名 ⑴基核的化学结构，如吡啶、喹啉、萜类等； ⑵以来源植物命名，如石蒜科生物碱等。 2.单体成分的命名 ⑴以植物来源的属、种的名称命名；如 一叶萩碱； ⑵也有以生理活性或药效命名；如：吗啡(使睡眠)； ⑶以人名命名的；如：pelletierine(石榴碱)。第一节、概述null第一节、概述(五)分类方法 1.按植物来源分类； 如：石蒜生物碱，长春花生物碱； 2.按化学结构分类； 如：异喹啉生物碱、甾体生物碱； 3.按生源结合化学分类； 如：来源于鸟氨酸的吡咯生物碱。null本章内容第一节、概述 第二节、分类 第三节、理化性质 第四节、提取分离 第五节、结构鉴定null毒藜碱 dl-anabasine菸碱 nicotine槟榔碱 arecoline第三节、理化性质(一) 一般性质 1、形态——多为结晶固体，少为粉末；有熔点。 少数常温下——液体(多不含氧，若含多成酯键)。null2、颜色——多为无色或白色，少数有色。四氢小檗碱 (无色)小檗碱 (黄色)第三节、理化性质null3、味 觉——多具苦味。 4、挥发性——多无挥发性，少数具挥发性。 5、旋光性——多为左旋光性。 有的产生变旋现象。 如：菸碱 中性溶液——左旋光性 酸性溶液——右旋光性 多数左旋体呈显著生理活性。第三节、理化性质null*酸、碱均为1%。6、溶解度 (1)游离碱 类别 极性 溶解性 H2O CHCl3 H+ OH-非酚性 较弱 脂溶性 — + + — 季铵碱 强 水溶性 + — + + 氮氧化物 半极性 中等水溶 + ± + +两性: Ar-OH 较弱 脂溶性 — + + + -COOH 强 水溶性 + — + +第三节、理化性质null 6、溶解度 少数酚性碱，由于各种原因而导致不溶碱水中。 如：第三节、理化性质null第三节、理化性质6、溶解度 (2)成盐Alk 多易溶于水，不溶或难溶有机溶剂。 与大分子有机酸所形成的盐水溶性差； 与小分子有机酸或无机酸成盐水溶性较好。 含氧酸盐的水溶性往往较大。 例外情况：如麻黄碱、秋水仙碱：均可溶于水，也溶于有机溶剂； 生物碱盐如高石蒜碱的盐酸盐不溶于水，而溶于氯仿。 小檗碱可溶于水，其盐在冷水中反而不溶。null (二) 碱性 1、碱性的来源2、碱性强弱的表示方法(pKa)生物碱生物碱盐第三节、理化性质null 2、碱性强弱的表示方法第三节、理化性质null 3、影响碱性强弱的因素 (1) 杂化方式第三节、理化性质null 3、影响碱性强弱的因素 (2) 电子效应连接供电基团则使碱性增强。第三节、理化性质null 3、影响碱性强弱的因素 (2) 电子效应第三节、理化性质null第三节、理化性质 3、影响碱性强弱的因素 (2) 电子效应 氮原子附近若有吸电基团，碱性减弱。null 练习：比较下列化合物的碱性麻黄碱pKa=9.58pKa=9.00pKa=9.80去甲麻黄碱苯丙胺第三节、理化性质null 毒扁豆碱 pKa N1=1.76 N3=7.883、影响碱性强弱的因素 (3) 共轭效应 氮原子孤电子对处于p ~π共轭体系时，碱性减弱。第三节、理化性质null 3、影响碱性强弱的因素 (3) 共轭效应氮原子孤电子对处于p~π共轭体系时，碱性减弱。第三节、理化性质null3、影响碱性强弱的因素 (3) 共轭效应 特例：胍基化合物：最强碱。pKa 13.6第三节、理化性质null 3、影响碱性强弱的因素 (3) 共轭效应 特例：吡咯：最弱碱。 sp2 杂化 弱碱 (孤对电子处于P轨道)第三节、理化性质null 3、影响碱性强弱的因素 (4) 诱导-场效应含有两个以上氮原子： 诱导、静电场效应，使碱性降低。第三节、理化性质null 3、影响碱性强弱的因素 (5) 立体因素 叔胺分子——碱性降低 但如：苦参碱——使碱性增强苦参碱第三节、理化性质null3、影响碱性强弱的因素 (5)立体因素莨菪碱 pKa 9.65东莨菪碱 pKa 7.5第三节、理化性质null3、影响碱性强弱的因素 (6) 分子内氢键 若能形成稳定的分子内氢键，可使碱性增强。 (指成盐时接受的质子能形成稳定的分子内氢键)第三节、理化性质null 3、影响碱性强弱的因素 (6) 分子内氢键第三节、理化性质null 3、影响碱性强弱的因素 (6) 分子内氢键第三节、理化性质null 3、影响碱性强弱的因素 (6) 分子内氢键第三节、理化性质null 3、影响碱性强弱的因素 (7) 分子内互变异构蛇根碱第三节、理化性质null 3、影响碱性强弱的因素 (7) 分子内互变异构异构化醇胺型小檗碱 pKa=11.53季铵型第三节、理化性质null 3、影响碱性强弱的因素 (7) 分子内互变异构N原子处在稠环的“桥头”——张力较大新番木鳖碱 pKa=3.8阿马林碱 pKa=8.15第三节、理化性质null 3、影响碱性强弱的因素 (7) 分子内互变异构 互变异构的条件： ①环叔胺分子，氮原子的α、β位有双键； ②环叔胺分子，氮原子的α位有-OH； ③处于稠环桥头的N，不能异构化。第三节、理化性质null 3、影响碱性强弱的因素 (1) 空间效应 > 诱导效应 (2) 共轭效应 > 诱导效应 碱性强弱：第三节、理化性质季铵仲胺伯胺叔胺芳胺酰胺null(三) 成盐 (Alk成盐的机理) 生物碱与酸成盐，对质子化来说，仲胺、叔胺生物碱成盐时，质子多结合于氮原子。 季铵碱、氮杂缩醛、烯胺以及具有涉及氮原子的跨环效应形式的生物碱，质子化则往往并非发生在氮原子上。第三节、理化性质null1、季铵碱的成盐季铵碱盐水第三节、理化性质null2、含氮杂缩醛Alk的成盐质子与RO-结合成H-OR(醇或水）氮杂缩醛生物碱亚胺盐醇或水第三节、理化性质null2、含氮杂缩醛Alk的成盐斯米生(亚胺盐)第三节、理化性质null3、具有烯胺结构Alk的成盐第三节、理化性质null3、具有烯胺结构Alk的成盐二氢奥斯冬宁亚胺盐第三节、理化性质null*稠环桥头N原子不能形成亚胺形式的盐。有烯胺结构新士的宁含氮杂缩醛结构阿马林碱第三节、理化性质null4、涉及氮原子跨环效应Alk的成盐N原子孤电子对空间上靠近酮基时，则产生跨环效应第三节、理化性质null4、涉及氮原子跨环效应Alk的成盐产生跨环效应生成的盐二甲氧基皮拉菲林 dimethoxy picraphylline第三节、理化性质null(四) 沉淀反应 用途： 鉴别——试管、TLC或PPC显色剂； 提取分离——检查是否提取完全。 主要内容： 1、沉淀试剂 2、反应原理 3、反应条件 4、结果判断第三节、理化性质null1、沉淀试剂 金属盐类 碘-碘化钾(Wagner) KI-I2 棕褐色沉淀 碘化铋钾(Dragendoff) BiI3×KI 红棕色沉淀 碘化汞钾(Mayer试剂) HgI2×2KI 类白色沉淀 若加过量试剂，沉淀又被溶解 氯化金(3%)(Suric chloride) HAuCl4 黄色晶形沉淀第三节、理化性质null1、沉淀试剂 酸类——硅钨酸(Bertrand试剂) SiO2×12WO3 乳白色 酚酸类——苦味酸(Hager试剂) 2,4,6-三硝基苯酚 黄色 复盐—— 雷氏铵盐(Ammoniumreineckate) 硫氰酸铬铵试剂 生成难溶性复盐 紫红色第三节、理化性质null2、反应原理：生成更大多分子复盐和络盐生物碱盐苦味酸生物碱盐碘化铋钾第三节、理化性质null3、沉淀反应条件 (1)通常在酸性水溶液中生物碱成盐状态下进行； (若在碱性条件下则试剂本身将产生沉淀) (2)在稀醇溶液中时，含水量>50%； (当醇含量>50%时可使沉淀溶解) (3)沉淀试剂不宜加入多量。 (如：过量的碘化汞钾可使产生的沉淀溶解)第三节、理化性质null4、结果的判断 (1)鉴别时每种Alk需采用三种以上沉淀试剂； (沉淀试剂对各种Alk的灵敏度不同) (2)直接对中药酸提液进行沉淀反应，则 阳性结果——不能判定Alk的存在 阴性结果可判断无Alk存在 氨基酸、蛋白质、多糖、鞣质等 + 沉淀试剂——沉淀第三节、理化性质null第三节、理化性质排除水溶性杂质的干扰： (氨基酸、蛋白质、多糖、鞣质等)水提取液调碱性， CHCl3 萃取水层 (蛋白质、鞣质) CHCl3层酸水萃取酸水层 (生物碱盐) null(五) 显色反应 Labat反应 5%没食子酸的醇溶液 具有亚甲二氧基结构呈翠绿色 Vitali反应 发烟硝酸和苛性碱醇溶液 结构中有苄氢存在则呈阳性反应 深紫—暗红—最后颜色消失第三节、理化性质null(六) C-N键的裂解反应（基本骨架的测定） 1.霍夫曼降解(Hofmann degradation) 2.Emde降解反应(Emde degradation) 3.von Braun三级胺降解 (von Braun ternary amine degradation)第三节、理化性质null本章内容第一节、概述 第二节、分类 第三节、理化性质 第四节、提取分离 第五节、结构鉴定null(一) 提取 1、酸水提取法 (离子交换树脂法、沉淀法) 2、醇类溶剂提取法 3、与水不相混溶的有机溶剂提取法第四节、提取分离null1、酸水提取法：冷提法 (渗漉法、冷浸法) 酸性水—— 0.1% ~ 1% H2SO4、HCl、HOAc等H+/H2OOH-弱碱及杂质亲水性Alk第四节、提取分离null 第四节、提取分离1、酸水提取法 此法缺点： 提取液体积较大(浓缩困难) 提取液中水溶性杂质多 解决方法： (1) 离子交换树脂法 (2) 沉淀法null (1)离子交换树脂法第四节、提取分离null(2)沉淀法 ①酸提碱沉法第四节、提取分离null②盐析法：适用中等弱碱。碱化至pH=9；加NaCl达饱和掌叶防己碱第四节、提取分离null ③雷氏铵盐沉淀法第四节、提取分离null硫酸钡沉淀季铵碱的盐酸盐加酸水调至弱酸性 加新配制的雷氏铵盐饱和H2O溶丙酮(乙醇)中 加Ag2SO4饱和水溶液加入氯化钡(BaCl2)第四节、提取分离null 2.醇类溶剂提取法 醇或酸性醇挥醇；加酸水碱性较弱的碱亲水性AlkAlkOH-/H2O CHCl3第四节、提取分离null 3.与水不相混溶的有机溶剂提取法碱化 (如NH4OH) (使Alk游离) 渗漉 (或浸渍) (如CHCl3等)H+/H2OOH-/H2O亲水性Alk碱性较弱的Alk第四节、提取分离null(一) 提取 1.酸水提取法 2.醇类溶剂提取法 3.与水不相混溶的有机溶剂提取法 (二) 分离 溶解性——重结晶法 碱性强弱——pH梯度萃取 色谱法第四节、提取分离null依据Alk的理化性质第四节、提取分离null第四节、提取分离1、根据Alk及其盐的溶解度不同进行分离 (1) 已知成分——查文献选择结晶溶剂 (2) 未知成分——色谱方法进行溶剂的选择 2、Alk碱性不同——pH梯度萃取法 首先考虑的问题： 所选溶剂pH值多少为宜？ 萃取几次能完全？ 萃取溶剂的最佳体积？null 2、Alk碱性不同——pH梯度萃取法 (1) 确定pH值的方法第四节、提取分离null 2、Alk碱性不同——pH梯度萃取法 (1) 确定pH值的方法第四节、提取分离null第四节、提取分离nullA+B+CpHNo. 1 2 3 4 5 6 7 8CHCl3小 大 第四节、提取分离null第四节、提取分离null 2、Alk碱性不同——pH梯度萃取法 (1) 确定pH值的方法 ②利用pKa值来确定pH值 pKa与pH关系：第四节、提取分离null例：某Alk的pKa=8.0，用CHCl3从H2O中萃取，H2O的pH应调多少？pH = pKa + 2 = 8 + 2 = 10第四节、提取分离null 2、Alk碱性不同——pH梯度萃取法 (2) 判断分离的难易程度——萃取次数第四节、提取分离nullβ ≥ 100 1次萃取可达90%以上 ≥ 10 萃取需10~12次 ≈ 2 需1000次以上萃取 (CCD法) ≈ 1 不能分离第四节、提取分离null3、色谱法 ⑴吸附剂：柱色谱法常用氧化铝(偶用硅胶)； ⑵展开剂：游离Alk常以苯、乙醚、氯仿等溶剂洗脱 ⑶化合物极性判断： ①相似结构：双键多、含氧官能团多——则极性大 ②在含氧官能团中：第四节、提取分离null 提取分离实例——长春碱与长春新碱第四节、提取分离null(干粉80目)苯渗漉pH=46%酒石酸水溶液萃取过滤，氨水碱化至 pH=6~7 CHCl3提除水杂除脂杂除碱性较强的成分第四节、提取分离null弱碱回收氯仿，蒸干 溶于无水乙醇 H2SO4调pH=3.8~4.1 Alk沉淀溶于H2O，氨水碱化至 pH=8~9 CHCl3萃取除脂杂除水杂精 制第四节、提取分离null回收氯仿溶于苯:氯仿(1:2)液中 通过Al2O3吸附柱 用苯:氯仿(1:2)洗脱色谱分离第四节、提取分离null本章内容第一节、概述 第二节、分类 第三节、理化性质 第四节、提取分离 第五节、结构鉴定第五节、结构鉴定第五节、结构鉴定 (一) 色谱法 测定理化常数(如：熔点)，与文献报道的数据进行对照，与对照品共薄层，测定其衍生物的理化数据等。 1.薄层色谱法 2.纸色谱法null(二) 谱学法 紫外光谱、红外光谱、质谱、核磁共振 UV——反映分子中所含共轭系统情况； IR——利用特征吸收峰，鉴定结构中主要官能团； NMR——各种技术图谱测定结构； MS——依据文献，结合主要生物碱类型的质谱特征进行解析。第五节、结构鉴定null生物碱MS的一般规律： 1.难于裂解或由取代基或侧链的裂解产生特征离子 特点：M+或M+-1多为基峰或强峰。 一般观察不到由骨架裂解产生的特征离子。 主要包括两大类： ①芳香体系组成分子的整体或主体结构； 如喹啉类、吖啶酮类等 ②具有环系多、分子结构紧密的生物碱； 如苦参碱类、秋水仙碱类等第五节、结构鉴定null2.主要裂解受氮原子支配 主要裂解方式是以氮原子为中心的α-裂解，且多涉及骨架的裂解。 特征：基峰或强峰多是含氮的基团或部分。 主要类型生物碱：金鸡宁类、甾体生物碱类等。第五节、结构鉴定null3.主要由RDA裂解产生的特征离子 特点：裂解后产生一对强的互补离子，由此可确定环上取代基的性质和数目。 主要有：四氢原小檗碱类、无N-烷基取代的阿朴菲类等。 四氢原小檗碱类型的生物碱，主要从Ｃ环裂解，发生逆Diels-Alder反应(RDA反应)。如：轮环藤酚碱（cyclanoline）的裂解过程表示如下：第五节、结构鉴定null轮环藤酚碱（cyclanoline）的裂解过程第五节、结构鉴定null4.主要由苄基裂解产生特征离子 特点：同3。即裂解后产生一对强的互补离子 如：苄基四氢异喹啉类、双苄基四氢异喹啉类等。 如异喹啉类型中的1-苯甲基-四氢异喹啉类型的生物碱，其在裂解过程中易失去苯甲基，得到以四氢异喹啉碎片为主的强谱线。 第五节、结构鉴定null1-苯甲基-四氢异喹啉类型的生物碱的裂解：第五节、结构鉴定