Понятие об алкалоидах

Понятие об алкалоидах.

Алкалоидами называют группу азотистых соединений, обладающих основными свойствами и  встречающихся преимущественно  в растениях; алкалоиды характеризуются  в большинстве случаев сложным  строением и обычно содержат в  своих молекулах гетероциклы. Многие алкалоиды обладают сильным физиологическим  действием: в больших дозах они  являются ядами, а в малых их часто  применяют как ценные лекарственные  вещества.

Алкалоиды очень широко распространены в растительном мире. Некоторые семейства растений особенно богаты алкалоидами, например маковые, пасленовые и ряд других. В большинстве случаев алкалоиды  встречаются группами, причем представители  такой группы часто имеют сходное  химическое строение. В растениях  алкалоиды обычно встречаются в  виде солей органических кислот –  щавелевой, яблочной, виннокаменной, лимонной и др. Свободные алкалоиды ( выделенные из солей) в связи с их основными  свойствами часто называют алкалоидами-основаниями. Долгое время биологические функции алкалоидов в растительном организме были неясны. Чаще их считали конечными продуктами обмена веществ, или иными экстрактами. Однако было доказано, что алкалоиды активно вовлекаются в обменные процессы. Возможно, алкалоиды также защищают растения от поидания животными, т.е. являются антифедантами. Кроме того, алкалоиды классифицируются по основаниям. Всего выделяют 6 групп алкалоидов: пиридиновая (никотин), хинолиновая (хинин, стрихнин), изохиниловая (папаверин, кураре), фенантреновая (морфин, кодеин), тропиновая (атропин) и пуриновая (кофеин).

Немногие  алкалоиды жидкости и являются летучими соединениями, большинство же  удалось выделить в кристаллическом виде; последние содержат кислород, в первых его не имеется.  Большинство алкалоидов оптически деятельно, и притом вращает влево. Алкалоиды почти все горьки на вкус; в небольшом количестве многие из них производят возбуждающее действие на нервную систему, в больших же дозах они  часто являются весьма ядовитыми. Из-за этого возбуждающего действия растения, содержащие алкалоиды, издавна употреблялись людьми то для приготовления  напитков (чай, кофе—ради кофеина, какао-ради теобромина), то для курения

(табак, опиум), то для жевания (листья коки). Злоупотребление некоторыми алкалоидами, особенно вспрыскиваниями морфия или нюханьем кокаина, ведет к очень тяжелым последствиям. Кроме того, отдельные алкалоиды обладают специфическим физиологическим действием, чем часто пользуются в медицине. Все это издавна возбуждало большой интерес к изучению алкалоидов. Выяснилось,

что все  они представляют амины, вторичные  или третичные, но не первичные, а  иногда аммониевые основания. В связи с этим алкалоиды проявляют основные свойства, т.е. реагируют с кислотами  и дают двойные соли с хлорной платиной.

Биосинтез

Биогенетическими  предшественниками большинства  алкалоидов являются аминокислоты: орнитин, лизин, фенилаланин, тирозин, триптофан, гистидин, аспарагиновая кислота и антраниловая кислота. Все эти аминокислоты, кроме антраниловой кислоты, являются протеиногенными^[156]. Никотиновая кислота может быть синтезирована из триптофана или аспарагиновой кислоты. Пути биосинтеза алкалоидов не менее разнообразны, чем их структуры, и их невозможно объединить в общую схему^[67]. Тем не менее, существует несколько характерных реакций, участвующих в биосинтезе различных классов алкалоидов^[156]:

• образование оснований Шиффа,
• реакция Манниха,

Образование оснований Шиффа

Основная  статья: Шиффово основание

Основания Шиффа могут быть получены в результате реакции аминов с кетонами или альдегидами^[157]. Данная реакция является распространённым способом формирования C=N связи^[158].

При биосинтезе алкалоидов реакция образования  основания может проходить также  внутримолекулярно^[156]. Примером может являться реакция образования Δ₁-пиперидеина, происходящая при синтезе пиперидинового цикла^[25]:

Реакция Манниха

Основная  статья: Реакция Манниха

В реакции  Манниха, помимо амина и карбонильного соединения, участвует также карбанион, играющий роль нуклеофила в процессе присоединения к иону, образованному взаимодействием амина и карбонильного соединения^[158].

Реакция Манниха  также может осуществляться как  межмолекулярно, так и внутримолекулярно^[159]. Примером внутримолекулярной реакции Манниха может служить синтез пирролизидинового ядра^[160]:

Разновидностью  внутримолекулярной реакции Манниха  является реакция Пикте — Шпенглера — циклизация шиффовых оснований, образованных из β-фенилэтиламинов с образованием системы тетрагидроизохинолина. У растений биосинтез алкалоидов происходит всегда под действием ферментов, у животных же известны случаи неферментативного синтеза изохинолиновых алкалоидов, включающий две последовательные стадии — образование основание Шиффа из катехоламинов и альдегида и реакцию Пикте — Шпенглера. Обе эти реакции могут протекать в физиологических условиях и в отсутствии ферментов. Обычно неферментативный синтез алкалоидов происходит при нарушениях обмена веществ или интоксикациях, когда в организме имеется избыток аминов или альдегидов. Так, высокий уровень катехоламинов в мозгу человека наблюдается при шизофрении, паркинсонизме. Сопутствующие этим заболеваниям нарушения психики отчасти связывают с неферментативным синтезом изохинолиновых алкалоидов. В результате приёма алкоголя из дофамина и ацетальдегида образуется алкалоид салсолинол, который является одним из факторов развития алкогольной зависимости. ^[161]

Методы  выделения и установления структуры.

Главной проблемой  при выделении алкалоидов является отделение вещества от “балластного ” материала, составляющего главную  массу растительного сырья. В  случае с легколетучими алкалоидами, выделение производится путем отгонки  с водяным паром, однако такие  случаи редки. Так как обычно алкалоиды  находятся в растении в виде различных  кислот, то необходимо сначала освободить их путем смачивания измельченного  растения раствором щелочи.

Нередко для  извлечения алкалоидов прибегают к  экстракции при помощи подходящих растворителей. Подобные методики выделения делятся  на две группы: экстракция в виде солей и экстракция в виде свободных  оснований. В первом случае растительное сырье обрабатывается подходящим растворителем, к которому прибавляется небольшое  количество какой-либо кислоты (уксусной, соляной, винной, лимонной и др.). Экстракция ведется обычно в конических экстракционных аппаратах (перколяторах), в которые  загружается мелко размолотое сырье  и заливается растворитель. После  настаивания в течение нескольких часов раствор медленно выпускают  через кран, имеющийся в нижней части перколятора, а сырье снова  заливают свежим растворителем и  продолжают так до полного извлечения, т.е. до того момента, когда в пробе  жидкости, стекающей из перколятора, при помощи подходящих качественных реакций не удается больше открыть  присутствие алкалоида. Еще более  совершенной является непрерывная  перколяция; при этом способе, по мере того как из крана перколятора  медленно сливается раствор, в верхнюю  его часть автоматически добавляется  такое же количество свежего растворителя. При наличии аппаратуры целесообразно  использование экстракцию в нескольких перколяторах по принципу противотока: раствор, вытекающий из первого перколятора, поступает на свежее сырье, находящееся  в во втором перколяторе; из второго  обогащенный раствор поступает  на свежее сырье – в третьем  перколяторе и т.д. Этим путем  удается получить более концентрированные  растворы алкалоида и обойтись с  меньшим количеством растворителя. На производстве устанавливаются “экстракционные  батареи”, состоящие из 5-10 перколяторов.

Соли алкалоидов обычно растворимы в воде, спиртах (метиловом  и этиловом) и нерастворимы в эфире  и углеводородах. Поэтому при  извлечении алкалоидов в виде солей  в качестве растворителя обычно применяется  вода или спирт. Хотя экстракция алкалоидов идет в большинстве случаев легко  и быстро, однако этот способ имеет  недостаток, что спирт, а особенно вода, извлекает из растений наряду с алкалоидами большое количество так называемых “экстрактивных веществ” (белки, смолы, дубители, слизи и др.), присутствие которых часто сильно затрудняет обработку таких растворов.

Экстракция  алкалоидов в виде свободных оснований.

При этом методе необходимо предварительно выделить алкалоиды, находящиеся в растении в виде солей, что достигается обработкой щелочью. Иногда для этого слегка влажный порошок растительного  сырья тщательно смешивают с  сухим основанием (окись магния или  известь), а затем подвергают экстракции. В других случаях растение смачивают  и тщательно растирают с раствором  щелочи (аммиак, сода, едкий натр) и  затем подвергают экстракции в перколяторе. Так как свободные алкалоиды  растворимы не только в воде и спирте, но и в большем числе органических растворителей, то выбор подходящего  растворителя в этом случае гораздо  богаче. Чаще всего для этой цели применяют бензол, дихлорэтан, реже пользуются эфиром, хлороформом, четыреххлористым углеводородом, петролейным эффиром  и керосином. Сама экстракция ведется  путем перколирования совершенно так  же, как в случае экстракции в  кислой среде.

Выбор подходящей щелочи является очень важным моментом, так как многие алкалоиды очень  чувствительны к действию сильных  щелочей и могут при этом подвергаться нежелательным изменениям, также  могут встретить случаи, когда  алкалоид представляет собой настолько  сильное основание, что для его  выделения из солей недостаточно слабых оснований вроде аммиака.

Предварительная экстракция.

Для разделения смеси алкалоидов от балластных веществ  применяется способ предварительной  очистки сырья. Для этого сырье  сначала обрабатывают какой-либо слабой кислотой (или солью, имеющей слабокислую  реакцию) и подвергают экстракции бензолом или петролейным эфиром. Алкалоиды, будучи связаны в виде солей, в  эти растворители не переходят, а  растворитель извлекает только нейтральные  или кислые экстрактивные вещества. После этой предварительной обработки  растительный материал снова обрабатывают подходящей щелочью и вторично извлекают  по тому же способу. Раствор алкалоидов при этом получается значительно  более чистым, содержащим гораздо  меньше посторонних веществ, и выделение  из него чистых оснований значительно  облегчается. Однако, вследствие громоздкости и большой затраты времени  этот метод применяется только в  исключительных случаях, там где  приходится иметь дело с сырьем, особо богатым балластными веществами, или в случае очень чувствительных и легко изменяющихся алкалоидов.

Экстракты, полученные тем или иным способом, содержат алкалоиды (и балластные вещества), или в виде солей, или уже в  свободном виде. Сообразно с этим дальнейшая обработка их несколько  отличается.

Далее проводится обработка экстрактов.

.

Общие методы изучения структуры.

При изучении структуры алкалоидов особо важную роль играют реакции размыкания гетероциклических  колец, так как они позволяют  перейти от сложных полициклических  структур к более простым. Наряду с этими реакциями большое  значение имеют также реакции, ведущие  к установлению основного азотно-углеродистого  “скелета” изучаемого алкалоида, т.е. той упрощенной структуры, которая  остается после удаления боковых  групп и цепей.

Типичными примерами являются реакции раскрытия  кольца, в частности одной из важнейших  является “гофманский распад” и его модификация “распад по Эмде”. Это удается осуществить благодаря тому, что при нагревании четвертичных оснований, последние распадаются с образованием воды, третичного амина и ненасыщенного углеводорода.