Химия алкалоидов

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ АЛКАЛОИД

   Под алкалоидами мы понимаем особую группу азотистых органических соединений основного характера, имеющих обычно довольно сложный состав, встречающихся в готовом виде в растительных (или реже-в животных) организмах и часто обладающих сильным фармакологическим действием.

   В начале прошлого столетия (1806), когда были открыты первые растительные основания, алкалоидами называли вообще все органические вещества, имеющие основной характер. После открытия синтетических органических оснований (1848) под алкалоидами стали подразумевать только те основные вещества, которые были выделены из растительного организма. В настоящее время выделение алкалоидов в отдельную группу весьма целесообразно уже по одному тому, что строение большинства из них еще неизвестно и невозможно поэтому включить их в общую систему органических соединений.

   Наиболее  характерным для алкалоидов считается факт их нахождения в готовом виде в растительном организме, продуктом жизнедеятельности которого они являются.

   Поэтому неправильно говорить (как это делают некоторые авторы) о «синтетических» или «искусственных» алкалоидах, так как в этом случае под понятие «алкалоиды» подошли бы все органические основания.

   Интерес к изучению алкалоидов и к установлению их химического строения вызывается в первую очередь тем, что многие из них представляют собой ценнейшие лекарственные вещества; для некоторых из них до сих пор не существует синтетических заменителей (стрихнин и др.). Выяснение строения какого-либо алкалоида, являющегося носителем известных фармакологических свойств, часто позволяет нам предпринять на этой основе ряд синтетических работ, стремящихся получить новые, еще более ценные лекарственные вещества. Так, например, бесчисленные синтетические работы по получению анестезирующих (обезболивающих) веществ имели исходным пунктом строение алкалоида кокаина. С чисто химической точки зрения изучение алкалоидов весьма важно, так как оно часто приводит к открытию новых атомных группировок, которые потом становятся объектом синтетической обработки. Напомним, например, что такое важное соединение, как хинолин, было открыто (1842) при распаде молекулы алкалоида цинхонина.

   Наконец, с точки зрения фитохимии, изучение алкалоидов тоже представляется крайне интересным, так как до сих пор окончательно не выяснены ни химизм их образования в растении, ни их связь с прочими веществами этого организма, ни, наконец, та роль, которую они играют в его жизни, а для решения этих вопросов необходимо в первую очередь знание их химического  строения.

   Все эти соображения оправдывают  необходимость выделения алкалоидов в отдельную группу, которая в настоящее время разрослась в крупную главу органической химии [1] . 

2. ИСТОРИЧЕСКАЯ  СПРАВКА.

   Начало  химии алкалоидов обычно относят  к 1803, когда Л.-Ш.Деронь выделил из опиума , высохшего на воздухе млечного сока снотворного (опийного) мака Papaver somniferum – смесь алкалоидов, которую он назвал наркотином. Затем в 1805 Ф.Сертюрнер сообщил о выделении морфина из опиума. Он приготовил несколько солей морфина и показал, что именно морфином обусловливается физиологическое действие опиума. Позднее (1810) Б.Гомес обработал спиртовый экстракт коры хинного дерева щелочью и получил кристаллический продукт, который назвал «цинхонино». П.Пельтье и Ж.Кавенту на фармацевтическом факультете Сорбонны (1820) выделили из «цинхонино» два алкалоида, названные хинином и цинхонином. Позднее исследователи получили более двух десятков оснований из экстрактов коры хинного дерева и растений рода ремиджия (Remijia) сем. мареновых. Между 1820 и 1850 было выделено и описано большое число алкалоидов новых разнообразных типов. Среди них аконитин из растений рода аконит (Aconitum, борец) – одно из наиболее токсичных веществ растительного происхождения; атропин – оптически неактивная форма гиосциамина и мощное мидриатическое средство (даже 4*10^-6г вызывают расширение зрачка); колхицин – алкалоид безвременника осеннего, применяемый при лечении подагры; кониин представляет особый исторический интерес, поскольку именно он стал орудием казни Сократа в 399 до н.э., когда великий философ был вынужден выпить чашу с настоем болиголова (Conium maculatum); кодеин – близкий к морфину алкалоид, являющийся ценным обезболивающим и противокашлевым средством; пиперин – алкалоид черного перца (Piper nigrum); берберин – алкалоид из корней барбариса обыкновенного (Berberis vulgaris); стрихнин – очень ядовитый алкалоид, содержащийся в семенах чилибухи (Strychnos nux-vomica) и используемый при некоторых сердечных болезнях и для истребления грызунов; эметин содержится в корне ипекакуаны (Cephaelis ipecacuanha, рвотный корень) – рвотное и противопротозойное средство, применяется для лечения амебной дизентерии; кокаин содержится в листьях тропических растений рода Erythroxylum, главным образом в коке (E. coca), используется в медицине как местноанестезирующее средство[2,3]:

     хинин      морфин кодеин           кокаин стрихнин          конин 
 

3. КЛАССИФИКАЦИЯ

   По  сравнению с большинством других классов природных соединений класс  алкалоидов отличается большим структурным  многообразием. Единой классификации алкалоидов не существует.

   Исторически первые классификации алкалоидов объединяли алкалоиды в группы по признаку происхождения  из общего природного источника, например, из растений одного рода. Это было оправдано  недостаточностью знаний о химическом строении алкалоидов. В настоящее  время такая классификация считается во многом устаревшей.

   Более современные классификации используют объединение алкалоидов в классы по признаку сходства строений углеродного  скелета (индольные, изохинолиновые, пиридиновые  алкалоиды и т. п.) или по биогенетическим  прекурсорам (орнитин, лизин, тирозин, триптофан и т. п.)[4] Однако при  использовании таких схем также  приходится идти на компромиссы в пограничных случаях: так, никотин содержит как пиридиновое ядро, происходящее от никотиновой кислоты, так и пирролидиновое ядро от орнитина, и поэтому может быть отнесён к обоим классам.

   Алкалоиды часто делят на следующие большие группы:

   1. Алкалоиды с атомом азота в гетероцикле, биогенетическими прекурсорами которых являются аминокислоты. Также называются истинными алкалоидами. Примерами истинных алкалоидов являются атропин, никотин, морфин. К этой группе также относят некоторые алкалоиды, содержащие кроме азотистых гетероциклов терпеноидные фрагменты (как эвонин) или имеющие пептидную структуру (как эрготамин). Пиперидиновые алкалоиды кониин и коницеин также часто относят к этой группе, но их прекурсоры не являются аминокислотами.

   2.Алкалоиды с атомом азота в боковой цепи, биогенетическими прекурсорами которых являются аминокислоты. Также называются протоалкалоидами. Примерами являются мескалин, адреналин и эфедрин.

   3.Полиаминные алкалоиды (производные путресцина, спермидина и спермина).

   4.Пептидные (циклопептидные) алкалоиды.

   5.Псевдоалкалоиды — соединения, похожие на алкалоиды, биогенетическими предшественниками которых не являются аминокислоты. К этой группе относятся, в первую очередь, терпеноидные и стероидные алкалоиды. Пуриновые алкалоиды, такие как кофеин, теобромин и теофиллин, также иногда относят к псевдоалкалоидам в связи со спецификой их биосинтеза. Некоторые авторы относят к псевдоалкалоидам также такие соединения, как эфедрин и катинон, которые, хотя и происходят от аминокислоты фенилаланина, но атом азота приобретают не от неё, а в результате реакции трансаминации.

   Некоторые соединения, относимые по аналогии к тому или иному структурному классу, не имеют соответствующего элемента углеродного скелета. Так, галантамин и гомоапорфины не содержат изохинолинового ядра, но обычно относятся к изохинолиновым алкалоидам.

   Основные  классы мономерных алкалоидов перечислены в следующей таблице[5]:

4. РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ

     Алкалоиды часто встречаются  в виде солей растительных  кислот. Одни из них присутствуют  в растениях в соединениях  с сахарами (например, соланин в  картофеле Solanum tuberosum и томатах  Lycopersicon esculentum), другие – в форме  амидов (например, пиперин из черного  перца) или сложных эфиров (кокаин  из листьев Erythroxylum coca), а третьи  сохраняются в твердом состоянии  в омертвевших тканях, таких, как  клетки коры. Алкалоиды обычно  неравномерно распределены по  разным частям растения. Обычно  в алкалоидосодержащем растении  встречается сразу несколько  алкалоидов, иногда до 50.

   Распространение алкалоидов обычно ограничено определенными  семействами и родами растительного  царства; редки случаи, когда все  или бóльшая часть членов более  крупных таксономических групп  содержит алкалоиды. Хотя около 40% семейств растений включает хотя бы один алкалоидоносный  вид, алкалоиды были обнаружены лишь в 9% из более чем 10000 родов. Среди  покрытосеменных они в изобилии встречаются в некоторых двудольных, особенно в семействах Apocynaceae (квебрахо, кора перейры, кендырь); Compositae (крестовник, амброзия); Berberidaceae (европейский барбарис); Leguminosae (ракитник, утесник, люпин); Lauraceae (розовое дерево); Loganiaceae (американский жасмин, виды Strychnos); Menispermaceae (луносемянник); Papaveraceae (мак, чистотел); Ranunculaceae (аконит, дельфиниум); Rubiaceae (хинная кора, ипекакуана); Rutaceae (цитрус, пилокарпус), Solanaceae (табак, томат, картофель, красавка, белена, дурман). Алкалоиды редко находят в тайнобрачных (споровых), голосеменных и однодольных растениях. Однако среди последних Amaryllidaceae (амарилис, нарцисс) и Liliaceae (безвременник, чемерица) являются важными алкалоидоносными семействами. Семейство маковых (Papaveraceae) необычно в том отношении, что все его виды содержат алкалоиды.    

     Большинство растительных семейств занимают промежуточную позицию, когда не все, но часть видов какого-либо рода или близкие роды содержат алкалоиды. Так, виды родов Aconitum и Delphinium в семействе лютиковых (Ranunculaceae) содержат алкалоиды, тогда как бóльшая часть других родов того же семейства (Anemone, Ranunculus, Trollius) алкалоидов не содержат. Обычно данный род или близкие роды содержат одни и те же или структурно родственные алкалоиды; например, семь различных родов семейства паслёновых (Solanaceae) содержат гиосциамин. Простые алкалоиды часто встречаются в многочисленных и ботанически не родственных растениях, тогда как распространение более сложных алкалоидов (таких, как колхицин и хинин) обычно ограничено одним видом или родом растений, для которых содержание такого алкалоида служит отличительным признаком[6].