生物碱复习重点

1、 概述生物碱的分类生物碱在植物体中的存在形式生物碱的理化性质生物碱的提取与分离生物碱的色谱检识生物碱的结构测定含生物碱中药实例第一节 概述一、定义：l 生物碱是指生物界中的含氮有机化合物。 l 以前的定义： 生物碱是一类含氮的有机合物，它存在于自然界生物体内，具有复杂的环状结构、且氮原子结合在环内，有类似碱的性质，能和酸结合成盐，具有明显的生物活性。 l 后修改： 生物碱是一类含氮的有机合物，它存在于自然界生物体内，大多具有较复杂的环状结构、氮原子结合在环内，多有类似碱的性质，能和酸结合成盐，多具有明显的生物活性。 l 美国学者Pelletier在其生物碱一书的生物碱的定义开头一句话：l Wh

2、at is an alkaloid? l 他的一个同事回答：“an alkaloid is like my brother. I can recognize him when I see him, but I cant define him.”二、历史：l 生物碱是科学家们研究得最早的有生物活性的一类天然有机物。在我国，本草纲目拾遗中记载，17世纪初白猿经即记述了从乌头中提炼出砂糖样毒物作箭毒用，从现代观点分析，它应该是乌头碱。 l 在欧洲，1806年德国科学家第一次从鸦片中分得吗啡，以后，1810年西班牙医生Gomes从金鸡纳树皮中分得结晶cinochonine，以后证明主要是奎宁与辛可宁（

3、cinchonine）的混合物。 l 1819年，W.Weissner把这类植物中的碱性化合物统称为类碱（alkali-like）或生物碱（alkaloids）。生物碱一名沿用至今。l 生物碱类化合物往往是许多药用植物，包括许多中药的有效成分。l 阿片中的镇痛成分吗啡；l 麻黄的抗哮喘成分麻黄碱；l 颠茄的解痉成分阿托品；l 长春花的抗癌成分长春碱和长春新碱；l 黄连的抗菌消炎成分黄连素（小檗碱）等。 l 同时生物碱多能与酸结合成盐而溶于水，易被体内吸收，且又大多具有复杂的化学结构，基于上述的特点，生物碱一直吸引着药物学家们研究的兴趣并经久不衰。三分布l 生物碱在生物中的分布较广，其中双子叶植

4、物类的豆科、茄科、防己科、罂栗科、毛茛科、和小檗科等科属含生物碱较多。l 生物碱在植物中的含量高低不一，如金鸡纳树皮中含生物碱高达1.5%以上，而长春新碱含量仅为百万分之一，美登毒木中的美登素含量则更微，仅千万分之二。l 同科同属中的生物碱也往往属同一结构类型。 因而研究生物碱结构时首先应鉴定植物品种，并对同种同属植物 中的生物碱情况有所了解，掌握有关它们的生源知识将有助于化合物的鉴别和推定结构，否则会使研究工作走上弯路。l 生物碱的分类方法较多， 按化学结构 常有三种 按植物来源 生源结合化学Ø 一般都按化学结构来分类一、有机胺类l 氮原子不在环内的生物碱。1麻黄碱 (Ephedr

5、ine)2秋水仙碱(Colchicine)二、吡咯烷类三、哌啶类生物碱四、茛菪烷类生物碱l 这类生物碱由莨菪烷衍生的氨基醇和不同有机酸缩合成酯,有一元酯和二元酯,亦有以非酯的形式存在.古柯生物碱(Cocaine)（可卡因）五、喹啉类生物碱七、吲哚类生物碱八、萜类生物碱九、大环生物碱生物碱在植物体中的存在形式l 绝大多数生物碱与共存的有机酸结合成盐的形式存在。 常见酒石酸、苹果酸、草酸等；l 少数碱性极弱的生物碱以游离状态存在第三节 生物碱的理化性质一、形状l 生物碱类化合物由C、H、N元素组成，绝大多数含氧，个别含其他元素。如美登木含Cl。l 大多数生物碱为结晶体，少数为无定性粉末。l 少数在

6、常压下呈液体状态，如毒藜碱、烟碱、槟榔碱等。l 挥发性生物碱; 如麻黄碱等。l 具有升华性生物碱; 如咖啡碱 。l 多为苦味，少数有其他味觉。甜菜碱为甜味。l 生物碱一般无色或白色的化合物，只有少数有色。例如小檗碱、蛇根碱等呈黄色。l 凡是具有手性碳原子的生物碱，则具有旋光性，且多为左旋光性（天然产物多为左旋）。反之则无，小檗碱则无旋光性。l 生物碱的生理活性与其旋光性有关。通常左旋体的生理活性比右旋体强。l 如：左旋去甲乌药碱具有强心作用，而右旋去甲乌药碱则不具有强心作用。 1、游离生物碱 游离生物碱：绝大多数仲胺碱和叔胺碱属亲脂性生物碱。 不溶或难溶于水，可溶于酸水、乙醇、甲醇、丙酮；易溶

7、于乙醚、苯和卤代烷类（氯仿、二氯化碳和四氯化碳）等有机溶剂。氯仿与生物碱有特殊的亲和性。 亲水性生物碱 小分子生物碱：l 如麻黄碱即能溶于水，也能溶于氯仿。这类生物碱如，麻黄碱、苦参碱、秋水仙碱、烟碱、毒藜碱等。 具有特殊官能团的生物碱l 兼有酸碱两性生物碱：既能溶于酸水液，又能溶于碱水液。如吗啡，青藤碱Ø 也有例外。去甲基粉防己碱：（汉防己乙素），虽有羟基却不溶于碱性水溶液中，该羟基属隐酚基。 具内酯（或内酰胺）结构生物碱的溶解度：l 如喜树碱、苦参碱在热碱水溶液中，其内酯（或内酰胺）结构可开环形成羧酸盐而溶于水。2、生物碱盐： 具有一定碱性生物碱还能溶解在酸性水溶液中而生成盐，生

8、物碱盐类、尤其是无机酸盐和小分子有机酸盐，多易溶于水，不溶或难溶于常见的有机溶剂。Ø 一般来说，含氧酸（H2SO4、磷酸等）盐，水溶解度比较大。Ø 少数生物碱的盐酸盐、氢碘酸盐则可能难溶于水。l 弱碱性生物碱只能与强酸结合成盐。若与弱酸不能形成稳定的盐，仍表现出似游离碱的性质。如利血平在醋酸中，可被氯仿萃取 。1、共轭酸碱的概念及碱性强度表示l 根据布郎斯特（Brosted）的酸碱质子理论：质子的给出体称为酸，质子的接受体为碱。 B H2O BH OH-pKa值与碱性强度之间的关系u 生物碱的碱性强弱和氮原子的杂化方 式、电效应、空间效应及分子内氢键形成等因素有关。 氮原子

9、的杂化方式与碱性的关系v 碱性由强至弱 SP3>SP2>SP 杂化电子的S成分由1/4增至1/2,S成分越大，电子云愈靠近原子核。不容易给出电子，故碱性弱。l 生物碱分子结构中的电子效应（包括诱导效应和共轭效应）能影响氮原子上未共用电子云密度的分布，因而影响生物碱的碱性大小。l 其影响若能增大氮原子未共用电子对电子云密度，则碱性强；反之则碱性弱。l 如果生物碱分子结构中氮原子附近存在供电子基团，能使氮原子未共用电子对云密度增强，则碱性增强。Ø 常见的供电子基团为烷基。 氨（NH3）的pKa值9.75 甲胺（CH3NH2）的pKa值10.60l 如果生物碱分子结构中氮原子附

10、近存在吸电子基团或原子，其吸电子诱导效应使生物碱性减弱。Ø 常见的吸电子基团有苯基、羰基、酯基、醚基、羟基、双键等l 生物碱分子结构中氮原子的孤电子对处于共轭状态时，其碱性较未形成共轭的氮原子的碱性弱。 苯胺型 共轭效应二种类型： 苯胺氮原子孤电子对与苯环形成P共轭，其碱性较环己胺弱得多。l 酰胺型l 若生物碱分子结构中的氮原子处于酰胺状态，由于氮原子上的孤电子对与酰胺羰基的共轭效应，碱性极弱，近中性。如胡椒碱、秋水仙碱、咖啡碱等。l 生物碱的立体结构影响其碱性的强弱，主要取决于生物碱分子结构的构象和氮原子附近的取代基是否产生空间位阻的作用，从而影响氮原子接受质子的难易。l 若生物碱

11、分子结构中氮原子附近存在羟基、羰基等取代基团，并且处在有利于同生物碱共轭分子的质子形成分子内氢键缔合，此时，该生物碱的共轭酸较稳定，也就是说，正电性得以较稳定存在，因此，碱性增强。l 大多数生物碱都能和某些酸类，重属盐类以用一些较大分子量的复盐反应，生成单盐和复盐沉淀或是络合物沉淀。这种能与生物碱产生沉淀 的试剂称为生物碱沉淀试剂。 l 生物碱沉淀反应通常在酸性水溶液或酸性稀醇中进行。l 但苦味酸试剂和三硝基间苯二酚试剂亦可在中性条件下进行。l 因此，在进行生物碱沉淀试剂反应时，需要采用三种以上生物碱沉淀试剂进行反应，以避免假阳性。l 也可用酸碱颠倒法进行预处理，来排一些杂质的干扰。一、生物碱

12、的提取l 方法：不加热的提取方法。浸渍法和渗漉法。l 试剂：0.5%-1%的乙酸、硫酸、盐酸等。l 将稀酸水提取液过强酸性阳离子交换树脂柱，使生物碱盐阳离子交换在树脂上，而非生物碱化合物则流出柱外。树脂碱化，有机溶剂提取，得生物碱。l 有机溶剂萃取法l 酸水提取液 碱化 碱水液 亲脂性有机溶剂萃取 水相 有机相（总生物碱）l 原理：利用生物碱和生物碱盐均能溶于甲醇或乙醇的性质进行提取。l 方法：浸渍、渗漉和回流法l 继续纯化采用酸溶碱沉法。l 原理：利用游离生物碱易溶于亲脂性有机溶剂的性质进行提取。l 提取前先用碱水（石灰乳或氨水）湿润，使生物碱游离。再用氯仿、苯等亲脂性有机溶剂提取。l 方法

13、 ：回流或连续回流法。l 季铵碱极易溶于水，碱水和酸水，所以难和水溶性杂质分开。 沉淀法（雷氏铵盐法）l 原理：利用季铵生物碱能与雷氏铵盐结合成雷氏复盐，难溶于水而沉淀析出，与水溶性杂质分离，达到分离的。l 原理：利用水溶性生物碱能溶于极性较大又能与水分层的有机溶剂正丁醇的性质，使 水溶性生物碱与水溶杂质分离。l 方法：两相溶剂萃取法 。二生物碱的分离 1、总生物碱的初步分离： 利用生物碱及其盐的溶解度差异进行分离l 原理 利用有些生物碱极性差异，或有些生物碱盐的特殊溶解性能，因而在某些溶剂中的溶解度显示较大的差异，以此达到分离的目的。例如：l 苦参碱和氧化苦参碱的分离： 苦参碱的极性小于氧化

14、苦参碱，前者能溶于乙醚，而后者难溶于乙醚。将两者的混合物溶于适量的氯仿中，再在氯仿中加入过量的乙醚，可使氧化苦参碱沉淀析出。l 汉防己甲素和汉防己乙素的分离：l 许多生物碱的盐类比其游离碱易于结晶，有时我们将游离碱加酸转为盐，可利用生物碱各种盐在不同溶剂中的溶解度不同达到分离。l 常用的酸有盐酸，氢溴酸，氢碘酸，硝酸，过氯酸，草酸，苦味酸等。 l 麻黄碱的草酸盐较伪麻黄碱草酸盐在水中的溶解度小。将麻黄碱和伪麻黄碱溶于适量水中，加入一定量草酸，麻黄碱生成草酸麻黄碱即先从水溶液中析出。l 小檗碱的盐酸盐的水溶性很低，可用水作为其重结晶的溶剂。l 原理 对于脂溶性生物碱总碱中各成分由于碱度强弱的差异

15、，强碱与弱碱成盐易溶于水；弱碱与强酸成盐而溶于水；弱碱与弱酸难成盐。 反之，总碱盐的水溶液在碱化时，弱碱盐在弱碱性条件即可转变成游离生物碱，易溶于亲脂性有机溶剂；强碱盐则需在较强碱性条件下转变成游离生物碱，溶于亲脂性有机溶剂。l 方法 pH梯度萃取法l 有些生物碱分子结构中除含有碱性基团外，还含有其他特殊官能团，如酚羟基、内酯或内酰胺结构等。l 原理： 利用酚羟基显酸性，溶于碱液；内酯或内酰胺可在碱液中皂化开环，生成水溶性羧酸盐，加酸闭环的性质。l 一般说来，用上述分离方法难以使总生物碱达到完全分离的目的，最终往往借助于层析法得到生物碱单体。l 绝大多数为吸附层析，吸附层析，吸附剂是硅胶，氧化

16、铝，薄层层析（制备性）。高效液相层析等。 l 色谱法在生物碱鉴别中的应用Ø 中药及中药制剂中生物碱的检识Ø 指导生物碱的分离Ø 生物碱的纯度检查Ø 己知生物碱的鉴定第六节：生物碱的结构研究l 生物碱结构鉴定与测定方法包括：化学法、光谱法。 1、 化学降解反应：l 主要用于确定氮原子的结合状态和 基本骨架。经典方法，现在仍用。 霍夫曼降解（Hofmann degradation） 又称彻底甲基化（Exhaustive methylation）.l 霍夫曼降解的机理是氢氧根离子（来源于Ag2O）向氮原子的质子进攻，脱水而形成烯键，同时伴随NC键的断裂。例如：

17、伪石榴皮碱。 Emde降解(Emde degradation)l 有些生物碱由于结构特点，在降解反应中由于位无-氢存在，上述彻底甲基化法不能奏效。Emde改进了Hofmann降解方法，将季铵囟化物以钠汞齐于乙醇或水溶液中处理，使碳-氮键还原断裂。为Hofmann降解的补充方法 l 紫外光谱l 红外光谱l 质谱l 核磁共振谱Ø 实例:瓜馥木甲素实例v 瓜馥木甲素 白色针状结晶Et2O，C20H23NO4。mp. 127-129oC（未校正）。v UVmax 239, 283nm;v FAB-MSm/z: 342M+1，326 M+-CH3, 313 M+-CO, 298M+CH3CO,

18、 285, 192,154,136,89, 77,69,57。v IRmaxcm-1：1663（C=O），1635（C=C），1612，1515（C6H6），1464，1445，1406，1376，1265，1227，1171，1008，974，890，864，761。 瓜馥木甲素的1HNMR谱数（500MHz,CDCl3） 瓜馥木甲素的13CNMR谱数据（125MHz，CDCl3） v 瓜馥木甲素为白色针状结晶。生物碱试剂反应呈阳性。FAB-MSm/z：342M+1+，326（M-15）M-CH3+, 313（M-28）M-CO+, 298（M-43）M-CH3-CO+。这显示出吗啡烷二酮的

19、特征吸收。 v IR 谱呈现环内-，-,´-，´-交叉共轭羰基（1663cm-1）,（1635cm-1）以及苯环（1612、1515cm-1）的特征吸收峰，结合1HNMR和13CNMR推定瓜馥木甲素分子式C20H23 NO4。 v 瓜馥木甲素的DEPT谱证明其中含有四个甲基，三个亚甲基，五个次甲基， 七个季碳和一个羰基碳。 v 从1HNMR提示有四个低场孤立质子的吸收信号6.827，6.632, 6.367, 6.294（1H,s）,这些峰与芳香环和交叉共轭的六元环酮相关,即瓜馥木甲素A、D 环上各有二孤立氢, 三个甲氧基OCH33.87, 3.84, 3.78(各3H,s

20、)， 只能分别连接在C-2、C-3和C-6位。 v 9-H的吸收峰位于3.66（1H，d,J=6.0Hz），10-H吸收峰位于3.33 (1H,d,J=17.5Hz), 10-H吸收峰位于3.03 (1H,dd,J=6.0,17.5Hz), 这三组峰为ABX系统。瓜馥木甲素有一个-NCH32.43(3H,s)。 v 13CNMR谱显示碳的化学位移值与文献报道的N-甲基-2，3，6-三甲氧基吗啡烷二烯酮极为相似，瓜馥木甲素的1H-13C COSY谱对分子中所有的1H和13C信号进行了归属指定（表1，2）。综上数据，表明瓜馥木甲素的化学结构应为N-甲基-2，3，6-三甲氧基吗啡烷二烯酮，如下图所示。实例一、麻黄l 麻黄为麻黄科植物草麻黄（Ephedra sinica Stapf)和木贼麻黄(E. equisetina Bunge)的干燥茎与枝。l 性味功能及药理作用l 麻黄生物碱及其化学结构l 麻黄碱和伪麻黄碱为主要成分:l 为仲胺衍生物，且互为立体异构体，它们的区别在于C1的构型不同。l 1HNMR谱区别： 麻黄碱；J124Hz 伪麻黄碱；J128Hz 表明前者C1H和C2H为顺式，后者为反式。l 麻黄碱和伪麻黄碱两者有挥发性 伪麻黄碱(pKa9.74)>麻黄碱(pKa9.58)l 两