第十章 生物碱类

第十章生物碱类主讲陆震鸣江南大学医药学院第一节生物碱概述

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。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一、生物碱的含义及结构特点含义

生物碱指来源于生物界的一类含氮有机化合物。（氨基酸、蛋白质、核酸、及某些含氮维生素除外。）结构特点

1、大多有较复杂的环状结构，氮原子结合在环内

2、多呈碱性，可与酸成盐

3、多具有显著的生理活性。二、生物碱的分布特点1．在植物的各部位都有分布，但多集中在某一部位。2．植物体内生物碱的含量差别很大，但一般都较低（1%以下，含量若在千分之一以上即为高含量），通常把含量在0.01%的植物称为生物碱植物。3．同一植物体内的生物碱，往往是多种生物碱共存，而且母核结构相似。三、生物碱的存在形式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有机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。四、生物碱的生物活性生物碱多具有显著而特殊的生物活性。

吗啡、延胡索乙素具有镇痛作用阿托品具有解痉作用小檗碱、苦参生物碱、蝙蝠葛碱有抗菌消炎作用利血平有降血压作用麻黄碱有止咳平喘作用奎宁有抗疟作用苦参碱、氧化苦参碱等有抗心律失常作用喜树碱、秋水仙碱、长春新碱、三尖杉碱、紫杉醇等有不同程度的抗癌作用等。

第二节生物碱的分类

一、有机胺类结构特点：氮原子不结合在环内的一类生物碱,没有固定的母核结构。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吲哚里西啶吡咯里西啶（双稠吡咯烷）水苏碱三、吡啶衍生物由吡啶或六氢吡啶（蒎啶）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：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。苦参碱和氧化苦参碱：来自于豆科植物苦参的干燥根中的主要成分是二者均有抗癌活性，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,C5-C6）

本类生物碱多由莨菪烷环系的C3-醇羟基和有机酸缩合成酯。主要存在于茄科的颠茄属、曼陀罗属、莨菪属和天仙子属中，典型的化合物如莨菪碱（hyoscyamine）。莨菪碱五、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。六、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（苄基异喹啉类）

异喹啉母核1位连有苄基的一类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。罂粟碱用于治疗脑、心及外周血管痉挛所致的缺血，肾、胆或胃肠道等内脏痉挛。

罂粟碱

2、双苯甲基异喹啉类生物碱（双苄基异喹啉）

为两个苄基异喹啉通过1~3个醚键相连接的一类生物碱。

如粉防己碱，它有抗心肌、肾缺血、抗高血压、抗肝纤维化、抗肿瘤多药耐药性、抗缺氧性肺动脉高压等多种药理作用。特别是作为一种天然的肿瘤细胞多药耐药逆转剂,在肿瘤防治方面有其良好的应用前景。

蝙蝠葛碱

汉防己甲素R=CH3

汉防己乙素R=H

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。小檗碱对溶血性链球菌、金黄色葡萄球菌、淋球菌和弗氏、志贺氏痢疾杆菌均有抗菌作用，并有增强白血球吞噬作用。小檗碱的盐酸盐（俗称盐酸黄连素）已广泛用于治疗胃肠炎、细菌性痢疾等，对肺结核、猩红热、急性扁桃腺炎和呼吸道感染也有一定疗效

4、吗啡烷型生物碱吗啡碱——是鸦片中的成分，具有止痛的作用。可待因——对延脑的咳嗽中枢有直接抑制作用，其镇咳作用强而迅速，类似吗啡，除镇咳作用外，也有镇痛和镇静作用。临床主要用于镇咳，无痰干咳及剧烈、频繁的咳嗽。有少量痰液的患者，宜与祛痰药合用。青藤碱——具有显著的镇痛和消炎作用。

可待因七、吲哚衍生物

该类型生物碱数量也较多且结构也比较复杂。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。八、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。九、甾体生物碱类本类生物碱都具有甾体母核，但氮原子均不在甾体母核内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。环常绿黄杨碱D

十、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。单萜类生物碱：龙胆碱（龙胆科）

倍半萜类生物碱：石斛碱（石斛）

二萜类生物碱：紫杉醇、乌头碱（乌头、附子）

三萜类生物碱：少龙胆碱

石斛碱

实例：

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。第三节生物碱的理化性质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。个别为液体，（多不含氧，或与氧结合为酯键等），如烟碱(nicotine)、槟榔碱等。2、颜色：生物碱一般是无色或白色的化合物，只有少数有颜色，如小檗碱、蛇根碱呈黄色等。有机化合物产生颜色一般要具备长链共轭结构，并有助色团，或同时为离子型。颜色与共轭系统有关，共轭系统越长，颜色越深；向共轭系统供电，颜色加深。3、味道：生物碱多具苦味，个别具甜味（甜菜碱）。4、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。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，而右旋体则无或很弱。

例外：右旋古柯碱局麻作用强。5、挥发性与升华性：少数液体状态及个别小分子固体生物碱如麻黄碱、烟碱等具挥发性，可用水蒸汽蒸馏提取。咖啡因等个别生物碱具有升华性。

6、溶解度(重点掌握)

（1）、游离生物碱

A、亲脂性生物碱——大多数叔胺碱和仲胺碱为亲脂性，一般能溶于有机溶剂，尤其易溶于亲脂性有机溶剂，如苯、乙醚、氯仿，特别易溶于氯仿。溶于酸水，不溶或难溶于水和碱水。

B、亲水性生物碱——主要指季铵碱和某些含氮-氧化物的生物碱。这些生物碱可溶于水、甲醇、乙醇，难溶于亲脂性有机溶剂。

C、具特殊官能团的生物碱——具酚羟基或羧基的生物碱称为两性生物碱（具酚羟基者常称为酚性生物碱），这些生物碱既可溶于酸水，也可溶于碱水溶液，但在pH8-9时溶解性最差，易产生沉淀。

（2）、生物碱盐一般易溶于水，可溶于醇类，难溶于亲脂性有机溶剂。通常生物碱的无机酸盐水溶性大于有机酸盐；无机酸盐中含氧酸盐的水溶性大于卤代酸盐；小分子有机酸盐大于大分子有机酸盐。

7、碱性

碱性的由来：因分子中氮原子上的孤电子对能接受质子而显碱性。

碱性强弱的表示方法：生物碱碱性大小可用碱的碱式离解常数pKb表示，也可用其共轭酸的酸式离解常数pKa表示。目前，生物碱碱性大小统一用pKa表示，碱性大则pKa大，碱性小则pKa小。生物碱碱性大小与分子结构的关系（重点）

（1）、氮原子的杂化方式生物碱分子中氮原子的孤电子对在有机胺分子中为不等性杂化，其碱性强弱随杂化程度的升高而增强，即sp3＞sp2＞sp。生物碱分子中碱性基团的pKa值大小顺序一般是：

季铵碱＞N-烷杂环＞脂肪胺＞芳香胺≈N-芳杂环＞酰胺≈吡咯。＞＞＞＞＞≈

（2）、诱导效应

生物碱分子中的氮原子上电子云密度受到氮原子附近供电基（如烷基）和吸电基（如各类含氧基团、芳环、双键）诱导效应的影响。供电诱导（烷基）使氮原子上电子云密度增加，碱性增强；吸电诱导（含氧基团，双键，苯环）使氮原子上电子云密度减小，碱性降低。

麻黄碱（pKa9.58）（甲基供电诱导效应）

去甲基麻黄碱（pKa9.00）（羟基的吸电诱导效应）

苯异丙胺（pKa9.80）（无羟基的吸电作用）

关于氮杂缩醛结构：

具有氮杂缩醛结构的生物碱常易于质子化而显强碱性。如氮原子的邻位碳上具α、β双键或α-羟基者，可异构成季铵碱，使碱性增强。如醇胺型小檗碱亦为氮杂缩醛结构，其氮原子上的孤电子对与α-羟基的C-O单键的б电子发生转位，形成季铵型小檗碱氮杂缩醛

醇胺型小檗碱季胺型小檗碱

（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，就产生一个强的吸电基团-+NHR2

，此时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。诱导效应通过碳链传递，且随碳链增长而渐降低。静电场效应通过空间直接作用，故又称为直接效应（场效应）。若此时强的吸电基团和第二个氮原子在空间上接近时，则直接效应对其碱度的影响就更显著。

（4）、共轭效应

当生物碱分子结构中氮原子的孤电子对处于p-π

共轭状态时，其碱性较未形成p-π

共轭的氮原子的碱性弱。常见的p-π

共轭效应主要有三种类型：苯胺型、酰胺型和烯胺型。

A、苯胺型生物碱的碱性比相应的环己胺弱的多

苯胺（pKa4.58）

环己胺（pKa10.64）

B、酰胺型生物碱的碱性极弱，其氮原子上所结合的氢，甚至可被苛性碱置换。通常苯胺型生物碱碱性大于酰胺型。胡椒碱（酰胺共轭pKa1.42）

苯胺（pKa4.58）

C、

烯胺型若为仲烯胺碱性较弱。若为叔烯胺，其氮原子的孤对电子与双键的π电子可发生转位生成季胺型共轭酸，则碱性较强。但若氮原子处于稠环的桥头位置时，而应受双键的诱导效应影响，碱性反而减弱。

（5）、空间效应

氮原子由于附近取代基的空间立体障碍或分子构象因素，而使质子难于接近氮原子，碱性减弱。莨菪碱（pka9.65）

东莨菪碱（环氧位阻pka6.20）

（6）、分子内氢键效应：

当生物碱成盐后，氮原子附近如有羟基、羰基，并处于有利于形成稳定的分子内氢键时，氮上的质子不易离去，碱性强。

麻黄碱共轭酸（稳定性差）

pKa9.58（碱性弱）

伪麻黄碱共轭酸（稳定）

pKa9.74（碱性强）

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。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。总结：常见生物碱碱性规律

对于具体生物碱来说，若影响碱性的因素不止一个，则需综合考虑。一般来说，空间效应与诱导效应共存，空间效应居主导地位；共轭效应与诱导效应共存，共轭效应居主导地位。胍>季铵碱>烷胺类（仲胺，叔胺）>芳胺类（芳杂环）>酰胺类

胍（pKa13.6）小檗碱（11.5）四氢异喹啉（9.5）异喹啉（5.4）（pKa<2）共轭酸高度离子型SP3杂化SP2杂化P—π共轭共振稳定性类似无机碱（无双键）（有双键）通常情况下碱性强弱与pKa大小的关系如下：pKa>11为强碱（胍、季胺碱）pKa7~11中强碱（脂肪胺类—仲胺、叔胺）pKa2~7弱碱（芳胺、芳氮杂环）pKa<2极弱碱（酰胺类）

8、生物碱沉淀反应：专属性差，作为通用显色剂使用

生物碱在酸性水或稀醇中与某些试剂生成难溶于水的复盐或络合物的反应称为生物碱沉淀反应。这些试剂称为生物碱沉淀试剂。1）生物碱沉淀试剂①重金属盐碘化铋钾（Dragendorff）试剂：其组成为KBiI4，与生物碱反应生成橘红色至黄色无定形沉淀（B*HBiI4）碘化汞钾(Mayer)试剂：其组成为K2HgI4；与生物碱反应生成类白色沉淀[B*H·HgI2或（B*H）2HgI4]。②酸类硅钨酸(Bertrad)试剂：其组成为SiO2·12WO3·nH2O，与生物碱反应生成类白色或淡黄色沉淀。③酚酸类苦味酸或鞣酸：与生物碱反应均生成黄色沉淀④复盐——专属沉淀季铵型生物碱雷氏铵盐试剂：雷氏铵盐即硫氰酸铬铵，其组成为NH4[Cr（（NH3）2SCN）4]，其与季铵型生物碱反应生成红色沉淀或结晶。

2）沉淀反应原理

沉淀试剂与生物碱的盐生成更大分子的复盐，进而产生沉淀3）沉淀条件①反应一定要在酸性条件下，生物碱成盐溶于水方可反应②试剂量不能多于样品液4）沉淀反应阳性结果的判断

一般需选用三种以上的沉淀试剂进行反应，如均有沉淀反应，可判断为阳性结果。因为中药中某些非生物碱物质也能与沉淀试剂产生沉淀反应，如蛋白质、多肽、AA、鞣质等，因此在制备共试品溶液时，须净化处理除去这些物质，避免其干扰而导致错误结论。5）生物碱沉淀反应的实际应用1、用于检查生物碱的有无，在生物碱的定性鉴别时，这些试剂可用于试管定性反应和作为平面色谱的显色剂。2、作为生物碱分离提取过程中的追踪指标，指导生物碱的提取分离工作，判断是否提取完全，指示提取、分离终点。3、分离纯化如雷氏铵盐常用于分离纯化季铵型水溶性生物碱4、作为生物碱薄层层析和纸层析的显色剂（碘化铋钾）第四节生物碱的提取与分离

1、生物碱的提取（重点掌握）除个别具有生物碱挥发性的生物碱（麻黄碱）可用水蒸汽蒸馏法提取外，一般情况下，总生物碱的提取均采用溶剂法提取。关键：依据生物碱的存在状态（游离态、成盐）及溶解性选择最佳的提取溶剂。

水——提取生物碱盐醇——提取生物碱盐和游离态生物碱有机试剂——提取游离态生物碱

1)非极性有机溶剂提取法（原料药须经碱化过程）

注意点：由于生物碱在植物体中往往与酸(咖啡酸,草酸等)生成盐,故一般在用有机溶剂提取前,先将生药粉末与少量碱水(如10%氨水或碳酸钠液或石灰水)搅匀放置(使生物碱转为游离状态)再用有机溶剂进行浸泡后用渗漉法等法进行提取。提取溶剂：为氯仿,二氯甲烷,乙醚,苯等提取对象：提取游离态生物碱若生物碱为弱碱,多以游离碱存在,则处理方法稍有不同:

2)极性有机溶液提取提取溶剂：为甲醇、乙醇等提取对象：提取生物碱盐和游离态生物碱注意点：

用此法时，若有水溶性生物碱存在于水液中，可用正丁醇或戊醇直接提取。

3)水或酸水提取后+强(弱)酸型阳离子树脂法提取溶剂：为水、酸水等提取对象：提取水溶性生物碱、季胺碱、生物碱盐酸性水如：0.1-1%H2SO4、HCl或HOAc等进行提取。缺点：①其提取液的体积较大（造成浓缩困难）；②可将其中的水溶性杂质提取出来（如皂苷、蛋白质、糖类、鞣质及水溶性色素等）。

4)酸水提取液+雷氏铵盐等沉淀法溶剂：为水、酸水等提取对象：提取季铵型水溶性生物碱季铵类生物碱极易溶于水。生物碱的酸水提取液可加雷氏铵盐等使之成沉淀析出,沉淀溶丙酮中,加入饱和的硫酸银溶液分解,再以氯化钡除去银离子,过泸,蒸干得残渣,残渣用乙醇提取,,提取液浓缩后放冷,过泸去先析出的无机盐,滤液再浓缩至小量后加丙酮,放置析出粗晶,粗晶以甲醇重结晶,得生物碱总碱。

5)其他提取生物碱的方法①大孔树脂法:

多为苯乙烯型或2-甲丙烯酸酯型的大孔吸附树脂，具网状小孔结构，可以吸附和筛选结合的方式对生物碱分子极性分离。 生物碱水溶液上柱，用水冲洗去无机盐、糖等，再用适当的溶剂(含水醇,醇,丙酮等)洗脱，洗脱液经分别后处理各为生物碱总碱。②水蒸气蒸馏法：麻黄碱等挥发性的生物碱可用此法提取生物碱总碱。

2、生物碱的纯化1)分部结晶法

利用总碱中不同生物碱可能在不同溶剂中析晶速度快慢来达到分离目的。溶剂：乙醇、丙酮、甲醇等。总碱溶解在少量适当溶剂中，放置析晶，过泸予以分离，母液浓缩后可以加少量不同溶剂再试行结晶...，不同生物碱可能由此分离纯化。分离到的较纯晶体可以重结晶进一步分离纯化。

2)衍生物制备法(成盐，成酯等)

生物碱盐类往往易于结晶，先使其成盐后再用分步结晶法加以分离（酸可以是有机酸也可以无机酸）其中HI酸，过氯酸，苦味酸盐最易结晶。例如——麻黄碱和伪麻黄碱的分离：利用它们的草酸盐在水中溶解度的不同。溶解度(在H2O中)：草酸麻黄碱<草酸伪麻黄碱，因此草酸麻黄碱能够先行结晶析出，草酸伪麻黄碱则留在母液中。

3)在不同的pH值下萃取法（利用生物碱性强弱的不同进行分离）

碱性不同的生物碱混合物溶于酸水中后，先加弱碱，则弱碱游离可被非极性溶剂萃取出；逐步加大溶液碱性，则碱性从小到大的不同碱性的生物碱可先后用非极性有机溶剂萃取出。4)液体生物碱混合物的分馏分离法

液体生物碱混合物可进行分馏分离。如毒芹(Coniummaculatum)中的毒芹碱(m.p.166-167℃)，羟基毒芹碱(m.p.116℃)等；石榴皮(Punica

granatumL.)中的石榴皮碱(m.p.195℃)，异石榴皮碱(m.p.86℃)，甲基异石榴皮碱（m.p.114-117℃)等可用此法分离。

5)层析法吸附色谱：生物碱（游离）为脂溶性成分，适合于采用吸附原理进行分离。吸附剂多用硅胶、氧化铝，流动相为中性的苯，氯仿，乙醚等有机溶剂或混合有机溶剂。分配色谱：对一些极性很近似或极性较大的生物碱的分离，可以利用分配原理进行分离，效果可能更佳。（三尖杉酯碱和高三尖杉酯碱的分离）高效液相色谱：三尖杉混合酯碱的分离气相色谱：挥发性生物碱干柱色谱，制备性薄层色谱三尖杉酯碱和高三尖杉酯碱混合物

支持剂

硅胶固定相

pH5.0缓冲液洗脱剂pH5.0缓冲液饱和的氯仿液

高三尖杉酯碱二者混合物三尖杉酯碱

流程说明：利用高三尖杉酯碱较三尖杉酯碱结构中多一个—CH2—，极性较小（在流动相中易于分配）而先被洗脱下来，三尖杉酯碱则后被洗脱下来，中间为二者的混合物。

实例：（分配色谱）生物碱提取分离的示例1、延胡索[Corydalis