第4章-生物碱整理77-课件

第4章生物碱

一、概述

二、生物碱的分类三、生物碱的性质四、生物碱的提取与分离五、生物碱的鉴定和结构测定六、代表性的生物碱一、概述

生物碱为生物体内一类含氮化合物的总称，是结构复杂具有生理活性的植物碱。天然界以盐的形式存在较多，与苹果酸、柠檬酸、草酸、鞣酸(丹宁)、乙酸、丙酸、乳酸形成盐。生物碱是科学家们研究得最早的具有生物活性的一类天然有机化合物，它们大多具有生物活性，往往是许多药用植物，包括许多中草药的有效成分。例如：阿片中的镇痛成分吗啡，麻黄的抗哮喘成分麻黄碱，颠茄的解痉成分阿托品，长春花的抗癌成分长春新碱，黄连的抗菌消炎成分黄连素(小檗碱)等等。

生物碱能与酸结合成盐，易被体内吸收，它们又大多具有复杂的化学结构。由于上述特点，生物碱一直吸引着有机化学家们的研究兴趣并久经不衰。目前：已报道的生物碱并搞清化学结构的已达4000多种，并且仍以每年约100个的速度递增。

生物碱在植物中的分布较广，有的在根皮或根茎中含量较高，有的则主要集中于种子。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，而长春花中的长春新碱含量仅为百万分之一，美登木中美登素含量更微，仅千万分之二。一般含量在千分之一以上就算比较高了。

生物碱是天然有机化合物中最大的一类化合物，且各类生物碱的结构千差万别，变幻无穷。科学家们在阐明化学结构的同时亦研究它们的结构与疗效的关系，同时进行结构的改造，寻找疗效更高、结构更为简单并且便于大量生产的新型化合物。例如，人们对吗啡的研究发展了异喹啉类生物碱的研究，并导致了镇痛药杜朗丁的发现。吗啡杜朗丁又如可卡因的研究发展了莨菪类生物碱化学并导致局部麻醉药普鲁卡因的产生。由此可见，人们对生物碱的研究大大促进了天然有机化学与药物化学的发展。可卡因普鲁卡因

生物碱在植物体内一般被认为是次级代谢产物，起着保护植物或促进植物生长与代谢的作用，但是它们的真正作用仍不清楚，因为一些不含或微含生物碱的植物或生物同样生长发育良好，因此生物碱在体内的功能仍有待今后研究解决。

二、生物碱的分类1.有机胺类生物碱

氮原子不结在环内的生物碱。例麻黄碱，毒品之一，具有兴奋中枢神经、升高血压、扩大支气管作用，可治哮喘等。益母草碱，中药益母草的有效成分，具有收缩子宫作用。

麻黄碱益母草碱

2.吡咯衍生物类生物碱最简单的吡咯烷生物碱如古豆碱是从古柯叶中分出的液体生物碱，沸点195℃。从一叶萩的叶与根中分离出的一叶萩碱，临床可用于治疗脊髓灰白质炎及某些植物神经系统紊乱所引起的头晕等病症。古豆碱一叶萩碱

3.吡啶衍生物类生物碱

蓖麻碱，分子中含有氰基，毒性较大，内服后能至吐，损伤肝和肾。猕猴桃碱，具有强壮补精作用。

蓖麻碱猕猴桃碱

4.喹啉衍生物类生物碱具抗癌活性的喜树碱与具治疗疟疾作用的奎宁都是喹啉衍生物类生物碱。

喜树碱奎宁5.异喹啉衍生物类生物碱最简单的为鹿尾草中降血压成分鹿尾草碱和鹿尾草定，再如阿片中具有解痉作用的罂栗碱。

鹿尾草碱鹿尾草定罂栗碱6.吲哚衍生物类生物碱最简单的如相思豆中的相思豆碱，作用于中枢神经会产生狂躁、精神错乱。另如可治青光眼毒扁豆碱。

相思豆碱毒扁豆碱

7.嘌啉衍生物类生物碱

咖啡碱(咖啡因)，中枢神经兴奋剂和利尿、强心药。香菇嘌啉，具降血脂作用。

咖啡碱香菇嘌啉

8.二萜类生物碱

乌头碱，分子式C34H47O11N，具强心与止痛作用。国内17世纪从乌头中提取得到，比国外文献记述最早的生物碱吗啡早约200年。

乌头碱多少个手性碳？9.甾体类生物碱

甾体类生物碱是一类含有甾体结构的生物碱，例如孕甾烷衍生物生物碱枯其林，有止泻、解毒的功能。异甾烷衍生物生物碱黎芦碱，有催吐、祛瘀等功效。

10.大环类生物碱美登素，分子式C34H46ClO10N3，mp：183.5~184℃。1972年报道，新型抗癌活性物质，得率为千万分之二。最终结构：经美登素的溴丙醚衍生物的X单晶衍射分析而确定，是个含有8个手性中心与一对共轭双健的19元大环内酰胺化合物。其全合成工作在1982年由Corey等首先完成，我国化学工作者近来也完成了其全合成方法。三、生物碱的性质1.

性状

大多数生物碱为结晶形固体，有一定的结晶形状，有明显的熔点，少数有升华性，如咖啡碱等。少数生物碱为液体，如烟碱、毒芹碱等。绝大多数生物碱是无色或白色的化合物，只有少数生物碱有颜色，如小檗碱为黄色、蛇根碱也为黄色，主要原因是它们结构中有共轭体系存在。生物碱多具苦味如盐酸小檗碱。

2.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。某些生物碱不含手性碳原子，但没有对称因素存在，因而也有旋光性。

旋光性可因溶剂、pH值的改变而有较大的差别。如麻黄碱在氯仿中呈左旋，在水中则变为右旋。烟碱在中性条件下呈左旋，但在酸性条件下则变为右旋。生物碱的生理活性与旋光性有密切关系，

一般左旋体有较强的生理活性，而右旋体则没有或仅有很弱的生理活性。如L-莨菪碱的散瞳作用是D-莨菪碱的100倍。3.酸碱性

生物碱分子中氮原子具有孤对电子，可接受质子而显碱性，因此除酰胺生物碱呈中性外，大多生物碱呈碱性。生物碱的碱性强弱，与其分子结构，特别是氮原子的杂化状态和其化学环境有很大的关系，一般碱性强弱顺序：季铵碱＞脂仲氨碱＞脂叔氨碱＞芳叔氨碱＞酰胺碱。生物碱大多能与无机酸或有机酸成盐而溶于水。另外，含有酚羟基或羧基的生物碱也能溶于碱水溶液，因而显现两性，例如吗啡。生物碱盐4.溶解度

生物碱及其盐类的溶解度与其分子中N原子的存在形式、极性基团的数目和溶剂等有关。

游离生物碱极性极小，大多数不溶于水或难溶于水，能溶于氯仿、乙醚、丙酮、乙醇或苯等有机溶剂。

生物碱的盐类极性较大，大多易溶于水及醇，不溶或难溶于氯仿、乙醚、丙酮或苯等有机溶剂，其溶解性与游离生物碱恰好相反。

苷类、季铵碱类生物碱多数水溶性较大。

含酸性基团（酚羟基、羧基）的生物碱难溶于一般有机溶剂中，因具有两性可溶于酸水或碱水中。5.沉淀反应

利用生物碱的沉淀反应可检查植物中是否含有生物碱以及分离生物碱。沉淀反应是利用生物碱在酸性条件下与某些沉淀剂生成不溶性复盐或配合物沉淀。生物碱的沉淀试剂较多，常用的有：

Mayer试剂(碘化汞钾试剂)：HgI2·2KI，在酸性溶液中与生物碱反应生成类白色沉淀，若加过量试剂，沉淀又被溶解。

Drugendroff试剂(碘化铋钾试剂)：BiI3·KI，在酸性溶液中与生物碱反应多生成红棕色沉淀。

Bertrand试剂(硅钨酸试剂)：12WO3·SiO2，在酸性溶液中与生物碱反应生成灰白色沉淀。6.显色反应

显色反应可用于鉴别生物碱，其原理目前还不太清楚。常用的显色剂有以下几种。

Frohde试剂(1％钼酸钠或5％钼酸铵的浓硫酸溶液)：乌头碱显黄棕色，吗啡显紫色转棕色，可待因显暗绿色至淡黄色，黄连素显棕绿色，阿托品等不显色。

Mandelin试剂(1%钒酸铵的浓硫酸溶液)：吗啡显棕色，可待因显蓝色，莨菪碱则显红色。

Marquis试剂(0.2mL30%甲醛溶液与10mL浓硫酸的混合溶液)：吗啡显橙色至紫色，可待因显红色至黄棕色。

四、生物碱的提取与分离1.总生物碱的提取(1)酸水提取法用0.1~1%HCl、H2SO4、HOAc浸泡或渗漉，易提尽，但提取液体积大，水溶性杂质多，结合强酸性或弱酸性离子交换树脂、沉淀法等方法分离。(2)醇类溶剂提取法乙醇(95%)或稀乙醇(60~80%)浸泡、渗漉或加热提取，浓缩液加酸酸化，过滤后，酸水用氯仿、乙醚洗涤，再碱化，最后用氯仿或乙醚提取，浓缩得较纯的总碱。(3)有机溶剂提取法先用1％Na2CO3(或氨水)水溶液搅匀或磨匀，再用CHCl3、CH2Cl2、苯、石油醚等浸泡或渗漉提取，提取液用稀酸水萃取。此法选择性强，产品纯度高，但溶剂昂贵，有毒，不安全。2.生物碱的分离(1)利用分步结晶法进行混合生物碱的分离利用生物碱在不同溶剂中的不同溶解度以达到分离的目的。先将总碱溶于少量乙醚、丙酮或甲醇，放置，如果析出结晶，过滤，母液浓缩至少量或加入另一种溶剂往往又可得到其它生物碱结晶。

(2)生成生物碱的衍生物进行分离常用酸（氢碘酸、过氯酸、苦味酸）与生物碱形成盐，生物碱的盐比游离生物碱更易于结晶。例麻黄碱与伪麻黄碱的分离：利用它们草酸盐的溶解度不同(前者小)而分离。(3)利用生物碱的碱性强弱不同进行分离碱度不同的混合生物碱在酸水溶液中加适量的碱液，有机溶剂萃取，则弱碱先游离析出转入有机溶剂层，强碱与酸成盐仍留在水溶液中，如逐步添加碱量，则游离出生物碱的强度也逐步增强。

见下图。(4)利用生物碱中不同官能团用化学法进行分离例含吗啡的总碱加NaOH水溶液，再用CHCl3提取，因吗啡含有酚羟基可与NaOH生成钠盐仍留于水中，从而与其它生物碱分离开。(5)利用分馏方法进行分离由不同沸点组成的液体生物碱总碱，往往可通过常压或减压分馏进行分离。

(6)采用色谱法进行分离当用一些简便方法还未能达到分离的目的时，往往采用柱层析法进行分离，常用氧化铝、硅胶作吸附剂，根据吸附能力不同而达到分离的目的。还可用离子交换层析法根据碱性强弱不同而分离。有时也可用凝胶层析，根据分子量大小不同进行分离。上述分离所得单体纯度的检查：薄层层析检查必须是单一斑点；结晶经重结晶后晶体均匀，色泽均匀，熔距短(1~2℃以内)；1H-NMR及MS谱中无杂质信号；必要时再经GC与HPLC检查纯度。

五、生物碱的鉴定和结构测定1.已知生物碱的鉴定(1)物性测定测定化合物的熔沸点、比旋光度等物理常数，与已知生物碱的物理常数比较。(2)层析分析常用薄层层析，纸层析，可用几种溶剂尝试，对照其Rf值。例薄层层析：软板常用氧化铝，展开剂为苯、氯仿。硬板常用硅胶，展开剂为苯、氯仿、石油醚。如生物碱中极性基团多，则可在展开剂中加适量乙醇或丙酮。

纸层析：以水为固定相，或将甲酰胺加到滤纸上作固定相；苯+氯仿+乙酸乙酯作为移动相。

常用显色剂：都可用碘化铋钾或碘化铂钾。前者多显橙红色；后者则不同(例吗啡显蓝色；蛇根碱显红棕色；阿托品显蓝紫色；乌头碱显红棕色)。大多生物碱的Rf值可查，但随溶剂不同易变化。如有标样则可与标样作共同分析，确定是否为同一物。

(3)谱学特征分析与文献中所列化合物的紫外光谱、红外光谱、核磁共振谱、质谱的谱学特征进行对照，以确定是否为该化合物。紫外光谱（UV）：生物碱的UV谱反映了其基本骨架或生色基团的结构特点。生色基团在分子的非主体部分，UV谱不能反映分子的骨架特征，对测定结构作用有限。生色基团在分子的整体结构部分，生色基团组成分子的基本骨架与类型，如吡啶、喹啉、吲哚类生物碱，UV谱可反映生物碱的基本骨架与类型特征，且受取代基的影响很小，对生物碱骨架的测定有重要的作用。

红外光谱（IR）：主要用于官能团的定性和与己知生物碱对照鉴定。例酮基在1690cm-1左右区域的振动吸收，3735,1296cm-1显示酚羟基的吸收等。

核磁共振谱（NMR）：NMR谱是生物碱结构测定中最强有力的工具之一。氢谱可提供有关官能团（如NCH3、NC2H5、NH、OH、CH3O、C=C、Ar-H等）和立体化学的许多信息。碳谱、高分辨氢谱和2D-NMR谱，所提供的结构信息的数量和质量，是其它光谱方法所难于比拟的。因此核磁共振谱是生物碱结构测定中应用最广的方法。

质谱(MS)：由于生物碱结构不同，有不同的裂解方式，产生不同的离子峰。难于裂解或由取代基或侧链的裂解产生的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。以氮原子为中心的α-裂解，多涉及骨架的裂解，且基峰或强峰多是含氮的基团或部分。2.未知生物碱的结构测定(1)化学降解反应

化学降解反应是经典的结构测定方法，其方法很多，对生物碱而言，Hoffman分解反应(彻底甲基化反应）是最常用的方法，可了解氮原子的结合状态，基本明确生物碱的骨架，当然随着物理方法的广泛应用，目前这种化学降解方法已用得很少。

例：

再例：思考题：毒芹的活性成分是一种叫毒芹碱的生物碱。从下面所示的反应过程中推测毒芹碱(C8H17N)的结构式。

(2)物理方法通过元素分析，四谱，X单晶衍射光谱等分析，确定化合物的结构。例防已碱：分子式C19H23O4N，为酚性生物碱，m.p.161℃，[α]D-70○(乙醇)。紫外光谱263nm(lgε3.79)显示四氢异喹啉吸收；红外光谱3735,1590,1296cm-1显示苯酚吸收，1700cm-1显示α,β-不饱和酮吸收；

1H-NMR(CDCl3)显示：>NCH3δ2.34(3H,s)，-OCH3δ3.40(3H,s)，

ArOCH3δ3.70(3H,s)，AB芳香质子δ6.56,6.44(均为1H,d,J=7Hz)，

烯质子δ5.40(1H,s)及酮基邻位CH2δ2.30,2.40(各1H,d,J=14Hz)。六、有代表性的生物碱1.胡椒碱胡椒碱为白色晶体，m.p.130℃。碱性极弱，不易与酸结合，不溶于水与石油醚，易溶于氯仿、乙醇、乙醚、苯、醋酸中。由于结构中共轭链较长，因此具有抗氧化性，扩张胆管等作用。

胡椒碱为酰胺衍生物，有如下反应：

从结构式可知，胡椒酸有四种顺反异构体，熔点分别为134~136℃，154~156℃，200~202℃，215~217℃。分子对称性高，则熔点高。上述胡椒酸m.p.215~217℃，右面所示结构胡椒酸m.p.134~136℃。

2.菸碱

菸碱又称烟碱、尼古丁，分子式C10H14N2，学名3-(1-甲基-2-吡咯烷基)吡啶。b.p.246℃，无色或微黄色油状液体，[α]D-168o，有一手性碳，天然的为左旋物。对植物神经和中枢神经有先兴奋后麻痹作用，40mg致死，是烟草中的一种主要生物碱，烟草中含4~5%，我国市售香烟每支含量约为1~1.4mg，吸烟过多的人会引起慢性中毒。菸碱的性质：(1)具有碱性，使酚酞变红，pH8.2~10。(2)与碘化汞(铋)钾生成络合物而显色。

B(生物碱)+HgI2·KI→B·HgI2·KI(有色物)(3)与苦味酸或鞣酸生成沉淀。(4)被高锰酸钾氧化成烟酸。

烟碱的提取方法：3~5g烟丝，加10%HCl100ml加热20min，抽滤，滤液用25%NaOH中和至pH7~7.5，水汽蒸馏，得无色透明液体。

利用上法从烟草中提取制备的烟碱纯度差，能耗大，污染严重，产品成本高，收率低。目前可采用微波辅助提取技术和索氏提取技术，分别用极性和非极性溶剂对烟草中的烟碱进行提取。天然烟碱的用途十分广泛，可用干粮食、油料、蔬菜、水果等食用农作物的无残留、无公害的高效杀虫剂等。近年来发现，尼古丁通过烟碱受体作用于中枢神经递质系统，使多巴胺释放增加，因而对帕金森病的发病具有保护作用。尼古丁作为治疗心血管、皮肤、蛇毒虫咬伤害等疾患药物的原料，需求量越来越大，尤其是高纯度的天然尼古丁，在国际上备受欢迎。3.茶碱

茶碱学名为1,3-二甲基黄嘌呤，茶叶中含量为0.002%。无色针状晶体，味苦，m.p.269~272℃,易溶于沸水、氯仿中，与NaOH水溶液生成盐，具两性。茶碱有松驰平滑肌、扩张血管和冠状动脉的作用，临床上可用于治疗心绞痛和哮喘。

4.可可豆碱可可豆碱学名是3,7-二甲基黄嘌呤，与茶碱同分异构体，可可豆中主要成分。茶叶中含0.05%、可可豆中约含有1.5~3%。白粉末状结晶，味苦，m.p.357℃，290℃升华，易溶于热水，难溶于冷水、乙醇、乙醚。与NaOH水溶液生成盐，具有两性。主要作心脏性水肿病的治疗，作利尿剂。5.咖啡碱

咖啡碱学名为1,3,7-三甲基黄嘌呤，又称咖啡因。茶叶中含0.1~0.5%。无色针状晶体，味苦，m.p.234~237℃，178℃升华。易溶于水、乙醇、丙酮、三氯甲烷。能兴奋中枢神经，对心脏和肾也有兴奋作用。作中枢神经兴奋剂和利尿、强心药。

6.三尖杉碱

三尖杉碱分子式为C18H21NO4，白色结晶，m.p.132~133℃，[α]D–204o。使溴的四氯化碳及高锰酸钾溶液褪色，遇H2SO4出现从红色到深紫色的颜色变化，用水稀释后颜色变绿。具显著抗癌作用，临床治恶性肿瘤的有效率为32.4%，存在于三尖杉属植物中。提取：80%乙醇浸取三尖杉茎粉，浸取液浓缩加氨水调pH9~10，以氯仿反复提取，蒸去氯仿，柱层析(Al2O3)，乙醚洗脱，浓缩后得三尖杉粗碱，在乙醚中重结晶1~2次得纯品。7.吗啡吗啡是鸦片主要成分之一，含6~15%。1860年由斯图萘尔首次从鸦片中分离得到。无色柱状结晶，m.p.253~254℃，[α]D-132o(甲醇)。溶于热水、乙醇、乙醚、氯仿；难溶于氨、苯。易溶于碱水或酸水。是人类最早使用的一种镇痛剂，也具有强麻醉剂的作用。1847年Laurent经元素分析:吗啡的分子式为C17H19O3N，至1925年才基本确定了吗啡的结构。1950年左右出现了各种全合成方法。

提取：鸦片加水得水提液，水提液加25%氨水与乙醇得沉淀，沉淀加乙酸，去掉不溶沉淀得酸液，酸液再加氨水得沉淀，即为吗啡，加盐酸得吗啡盐酸盐。8.利血平

利血平存在于萝芙木、蛇根木的根茎中，分子式C33H40O9N2，无色棱状结晶，mp264~265℃(分解)，[α]D23-118o（氯仿），易溶于氯仿、冰醋酸；可溶于苯、乙酸乙酯；微溶于丙酮、甲醇和乙醚。利血平对光比较敏感，尤其是其溶液见光易氧化变质。利血平对降低高血压有较好疗效，且毒性低，并有显著的镇静和安定作用。

9.莨菪碱

莨菪碱是从曼陀罗的叶、花、根及种子中分离得到的生物碱。莨菪碱是左旋生物碱，为细针状结晶，分子式为C17H23O3N，mp111℃，[α]D-21o，易溶于一般有机溶剂。将莨菪碱加热或用碱处理，即消旋化转化为阿托品，因而有人认为阿托品不是天然产物，而是在提取过程中的消旋化产物。阿托品是副交感神经抑制剂，常用于治疗肠胃及肾绞痛等症，同时有放大瞳孔的作用，医用阿托品为硫酸盐，B2·H2SO4·H2O，熔点195~196℃，易溶于水。

10.奎宁奎宁是继吗啡后研究得最早的生物碱之一，早在1792年Fourcroy即曾分得粗品。奎宁是金鸡纳树皮的主要成分，含量高达3%，是治疗疟疾的主要成分。分子式为C20H24O2N2，从金鸡纳生树皮中提出的奎宁通常制成硫酸盐，含7个结晶水，B·H2SO4·7H2O，[α]D-216.50(H2O)。