Лекція 2. Загальна характеристика алкалоїдів

Алкалоїди – це органічні азотвмістні речовини, переважно рослинного походження, що мають лужний характер та високий фізіологічний вплив на організм людини і тварин.

Термін „алкалоїди” запропонував W. Meissner у 1819 р. Назва походить від двох слів: арабського „alkali” – „луг” та грецького „eidos” – вигляд, буквально – „подібні до лугів”.

Будова та класифікація

Основні типи класифікацій:

І. Класифікація О.П. Орєхова.

Заснована на побудові вуглецево-азотного скелета. Таким чином, виділяють таки типи алкалоїдів, що містять за межами кільця або у складі гетероциклу:

1) піролідину; 2) піперидину; 3) піридину; 4) піролізидину; 5) хінолілідину; 6) хіноліну; 7) ізохіноліну; 8) хіназоліну; 9) індолу; 10) дигідроіндолу; 11) імідазолу; 12) акридину; 13) пурину; 14) ізопреноїдні алкалоїди; 15) протоалкалоїди.

ІІ. Класифікація за типу біосинтезу алкалоїдів:

1) істинні алкалоїди, що мають гетероциклічні кільця і біосинтетично походять з алкалоїдогенних амінокислот, або з нікотинової або антранілової кислоти;

2) протоалкалоїди, що містять азот не у складі гетероциклів, але утворюються з амінокислот;

3) псевдоалкалоїди (ізопреноїдні алкалоїди), що утворюються без участі амінокислот і об’єднуються в групу незалежно від наявності гетероциклу.

ІІІ. Класифікація за типами прекурсорів алкалоїдів.

Істинні алкалоїди утворюють групи сполук, до складу яких входять гетеро цикли. Вони біогенетично походять від амінів, які утворюються внаслідок декарбоксилування амінокислот. На цей час відомі амінокислоти – біогенетичні попередники груп алкалоїдів – т. з. прекурсори.

1) До групи орнітину належать піролідинові, піролізидинові, тропанові і деякі піридинові алкалоїди;

2) група лізину – хінолізидинові алкалоїди, деякі піперидинові алкалоїди;

3) група тирозину – ізохінолінові алкалоїди;

4) група триптофану – індольні, хінолінові алкалоїди;

5) група гістидину – імідазольні алкалоїди типу пілокарпіну;

6) група гліцину і антранілової кислоти – пуринові алкалоїди;

7) група антранілової кислоти – акрідинові алкалоїди.

Існують також класифікації, засновані за ботанічним і філогенетичним принципом, поєднуючи в одну групу всі сполуки, що виділені з рослини одного роду (наприклад, алкалоїд іпекакуани, алкалоїди секурінеги тощо). Іноді алкалоїди поєднують за фармакологічними властивостями: алкалоїди – наркотичні анальгетики, м-холінолітики та ін.

Біосинтез

Загальним для більшості алкалоїдів є наявність гетероциклів (піролідин тощо) чи поєднання цих простих гетероциклів з карбо- або іншими гетеро- циклами з утворенням складніших поліциклічних структур.

Походження алкалоїдів має деякі універсальні риси. Початковими реакціями біосинтезу у більшості випадків є декарбоксилування, окислювальне дезамінування або переамінування амінокислот чи відповідних їм амінів. Далі йде пряме трансметилювання отриманих проміжних сполук, після чого відбувається циклізація аліфатичних ланцюгів попередників у різні гетеро- і карбоциклічні структури.

Універсальне значення мають реакції, які ведуть до утворення N-гетероциклічних структур, вони пов’язані з утворенням С-N – зв’язку. До цього приводять різні реакції, серед яких найважливішими є реакція утворення азометинів (шифових основ) і реакція типу конденсації Манніха.

Аміни, які беруть участь в утворенні шифових основ звичайно синтезуються при декарбоксилуванні амінокислот. Карбонільні сполуки в багатьох випадках синтезуються внаслідок переамінування та окислювального дезамінування. При конденсації Манніха утворення С-N-зв’язку з тих самих функціональних груп проходить проміжне створення N-гідроксиметильного похідного або кислого аміну в залежності від того, що використовують як карбонільну сполуку: альдегід чи ацетил-КоА. Процеси циклізації доповнюються процесами конденсації, а також бувають випадки коли утворення нових алкалоїдів поєднується з розщепленням раніше сформованих циклічних структур внаслідок розриву С-С-, С-N- чи С-О- зв’язків.

Таким чином, всі ці процеси загалом у рослині приводять до виникнення у природі різноманітних структурних типів алкалоїдів.

Поширення та біологічні функції у рослинах

Відомо понад 6500 алкалоїдів, понад 50 виявлено у сировини тваринного походження. Алкалоїдоноси становлять понад 10% усіх рослин. Більш за все алкалоїди поширені в родинах: Berberidaceae, Ranunculaceae, Menispermaceae, Papaveraceae, Loganiaceae, Apocynaceae, Fabaceae, Lobeliaceae та ін.

Алкалоїди накопичуються головним чином у тканинах чотирьох типів:

1) у тих, що активно ростуть; 2) в епідермальних та гіподермальних тканинах; 3) в обкладці судинних пучків; 4) у латексних судинах.

Алкалоїди знаходяться у вакуолях, вони також рідко зустрічаються в змертвілих тканинах. Алкалоїди локалізуються переважно в певних органах рослин, наприклад, у хінного дерева – головним чином в корі, у болиголова – в плодах. Алкалоїди тваринного походження не завжди синтезуються самим організмом: іноді це відповідає характеру їжі. Так, бобри накопичують касторамін, який дуже близький до алкалоїду дезоксинуфарідину з кореневищ глечиків жовтих, і потрапляє він в організм тварин разом із їжею.

Як правило, у рослині міститься суміш декількох алкалоїдів, іноді до 15-20, часто близьких за будовою (наприклад, в маткових ріжках), однак у деяких рослин знаходять лише один алкалоїд (рицинін у рицині).

Вміст алкалоїдів у сировині складає десяті й соті долі відсотка й рідко досягає 10-15%.

Коливання вмісту алкалоїдів можливі при сушінні та зберіганні сировини. При повільному сушінні нестійкі алкалоїди розкладаються. Вміст алкалоїдів знижується при зберіганні сировини у вологих приміщеннях.

Біологічна роль алкалоїдів в рослинах. Зараз відомо, що алкалоїди виконують роль рослинних гормонів та каталізаторів. Алкалоїди також є сенсибілізатори, тобто вони посилюють чутливість рослинних клітин до світла і прискорюють перебіг фази утворення і розвитку генеративних органів. Крім того, виділяючись у грунт, захищають рослину від ґрунтових бактерій, а можливо, й від поїдання тваринами, тобто вони – антифіданти.

Фізико-хімічні властивості

У широкому розумінні алкалоїди є первинними, вторинними, третинними амінами та похідними четвертинних амонієвих основ. Алкалоїди можуть iснувати у вiльному станi (у виглядi основ) та у виглядi солейi або алкалоїдiв Ν-оксидiв. Цей факт враховується при одержаннi або видiленнi алкалоїдiв з рослинної сировини.

У рослинах алкалоїди мiстяться у формi солей органiчних кислот: лимонної, щавлевої, янтарної, малонової, оцтової та ін. У лікарських препаратах це переважно гідро хлориди, нітрати, фосфати, іноді тар трати.

Алкалоїдні основи розчинні в органічних розчинниках і, як правило, нерозчинні або мало розчинні у воді. Виняток становлять кофеїн, ефедрин, кодеїн, які розчинні у воді.

Солі алкалоїдів – білі кристалічні речовини, розчинні у воді і нерозчинні в органічних розчинниках (крім спирту). Деякі солі алкалоїдів (наприклад, папаверину гідрохлорід) розчинні в хлороформі.

Більшість алкалоїдів – тверді кристалічні сполуки, безбарвні або ледь забарвлені (наприклад, берберин жовтого кольору), гіркі на смак. До складу алкалоїдів входять атоми вуглецю, водню, кисню, азоту. Деякі алкалоїди не містять кисню (наприклад, коніїн з болиголова, нікотин, пахікарпін) та є рідинами, що переганяються з водяною парою, але солі цих алкалоїдів – тверді кристалічні сполуки.

Алкалоїди, які містять фенольну групу (морфін), дають синє забарвлення з хлоридом заліза. Ванілін є реактивом на індольний цикл. Характерні кольорові реакції дають нітропрусид натрію з пілокарпіном, теофіліном, пахікарпіном, сферофізином.

Інколи для ідентифікації алкалоїдів використовують процес гідролізу з наступним виявленням артефактів. Так, фізостигмін при гідролізі у лужному середовищі утворює метиламін, сферофізин виділяє аміак. Кокаїн під дією концентрованої сірчаної кислоти розщеплюється на метиловий спирт та бензойну кислоту з подальшим утворенням метилового ефіру бензойної кислоти, який визначається за запахом.

Для виявлення і визначення якісного складу та кількості алкалоїдів часто використовують паперову та тонкошарову хроматографію в сумішах різних розчинників, головним чином кислих. Звичайно алкалоїди в УФ-світлі флуоресціюють блакитним, зеленим або жовтим кольором. При обробці хромогенними реактивами флуоресценція плям, як правило, змінюється й часто з’являється забарвлення, яке можна бачити при денному світлі.

Ідентифікацію алкалоїдів також проводять за допомогою фізико-хімічних методів: ультрафіолетової, інфрачервоної, ЯМР- і ПМР-спектроскопії.

Кількісне визначення

Для кожної сировини розробляють індивідуальну методику визначення вмісту алкалоїдів. Усі вони багато етапні внаслідок тривалого очищення.

Довгий час кількісне визначення алкалоїдів проводили ваговим або об’ємним способом, тепер кількість алкалоїдів у сировині визначають фізичними, фізико-хімічними та об’ємними методами.

Найбільш поширена титрометрія:

1) пряме титрування алкалоїдів розчином кислоти; 2) зворотне титрування надлишку кислоти розчином лугу; 3) пряме титрування алкалоїдів розчином йоду або іншого комплексоутворюючого реактиву, при взаємодії з яким алкалоїди утворюють нерозчинні сполуки.

Більшість алкалоїдів визначають титруванням у неводних розчинниках (пахікарпін, тропанові алкалоїди, кокаїн, платифілін, сальсолін, морфін, резерпін, сферофізин, ефедрин та ін.). Титрантом є розчин хлорної кислоти в оцтовій кислоті. Солі алкалоїдів титрують хлористоводневою, йодистоводневою та бромисто-водневою кислотами в присутності ацетату ртуті.

Деякі алкалоїди (кофеїн та його солі) кількісно можна визначити за утворенням нерозчинних солей, наприклад, полі йодидів. Надлишок йоду у фільтратах визначають титруванням тіосульфатом натрію. Алкалоїди пуринового ряду (теобромін, теофілін) утворюють солі з нітратами. Еквівалентну кількість азотної кислоти, що утворилася, визначають титруванням.