Алкалоиды рода Carex на Европейском северо-востоке России

азот, являются аминокислоты или продукты их декарбоксилирования - амины.

Приведем конкретные схемы образования ряда гетероциклов на основании опытов

по кормлению растений мечеными аминокислотами. Меченые атомы углерода

обозначены звездочками.

Глутаминовая кислота и орнитин служат источниками образования пирролидина:

[pic]

Орнитин, введенный в листья белены, включается в тропановое кольцо

гиосциамина:

[pic]

Никотиновая кислота и орнитин в листьях табака превращаются в никотин:

[pic]

Из никотиновой кислоты у клещевины образуется рицинин, а сама никотиновая

кисота возникает из аспаргиновой кислоты и глицеринового альдегида:

[pic]

При кормлении мака Papaver somniforum мечеными фенилаланином и тирозином

был получен морфин, содержащий изохинолиновое кольцо.

[pic]

Лизин превращается в амин кадаверин, который является непосредственным

предшественником анабазина, лупинина, спартеина и других алкалоидов:

[pic]

Тирозин служит источником горденина; из фенилаланина образуется эфедрин.

[pic]

[pic]

Алкалоид из проростков ячменя грамин образуется из триптофана:

[pic]

При синтезе стероидных алкалоидов атом азота внедряется в кольцо при

помощи реакции трансаминирования.

Большинство алкалоидов содержит [pic] группу. Метильные группы у таких

алкалоидов, как никотин, рицинин, гиосциамин, морфин и др., появляются в

результате переноса их от метионина и аналогичных соединений. Источником

метильных групп могут служить также муравьиная кислота, формальдегид, серин

и гликолат.

Функции алкалоидов в растениях не вполне понятны. Возможно, алкалоиды – это

побочные продукты обмена веществ (метаболизма) в растениях, или они служат

резервом для синтеза белков, химической защитой от животных и насекомых,

регуляторами физиологических процессов (роста, обмена веществ и

размножения) или конечными продуктами детоксикации, обезвреживающей

вещества, накопление которых могло бы повредить растению. Каждое из этих

объяснений может быть справедливым в конкретных случаях, однако 85–90%

растений вовсе не содержат алкалоидов.

Фармакологическая активность алкалоидов изменяется в широких пределах в

зависимости от структуры. Среди них имеются обезболивающие средства и

наркотики (морфин, кодеин); мощные стимуляторы центральной нервной системы

(стрихнин, бруцин), мидриатические (т.е. расширяющие зрачок) средства

(атропин, гиосциамин) и миотические (т.е. суживающие зрачок) средства

(физостигмин, пилокарпин). Некоторые алкалоиды обнаруживают адренергическую

активность, возбуждают симпатическую нервную систему, стимулируют сердечную

деятельность и повышают кровяное давление (эфедрин, эпинефрин). Другие –

снижают кровяное давление (резерпин, протовератрин А). Благодаря своей

физиологической активности многие алкалоиды, будучи сильными ядами, находят

применение в медицине.

§4. Методы выделения и установления структуры.

Главной проблемой при выделении алкалоидов является отделение

вещества от “балластного ” материала, составляющего главную массу

растительного сырья. В случае с легколетучими алкалоидами, выделение

производится путем отгонки с водяным паром, однако такие случаи редки. Так

как обычно алкалоиды находятся в растении в виде различных кислот, то

необходимо сначала освободить их путем смачивания измельченного растения

раствором щелочи.

Нередко для извлечения алкалоидов прибегают к экстракции при помощи

подходящих растворителей. Подобные методики выделения делятся на две

группы: экстракция в виде солей и экстракция в виде свободных оснований. В

первом случае растительное сырье обрабатывается подходящим растворителем, к

которому прибавляется небольшое количество какой-либо кислоты (уксусной,

соляной, винной, лимонной и др.). Экстракция ведется обычно в конических

экстракционных аппаратах (перколяторах), в которые загружается мелко

размолотое сырье и заливается растворитель. После настаивания в течение

нескольких часов раствор медленно выпускают через кран, имеющийся в нижней

части перколятора, а сырье снова заливают свежим растворителем и продолжают

так до полного извлечения, т.е. до того момента, когда в пробе жидкости,

стекающей из перколятора, при помощи подходящих качественных реакций не

удается больше открыть присутствие алкалоида. Еще более совершенной

является непрерывная перколяция; при этом способе, по мере того как из

крана перколятора медленно сливается раствор, в верхнюю его часть

автоматически добавляется такое же количество свежего растворителя. При

наличии аппаратуры целесообразно использование экстракцию в нескольких

перколяторах по принципу противотока: раствор, вытекающий из первого

перколятора, поступает на свежее сырье, находящееся в во втором

перколяторе; из второго обогащенный раствор поступает на свежее сырье – в

третьем перколяторе и т.д. Этим путем удается получить более

концентрированные растворы алкалоида и обойтись с меньшим количеством

растворителя. На производстве устанавливаются “экстракционные батареи”,

состоящие из 5-10 перколяторов.

Соли алкалоидов обычно растворимы в воде, спиртах (метиловом и

этиловом) и нерастворимы в эфире и углеводородах. Поэтому при извлечении

алкалоидов в виде солей в качестве растворителя обычно применяется вода или

спирт. Хотя экстракция алкалоидов идет в большинстве случаев легко и

быстро, однако этот способ имеет недостаток, что спирт, а особенно вода,

извлекает из растений наряду с алкалоидами большое количество так

называемых “экстрактивных веществ” (белки, смолы, дубители, слизи и др.),

присутствие которых часто сильно затрудняет обработку таких растворов.

Экстракция алкалоидов в виде свободных оснований.

При этом методе необходимо предварительно выделить алкалоиды,

находящиеся в растении в виде солей, что достигается обработкой щелочью.

Иногда для этого слегка влажный порошок растительного сырья тщательно

смешивают с сухим основанием (окись магния или известь), а затем подвергают

экстракции. В других случаях растение смачивают и тщательно растирают с

раствором щелочи (аммиак, сода, едкий натр) и затем подвергают экстракции в

перколяторе. Так как свободные алкалоиды растворимы не только в воде и

спирте, но и в большем числе органических растворителей, то выбор

подходящего растворителя в этом случае гораздо богаче. Чаще всего для этой

цели применяют бензол, дихлорэтан, реже пользуются эфиром, хлороформом,

четыреххлористым углеводородом, петролейным эффиром и керосином. Сама

экстракция ведется путем перколирования совершенно так же, как в случае

экстракции в кислой среде.

Выбор подходящей щелочи является очень важным моментом, так как

многие алкалоиды очень чувствительны к действию сильных щелочей и могут

при этом подвергаться нежелательным изменениям, также могут встретить

случаи, когда алкалоид представляет собой настолько сильное основание, что

для его выделения из солей недостаточно слабых оснований вроде аммиака.

Предварительная экстракция.

Для разделения смеси алкалоидов от балластных веществ применяется

способ предварительной очистки сырья. Для этого сырье сначала обрабатывают

какой-либо слабой кислотой (или солью, имеющей слабокислую реакцию) и

подвергают экстракции бензолом или петролейным эфиром. Алкалоиды, будучи

связаны в виде солей, в эти растворители не переходят, а растворитель

извлекает только нейтральные или кислые экстрактивные вещества. После этой

предварительной обработки растительный материал снова обрабатывают

подходящей щелочью и вторично извлекают по тому же способу. Раствор

алкалоидов при этом получается значительно более чистым, содержащим гораздо

меньше посторонних веществ, и выделение из него чистых оснований

значительно облегчается. Однако, вследствие громоздкости и большой затраты

времени этот метод применяется только в исключительных случаях, там где

приходится иметь дело с сырьем, особо богатым балластными веществами, или в

случае очень чувствительных и легко изменяющихся алкалоидов.

Экстракты, полученные тем или иным способом, содержат алкалоиды (и

балластные вещества), или в виде солей, или уже в свободном виде. Сообразно

с этим дальнейшая обработка их несколько отличается.

Далее проводится обработка экстрактов. При этом для выделения

алкалоидов из водных, кислых растворов их солей эти растворы

подщелачиваются и алкалоиды отсасываются (если они труднорастворимы в воде

и прямо выпадают в твердом виде) или же извлекаются подходящим

растворителем (эфиром, хлороформом, бензолом, амиловым спиртом и др.), не

смешивающимся с водой. Такую обработку часто проводят многократно.

В случае спиртовых кислых растворов необходимо сначала удалить спирт,

что делается путем отгонки на водяной бане; остающаяся после этого густая

масса обрабатывается водой (или разбавленной кислотой), причем часть

смолистых веществ остается нерастворенной и отделяется путем фильтрации.

Эти смолы часто адсорбируют значительное количество алкалоидов, так что

приходиться обрабатывать их несколько раз горячей водой (или разбавленной

кислотой) до полного выделения из них алкалоидов.

В последнее время для выделения алкалоидов из водных или кислых

диффузионных

соков применяется более простой метод адсорбции.

В качестве адсорбента обычно применяются угли и ионообменные

адсорбенты: природные глины или искусственные смолы.

Растворы свободных алкалоидов в не смешивающемся с водой

растворителе, полученные путем щелочной экстракции растения, обычно

значительно чище, чем водные и спиртовые экстракции, т.е. содержат меньше

балластных веществ. Для получения из них алкалоидов эти растворы сначала

взбалтываются с разбавленной кислотой (1-5 %), в которую переходят все

алкалоиды. Последние, таким образом, сразу концентрируются в сравнительно

небольшом объеме жидкости. Этот кислый раствор подвергается обычной

очистке, подщелачивается и алкалоидная смесь или отсасывается или снова

извлекается органическим растворителем.

Разделение алкалоидов.

Разделение алкалоидов на основании различных температур кипения. Этот

метод используется в случае, когда алкалоиды, находящиеся в смеси, сильно

отличаются один от другого по своей температуре кипения. Таким образом,

возможно разделить их путем дробной перегонки.

Методы, основанные на различии растворимости.

Различие в растворимости алкалоидов и их солей в различных

растворителях является основой наиболее часто применяемых методов их

разделения и очистки.

Уже при извлечении “суммы алкалоидов” из первичного кислого раствора,

полученного при экстракции, можно, путем применения различных

несмешивающихся органических растворителей, достигнуть частичного

разделения смеси. Так, например, при взбалтывании подщелоченного раствором

эфиром в последний переходит часть алкалоидов, тогда как часть остается в

водном растворе и извлекается из него только применением другого

растворителя, например хлороформа или бензола. Такое частичное разделение

алкалоидной смеси на две или более группы, применялось например, в случае

алкалоидов кактуса - Anhalonium . Это разделение, конечно, никогда не

бывает полным и представляет собой только грубую первую фракционировку.

Разделение на основании различной “силы основности”.

Метод основан на том, что различные алкалоиды обладают различной

“силой основности”. Если к смеси таких алкалоидов прибавить количество

кислоты, недостаточное для нейтрализации всей массы, то в первую очередь с

кислотой свяжутся наиболее сильные основания, тогда как более слабые

останутся свободными. Наоборот, если к раствору смеси алкалоидов в

теоретическом количестве какой-либо кислоты прибавить количество щелочи,

недостаточное для освобождения всей суммы алкалоидов, то в первую очередь

разложатся соли наиболее слабых оснований, тогда как сильные останутся в

связанном с кислотой виде. Разделение этим способом обычно бывает неполным,

в особенности при сложных смесях, и в отдельных фракциях наблюдается

обогащение одним из оснований. Для полного разделения и очистки этот метод

комбинируют с другими способами, основанными на кристаллизации солей или

свободных оснований.

Разделение на основании различной адсорбционной способности

(хроматография).

Метод хроматографии состоит в том, что через колонку, наполненную

адсорбентом, пропускается испытуемый раствор, содержащий несколько

алкалоидов. После того как раствор полностью проникает в слой адсорбента,

колонку промывают органическим растворителем или смесью нескольких

растворителей и собирают отдельные фракции вытекающей из колонки жидкости.

Дальнейшая обычная обработка отдельных фракций позволяет выделять

индивидуальные соединения.

Разделение путем получения производных.

Он используется в случаях, когда алкалоиды, находящиеся в смеси,

отличаются одни от других такими химическими особенностями, которые

позволяют произвести их разделение путем получения каких-либо подходящих

производных. Этот метод разделения основывается на том, что один из

алкалоидов вступает в реакцию с каким-либо реактивом, тогда как другой

остается неизменным. Свойства образовавшегося таким образом производного

первого алкалоида (растворимость и пр.) часто сильно отличаются от свойств

исходного вещества и позволяют провести разделение его обычным методом

кристаллизации. Основным условием при этом является то, что алкалоид должен

легко обратно получаться из полученного производного и не должен

претерпевать при этом никаких существенных изменений.

Общие методы изучения структуры.

При изучении структуры алкалоидов особо важную роль играют реакции

размыкания гетероциклических колец, так как они позволяют перейти от

сложных полициклических структур к более простым. Наряду с этими реакциями

большое значение имеют также реакции, ведущие к установлению основного

азотно-углеродистого “скелета” изучаемого алкалоида, т.е. той упрощенной

структуры, которая остается после удаления боковых групп и цепей.

Типичными примерами являются реакции раскрытия кольца, в частности

одной из важнейших является “гофманский распад” и его модификация “распад

по Эмде”. Это удается осуществить благодаря тому, что при нагревании

четвертичных оснований, последние распадаются с образованием воды,

третичного амина и ненасыщенного углеводорода.

При изучении алкалоидов, являющихся третичным основаниями с метильной

труппой при азоте, бывает важно перейти к соответствующему вторичному

основанию, лишенному этой группы, т.е. надо провести диметилирование. Эта

реакция осуществляется: действием бромциана; сухой перегонкой хлор- или

иодгидрата с отщеплением хлорметана или иодметана; действием хлоргидритов

на основание, дающее сначала хлорамин, восстанавливающийся до вторичного

амина (метод Вильштеттера); окислением основания перманганатом, дающее

соответствующую N-карбоновую кислоту, самопроизвольно теряющую CO2;

действием азотной кислоты (при повышенной температуре) на третичное

основание.

Наиболее часто применяются разнообразные методы окисления и

восстановления, имеющие своей целью либо видоизменение тех или иных групп

Страницы: 1, 2, 3