第三章生物碱ppt-.ppt

Chapter3 Alkaloids 目录 3 1概论3 2生物碱的生物合成3 3生物碱的分类 生源关系及分布3 4生物碱的理化性质3 5生物碱的提取和分离3 6生物碱的结构签定与测定练习题 3 1概述 Definition 1 生物碱是天然产的含氮有机化合物 但不包括 低分子胺类 如甲胺 乙胺等 氨基酸 氨基糖 肽类 除肽类生物碱如麦角克碱ergocristine等 蛋白质 核酸 核苷酸 卟啉类 porphyrines 和维生素等 Question 何谓生物碱 2 生物碱是含负氧化态氮原子 存在于生物有机体中的环状化合物 但不包括小分子的环状胺类 负氧化态氮包括胺 3 氮氧化物 1 酰胺 3 化合物 但排除含硝基 3 和亚硝基 1 的化合物 如马兜铃酸 aristolochicacid 等 绝大多数生物碱的英文名称均以 ine结尾 Notes 1 生物有机体是从实用考虑将其局限于植物 动物和其它生物有机体 而排除上述定义中所限制的所有化合物 2 生物碱包括经典定义中例外的某些化合物 如秋水仙碱 胡椒碱 piperine 苯丙胺类 如麻黄碱 和嘌呤类 如咖啡因 等 3 2生物碱的生物合成 生物合成的研究表明存在于植物界的上万种生物碱 仅来源于有限的前体氨基酸 甲戊二羟酸和醋酸酯等 与生物碱生物合成有关的主要氨基酸有鸟氨酸 脯氨酸 赖氨酸 苯丙氨酸 酪氨酸 色氨酸 邻氨基苯甲酸 组氨酸和烟酸等 生物碱的生物合成涉及环合反应 C N键和C C键的裂解反应以及某些重排 取代基的形成 增减 消除 转化等 生物碱骨架类型的形成与转化的生物化学本质是生物体在其本身存在的酶的参与下所发生的C C键 C N键 C O键的形成与裂解 3 3生物碱的分类 生源关系及分布 3 3 1生物碱的分类3 3 2生物碱的生源关系3 3 3生物碱的分布 3 3 1生物碱的分类 生物碱的分类主要有3种方法 1 根据来源分类 2 根据化学结构类别分类 3 根据生源关系结合化学结构类别分类 3 3 2生物碱的生源关系 3 3 2 1来源于鸟氨酸的生物碱 主要包括吡咯类 A 托品类 B 和吡咯里西丁类 C 托品类 吡咯里西丁类 3 3 2 2来源于赖氨酸的生物碱 主要包括哌啶类 A 吲哚里西丁类 B 和喹诺里西丁类 C A哌啶类 piperidines 生物碱 B吲哚里西丁类 indolizidines 生物碱 C喹诺里西丁类 quinolizidines 生物碱 3 3 2 3来源于邻氨基苯甲酸的生物碱 3 3 2 4来源于苯丙氨酸和酪氨酸的生物碱 A苯丙胺类 phenylalkylamines 生物碱 B四氢异喹啉类 tetrahydroisoquinolines 生物碱 C苄基四氢异喹啉类生物碱 benzyltetrahydroisoquinolines 生源关系 苄基四氢异喹啉 A 类是最重要的生源前体物 A经次级环合 C N键和C C键裂解等反应 可直接形成其它类生物碱 此外 原绿刺酮碱类也是一个重要分支点 D苯乙基四氢异喹啉类 phenethyltetrahydroisoquinolines 生物碱 3 3 2 5来源于色氨酸的生物碱 本类生物碱又称吲哚类 indoles 生物碱 约占已知生物碱的1 4 A simpleindolesalkaloids B simple carbolinesalkaloidsC semiterprenoidindolesalkaloids 又称麦角碱类生物碱 如ergometrine ergotamine等 本类主要分布于麦角菌类 D monoterpenoidindolesalkaloids 本类是最重要的来源于色氨酸的生物碱 已发现1100多种 单萜吲哚类生物碱如 reserpine 注意编号 2 bisindolealkaloids 如长春碱 vinblstine VLB 长春新碱 vincristine VCR 等 3 与单萜吲哚类有关的生物碱 如喜树碱类 camptothecines 金鸡宁类 cinchonines 生物碱 3 3 2 6来源于萜类的生物碱 A monoterpenoidalkaloidsB sesqueterpenoidalkaloids 如dendrobine等 C diterpenoidalkaloids 如aconitine等 D triterpenoidalkaloids 如交让木碱 3 3 2 7来源于甾体的生物碱 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 3 3 3生物碱的分布 1 在系统发育较低级的类群 如藻类 菌类 地衣类 蕨类植物等 中 生物碱分布较少或无 2 生物碱集中地分布在系统发育较高级的植物类群 裸子植物 尤其是被子植物 中 3 生物碱极少与萜类和挥发油共存于同一植物类群中 4 越是特殊类型的生物碱 其分布的植物类群就越窄 生物碱在天然药物中的存在形式 1 游离碱 2 盐类 3 酰胺类 4 N 氧化物 5 亚胺 C N 6 烯胺等 3 4生物碱的理化性质 3 4 1性状3 4 2旋光性3 4 3溶解度3 4 4生物碱的检识3 4 5生物碱的化学性质和反应 3 4 1性状 绝大多数生物碱由C H O N组成 极少数分子含有Cl S等元素 多数生物碱呈结晶形粉末 少数为液体 如烟碱 毒芹碱等 某些液体生物碱可随水蒸气蒸馏而逸出 多数生物碱有苦味 少数生物碱有升华性 如咖啡因等绝大多数生物碱呈无色状态 仅少数呈色 如蛇根碱 serpentine yellow 小檗红碱 berberubine orange 3 4 2旋光性 凡是具有手性碳原子或本身为手性分子的生物碱 有旋光性质 反之 则无 在某些情况下 生物碱的旋光性易受pH 溶剂等因素的影响 如中性条件下 烟碱呈左旋光性 但在酸性条件下 则变为右旋光性 麻黄碱在氯仿中呈左旋光性 但在水中则变为右旋光性 生物碱的生理活性与其旋光性密切相关 一般来说 左旋光性呈显著的生理活性 而右旋体则无或很弱 3 4 3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 极性基团的有无及其数目 溶剂等密切相关 一般来说 游离生物碱为脂溶性 但其盐类为水溶性 3 4 4生物碱的检识 最常用的是生物碱的沉淀反应与显色反应 1 沉淀反应是利用大多数生物碱在酸性条件下 与某些沉淀剂生成弱酸不溶性复盐或络合物沉淀 生物碱的沉淀剂很多 常用的有 碘化铋钾试剂 Dragendorff sreagent 改良的碘化铋钾试剂 碘 碘化钾试剂 Wagner sreagent 碘化汞钾试剂 Mayer sreagent 和硅钨酸试剂 Bertrad sreagent 2 对大多数生物碱来说 最常用的显色剂是改良的碘化铋钾试剂 主要用于薄层层析中 Question 举例说明常见的生物碱沉淀试剂和显色剂 3 4 5生物碱的化学性质和反应 生物碱的化学性质和反应十分丰富 本章仅讨论与氮原子有关的重要而共同的化学性质和反应 3 4 5 1碱性3 4 5 2成盐3 4 5 3涉及氮原子的氧化3 4 5 4C N键裂解 3 4 5 1碱性 1 碱性的产生及其强度表示 1 生物碱由于其分子中氮原子上的孤电子对能接受质子故显碱性 Question 影响生物碱碱性强弱的因素主要有哪些 2 碱度分别用酸式离解指数pKa和碱式离解指数pKb来表示 pKa值越小 酸性越大 相反 pKa值越大 碱性越强 为统一强度标准 碱度也可用pKa表示 pKa pKw pKb 14 pKb碱性强度与pKa值的关系 pKa12 强碱 碱性基团的pKa值大小顺序 胍基 NH C NH NH2 季铵碱 脂肪胺基 芳杂环 吡啶 酰胺基 2 碱性与分子结构的关系 Question 生物碱的碱性强弱与氮原子的杂化度 诱导效应 诱导 场效应 共轭效应 空间效应以及分子内氢键等有关 1 氮原子的杂化度 其碱性强度随杂化度升高而增强 即 sp3 sp2 sp 如氰基 sp 呈中性 吡啶 pKa5 17 和异喹啉 pKa5 4 sp2 碱性较弱 2 甲基 甲基吡咯 sp3 碱性较强 pKa10 26 异喹啉 sp2 杂化成四氢异喹啉 sp3 后 碱性增强 pKa9 5 季氨碱 如小檗碱 因羟基以负离子形式存在而显强碱性 pKa11 5 2 诱导效应 生物碱分子中氮原子上电荷密度受到分子中供电基 如烷基等 和吸电基 如芳环 酰基 醚基 双键 羟基等 诱导效应的影响 供电基使电荷密度增多 碱性变强 吸电基则降低电荷密度 碱性减弱 如 二甲胺 pKa10 70 甲胺 pKa10 64 氨 pKa9 75 如 可卡因 pKa8 31 与tropococaine pKa9 88 相比 由于前者分子中 CO2CH3的吸电子作用 其碱性弱于后者 3 诱导 场效应 生物碱分子中如同时含有2个氮原子时 即使其化学环境完全相同 碱度也是有差异的 因为一旦第一个氮原子质子化后 就产生一个强的吸电子基团 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 前者通过碳链传递 且随碳链增长而逐渐降低 后者则是通过空间直接作用的 故又称为直接效应 二者统称诱导 场效应 例如 吐根碱分子中两个氮原子都在脂杂环体系中 中间相隔5个碳原子 空间上相距较远 彼此受诱导 场效应的影响较小 故 pKa仅为0 89 Question 试解释金雀花碱分子中两个氮原子 pKa为8 1的原因 4 共轭效应 若生物碱分子中氮原子孤电子对成p 共轭体系时 碱性较弱 常见的p 共轭效应主要有三种类型 苯胺型 烯胺型和酰胺型 苯胺型 如毒扁豆碱 physostigmine 分子中的N1和N2碱性相差悬殊 前者为pKa7 88 后者仅为1 76 B 烯胺 enamines 型 仲烯胺 R或R H A的共轭酸B极不稳定 平衡向C发展 碱性较弱 反之 如叔胺 R R 为烷基 A的共轭酸B比较稳定 平衡易向B进行 碱性较强 若氮原子处于酰胺结构中 由于氮原子孤电子对与酰胺羰基的p 共轭效应 其碱性很弱 C 酰胺型 但胍例外 由于接受质子后形成季铵离子 故呈强碱性 5 空间效应 尽管质子的体积很小 但生物碱氮原子质子化后 仍受到空间效应的影响 使其碱性增强或减弱 如甲基麻黄碱 pKa9 30 碱性弱于麻黄碱 pKa9 56 原因是甲基的空间位阻 如reserpine 由于C19 C20键 使其碱性减弱 如阿替生和异阿替生 前者pKa12 9 而后者仅为10 0 6 分子内氢键形成 碱性增强 如和钩藤碱盐的质子化氢可与酮基形成分子内氢键 使其更稳定 而异和钩藤碱的盐则无类似氢键的形成 故前者碱性 pKa6 32 大于后者 pKa5 20 对具体化合物 上述几种影响生物碱强度的因素须综合考虑 一般来说 空间效应和诱导效应共存时 前者居于主导地位 诱导效应和共轭效应共存时 往往后者的影响为大 3 4 5 2成盐 绝大多数生物碱可与酸形成盐类 仲胺 叔胺生物碱成盐时 质子多结合于氮原子上 但是 对于季胺碱 烯胺以及具有涉及氮原子的跨环效应形式存在的生物碱 质子化并不一定发生在氮原子上 1 季胺生物碱的成盐 季胺生物碱A与酸成盐B时 质子与OH 结合成水 2 含氮杂缩醛生物碱的成盐 生物碱A与酸作用生成亚胺盐B 质子则与RO 结合生成醇或水 3 涉及氮原子跨环效应生物碱的成盐 如生物碱A与酸成盐B时 质子化发生在酮基上 且伴随着C N键的形成 下图说明了同时具有氮杂缩醛和跨环效应的二萜生物碱36和39的两种竞争性成盐过程 4 具有烯胺结构的生物碱的成盐 此类生物碱质子化多发生在 碳上 而非氮原子 如二氢奥斯冬宁成盐后生成40 3 4 5 3涉及氮原子的氧化反应 许多生物碱在氧化剂作用下 被氧化生成亚胺及其盐类 去N 胺基 酰胺化 氮杂缩醛以及氮氧化物 除N 氧化物外 这些反应绝大多数都是经过中间体亚胺离子A进行 故通称为涉及氮原子的氧化 这些反应同样也受到立体条件的限制 当用Hg OAc 2或KMnO4时 只有满足中间体B中失去氢与离去基AcOHg成反式共平面关系的生物碱 才可生成A而被氧化 如Hg OAc 2仅与石松碱类C D E中前两者反应 对E则不反应 原因是C D中邻接N的碳原子上共有3个与孤电子对反式共平面的氢 而E则无此种氢 同时 又由于C形成的中间体张力较小 其氧化速率比D大5倍 1 氧化成亚胺及其盐类 某些生物碱如41等与Hg OAc 2作用 生成亚胺化合物42 而二氢血根碱生成43则属于氧化成亚胺盐的例子 2 酰胺化 许多生物碱可被KMnO4 Hg OAc 2等氧化成酰胺衍生物 生成的酰胺因氧化剂对N原子邻位碳攻击的位置不同而异 若被攻击的碳原子处于环系中 则产物可为内酰胺 反之 则为酰胺 3 氮杂缩醛的形成 如songorine可被氧化成45 3 4 5 4C N键的裂解反应 在经典的化学法测定生物碱结构中 生物碱分子中C N键的裂解曾经扮演过重要角色 而且 其中的某些反应也是生物碱生物合成所关注的重要内容 随着现代科学技术的进步和其它结构鉴定方法的出现 C N键的裂解反应在生物碱结构鉴定中的作用已大不如以前 有关裂解方法 Hofmanndegradation Emde裂解和vonBraun三级胺降解 等可参阅教科书有关内容 3 5生物碱的提取与分离 3 5提取分离 3 5 1提取3 5 1 1酸水提取法 离子交换树脂法 沉淀法3 5 1 2醇类溶剂提取法3 5 1 3与水不相混溶的有机溶剂提取法 3 5提取分离 3 5 1提取 3 5 1 1酸水提取法 冷提法 渗漉法 冷浸法 酸性水 0 1 1 H2SO4 HCl HOAc等 3 5提取分离 3 5 1提取 3 5 1 1 酸水提取法此法缺点 提取液体积较大 浓缩困难 提取液中水溶性杂质多解决方法 1 离子交换树脂法 2 沉淀法 3 5提取分离 3 5 1提取 3 5 1 1酸水提取法 1 离子交换树脂法 3 5提取分离 3 5 1提取 3 5 1 1酸水提取法 2 沉淀法 酸提碱沉法 3 5提取分离 3 5 1提取 3 5 1 1酸水提取法 2 沉淀法 盐析法 适用于中等及弱碱性生物碱 黄藤1 H2SO4水溶液 H2O 沉淀 碱化至pH 9 加NaCl达饱和 掌叶防已碱 3 5提取分离 3 5 1提取 3 5 1 1酸水提取法 2 沉淀法 雷氏铵盐沉淀法 3 5提取分离 3 5 1提取 3 5 1 1酸水提取法 季铵碱的水溶液 水溶液 沉淀 雷氏复盐 雷氏铵盐沉淀 沉淀 滤液 滤液 B2SO4 硫酸钡沉淀 季铵碱的盐酸盐 加酸水调至弱酸性加新配制的雷氏铵盐饱和 H2O 溶丙酮 乙醇 中加Ag2SO4饱和水溶液 加入氯化钡 BaCl2 3 5提取分离 3 5 1提取 3 5 1 2醇类提取法 2 醇类溶剂提取法 天然药物 H H2O 药渣 醇液 OH H2O 醇或酸性醇 回收醇 加酸水 碱性较弱的碱 亲水性Alk CHCl3液 沉淀 Alk OH H2O CHCl3提取 3 5提取分离 3 5 1提取 3 5 1 3与水不相混溶的有机溶剂提取法 天然药物 残渣 CHCl3 CHCl3 H H2O 碱化 如NH4OH 使Alk游离 渗滤 或浸渍 如CHCl3等 H H2O OH H2O Alk沉淀 亲水性Alk 碱性较弱的Alk 3 5提取分离 3 5 2分离 3 5 2分离溶解性 重结晶法碱性强弱 pH梯度萃取色谱法 3 5提取分离 3 5 2分离 3 5 2分离 生物碱的分离 系统分离 特定分离 多用于基础研究 侧重于生产实用 总碱 单体Alk的分离 类别指酸碱性强弱 部位指极性不同 依据Alk的理化性质 3 5提取分离 3 5 2分离 1 根据Alk及其盐的溶解度不同进行分离 1 已知成分 查文献选择结晶溶剂 2 未知成分 色谱方法进行溶剂的选择2 Alk碱性不同 pH梯度萃取法首先考虑的问题 所选溶剂pH值多少为宜 萃取几次能完全 萃取溶剂的最佳体积 3 5提取分离 3 5 2分离 2 Alk碱性不同 pH梯度萃取法 1 确定pH值的方法 缓冲纸色谱 3 5提取分离 3 5 2分离 2 Alk碱性不同 pH梯度萃取法 1 确定pH值的方法 3 5提取分离 3 5 2分离 2 Alk碱性不同 pH梯度萃取法 1 确定pH值的方法 3 5提取分离 3 5 2分离 2 Alk碱性不同 pH梯度萃取法 1 确定pH值的方法 3 5提取分离 3 5 2分离 2 Alk碱性不同 pH梯度萃取法 1 确定pH值的方法 3 5提取分离 3 5 2分离 2 Alk碱性不同 pH梯度萃取法 1 确定pH值的方法 利用pKa值来确定pH值pKa与pH关系 3 5提取分离 3 5 2分离 2 Alk碱性不同 pH梯度萃取法 1 确定pH值的方法 利用pKa值来确定pH值 例 某Alk的pKa 8 0 用CHCl3从H2O中萃取 H2O的pH应调多少 pH pKa 2 8 2 10 3 5提取分离 3 5 2分离 2 Alk碱性不同 pH梯度萃取法 2 判断分离的难易程度 萃取次数 3 5提取分离 3 5 2分离 2 Alk碱性不同 pH梯度萃取法 2 判断分离的难易程度 萃取次数 1001次萃取可达90 以上 10萃取需10 12次 2需1000次以上萃取 CCD法 1不能分离 3 5提取分离 3 5 2分离 2 Alk碱性不同 pH梯度萃取法 3 萃取溶剂的最佳体积 容积比 R 例 设K1 1 3K2 3 0按上式计算得R 1 2 即 有机相与水相容积比为1 2 1份有机相与2份水相进行萃取 3 5提取分离 3 5 2分离 3 色谱法 吸附剂 柱色谱法常用氧化铝 偶用硅胶 展开剂 游离Alk常以苯 乙醚 氯仿等溶剂洗脱 化合物极性判断 相似结构 双键多 含氧官能团多 则极性大 在含氧官能团中 3 5提取分离 3 5 2分离 提取分离实例 长春碱与长春新碱 3 5提取分离 3 5 2分离 长春花全草 干粉80目 苯渗漉液 药渣 苯液 H H2O 苯渗漉 pH 4 6 酒石酸水溶液萃取 过滤 氨水碱化至pH 6 7 CHCl3提取 除水杂 除脂杂 除碱性较强的成分 3 5提取分离 3 5 2分离 H2O层 CHCl3提取液 弱碱性Alk Alk硫酸盐 回收氯仿 蒸干强碱性Alk溶于无水乙醇H2SO4调pH 3 8 4 1Alk沉淀 溶于H2O 氨水碱化至pH 8 9CHCl3萃取 除脂杂 除水杂 精制 3 5提取分离 3 5 2分离 H2O层 CHCl3层 游离Alk 长春碱 醛基长春碱 回收氯仿 溶于苯 氯仿 1 2 液中通过Al2O3吸附柱用苯 氯仿 1 2 洗脱 色谱分离 3 6生物碱的结构鉴定与测定 3 6生物碱的结构鉴定与测定 3 6 1色谱法测定理化常数 如 熔点 与文献报道的数据进行对照 与对照品共薄层 测定其衍生物的理化数据等 1 薄层色谱法2 纸色谱法 3 6生物碱的结构鉴定与测定 3 6 2谱学法紫外光谱 红外光谱 质谱 核磁共振UV 反映分子中所含共轭系统情况 IR 利用特征吸收峰 鉴定结构中主要官能团 NMR 各种技术图谱测定结构 MS 依据文献 结合主要生物碱类型的质谱特征进行解析 3 6生物碱的结构鉴定与测定 生物碱MS的一般规律 1 难于裂解或由取代基或侧链的裂解产生特征离子特点 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 主要包括两大类 芳香体系组成分子的整体或主体结构 如喹啉类 吖啶酮类等 具有环系多 分子结构紧密的生物碱 如苦参碱类 秋水仙碱类等 3 6生物碱的结构鉴定与测定 2 主要裂解受氮原子支配主要裂解方式是以氮原子为中心的 裂解 且多涉及骨架的裂解 特征 基峰或强峰多是含氮的基团或部分 主要生物碱类型 金鸡宁类 甾体生物碱类等 3 6生物碱的结构鉴定与测定 3 主要由RDA裂解产生的特征离子特点 裂解后产生一对强的互补离子 由此可确定环上取代基的性质和数目 主要有 四氢原小檗碱类 无N 烷基取代的阿朴菲类等 四氢原小檗碱类型的生物碱 主要从 环裂解 发生逆Diels Alder反应 RDA反应 如 轮环藤酚碱 cyclanoline 的裂解过程表示如下 3 6生物碱的结构鉴定与测定 轮环藤酚碱 cyclanoline 的裂解过程 3 6生物碱的结构鉴定与测定 4 主要由苄基裂解产生特征离子特点 同3 即裂解后产生一对强的互补离子 如 苄基四氢异喹啉类 双苄基四氢异喹啉类等 如异喹啉类型中的1 苯甲基 四氢异喹啉类型的生物碱 其在裂解过程中易失去苯甲基 得到以四氢异喹啉碎片为主的强谱线 3 6生物碱的结构鉴定与测定 1 苯甲基 四氢异喹啉类型的生物碱的裂解 THEEND 练习题 练习试题 一 选择判断题二 是非题三 化学鉴别题四 分析比较碱性大小五 提取分离 一 选择判断题 用pH梯度萃取法从氯仿中分离生物碱时 可顺次用 缓冲液萃取 A pH 8 3B pH 6 8C pH 8 14D pH 3 8 生物碱的盐若从酸水中游离出来 pH应为 A pHPkaC pH PKa 某生物碱碱性很弱 几乎呈中性 氮原子的存在状态可能为 A 伯胺B 仲胺C 酰胺D 叔胺 一 选择判断题 季铵型生物碱分