第九章生物碱.ppt

1、 3.1 3.1 概论概论 3.2 3.2 生物碱的生物合成生物碱的生物合成 3.3 3.3 生物碱的分类、生源关系及分布生物碱的分类、生源关系及分布 3.4 3.4 生物碱的理化性质生物碱的理化性质 3.5 3.5 生物碱的提取和分离生物碱的提取和分离 3.6 3.6 生物碱的结构签定与测定生物碱的结构签定与测定 练习题练习题 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:

2、 何谓生物碱？ 2、生物碱是含负氧化态氮原子负氧化态氮原子、存在于 生物有机体中的环状化合物环状化合物。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 (aristolochic acid)等。 绝大多数生物碱的英文名称均以-ine结尾。 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。 生物合成的研究

3、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。 3.3.1 生物碱的分类生物碱的分类 3.3.2 生物碱的生源关系生物碱的生源关系 3.3.3 生物碱的分布生物碱的分布 生物碱的分类主要有3种方法：

4、（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生源关系结合化学结构类别分类 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. simple indoles alkaloids: b. simple -carbolines alkaloids c. semiterprenoid indoles alkaloids：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. monoterpenoid indoles alkaloids: 本类是最 重要的来源于色氨酸的生物碱，已发

5、现1100 多种。 a. monoterpenoid alkaloids b. sesqueterpenoid alkaloids: 如dendrobine等。 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。 （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。 （1）游离碱游离碱 （2）盐类盐类 （3）酰胺类 （4）n-氧化物 （5）

6、亚胺（c=n） （6）烯胺等 3.4.1 性状性状 3.4.2 旋光性旋光性 3.4.3 溶解度溶解度 3.4.4 生物碱的检识生物碱的检识 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 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。 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

7、，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。 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，但其盐游离生物碱为脂溶性，但其盐 类为水溶性类为水溶性。 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 (dragendorffs re

8、agent)、改良的碘化铋钾试剂、碘-碘 化钾试剂（wagners reagent）、碘化汞钾试剂 （mayers reagent）和硅钨酸试剂（bertrads reagent）。 (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？ 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 3.4.5.1 碱性碱性 3.4.5.2 3.4.5.2 成盐成盐 3.4.5.3 3.4.5.3 涉及氮原子的氧化涉及氮原子的氧化 3.4.5.4 c-n3.4

9、.5.4 c-n键裂解键裂解 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？影响生物碱碱性强弱的因素主要有哪些？ 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 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

10、内氢键等有关。 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（ pka 5.17）和异喹啉(pka5.4)(sp2)碱性较 弱，2-甲基-甲基吡咯（sp3 ）碱性较强（ pka 10.26）。异喹啉（sp2）杂化成四氢异喹啉 （sp3）后，碱性增强（ pka 9.5）。季氨碱 （如小檗碱）因羟基以负离子形式存在而显 强碱性（ pka 11.5） 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：二甲二甲 胺（胺（

11、 pka 10.70）甲胺（甲胺（ pka 10.64）氨氨 (pka9.75)。如：可卡因(pka 8.31)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。 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。 若生物碱分子中氮原子孤电子对成

12、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 c. 酰胺酰胺型：型： 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（ pka 9.30）碱性弱于麻黄碱（ pka 9.56）, 原因 是甲基的空间位阻。 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，空间效空间效 应和诱导效应共存时，前者居于主导地位。应和诱导效应共存时，前

13、者居于主导地位。 诱导效应和共轭效应共存时，往往后者的诱导效应和共轭效应共存时，往往后者的 影响为大。影响为大。 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。 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（hofmann degradation

14、, emde裂解和von braun三级胺降 解）等可参阅教科书有关内容。 3.5.1 提取 3.5.1.1 酸水提取法酸水提取法: 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与水不相混溶的有机溶剂提取法 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） 天然药物 h+/h2o 药渣 alk oh-/h2o h+/h2o oh- 弱碱及杂质 亲水性alk 3.5.1.1. 3.5.1.1. 酸水提取法酸水提取法 此法缺点： 提取液体积较大（浓缩困难） 提取液中水

15、溶性杂质多 解决方法： （1）离子交换树脂法 （2）沉淀法 （1）离子交换树脂法 rso3h nhrso3nhh nh4oh rso3nh4noh2 + - + + + + + - + 氢离子型阳 生物碱盐 阳离子交换 树脂的铵盐 游离生物碱 oh-如： 有机溶剂提取 alk 离子交换树脂 （2）沉淀法 酸提碱沉法 适用于碱性弱的生物碱 天然药物天然药物 沉 淀h2o h+/h2o提取；加碱碱化 水溶性alk、杂质不溶或难溶性alk （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 （2）沉淀法 雷氏铵盐沉淀

16、法适用于季铵碱 b+ nh4cr(nh3)2(scn)4 (bcr(nh3)2(scn)4) ag2so4 b2so4 + agcr(nh3)2(scn)4 bacl2 baso4+ b . cl 水溶液水溶液沉淀沉淀(雷氏复盐雷氏复盐) 雷氏铵盐沉淀雷氏铵盐沉淀 沉沉 淀淀滤滤 液液 滤液滤液 (b2so4) 硫酸钡沉淀硫酸钡沉淀季铵碱的盐酸盐季铵碱的盐酸盐 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） 2.醇类溶剂提取法 天然药物天然药物 h+ / h2o 药 渣醇 液 oh-/h2o 醇或酸性醇 回收醇；加酸水 碱

17、性较弱的碱碱性较弱的碱 亲水性亲水性alk chcl3液 沉 淀 alk oh-/h2o，chcl3提取 3.5.1.3 与水不相混溶的有机溶剂提取法 天然药物天然药物 残残 渣渣 chcl3 chcl3h+/h2o 碱化（如碱化（如nh4oh）（使）（使alk游离）游离） 渗滤（或浸渍）（如渗滤（或浸渍）（如chcl3等）等） h+/h2o oh-/h2o alk沉淀沉淀 亲水性亲水性alk 碱性较弱的碱性较弱的alk 3.5.2 分离 溶解性重结晶法 碱性强弱ph梯度萃取 色谱法 3.5.2 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

18、 指酸碱性强弱 部位 指极性不同 依据alk的理化性质 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？ 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 ph no. 1 2 3 4 5 6 7 8 低 高 2. alk碱性不同ph梯度萃取法 （1）确定ph值的方法 ph no. 1 2 3 4 5 6 7 8 ab chcl3+ 低 高 2.alk碱性不同ph梯度萃取法 （1）确定ph

19、值的方法 ph no. 1 2 3 4 5 6 7 8 ab chcl3+ 低 高 选择最佳ph的缓冲溶液进行萃取选择最佳ph的缓冲溶液进行萃取 碱性碱性 b a 2. alk碱性不同ph梯度萃取法 （1）确定ph值的方法 ph no. 1 2 3 4 5 6 7 8 ab chcl3+ 低 高 该化合物具有何特性？该化合物具有何特性？两两性性化化合合物物 2. alk碱性不同ph梯度萃取法 （1）确定ph值的方法 总碱总碱 chcl3 a b b c c ph ph ph 高高 中中 低低 碱碱性性大大小小 a b c 2. alk碱性不同ph梯度萃取法 （1）确定ph值的方法 利用pka值

20、来确定ph值 pka与ph关系： nnh + h oh - + 非解离型解离型 n nh n nh ka = h3o + + = h3o + + . 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 n nh pka = ph - lg + 游离碱的浓度 盐的浓度 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 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 k1 k2 = 值大，则易分离 （k1 k2） k = 1 r rf 1 - rf r -纸

21、层析定数 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 k = 1 2 rf 1 - rf k1 k2 = rf1 (1 - rf1) = rf2 (1 - rf2) 100 1次萃取可达90%以上 10 萃取需1012次 2 需1000次以上萃取（ccd法） 1 不能分离 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=1.3 k2=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。 r = v v org h2o v-溶剂体积 r = k1k2 . 1 3. 色谱法 吸附剂：柱色

22、谱法常用氧化铝氧化铝（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： -cooh ar-oh r-oh -cho r=o -coor r-o-r c=c c-c 提取分离实例长春碱与长春新碱 n h n oh h coome n n ocome h r meo coomeoh r= - ch3 r= - cho 长春碱 醛基长春碱 长春花全草长春花全草 (干粉80目) 苯渗漉液苯渗漉液药药 渣渣 苯苯 液液 h+/h2o 苯渗漉 ph=4 6%酒石酸水溶液萃取 过滤，氨水碱化至 ph=67，chcl3提取

23、 除水杂除水杂 除脂杂除脂杂 除碱性较强的成分除碱性较强的成分 h2o层层chcl3提取液提取液 弱碱性alk alk硫酸盐硫酸盐 回收氯仿，蒸干 强碱性alk 溶于无水乙醇 h2so4调ph=3.84.1 alk沉淀 溶于h2o，氨水碱化至 ph=89 chcl3萃取 除脂杂 除水杂 精精 制制 h2o层层chcl3层层 游离游离alk 长春碱长春碱醛基长春碱醛基长春碱 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 3.6.1 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

24、色谱法 2.纸色谱法 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。 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：特点：m+或或m+-1多为基峰或强峰。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 2. 主要裂解受氮原子支配 主要裂解方式是以氮

25、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。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. 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。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： 轮环藤酚碱（cyclanoline）的裂解过程

26、 n meo oh oh me ome n meo ohme oh ome -ch2 -ch3 nh meo oh oh o + m/e 342 + + m/e 192 m/e 150 + + m/e 178m/e 135 4. 主要由苄基裂解产生特征离子 特点：同特点：同3。即裂解后产生一对强的互补离。即裂解后产生一对强的互补离 子。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。 1-苯甲基-四氢异喹啉类型的生物碱的裂解： nh oh oh meo nh meo oh

27、+ + m/e 285 (m ) + m/e 178 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 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= 83 b. ph= 68 c. ph= 814 d. ph= 38 生物碱的盐若从酸水中游离出来，ph应为（ ） a. ph pka c. 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 季铵型生物碱分离常用( )。 a. 水蒸汽蒸馏法 b. 雷氏铵盐法 c. 升华法 d. 聚酰胺色谱法 生物碱沉淀反应是利用

28、大多数生物碱在( )条件 下，与某些沉淀试剂反应生成不溶性复盐或络合物 沉淀。 a. 酸性水溶液 b. 碱性水溶液 c. 中性水溶液 d. 亲脂性有机溶剂 将混合生物碱溶于有机溶剂中，以酸液ph由大小 顺次萃取，可依次萃取出( )。 a.碱性由强弱的生物碱 b.碱性由弱强的生物碱 c.极性由弱强的生物碱 d.极性由强弱的生物碱 生物碱的碱性强弱可与下列( )情况有关。 a.生物碱中n原子具有各种杂化状态 b.生物碱中n原子处于不同的化学环境 c.以上两者均有关 d.以上两者均无关 ph梯度萃取法分离生物碱时，生物碱在酸水层，应 顺次调ph（ ）用氯仿萃取。 a. ph=38；b. ph=813；c. ph=17 d.ph=71 对生物碱进行分离常用的吸附剂为( )。 a.活性炭 b.硅胶 c.葡聚糖凝胶 d.碱性氧化铝 自然界所发现的生物碱都是氨基酸的代谢产物。 季铵型生物碱可溶于水，它是各类生物碱中碱性 最强的一类生物碱。 阴离子交换树脂适用于分离生物碱类