АЛКАЛОИДЫ

Алкалоиды - это неоднородные по составу азотсодержащие органические соединения основного характера, обладающие сильным биологическим действием. В упрощенном варианте их можно рассматривать как сложные производные аммиака, у которого атомы водорода замещены радикалами:

R₂

|

R₁¾ N ¾ R₃

Ценность алкалоидов для медицины можно определить словами выдающегося фармакохимика прошлого века Е.А. Шацкого, сказавшего, что “... открытие алкалоидов ... имело для медицины почти такое же значение, как открытие железа для мировой культуры”.

Растения, содержащие алкалоиды, используются с незапамятных времен, однако их системное изучение началось с XIX века. В 1806 г. германский аптекарь Сертюрнер впервые выделил чистое вещество из высушенного млечного сока мака, показал его щелочные свойства и снотворное действие. Новое вещество было названо морфием в честь Морфея - бога сна греческой мифологии. Открытием Сертюрнера была показана принципиальная возможность получения из растений индивидуальных физиологически активных веществ.

Термин “алкалоид”, что в переводе с арабского означает “щелочеподобный”, был предложен в 1819 г. Мейснером.

С открытием алкалоидов началась новая эпоха в медицине и химии. В течение XIX века фармацевты и химики открыли ряд важнейших алкалоидов в давно известных растениях и изучили их свойства. Большой вклад в этот процесс внесли российские ученые. Так, в 1889 г. вышла первая монография, посвященная алкалоидам. Ее автор - магистр фармации Е.А. Шацкий. Основы качественного и количественного анализа алкалоидов в растениях были разработаны главным образом профессором Юрьевского университета Г. Драгендорфом в середине XIX столетия.

Особый расцвет отечественной науки в области изучения алкалоидов пришелся на 30 годы XX века и связан с именем академика А.П. Орехова, организовавшего в 1930 г. алкалоидный отдел ВНИХФИ. Достаточно сказать, что до 1950 г., т.е. за 20 лет, во всем мире было выявлено около 400 новых алкалоидов, в том числе в СССР - около 120. Активное исследование алкалоидов продолжается и в настоящее время.

На современном этапе развития фармакогнозии работа по исследованию алкалоидов проводится по следующим основным направлениям.

1. Изучение алкалоидоносной флоры. На территории СНГ произрастает около 21 000 высших растений. Из них на содержание алкалоидов исследовано меньше половины.

2. Установление природы и строения ранее неизвестных алкалоидов. В настоящее время выделено около 10 000 различных алкалоидов и только примерно для 4 500 определена химическая структура.

3. Изучение фармакологической активности алкалоидов и создание новых лекарственных препаратов. Из большого числа алкалоидов с известной химической структурой применение в медицинской практике нашли около 80 соединений.

4. Разработка и освоение технологии производства новых алкалоидных препаратов.

5. Осуществление ресурсных исследований и решение проблемы культивирования растений.

6. Выращивание культур тканей, продуцирующих алкалоиды.

Распространение в растительном мире и роль алкалоидов в растениях. Алкалоиды достаточно широко распространены в растительном мире, особенно среди покрытосеменных. Ими богаты семейства Papaveraceae, Solanaceae, Fabaceae, Ranunculaceae, Apocynaceae и др. В водорослях, грибах, мхах, папоротникообразных и голосеменных алкалоиды встречаются сравнительно редко.

В растениях алкалоиды находятся в виде солей органических и неорганических кислот в активно растущих тканях, эпидермальных и гиподермальных клетках, в обкладках сосудистых пучков и латексных ходах. Они растворены в клеточном соке, накапливаются в различных органах растений, причем разные части растения могут содержать различные алкалоиды. Обычно их концентрация в дикорастущих растениях невелика и составляет сотые и десятые доли процента. Растение, как правило, содержит не один, а несколько алкалоидов, например, катарантус розовый - более 60.

Биологические функции алкалоидов еще окончательно не выяснены. Есть данные об участии алкалоидов в окислительно-восстановительных реакциях: они способны образовывать перекиси, восстанавливающиеся с высвобождением активированного кислорода, который, в свою очередь, используется растением для фотосинтеза. Несомненна защитная функция алкалоидов.

В последнее время все больше предпочтение отдается их активной роли в обмене веществ как своеобразных стимуляторов и регуляторов биохимических процессов. Об этом свидетельствуют следующие факты.

Количественные и качественные изменения состава алкалоидов наблюдаются в течение всего периода вегетации. Как правило, они накапливаются в тех частях растения, которые наиболее важны на данном этапе развития растения, или необходимы для создания следующего поколения. Так, например, в ранний период роста стеблей и листьев алкалоиды содержатся в максимальном количестве в зеленой части растения, а в подземных органах и коре - в минимальном. В естественно отмерших частях растения алкалоидов практически не остается. По мере старения растения количество алкалоидов начинает постепенно уменьшаться в ранее образовавшихся частях (стеблях и листьях) и увеличиваться в зимующих органах, нужных для следующего поколения - в семенах и подземных частях.

Поскольку алкалоиды в своей структуре обязательно содержат азот, то алкалоиды считаются «… той формой, через которую идет превращение азотистых соединений в растениях, и в виде которой обезвреживаются или сохраняются азотистые продукты обмена веществ».

Следует отметить, что растения - не единственные источники алкалоидов. К алкалоидам относятся многие азотсодержащие продукты плесневых грибов и бактерий, известные как антибиотики, а также продукты жизнедеятельности некоторых видов животных.

Классификация алкалоидов.Большое количество алкалоидов и многообразие их химических структур, а также то, что у многих алкалоидов химическая структура не известна, не позволяет разработать четкую классификацию этих веществ по химическим признакам. Алкалоиды практически невозможно классифицировать и по биологическому действию, так как спектр проявляемой активности чрезвычайно широк.

Наиболее приемлемой является классификация, предложенная А.П. Ореховым, в основе которой лежит строение углеводородного скелета и расположение, и, следовательно, характер атома азота алкалоидов. По этим признакам они разделяют на следующие группы:

I. Гетероциклические алкалоиды;

II. Алкалоиды, производные фенилалкиламинов;

III. Алифатические (ациклические) алкалоиды;

IV. Алкалоиды стероидной структуры;

V. Алкалоиды дитерпеновой структуры;

VI. Алкалоиды не установленного строения.

Среди гетероциклических алкалоидов в зависимости от строения гетероцикла можно выделить следующие наиболее распространенные подгруппы веществ:

1. Производные пирролидина и пирролизидина;

2. Производные пиридина и пиперидина;

3. Алкалоиды с конденсированным пирролидиновым и пиперидиновым кольцами (тропановые алкалоиды);

4. Производные хинолизидина;

5. Производные хинолина и изохинолина;

6. Производные индола;

7. Производные пурина.

Пиррролидин Пиперидин Пиридин Пирролизидин Хинолизидин
Тропан	Хинолин Изохинолин	Пурин	Индол

Классификация алкалоидов по строению углеводородной цепи и строению гетероцикла, безусловно, удобна, но не отражает биогенетических связей среди этой группы биологически активных веществ.

Исследование путей биогенеза алкалоидов методом меченых атомов показали, что в большинстве случаев предшественниками алкалоидов являются аминокислоты. Это дало основание Р. Хегнауэру разделить все алкалоиды на три группы: истинные алкалоиды, протоалкалоиды и псевдоалкалоиды.

К истинным алкалоидам из вышеперечисленных групп относятся N-гетероциклические. Их предшественниками являются аминокислоты.

К протоалкалоидам относятся группы фенилалкиламинов и алифатических алкалоидов. Они не содержат N-гетероцикла, но их предшественниками также являются аминокислоты.

Псевдоалкалоиды представлены стероидной и дитерпеновой группой. Атом азота этих соединений не аминокислотной природы.

Биогенез алкалоидов Биогенез любых алкалоидов, предшественниками которых служат аминокислоты, протекает по одной и той же схеме, включающей реакции альдольной конденсации, декарбоксилирование и окислительное дезаминирование. В частности, биосинтез тропановых алкалоидов можно представить следующей упрощенной схемой (некоторые промежуточные продукты опущены).

 

Биогенез дитерпеновых алкалоидов протекает по изопреноидному пути через образование следующих ключевых соединений: ацетилкоэнзим А ® мевалоновая кислота ® изопентилпирофосфат ® геранилпирофосфат ® фарнезилпирофосфат ® геранилгераниолпирофосфат ® дитерпеноиды.

Биогенез стероидых алкалоидов также протекает по изопреноидному пути и отличается от предыдущего тем, что из двух молекул фарнезилпирофосфата образуется сквален, являющийся родоначальником соединений стероидной структуры (см. Биогенез терпеноидов).

Физико-химические свойства алкалоидов.Благодаря тому, что алкалоиды имеют в своем составе третичный либо четвертичный атом азота, они проявляют слабоосновные свойства и могут существовать в растворах в форме солей или в форме оснований в зависимости от условий среды.

В растениях алкалоиды находятся в виде легко диссоциирующих солей органических кислот - лимонной, щавелевой, янтарной, уксусной и др. Реже встречаются соли алкалоидов с неорганическими кислотами - серной и фосфорной.

Алкалоиды-соли представляют собой белые кристаллические вещества, растворимые в воде и, за редким исключением, практически не растворимы или мало растворимы в органических растворителях, за исключением спирта.

Большинство алкалоидов-оснований - твердые кристаллические соединения, бесцветные или слабо окрашенные в желто-бурый цвет, горькие на вкус. Алкалоиды-основания растворимы в органических растворителях (спирте, эфире, хлороформе и др.) и, как правило, не растворимы или мало растворимы в воде. Однако есть исключения и такие алкалоиды, как кофеин, кодеин, эфедрин, находясь в виде оснований, в воде растворимы.

Все алкалоиды оптически активны, имеют четко выраженную температуру плавления.

В лекарственных препаратах алкалоиды содержатся, как правило, в виде солей.

Выделение алкалоидов из растительного сырья.Из растительного сырья алкалоиды выделяют либо в виде солей, либо в виде оснований.

Процесс выделения алкалоидов в виде солей включает экстракцию сырья водой или спиртом, подкисленными винной, уксусной или хлороводородной кислотой. Подкисление производится для того, чтобы образовались соли, хорошо растворимые в этих растворителях. Кислый экстракт подщелачивают. При этом алкалоиды-соли переходят в форму оснований, легко экстрагирующуюся органическими растворителями. Сопутствующие же вещества остаются в водном или спиртовом экстракте. Далее органическую фазу подкисляют раствором соответствующей кислоты, тем самым снова переводят алкалоиды-основания в алкалоиды-соли, легко переходящие из гидрофобного растворителя в полярный.

Повторяя подобную операцию несколько раз, можно получить препарат, содержащий сумму алкалоидов в виде солей удовлетворительной степени чистоты.

Для выделения алкалоидов в виде оснований необходимо находящиеся в растениях алкалоиды-соли перевести в форму свободных оснований. Для этого растительный материал обрабатывают соответствующей щелочью с учетом свойств выделяемых алкалоидов. Так, если алкалоиды представляют собой сильные основания или они прочно связаны с сопутствующими соединениями, то нужно использовать сильную щелочь, например гидроксид натрия. В то же время едкий натр нельзя использовать для выделения алкалоидов, имеющих фенольные или спиртовые гидроксилы, так как образующиеся феноляты и алкоголяты алкалоидов повышают их растворимость в воде и уменьшают - в органическом растворителе. В этом случае для перевода алкалоида-соли в форму основания лучше воспользоваться раствором аммиака.

При выделении алкалоидов, имеющих в своем составе сложноэфирную группировку, во избежание ее гидролиза, также следует использовать слабое основание.

Нельзя применять сильные основания для выделения алкалоидов из сырья, богатого жирным маслом, например, из семян. В противном случае образуются мыла, которые, обладая свойствами детергента, ухудшат последующую экстракцию веществ органическим растворителем.

После перевода алкалоидов-солей в форму оснований их экстрагируют соответствующим органическим растворителем, в который переходят сумма алкалоидов-оснований и соэкстрагируемые вещества.

Для освобождения от примесей сумму алкалоидов подвергают переочистке: органическое извлечение обрабатывают раствором кислоты, при этом образующиеся соли алкалоидов переходят в водную фазу, а многие балластные - остаются в органической. Далее к водному извлечению добавляют щелочь и вновь образующиеся алкалоиды-основания либо выпадают в осадок, либо их можно экстрагировать органическим растворителем, после отгонки которого получают сухой остаток, содержащий сумму алкалоидов-оснований.

Следующим этапом после получения и очистки суммы алкалоидов следует ее разделение на индивидуальные компоненты или на группы алкалоидов, сходные по химической структуре и свойствам. Для достижения этой цели используются следующие принципы.

1. Разделение суммы алкалоидов на основании их сродства к различным органическим растворителям. Сухой остаток, содержащий алкалоиды-основания, последовательно обрабатывают органическими растворителями в порядке уменьшения их полярности. Например, этиловым спиртом - хлороформом - дихлорэтаном и т.д. Группы алкалоидов при этом будут переходить в экстрагент, к которому они имеют наибольшее сродство.

2. Разделение суммы алкалоидов по различной силе основности.Если к водному раствору алкалоидов-солей прибавить щелочь в количестве, недостаточном для перевода всех солей в основания, то в первую очередь в реакцию вступят алкалоиды со слабо выраженными основными свойствами, а более сильные основания останутся в растворе в виде солей. При обработке такого раствора органическим растворителем образовавшиеся алкалоиды-основания перейдут в органическую фазу, а соли останутся в водном слое. К водному слою повторно добавляют порцию щелочи и снова экстрагируют вновь образовавшиеся алкалоиды-основания.

Этим же принципом можно воспользоваться, обрабатывая сумму алкалоидов-оснований, полученную после отгонки органического растворителя, возрастающими порциями кислоты, начиная с явного ее недостатка.

3. Разделение алкалоидов путем получения солей или других производных.Этот принцип основан на том, что в некоторых случаях при обработке суммы алкалоидов каким либо реактивом в реакцию вступают не все алкалоиды смеси, а часть, или даже один из них. Например, так можно разделить фенольные и нефенольные алкалоиды. Можно разделить довольно сложную смесь алкалоидов путем получения различных солей (гидрохлориды, бромиды, оксалаты и др.) с последующей их перекристаллизацией.

4. Разделение суммы алкалоидов хроматографическими методами.Используется как для очистки, так и для разделения алкалоидов. Разделение основано на том, что разные алкалоиды имеют различную адсорбционную способность на сорбентах (ионообменных смолах, углях, природных глинах и т.д.). Десорбцию проводят подходящим растворителем или смесью растворителей. При этом получают несколько фракций, содержащих индивидуальные алкалоиды, или менее сложную смесь.

Качественный анализ сырья, содержащего алкалоиды.Качественные реакции на алкалоиды можно разделить на общие и групповые. Общие реакции основаны на том, что алкалоиды с некоторыми веществами способны образовывать нерастворимые в воде соединения. Наиболее часто для осаждения применяют растворы йодида калия, йодида ртути, висмута в йодиде калия, фосфорномолибденовой, фосфорновольфрамовой и пикриновой кислот, свежеприготовленный раствор танина и др.

Для проведения общеалкалоидных реакций обычно готовят кислотное извлечение.

Следует иметь в виду, что с общеалкалоидными реактивами положительную реакцию дают и некоторые другие группы органических соединений растительного происхождения, которые могут переходить в кислотное извлечение (белки, продукты их распада и др.). Поэтому, для получения более достоверных результатов реакции осаждения повторяют с очищенным извлечением.

К общеалкалоидным реактивам относятся: реактив Майера (раствор дихлорида ртути и йодида калия); реактив Вагнера и Бушарда (растворы йода в йодиде калия); реактив Драгендорфа (раствор нитрата висмута основного и йодида калия с добавлением уксусной кислоты); реактив Марме (раствор йодида кадмия и йодида калия).

Групповые реакции проводят, если необходимо установить присутствие группы алкалоидов, сходных по химической структуре. Это, как правило, цветные или микрокристаллоскопические реакции. Групповые реакции проводят с очищенной суммой алкалоидов.

Для цветных реакций применяют концентрированную серную кислоту, содержащую формалин (реактив Марки); концентрированную серную кислоту, содержащую молибдат аммония (реактив Фреде) и др.

Для более четкой идентификации используют реакции на отдельные функциональные группы. К числу таких реакций, в частности, относятся мурексидная проба на пуриновые алкалоиды, реакция Витали-Морена - на тропановые и т.д.

Широко используются микрокристаллоскопические реакции, особенно с пикриновой кислотой. В этом случае присутствие того или иного алкалоида определяют по форме образующихся кристаллов.

Из инструментальных физико-химических методов для идентификации алкалоидов используют УФ- и ИК-спектроскопию (многие алкалоиды имеют специфическое светопоглощение), а также люминисцентный анализ, основанный на способности некоторых алкалоидов в УФ-лучах давать характерное свечение.

Количественное определение алкалоидов.Весь процесс количественного определения алкалоидов в растительном сырье можно разделить на три основных этапа: 1. Извлечение алкалоидов из растительного сырья; 2. Очистка полученных извлечений и, если требуется по методике, выделение из полученной суммы индивидуальных соединений. 3. Определение содержания алкалоидов тем или иным приемом.

Пункты 1 и 2 в большинстве своем одинаковы для всех групп алкалоидов. Что касается третьего пункта, то в каждом случае подбирается оптимальный прием, поскольку алкалоиды имеют самое разнообразное химическое строение.

Среди методов количественного определения можно выделить гравиметрический способ,основанный на осаждении суммы алкалоидов пикриновой кислотой (или другими реагентами) и последующем взвешивании сухого остатка, доведенного до постоянной массы. Этим методом, в частности, пользуются для количественного определения скополамина в семенах дурмана индейского.

Титриметрический способ- основан на способности алкалоидов к солеобразованию и широко применяется для количественного определения тропановых алкалоидов.

Колориметрический- основан на способности алкалоидов образовывать стабильные окрашенные продукты реакции, интенсивность окраски которых прямо пропорциональна концентрации взаимодействующих веществ. Этим способом, в частности, определяют содержание платифиллина в траве крестовника плосколистного.

Спектрофотометрический метод- определяют алкалоиды, растворы которых имеют специфическое светопоглощение в УФ части спектра. Этим методом пользуются для определения содержания цитизина в траве термопсиса очередноцветкового.

Поскольку алкалоиды являются оптически активными соединениями, способны к окислительно-восстановительным реакциям, флуоресцируют в УФ, к ним применимы такие методы количественного определения, как поляриметрия, полярография и флуориметрия.