原创：天然产物中生物碱类化合物的研究

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一、生物碱类化合物介绍

1.生物碱的定义

生物碱是含负氧化态氮原子，存在于生物有机体中的非初级代谢产物的一类有机化合物。

负氧化态氮原子：排除硝基和亚硝基等含氮化合物。

非初级代谢产物：排除蛋白质，氨基酸、肽类、核酸、核苷酸、卟啉、维生素。

包含了麻黄碱，秋水仙碱这些有机胺类化合物。

生物碱应具备以下几个特点：

（1）结构中至少含一个氮原子。

（2）具有碱性、中性。

（3）氮原子源于氨基酸或嘌呤母核或甾体与萜类的氨基化。

2.生物碱的分布

（1）主要存在植物界，系统发育较低级类群分布较少。地衣、苔藓发现简单吲哚类生物碱。

（2）较集中分布于系统发育较高级的植物类群中。裸子植物、单子叶植物、双子叶植物。

（3）越是特殊类型生物碱，分布植物类群越窄。托品类生物碱、二萜生物碱、三萜生物碱。

（4）极少与萜类和挥发油成分共存于同一类植物。三尖杉属（二萜、生物碱）。

（5）含生物碱植物一般数种或数十种生物碱共存。同一植物中生物碱具有结构相似性。

（6）植物各个器官组织均有可能存在，某一植物最常富集在某一器官。麻黄碱：麻黄髓部、黄柏生物碱：树皮部分。

3.生物碱存在形式

（1）游离碱类。较少数以碱性积弱游离碱存在：那可丁。

（2）盐类。大多数以盐类形式存在。有机酸：枸橼酸、琥珀酸、酒石酸。无机酸：硫酸盐、盐酸盐（盐酸小檗碱）。

（3）酰胺类。喜树碱、秋水仙碱。

（4）N-氧化物类。原型与氧化物共存：苦参碱、氧化苦参碱。

（5）氮杂缩醛类。含氮杂缩醛体系，又称O,N-混合缩醛：阿替生。

（6）其他类。极少数以亚胺、烯胺、苷、酯、季铵盐形式存在。

4.生物碱的命名原则

（1）生物碱类型的命名

主要依据其基本骨架的化学结构，如吡啶、吡咯啶、喹啉、萜类也有依据源植物命名，如蒜科生物碱、茄科生物碱。

（2）生物碱单体成分的命名

生物碱单体较多以植物来源的属种的名词命名，如一叶萩碱、石杉碱；有的以生理活性或药效命名，如吗啡、吐根碱；极少数以人名命名，如石榴碱。

（3）生物简单体成分的外文命名

外文名由词干、前缀和后缀3部分构成。基本词干按上述2种法则进行，前缀常以epi-（表）、neo- （新）、pseudo-（伪)、iso-（异）等字冠首；后缀因不同语种而异。

5.生物碱理化性质

（1）生物碱性状

性状：多数结晶状态。少无定型粉末，烟碱、槟榔碱为液态。

味道：大多数苦味。甜菜碱甜味。

颜色：大多为无色。少数为不同颜色，（小檗碱黄色）。

挥发性：大多数无挥发性。麻黄碱挥发性、咖啡因升华性。

（2）旋光性

a.生物碱结构中手性碳原子或手性氮原子或生物碱本身有手性分子具有旋光性。手性氮原子：叔氮原子出于环中或桥头上，或氮原子上连有四个不同基团的季铵化合物。

b.旋光性受溶剂、PH、温度等因素影响发生变旋现象。麻黄碱氯仿中呈左旋光性、水中呈右旋光性。

c.生物碱生理活性与其旋光性有关（左旋体较右旋体生物活性较强）去甲乌药碱具有强心作用，右旋体无强心作用。

（3）溶解性

生物碱的溶解性是生物碱提取分离的主要依据，生物碱及其盐类在不同溶剂中的溶解度与结构中氮原子的存在状态、分子的大小、结构中功能团的种类和数目以及溶剂的性质等因素有关。

游离生物碱可根据溶解性分为亲脂性生物碱和亲水性生物碱两大类：

a.亲脂性生物碱（叔胺碱、季胺碱）的溶解性

易溶于：乙醚、苯、卤代烷。

可溶于：甲醇、乙醇、丙酮、醋酸乙酯。

b.亲水性生物碱（季胺碱、小分子叔胺碱）的溶解性

易溶于：水、酸水和碱水。

可溶于：甲醇、乙醇、正丁醇等极性大溶剂。

c.具有特殊结构的生物碱溶解性

具有N-氧化物结构，水中溶解度增大。

具有酚羟基（或羧基）的生物碱。含酚羟基生物碱溶解性类似于亲脂性生物碱，含羧基生物碱溶解性类似于水溶性生物碱。

具内脂生物碱，溶解度类似亲脂性生物碱，可溶于碱水，内脂或内酰胺结构开环形成羧酸盐溶 于水，加酸后又可环合析出。

成盐生物碱，易溶于水可溶于甲醇、乙醇 。生物碱盐在水中溶解度大小与成盐所用酸有关。一般情况下，无机酸盐水溶性大于有机酸盐的水溶性；无机酸盐中，含氧酸盐水溶性大于卤代酸盐。

（4）生物碱的检识

判断植物中是否含有生物碱，以及在生物碱提取分离过程中作为追踪提取分离完全与否，一般采用生物碱沉淀反应和显色反应。

a.沉淀反应：大多数生物碱在酸性条件下与试剂反应生成难溶于水的复盐或络合物而生成沉淀。        

反应原理：生物碱酸性条件下与沉淀试剂生成难溶于水的复盐或络盐

沉淀试剂：碘化物复盐、重金属盐、大分子酸类

反应条件：酸性水溶液、稀醇或脂溶性溶液，

结果判断：选用三种以上沉淀试剂直接对中药酸提液进行沉淀反应，阳性不能判定生物碱存在，阴性可判断无生物碱存在。

b.显色反应：某些生物碱单体能与一些浓无机酸为主的试剂反应呈不同颜色，这些试剂称为生物碱显色剂，用于检识和区别个别生物碱。

Marquis试剂（0.2ml的30%甲醛溶液与10ml浓硫酸溶液混合），吗啡反应为紫红色，可待因反应为蓝色。

Frohde试剂（1%钼酸钠或5%钼酸铵浓硫酸溶液颜色），吗啡反应为紫色渐变为棕绿色，小檗碱反应为棕绿色，利血平反应为黄色渐变为蓝色。

Mandelin试剂（1%钒酸铵的浓硫酸溶液），吗啡反应为蓝紫色，可待因反应为蓝色，阿托品反应为红色，奎宁反应为淡橙色。

二、生物碱的结构分类

按照植物来源：黄连生物碱、苦参生物碱、长春花生物碱。

按照化学结构进行分类：按照生物碱结构中氮原子存在的主要基本母核类型进行分类，如吡咯类生物碱、异喹啉类生物碱、托品类生物碱。

按照生源途径分类：按照生物碱生物合成前体物的来源。与生物碱合成有关的氨基酸主要有鸟氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸、色氨酸等。其本质是生物体在其自身存在酶参与下，所发生的C-N、C-C键的形成与裂解。

生源途径分类：

三、生物碱的提取与分离

1.生物碱的提取

生物碱是许多中药的有效成分，提取与纯化是生物碱制备的关键环节。

根据生物碱在植物体内的存在形式以及生物碱碱性的强弱、生物碱溶解度等不同性质选择不同的提取方法。

除少数生物碱可采用水蒸气蒸馏法（麻黄碱)和升华法（咖啡碱）提取外，绝大多数生物碱可采用溶剂提取法，提取总生物碱后再进一步分离。

提取方法：水或酸水提取法、醇类溶剂提取法、亲脂性有机溶剂提取法、水溶性生物碱的提取。

（1）水或酸水提取法

原理：生物碱盐类一般不溶于亲脂性有机溶剂而溶于水。

溶剂：水、酸水（无机酸水）。

方法、常温浸渍法、渗漉法（酸水提取）、煮法（水提取）。

优点：提取溶剂廉价易得。

应用：酸水渗漉法提取小檗碱、喜树碱、粉防己碱。

缺点：提取液体体积大、浓缩困难、水溶性杂质多。

（2）醇类溶剂提取法

存在形式：游离生物碱、盐。

溶剂：（酸性）甲醇、（酸性）乙醇。

方法：浸渍法、渗漉法、回流法。

优点：甲醇极性大，对植物组织穿透力强，溶出率高，沸点低，易回收。

应用：秋水仙碱。

缺点：甲醇毒性大，含有水溶性杂质。

除杂：浓缩醇提取-酸化-过滤-碱化-亲脂性有机溶剂萃取。

（3）亲脂性有机溶剂提取法

存在形式：游离生物碱。

溶剂：二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳、苯。

方法、浸渍法、连续回流、回流法。

优点：杂质少、易纯化。

应用：利血平、长春碱、士的宁、马钱子碱。

（4）总生物碱的提取

水溶性生物碱主要指季铵碱及一些具有羧基的生物碱

可溶于：水和醇，不溶于亲脂性有机溶剂。

方法：沉淀法、溶剂法、离子交换树脂法。

a.沉淀法 ：雷氏盐、柱色谱净化。

b.溶剂法：用极性较大又能与水分层的有机溶剂与含水性生物碱的碱水液反复萃取，使水溶性生物碱与强亲水性杂质得以分离。

c.离子交换树脂法:碱化后用三氯甲烷或乙醚提取、碱性乙醇洗脱、酸水或酸性乙醇洗脱。

2.生物碱的分离

用上述各方法得到的总生物碱，往往是多种生物碱的混合物。一般情况下，总生物碱中，各个生物碱常常母核相同，仅取代基团种类和位置不同。

同时还含有一些非生物碱类的化合物，需进一步分离。

通常利用总生物碱中各生物碱或其不同盐类的溶解度差异、碱度差异、极性差异或功能团差异进行分离。

分离方法:利用生物碱的碱性差异进行分离、利用溶解度差异进行分离、利用特殊官能团进行分离、基于色谱法的分离。

（1）利用生物碱的碱性差异进行分离

用PH梯度萃取：

a.总生物碱溶于酸水，逐步加碱PH由低到高，每调节一次PH，用三氯甲烷等有机溶剂萃取，各单体生物碱碱性由弱至强依次被萃取而分离。

b.总生物碱溶于三氯甲烷等亲脂性有机溶剂，以不同酸性缓冲液PH由高到低一次萃取，生物碱可由强到弱先后成盐被萃取而分离，分别碱化后以有机溶剂萃取。

（2）利用溶解度差异进行分离

a.利用游离生物碱的溶解度差异进行分离：粉防己碱。

b.利用生物碱盐的溶解度差异进行分离：麻黄碱，为麻黄碱。

（3）利用生物碱的特殊功能基进行分离

功能基：酚羟基、羧基、内酰胺键、内酯结构。      依据：可逆性化学反应。

a.酚羟基生物碱：有机溶剂溶解-稀氢氧化钠溶液萃取-酚性生物碱部。

b.羧基生物碱：有机溶剂溶解-碳酸氢钠溶液萃取-酸性生物碱部。

c.内酰胺或内酯生物碱：碱水溶解-加热皂化-水解开环-溶于水羧酸盐（与不溶于热碱水的生物碱分离）水层加酸-环合成原生物碱。 

（4）利用色谱法分离

a.离子交换树脂

原理：生物碱阳离子与树脂阳离子发生交换。

步骤：生物碱交换-碱化树脂-有机溶剂洗脱。

b.吸附色谱法

原理：生物碱极性差异。

吸附剂：硅胶、氧化铝。

洗脱剂：亲脂性溶剂。

c.分配色谱法

吸附色谱分离生物碱效果不佳时，可采用分配色谱法分离。

3.生物碱的纯化

（1）中低压制备

中低压制备是利用色谱的原理，在此基础上进行加压、加大洗脱剂的流速，从混合物中分离出相对纯净的单组份物质。

（2）高压制备

a.在进行梯度设置时，根据产品的性质，注意洗脱剂体积量、产品洗出时间、柱子的压力等  参数，综合考虑。

b.在洗脱的时候，去除前后杂，分段有选择的进行切峰、检测，得到需要的纯度的化合物，再进行蒸馏，收集产品。

c.将收集物进一步的处理后，进行分析总结，是否需要进一步的纯化。

四、生物碱的结构鉴定

1、生物碱的结构测定

（1）生物碱的薄层色谱检识。

（2）高效液相色谱。

（3）经典的化学方法（霍夫曼降解、埃坶特降解、布朗降解）。

（4）波谱分析。

2、生物碱的结构测定四大光谱：UV光谱、IR光谱、NMR光谱、MS谱

（1）波谱分析原理

紫外可见吸收光谱（UV）是指有机化合物吸收紫外光（200-400nm）或者可见光（400-800nm）后，发生电子跃迁而形成的光谱。

红外光谱（IR）是以连续波长的红外线为光源照射样品后测得的吸收光谱。主要用于羟基、羧基、苯环、双键等官能团的确认。

核磁共振谱（NMR）是有机化合物在外加磁场中受到一定的频率的电磁波照射后，有磁矩的原子核吸收一定的能量而产生能级跃迁而发生核磁共振。

质谱（MS）是利用分子被离子化后在电场与磁场的共同作用下进入收集器而被记录到的分子离子及碎片的质量和强度信息。

（2）波普分析在生物碱结构测定的应用

a.紫外-可见吸收光谱

生物碱结构中具有紫外-可见光吸收的共轭体系，其共轭系统的组成以及共轭体系中的助色团色种类、位置和数量对紫外-吸收光谱都产生明显的影响，因此用于鉴定它们基本母核的类型有一定意义。

b.红外光谱

生物碱红外光谱主要用于识别化合物结构中的功能基，或用于已知化合物对照鉴定，对某些生物碱骨架的立体构型、功能基的位置及构型的确定有一定帮助。

c.质谱

难于裂解或由其取代基或侧链的裂解产生特征离子、主要裂解受氮原子支配、主要由RNA裂解产生特征离子、主要由苄基裂解产生特征离子。

d.核磁共振谱

是生物碱结构测定最强有力的工具。氢谱可提供有关功能基和立体化学的许多信息，碳谱和各种2D-NMR谱所提供的结构信息是其他光谱法无法比拟的。

3、结构鉴定主要程序

（1）初步判断化合物类型

（2）测定分子式，计算不饱和度

（3）推断分子中含有的官能团、结构判断、基本骨架

（4）推断并确定分子的平面结构及立体结构