天然药物化学讲稿：第九章生物碱

　 第 七章 章 生物碱 (Alkaloids) 目的要求：

　1．掌握生物碱的含义、分布及存在形式。

　2．了解生物碱的生源关系，熟悉主要生物碱的结构类型。

　3．掌握生物碱的理化性质、显色反应、检识方法及 C—N 键裂解反应。

　4．掌握生物碱的一般提取、分离方法。

　5．了解生物碱的结构鉴定与测定方法。

　第一节

　 概述

　生物碱是一类十分重要的天然有机化合物，也是一类研究得最早的有生物活性的天然化合物。自 1806 年德国学者从鸦片中分出吗啡碱，迄今已有 1 万多种生物碱。生物碱广布植物界，许多重要中药中含生物碱：麻黄，汉防己，延胡索，苦参，洋金花，乌头等主要含生物碱。生物碱有多种多样的生物活性。附录中列出 46 种药用生物碱的来源，作用与用途。生物碱又是天然有机化学的重要研究领域之一。

　一、生物碱定义：

　生物碱的定义至今尚无一个令人满意的表述。随生物碱研究的深入，其定义的严格性伴随新的限制。生物碱定义应包括以下几点：

　①含 N 的有机化合物（不包括低分子胺类—甲胺，乙胺，氨基酸，氨基糖，维生素等）。

　②具碱的性质且能和酸成盐。

　③多数具有复杂的氮杂环（少数 N 原子在环外）。

　④多数具强的生物活性。

　多数教材定义为：生物碱是指一类来源于生物界（以植物为主）的含氮的有机物，多数生物碱分子具有较复杂的环状结构，且氮原子在环状结构内，大多呈碱性，一般具有生物活性。

　 含氮的有机化合物有很多，但低分子胺类（如甲胺、乙胺等）、非环甜菜因类、氨基酸、氨基糖、肽类（肽类生物碱除外）、蛋白质、核酸、核苷酸、卟啉类、维生素类等。

　 比较确切的表述：生物碱是含负氧化态氮原子、存在于生物体中的环状化合物。

　 负氧化态氮：包括胺（-3）、氮氧化物（-1）、酰胺（-3）；排除含硝基（+3）、亚硝基（+1）的化合物。

　 环状结构：排除了小分子的胺类、非环的多胺和酰胺。（实际上有些非环的胺类或酰胺是属于生物碱范畴的，如麻黄碱）

　三、生物碱在植物体中的积累和储藏

　生物碱主要分布于植物界,在动物中发现得很少。在高等植物尤其在双子叶植 物 中 分 布 为 广 ：

　① 在 双 子 叶 植 物 的 小 檗 科 (Berberidaceae) ， 毛 茛 科(Rununcu-laceae)，木兰科(Magnoliaceae)，防己科(Menisperma-ceae)，罂粟科(Papaveraceae)，芸香科(Rutaceae)等植物中广为分布；②裸子植物中，在红豆杉科红豆杉属(Taxus)，松柏科松属(Pinus)，云杉属(Picia)，三尖杉科三尖杉属Cepha-lotaxus)，麻黄科麻黄属(Ephedra)等属植物中有分布；少数单子叶植物如石蒜科，百部科(Stemonaceae)，百合科(Liliaceae)等植物中有分布。在低等植物中，生物碱分布少，而且结构一般为简单。生物碱在生物体中 的存在部位和含量往往差别很大，一般来说，含量在千分之一以上即为高含量。

　1. 生物碱的代谢分为积累、转移、储藏三个阶段，不同阶段是在植物的不同细胞内进行的；

　2. 生物碱的积累主要在生长活跃的组织如子房、心皮等；

　3. 生物碱的储藏主要是在液泡细胞、乳汁管细胞中进行；因此，不同植物中生物碱存在的部位不同；

　4. 生物碱在转移阶段往往发生许多甲基化、氧化、去甲基化等次级结构修饰 积累和储藏的结果：

　(1)同种植物中往往含有多种结构类型相同的生物碱；

　(2)同属植物中往往含有多种结构类型相同的生物碱；

　(3)同种植物中，生物碱的有无或含量受生长条件与气候等因素的影响 四、生物碱的存在形式

　1.游离碱

　（1）游离碱—碱性极弱的生物碱（秋水仙碱，吲哚类生物碱）。

　 （2）盐类（大多数生物碱在植物中与酸结合成盐存在，盐酸、草酸、硫酸、酒石酸、苹果酸等）

　（3）酯或苷（极少数）

　（4）N-氧化物 （5）氮杂缩醛类 （6）其它如亚胺、烯胺等。

　2.盐类 有机酸：草酸、柠檬酸

　无机酸：硫酸、盐酸、硝酸

　在植物体内，除以酰胺形式存在的生物碱外，少数碱性极弱的生物碱以游离的形式存在，绝大多数以盐的形式存在；个别生物碱则以氮氧化物的形式存在，如氧化苦参碱。

　 第二节

　生物 碱生物合成的基本原理

　1.Schiff base 的形成 2.Mannish reation 3.酚氧化偶连（oxidative

　coupling of

　phenols）

　(1)酚自由基的形成 (2)自由基偶连形成：邻－邻偶连、邻－对偶连、对－对偶连 (3) 再芳香化 ①烯醇化－再芳香化 ②C－C 键迁移－再芳香化 ③C－C 键裂解－再芳香化 4.亚胺盐次级环合反应 第三节 生物碱的分类、生源及其分布 生物碱分类主要有三种方法：

　（1）来源分类

　（2）化学分类

　（3）生源结合化学分类

　 分类依据不同，各有利弊。不过，目前似乎以后一种分类方法为主。

　生源结合化学分类：

　一、来源于鸟氨酸的生物碱

　 二、来源于赖氨酸的生物碱

　三、来源于苯丙氨酸/酪氨酸的生物碱

　(一)苯丙胺类

　(二)四氢异喹啉类 (三)苄基四氢异喹啉类 1.生源 (四)苯乙基四氢异喹啉类 (五)苄基苯乙胺类 (六)吐根碱类 五、来源于色氨酸的生物碱 托品类(Tropanes)东莨菪碱(Scopolamine)NOOHO C CHOOHPh吡咯类（Pyrrolines)红古豆碱(Cuskohygrine)NNOCH 3CH 3(Securinine)一叶 碱NOOHH哌啶类(Piperidines)胡椒碱(Piperine)NOOO邻氨基苯甲酸冉特可林酮NH 2OHONO OHOH哌劳亭(Pellotine)四氢异喹啉类NHCH 3 OCH 3 OOH CH 3麻黄碱(Ephedrine)苯丙胺类HO CH 3PhHH NHCH 3

　 (一)simple indoles：色胺 (二)simple β－carbolines：harmanine

　(四)单萜吲哚类 1.单萜吲哚类 (1)柯南因－士的宁类 (2)白坚木碱类 (3)依波加明碱类 2.双吲哚类生物碱：由两分子单萜吲哚类经分子间缩合而成 3.与单萜吲哚类碱有关的生物碱 (1)阿巴利生类和乌勒因类：与柯南因－士的宁类比较，色胺部分少 1 或 2 个碳原子 (2)喜树碱类：与柯南因－士的宁类比较，C2－

　 C7 键裂解成 B－高－C－去甲体系 (3)金鸡宁类：与柯南因－士的宁类比较，色胺部分成喹啉核结构 六、来源于萜类的生物碱 （一）单萜类生物碱

　（二）倍萜类生物碱

　（三）二萜类生物碱

　七、来源于甾体的生物碱

　R=NNR"MeOHCOOMeOAcOHNHOHCO 2 MeR长春碱(Vinblastine, VLB),

　R"=Ch3长春新碱(Vincristine, VCR), R"=CHO紫杉醇(Taxol)关附甲素(guanfu base A)OOOHOAcOHHOBz OAcOPhOHNHBzONOHHOAcOOAc二萜

　 (一)孕甾烷生物碱（C21）

　(二)环孕甾烷生物碱（C24）

　（三）胆甾烷生物碱（C27）

　1.胆甾烷类

　2.异胆甾烷类 第四节

　生物碱的理化性质 一、物理性质

　多为无色晶体，少数为液体（烟碱，毒芹碱），个别有挥发性（麻黄碱，槟榔碱）；升华性（咖啡因）；多具苦味（盐酸小檗碱）；多数无色，少数具高度共轭体系的有颜色，小檗碱（黄色），蛇根碱（黄色），小檗红碱（红色）。

　1. 组成：一般由 C、H、O、N 四种元素组成，少数含有 Cl、S 等；

　2. 状态：一般为固体，少数为液体。

　（1）液体生物碱一般不含氧元素；

　（2）液体生物碱可随水蒸气蒸馏；

　（3）固体一般为结晶形，有些为无定形粉未；

　3.味道：多具苦味，有些极苦；

　4.颜色：多数呈无色，少数有颜色 5.熔点：多数具确定的熔点，少数具双熔点；

　6.旋光性：具手性碳的分子，有旋光性（小檗碱，罂粟碱无）；旋光受 pH 和溶剂影响，烟碱（中性-l，酸性-d），麻黄碱（氯仿-l，水中-d）；生理活性与旋光有密切关系，左旋-有显著生理活性，右旋-无或很弱，l-莨菪碱散瞳作用大于 d-莨菪碱，去甲乌药碱仅 l-体有强心作用，d-古柯碱的局麻作用大于 l-古柯碱。

　7.溶解度：

　游离碱及其盐类溶解度与N的存在形式,有无和有几个极性基团,以及溶剂等有关。N 原子存在形式：仲胺，叔胺具亲脂性，溶有机溶剂；季铵碱（小檗碱，益母草碱甲），N-氧化物（氧化苦参碱）-溶于水。液体生物碱（烟碱）溶于水。具酸性基团（酚 OH，COOH）（两性生物碱）（药根碱）--溶于稀碱水，生物碱盐易溶于水（盐酸小檗碱难溶于水）。

　（1）绝大多数仲胺和叔胺生物碱游离碱具亲脂性；

　 （2）绝大多数生物碱盐具亲水性；

　（3）季铵生物碱具亲水性；

　（4）具酚羟基、羧基等酸性基因的生物碱具酸碱两性；

　（5）具内酯基的生物碱，遇碱开环，遇酸又闭环；

　（6）有些生物碱或生物碱盐具有特殊的溶解性质 二、生物碱的检识 1.生物碱的沉淀反应

　在生物碱的预试，提取分离和结构鉴定中，常需要一种简便的检识方法。最常用的是生物碱的沉淀反应与显色反应。沉淀反应是生物碱在酸性条件下，与沉淀试剂生成不溶性复盐沉淀。

　(1)常见的沉淀剂

　•碘化铋钾：Dragendorff’s

　reagent

　•碘－碘化钾试剂

　•碘化汞钾试剂

　•硅钨酸试剂

　(2)沉淀反应条件:

　①酸性水溶液中（碱性-试剂沉淀；稀醇或脂溶性-沉淀溶解）

　②不能过量-沉淀溶解。

　 沉淀反应阳性结果的判断:

　 一般需选用三种以上的沉淀试剂进行反应，如均有沉淀反应，可判断为阳性结果。因为中药中某些非生物碱物质也能与沉淀试剂产生沉淀反应，如蛋白质、多肽、鞣质等，因此在制备供试品溶液时，须净化处理除去这些物质，避免其干扰而导致错误结论。

　生物碱沉淀反应的应用：

　① 检识反应--是否存在生物碱 ② 指导生物碱的提取分离--作为追踪手段了解其是否提取完全 ③ 分离纯化--如雷氏铵盐常用于分离纯化季铵型水溶性生物碱 ④ 薄层或纸层色谱的显色剂--改良碘化铋钾 2. 生物碱的显色反应 浓硫酸，浓硝酸，和浓盐酸可使不同的生物碱显不同的颜色。

　 三、生物碱的化学性质和反应 （一）碱性

　因分子中氮原子上的孤电子对能接受质子而显碱性。

　碱性强度表示：酸式离解指数 pKa，碱式离解指数 pKb；pKa 越大，碱性越强。pKa=14-pKb。

　 碱性强度与 pKa 的关系：

　pK a

　12~14 强碱

　7~12 中强碱

　 2~7 弱碱

　<2 极弱碱 碱性基团的 pKa 值大小顺序：

　胍基>季铵碱>脂肪胺基>芳杂环（吡啶）>酰胺基 1.碱性的产生及其强度表示 (一）碱性

　 碱性越强，其 Kb 越大，PKb 越小，其共轭酸 Pka 越大；即 Pka 越大，碱性越强；

　•Pka<2

　极弱碱； •Pka=2～7 弱碱； •Pka=7～12 中强碱； •Pka>12

　强碱；

　•胍基>季胺碱>脂肪胺基>缺电子芳杂环(吡啶)>酰胺基>富电子芳杂环(吡咯) 2.碱性与分子结构的关系：

　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形成等有关。

　(1)氮原子的杂化度 ：生物碱分子中氮原子孤电子对处于杂化轨道中，其碱性强度随杂化度升高而增强，即 sp3>sp2>sp。

　(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、醚键、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，如：碱性强弱次序是：二甲胺（pKa10.70）> 甲胺（pKa10.64）> 氨（pKa9.75）(显然，甲基的供电性使二甲胺碱性稍强些。) (a)吸电性基团取代，碱性减弱；

　 供电性基团取代，碱性增强；

　 如：二甲胺(Pka10.70)>甲胺(Pka10.64)>氨(Pka9.75) (b)氮杂缩醛(酮)生物碱的碱性:

　 氮原子不处在桥头；强碱性；

　 氮原子处在桥头；碱性相对较弱 (3)场效应:场效应通过空间直接作用，又称为直接效应 生物碱分子如同时含有 2 个氮原子时，即使其处境完全相同，碱度总是有差异的。一旦第一个氮原子质子化后，就产生一个强的吸电基团 _+ NHR 2

　，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，且随碳链增长而渐降低。后者通过空间直接作用--直接效应。二者统称为诱导-场效应。如：烟碱。

　若此时强的吸电基和第二个氮原子在空间上接近时，则直接效应对其碱度的影响就更显著。若空间上相距较远，彼此受诱导-场效应的影响较小。

　 (4)共轭效应：若生物碱分子中氮原子孤电子对成 p-p 共轭体系时，通常情况下，其碱性较弱。生物碱中常见的 p-p 共轭效应主要有三种类型：苯胺型、烯胺型和酰胺型。

　①苯胺型：苯胺氮原子上孤电子对与苯环 p-电子成 p-p 共轭体系，碱性（pKa4.58）比相应的环己胺（pKa10.14）弱的多。

　②烯胺型：通常烯胺化合物存在以下平衡。

　氮原子不处在桥头；强碱性； 氮原子处在桥头；碱性相对较弱 ③酰胺型: 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-p 共轭效应，其碱性很弱。

　注意：氮孤电子对和共轭体系中 p 电子产生 p-p 共轭的立体条件必须是二者的 p-电子轴共平面。否则，这种共轭效应减弱或消失，都将使碱性增强。

　(5)空间效应 尽管质子的体积较小，但 N 原子质子化时，仍受到立体效应的影响，使碱性增强或减弱。东莨菪碱分子中，三元氧环的存在，对 N 原子产生立体效应，

　 不宜接受质子，碱性减弱。苦参碱有较强碱性，N16 呈酰胺状态，几无碱性，N1 叔胺，三价结在环上，立体形象便于接受质子，碱性强。

　 若能形成稳定的分子内氢键，则使碱性增强。

　对具体化合物，上述几种影响生物碱碱性强度的因素，必须综合考察。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。此外，除分子结构本身影响生物碱的碱性强度外，外界因素如溶剂、温度等也可影响其碱性强度。

　（二）成盐

　绝大多数生物碱可与酸形成盐类。对质子化来说，仲胺、叔胺生物碱成盐时，质子多结合于氮原子上。但是，对以季胺碱、氮杂缩醛、烯胺以及具有涉及氮原子的跨环效应形式存在的生物碱，质子化则往往并非发生在氮原子上。

　1. 季铵生物碱的成盐：季胺生物碱与酸成盐时，质子与 OH-结合成水。

　通常，盐类与碱又复成季胺碱，但对以亚胺盐形式如小檗碱类和苯菲啶类等形式存在的季铵盐，其在酸碱溶液中存在的形式比较特殊：在碱水溶液中，以氮杂缩醛形式存在。在酸性溶液中，则以季铵盐的形式为主。

　2. 氮杂缩醛(酮)生物碱的成盐：

　这类生物碱与酸作用成亚胺盐，质子与烷氧基结合成醇或水。

　3. 涉及氮原子跨环效应生物碱的成盐：若生物碱分子中氮孤电子对空间上靠近酮基时，则多产生...