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1、第四节 生物碱的理化性质,（一）性状 1形态：多数生物碱呈结晶形固体，有些为非晶形粉末状；少数生物碱为液体状态，这类生物碱分子中多无氧原子，或氧原子结合为酯键，个别生物碱具有挥发性，如麻黄碱；极少数生物碱具有升华性，如咖啡因。 2味道：大多数生物碱具苦味，少数生物碱具有其它味道，如甜菜碱为甜味。 3 颜色：绝大多数生物碱无色，仅少数具有较长共轭体系结构的生物碱呈不同的颜色。如小檗碱和蛇根碱显黄色，小檗红碱显红色。,（二）旋光性,凡是具有手性碳原子或本身为手性分子的生物碱，则具有旋光性。反之则无，如小檗碱没有旋光性。 生物碱的旋光性受溶剂、pH等因素的影响。如麻黄碱在氯仿中呈左旋光性，而在水中则
2、呈右旋光性；烟碱在中性条件下呈左旋光性，而在酸性条件下则呈右旋光性；有的生物碱游离状态与其成盐状态的旋光性也有不同，如长春碱游离时为右旋光性，其硫酸盐为左旋光性。,生物碱的生理活性与其旋光性有关。通常左旋体的生理活性比右旋体强。 如乌头中存在的左旋去甲乌头碱具有强心作用，但存在于其它植物中右旋去甲乌头碱则无强心作用。 又如左旋莨菪碱的扩瞳作用较右旋体强100倍等。也有少数生物碱右旋体的生理活性较左旋体强，如右旋古柯碱的局部麻醉作用强于左旋体古柯碱。,（三）溶解性,生物碱类成分的结构复杂，其溶解性有很大差异，与其分子中N原子的存在形式、极性基团的有无、数目以及溶剂等密切相关。 可分为以下几种情况
3、。,1亲脂性生物碱的溶解性,这类生物碱的数目较多，绝大多数叔胺碱和仲胺碱属于亲脂性生物碱。 （1）游离生物碱 易溶于乙醚、苯、卤代烷类等亲脂性有机溶剂，尤其在氯仿中的溶解度较大；可溶于甲醇、乙醇、丙酮、醋酸乙酯等有机溶剂；难溶或不溶于水。 （2）生物碱盐 易溶于水，其无机盐在水中的溶解度大于有机酸盐；可溶于甲醇、乙醇；难溶或不溶于亲脂性有机溶剂。 少数生物碱盐的溶解性不符合一般规律。如奎宁、奎宁尼丁、辛可宁、吐根酚碱等生物碱的盐酸盐可溶于氯仿，麻黄碱草酸盐难溶于水。,2亲水性生物碱的溶解性,水溶性生物碱数目较少，主要指季胺碱型生物碱，也包括一些分子量较小的叔胺碱或仲胺碱。 （1）季胺型生物碱
4、这类生物碱易溶于水、酸水和碱水，可溶于甲醇、乙醇、正丁醇等极性大的有机溶剂，难溶或不溶于乙酸乙酯、乙醚、氯仿等低极性的有机溶剂。 （2）小分子生物碱 少数分子量较小的叔胺或仲胺生物碱既可溶于水，也可溶于氯仿。这类生物碱包括麻黄碱、苦参碱、秋水仙碱等,3具特殊官能团的生物碱的溶解性,（1）具有酚羟基（或羧基）的生物碱 这类生物碱称为两性生物碱，如吗啡、青藤碱等。除具有一般叔胺碱的溶解性能外，由于其结构中连有弱酸性官能团，也可溶于苛性碱溶液。 （2）具内酯（或内酰胺）结构生物碱的溶解性 这类生物碱如喜树碱、那可汀碱等在正常情况下，其溶解度类似一般叔胺碱。但在热水溶液中，其内酯（内酰胺）结构可开环形
5、成羧酸盐而溶于水。,（四）生物碱的检识,在生物碱的预试、提取、分离和结构鉴定中，常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和显色反应。 1生物碱的沉淀反应： 生物碱的沉淀反应是利用大多数生物碱在酸性条件下，与某些沉淀剂反应生成弱酸不溶性复盐或络合物沉淀。,A、生物碱沉淀试剂的种类,B、沉淀反应的条件,1）反应环境： 生物碱沉淀反应一般在稀酸水溶液中进行。 这是由于生物碱与 酸成盐易溶于水，生物碱沉淀试剂也易溶于水，且在酸水中较稳定，而反应产物难溶于水，因而有利于反应的进行和反应的进行和反应结果的观察。,2）净化处理： 生物碱的酸水提取液通常含有蛋白质、多肽、鞣质等成分，这些物质也能
6、与生物碱沉淀试剂发生沉淀反应。 为了避免其干扰，可将酸水也碱化后，用氯仿萃取，除去水溶性干扰成分，然后用酸水从氯仿中萃取出生物碱，以此酸水液进行沉淀反应。,C、生物碱沉淀反应阳性结果的判断,1）阳性结果的判断： 为了检识的准确性，一般选用三种以上的沉淀试剂进行反应，如果均有生物碱的沉淀反应，可判断为阳性结果。 2）需要注意的问题 极少数生物碱不能与一般生物碱沉淀试剂产生反应。如麻黄碱、咖啡碱与多数生物碱沉淀试剂不能发生反应，因而只能用其它检识反应鉴别； 中药中有些非生物碱类物质也能与生物碱沉淀试剂产生沉淀反应，如蛋白质、多糖、氨基酸、鞣质等。因此制备共试品溶液时，需要净化处理除去这些物质，避免
7、其干扰而导致错误的结论。,D、生物碱沉淀反应的应用,检识反应 指导生物碱的提取分离 生物碱的分离纯化 薄层或纸层色谱的显色剂,2显色反应 某些生物碱单体能与一些以无机酸为主的试剂反应生成具有颜色的产物，不同的生物碱产生不同的特征颜色，这种试剂称为生物碱的显色试剂。 （1）生物碱显色试剂的种类：,（2）显色反应的应用：,在研究过程中应用不广泛，但对检识和分析个别生物碱仍有一定的参考价值。 生物碱的检识 生物碱的含量测定,（五）生物碱的化学性质和反应,本节仅选择与氮原子有关的重要而共同的化学性质与反应：碱性、成盐、涉及氮原子的氧化和C-N键裂解，加以讨论。,1碱性：,（1）碱性的产生及其强度表示：
8、 生物碱分子中都含有氮原子，其氮原子上的孤电子对能接受质子而显碱性。碱性是生物碱的重要性质。通常以酸式离解指数pKa表示。 碱性强度与pKa值关系： pKa2（极弱碱）、pKa 27（弱碱）、pKa 712（中强碱）、pKa 12（强碱）。 碱性基团的pKa值大小顺序一般是： 胍基季胺碱(pKa 11)脂胺类，脂氮杂环类（pKa 811）芳胺类，芳氮杂环类（pKa 37）两个以上的氮杂环类（pKa 3） 酰胺基。,（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
9、杂化轨道中，其碱性强度随杂化度升高而增强，即sp3sp2sp。 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。 3）诱导-场效应：生物碱分子中同时含有两个氮原子时，即使其处境完全相同，碱度总是有差异的。氮原子之间产生两种碱性降低效应：诱导效应和静电效应。前者通过碳链传递，且随碳链增长而渐降低。后者则通过空间直接作用，故又称为直接效应。二者可统称为诱导-场效应。,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，通常情况下，其碱性较弱。生物碱中常见的
10、p-共轭效应主要有三种类型：苯胺型、烯胺型和酰胺型。 5）空间效应：尽管质子的体积较小，但生物氮原子质子化时，仍受到空间效应的影响，使其碱性增强或减弱。 6）分子内氢键形成：分子内氢键形成对生物碱碱性强度的影响颇为显著。 对具体化合物，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，往往后者为大。,2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。,3涉及氮原子的氧化,（1）氧化成亚胺及其
11、盐类：某些生物碱与Hg(Ac)2 作用，生成亚胺化合物。 （2）N-去烷基化：托品类生物碱和某些苄基四氢异喹啉类生物碱多具N-甲基，而二萜生物碱多为N-乙基。有时需要通过氧化进行N-去烷基化。常用的氧化剂有KMnO4、Hg(OAc)2、Ag2O、CrO3/pyr等。 （3）酰胺化：许多生物碱均可被KMnO4、Hg(OAc)2、K3Fe(CN)6等氧化形成酰胺衍生物。 （4）氮杂缩醛形成：某些特定结构的生物碱，可被氧化剂如KMnO4、Hg(OAc)2等氧化形成氮杂缩醛衍生物。 除上述外，生物碱在H2O2、过氧酸等作用下，氧化成N-氧化物。,4C-N键的裂解反应,生物碱分子中C-N键的裂解是非常重
12、要的化学反应，其裂解方法主要有：霍夫曼降解、Emde降解和von Braun三级胺降解。 （1）霍夫曼降解（Hofmann degradation）：又称彻底甲基化，是最重要的C-N键 裂解反应。 霍夫曼降解就是指胺（伯、仲、叔）与CH3I等作用形成具有-H的季铵盐后，再与碱加热发生-H消除（或称1，2-消除），生成水、烯和胺的反应。,（2）Emde降解（Emde degradation） 是指季胺盐与还原剂（Hg-Na、Na-液氨）作用，使C-N+键断裂的反应，多用于无-H的生物碱中C-N键的裂解。实为霍夫曼降解的补充方法。 （3）von Braun三级胺降解（von Braun terna
13、ry amine degradation） 三级胺与溴化氢作用，生成溴代烷和二取代氨基氰化物的反应称为von Braun三级胺降解。,第五节 生物碱的提取分离,（一）总生物碱的提取 总生物碱的提取方法有：溶剂法、离子交换法、沉淀法。 1溶剂法 （1）水或酸水-有机溶剂提取法： （2）醇-酸水-有机溶剂提取法： （3）碱化-有机溶剂提取法： （4）其他溶剂法：,2离子交换树脂法 将酸水液与阳离子交换树脂（多用磺酸型）进行交换，以与非生物碱成分分离。 3沉淀法 季胺生物碱因易溶于碱水中，除离子交换树脂法外，往往难于用一般溶剂将其提取出来。此时常采用沉淀法进行提取。以雷氏铵盐P381,具体工艺路线
14、1)非极性有机溶剂提取法: 常用溶剂为氯仿,二氯甲烷,乙醚,苯等。,2)极性有机溶液提取: 生药粉末,用60-80%的醇溶液,在室温下或以回流法提取,则游离碱及其盐类均可提出。 用此法时，若有水溶性生物碱存在于水液中，可用丁醇或戊醇直接提取。,3)水或酸水提取后+强(弱)酸型阳离子树脂法:,生药粉末可直接用0.5-1%的硫酸或乙酸液或水室温下或加热提取。 用此法,水溶性生物碱和季胺碱可提出。也可用加NaCl液盐析法极性提取。,4)酸水提取液+雷氏铵盐等沉淀法:,生物碱的酸水提取液可加雷氏铵盐等使成沉淀析出,沉淀溶丙酮中,加入饱和的硫酸银溶液分解,再以氯化钡除去银离子,过泸,蒸干得残渣,残渣用乙
15、醇提取,提取液浓缩后放冷,过泸去先析出的无机盐,滤液再浓缩至小量后加丙酮,放置析出粗晶,粗晶以甲醇重结晶,得生物碱总碱。,5)其他提取生物碱的方法:,大孔树脂法:生物碱水溶液上柱,用水冲洗去无机盐,糖等,再用适当的溶剂(含水醇,醇,丙酮等)洗脱,洗脱液经分别后处理各为生物碱总碱。 水蒸气蒸馏法：麻黄碱等挥发性的生物碱可用此法提取生物碱总碱。,（二）生物碱的分离,分离程序一般有系统分离与特定生物碱的分离。 （1）系统分离：通常采用总碱 类别或部位 单体生物碱的分离程序。常用于基础性的研究。 （2）特定生物碱的分离： 特定生物碱的分离是基于对 欲分离的生物碱的结构、理化特性的充分理解。许多药用生物
16、碱的生产都属于这种分离。 （3）利用生物碱的碱性差异进行分离： （4）利用生物碱及其盐溶解度的差异进行分离： （5）层析法：,1)分部结晶法:,利用总碱中不同生物碱可能在不同溶剂中析晶速度快慢来达到分离目的。 溶剂:乙醇、丙酮、甲醇等。 总碱溶少量适当溶剂中，放置析晶，过泸予以分离，母液浓缩后可以加少量不同溶剂再试行结晶.，不同生物碱可能由此分离纯化。分离到的较纯晶体可以重结晶进一步分离纯化。,2)衍生物制备法(成盐,成酯等)：,生物碱盐类往往易于结晶，先使其成盐后再用分步结晶法加以分离（酸可以是有机酸也可以无机酸）其中HI酸,过氯,3)在不同的pH值下萃取法:,碱性不同的生物碱混合物溶酸水中后,先加弱碱,则弱碱游离可被非极性溶剂萃取出; 逐步加大碱性,则碱性从小到大的不同碱性的生物碱可先后用非极性有机溶剂萃取出。,4)液体生物碱混合物的分馏分离法:,液体生物碱混合物可进行分馏分离。 如毒芹(Conium maculatum)中的毒芹碱(m.p. 166-7)，羟
