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一、生物堿類化合物介紹

1.生物堿的定義

生物堿是含負氧化態(tài)氮原子，存在于生物有機體中的非初級代謝產(chǎn)物的一類有機化合物。

負氧化態(tài)氮原子：排除硝基和亞硝基等含氮化合物。

非初級代謝產(chǎn)物：排除蛋白質(zhì)，氨基酸、肽類、核酸、核苷酸、卟啉、維生素。

包含了麻黃堿，秋水仙堿這些有機胺類化合物。

生物堿應(yīng)具備以下幾個特點：

（1）結(jié)構(gòu)中至少含一個氮原子。

（2）具有堿性、中性。

（3）氮原子源于氨基酸或嘌呤母核或甾體與萜類的氨基化。

2.生物堿的分布

（1）主要存在植物界，系統(tǒng)發(fā)育較低級類群分布較少。地衣、苔蘚發(fā)現(xiàn)簡單吲哚類生物堿。

（2）較集中分布于系統(tǒng)發(fā)育較高級的植物類群中。裸子植物、單子葉植物、雙子葉植物。

（3）越是特殊類型生物堿，分布植物類群越窄。托品類生物堿、二萜生物堿、三萜生物堿。

（4）極少與萜類和揮發(fā)油成分共存于同一類植物。三尖杉屬（二萜、生物堿）。

（5）含生物堿植物一般數(shù)種或數(shù)十種生物堿共存。同一植物中生物堿具有結(jié)構(gòu)相似性。

（6）植物各個器官組織均有可能存在，某一植物最常富集在某一器官。麻黃堿：麻黃髓部、黃柏生物堿：樹皮部分。

3.生物堿存在形式

（1）游離堿類。較少數(shù)以堿性積弱游離堿存在：那可丁。

（2）鹽類。大多數(shù)以鹽類形式存在。有機酸：枸櫞酸、琥珀酸、酒石酸。無機酸：硫酸鹽、鹽酸鹽（鹽酸小檗堿）。

（3）酰胺類。喜樹堿、秋水仙堿。

（4）N-氧化物類。原型與氧化物共存：苦參堿、氧化苦參堿。

（5）氮雜縮醛類。含氮雜縮醛體系，又稱O,N-混合縮醛：阿替生。

（6）其他類。極少數(shù)以亞胺、烯胺、苷、酯、季銨鹽形式存在。

4.生物堿的命名原則

（1）生物堿類型的命名

主要依據(jù)其基本骨架的化學結(jié)構(gòu)，如吡啶、吡咯啶、喹啉、萜類也有依據(jù)源植物命名，如蒜科生物堿、茄科生物堿。

（2）生物堿單體成分的命名

生物堿單體較多以植物來源的屬種的名詞命名，如一葉萩堿、石杉堿；有的以生理活性或藥效命名，如嗎啡、吐根堿；極少數(shù)以人名命名，如石榴堿。

（3）生物簡單體成分的外文命名

外文名由詞干、前綴和后綴3部分構(gòu)成?；驹~干按上述2種法則進行，前綴常以epi-（表）、neo- （新）、pseudo-（偽)、iso-（異）等字冠首；后綴因不同語種而異。

5.生物堿理化性質(zhì)

（1）生物堿性狀

性狀：多數(shù)結(jié)晶狀態(tài)。少無定型粉末，煙堿、檳榔堿為液態(tài)。

味道：大多數(shù)苦味。甜菜堿甜味。

顏色：大多為無色。少數(shù)為不同顏色，（小檗堿黃色）。

揮發(fā)性：大多數(shù)無揮發(fā)性。麻黃堿揮發(fā)性、咖啡因升華性。

（2）旋光性

a.生物堿結(jié)構(gòu)中手性碳原子或手性氮原子或生物堿本身有手性分子具有旋光性。手性氮原子：叔氮原子出于環(huán)中或橋頭上，或氮原子上連有四個不同基團的季銨化合物。

b.旋光性受溶劑、PH、溫度等因素影響發(fā)生變旋現(xiàn)象。麻黃堿氯仿中呈左旋光性、水中呈右旋光性。

c.生物堿生理活性與其旋光性有關(guān)（左旋體較右旋體生物活性較強）去甲烏藥堿具有強心作用，右旋體無強心作用。

（3）溶解性

生物堿的溶解性是生物堿提取分離的主要依據(jù)，生物堿及其鹽類在不同溶劑中的溶解度與結(jié)構(gòu)中氮原子的存在狀態(tài)、分子的大小、結(jié)構(gòu)中功能團的種類和數(shù)目以及溶劑的性質(zhì)等因素有關(guān)。

游離生物堿可根據(jù)溶解性分為親脂性生物堿和親水性生物堿兩大類：

a.親脂性生物堿（叔胺堿、季胺堿）的溶解性

易溶于：乙醚、苯、鹵代烷。

可溶于：甲醇、乙醇、丙酮、醋酸乙酯。

b.親水性生物堿（季胺堿、小分子叔胺堿）的溶解性

易溶于：水、酸水和堿水。

可溶于：甲醇、乙醇、正丁醇等極性大溶劑。

c.具有特殊結(jié)構(gòu)的生物堿溶解性

具有N-氧化物結(jié)構(gòu)，水中溶解度增大。

具有酚羥基（或羧基）的生物堿。含酚羥基生物堿溶解性類似于親脂性生物堿，含羧基生物堿溶解性類似于水溶性生物堿。

具內(nèi)脂生物堿，溶解度類似親脂性生物堿，可溶于堿水，內(nèi)脂或內(nèi)酰胺結(jié)構(gòu)開環(huán)形成羧酸鹽溶 于水，加酸后又可環(huán)合析出。

成鹽生物堿，易溶于水可溶于甲醇、乙醇 。生物堿鹽在水中溶解度大小與成鹽所用酸有關(guān)。一般情況下，無機酸鹽水溶性大于有機酸鹽的水溶性；無機酸鹽中，含氧酸鹽水溶性大于鹵代酸鹽。

（4）生物堿的檢識

判斷植物中是否含有生物堿，以及在生物堿提取分離過程中作為追蹤提取分離完全與否，一般采用生物堿沉淀反應(yīng)和顯色反應(yīng)。

a.沉淀反應(yīng)：大多數(shù)生物堿在酸性條件下與試劑反應(yīng)生成難溶于水的復(fù)鹽或絡(luò)合物而生成沉淀。        

反應(yīng)原理：生物堿酸性條件下與沉淀試劑生成難溶于水的復(fù)鹽或絡(luò)鹽

沉淀試劑：碘化物復(fù)鹽、重金屬鹽、大分子酸類

反應(yīng)條件：酸性水溶液、稀醇或脂溶性溶液，

結(jié)果判斷：選用三種以上沉淀試劑直接對中藥酸提液進行沉淀反應(yīng)，陽性不能判定生物堿存在，陰性可判斷無生物堿存在。

b.顯色反應(yīng)：某些生物堿單體能與一些濃無機酸為主的試劑反應(yīng)呈不同顏色，這些試劑稱為生物堿顯色劑，用于檢識和區(qū)別個別生物堿。

Marquis試劑（0.2ml的30%甲醛溶液與10ml濃硫酸溶液混合），嗎啡反應(yīng)為紫紅色，可待因反應(yīng)為藍色。

Frohde試劑（1%鉬酸鈉或5%鉬酸銨濃硫酸溶液顏色），嗎啡反應(yīng)為紫色漸變?yōu)樽鼐G色，小檗堿反應(yīng)為棕綠色，利血平反應(yīng)為黃色漸變?yōu)樗{色。

Mandelin試劑（1%釩酸銨的濃硫酸溶液），嗎啡反應(yīng)為藍紫色，可待因反應(yīng)為藍色，阿托品反應(yīng)為紅色，奎寧反應(yīng)為淡橙色。

二、生物堿的結(jié)構(gòu)分類

按照植物來源：黃連生物堿、苦參生物堿、長春花生物堿。

按照化學結(jié)構(gòu)進行分類：按照生物堿結(jié)構(gòu)中氮原子存在的主要基本母核類型進行分類，如吡咯類生物堿、異喹啉類生物堿、托品類生物堿。

按照生源途徑分類：按照生物堿生物合成前體物的來源。與生物堿合成有關(guān)的氨基酸主要有鳥氨酸、賴氨酸、苯丙氨酸、色氨酸等。其本質(zhì)是生物體在其自身存在酶參與下，所發(fā)生的C-N、C-C鍵的形成與裂解。

生源途徑分類：

三、生物堿的提取與分離

1.生物堿的提取

生物堿是許多中藥的有效成分，提取與純化是生物堿制備的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

根據(jù)生物堿在植物體內(nèi)的存在形式以及生物堿堿性的強弱、生物堿溶解度等不同性質(zhì)選擇不同的提取方法。

除少數(shù)生物堿可采用水蒸氣蒸餾法（麻黃堿)和升華法（咖啡堿）提取外，絕大多數(shù)生物堿可采用溶劑提取法，提取總生物堿后再進一步分離。

提取方法：水或酸水提取法、醇類溶劑提取法、親脂性有機溶劑提取法、水溶性生物堿的提取。

（1）水或酸水提取法

原理：生物堿鹽類一般不溶于親脂性有機溶劑而溶于水。

溶劑：水、酸水（無機酸水）。

方法、常溫浸漬法、滲漉法（酸水提?。⒅蠓ǎㄋ崛。?。

優(yōu)點：提取溶劑廉價易得。

應(yīng)用：酸水滲漉法提取小檗堿、喜樹堿、粉防己堿。

缺點：提取液體體積大、濃縮困難、水溶性雜質(zhì)多。

（2）醇類溶劑提取法

存在形式：游離生物堿、鹽。

溶劑：（酸性）甲醇、（酸性）乙醇。

方法：浸漬法、滲漉法、回流法。

優(yōu)點：甲醇極性大，對植物組織穿透力強，溶出率高，沸點低，易回收。

應(yīng)用：秋水仙堿。

缺點：甲醇毒性大，含有水溶性雜質(zhì)。

除雜：濃縮醇提取-酸化-過濾-堿化-親脂性有機溶劑萃取。

（3）親脂性有機溶劑提取法

存在形式：游離生物堿。

溶劑：二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳、苯。

方法、浸漬法、連續(xù)回流、回流法。

優(yōu)點：雜質(zhì)少、易純化。

應(yīng)用：利血平、長春堿、士的寧、馬錢子堿。

（4）總生物堿的提取

水溶性生物堿主要指季銨堿及一些具有羧基的生物堿

可溶于：水和醇，不溶于親脂性有機溶劑。

方法：沉淀法、溶劑法、離子交換樹脂法。

a.沉淀法 ：雷氏鹽、柱色譜凈化。

b.溶劑法：用極性較大又能與水分層的有機溶劑與含水性生物堿的堿水液反復(fù)萃取，使水溶性生物堿與強親水性雜質(zhì)得以分離。

c.離子交換樹脂法:堿化后用三氯甲烷或乙醚提取、堿性乙醇洗脫、酸水或酸性乙醇洗脫。

2.生物堿的分離

用上述各方法得到的總生物堿，往往是多種生物堿的混合物。一般情況下，總生物堿中，各個生物堿常常母核相同，僅取代基團種類和位置不同。

同時還含有一些非生物堿類的化合物，需進一步分離。

通常利用總生物堿中各生物堿或其不同鹽類的溶解度差異、堿度差異、極性差異或功能團差異進行分離。

分離方法:利用生物堿的堿性差異進行分離、利用溶解度差異進行分離、利用特殊官能團進行分離、基于色譜法的分離。

（1）利用生物堿的堿性差異進行分離

用PH梯度萃?。?/p>

a.總生物堿溶于酸水，逐步加堿PH由低到高，每調(diào)節(jié)一次PH，用三氯甲烷等有機溶劑萃取，各單體生物堿堿性由弱至強依次被萃取而分離。

b.總生物堿溶于三氯甲烷等親脂性有機溶劑，以不同酸性緩沖液PH由高到低一次萃取，生物堿可由強到弱先后成鹽被萃取而分離，分別堿化后以有機溶劑萃取。

（2）利用溶解度差異進行分離

a.利用游離生物堿的溶解度差異進行分離：粉防己堿。

b.利用生物堿鹽的溶解度差異進行分離：麻黃堿，為麻黃堿。

（3）利用生物堿的特殊功能基進行分離

功能基：酚羥基、羧基、內(nèi)酰胺鍵、內(nèi)酯結(jié)構(gòu)。      依據(jù)：可逆性化學反應(yīng)。

a.酚羥基生物堿：有機溶劑溶解-稀氫氧化鈉溶液萃取-酚性生物堿部。

b.羧基生物堿：有機溶劑溶解-碳酸氫鈉溶液萃取-酸性生物堿部。

c.內(nèi)酰胺或內(nèi)酯生物堿：堿水溶解-加熱皂化-水解開環(huán)-溶于水羧酸鹽（與不溶于熱堿水的生物堿分離）水層加酸-環(huán)合成原生物堿。 

（4）利用色譜法分離

a.離子交換樹脂

原理：生物堿陽離子與樹脂陽離子發(fā)生交換。

步驟：生物堿交換-堿化樹脂-有機溶劑洗脫。

b.吸附色譜法

原理：生物堿極性差異。

吸附劑：硅膠、氧化鋁。

洗脫劑：親脂性溶劑。

c.分配色譜法

吸附色譜分離生物堿效果不佳時，可采用分配色譜法分離。

3.生物堿的純化

（1）中低壓制備

中低壓制備是利用色譜的原理，在此基礎(chǔ)上進行加壓、加大洗脫劑的流速，從混合物中分離出相對純凈的單組份物質(zhì)。

（2）高壓制備

a.在進行梯度設(shè)置時，根據(jù)產(chǎn)品的性質(zhì)，注意洗脫劑體積量、產(chǎn)品洗出時間、柱子的壓力等  參數(shù)，綜合考慮。

b.在洗脫的時候，去除前后雜，分段有選擇的進行切峰、檢測，得到需要的純度的化合物，再進行蒸餾，收集產(chǎn)品。

c.將收集物進一步的處理后，進行分析總結(jié)，是否需要進一步的純化。

四、生物堿的結(jié)構(gòu)鑒定

1、生物堿的結(jié)構(gòu)測定

（1）生物堿的薄層色譜檢識。

（2）高效液相色譜。

（3）經(jīng)典的化學方法（霍夫曼降解、埃坶特降解、布朗降解）。

（4）波譜分析。

2、生物堿的結(jié)構(gòu)測定四大光譜：UV光譜、IR光譜、NMR光譜、MS譜

（1）波譜分析原理

紫外可見吸收光譜（UV）是指有機化合物吸收紫外光（200-400nm）或者可見光（400-800nm）后，發(fā)生電子躍遷而形成的光譜。

紅外光譜（IR）是以連續(xù)波長的紅外線為光源照射樣品后測得的吸收光譜。主要用于羥基、羧基、苯環(huán)、雙鍵等官能團的確認。

核磁共振譜（NMR）是有機化合物在外加磁場中受到一定的頻率的電磁波照射后，有磁矩的原子核吸收一定的能量而產(chǎn)生能級躍遷而發(fā)生核磁共振。

質(zhì)譜（MS）是利用分子被離子化后在電場與磁場的共同作用下進入收集器而被記錄到的分子離子及碎片的質(zhì)量和強度信息。

（2）波普分析在生物堿結(jié)構(gòu)測定的應(yīng)用

a.紫外-可見吸收光譜

生物堿結(jié)構(gòu)中具有紫外-可見光吸收的共軛體系，其共軛系統(tǒng)的組成以及共軛體系中的助色團色種類、位置和數(shù)量對紫外-吸收光譜都產(chǎn)生明顯的影響，因此用于鑒定它們基本母核的類型有一定意義。

b.紅外光譜

生物堿紅外光譜主要用于識別化合物結(jié)構(gòu)中的功能基，或用于已知化合物對照鑒定，對某些生物堿骨架的立體構(gòu)型、功能基的位置及構(gòu)型的確定有一定幫助。

c.質(zhì)譜

難于裂解或由其取代基或側(cè)鏈的裂解產(chǎn)生特征離子、主要裂解受氮原子支配、主要由RNA裂解產(chǎn)生特征離子、主要由芐基裂解產(chǎn)生特征離子。

d.核磁共振譜

是生物堿結(jié)構(gòu)測定最強有力的工具。氫譜可提供有關(guān)功能基和立體化學的許多信息，碳譜和各種2D-NMR譜所提供的結(jié)構(gòu)信息是其他光譜法無法比擬的。

3、結(jié)構(gòu)鑒定主要程序

（1）初步判斷化合物類型

（2）測定分子式，計算不飽和度

（3）推斷分子中含有的官能團、結(jié)構(gòu)判斷、基本骨架

（4）推斷并確定分子的平面結(jié)構(gòu)及立體結(jié)構(gòu)