Физические и химические свойства алкалоидов

 

Большинство алкалоидов, кроме атомов азота (N), углерода (С) и водорода (Н), содержат атом кислорода (О). Некоторые алкалоиды (нуфлеин) содержат в своем составе атом серы (S).

Алкалоиды, содержащие кислород, и бескислородные алкалоиды различаются по физическим свойствам.

Кислородсодержащие алкалоиды – твердые кристаллические вещества, реже аморфные, с определенной температурой плавления, без запаха, горького вкуса, как правило, бесцветные, лишь некоторые алкалоиды окрашены - берберин в желтый, сангвинарин в оранжевый цвет.

Бескислородные алкалоиды – летучие маслянистые жидкости с сильным неприятным запахом, легко перегоняющиеся с водяным паром. К этой группе относятся анабазин, никотин, кониин, пахикарпин.

Отдельные алкалоиды способны сублимироваться (возгоняться) при нагревании (кофеин, никотин); пары хинина малинового цвета.

Обладают оптической активностью, причем у левовращающих изомеров фармакологическая активность, как правило, выше (гиосциамин, эфедрин).

Некоторые алкалоиды флуоресцируют в УФ-свете. Например, цитизин флуоресцирует фиолетовым цветом, берберин - желто-зеленым.

Основные свойства выражены в различной степени. В природе чаще встречаются алкалоиды, которые относятся к третичным аминам, реже - к вторичным либо к четвертичным аммонийным основаниям.

Благодаря основному характеру алкалоиды образуют с кислотами соли разной степени прочности. Соли алкалоидов хорошо растворимы в воде и этиловом спирте (особенно в разбавленном) при нагревании, плохо или совсем нерастворимы в органических растворителях (хлороформ, этиловый эфир и др.). Как исключения можно назвать хинина сульфат (плохо растворяется в воде) и скополамина гидробромид (растворяется в хлороформе).

Соли алкалоидов легко разлагаются под действием щелочей и аммиака. При этом выделяются свободные основания.

Алкалоиды-основания обычно не растворяются в воде, но легко растворимы в органических растворителях. Исключение составляют цитизин, кофеин и кодеин, которые хорошо растворяются как в воде, так и в органических растворителях.

Алкалоиды образуют нерастворимые (или слабо растворимые) комплексы с солями тяжелых металлов, комплексными неорганическими кислотами, высокомолекулярными органическими веществами кислого характера.

Алкалоиды вступают в реакции, зависящие от наличия в их молекулах различных функциональных групп. Например, морфин содержит фенольный гидроксил, поэтому образует со щелочами феноляты и вступает в реакцию с солями трехвалентного железа. Некоторые алкалоиды представляют собой сложные эфиры (атропин, скополамин) и подвергаются гидролизу кислотами и щелочами.

 

Оценка качества сырья, содержащего алкалоиды. Методы анализа

 

В растительном сырье алкалоиды содержатся в основном в виде солей, реже в виде алкалоидов-оснований.

Наличие алкалоидов в растительном сырье подтверждают качественными реакциями, которые основаны на физических и (или) химических свойствах алкалоидов.

Качественная реакция на кору хины (реакция Грахе) основана на физических свойствах: способности возгоняться при нагревании, окраске паров и конденсата.

Большинство качественных реакций основаны на щелочных свойствах алкалоидов, их способности образовывать нерастворимые либо окрашенные комплексы.

Качественные реакции выполняют:

· непосредственно на сырье (если наблюдению результата реакции не мешают пигменты). Такие реакции предусмотрены нормативной документацией (НД) на корни барбариса обыкновенного и клубни с корнями стефании гладкой;

· с извлечением из растительного сырья. Извлечение может быть очищенное от сопутствующих веществ или неочищенное. Алкалоиды извлекаются в виде оснований или в виде солей.

Неочищенное извлечение из сырья, содержащего алкалоиды, получают экстрагированием органическим растворителем при подщелачивании (алкалоиды-основания) либо нагреванием измельченного сырья с разбавленными кислотами (алкалоиды-соли). Согласно НД, неочищенное извлечение, содержащее алкалоиды-основания, для выполнения качественных реакций получают из семян чилибухи; неочищенные извлечения, содержащие алкалоиды-соли, получают из листьев барбариса обыкновенного, склероциев спорыньи, листьев унгернии Виктора, листьев фирмианы простой (стеркулии платанолистной), травы пассифлоры воплощенной.

Мешают проведению реакций на алкалоиды азотсодержащие вещества - амины и их производные. Они дают такие же результаты реакций. Для освобождения от сопутствующих веществ используют прием смены растворителей либо метод распределительной хроматографии.

Прием смены растворителей основан на различной растворимости свободных алкалоидов-оснований и их солей и заключается в следующем:

1) алкалоиды-основания экстрагируют из растительного сырья органическим растворителем после подщелачивания;

2) полученное извлечение обрабатывают 1-5 %-ной кислотой. Основания алкалоидов образуют с кислотой соответствующие соли, которые растворяются в воде, а основная масса сопутствующих гидрофобных веществ остается в органическом растворителе;

3) к водному раствору добавляют щелочь для переведения солей алкалоидов в основания и обрабатывают несмешивающимся с водой органическим растворителем (на последних стадиях очистки чаще всего используют хлороформ). Алкалоиды-основания переходят в органический растворитель, его отделяют; в водной фазе остаются водорастворимые (гидрофильные) сопутствующие вещества;

4) органический растворитель отгоняют. Сухой остаток представляет собой очищенную сумму алкалоидов.

С полученным сухим остатком очищенной суммы алкалоидов могут быть выполнены качественные реакции (на алкалоиды травы барвинка малого).

Другой способ очистки - метод распределительной хроматографии. Метод хроматографии используют для отделения алкалоидов от сопутствующих веществ и разделения алкалоидов травы крестовника плосколистного и листьев катарантуса розового. Алкалоиды крестовника плосколистного идентифицируют по величине R_f, алкалоиды катарантуса розового - в сравнении с эталонным образцом розевина после проявления хромогенными реактивами.

Различают общие качественные реакции, с помощью которых доказывают присутствие алкалоидов в сырье или в извлечении из сырья, и частные качественные реакции, с помощью которых устанавливают наличие индивидуального алкалоида или определенной группы алкалоидов.

Общие качественные реакции

I. Реакции осаждения основаны на способности алкалоидов к комплексообразованию. Образующиеся комплексы нерастворимы или мало растворимы в воде.

Общеалкалоидные осадочные реактивы можно разделить на несколько групп:

1. Йод и его растворы. Образуют с алкалоидами перйодиды, плохо растворимые в воде:

· пары йода используют для открытия алкалоидов на хроматограммах;

· раствор йода в растворе калия йодида – K[I₃] (реактив Вагнера, реактив Бушарда). С алкалоидами образуют бурые, трудно растворимые в воде осадки.

2. Комплексные йодиды металлов:

· реактив Драгендорфа – раствор висмута основного нитрата и калия йодида с добавлением кислоты уксусной - К[BiI₄] (калия тетрайодовисмутат) - образует оранжевые или красно-бурые нерастворимые осадки.

Реакцию с реактивом Драгендорфа, согласно действующей НД, используют для обнаружения (проявления) алкалоидов крестовника плосколистного на хроматограмме в качественном и количественном анализе, алкалоидов травы термопсиса очередноцветкового на хроматограмме в количественном анализе;

· реактив Майера – раствор ртути дихлорида и калия йодида - K₂[HgI₄] (тетрайодомеркурат калия) - образует осадки белого или желтоватого цвета.

Реакцию с реактивом Майера широко используют для проверки полноты экстракции алкалоидов при их количественном определении в листьях и траве красавки обыкновенной, в листьях белены черной, листьях дурмана обыкновенного, траве эфедры хвощевой, семенах чилибухи.

3. Реактивы комплексных неорганических кислот:

· реактив Бертрана – 1 %-ный водный раствор кислоты кремневольфрамовой (SiO₂ · 12WO₃ · 2Н₂O) - образует белый аморфный осадок.

Реакцию с реактивом Бертрана используют для подтверждения наличия алкалоидов в извлечении из листьев барбариса обыкновенного (качественная реакция); для проверки полноты экстракции алкалоидов при их количественном определении в траве крестовника плосколистного и траве чистотела, листьях и корнях барбариса обыкновенного, семенах дурмана индейского;

· реактив Шейблера – 1 %-ный водный раствор кислоты фосфорно-вольфрамовой (Н₃РО₄ · 12WO₃ · 2Н₂O) - образует белые аморфные осадки;

· реактив Зонненштейна – 1 %-ный водный раствор кислоты фосфорно-молибденовой (Н₃РО₄ · 12МoО₃ · 2H₂О) - образует желтоватые аморфные осадки.

Все эти реактивы высокочувствительны и часто используются в научно-исследовательских работах.

4. Органические соединения кислотного характера:

· раствор кислоты пикриновой - образует осадки желтого цвета.

Реакцию используют для осаждения алкалоида скополамина при его гравиметрическом определении в семенах дурмана индейского;

· раствор таннина - образует беловатые или бурые осадки.

Таннин используют в качестве противоядия при отравлении алкалоидами.

II. Реакции окрашивания (частные реакции) основаны на окислении, конденсации, дегидратации алкалоидов концентрированными кислотами и другими окислителями. Используют:

· концентрированную кислоту серную - качественная реакция на корни барбариса обыкновенного (берберин) (оранжево-красное окрашивание);

· концентрированную кислоту азотную - качественная реакция на корни барбариса обыкновенного (берберин) (красно-бурое окрашивание);

· раствор пероксида водорода - качественная реакция на корни барбариса обыкновенного (берберин) (фиолетовое окрашивание);

· раствор калия бихромата и концентрированную кислоту серную - качественная реакция на семена чилибухи (стрихнин) (красно-фиолетовое окрашивание);

· раствор калия бихромата и концентрированную кислоту азотную - качественная реакция на семена чилибухи (бруцин) (оранжево-красное окрашивание).

В анализе могут быть использованы:

· реактив Эрдмана - смесь концентрированных кислот серной и азотной;

· реактив Марки - раствор формалина в концентрированной кислоте серной;

· реактив Фреде - раствор аммония молибдата в концентрированной кислоте серной.

Окраска в зависимости от структуры алкалоидов различна.

Для некоторых алкалоидов существуют групповые качественные реакции, такие как мурексидная проба (на пуриновые алкалоиды), реакция Витали-Морена (на тропановые алкалоиды) и другие, которые подробно рассматриваются в курсе фармацевтической химии.

Частные реакции основаны также на специфических свойствах алкалоидов и наличии в их структуре функциональных групп. Например, реакция на алкалоиды спорыньи - алкалоиды переводят в соли кислоты винной и добавляют реактив Ван-Урка (концентрированная кислота серная + железа (III) хлорид + пара -диметиламинобензальдегид) - появляется фиолетовое окрашивание. Эту реакцию используют для подтверждения подлинности сырья, а также в методе количественного определения алкалоидов.

Таким образом, общей специфической качественной реакции на алкалоиды не существует.

Если проводят поиск алкалоидсодержащих растений, то всегда выполняют 5-10 реакций с общеалкалоидными реактивами, т.к. чувствительность реакций различна. Обычно эти реакции выполняют капельным образом на стеклянных пластинках.

Количественное определение алкалоидов проводят для всех видов сырья, кроме травы пассифлоры воплощенной (определяют экстрактивные вещества) и листьев фирмианы простой (стеркулии платанолистной) (определяют сумму азотистых оснований в пересчете на холина хлорид).

Единой методикиколичественного определения содержания алкалоидов в растительном сырье не существует, т.к. их химическая структура, физические и химические свойства различны.

Разработаны индивидуальные методики определения содержания алкалоидов или групповые методики (определение тропановых алкалоидов).

Все методики количественного определения алкалоидов в растительном сырье многоэтапные. Относительная точность их невелика, ошибка составляет 10 % и более.

В ходе анализа обычно выделяют следующие этапы (стадии):

I. Извлечение суммы алкалоидов из сырья.

Алкалоиды извлекают в виде солей или в виде оснований.

В первом случае сырье обрабатывают слабыми растворами органических или минеральных кислот, соли которых хорошо растворимы в воде или спирте. Используют винную, лимонную, уксусную, серную, соляную и другие кислоты. В извлечение попадают углеводы, белки и другие сопутствующие вещества.

Во втором случае сырье смачивают концентрированным раствором аммиака. Щелочи не используют, т.к. они образуют феноляты, вызывают гидролиз, изомеризацию алкалоидов. Раствор аммиака вытесняет алкалоиды-основания из солей. Алкалоиды-основания извлекают органическим растворителем (эфиром, хлороформом, бензолом и др.). В извлечение попадают воски, смолы, каротиноиды, фенольные соединения.

Извлечение проводят многократно новыми порциями до полного истощения сырья. Полученные порции объединяют.

II. Очистка извлечения от балластных веществ.

Обычно проводят путем дву- или трехкратной смены растворителя. Реже используют ионообменную или адсорбционную хроматографию.

III. Разделение суммы алкалоидов и выделение индивидуальных алкалоидов.

Выполняют в тех случаях, когда оценку качества сырья проводят не по всей сумме алкалоидов, а по содержанию алкалоида, определяющего основное фармакологическое действие сырья.

Разделение основано на различных физико-химических свойствах алкалоидов, извлеченных из сырья:

· на способности перегоняться с водяным паром. Например, пахикарпин из суммы алкалоидов травы софоры толстоплодной отделяют путем отгонки его с водяным паром;

· на различной растворимости алкалоидов в органических растворителях. Например, колхамин из суммы алкалоидов клубнелуковиц безвременника отделяют, используя его плохую растворимость в ацетоне;

· на различной растворимости полученных комплексов с общеалкалоидными реактивами, т.е. используют реакции осаждения. Например, скополамин из суммы алкалоидов семян дурмана индейского отделяют, осаждая его в виде солей кислоты пикриновой (пикрата);

· на различной адсорбции и десорбции хроматографируемых веществ. Например, колхамин отделяют хроматографическим разделением суммы алкалоидов клубнелуковиц безвременника, капсаициноиды плодов стручкового перца отделяют хроматографически.

IV. Собственно количественное определение проводят различными методами:

1. Гравиметрический (весовой) метод. Алкалоиды переводят в весовую форму, осадок отделяют, высушивают, взвешивают. Этим методом определяют алкалоиды листьев барбариса обыкновенного, травы гармалы обыкновенной, травы баранца обыкновенного, клубнелуковиц безвременника, семян и плодов дурмана индейского;

2. Титриметрические методы:

a) ацидиметрическое прямое или обратное титрование (алкалоиды листьев белены, листьев дурмана обыкновенного, листьев и травы красавки, травы термопсиса ланцетного, травы эфедры хвощевой, побегов анабазиса, семян чилибухи);

б) титрование в неводных средах:

· точку эквивалентности определяют, используя индикатор (алкалоиды травы барвинка малого);

· потенциометрическое титрование (алкалоиды травы чистотела);

3. Физико-химические (инструментальные) методы:

a) фотоэлектроколориметрический метод (алкалоиды листьев катарантуса розового, листьев унгернии Виктора, травы крестовника плосколистного, травы мачка желтого, травы софоры толстоплодной, травы паслена дольчатого, клубней с корнями стефании гладкой, склероциев спорыньи);

б) спектрофотометрический метод (алкалоиды корней барбариса обыкновенного, листьев унгернии Северцова, травы маклейи, травы термопсиса очередноцветкового, плодов стручкового перца);

в) полярографический метод (алкалоиды семян термопсиса ланцетного, корневищ кубышки желтой).

Так, например, количественное определение алкалоидов группы тропана в листьях красавки, белены, дурмана Государственная Фармакопея XI (вып. 2, ст. 13, 17, 24) предлагает проводить ацидиметрическим методом (вариант обратного титрования). При этом предварительно алкалоиды переводят в форму оснований, извлекают их из сырья эфиром, проводят очистку методом двукратной смены растворителей, удаляют экстрагент и растворяют сухой остаток суммы оснований алкалоидов в кислоте хлористоводородной, избыток которой титруют натрия гидроксидом.

Подобное определение рекомендовано и для травы термопсиса ланцетного (ГФ ХI, вып. 2, ст. 59).

Оценку количественного содержания алкалоидов в семенах чилибухи(ГФ Х, ст. 606) проводят ацидиметрическим методом (прямое титрование). При этом предварительно алкалоиды переводят в форму оснований, извлекают их из сырья хлороформом, проводят очистку путем двукратной смены растворителя, удаляют экстрагент, растворяют сухой остаток суммы оснований алкалоидов в этаноле и титруют кислотой хлористоводородной.

Количественное определение алкалоидов в сырье спорыньи проводят фотоэлектроколориметрическим методом (ГФ Х, ст. 599). Метод основан на измерении степени поглощения немонохроматического света устойчивым окрашенным комплексом алкалоидов спорыньи с реактивом Ван-Урка с помощью фотоэлектроколориметра при зеленом светофильтре. При этом склероции спорыньи обезжиривают петролейным эфиром, сумму алкалоидов-оснований извлекают из сырья эфиром, очищают алкалоиды путем смены растворителя (переводят сумму алкалоидов в соли кислоты винной, удаляют эфир), проводят реакцию образования комплекса алкалоидов-солей с реактивом Ван-Урка и определяют оптическую плотность окрашенного раствора.