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1、高中化学竞赛讲义设计天然产物化学第三章 生物碱上2020高中化学竞赛讲义天然产物化学2020苏州中学竞赛讲义第三章 生 物 碱（上）一、概 述生物碱是人类对植物药中有效成分研究得最早而较多的一类成分。从十九世纪德国学者F.W.Sertrner从鸦片中分离出吗啡碱（morphine）以来，迄今已从自然界中分离得到约10000种生物碱类化合物。在全国医药产品大全中收载的生物碱药物及其制剂达六十余种。植物中存在的生物碱大多有明显的生理活性，如：鸦片中的吗啡镇痛作用；麻黄中的麻黄碱止喘作用；长春花中的长春碱抗癌活性；黄连中的小檗碱抗菌消炎作用；山莨菪碱抗中毒性休克作用石蒜中的生物碱加兰他敏具有拟胆碱作

2、用利血平降压作用由此可看出，在临床用药中生物碱类成分占据着重要的地位。生物碱化学结构的研究为合成药物提供了线索，如：植物古柯中的有效成分古柯碱（cocaine）虽有很强的局部麻醉作用，但是毒性较大，久用容易成瘾。化学合成工作者对它进行结构改造，从中找到普鲁卡因（procaine），不但结构较古柯碱简单，毒性也大大地被降低了，成为临床广泛使用的局部麻醉药物。现有的很多合成止痛药就是根据吗啡的化学结构而设计的。在生物碱的研究中，创新出不少研究方法、技术和反应，这对天然有机化学的发展起着重要的促进作用。生物碱的定义生物碱（Alkaloids）至今也无一个确切而标准的定义。这是由于随着生物碱的研究不断

3、深入发展，人们采用新的先进的技术而不断地得到新模式和新结构的化合物，因而经典的、传统的定义就受到了局限性，如：胡椒碱虽为含氮杂环的衍生物，但不易与酸结合成盐；秋水仙碱几乎没有碱性，氮原子不结在环上；麻黄碱氮原子也不结在环上，应属于芳烃胺衍生物。但按习惯仍将这些化合物归属在生物碱的范围内。但对于大多数生物碱还是有其共性之处，因此，还可以就其共性来定义生物碱的。定义：是指天然产的一类含氮的有机化合物（不包括低分子胺类，如：甲胺、乙胺等、氨基酸、氨基糖和维生素类等化合物），多数具有碱的性质且能和酸结合生成盐；大部分化合物为杂环化合物且氮原子在杂环内；多数有较强的生理活性。分布生物碱主要分布于植物界，

4、迄今为止在动物中发现的生物碱极少。生物碱在植物界分布很广，存在于一百多个科中：如：豆科、茄科、防己科、罂粟科、毛茛科等植物中。其中双子叶植物含生物碱远比单子叶植物为多。并较为集中地分布于防己科、罂粟科、夹竹桃科、毛茛科、豆科、马钱科、茄科。地衣类和苔藓类植物中，尚未发现生物碱的存在。菌类植物中已发现有生物碱。植物亲缘关系相近的品种往往含有化学结构相同或类似的生物碱，如茄科的颠茄属、曼陀罗属、莨菪属等植物中几乎都含有莨菪碱、东莨菪碱。这种联系为发现和寻找新的药物资源提供了有效的途径。生物碱的含量：金鸡纳树皮含奎宁碱15% 长春花含长春花新碱百万分之一一般情况下，含量在0.11%的植物则可进行开发

5、利用。若含量低但其活性很强，则可通过合成和半合成等方式进行开发。存在形式生物碱在植物体内主要存在的形式有：1.游离碱：由于部分生物碱的碱性极弱，不易或不能与酸生成稳定的盐，因而以游离碱的形式存在。2.成盐：除少数极弱碱性生物碱（如：秋水仙碱及吲哚类生物碱）外，大多生物碱，在植物细胞中都是与酸类结合成盐的形式存在。常见的有机酸有：柠檬酸、酒石酸、苹果酸、草酸、琥珀酸等；有些生物碱则与一些较为特殊的酸类结合成盐存在，如：乌头酸、罂粟酸、奎宁酸、绿原酸、延胡索酸、黎芦酸、白屈菜酸、千里光酸等。有少数生物碱与无机酸结合成盐存在。如：吗啡碱与硫酸结合成盐存在于鸦片中；小檗碱与盐酸结合成盐存在于植物中。3

6、.苷类：一些生物碱以苷的形式存在于植物中；4.酯类：多种吲哚类生物碱分子中的羧基，常以甲酯形式存在。5.N-氧化物：在植物体中已发现的氮氧化物约一百余种。命名规则1.生物碱类型的命名主要根据：基核的化学结构，如吡啶、吡咯啶、喹啉、异喹啉、萜类等；以来源植物命名，如石蒜科生物碱等。2.生物碱单体成分的命名以植物来源的属、种的名称命名；如 一叶萩碱也有以生理活性或药效命名，如：吗啡morphine（使睡眠） 吐根碱emetine（呕吐）；以人名命名的；如：pelletierine（为纪念化学家Pierre Joseph Pelletier）。分类方法生物碱的分类方法很多，现有1.按植物来源分类的如

7、：石蒜生物碱，长春花生物碱；2.按化学结构分类的如：异喹啉生物碱、甾体生物碱；3.按生源结合化学分类的如：来源于鸟氨酸的吡咯生物碱。分类依据不同，各有利弊。本章则以化学结构进行分类。二、生物碱的分类根据生物碱的化学结构分为以下一些主要类型：有机胺类（苯丙氨酸/酪氨酸）结构特点：氮原子不结合在环内的一类生物碱。如：麻黄碱（ephedrine）、秋水仙碱（colchicine）和益母草碱（leonurine）等。麻黄碱和伪麻黄碱是属于芳烃仲胺类生物碱，有些性质和生物碱类的通性不完全一样，例如：游离时可溶于水， 能与酸生成稳定的盐， 有挥发性， 不易与大多数生物碱沉淀试剂反应生成沉淀。鉴别反应：（若

8、于它们的甲醇溶液中加二硫化碳、硫酸铜试液和氢氧化钠试液各一滴，即能产生棕或黄色沉淀。在麻黄碱或伪麻黄碱的水溶液中加入硫酸铜试剂，再加氢氧化钠试液后，溶液能显蓝紫色，若加入少量乙醚振摇后放置分层，则醚层显紫红色，水层变为红色。这是由于螯合反应，产生铜络盐（紫红色）所致。）麻黄碱和伪麻黄碱都是拟肾上腺素药，能促进人体内去甲肾上腺素的释放而显效，作用强度较弱，只有肾上腺素的1/142，但口服有效，并具有中枢神经系统兴奋及散瞳作用，这是肾上腺素所没有的。盐酸麻黄碱主要供内服以治疗气喘等。秋水仙碱（colchicine）是环庚三烯酮醇的衍生物，分子中有两个骈合七元碳环，氮在侧链上成酰胺状态。临床上用以治

9、疗急性痛风，并有抑制癌细胞生长的作用。益母草碱是益母草Leonurus heterophyllus Sweet的有效成分，其能收缩子宫，对动物子宫有增加其紧张性与节律性的作用。吡咯衍生物由吡咯或四氢吡咯衍生的生物碱。该类生物碱种类不少，较重要的分为：简单的吡咯衍生物、吡咯里西啶衍生物（又称双稠吡咯啶）和吲哚里西啶衍生物。1.简单的吡咯衍生物：（来源于鸟氨酸）红古豆碱（cuscohygrine）属简单的吡咯衍生物类生物碱。存在于颠茄、莨菪、曼陀罗、山莨菪等茄科植物中。该生物碱本身无药用价值，但将其还原成红古豆醇，再与乙酰苦杏仁酰氯反应制成红古豆苦杏仁酸酯，有类似阿托品类药物的散瞳、抑制腺体分泌、

10、舒张平滑肌、降压等作用。2.吡咯里西啶(pyrrolizidine)衍生物：（来源于鸟氨酸）由一个三价氮原子形成稠合的二个吡咯啶环，故又称双稠吡咯啶。主要分布在菊科千里光属、豆科野百合属等。如：野百合属植物农吉利Crotalaria sessiliflors L.中的抗癌有效成分野百合碱（monocrotaline）属吡咯里西啶衍生物。3.吲哚里西啶（indolizidine）衍生物：（来源于赖氨酸）由吡咯啶和六氢吡啶骈合所成杂环。如：一叶萩碱（securinine）：属吲哚里西啶衍生物类生物碱。其来自于一叶萩又称叶底珠Securinega suffrucosa （Pall） Rehd.属大戟

11、科植物。一叶萩碱能兴奋中枢神经，有类似硝酸士的宁的作用，毒性小，亦是一种胆碱酯酶抑制剂。临床主要用于治疗面神经麻痹、神经衰弱，亦用于小儿麻痹症和其后遗症。娃儿藤碱（tylophora alkaloids）：是菲骈吲哚里西啶的衍生物，存在于娃儿藤属植物中。曾于印度娃儿藤属植物Tylophora asthmatica wight根中分离获得。该成分具有显著的抗癌活性。吡啶（pyridine）衍生物由吡啶或六氢吡啶衍生的生物碱。该类型生物碱主要有：简单吡啶衍生物和喹诺里西啶（quinolizidine）。猕猴桃碱（actinidine）属简单吡啶衍生物，该成分是一种油状液体生物碱，结构中是由二分子异

12、戊烯排列所组成，因之也可认为是单萜衍生的生物碱。其来自猕猴桃属植物木天蓼Actinidia polygama Maxim.的叶中。蓖麻碱（ricinine）：是蓖麻Ricinus communis I.种子中的一种生物碱，是吡啶酮的衍生物，分子中含有氰基，因之毒性较大。金雀花碱（cytisine）：属喹诺里西啶衍生物。其具有兴奋中枢神经的作用，可从野决明Thermopsis lanceolata R. Brown种子中获得。苦参碱（matrine）：来自于豆科植物苦参Sophora flavescens Ait.的干燥根。其根中的主要成分是苦参碱和氧化苦参碱（oxymatrine），二者均有抗

13、癌活性，能抑制肉瘤180的生成。莨菪烷（tropane）衍生物莨菪烷是由吡咯啶和哌啶骈合而成的杂环。该类生物碱可分为二个类型：颠茄生物碱（belladonna alkaloids）古柯生物碱（coca alkaloids）。颠茄生物碱又称茄科生物碱，是由茄科植物颠茄、莨菪等中分离得到的一类生物碱。如：莨菪碱（hyoscyamine）和阿托品（atropine）有解痉镇痛作用，以及解磷中毒和散大瞳孔等作用。由于莨菪酸部分中的手性碳原子，居于羰基的位置，易产生互变异构，所以当莨菪碱与碱液接触或受热时，容易消旋化，转变为莨菪醇的消旋莨菪酸酯，即阿托品。莨菪碱呈左旋光性（l-）而阿托品是其消旋体（dl

14、-），即没有旋光性。东莨菪碱（Scopolamine）与莨菪碱的生物活性相似，常用作防晕药和镇静药物（如：狂躁性精神病等）。山莨菪碱（anisodamine）和樟柳碱（anisodine）具有明显的抗胆碱作用。莨菪碱是由莨菪醇（tuopine）与莨菪酸（tuopic acid）缩合而生成的酯：莨菪醇是四氢吡咯和六氢吡啶二个杂环骈合的双环结构。古柯生物碱（coca alkaloids）通常指爱康宁（ecgonine）的衍生物。如：古柯碱（cocaine）又称可卡因（cocaine），系苯甲酰爱康宁的甲酯，是一种局部麻醉药，常用于表面麻醉。喹啉衍生物（邻氨基苯甲酸）例如：喜树碱（camptothe

15、cine）：来自于我国南方特产植物珙桐科喜树Camptotheca acuminata Decne.中，其木部、根皮和种子中都含有生物碱，并以喜树碱为主要成分。具有抗癌活性，对白血病和直肠癌有一定临床疗效，但毒性很大，其安全范围较小。喜树碱分子中具内酯结构，故可被碱化开环，转为钠盐后而能溶于水中。异喹啉衍生物（苯丙氨酸/酪氨酸）是一类很重要的生物碱，由于其数量多且结构类型复杂，仅就其主要类型说明如下：1.1-苯甲基异喹啉（1-benzyl-isoquinoline）型生物碱：存在于鸦片中的那可丁（narcotine）属此类生物碱。其具有镇咳作用与可卡因相似，但无成瘾性，可替代可卡因。2.双苯甲

16、基异喹啉（bisbenzyl-isoquinoline）型生物碱：是由二个分子的苯甲基异喹啉衍生物通过醚氧键结合而成的一类生物碱。例如唐松草碱（thalicarpine）：其结构是阿朴啡和苄异喹啉的二聚物。其对瓦克氏癌瘤-256有显著抑制作用。3.原小檗碱（protoberberine）型生物碱：可认为是由苯甲基四氢异喹啉衍变而来的。如：小檗碱（berberine）和药根碱（jatrorrhizine）属此类型生物碱，存在于黄连、黄柏及三颗针等植物中。四氢黄连碱（tetrahydrocoptisine）和延胡索乙素（Corydalis B，即消旋四氢掌叶防己碱）也属此类型生物碱，二者存在于中药

17、元胡中，是罂粟科紫堇属植物延胡索Corydalis turtschaninovii Bess.f.Yanhusuo Y.H.Chew et C.C.Hsii的干燥块茎。延胡索乙素具有显著的镇痛作用，临床上用以代替吗啡以治疗内脏疾病的锐痛。4.阿朴啡（aporphine）型生物碱：是由苯甲基四氢异喹啉衍生物分子内脱去二个氢原子，使苯环与苯环相结合，形成了菲核。如：土藤碱（tuduranine）存在于中药防己Sinomenium acutum Rehder et Wilson的根中。5.原阿朴啡（proaporphine）型生物碱：该类型生物碱常伴阿朴啡型生物碱共存在于植物中，故认为是阿朴啡型生物

18、碱的前体。如：Stepharine其分子中含醌样结构，有类似利血平的镇定作用。若与3N的硫酸加热，分子中五元环易重排而转变为六元环的土藤碱，则失去镇定作用。6.吗啡烷（morphinane）型生物碱：属于苯甲基异喹啉的衍生物，又同时是菲的部分饱和衍生物。如：吗啡碱（morphine）是鸦片中的成分，具有止痛的作用。存在于青藤中的青藤碱（sinomenine）也属于此类型生物碱，其具有显著的镇痛和消炎作用。7.原托品碱（protopine）型生物碱：在原托品碱的分子中含有一个含氮的十元环结构，并无异喹啉环的存在，因此不是真正的异喹啉的衍生物。但它却常与异喹啉类衍生物共同存在于同一植物中，可能是形

19、成苯甲基异喹啉生物碱的中间产物，因此归为异喹啉类生物碱。菲啶（phenanthridine）衍生物（苯丙氨酸/酪氨酸）也属异喹啉衍生物，该类型中较重要的有：1.苯骈菲啶（benzo-phenanthridine）类生物碱：如：白屈菜碱（chelidonine）具有四个骈合环系，两端二个环为芳香苯环，中间二个为氢化芳环。该化合物具有一定强度的镇痛作用和抗菌活性，是白屈菜中含有的有效成分之一。2.吡咯骈菲啶（Pyrro-phenanthridine）类生物碱：如石蒜碱（lycorine）其结构中均含有吡咯与菲啶骈合的多环系。该化合物有催吐、祛痰作用，可作为恶心性去痰药用；还具有一定的抗癌活性。其氧

20、化产物氧化石蒜碱（oxylycorine）具有明显的抗癌作用，对胃癌、肝癌、头面部恶性肿瘤有效。吖啶酮（acridone）衍生物（邻氨基苯甲酸）芸香科鲍氏山油柑Acronychia baueri Schott中的山油柑碱即属于此类生物碱。其具有显著抗癌作用，抗瘤谱较广，现已有人工合成品。吲哚（yinduo）衍生物（苯丙氨酸/酪氨酸）该类型生物碱数量也较多且结构也比较复杂，如：长春花、马钱子等中药中含有的生物碱均属于此类型。较重要的还有：麦角新碱（ergonovine,ergometrine）:存在于麦角菌科麦角菌Claviceps purpures寄生在黑麦Secale cereale子房中所

21、形成的菌核中的一种水溶性生物碱，临床用于产后使子官收缩，减少充血而促其复原。毒扁豆碱（physostigmine）：来自于豆科植物毒扁豆Physostigma venenosum Balf.种子中的一种生物碱，又称依色林（escrine），是一种副交感神经兴奋药，用于青光眼治疗，还用于中药麻醉的催醒药。玫瑰树碱（ellipticine）：从玫瑰树属植物Ochrosia elliptica Labill.中获得。其具有类似喜树碱的抗癌作用，且毒性较低。咪唑（imidazole）衍生物此类生物碱种类不多，较重要的有毛果芸香碱，又称匹鲁卡品（pilocarpine），来源于毛果芸香Pilocarpu

22、s jaborandi Holmes及其他同属植物的叶片，临床上主要用于青光眼的治疗。（十一）喹唑酮（quinazolidone）衍生物常山碱（-dichroine,febrifugine）属此类型生物碱。其来自于中药常山Dichroa febrifuga Lour.。其具有抗疟作用，由于具有恶心、呕吐等副作用，故临床应用受到一定限制。（十二）嘌呤（purine）衍生物由嘌呤衍生的生物碱，在中药中存在较普遍，例如香菇嘌呤（eritadenine）。是由香菇Lentinus edodes （Berk.） Sing中分离得到的一种生物碱，具有显著降低血液中胆甾醇、甘油三酯、磷酯的生物活性，用于动脉

23、硬化，临床作为防治冠心病的药物。香菇嘌呤在其结构中连接有二羟基丁酸，亲水性比较强。将香菇嘌呤分子中的羧基转为内酯，使亲脂性加大，其活性（指降血液中胆甾醇的作用）较香菇嘌呤强达10倍，而且其亲脂性随着香菇嘌呤酯分子中取代基团的碳原子数目的增加而加大。但当碳原子数目超过5，则活性反而下降。这正说明分子内亲脂性和亲水性需要保持一定平衡的必要性。（十三）甾体生物碱类（steroidal alkaloids）本类被认为是天然甾体的含氮的简单衍生物，又与萜类生物碱统称为伪生物碱。中药浙贝母Fritillaria thunbergii Miq.和川贝母F.roylei Hooker的主要成分贝母碱（peim

24、ine,verticine）即：浙贝甲素(verticine)，为甾体生物碱。（十四）萜生物碱类（terpenoid alkaloids）此类生物碱包含：一萜生物碱、倍半萜生物碱、二萜生物碱、三萜生物碱等。例如石斛碱（dendrobine）属倍半萜生物碱；乌头生物碱属于复杂二萜衍生物。乌头碱毒性极大，产生毒性的根源是其结构中含有二个酯键。若将乌头碱与稀碱水溶液加热，很容易除去二个酯键，生成乌头原碱（aconine）。或将乌头碱在中性水溶液中加热，酯键也同样被水解。经水解后生成的乌头原碱，其毒性极小。这就是中医用乌头、附子必经炮制的原由。（十五）大环生物碱卫矛科美登木属植物在我国主要有云南美登木

25、Maytenus hookeri Loes.和广西美登木M.guangsiensis Cheng et Sha。在美登木中含有一种生物碱称为美登碱（maytansine）。该成分是一种高效低毒、安全幅度大的抗癌活性成分。（十六）其他类型生物碱中药川芎Ligusticum Wallichii Franch.中的生物碱川芎嗪，其结构为四甲基吡嗪（tetramethylpyrazine），用于治疗各种闭塞性血管疾病。再如得自蝙蝠葛中的生物碱短防己碱（acutumine）也属此类型生物碱。千金藤属植物Stephania japonica Miers.中的间千金藤碱（metaphanine）是一个含有莲

26、氏花烷（hasubanane）骨架的生物碱。三、理化性质一般性质1.形态：大多为结晶形固体，只有少数是非结晶形的粉末，如：乌头中的乌头原碱（aconine）。有一定的熔点（m.p.）。少数在常温时为液体，液体生物碱大多都不含氧，如果分子中含氧原子则氧原子也多结合成酯键。例如：八角枫须根中的毒藜碱（dl-anabasine）、烟叶中的菸碱（nicotine）、槟榔中的槟榔碱（arecoline）等都是液体。液体生物碱在常压下可以蒸馏或随水蒸汽蒸馏而不被破坏。固体生物碱有极少数如麻黄碱能随水蒸气蒸馏出来。有的可升华如：咖啡因。2.颜色：生物碱一般是无色或白色的化合物，只有少数有色。例如：小檗碱呈现

27、黄色，经硫酸和锌粉的还原反应，生成四氢小檗碱成为无色。颜色与共轭系统有关，共轭系统长则颜色深，共轭系统短则颜色浅。还有一些不是季铵碱的生物碱，也具有颜色，如： 一叶萩碱是淡黄色结晶体，但其盐则无色，这说明可能是由于其分子中氮原子上的孤电子能与环内双键产生跨环共轭的缘故。3.味觉：生物碱多具苦味。4.挥发性：一般无挥发性，少数有挥发性（如：液体生物碱）。5.旋光性：大多数生物碱分子有手性碳原子存在，有光学活性，且多数为左旋光性。少数生物碱分子中没有手性碳原子，如原托品碱无不对称中枢，无旋光性。有的生物碱产生变旋现象，有的生物碱在不同的溶剂中旋光度不同，例如：生物碱的生理活性与其旋光性密切相关。一

28、般地，左旋体呈显著的生理活性，而右旋体则无或很弱。如：但也有少数生物碱与此相反，如：6.溶解度游离Alk：大多数游离生物碱均不溶或难溶于水，能溶于氯仿、乙醚、丙酮、醇或苯等有机溶剂。类别极性价键溶解性H2OCHCl3HClNaOH非酚性Alk(无Ar-OH叔胺、仲胺)较弱共价脂溶性+季铵碱强离子水溶性+氮氧化物半极性配位中等水溶+两性Alk Ar-OH较弱共价脂溶性+（可成内盐）-COOH强离子水溶性+*酸、碱均为1%。季铵类生物碱，由于碱性强，离子化程度大，亲水性强，故较易溶于水。有少数生物碱虽不属于季铵类，但在水中也有较大的溶解度。例如：苦参碱由于碱性较强，极性较大，故有一定程度的水溶性。

29、 氧化苦参碱分子中的氧原子是通过半极性配位键与氮原子共享一对电子的，与生物碱盐类颇相似，极性较大，故在水中的溶解度比苦参碱更大，而在有机溶剂中的溶解度比苦参碱小。酸碱两性的生物碱，既能溶于酸性水溶液，又能溶于碱性水溶液，而不溶或难溶于常见的有机溶剂，如果它的酸性和碱性都很强，因能形成两性离子（内盐式），故亦易溶于水中。如：例如：游离的槟榔次碱，由于碱性较强，又具有酸性较强的羧基，故易溶于水或稀乙醇，几乎不溶于亲脂性有机溶剂包括氯仿、乙醚和无水乙醇等。如果将其分子中的羧基甲酯化，转变为槟榔碱，则又恢复只呈碱性的生物碱的通性，易溶于无水乙醇、氯仿或乙醚中，可是仍易溶于水，似乎与其分子中亲脂性基团酯

30、状结构不相适应，所以现在多采用季铵式的结构来代表槟榔碱，籍以解释它的水溶性。再如：吗啡属酸碱两性生物碱，但由于其具有的酚羟基酸性很弱，离子化程度小，加以分子比较复杂，故表现既难溶于水，又难溶于常见的亲脂性有机溶剂（包括氯仿），只有在醇类如乙醇、戊醇中才能溶解。如果将吗啡分子中的酚羟基甲基化，转为只有碱性的可待因，则可增加其在氯仿等亲脂性有机溶剂中的溶解度。有少数生物碱，虽含有酚羟基，但由于各种原因而导致不溶碱水中。如：去甲基粉防己碱其虽含有酚羟基，但不溶于碱性水溶液中，这是由于它的酚羟基受到邻位取代基的空间阻碍和形成分子内氢键，使酸性大大减弱的缘故。成盐Alk：生物碱盐类尤其是无机酸盐和小分子的有机酸盐多易溶于水，不溶或难溶于常见的有机溶剂。不同的酸与不同的生物碱结合生成的盐，具有不同的溶解度。例如：多数生物碱与大分子有机酸所形成的盐，往往要比小分子有机酸盐或无机酸盐在水中溶解度小。生物碱的无机酸盐虽然易溶于水，但溶解度的大小也不尽相同。一般说来，含氧酸盐的水溶性较大，如硫酸盐、磷酸盐等，少数生物碱的盐酸盐则较难溶于水（如盐酸小檗碱）。碱性很弱的生物碱