Алкалоиды 1

Алкало́иды, группа азотсодержащих органических соединений природного происхождения (чаще всего растительного), преимущественногетероциклических, большинство из которых обладает свойствами слабого основания; к ним также причисляются некоторые биогенетически связанные с основными А. нейтральные и даже слабокислотные соединения также относятся к алкалоидам, аминокислоты, нуклеотиды, аминосахара и их полимеры к А. не относятся. Иногда А. называются и синтетические соединения аналогичного строения.

Помимо углерода, водорода и азота в молекулы А. могут входить атомы серы, реже — хлора, брома или фосфора. Многие А. обладают выраженной физиологической активностью. К А. относятся, например, такие вещества, как морфин, кофеин,кокаин, стрихнин, хинин и никотин.

Граница между А. и другими азотсодержащими природными соединениями различными авторами проводится по-разному. Иногда считается, что природные соединения, содержащие азот в экзоциклической позиции (мескалин, серотонин, дофамин и др.), относятся кбиогенным аминам, но не к А. Другие же авторы, напротив, считают алкалоиды частным случаем аминов или причисляют биогенные амины к А.

Название «А.» (нем. Alkaloide) введено в 1819 году немецким аптекарем Карлом Мейсснером и образовано от позднелат. alkali — «щёлочь» (который, в свою очередь, происходит от арабского al qualja — «пепел растений») и др.-греч. εἶδος — «похожий», «вид». В широкое употребление термин вошёл только после публикации обзорной статьи О. Якобсена в химическом словаре Альберта Ладенбурга. 

Единого метода назначения А.  тривиальных названий не существует. Во многих случаях А. присваивают названия, образуя индивидуальные названия А. присоединением суффикса «-ин» к видовым или родовым названиям алкалоидоносов. Например, атропин выделен из растения Белладонна (Atropa belladonna L.), стрихнин получен из рвотных орешков — семян дерева Чилибуха (Strychnos nux-vomica L.). При выделении нескольких А. из одного растения вместо суффикса «-ин» часто используются суффиксы «-идин», «-анин», «-алин», «-инин» и т. п. Такая практика привела к тому, что существует, например, не менее 86 А., содержащих в названии корень «вин» (выделены из барвинка, лат. Vinca).

Растения, содержащие А., использовались человеком с древнейших времён как в лечебных, так и в рекреационных целях. Так, в Месопотамии лекарственные растения были известны уже за 2000 лет до н. э. В «Одиссее» Гомера упоминается подаренное Елене египетской царицей снадобье, дарящее «забвенье бедствий». Считается, что речь шла о средстве, содержавшем опиум. В I—III веках до н. э. в Китае была написана «Книга домашних растений», в которой упоминалось медицинское использование эфедры и опийного мака. Листья коки использовались индейцами Южной Америки также с древних времён.

Экстракты растений, содержащие ядовитые А., такие как аконитин и тубокурарин, использовались в древности для изготовления отравленных стрел.

Изучение А. началось в XIX веке. В 1804 году немецкий аптекарь Фридрих Сертюрнер выделил из опиума «снотворный принцип» (лат. principium somniferum), который он назвал «морфием» в честь Морфея, древнегреческого бога сновидений (современное название «морфин» принадлежит французскому физику Гей-Люссаку).

Значительный вклад в химию А. на заре её развития внесли французские исследователи Пьер Пеллетье и Жозеф Каванту, открывшие, в частности, хинин (1820) и стрихнин (1818). Также в течение нескольких последующих десятилетий были выделены ксантин (1817), атропин(1819), кофеин (1820), кониин (1827), никотин (1828), колхицин (1833), спартеин (1851), кокаин (1860) и другие алкалоиды.

Полный синтез А. впервые осуществлён в 1886 г. для кониина немецким химиком Альбертом Ладенбургом путём взаимодействия 2-метилпиридина с ацетальдегидом и восстановления получившегося 2-пропенилпиридина с помощью натрия.

Появление в XX веке спектроскопии и хроматографии послужило толчком к ускоренному развитию химии А. По состоянию на 2008 год известно более 12000 А.  

По сравнению с большинством других классов природных соединений класс А. отличается большим структурным многообразием. Единой классификации А. не существует.

Исторически первые классификации А. объединяли А. в группы по признаку происхождения из общего природного источника, например, из растений одного рода. Это было оправдано недостаточностью знаний о химическом строении А. В настоящее время такая классификация считается во многом устаревшей.

Более современные классификации используют объединение А. в классы по признаку сходства строений углеродного скелета (индольные, изохинолиновые, пиридиновые алкалоиды и т. п.) или по биогенетическим предшественникам (орнитин, лизин, тирозин, триптофан и т. п.) Однако при использовании таких схем также приходится идти на компромиссы в пограничных случаях: так, никотин содержит как пиридиновое ядро, происходящее от никотиновой кислоты, так и пирролидиновое ядро от орнитина, и поэтому может быть отнесён к обоим классам.

А. часто делят на следующие большие группы:

1. А. с атомом азота в гетероцикле, биогенетическими предшественниками которых являются аминокислоты. Также называютсяистинными алкалоидами. Примерами истинных А.   являются атропин, никотин, морфин. К этой группе также относят некоторые А., содержащие кроме азотистых гетероциклов терпеноидные фрагменты (как эвонин) или имеющие пептидную структуру (какэрготамин). Пиперидиновые А. кониин и коницеин также часто относят к этой группе, но их предшественники не являются аминокислотами.

2. А. с атомом азота в боковой цепи, биогенетическими прекурсорами которых являются аминокислоты. Также называются протоалкалоидами. Примерами являются мескалин, адреналин и эфедрин.

3. Полиаминные А. (производные путресцина, спермидина и спермина).

4. Пептидные (циклопептидные) А.

5. Псевдоалкалоиды — соединения, похожие на А., биогенетическими предшественниками которых не являются аминокислоты. К этой группе относятся, в первую очередь, терпеноидные и стероидные А. Пуриновые А., такие как кофеин, теобромин и теофиллин, также иногда относят к псевдоалкалоидам в связи со спецификой их биосинтеза. Некоторые авторы относят к псевдоалкалоидам также такие соединения, как эфедрин и катинон, которые, хотя и происходят от аминокислоты фенилаланина, но атом азота приобретают не от неё, а в результате реакции трансаминации.

Некоторые соединения, относимые по аналогии к тому или иному структурному классу, не имеют соответствующего элемента углеродного скелета. Так, галантамин и гомоапорфины не содержат изохинолинового ядра, но обычно относятся к изохинолиновым А.

А., молекулы которых содержат атомы кислорода (что справедливо для подавляющего большинства А.) при стандартных условиях, как правило, представляют собой бесцветные кристаллы. А., молекулы которых не содержат атомов кислорода, чаще всего являются летучими бесцветными маслянистыми жидкостями (как никотин иликониин). Некоторые А. не являются бесцветными: так, берберин жёлтый, сангвинарин оранжевый.

Большинство А. обладает свойствами слабых оснований, но некоторые из них амфотерны (как теобромин и теофиллин).

Как правило, А. плохо растворимы в воде, но хорошо растворимы во многих органических растворителях (диэтиловом эфире, хлороформе и 1,2-дихлорэтане). Исключением является, например, кофеин, хорошо растворимый в кипящей воде. При взаимодействии с кислотами А. образуют соли различной степени прочности. Соли А., как правило, хорошо растворимы в воде и спиртах и плохо растворимы в большинстве органических растворителей, хотя известны соли, плохо растворимые в воде (сульфат хинина) и хорошо растворимые в органических растворителях (гидробромид скополамина).

Большинство А. имеет горький вкус. Предполагается, что таким образом естественный отбор защитил животных от вырабатываемых растениями А., многие из которых сильно ядовиты.

А. синтезируются различными живыми организмами. Наиболее широко они распространены в высших растениях: по имеющимся оценкам, от 10 до 25 % видов высших растений содержат А. Характерно, что в прошлом термин «А.» чаще всего применялся только по отношению к веществам растительного происхождения.

Содержание А. в растениях, как правило, не превышает нескольких процентов. В большинстве растений распределение А. по тканям неравномерно. В зависимости от вида растения максимальное содержание А. может достигаться в листьях (белена чёрная), плодах или семенах (чилибуха), корнях (раувольфия змеиная) или коре (хинное дерево). Кроме того, в разных тканях одного и того же растения могут содержаться разные А.

Помимо растений, А. содержатся в некоторых видах грибов (псилоцибин, содержащийся в грибах рода псилоцибе) и животных (буфотенин, содержащийся в коже некоторых жаб). Биогенные амины, такие как адреналин или серотонин, играющие важную роль в организмах высших животных, сходны с А. по строению и путям биосинтеза и иногда также называются А.

Кроме того, А. содержатся во многих морских организмах.

Ввиду большого структурного разнообразия А.  не существует единого метода выделения их из природного сырья. Большинство методов основаны на использовании того факта, что основания А., как правило, хорошо растворимы в органических растворителях и плохо растворимы в воде, а соли — наоборот.

Большинство растений содержат несколько А.  При выделении А.  из природного сырья сначала производится извлечение смеси А., а затем выделение индивидуальных А.  из смеси.

Перед извлечением А. растительное сырьё тщательно измельчается.

Чаще всего А. находятся в растительном сырье в виде солей органических кислот. При этом извлечены А. могут быть как в виде оснований, так и в виде солей.

При извлечении А. в виде оснований сырьё обрабатывается щелочными растворами для перевода солей А. в основания, после чего основания А. извлекаются органическими растворителями (1,2-дихлорэтан, хлороформ, диэтиловый эфир, бензол). Затем для очистки от примесей полученный раствор оснований А. обрабатывается слабым раствором кислоты, при этом А. образуют соли, нерастворимые в органических растворителях и переходящие в воду. При необходимости водный раствор солей А. снова подщелачивают и обрабатывают органическим растворителем. Процесс продолжается, пока не получен раствор смеси А. достаточной чистоты.

При извлечении А. в виде солей сырьё обрабатывается слабым раствором кислоты (например, уксусной) в воде, этаноле или метаноле. Полученный раствор подщелачивают для перевода солей А. в основания, которые извлекаются органическим растворителем (если экстракция производилась с помощью спирта, его предварительно необходимо отогнать, а остаток растворить в воде). Раствор оснований А. в органическом растворителе подвергается очистке, как указано выше.

Разделение смеси А. на компоненты производится с использованием различия их физических и химических свойств. Для этого может быть использована перегонка, разделение на основе различной растворимости А. в конкретном растворителе, разделение на основе различия в силе основности и разделение путём получения производных.

Биогенетическими предшественниками большинства А. являются аминокислоты: орнитин, лизин, фенилаланин, тирозин, триптофан, гистидин, аспарагиновая кислота и антраниловая кислота. Все эти аминокислоты, кроме антраниловой кислоты, являются протеиногенными. Никотиновая кислота может быть синтезирована из триптофана или аспарагиновой кислоты. Пути биосинтеза А. не менее разнообразны, чем их структуры, и их невозможно объединить в общую схему. Тем не менее, существует несколько характерных реакций, участвующих в биосинтезе различных классов А.:

• образование оснований Шиффа,

• реакция Манниха,

Основания Шиффа могут быть получены в результате реакции аминов с кетонами или альдегидами. Данная реакция является распространённым способом формирования C=N связи.

При биосинтезе А. реакция образования основания может проходить также внутримолекулярно. Примером может являться реакция образования Δ1-пиперидеина, происходящая при синтезе пиперидинового цикла.

                                                                                                                                                     продолжение