Введение

Кониин – ядовитое химическое соединение, алкалоид, содержащийся и выделяемый из ядовитого веха (Conium maculatum), где его присутствие представляло значительный экономический, медицинский и историко-культурный интерес; кониин также продуцируется желтым саксом (Sarracenia flava) и борщевиком сомнительным (Aethusa cynapium). Его проглатывание и длительное воздействие токсичны для человека и всех видов сельскохозяйственных животных; механизм отравления заключается в нарушении работы центральной нервной системы, а смерть наступает вследствие паралича дыхательных путей. Биосинтез кониина включает в себя, как предпоследний этап, неферментативную циклизацию 5-оксооктиламина в γ-конисеин – основание Шиффа, отличающееся от кониина лишь наличием углерод-азотной двойной связи в кольце. Этот путь приводит к образованию природного кониина, который представляет собой смесь – рацемат, состоящую из двух энантиомеров, стереоизомеров (S)-(+)-кониина и (R)-(-)-кониина, в зависимости от направления ветвления цепи от кольца. Оба энантиомера токсичны, при этом (R)-энантиомер обычно является более биологически активным и токсичным. Кониин занимает особое место в истории органической химии как первый важный алкалоид, синтезированный Альбертом Ладенбургом в 1886 году, и он был синтезирован в лаборатории различными уникальными способами вплоть до наших дней. Отравление вехом периодически вызывало обеспокоенность у людей, регулярно встречается в ветеринарной практике и имело значительные последствия в истории человечества и культуры. В частности, в 399 году до н.э. Сократ был приговорен к смерти путем употребления смеси ядовитого веха, содержащей кониин.

Естественное происхождение

Ядовитый борщевик (Conium maculatum) содержит высокотоксичные количества конина. Его присутствие на сельскохозяйственных угодьях представляет проблему для фермеров, разводящих скот, поскольку животные могут его есть, если они недостаточно обеспечены кормом или если борщевик смешивается с пастбищной травой. Кониин в Conium maculatum присутствует в виде смеси R (−) и S (+) энантиомеров. Кониин также содержится в Sarracenia flava, жёлтом кувшиночном растении. Жёлтый кувшин – это плотоядное растение, эндемичное для юго-востока Соединённых Штатов. Растение использует смесь сахара и конина, чтобы одновременно привлекать и отравлять насекомых, которые затем попадают в пищеварительный канал. Кониин также содержится в Aethusa cynapium, обычно известном как дурничница обыкновенная.

История естественных изолятов

История кониина закономерно связана с растением ядовитым борщевиком, поскольку природный продукт не был синтезирован до 1880-х годов. Евреи на Ближнем Востоке отравились конином, употребив в пищу перепелов в местности, где обычно поедали семена борщевика, а греки на острове Лесбос, также употреблявшие перепелов, страдали от того же отравления, вызывавшего миоглобинурию и острое повреждение почек. Наиболее известное отравление борщевиком произошло в 399 году до нашей эры, когда философ Сократ, предположительно, выпил жидкость, настоянную на борщевике, чтобы исполнить смертный приговор, вынесенный ему за неуважение к богам и развращение молодежи. В Древней Греции сок борщевика часто использовался для казни преступников. На протяжении истории борщевик применялся в медицине в ограниченных масштабах. Греки использовали его не только как средство смертной казни, но и как спазмолитическое средство и для лечения артрита. Книги X века свидетельствуют о медицинском применении борщевика англосаксами. В Средние века считалось, что борщевик может излечить бешенство; позднее в Европе он стал ассоциироваться с колдовскими летучими мазями. Коренные американцы использовали экстракт борщевика в качестве яда для стрел. Хотя кониин содержится также в желтом кувшине и петрушке дурной, нет сообщений о традиционном использовании этих растений.

Фармакология и токсикология

(R) (-) энантиомер конина является более биологически активным, по крайней мере, в одной системе (клетках TE 671, экспрессирующих человеческие фетальные никотиновые нейромышечные рецепторы), и в биопробе на мышах тот же энантиомер и рацемическая смесь примерно в два раза токсичнее, чем (S) (+) энантиомер (см. ниже). Это приводит к системному вялому параличу, механизм действия которого схож с сукцинилхолином, поскольку оба вещества являются деполяризующими нейромышечными блокаторами. Симптомы паралича обычно возникают в течение получаса, хотя смерть может наступить через несколько часов. Центральная нервная система не поражается: человек остается в сознании и сохраняет ясность мышления до тех пор, пока паралич дыхания не приведет к остановке дыхания. Вялый мышечный паралич начинается в нижних конечностях и распространяется вверх. Перед смертью у человека может возникнуть гипоксический судорожный приступ, который маскируется мышечным параличом и проявляется лишь слабым дрожанием. Причиной смерти является недостаток кислорода в мозге и сердце вследствие паралича дыхания, поэтому отравленный человек может выжить, если будет обеспечена искусственная вентиляция легких до полного выведения токсина из организма. Значения (у мышей, при внутривенном введении) для R (-) и S (+) энантиомеров и рацемата составляют приблизительно 7, 12 и 8 миллиграммов на килограмм соответственно, однако формула была предложена Блайтом и окончательно установлена Хофманом. D (S) Кониин был впоследствии определен как бесцветная щелочная жидкость с проникающим запахом и жгучим вкусом; имеет D0° 0,8626 и D19° 0,8438, показатель преломления n23°D 1,4505 и является правовращающим, [α]19°D +15,7° (см. соответствующие комментарии в разделе «Удельное вращение» ниже). L (R) Кониин имеет [α]21°D 15° и во всем остальном похож на свой D-изомер, но соли имеют несколько отличающиеся температуры плавления; платинихлорид плавится при 160 °C (Löffler и Friedrich сообщают о 175 °C), а арихлорид – при 59 °C.

Растворимость

Кониин слегка растворим в холодной воде (1:90), и его растворимость в горячей воде меньше, поэтому прозрачный холодный раствор мутнеет при нагревании. С другой стороны, основание растворяется примерно в 25% воды при комнатной температуре. Он смешивается со спиртом в любых соотношениях, легко растворим в эфире и большинстве органических растворителей. Кониин растворяется в дисульфиде углерода с образованием комплексного тиокарбамата.

Кристаллизация

Кониин затвердевает в мягкую кристаллическую массу при −2 °C. Он медленно окисляется на воздухе. Соли хорошо кристаллизуются и растворимы в воде или спирте. Гидрохлорид, B•HCl, кристаллизуется из воды в виде ромбов, т. пл. 220 °C, [α]20°D +10.1°; гидробромид – в иглах, т. пл. 211 °C, и D-тартрат, B•C4H6O6•2 H2O – в ромбических кристаллах, т. пл. 54 °C. Платинихлорид (B•HCl)2•PtCl4•H2O выделяется из концентрированного раствора в виде масла, которое затвердевает в массу оранжево-жёлтых кристаллов, т. пл. 175 °C (в сухом виде). Аурихлорид, B•HAuCl4, кристаллизуется при хранении, т. пл. 77 °C. Пикрат образует мелкие жёлтые иглы, т. пл. 75 °C, при кристаллизации из горячей воды. 2,4-Динитробензоил- и 3,5-динитробензоилпроизводные имеют температуры плавления 139,0–139,5 °C и 108–109 °C соответственно. Осадок, полученный с использованием раствора йодида калия и кадмия, кристаллический, т. пл. 118 °C, в то время как осадок, полученный с никотином при использовании этого реагента, аморфен.

Изменения цвета

Кониин не образует окраску при взаимодействии с серной или азотной кислотами. Нитропрусид натрия дает глубокий красный цвет, который исчезает при нагревании, но возвращается при охлаждении и изменяется на синий или фиолетовый в присутствии альдегидов.

Специфическая ротация

Стереохимический состав "кониина" имеет некоторое значение, поскольку его два энантиомера не имеют идентичных биологических свойств. Эти авторы отмечают, что значение Ладенбурга, +15°, относится к "чистому", т.е. неразбавленному, образцу. Аналогично высокое значение +16° для [α]D "кониина" приводится в The Merck Index без явной ссылки на источник. Значение +7,7° (c = 4,0, CHCl3) для синтетического S (+) конина и 7,9° (c = 0,5, CHCl3) для синтетического R (−) конина дают другие химики. Гидрохлоридные соли (S) (+) и (R) (-) энантиомеров конина имеют значения [α]D +4,6° и 5,2° соответственно (c = 0,5, в метаноле). Ладенбург нагревал йодид N-метилпиридина до 250 °C, чтобы получить 2-метилпиридин. Затем он провел конденсацию Кнёвенагеля с ацетальдегидом в безводном хлориде цинка, чтобы получить 2-пропенилпиридин. Фактически, Ладенбург использовал паральдегид, циклический тример ацетальдегида, который легко образует ацетальдегид при нагревании. Наконец, 2-пропенилпиридин был восстановлен металлическим натрием в этаноле для получения рацемического (±) конина. Фракционная кристаллизация рацемического конина с (+) винной кислотой дает энантиомерно чистый конин. Предложенная Ладенбургом схема давала низкие выходы, поэтому поиск альтернативных путей был открыт. Немного лучший выход наблюдается, если 2-метилпиридин и ацетальдегид нагревают в герметичной трубке с соляной кислотой в течение 10 часов. Образуется смесь 2-пропенилпиридина и 2-хлорпропилпиридина, которая затем восстанавливается натрием в этаноле, давая рацемический конин. Примечание: хотя схема ниже показывает один энантиомер конина, в конечной реакции получается рацемическая смесь, которая затем разделяется. В 1907 году был предложен другой путь с лучшим выходом. Сначала 2-(2'-гидроксипропил)пиридин восстанавливается фосфором и дымящейся гидройодной кислотой при 125 °C. Во-вторых, продукт обрабатывается цинковой пылью и водой. Наконец, продукт второй стадии обрабатывается натрием в этаноле. Примечание: хотя на графике ниже показан один энантиомер конина, эта реакция приводит к рацемической смеси, которая затем очищается и разделяется. Было осуществлено несколько других синтезов конина, из которых особенно интересен синтез Дильса и Альдера. Первоначальным аддуктом пиридина и диметилацетилендикарбоксилата является тетраметилхинолизин-1,2,3,4-тетракарбоксилат, который при окислении разбавленной азотной кислотой превращается в триметилиндолизин-трикарбоксилат. Это, при гидролизе и декарбоксилировании, дает индолизин, октагидропроизводное которого, также известное как октагидропирроколин, превращается методом цианогенбромида последовательно в бромоцианамид, цианамид и рацемический конин. Синтез алкалоида, начиная с индолизина (пирроколина), описан Очиаи и Цуда. Приготовление L-(R)-конина путем восстановления β-коницеина (L-пропенилпиперидина) Лёффлером и Фридрихом Гессом и Эйхелем сообщало, что пеллетьерин является альдегидом (β2-пиперидилпропальдегидом), соответствующим конину, и давал рацемический конин, когда его гидразон нагревали с этилатом натрия в этаноле при 156–170 °C. Согласно данным этих авторов, D-(S)-конин становится практически оптически неактивным при нагревании с гидроксидом бария и спиртом при 180–230 °C. Лейте показал, наблюдая оптическое вращение (+) пипеколиевой кислоты (пиперидин-2-карбоновой кислоты) и некоторых ее производных при различных условиях, что она должна принадлежать к D-серии аминокислот. В настоящее время конин и многие другие алкалоиды могут синтезироваться стереоселективно. Таким образом, исходя из (S)-спирта, получается (S)-энантиомер конина и наоборот. Примечательно, что разделение рацемического спирта на различные энантиомеры осуществляется с помощью липазы *Candida antarctica*.

Биосинтез

Биосинтез конина все еще изучается, но значительная часть пути уже выяснена. Изначально считалось, что для поликетидсинтазы, формирующей кониин, используются 4 ацетильные группы в качестве исходных соединений, однако на самом деле он происходит из двух малонильных и бутирил-КоА, которые, как обычно, образуются из ацетил-КоА. Дальнейшее удлинение бутирил-КоА с использованием 2 малонил-КоА приводит к образованию 5-кетооктаналя. Затем 5-кетооктаналь подвергается трансаминированию с помощью аланина: 5-кетооктанальной аминотрансферазы. Образовавшийся амин спонтанно циклизуется и дегидратируется с образованием предшественника конина γ-коницеина. Затем γ-коницеин восстанавливается с помощью NADPH-зависимой γ-коницеиноредуктазы, образуя кониин.

В популярной культуре

Кониин — орудие убийства в детективном романе Агаты Кристи «Пять маленьких поросят». Стереоизомеры R и S-2-пропилпиперидина — нейротоксины, присутствующие в слизнеподобном организме в сериале «Пространство». В сериале показано, что токсин вызывает почти мгновенную смерть при контакте с кожей.