Введение
Класс природных химических соединений
the class of chemical compounds
Alkaloids are a class of basic, naturally occurring organic compounds that contain at least one nitrogen atom. This group also includes some related compounds with neutral and even weakly acidic properties. Some synthetic compounds of similar structure may also be termed alkaloids. In addition to carbon, hydrogen and nitrogen, alkaloids may also contain oxygen or sulfur. More rarely still, they may contain elements such as phosphorus, chlorine, and bromine. Alkaloids are produced by a large variety of organisms including bacteria, fungi, plants, and animals. They can be purified from crude extracts of these organisms by acid base extraction, or solvent extractions followed by silica gel column chromatography. Alkaloids have a wide range of pharmacological activities including antimalarial (e. g. quinine), antiasthma (e. g. ephedrine), anticancer (e. g. homoharringtonine), cholinomimetic (e. g. galantamine), vasodilatory (e. g. vincamine), antiarrhythmic (e. g. quinidine), analgesic (e. g. morphine), antibacterial (e. g. chelerythrine), and antihyperglycemic activities (e. g. berberine). Many have found use in traditional or modern medicine, or as starting points for drug discovery. Other alkaloids possess psychotropic (e. g. psilocin) and stimulant activities (e. g. cocaine, caffeine, nicotine, theobromine), and have been used in entheogenic rituals or as recreational drugs. Alkaloids can be toxic too (e. g. atropine, tubocurarine). Although alkaloids act on a diversity of metabolic systems in humans and other animals, they almost uniformly evoke a bitter taste. The boundary between alkaloids and other nitrogen containing natural compounds is not clear cut. Compounds like amino acid peptides, proteins, nucleotides, nucleic acid, amines, and antibiotics are usually not called alkaloids. Natural compounds containing nitrogen in the exocyclic position (mescaline, serotonin, dopamine, etc.) are usually classified as amines rather than as alkaloids. Some authors, however, consider alkaloids a special case of amines.
Алкалоиды – это класс основных органических соединений природного происхождения, содержащих как минимум один атом азота. К этой группе также относятся некоторые соединения с нейтральными и даже слабокислыми свойствами. Некоторые синтетические соединения с аналогичной структурой также могут называться алкалоидами. Помимо углерода, водорода и азота, алкалоиды могут содержать кислород или серу. Реже они могут содержать такие элементы, как фосфор, хлор и бром. Алкалоиды производятся широким спектром организмов, включая бактерии, грибы, растения и животных. Их можно выделять из сырых экстрактов этих организмов с помощью кислотно-основной экстракции или экстракции растворителями с последующей колоночной хроматографией на силикагеле. Алкалоиды обладают широким спектром фармакологической активности, включая противомалярийную (например, хинин), противоастматическую (например, эфедрин), противоопухолевую (например, гомогаррингтонин), холиномиметическую (например, галантамин), сосудорасширяющую (например, винкамин), антиаритмическую (например, хинидин), обезболивающую (например, морфин), антибактериальную (например, хелеритрин) и антигипергликемическую (например, берберин). Многие из них находят применение в традиционной или современной медицине, либо служат отправной точкой для разработки лекарственных препаратов. Другие алкалоиды обладают психотропным (например, псилоцин) и стимулирующим действием (например, кокаин, кофеин, никотин, теобромин) и использовались в энтеогенных ритуалах или в качестве рекреационных наркотиков. Алкалоиды также могут быть токсичными (например, атропин, тубокурарин). Хотя алкалоиды воздействуют на различные метаболические системы человека и других животных, они почти всегда вызывают горький вкус. Граница между алкалоидами и другими природными соединениями, содержащими азот, не является четкой. Соединения, такие как пептиды аминокислот, белки, нуклеотиды, нуклеиновые кислоты, амины и антибиотики, обычно не классифицируются как алкалоиды. Природные соединения, содержащие азот в экзоциклическом положении (мескалин, серотонин, дофамин и т.д.), обычно относят к аминам, а не к алкалоидам. Однако некоторые авторы рассматривают алкалоиды как частный случай аминов.
the class of chemical compounds
Alkaloids are a class of basic, naturally occurring organic compounds that contain at least one nitrogen atom. This group also includes some related compounds with neutral and even weakly acidic properties. Some synthetic compounds of similar structure may also be termed alkaloids. In addition to carbon, hydrogen and nitrogen, alkaloids may also contain oxygen or sulfur. More rarely still, they may contain elements such as phosphorus, chlorine, and bromine. Alkaloids are produced by a large variety of organisms including bacteria, fungi, plants, and animals. They can be purified from crude extracts of these organisms by acid base extraction, or solvent extractions followed by silica gel column chromatography. Alkaloids have a wide range of pharmacological activities including antimalarial (e. g. quinine), antiasthma (e. g. ephedrine), anticancer (e. g. homoharringtonine), cholinomimetic (e. g. galantamine), vasodilatory (e. g. vincamine), antiarrhythmic (e. g. quinidine), analgesic (e. g. morphine), antibacterial (e. g. chelerythrine), and antihyperglycemic activities (e. g. berberine). Many have found use in traditional or modern medicine, or as starting points for drug discovery. Other alkaloids possess psychotropic (e. g. psilocin) and stimulant activities (e. g. cocaine, caffeine, nicotine, theobromine), and have been used in entheogenic rituals or as recreational drugs. Alkaloids can be toxic too (e. g. atropine, tubocurarine). Although alkaloids act on a diversity of metabolic systems in humans and other animals, they almost uniformly evoke a bitter taste. The boundary between alkaloids and other nitrogen containing natural compounds is not clear cut. Compounds like amino acid peptides, proteins, nucleotides, nucleic acid, amines, and antibiotics are usually not called alkaloids. Natural compounds containing nitrogen in the exocyclic position (mescaline, serotonin, dopamine, etc.) are usually classified as amines rather than as alkaloids. Some authors, however, consider alkaloids a special case of amines.
Именование
Название "алкалоиды" (Alkaloide) было введено в 1819 году немецким химиком Карлом Фридрихом Вильгельмом Мейснером и происходит от позднелатинского корня *alkali* и греческого суффикса οειδής ("подобный"). Однако термин получил широкое распространение только после публикации обзорной статьи Оскара Якобсена в химическом словаре Альберта Ладенбурга в 1880-х годах. Единого метода наименования алкалоидов не существует. Многие индивидуальные названия образуются путем добавления суффикса "ин" к названию вида или рода. Например, атропин выделяют из растения Atropa belladonna, а стрихнин – из семян дерева стрихнина (Strychnos nux vomica L.). Эти вещества называют алкалоидами винки.
История
Растения, содержащие алкалоиды, использовались людьми с древнейших времен в терапевтических и рекреационных целях. Например, лекарственные растения были известны в Месопотамии примерно с 2000 года до нашей эры. В «Одиссее» Гомера упоминается дар, преподнесенный Елене египетской царицей, – вещество, вызывающее забвение. Считается, что этот дар содержал опиум. В китайской книге о комнатном растениеводстве, написанной в I–III веках до нашей эры, упоминается медицинское применение эфедры и опийного мака. Кроме того, листья коки использовались коренными народами Южной Америки с древнейших времен. Экстракты из растений, содержащих токсичные алкалоиды, такие как аконитин и тубокурарин, с древности применялись для отравления стрел. Развитие химии алкалоидов ускорилось с появлением спектроскопических и хроматографических методов в XX веке, благодаря чему к 2008 году было идентифицировано более 12 000 алкалоидов. Первый полный синтез алкалоида был осуществлен в 1886 году немецким химиком Альбертом Ладенбургом. Он получил кониин, прореагировав 2-метилпиридин с ацетальдегидом и восстановив образовавшийся 2-пропенилпиридин натрием.
Свойства
Большинство алкалоидов содержат кислород в своей молекулярной структуре; эти соединения обычно представляют собой бесцветные кристаллы при обычных условиях. Алкалоиды, не содержащие кислорода, такие как никотин или кониин, также встречаются. Некоторые алкалоиды окрашены, например, берберин (жёлтый) и сангинар (оранжевый). Многие алкалоиды плохо растворимы в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях, таких как диэтиловый эфир, хлороформ или 1,2-дихлорэтан. Кофеин, кокаин, кодеин и никотин умеренно растворимы в воде (с растворимостью ≥1 г/л), тогда как другие, включая морфин и йохимбин, очень мало растворимы в воде (0,1–1 г/л). Алкалоиды образуют соли различной прочности с кислотами. Эти соли обычно хорошо растворимы в воде и этаноле и плохо растворимы в большинстве органических растворителей. Исключения составляют скополамина гидробромид, растворимый в органических растворителях, и сульфат хинина, растворимый в воде. Некоторые алкалоиды могут вызывать пороки развития у потомства животных, потребляющих алкалоиды, но не способных их детоксифицировать. Примером является алкалоид циклопамин, содержащийся в листьях ландыша кукурузного. В 1950-х годах до 25% ягнят, рождённых от овец, пасущихся на ландыше кукурузном, имели серьёзные деформации лица, варьировавшиеся от деформированных челюстей до циклопии (см. рисунок). После десятилетий исследований в 1980-х годах соединение, ответственное за эти деформации, было идентифицировано как алкалоид 11-дезоксижервин, позднее переименованный в циклопамин.
Распространение в природе
Алкалоиды образуются различными живыми организмами, особенно высшими растениями – около 10–25% из них содержат алкалоиды. Поэтому в прошлом термин "алкалоид" ассоциировался преимущественно с растениями. Содержание алкалоидов в растениях обычно составляет несколько процентов и распределено неравномерно по растительным тканям. В зависимости от вида растения, максимальная концентрация наблюдается в листьях (например, в беладонне), плодах или семенах (в дереве стрихнина), корне (раувольфия змеиная) или коре (хина). Более того, различные ткани одного и того же растения могут содержать разные алкалоиды. Помимо растений, алкалоиды встречаются в некоторых видах грибов, таких как псилоцибин в плодовых телах рода Psilocybe, и в животных, например, буфотенин в коже некоторых видов жаб. Многие морские организмы также содержат алкалоиды. Некоторые амины, такие как адреналин и серотонин, играющие важную роль в организмах высших животных, схожи с алкалоидами по структуре и биосинтезу и иногда также классифицируются как алкалоиды.
Экстракция
Из-за структурного разнообразия алкалоидов не существует единого метода их извлечения из природного сырья. Большинство методов основаны на свойстве большинства алкалоидов растворяться в органических растворителях. Перед экстракцией растения тщательно измельчают. В сырых растениях большинство алкалоидов присутствует в форме солей органических кислот. Алкалоиды разделяют из смеси, используя их различную растворимость в определенных растворителях, различную реакционную способность с определенными реагентами или путем дистилляции. Ряд алкалоидов выделяют из насекомых, среди которых особое внимание исследователей привлекают алкалоиды яда огненных муравьев, известные как соленопсины. Эти алкалоиды насекомых можно эффективно извлекать путем погружения живых огненных муравьев в растворитель с последующей очисткой методом силика-гелевой хроматографии. Отслеживание и дозирование извлеченных соленопсиновых муравьиных алкалоидов возможно благодаря их пику поглощения около 232 нанометров.
В сельском хозяйстве
До разработки широкого спектра относительно малотоксичных синтетических пестицидов некоторые алкалоиды, такие как соли никотина и анабазина, применялись в качестве инсектицидов. Их применение ограничивалось высокой токсичностью для человека.
Использование в качестве психоактивных препаратов
Препараты растений и грибов, содержащие алкалоиды и их экстракты, а затем и чистые алкалоиды, давно используются как психоактивные вещества. Кокаин, кофеин и катинон – стимуляторы центральной нервной системы. Мескалин и многие индольные алкалоиды (такие как псилоцибин, диметилтриптамин и ибогаин) оказывают галлюциногенное действие. Морфин и кодеин – мощные наркотические обезболивающие средства. Существуют алкалоиды, которые сами по себе не обладают выраженным психоактивным эффектом, но служат предшественниками для полусинтетических психоактивных препаратов. Например, эфедрин и псевдоэфедрин используются для производства меткатинона и метамфетамина. Тебаин применяется в синтезе многих обезболивающих, таких как оксикодон.