Алкалоїди й історія їхнього відкриття

Поняття про алкалоїди

Алкалоїдами називають групу азотистих сполук, що володіють основними властивостями і зустрічаються переважно в рослинах; алкалоїди характеризуються в більшості випадків складною будовою і зазвичай містять у своїх молекулах гетероцикли. Багато алкалоїди володіють сильним фізіологічним дією: У великих дозах вони є отрута, а в малих їх часто застосовують як цінні лікарські речовини.

Алкалоїди дуже широко поширені в рослинному світі. Деякі сімейства рослин особливо багаті алкалоїдами, наприклад макові, пасльонові та ряд інших. У більшості випадків алкалоїди зустрічаються групами, причому представники такої групи часто мають схожу хімічну будову. У рослинах алкалоїди зазвичай зустрічаються у вигляді солей органічних кислот - щавлевої, яблучної, вино-кам’яної, лимонної та ін. Вільні алкалоїди (виділені з солей) у зв'язку з їх основними властивостями часто називають алкалоїдами-основами.

Виділення

При виділенні алкалоїдів з рослин зазвичай користуються тим, що багато солі алкалоїдів добре розчиняються у воді, вільні ж алкалоїди-підстави погано розчиняються у воді, але добре розчиняються в спирті, ефірі і хлороформі. Для виділення алкалоїдів подрібнені рослини безпосередньо обробляють лугами, а потім витягають виділені алкалоїди-підстави хлороформом, ефіром і ін. Існують і інші способи. Іноді з розчинів солей алкалоїдів останні для очищення виділяють шляхом осадження різними реактивами (см. нижче реакції осадження алкалоїдів).

Загальні властивості алкалоїдів

Більшість алкалоїдів-тверді речовини, хоча іноді зустрічаються і рідкі алкалоїди, наприклад нікотин. Більшість алкалоїдів-підстав важко розчиняється у воді, легко в кислотах, а також в органічних розчинниках. Солі алкалоїдів зазвичай добре розчиняються у воді, за винятком деяких. Існує ряд реакцій, що носять назву алкалоїдні; за допомогою цих реакцій можна осадити алкалоїди для їх виявлення і виділення.

Реакції осадження

Реакції осадження алкалоїдів засновані або на освіті нерозчинних солей алкалоїдів, або на освіті нерозчинних подвійних солей.

1.Образование нерозчинних простих солей.

а) Реакція з таніном. При додаванні до розчину солі алкалоїду розчину таніну випадає осад. При цій реакції утворюється нерозчинна сіль алкалоїду і таніну, що має кислотні властивості. Реакція має велике практичне значення: при отруєнні алкалоїдами потерпілому дають пити розчин таніну або просто міцний чай, що містить багато дубильних речовин.

б) Реакція з пікриновою кислотою. Розчини солей алкалоїдів дають з пікринової кислотою жовтий осад. У даному випадку сутність реакції точно так само зводиться до утворення звичайної солі алкалоїду і пікринової кислоти.

в) Реакції з фосфорно-вольфрамової і фосфорно-молібденової кислотами призводять до випадання в осад нерозчинних солей алкалоїдів і названих кислот.

2.Образовання подвійних (комплексних) солей

а) Реакція з хлоридом ртуті (II) (сулемою) HgCl2. Алкалоїди дають нерозчинні у воді солі HgCl2.

б) Реакція з розчином йоду в розчині йодиду калію. Зазначений реактив бере в облогу шоколадно-коричневий осад подвійної солі алкалоїдів.

в) Реакція з розчином йодиду вісмуту в розчині йодиду калію (BiI3 KI) протікає аналогічно попередньої. Застосовуваний при цьому реактив часто називають реактивом Драгендорфа.

Реакції фарбування

Крім реакцій осадження, для виявлення алкалоїдів часто застосовують реакції фарбування. Фарбування розчинів, що містять деякі алкалоїди, відбувається при дії сірчаної, азотної кислоти та інших реактивів.

Багато реакції осадження та фарбування алкалоїдів обумовлені наявністю в них гетероциклів. Так як гетероцикли містяться також в білкових речовинах, так звані алкалоїдні реакції неспецифічні для алкалоїдів і виходять також і з білками.

Класифікація

Для зручності вивчення алкалоїди ділять на групи. Раніше, коли хімічну будову алкалоїдів було маловідомим, їх ділили на групи в залежності від тих рослин, з яких їх отримували. Так, наприклад, виділяли групи алкалоїди хінної кори, маку та ін.

В даний час у зв'язку із з'ясуванням будови алкалоїди частіше користуються хімічної класифікацією. Більшість алкалоїди, що містять у своїх молекулах гетероцикли, ділять на групи в залежності від присутніх гетероциклів. Так, наприклад, розрізняють алкалоїди групи піридину (у цю групу входить нікотин), алкалоїди групи хіноліну (у цю групу входить хінін) і т.д. До алкалоїди часто відносять метлировані похідні ксантину, наприклад теобромін і кофеїн, як похідні пурину. Цю групу алкалоїдів називають алкалоїдами групи пурину.

Деякі вчені відносять до алкалоїдів і інші азотовмісні речовини, що володіють основними властивостями і сильним фізіологічним дією, але не містять гетероцикли. Прикладом таких алкалоїдів є алкалоїди групи фенілетіламіна C6H5-CH2-CH2-NH2. Представником цієї групи є адреналін C6H3 (OH) 2-CH (OH)-CH2-NH (CH3).

Історія відкриття алкалоїдів

У другій половині 18 століття і на початку 19 століття при вивченні хімічного складу рослин були виділені щодо складні похідні гетероциклів, що отримали згодом об'єднує назву «алкалоїди». Сам термін був введений Мейснером в 1818 році: по-латині alkali-луги, oides-подібний, тобто. Подібні лугів.

Морфін

Першим з алкалоїдів був відкритий морфін, виділений з опію Деросном (1803), а потім рядом інших хіміків. Деросн виявив, що виділене їм речовина володіє сильнішим снодійним дією, ніж сам опій. У процесі виділення діючого початку опію Дерсон застосовував луг, а потім отриману ним сіль йому ніяк не вдавалося звільнити від домішки луги, тому він прийшов до висновку, що знаходиться в опіумі речовина являє собою «кислу сіль». Однак ще в 1806 році Сертюрнер повідомив про свої дослідження опію і про виділення з якогось кристалічного тіла, яке володіє снодійним дією і в опії утворює сіль з також виділеної Сертюрнер «меконовою» (оксіпіродікарбоновой) кислотою. Все ж таки, на існування рослинних підстав хіміки звернули увагу лише після другої роботи Сертюрнер (1817). Сертюрнер вважав, що кристалічна речовина, виділена Деросном, являє собою меконо-кіслий морфій. Робік (1817), проте, показав, що в опіумі є дві підстави: морфін (назва, запропоноване Люссаком замість колишнього «морфій») і наркотін, який також був, мабуть, отриманий Деросном в 1803г. Згодом Робік (1832) виділив із опію і кодеїн. Папаверин був відкритий Мерком (1848), а тебаїн Тібумері (1835) в лабораторії Пеллетьє. Морфін був першим алкалоїдом, в якому був виявлений азот (Бюсті, 1822), до цього ні в морфіні, ні в інших алкалоїдах при аналізі або не знаходили азоту зовсім, або його присутність приписували домішок. У 30-х роках 19в. ці речовини були досліджені групою французьких хіміків (особливо Кербім), а в 50-і роки - Андерсоном, що знайшли для деяких з них правильні емпіричні формули.

Ізохінолінові алкалоїди представляли для хіміків, які намагалися розшифрувати їх будова, високий бар'єр. Тут важливий кожен крок, як, наприклад, доказ того, що кодеїн представляє собою метил похідні морфіну (Грімо, 1881). Ще важче було підійти до їх синтезу. Все ж таки Пікте вдалося в 1909г.сінтезіровать папаверин-перший алкалоїд цієї групи.

Систематичне дослідження алкалоїдів ізохінолінового ряду почалося в 1918 р. (Шпет).

У 1925р. Робінсон і Галланд встановили будова морфіну, в основі якого лежить наступна ізохінолін-фенантренового угруповання: синтезовано він був в 1952 році (Гейтс і Тшуді).

Нікотин. Кокаїн

У 1886р. Ладенбурге від -піколіна перейшов до   пропілпіперідіну і розщепив отриманий продукт на оптичні ізомери шляхом кристалізації його у вигляді кислого тартрату, причому правообертальні ізомер виявився тотожним природному алкалоїди кониїн. Цей алкалоїд був відкритий ще в 1827 р. Гізеке у витяжці з болиголова (Cnium maculatum), а в 1881 р. Гофман встановив його структурну формулу і показав ставлення кониїн до піридину і піперидину.

Алкалоїд нікотин, як видно з формули також належить до піридинових або, точніше, піридин-пірролідіновой групі алкалоїдів. Він був відкритий в тютюні Вокленом (1809), що встановив також належність нікотину до підстав. Правильна структурна формула нікотину запропонована Піннера (1891); вона була підтверджена синтезом цього алкалоїду, здійсненим Пикте (1903).

Окисленням нікотину Хуберт (1867) отримав нікотинову кислоту. Скрауп і Лобенцль (1883) встановили будова  - і -пірідікарбонових кіслот (піколіновой і нікотинової) отриманням їх при окисленні хіноліну та ізохіноліну.

До алкалоїдів піперидин-пірролідіновой групи належить алкалоїд кокаїн. Після декількох невдалих спроб виділити його з листя коли це вдалося Німану (1860) в лабораторії Велера. Велер і Лоссен запропонували (1862) емпіричну формулу кокаїну С16Н20О4N, допустивши помилку тільки у визначення числа атомів водню (повинно бути Н21, а не Н20). Ліберман і Гізель (1890) удосконалили спосіб отримання кокаїну з листя коли і тим відкрили шлях до промислового виробництва цього алкалоїду.

З продуктів свого розкладання кокаїн був знову синтезований незалежно Мерком та Скраупом (1885). Вперше правильну структурну формулу кокаїну запропонував Вільштеттер (1897); він підтвердив її в 1923 році 18-ступінчастим синтезом цього алкалоїду.

Стрихнін

З деяким підставою до похідних індолу з гідровані гетероциклом можна віднести алкалоїд стрихнін, тому що при його окисленні виділяється дінітроіндол-дікарбоновая кислота. Алкалоїди стрихнін і бруцін (діметоксільне похідне стрихніну) були виділені Пеллетьє і Каванту (1818) з «блювотних горішків» - насіння одного отруйного індонезійського рослини. Систематичні структурні дослідження цих алкалоїдів почалися з робіт Тафеля (з 1890р.) Та Лейкс (з 1908р.). До 1910р. відноситься перша робота з вивчення будови цих алкалоїдів Перкина-молодшого і Робінсона. У цій роботі вже була запропонована формула стрихніну, що містить шість циклів. Щоправда, обидва атоми азоту у Перкина і Робінсона виявилися помилково в одному і тому ж, притому шестичленним, циклі. Після смерті Перкина в 1924р. дослідження стрихніну продовжував Робінсон, який нарешті в 1945р. прийшов до правильної структурної формулою цього алкалоїду. Синтезовано стрихнін Вудвордом в 1945р. Це був, звичайно, черговий тріумф органічного синтезу.

Пілокарпін

Застосовується в медицині алкалоїд пілокарпін був виділений з рослинних речовин у 1875р. англійським хіміком Харді. Будова пілокарпіну було доведено в 1930р. Чічібабіна і Н.А. Преображенським, а синтез здійснений у 1933р. Преображенським і співробітниками.

Псевдопельтерін

Алкалоїд псевдопельтерін відкритий в корі гранатового дерева в 1878г. Танре.

Кофеїн. Теобромін. Теофілін

Косель ще в 80-х роках 19в. знайшов, що до складу нуклеїнових кислот входять пуринові основи, але тільки в 30-х роках було встановлено (Левін і Басс), що це чотири наступних підстави, що існують у вигляді окси- і (що приводяться нижче) оксоформ:

Похідними цих підстав є алкалоїди.

Досить поглянути на формули цих сполук, щоб стало очевидним, чому хіміки при спробах усвідомити їхню природу і взаємні відносини наштовхувалися на такі ж труднощі, як і при дослідженні сечової кислоти.

Якщо ж не рахувати ксантину, відкритого Месером в 1819 р., Спочатку хіміки познайомилися з алкалоїдами цієї групи. Кофеїн був ізольований в 1821 р. кількома хіміками, але перша публікація належить Рунге. Теобромін був виділений з бобів какао Воскресенським в 1840 р. гуанін був отриманий в лабораторії Лібіха Унгером в 1845 р. з гуано і тому спочатку був названий «ксантинів з гуано», гіпоксантин виявлений в селезінці Шерера в 1850 р., а аденін виділений з препаратів підшлункової залози Коссель в 1885 р. У тому ж році Коссель відкрив в чайному листі і алкалоїд теофілін.

У відкритті нових алкалоїдів та вивченні їх будови величезна роль належить ученим нашої країни. Так, ще на зорі розвитку органічної хімії, в 1816г., Харківський професор І. Гізі відкрив алкалоїд хінін. Величезну роль в хімії алкалоїдів зіграли роботи А.М. Вишнеградського - учня А.М. Бутлерова. Особливо широко розгорнулася робота з алкалоїдів після Великої Жовтневої соціалістичної революції (дослідження В.М. Родіонова, О.М. Орєхова, А.Г. Меньшиков, Н.А. Преображенського, Р.А. Коновалової, С.І. Канівської та ін.). Видатна роль у цій області належить А.П. Орєхову і його школі.

Висновок

Серед алкалоїдів ми знаходимо і найсильніші отрути (стрихнін, бруцін, нікотин), і корисні ліки (пілокарпін - засіб для лікування глаукоми, атропін - засіб для розширення зіниці, хінін - препарат для лікування малярії, папаверин - судинорозширювальний засіб, допомагає при гіпертонії). До алкалоїдів відносяться і широко застосовуються збуджуючі речовини - кофеїн, теобромін, теофілін. Цікаво, що деякі алкалоїди є протиотрутою по відношенню до своїх побратимів. Так, у 1952 році. з одного індійського рослини був виділений алкалоїд резерпін, який дозволяє лікувати не тільки людей отруїлися ЛСД або іншими галюциногенами, а й хворих, що страждають на шизофренію.

Таким чином, можна зробити висновок, що алкалоїди - вельми великий клас органічних сполук, що надають саме різне дію на організм людини. У цьому полягає їх важлива роль, яку відіграють алкалоїди в хімічній науці в цілому і в повсякденному житті зокрема.

Література

1. Биков Г.В., Історія органічної хімії. Відкриття найважливіших органічних сполук. - М.: Наука, 1978 р.

2. Пікуліна Є.П., Історичний нарис розвитку органічного синтезу в першій половині XIX ст. - М.: Наука, 1977 р.

3. Джуан М. - Історія хімії. Під редакцією Погодіна С.А. - М.: Світ, 1975 р.

4. Гьельт Е., Історія органічної хімії з найдавніших часів до теперішнього часу. Переклад з німецької під редакцією Луцького А.Є. Харків-Київ.-Держ. Науч.-техн. вид-во України, 1937 р.

5. Азімов А. Коротка історія хімії. - М.: Світ, 1983 р.

6. Шульпин Г.Б. Ця захоплююча хімія. - М.: Хімія, 1984 р.