Лекция: АЛКАЛОИДЫ

Среди веществ, экстрагируемых хлороформом из щелочных водных извлечений главное место при химико-токсикологических исследованиях отводится алкалоидам.

Алкалоиды — азотосодержащие органические основания сложной структуры, встречающиеся чаще всего в растениях (реже у животных) и, как правило, обладающие сильным фармакологическим действием на живой организм.

Алкалоид содержащие растения издавна применялись в народной медицине. Первым алкалоидом, выделенным в индивидуальном виде и изученным немецким фармацевтом Сертюрнером в 1806 г, был морфин. С тех пор многими учеными были выделены и изучены более тысячи алкалоидов, часть которых представляют собой ценнейшие лекарственные средства. Как лекарственные средства алкалоиды проявляют фармакологический эффект — часто уже в чрезвычайно малых количествах, из-за чего многие из них при определенных условиях (случайное или суйцидальное передозировка,) являются ядовитыми или сильнодействующими веществами, и, следовательно, представляют токсикологический и химико-токсикологический интерес. При употреблении детьми или домашними животными частей растений (дурман, ягоды паслен, цветки белены, ростки клубней картофеля и др.), содержащих алкалоиды, они нередко становятся причиной острых отравлений непредсказуемым исходом.

Отравления многими алкалоидами сопровождаются характерными для них симптомами, как например, тетаническими судорогами при отравлении стрихнином, расширением зрачков глаз при отравле­ниях алкалоидами группы тропана, однако патолого-анатомическая картина в органах человека и животных в большинстве случаев не явля­ется характерной.

Если причиной отравления явились части растения (семена чилибухи, ко­нопли, белладонны и т. п), то помощь химико-токсикологической экспертизе может оказать специалист-фармакогност или ботаник.

Химико-токсикологическое исследование биологического материала на наличие алкалоидов относится к числу сложных и трудоемких исследований.

Подавляющее большинство алкалоидов в виде оснований при обык­новенной температуре представляют собой твердые, чаще кристалли­ческие. реже аморфные вещества. Некоторые из алкалоидов, не содержащие в своем составе кислорода (например: кониин, ареколин, никотин, анабазин) являются жидкостями.

Большинство оснований алкалоидов трудно растворимы или нерастворимы в воде и растворимы в органических растворителях: этиловом спирте, эфире, хлороформе, амиловом спирте и др. Однако жидкие алкалоиды хорошо растворимы в воде даже в виде оснований.

Водные растворы алкалоидов, за редким исключением, обладают щелочной реакцией на лакмус и другие индикаторы, интервал изменения, окраски которых лежат при рН≈7,0. Некоторые алкалоиды, как атропин и кодеин, показывают щелочную реакцию на фенолфталеин.

Более или менее сильный основной характер алкалоидов связан со значением константы диссоциации, которая имеет тем большую величину, чем сильнее основные свойства алкалоидов (см. табл. 1).

Таблица 1

Константы диссоциации некоторых алкалоидов, имеющих токсикологическое
значение, при температуре 20°С (по Кольтгофу).

Взаимодействуя с кислотами, алкалоиды дают соли по типу солей аммиака или аминов. Соли алкалоидов, особенно кислые, с минеральными кислотами (серная, хлороводородная, фосфорная) или органическими (виннокаменная, щавелевая, лимонная) за редкими исключениями легко растворяются в воде, а иногда в спиртах (этиловый и метиловый), но в большинстве случаев не растворимы в эфире, углеводородах и в некоторых галогенопроизводных углеводородов. В виде исключения хлористоводородные соли кокаина, наркотина, нарцеина, папаверина, тебаина, до некоторой степени кодеина растворяются в хлороформе, поэтому в процессе изолирования их путем извлечение
хлороформом из кислого раствора они могут оказаться частично извлеченными из кислого раствора (вместо щелочного), что нельзя забывать при производстве химико-токсикологического анализа. То же относится и к бромистоводородным солям скополамина и хинина. В противоположность этому, основания некоторых из алкалоидов не растворяются в общеупотребительных растворителях, например, морфин в эфире.

Растворимость отдельных солей алкалоидов в спиртах также должна учитываться экспертом-химиком, т.к. некоторые растворители могут содержать небольшие количества спирта (хлороформ).

Отдельные алкалоиды, например, кофеин, теобромин, наркотин, папаверин, отчасти стрихнин, при извлечении органическим растворителем из кислого водного раствора переходят в органический растворитель, т. к. соли указанных алкалоидов имеют малое значение константы диссоциации и легко гидролизуются в свободные основания.

Наибольшее количество алкалоидов экстрагируются хлороформом из водного щелочного извлечения, полученного при обработке кислого извлечения \ растворами оснований — едкого натра, калия, аммиака и др.

Алкалоиды, содержащие в своем составе фенолъный гидроксил (морфин, сальсолин), образуют щелочами феноляты, растворимые в воде и не растворимые в органических растворителях. Это используется в химико-токсикологическом анализе для отделения кодеина от морфина.и наоборот.

Все эти свойства алкалоидов имеют очень большое значение для химико-токсикологической практики, например, слабоосновные алкалоиды кофеин, теобромин (К=10-11), соли которых полностью гидролизуются в водных растворах, извлекаются даже из кислой среды. Более сильные основания, например, папаверин (К=10-8.1) или наркотин (К= 10 -7.83), переходят в основания и извлекаются из очень слабой щелочной среды при добавлений ацетата натрия. Алкалоиды со сравнительно большой величиной константы диссоциации, например кодеин (К=10 -6.05) требуют для своего извлечения более сильного подщелачивания.

При извлечении алкалоидов из растительного сырья применяют две пути их экстракции: в виде солей водой или спиртом и в виде оснований бензолом, дихлорэтаном, эфиром, хлороформом, четыреххлористым углеродом, петролейным эфиром и др. Некоторые алкалоиды, например никотин, пахикарпин, экстрагируются дистилляцией с водяным паром.

Остаток, полученный после удаления органического растворителя
из щелочной вытяжки, или такой же остаток, полученный после очистки, исследуют с помощью общеалкалоидных реактивов.

Применение этих реактивов основано на свойстве алкалоидов, как
оснований, образовывать даже в разбавленных растворах простые или
комплексные соли с кислотами, солями тяжелых металлов, комплексными йодидами и другими веществами. Многие из этих солей трудно растворимы в воде и потому являются общеалкалоидными осадительными реактивами.

В практике химико-токсикологического анализа применение получили лишь

немногие общеалкалоидные осадительные реактивы;

1. Танин. Применяется свежеприготовленный раствор 1:10 или 1.100

Образует с солями алкалоидов, как в нейтральной, так и слабокислой среде белые или желтоватые осадки, разлагаемые щелочами с образованием оснований алкалоидов. Осадки растворимы в спирте, уксусной кислоте и солях аммония.

2. Пикриновая кислота. Насыщенный раствор (приблизительно 1%) образует соединения — пикраты, выпадающие в осадок, почти со всеми алкалоидами, кроме аконитина, кофеина, теобромина, кониина и морфина.

Многие пикраты алкалоидов имеют кристаллическое строение и определенную температуру плавления.

3. Растворы йода в йодиде калия (реактив Вагнера или Бушарда, смотря по прописи). Реактив с водными растворами солей алкалоидов образует бурые осадки гидройодидов.

4. Фосфорно-молибденовая кислота (реактив Зонненшейна).

Фосфорно-молибденовая кислота является одним из наиболее чувствительных реактивов на алкалоиды. Она образует с ними аморфные светло-желтые или бурые осадки, из которых едкие и углекислые щелочи выделяют основания алкалоидов.

5. Фосфорно-вольфрамовая кислота (реактив Шейблера). Реактив образует белые аморфные осадки почти со всеми алкалоидами. Осадки разлагаются гидратом окиси бария или гидратом окиси кальция, причем выделяются свободные алкалоиды. Многие алкалоиды очень чувствительны к этому реактиву.

6. Раствор йодида висмута в йодиде калия (реактив Драгендорфа). Раствор йодида висмута в йодиде калия дает с растворами сернокислых и солянокислых солей алкалоидов аморфные, а для некоторых из них (никотин, анабазин, кокаин, ареколин) – кристаллические осадки оранжевого или кирпично-красного цвета.

7. Раствор йодида кадмия в йодиде калия (реактив Марме).

Реактив взаимодействует солями алкалоидов с образованием белых или желтоватых осадков, часто растворимые в избытке реактива, некоторые алкалоиды (атропин) осаждаются лишь из сравнительно концентрированных растворов; кофеин вовсе не осаждается.

8. Раствор йодида ртути в йодиде калия (реактив Майера). В слабокислых или нейтральных растворах алкалоидов реактив образует белые или желтоватые осадки с общей формулой: А1к-НJ(НgJ2)n. Не образуют осадков с этим реактивом колхицин и кофеин.

Чувствительность осадительных реактивов различна по отношению различным алкалоидам. На первом месте по чувствительности стоит фосфорно-молибденовая кислота, раствор йодида висмута в йодиде калия, йода в йодиде калия и др. Наименее чувствительными реактивами являются танин и пикриновая кислота (см табл. 2).

Ввиду различной чувствительности обшеалкалоидных осадительных реактивов к тем или иным алкалоидам, естественно, при чрезвычайно ответственном химико-токсикологическом анализе нельзя удовлетворится применением, например, лишь одного реактива. Может оказаться, что этот реактив будет нечувствителен к неизвестному для эксперта-химика алкалоиду; находящемуся, к тому же, в объекте исследования в виде ничтожных следов. В то же время, применение значительного количества реактивов из числа известных нерационально, так как это приведет к бесцельному расходованию чрезвычайно ценного для анализа материала и не даст эксперту-химику сколько-нибудь обнадеживающих результатов.

Таблица 2. Сравнительная чувствительность некоторых общеалкалоидных осадительных реактивов по отношению к токсикологически важным алкалоидам (по В.Ф. Крамаренко)

Все общеалкалоидные реактивы не являются специфичными для алкалоидов. Муть или труднорастворимые осадки с ними способны образовывать белки, продукты их распада, другие вещества, содержащие гетероатом азота (например, из числа лекарственных препаратов). В силу этого реакции с общеалкалоидными реактивами рассматриваются как своего рода предварительные исследования, способные лишь определенным образом ориентировать химика.

Для достижения максимальной уверенности в направлении дальнейшего анализа по правильному пути, в химико-токсикологических лабораториях применяют обычно не один, а три, реже четыре осадительных общеалкалоидных реактивов из числа наиболее чувствительных, характерных и доступных.

Техника проведения реакции. Остаток после испарения хлороформа
(извлечение из щелочного раствора) растворяют в 10-15 каплях хлороформа и по одной капле полученного раствора помещают на 3 часовых или предметных стекла. После испарения хлороформа на остатки наносят по1-2 капле 0,01 н. раствора хлороводородной кислоты и каплям дают испариться при комнатной температуре. Остатки после испарения хлороводородной кислоты растворяют в дистиллированной воде, беря по 1 капле на каждое стекло. К полученным растворам при помощи стеклянной палочки или капилляра подводят по 1 капле реактивов и наблюдают в месте соприкосновения двух капель образование осадка либо мути. Наблюдение удобно проводить, подложив под стекло черную бумагу.

Правильная оценка результатов реакций осаждения алкалоидов общеалкалоидными реактивами имеет очень большое значение, т. к. эти реакции будут положительными при наличии в исследуемом материале какого-то азотосодержащего вещества
основного характера и необязательно алкалоида. Решить, что это за вещество, эксперт- химик должен только после применения других реакций, других способов исследования. Получение положительных результатов реакций с общеалкалоидными реактивами не служит поводом для заключения о наличии в объекте исследования алкалоидов. Наоборот, отрицательный результат реакций с общеалкалоидными реактивами – отсутствие мути или осадка, дает право эксперту-химику делать вывод о том, что при проведенном определенным способом исследовании, им не обнаружено алкалоидов и вообще не обнаружено каких-либо других веществ основного характера, которые могли бы дать осадки или муть с осадительными реактивами. Принято говорить: реакция с общеалкалоиднымии реактивами имеет в токсикологической химии только отрицательное значение.

Для обнаружения алкалоидов в химико-токсикологической практике используют реакции окрашивания. В основе реакций окрашивания лежат, в боль­шинстве случаев, следующие процессы: 1) химическое отнятие воды, например, с помощью концентрированной серной кислоты; 2) окисление алкалоидов, например, двухромовокислым калием в присутствии серной кислоты; 3) одновременное окисление и отнятие воды; 4) конденсация с альдегидами в присутствии веществ, поглощающих воду, например, кон­центрированной серной кислоты.

Для получения окрашенных с алкалоидами продуктов, как в токсикологической химии, так и в других областях аналитической химии наиболее часто используются следующие реактивы:

1. Чистая концентрированная серная кислота.

2. Концентрированная азотная кислота

3. Концентрированная серная кислота, содержащая азотную -реактив Эрдмана. Для получения реактива к 20 мл концентрированной серной кислоты прибавляют 10 капель раствора 30% азотной кислоты в 100 мл воды.

4. Концентрированная серная кислота, содержащая молибденовую кислоту(реактив Фреде). Реактив представляет собой свежеприготовлен­ный насыщенный раствор растертого в порошок молибдата натрия или аммония в концентрированной серной кислоте. При хранении раствор при­обретает синюю окраску вследствие восстановления молибденовой кис­лоты, что делает его уже непригодным для целей обнаружения алкалои­дов. Поэтому важно считать появление синей и зеленой окраски при дей­ствии этого реактива не характерным для алкалоидов.

5. Концентрированная серная кислота, содержащая ванадиевую кислоту(реактив Манделина) - свежеприготовленный раствор 0,01г ванадата аммония в 2 мл концентрированной серной кислоты.

6. Концентрированная серная кислота, содержащая формальдегид ( реактив Марки). Реактив готовят следующим образом: к 1 мл кон­центрированной серной кислоты прибавляют каплю формалина и охлаждают. Реактив применяется свежеприготовленным.

В таблице 3. указаны результаты реакций окрашивания некоторых важных в судебно-медицинском отношении алкалоидов.

Методика проведения реакции. Часть хлороформного извлече­ния из щелочного раствора распределяют на 6 небольших фарфоровых чашек или на 6 специальные фарфоровые пластинки, растворителю дают испариться при комнатной температуре. На полученные остатки нано­сят капли перечисленных выше реактивов. Окрашивание наблюдает­ся тотчас или по истечении некоторого времени. В случаях получения окрашивании, похожих на окрашивание с тем или иным алкалоидом, параллельно проводят опыты с чистым образцом алкалоида. Поэтому желательно иметь в каждой химико-токсикологической лаборатории коллекцию наиболее важных в токсикологическом отношении алкалоидов или их солей.

Оценка результатов, полученных при исследовании остатков с помощью реакций окрашивания.

1. Одни алкалоиды дают те или иные окрашивания с перечисленными реактивами, другие же этих окрашиваний не дают (см. табл. 3.). Это позволит эксперту-химику исключить некоторые алкалоиды, и даже их группы из дальнейшего хода исследования.

Таблица 3.Цветные реакции обнаружения некоторых алкалоидов и других соединений (по М. Д. Швайковой)

2. Эти реакции в ряде случаев дают возможность обнаружить наличие тех или иных алкалоидов и даже группы этих алкалоидов. Так, реакция окрашивания бруцина с концентрированной азотной кислотой, являясь чувствительной и специфичной для него, позволяет эксперту-химику при положительном результате этой реакции прийти к заключению об обнаружении бруцина в объекте исследования, а положительный результат реакции с реактивом Марки (концентрированная серная кислота с формалином) ориентирует химика на тщательные поиски алкалоидов из группы морфина и сальсолина.

Реакции окрашивания являются специфичными и чувствительными для отдельных алкалоидов. Однако эти реакции не всегда имеют самостоятельное значение. В ряде случаев (недостаточно четкое окрашивание при исследовании экстрактов из органов трупа) они рассматриваются, как ориентировочные реакции, помогающие, из числа возможных алкалоидов, избрать наиболее вероятный алкалоид или азотистое основание из числа сильнодействующих лекарственных препаратов, и применить к нему определенные специфические реакции, приобретающие положительное значение только в связи с результатами других реакций и наблюдений (характерный вид остатка, результат реакции с общеалкалоидными реактивами, результат фармакологического исследования и т.п.). Последние обстоятельства в значительной степени объясняются тем, что результат взаимодействия алкалоидов с теми или иными реактивами, содержащими в своем составе главным образом концентрированную серную кислоту, требует для их проведения соблюдения ряда условий. Одним из этих условий, имеющих важное аналитическое значение, является степень чистоты исследуемого остатка от «балластных веществ», например, от продуктов белкового распа­да, способных маскировать результат реакции за счет обугливания. Отражается на результатах реакции и количество алкалоидов в исследуемом остатке, и количественное содержание воды в серной кислоте, входящей в состав реактива, и наступающее разогревание от воздействия концентри­рованной серной кислоты с водными растворами, и, наконец, даже индивидуальные профессиональные качества и опыт самого исследователя.