Фізико-хімічні властивості
У широкому розумінні алкалоїди є первинними (мескалін, тирамін), вторинними (ефедрин), третинними (атропін) амінами або похідними четвертинних амонієвих основ. Алкалоїди можна розглядати як складні похідні аміаку, в якому атоми водню заміщені радикалами:
Таким чином, алкалоїди можуть існувати у вільному стані (у вигляді основ) та у вигляді солей або алкалоїдів N-оксидів. Цей факт враховується при одержанні або виділенні алкалоїдів з рослинної сировини.
У рослинах алкалоїди містяться у формі солей органічних кислот: лимонної, щавлевої, янтарної, малонової, оцтової та ін. У лікарських препаратах це переважно гідрохлориди, нітрати, фосфати, іноді тартрати.
Розчинність, екстракція та розділення алкалоїдів залежать від форми знаходження їх у рослинній сировині. Алкалоїдні основи розчинні в органічних розчинниках (спирті, ефірі, хлороформі, бензолі та ін.) і, як правило, нерозчинні або мало розчинні у воді. Виняток становлять кофеїн, ефедрин, кодеїн, які розчинні у воді.
Солі алкалоїдів - білі кристалічні речовини, розчинні у воді і нерозчинні в органічних розчинниках (крім спирту). Розчинність у воді різна; наприклад, хініна сульфат - у співвідношенні 1:1000, а хініна гідрохлорид - усього 1:1. Деякі солі алкалоїдів (наприклад, папаверину гідрохлорид) розчинні в хлороформі.
Більшість алкалоїдів - тверді кристалічні сполуки, безбарвні або ледь забарвлені (наприклад, берберин жовтого кольору), гіркі на смак. До складу алкалоїдів входять атоми вуглецю, водню, кисню, азоту. Деякі алкалоїди не містять кисню (наприклад, коніїн з болиголова, нікотин, пахікарпін) і є рідинами, що переганяються з водяною парою, але солі цих алкалоїдів - тверді кристалічні сполуки.
Алкалоїди оптично активні. Ті, що обертають площину поляризованого променя ліворуч, більш фармакологічно активні. Ряд алкалоїдів в УФ-світлі мають характерну флуоресценцію.
Алкалоїди - досить слабкі основи. Константи дисоціації відомих алкалоїдів варіюються у значних межах, а їх солі мають різний ступінь стійкості. Алкалоїди з .дуже малою величиною дисоціації не утворюють солей (кофеїн, колхіцин). До найсильніших основ відносять кодеїн (К=9•10-7), до найслабкіших - кофеїн (К=4,1•10-14). Алкалоїди у водних або водно-спиртових розчинах виявляють лужну реакцію. Звичайно рН водно-спиртових розчинів алкалоїдів не перевищує 8-8,5.
Алкалоїди з кислотами утворюють солі, причому один азот молекули приєднує один еквівалент одноосновної кислоти. По другому азоту приєднання йде важче, й такі алкалоїди, як правило, приєднують також один еквівалент одноосновної кислоти (стрихнін). Луги й розчин аміаку, а іноді карбонати й оксид магнію, розкладають солі алкалоїдів, витискуючи вільні основи.
Алкалоїди, які містять фенольний гідроксил, утворюють з лугами феноляти. Так, морфін випадає в осад під дією лугів, а потім розчиняється в їх надлишку, що дає можливість визначити його серед інших алкалоїдів. Алкалоїди, що є складними ефірами (атропін, кокаїн), під дією лугів омилюються.
Методи виділення та дослідження
Виділення, у рослинах алкалоїди знаходяться, як правило, групами (до 20 та більше), багато з них є схожими за хімічною будовою найчастіше виділяють суму алкалоїдів у вигляді солей або основ.
У рослинах головним чином знаходяться солі алкалоїдів. Для вилучення їх у вигляді основ рослинний матеріал спочатку обробляють слабким лугом - розчином аміаку або гідрокарбонатом натрію (сильні луги можуть зруйнувати деякі алкалоїди-ефіри). Далі екстрагують органічним розчинником, і алкалоїди-основи з супутніми речовинами переходять у розчин. Очищають, переводячи алкалоїди-основи в алкалоїди-солі і навпаки, доки органічний розчинник, що містить суму алкалоїдів-основ, не стане чистим.
Для розділення й очищення алкалоїдів використовують хроматографічні методи.
Рослинну сировину, яка містить алкалоїди-основи, обробляють водою та спиртом, до яких додають виннокам'яну кислоту для переведення усіх алкалоїдів у солі. Крім алкалоїдів, у розчин переходить велика кількість екстрактивних речовин: білків, смол, дубильних речовин тощо, Для очищення від супутніх домішок кислий витяг підлужують, алкалоїди-основи, що утворилися при цьому, вилучають відповідним органічним розчинником, до якого додають 1-5 % розчин кислоти. Алкалоїди-основи знов стають солями, які переходять у водно-кислий шар, а усі ліпофільні сполуки залишаються в органічному розчиннику.
Рідкі й леткі алкалоїди (нікотин, коніїн) одержують шляхом перегонки з водяною парою.
Зберігають сильнодіючу алкалоїдоносну сировину за списком Б. Виняток - бульбоцибулини пізньоцвіту і насіння чилібухи, які зберігають за списком А. Робота з цією токсичною сировиною потребує додержання певних правил безпеки.
Якісні реакції. Виявляють наявність алкалоїдів у рослинній сировині загальноосадовими реакціями, внаслідок яких утворюються важкорозчинні у воді осади (комплекси). Найчастіше застосовують такі реактиви: Майєра (розчин дихлориду ртуті та йодиду калію) - кремовий осад; Вагнера й Бушарда (розчин йоду в калію йодиді) - червоно-брунатний осад; Хагера (насичений розчин пікринової кислоти) - жовтий осад; Драгендорфа (розчин нітрату вісмуту основного в калію йодиді) - червоно-брунатний осад, а також свіжозготовлений розчин таніну, розчини фосфорномо-лібденової і фосфорновольфрамової кислот.
Слід враховувати, що ці реактиви дають осади з протеїнами, а кофеїн і деякі інші пуринові алкалоїди осадів не утворюють.
Для виявлення алкалоїдів використовують також реакції забарвлення з концентрованими неорганічними кислотами - азотною, сірчаною або їх сумішами. В основу реакцій покладені особливості хімічної структури алкалоїдів, тому вони можуть виступати як специфічні для визначення груп алкалоїдів. Реакції забарвлення проводять як із чистими алкалоїдами, так і з їх сумішами в сухому вигляді.
Специфічні реакції. Кофеїн та інші пуринові алкалоїди визначають за допомогою мурексидної проби - утворюється червоно-пурпурове забарвлення. Колхіцин з мінеральними кислотами дає жовте забарвлення. При взаємодії алкалоїдів групи індолу (наприклад, алкалоїдів маткових ріжок) з 60 % сірчаною кислотою та п-диметиламінобеніальдегідом розчин набуває синьо-фіолетового або червоного кольору. Для тропанових алкалоїдів використовують реакцію Віталі - Морена. Її модифікація дозволяє визначити кокаїн по утворенню пурпурового забарвлення.
Алкалоїди, які містять фенольну групу (морфін), лають синє забарвлення з хлоридом заліза. Ванілін є реактивом на індольний цикл. Характерні кольорові реакції дають нітропрусид натрію з пілокарпіном, теофіліном, пахікарпіном, сферофізином.
Інколи для ідентифікації алкалоїдів використовують процес гідролізу з наступним виявленням артефактів. Так, фізостигмін при гідролізі у лужному середовищі утворює метиламін, сферофізин виділяє аміак. Кокаїн під дією концентрованої сірчаної кислоти розщеплюється на метиловий спирт та бензойну кислоту з подальшим утворенням метилового ефіру бензойної кислоти, який визначається за запахом.
Для виявлення і визначення якісного складу та кількості алкалоїдів часто використовують паперову та тонкошарову хроматографію в сумішах різних розчинників, головним чином кислих. Звичайно алкалоїди в УФ-світлі флуоресціюють блакитним, зеленим або жовтим кольором. При обробці хромогенними реактивами флуоресценція плям, як правило, змінюється й часто з'являється забарвлення, яке можна бачити при денному світлі.
Ідентифікацію алкалоїдів також проводять за допомогою фізико-хімічних методів: ультрафіолетової, інфрачервоної, ЯМР- і ПМР-спектроскопії.
Кількісне визначення. Для кожної сировини розробляють індивідуальну методику визначення вмісту алкалоїдів. Усі вони багато-етапні внаслідок тривалого очищення.
Довгий час кількісне визначення алкалоїдів проводили ваговим або об'ємним способом, тепер кількість алкалоїдів у сировині визначають фізичними, фізико-хімічними та об'ємними методами.
Найбільш поширена титрометрія: 1) пряме титрування алкалоїдів розчином кислоти; 2) зворотнє титрування надлишку кислоти розчином лугу; 3) пряме титрування алкалоїдів розчином йоду або іншого комплексоутворюючого реактиву, при взаємодії з яким алкалоїди утворюють нерозчинні сполуки.
Більшість алкалоїдів визначають титруванням у неводних розчинниках (пахікарпін, тропанові алкалоїди, кокаїн, платифілін, сальсолін, морфін, резерпін, сферофізин, ефедрин та ін.). Титрантом є розчин хлорної кислоти в оптовій кислоті. Солі алкалоїдів титрують хлористоводневою, йодистоводневою та бромистоводнсвою кислотами в присутності ацетату ртуті.
Деякі алкалоїди (кофеїн та його солі) кількісно можна визначити за утворенням нерозчинних солей, наприклад, полійодидів. Надлишок йоду у фільтратах визначають титруванням тіосульфатом нагрію. Алкалоїди пуринового ряду (теобромін, теофілін) утворюють солі з нітратами. Еквівалентну кількість азотної кислоти, що утворилася, визначають титруванням.
Багато алкатоїдів визначають методами фотометрії, спектрофотометрії, фотонефелометрії, полярографії, поляриметрії та іншими фізико-хімічними способами.