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课题

模块七　中药中生物碱类化学成分的提取分离技术——结构与性质

时间

地点

教室

1.能够认识生物碱类化合物的结构，并根据结构判断其类型；

.解释生物碱类化合物具有碱性的结构基础，并能进行碱性强弱的比较。

学生情况

班级：

人数：

出勤：

教学设计

教　学　内　容　及　过　程

1、生物碱类化合物的概念

基本含义：

生物碱是存在于生物体（主要在植物中）内的一类具有显著生理活性的含氮的有机碱，它是中药中一类重要的有效成分。

基本特征：

多数生物碱分子具有较复杂的环状结构，氮原子作为成环原子参与成环，呈碱性并有较强的生物活性。

但也有一些例外，如麻黄碱的氮原子不在环内，秋水仙碱几乎没有碱性。

存在方式：

大多数生物碱的碱性比较显著，常与生物体内的有机酸、无机酸结合成盐，少数以未成盐的游离态存在。

个别以其它方式（苷类生物碱、酯类生物碱、N氧化物等）存在。

分布状况：

双子叶、单子叶类的至少一百多个科的植物含有生物碱。

尤其是双子叶植物的茄科、豆科、罂粟科、防已科、毛茛科、茜草科、芸香科，单子叶植物的百合科、石蒜科等多种植物中生物碱分布广泛。

裸子植物除麻黄科、水松科等少数几个科外，大多不含生物碱。

少数动物器官中含有生物碱，如肾上腺素、蟾酥碱等等。

30min

教法教具

讲授

模拟

演示

（一）结构

生物碱类化合物数目多，结构繁杂。

现仅选择一些较为重要的结构类型和代表成分介绍如下。

1.吡咯烷类生物碱

这类生物碱由吡咯或四氢吡咯衍生而成。

包括简单吡咯烷类和吡咯里西啶类。

（水苏碱）

2.莨菪烷类生物碱

此类生物碱大多数是由莨菪烷衍生的氨基醇与不同有机酸结合而成的一元酯。

（莨菪碱）

3.吡啶类生物碱

此类生物碱由哌啶或吡啶衍生而成，主要分为简单吡啶类、吲哚里西啶类以及喹诺里西啶类三种。

（槟榔碱）

4.异喹啉类生物碱

这类生物碱以异喹啉或四氢异喹啉为基本母核，按结构可分成原小檗碱类等20多类。

（小檗碱）

40min

5.吲哚类生物碱

（毒扁豆碱）

6.萜类生物碱

此类生物碱可包含：

单萜类生物碱、倍半萜类生物碱、二萜类生物碱和三萜类生物碱等。

（乌头碱）

7.甾体类生物碱

这类生物碱有甾体母核，还含有氮原子，氮原子即可在杂环内，也可在杂环外，但不在甾体母核内。

（茄碱）

8.有机胺类生物碱

结构特征：

氮不结合在环状结构内，如麻黄碱（收缩血管、兴奋中枢的作用）；

益母草碱（收缩子宫、降血压、镇静作用）；

秋秋水仙碱（抗肿瘤、抗痛风作用）。

（麻黄碱）

2、性质

（一）性状

大多数生物碱为结晶型，少数为液体或非结晶形粉

20min

10min

归纳

末；

液体生物碱能随水蒸气蒸馏；

如麻黄碱；

小分子、游离状的生物碱具有挥发性和升华性，如咖啡碱；

多数为无色，含有较长共轭体系的具有颜色（如小檗碱为黄色，血根碱为红色；

多具苦味，成盐后苦味增强；

如盐酸小檗碱的苦味强于小檗碱。

（二）旋光性

含有手性碳原子的生物碱，大多为左旋光性；

左旋体的生物活性和毒性均强于右旋体。

（三）酸碱性

1.生物碱的碱性概念及碱性强弱表示方法

（1）碱性概念

生物碱中含有的N原子的最外层电子结构中有一对2S2电子，能与酸中的质子（H+）以配位键的形式结合成盐，具有碱性。

（2）碱性强弱表示方法

1）可用酸式离解常数pKa或碱式离解常数pKb表示。

pKa=pKw–pKb=14–pKb（pKw为水的离解常数）

pKa值越大，碱性超强。

2）化合物结构中的碱性基团与pKa值大小顺序：

胍基＞季铵碱＞脂肪胺基、脂氮杂环＞芳胺、芳氮杂环＞多氮同环芳杂环＞酰胺基

2.生物碱的碱性与分子结构的关系

（1）其碱性强弱主要取决于分子结构中氮原子的电子云密度（电子云密度越大，碱性越强）。

（2）影响氮原子电子云密度主要与氮原子的杂化方式、诱导效应、共轭效应、空间效应以及分子内氢键形成等因素有关。

1）氮原子的杂化方式：

生物碱分子中氮原子上孤电子对的杂化方式有三种形式，即sp3、sp2、sp，在这三种杂化方式中，p电子成分比例越大，越易供电子，则碱性越强。

因此其碱性强弱为sp3＞sp2＞sp。

异喹啉pKa=5.4四氢异喹啉pKa=9.5小檗碱pKa=11.5

如异喹啉碱性小于四氢异喹啉，而季铵碱（如小檗碱）因羟基以负离子形式存在而呈强碱性。

2）诱导效应

①供电子诱导效应：

N原子连接供电子基（常见如烷基）时，碱性增强；

如麻黄碱与去甲麻黄碱的碱性比较。

碱性强弱：

麻黄碱＞去甲麻黄碱

②吸电子诱导效应：

当N原子连接吸电子基（常见如苯基、羰基、酯基、醚基、羟基、双键等），能使氮原子电子云密度降低，碱性减弱；

如去甲麻黄碱与苯异丙胺的碱性比较。

苯异丙胺＞去甲麻黄碱

3）共轭效应

氮原子孤电子对处于p-π共轭体系时，由于电子云密度平均化趋势可使其碱性减弱，如苯胺氮原子上孤电子对与苯环π电子形成p-π共轭体系，而使碱性比环己胺弱得多。

苯胺pKa=4.58环己胺pKa=10.14

若氮原子处于酰胺结构中，其孤电子对与羰基的π电子形成p-π共轭，碱性很弱。

如：

胡椒碱pKa=1.42咖啡因pKa=1.22

4）空间效应

氮原子周围的取代基分子较大，对氮原子构成屏蔽作用，使氮原子难于接受质子，造成碱性降低。

如莨菪碱与东莨菪碱的碱性比较。

莨菪碱pKa=9.65东莨菪碱pKa=7.50

莨菪碱和东莨菪碱的基本结构相同，只是取代基不同，三元氧环产生的屏蔽效应使东莨菪碱的碱性小于莨菪碱。

5）分子内氢键的形成

当氮原子的孤电子对接受质子成酸后，如其附近有羟基、羰基等取代基团时，若其有利于与质子形成氢键缔合，从而增加了共轭酸的稳定性，而使碱性增强。

如麻黄碱和伪麻黄碱的碱性比较。

（四）溶解性

根据其溶解性能将生物碱及其盐分成水溶性及脂溶性两类。

1.脂溶性

如脂肪胺、芳香胺、酰胺类。

该类生物碱可溶于有机溶剂中，特别是氯仿中。

2.水溶性

季铵类、含胍基类生物碱、氮氧化物（如氧化苦参碱）、生物碱盐以及一些小分子、极性强的生物碱（如麻黄碱）。

3.两性生物碱

具有酚羟基、羧基、内酯或内酰胺结构的生物碱类。

3、生物碱的检识

1.沉淀反应

生物碱在酸水中（苦味酸除外）或稀醇中与某些试剂生成难溶于水的复盐或配合物的反应，称为生物碱的沉淀反应。

与生物碱形成沉淀的化学试剂称为生物碱沉淀试剂。

利用该反应可预测中药是否存在生物碱；

也可用于提取与分离。

生物碱沉淀试剂根据生成物不同可分成三种类型：

（1）生成不溶性盐类：

如硅钨酸试剂、苦味酸试剂、磷钼酸试剂等；

（2）生成疏松的配合物：

如碘-碘化钾试剂；

（3）生成不溶性加成物：

如碘化铋钾、碘化汞钾等一些重金属盐类。

详见课本表1-2常用的生物碱沉淀试剂P9

注意点：

（4）反应会出现假阳性现象。

假阳性现象一般出现在水溶液中，主要受到一些水溶液性杂质的干扰，如中药酸水提取液中的蛋白质、氨基酸、多肽、鞣质等。

消除方法：

可先在酸水液中加碱碱化后用氯仿萃取出生物碱，使生物碱一蛋白质等水溶性杂质分离；

在氯仿萃取液中再加酸水萃取出生物碱，然后再进行生物碱沉淀反应；

也可采取薄层色谱或纸色谱方法。

（5）由于生物碱对各种沉淀试剂灵敏度不同，所以通常彩三种以上试剂进行检测。

2.显色反应

生物碱可与生物碱显色试剂反应生成不同的颜色，可用于生物碱的检识和区别个别生物碱。

常用的显色剂与现象见表1-3常用的生物碱显色反应

3.色谱检识

新知识新信息：

生物碱的研究始于19世纪初，以麻黄碱类、罂粟碱类、莨菪碱类、防已碱类研究最早，先后有麻黄碱、咖啡因、吗啡、可待因、阿托品、毒毛旋花子苷等用于临床。

据统计，1952－1962十年间发现生物碱共1107种，1962－1972十年间共发现生物碱3443。

目前，在一些动物组织、微生物以及海洋中生物中先后发现了不少生物碱。

如肾上腺素和蟾酥碱（bufotenine）。

尤其是2000年后自海绵，其次是海鞘、海洋微生物等中发现的海洋生物碱，作为海洋生物的一种次级代谢产物，同样具有以上的生物学活性，它们有很多可能成为抗肿瘤、抗病毒和抗菌的药物先导化合物，有良好的药用前景。

讲解

讨论

作

业

1.辨识常见生物碱的结构式，指出各自所属的结构类型。

2.简述生物碱具有碱性的理论依据，并说出影响生物碱碱性强弱的因素有哪些？

3．比较麻黄碱与伪麻黄碱、莨菪碱与东莨菪碱、小檗碱与药根碱的碱性强弱，并解释理由。

课

后

小

结

参考

文献

姚新生主编天然药物化学人民卫生出版社2002第三版

王宪楷主编天然药物化学人民卫生出版社1988

肖崇厚主编中药化学上海科技出版社1997

杨其蕴主编天然药物化学中国医药科技出版社1996

模块七　中药中生物碱类化学成分的提取分离技术

——提取与分离

1.能够选用适宜的方法和溶剂提取生物碱类化合物

2.学会生物碱类化合物提取液的再处理

※3.能根据生物碱的溶解性、酸碱性和极性的差异分离生物碱单体

培养学生克服困难、战胜困难的勇气

多媒体设备

离子交换树脂法：

此法利用离子交换树脂（立体网状高分子化合物）做为固定相，流动相携带被分离的离子型化合物，在离子交换树脂上进行离子交换，从而达到分离及提纯的色谱法。

本方法在工业上应用广泛，它多用于离子交换，如净化水、除去杂质离子等。

同时也常用于药物生产及中药化学成分的提取中。

生物碱的提取和分离知识点比较复杂，涉及上堂课教学内容较多。

学生感到很吃力，通过讲解基本能理解，但还需要在理论联系实际的基础上，精讲多练，注重推理分析。

——提取与分离

1、生物碱类化合物的提取

生物碱在生物体内存在形式多样，在提取时，应考虑生物碱的性质和存在形式，选择适宜的提取溶剂和方法。

除个别具有挥发性或升华性的生物碱（如麻黄碱）可用水蒸气蒸馏法提取外，大多数用溶剂提取法。

1.溶剂法

（1）水或酸水提取法

1）适用范围：

一般用水溶性生物碱及生物碱盐的提取。

2）提取法：

浸渍法、渗漉法。

3）优缺点：

操作简便、成本低；

但体积大、浓缩困难、易霉变、水溶性杂质多，分离困难。

酸水提取液可以采用下列方法进一步处理：

①阳离子树脂交换法

生物碱的酸水提取液通过离子交换树脂。

生物碱盐以阳离子的形式交换到树脂上，而中性、酸性杂质（如糖类、有机酸）不被交换，可随溶液流出树脂柱，从而达到

教法

比较

教学设计

分离的效果。

交换完后可用氨水或用稀酸水溶液进行洗脱，可分别得到游离生物碱或生物碱盐。

优缺点：

可分离出碱性大小不同的生物碱，纯度高，溶剂用量少，树脂亦可反复使用；

但易受金属离子等阳离子型化合物、氨基酸和蛋白质等两性化合物的干扰。

②萃取法

将酸水提取液碱化，生物碱盐转变为游离生物碱而析出，可直接滤得。

或用氯仿、乙醚、苯等有机溶剂萃取，分取有机溶剂层，回收溶剂，即得总生物碱。

③沉淀法

酸水提取液加碱液碱化，使生物碱在水中游离而沉淀析出。

2.醇类溶剂提取法

生物碱及其盐可用60%~95%乙醇或酸性乙醇溶液提取，常采用浸渍法、渗滤法或回流提取法。

该法适用于各种极性生物碱的提取，水溶性杂质少，浓缩方便，但脂溶性杂质较多，常含有树脂及脂溶性色素等，需进一步处理。

3.亲脂性有机溶剂提取

利用生物碱易溶于亲脂性有机溶剂的性质进行提取，可采用浸渍、回流或连续回流等方法。

由于生物碱多以盐的形式存在于生物组织中，在用亲脂性溶剂提取时，先用碱水（氨水、石灰乳等）将药材粗粉润湿，既可使药材吸水膨胀，又能使生物碱游离，再用亲脂性有机溶剂（三氯甲烷等）提取。

可用于提取游离型生物碱。

举例

提问

2、生物碱类化合物的分离

分离生物碱主要是利用总碱中各生物碱（盐）的溶解性不同，碱性强弱的不同，极性差异及特殊官能团进行的。

1.总生物碱的初步分离

根据生物碱的碱性强弱、酚羟基的有无及溶解性能，将生物碱初步分成弱碱性、中强碱性、强碱性、水溶性、酚性、非酚性生物碱五类。

2.单体生物碱的分离

（1）利用生物碱碱性的差异进行分离

一般采用PH梯度萃取法

①将总碱溶于酸水，加适量的碱液调pH，确保pH由低到高逐渐增加。

每调一次PH值，用氯仿等亲脂性有机溶剂萃取一次；

（弱碱先萃取出）

②将总碱溶于氯仿中，用适量的酸水萃取，确保pH由高到低；

（强碱先萃取出）

（2）利用各生物碱（盐）极性差异（溶解度差异）进行分离

①如从苦参总生物碱液中分离出氧化苦参碱

在苦参总碱的氯仿溶液中，加入约10倍量的乙醚，可使氧化苦参碱沉淀析出。

因氧化苦参碱为苦参碱的氮氧化物，亲水性强，在乙醚中溶解度很小。

苦参碱氧化苦参碱

②防已诺林碱和粉防已碱的分离是利用其极性的差异

由于防已诺林碱比粉防已碱多一个隐性的酚羟基，极性较大，在苯吕的溶解度较小，因此可用冷苯分离防

已诺林碱和粉防已碱。

③除了上述外，还可利用生物碱盐比生物碱易于结晶，利用其盐在溶剂中溶解度的差异进行分离。

如士的宁和马钱子碱的分离；

麻黄碱和伪麻黄碱的分离等。

（3）利用生物碱特殊功能基不同进行分离

吗啡与可待因的分离

吗啡为酚性生物碱，可溶于NaOH溶液中，而可待因属于非酚性生物碱不溶于NaOH溶液，因此可用NaOH溶液进行分离。

（4）利用色谱法进行分离

3.水溶性生物碱的分离

包括季铵碱及含有较多极性基团的小分子生物碱。

可采用下列方法除去水溶性杂质。

1）沉淀法：

常用雷氏铵盐沉淀法

利用季铵型生物碱与雷氏铵盐沉淀试剂生成雷氏复盐，难溶于水而沉淀析出，将季铵型生物碱从碱水层中提取出来。

具体操作：

将碱水液加盐酸调PH2左右，加入新配制的雷氏铵盐饱和水溶液，等沉淀完全，滤过；

得到的沉淀加少量

的水洗后，加丙酮（或乙醇）溶解，滤除不溶物，将丙酮液通过氧化铝柱净化，用丙酮洗脱，收集丙酮洗脱液，加入硫酸银饱和水溶液，生成生物碱硫酸盐和雷氏银盐沉淀，滤过后向溶液中加入计算量的氯化钡溶液，转化为生物碱盐酸盐和硫酸钡沉淀，滤过，滤液蒸干即得水溶性生物碱盐酸盐。

反应过程如下：

此外，还可用溶剂法和离子交换树脂法分离水溶性生物碱类。

离子交换树脂法：

依据离子交换树脂所带活性基团的性质，离子交换树脂课分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两大类。

离子交换树脂在多方面得到了广泛的应用，为保证交换树脂长期保持较高的工作交换能力，离子交换树脂的使用及保存都要特别注意。

1．从中药中提取生物碱常用的方法有哪些？

2．简述生物碱的分离方法。

3．写出ｐH梯度萃取法分离生物碱时，溶液的PH值与生物碱碱性之间的的变化规律。

4．如何分离提取液中的水溶性生物碱？

任务一麻黄中生物碱类化学成分的提取分离技术

2

1.了解麻黄中生物碱类化学成分的存在及生物活性。

2.熟悉麻黄中生物碱类化学成分的结构及性质

3.掌握典型实例——麻黄中生物碱的提取分离方法

学会借助各种网络资源库，提高独立查阅文献资料的能力。

指导、讨论

多媒体设备、麻黄药材

麻黄的临床应用：

现代医学研究证明，麻黄含有有多种生物碱，其中麻黄碱有收缩血管兴奋中枢作用，而伪麻黄碱有升压、利尿作用。

草麻黄（EphedrasinicaStapf）

中麻黄（EphedraintermediaSchrenketC.A.Mey.）

木贼麻黄（EphedraequisetinaBge.）

麻黄中生物碱理论联系实际，穿插相关典故，增强了趣味性，学生课堂反应积极。

基本达到教学目标。

任务一麻黄中生物碱类化学成分的提取分离技术

班级人数出勤

1、麻黄中生物碱的提取技术

流程说明：

根据麻黄碱和伪麻黄碱易溶于有机溶剂的性质，将麻黄水浸液用甲苯萃取，甲苯层流经草酸溶液，使两种生物碱均转变为草酸盐，因两者在水中溶解度不同而分离。

归纳

教

学

设

计

二、必备知识

（一）麻黄碱和伪麻黄碱的结构

l-麻黄碱（1R,2S）R=H,R’=CH3l-麻黄碱d-伪麻黄碱

d-伪麻黄碱（1S,2S）R=R’=CH3l-甲基麻黄碱d-甲基伪麻黄碱

R=R’=Hl-去甲麻黄碱d-去伪麻黄碱

（二）麻黄碱和伪麻黄碱的理化性质

麻黄碱和伪麻黄碱都为无色结晶，有挥发性，还可用水蒸气蒸馏法提取。

麻黄碱和伪麻黄碱结构中的氮原子在侧链上，为仲胺生物碱，碱性较强。

伪麻黄碱的碱性（pKa=9.74）略强于麻黄碱（pKa=9.58），是因为伪麻黄碱的共轭酸与C1-OH形成分子内氢键稳定性大于麻黄碱的缘故。

麻黄碱和伪麻黄碱易溶于三氯甲烷、乙醇和苯等溶剂，但在水中的溶解度不同，麻黄碱可溶于水，而伪麻黄碱难溶于水，是因为伪麻黄碱形成较稳定的分子内氢键。

麻黄碱盐与伪麻黄碱盐的溶解性能不完全相同，可利用此性质分离。

（3）麻黄碱和伪麻黄碱的提取分离

实验室条件下，考虑麻黄碱和伪麻黄碱具有挥发性，可采用水蒸气蒸馏法提取分离。

本方法的优点是操作简便而安全，但是麻黄草需经过煎煮、浓缩和蒸馏等高温过程，使部分麻黄碱分解而影响产品质量和收率。

也可采用离子交换树脂法提取分离麻黄碱和伪麻黄碱。

工业上通常常用甲苯法。

提问

（4）麻黄碱和伪麻黄碱的检识

麻黄碱和伪麻黄碱皆为仲胺衍生物，具有挥发性，不易和生物碱沉淀试剂发生沉淀。

选用下列两种方法鉴别：

1．二硫化碳-硫酸铜反应在麻黄碱或伪麻黄碱的乙醇溶液中，加二硫化碳、硫酸铜和氢氧化钠试剂各1滴，可产生黄棕色沉淀。

2．铜铬盐反应在麻黄碱或伪麻黄碱的水溶液中加硫酸铜试剂和氢氧化钠试剂，溶液呈蓝紫色。

加入乙醚振摇放置后，乙醚层显紫红色，水层变蓝色。

紫红色铜铬盐可溶于乙醚，在水中转变成四水合物显蓝色。

麻黄的临床应用

麻黄为麻黄科植物草麻黄、中麻黄或木贼麻黄的干燥草质茎。

具有发汗散寒，宣肺平喘，利水消肿的功能。

用于治疗风寒感冒、胸闷喘咳、风水浮肿支气管哮喘。

现代医学研究证明，麻黄具有抗发炎、抗菌、抗病毒等作用。

本品含麻黄碱、伪麻黄碱、甲基伪麻黄碱、麻黄次碱等多种生物碱及挥发油、有机酸、黄酮类等。

其中麻黄碱为主要有效化学成分，其次为伪麻黄碱，以秋季含量最高。

挥发油有发汗、解热作用，麻黄碱和伪麻黄碱能缓解支气管平滑肌痉挛，可用在哮喘等场合；

伪麻黄碱有较强利尿作用，麻黄碱可