Алкалоиды: группа тропана (атропин, кокаин) – строение, основные свойства, характеристика реакционной способности

Алкалоиды группы тропана содержат в своей основе бициклическую структуру тропана и являются производными спирта тропина или гидрокси­кислоты экгонина.

Гиосциамин содержится в растениях семейства пасленовых—красавке, белене, дурмане, скополии. Гиосциамин представляет собой сложный эфир тропина и троповой кислоты. В растениях содержится оптически актив­ная форма алкалоида. В процессе выделения происходит рацемизация остатка троповой кислоты, рацемическая форма гиосциамина называется атропином. Атропин получают как из растительного сырья, так и синтетически. Атропин обладает холиноблокирующим действием (спазмолитическим и мидриатическим). В медицине используется атропина сульфат.

Кокаин — алкалоид из южноамериканского кустарника Erythroxylon coca Lam. — представляет собой бесцветное кристаллическое вещество горького вкуса, хорошо растворимое в воде и этаноле. Кокаин обладает сильным мест­но-анестезирующим действием, благодаря чему его гидрохлорид долгое время использовался в хирургической и зубоврачебной практике. Из-за высокой токсичности, и особенно из-за того, что его применение приводит к наркоти­ческой зависимости, в настоящее время медицинское использование ограни­чено. Последнее обстоятельство стимулировало поиск синтетических заме­нителей кокаина.

Липиды: классификация; воски – принцип строения, номенклатура, примеры; высшие одноатомные спирты; высшие жирные кислоты – особенности строения (пальмитиновая, стеариновая, олеиновая, линолевая, линоленовая).

Липиды — органические соединения растительного или животного происхождения, различные по химическому составу, строе­нию, выполняемым функциям и объединяемые на основе общих физико-хи­мических свойств.

Липиды принадлежат к числу важных в биологическом отношении веществ, входящих в состав всех живых клеток. В настоящее время липиды рассматри­ваются уже не только как форма запаса метаболического топлива и как ма­териал для построения мембран. Установлено, что липиды являются важней­шими биологическими эффекторами, регуляторами и медиаторами, участ­вующими во многих происходящих в организме физиологических процессах. Широкий спектр биологической активности липидов служит фундамен­том для создания лекарственный препаратов. Для фармации характерно прак­тическое использование некоторый специфических физико-химических свойств липидов. К их числу относится эмульгирующая функция, связанная с поверхностной активностью липидных молекул и используемая в производ­стве ряда лекарственных форм. Большой интерес представляет транспортная функция липидов, основанная на их способности образовывать липосомы. Создание липосомальных форм лекарственных веществ является перспектив­ным способом повышения безопасности и эффективности их действия.

В зависимости от компонентного состава липиды подразделяют на две большие группы:

• простые, продуктами гидролиза которых являются высшие карбоновые кислоты и спирты;

• сложные, продуктами гидролиза которых, кроме ВЖК и спиртов, являются и другие вещества.

(!) При всем разнообразии строения для большинства липидов характерно наличие в их составе двух обязательных компонентов — высших жирных кислот и спиртов.

Отдельные группы липидов могут также содержать аминоспирты и ами­нокислоты (фосфолипиды), длинноцепочечные альдегиды (плазмалогены), моносахариды (гликолипиды). По отношению к липидам часто можно встретить название «омыляемые» липиды. Такой термин связан с их способностью образовывать в щелочной среде мыла, т. е. соли высших карбоновых кислот. Другое назва­ние — «неомыляемые» липиды — закрепилось за группой негидролизующихся природных веществ (стероиды и др.), по сходному характеру растворимости также относимых к липидам.

Высшие жирные кислоты.

Многие известные высшие карбоновые кислоты были впервые выделены из жиров и в целом получили название жирных, а с учетом присущей им отно­сительно длинной углеводородной цепи их называют высшими жирными кис­лотами (ВЖК).

Как правило, природные высшие жирные кислоты характеризуются сле­дующими признаками:

• являются монокарбоновыми;

• содержат четное число атомов углерода;

• имеют неразветвленный углеводородный радикал;

• имеют цис-конфигурацию двойных связей (если они содержатся).

Однако существует и много исключений; например, известны кислоты с нечетным числом атомов углерода, с разветвленной углеводородной цепью, с транс-расположением двойных связей.

Насыщенные жирные кислоты. Несмотря на большой диапазон возмож­ной длины цепи, в составе липидов наиболее распространены кислоты с нераз­ветвленной цепью, включающей 16, 18, 20 или 22 атома углерода.

Наиболее распространенными являются пальмитиновая и стеариновая кислоты, особенно характерные для твердых жиров и некоторых твердых растигельных масел (масло какао, пальмовое масло и др.). В жидких раститель­ных маслах они содержатся в меньших количествах, при этом преобладающей является пальмитиновая кислота.

В углеводородном радикале насыщенных кислот все атомы углерода нахо­дятся в sp³-гибридизованном состоянии и имеют тетраэдрическую конфигу­рацию. За счет вращения вокруг σ-связей С—С углеродная цепь мо­жет принимать различные конформации. Энергетически наиболее выгодной является зигзагообразная конформация, так как в этом случае атомы углерода цепи находятся в антиперипланарной конформации.

Насыщенные жирные кислоты обладают слабыми кислотными свойства­ми и в малой степени диссоциированы в водных растворах.

Ненасыщенные жирные кислоты. Ненасыщенные высшие жирные кис­лоты распространены в природе более широко, чем насыщенные. Число атомов углерода в ненасыщенный жирных кислотах может быть различным, но пре­обладающими являются кислоты с 18 и 20 атомами.

В организме мононенасыщенные кислоты могут образовываться из насы­щенных жирных кислот путем реакции дегидрирования. Основными синте­зируемыми в организме ненасыщенными кислотами являются олеиновая и пальмитолеиновая.

К полиеновым относят ненасыщенные высшие жирные кислоты, содер­жащие от двух до шести двойных связей. Каждая из них отделена от другой метиленовой группой.

В молекулах ненасыщенных кислот, наряду с sр³-гибридизованными, со­держатся sр²-гибридизованные атомы углерода. Поэтому участки углеводо­родной цепи относительно двойной связи могут иметь цис- или транс-распо­ложение:

В ненасыщенных высших жирных кислотах природного происхождения двойные связи преимущественно имеют цис-конфигурацию, хотя это обычно менее выгодно, чем транс-расположение. Однако в данном случае цис-форма приводит к возможности формирования нужной вторичной структуры в ли­пидной части клеточных мембран.

Ненасыщенные жирные кислоты могут подвергаться различным видам изомеризации, в частности пространственной — с изменением конфигурации двойных связей и позиционной — со смещением положения двойных связей.

Замещенные жирные кислоты. Такие кислоты встречаются редко; тем не менее известны соединения, содержащие в качестве заместителей гидрокси- и эпоксигруппы. Высшие жирные кислоты, содержащие гидроксильную группу, входят в состав липидов головного мозга, липидов молока, некоторых растений и мик­роорганизмов.

Номенклатура. В систематических названиях высших жирных кислот по номенклатуре ИЮПАК отражаются длина цепи, положение и конфигурация кратных связей, наличие и положение заместителей в соответствии с общими правилами этой номенклатуры.

При составлении названий липидов правилами ИЮПАК для некоторых кислот (лауриновая, миристиновая, пальмитиновая, стеариновая) разрешено использование их тривиальных названий. В области ненасыщенных высших жирных кислот существуют разные способы обозначения положения и конфигурации двойных связей.

Способ 1. В сокращенном виде указывается число атомов углерода в угле­водородной цепи и через двоеточие число двойных связей; положение двойных связей обозначается цифрами с указанием цис- или транс-конфигурации латинскими буквами с или t соответственно. Буквы с и t в сокращенных названиях очень часто опускаются. Так, линоленовая кислота имеет сокращенное назва­ние 18:3 9,12,15.

Способ 2. В сокращенном виде указывается число атомов углерода в угле­водородной цепи и через двоеточие число двойных связей; положение двой­ных связей обозначается у буквы Δ в виде верхнего правого индекса. По этому способу линоленовая кислота обозначается как 18:3 Δ^9,12,15.

Способ 3. В настоящее время активно используется собственная номенк­латура ненасыщенных высших жирных кислот. По предлагаемому способу концевой атом углерода, независимо от длины цепи, обозначается последней буквой греческого алфавита ω (омега), иногда — латинской буквой n. Отсчет положения двойных связей производится не как обычно от карбоксильной группы, а от ω-метильной группы и обозначается, например, ω-3 (n-3), ω-6 (n-6), ω-9 (n-9).

Ненасыщенные жирные кислоты по «начальному» положению двойной связи подразделяют на следующие типы:

• ω-9 (омега 9) — тип олеиновой кислоты;

• ω-6 (омега 6) — тип линолевой кислоты;

• ω-3 (омега 3) — тип линоленовой кислоты.

Некоторые биологически важные полиеновые кислоты. Полиненасыщенные высшие жирные кислоты (ПНВЖК) играют исключительно важную роль в жизнеде­ятельности организма.

К полиненасыщенным высшим жирным кислотам относятся:

• линолевая (18:2 9,12 или ω-6);

• α-линоленовая (18:3 9,12,15 или ω-3);

• γ-линоленовая (18:3 6,9,12 или ω-6);

• арахидоновая (20:4 5,8,11,14 или ω-6).

Считалось, что большинство функций незаменимых жирных кислот — линоле­вой, линоленовой и их более длинноцепочечных гомологов — связано с их окислен­ными метаболитами, получившими обобщенное название «оксилипины», а сами кислоты лишь обеспечивают целостность мембраны и оптимальный уровень ненасыщенности тканевых липидов. Позднее было показано, что высшие жирные кислоты непосредственно участвуют во многих клеточных процессах. Перечисленные выше и родственные им полиненасыщенные кислоты ус­ловно называют «витамином F».

Спирты.

В составе липидов наиболее распространены следующие типы спиртов:

• высшие одноатомные спирты;

• полиолы (глицерин);

• аминоспирты (двухатомный спирт сфингозин).

Высшие одноатомные спирты. В состав природных липидов входят остатки длинноцепочечных спиртов в основном с четным числом атомов углерода и неразветвленной углеродной цепью. Высшие спирты могут быть насыщенными и ненасыщенными. Часто встречающимися являются цетило- вый, стеариловый, мелиссиловый, мирициловый спирты.

Высшие спирты являются характерными компонентами восков. Сами спирты, а также их смеси с другими веществами приме­няются в качестве структурообразующих веществ и неионогенных эмульгато­ров при изготовлении кремов и мазей, а также служат исходными соединениями для получения ионогенных эмульгаторов — алкилсульфатов. Наиболее широкое применение имеет так называемый цетостеариловый спирт, представляющий собой смесь цетилового и стеарилового спиртов.

Простые липиды.

Общим классификационным признаком простых липидов является двухкомпонентность их состава: в результате гидролиза получаются высшие жир­ные кислоты (или их соли) и спирты.

Принадлежность к той или иной группе определяется главным образом характером спиртового компонента:

• высшие одноатомные спирты — воски;

• глицерин — жиры, масла;

• сфингозин — церамиды.

Воски. Воски — это сложные эфиры высших жирных кислот и высших одноатом­ных спиртов. В состав восков входят, как правило, насыщенные высшие жирные кислоты (чаще других — пальмитиновая) и насыщенные спирты — цетиловый, цериловый, мелиссиловый, мирициловый. Природные воски обычно содержат некоторое количество свободных жирных кислот и спиртов, а также углеводороды.

В большинстве воски представляют собой твердые, упругопластичные, иногда хрупкие при комнатной температуре вещества, только очень немногие при комнатной температуре имеют жидкую консистенцию (спермацетовое масло).

По происхождению воски разделяются на животные и растительные. Наиболее известны такие воски животного происхождения, как пчелиный воск, спермацет и ланолин.

Пчелиный воск более чем на 70% состоит из сложных эфиров высших жирных кислот, значительная доля который (более 30%) представлена мирицилпальмитатом. Пчелиный воск отличается также наличием свободных спиртов и кислот, чем объясняется его способность эмульгировать некоторое количество воды.

Спермацет выщеляется из жира, содержащегося в полостях черепной ко­робки кашалота и других китообразных. Он практически полностью состоит из сложных эфиров высших жирных кислот и высших одноатомных спиртов. Преобладающим компонентом является цетилпальмитат. Благодаря плотной консистенции спермацет часто используется как уплотнитель для слишком мягких мазей.

Ланолин (шерстный или шерстяной воск) вырабатывается кожными же­лезами овец. Его получают при промывке шерсти овец. Ланолин отличается от других восков высоким содержанием стеринов (холестерин и др.), как сво­бодных, так и связанных в виде эфиров с высшими жирными кислотами — пальмитиновой, миристиновой, стеариновой.

Воски образуют защитную смазку на коже человека и животных, входят в состав защитного покрытия от высыхания листьев растений, кожуры фрук­тов, покровных тканей у насекомых. Воски находят применение в фармацевтической и парфюмерно-космети­ческой промышленности при изготовлении кремов и мазей.

Липиды: триацилглицерины – принцип строения, номенклатура, реакционная способность (гидролиз, гидрогенизация, окисление), аналитические характеристики (иодное число, число омыления).

Более половины природных липидов принадлежит к глицеролипидам, т. е. к производным трехатомного спирта — глицерина. В составе нейтральных и фосфорсодержащих липидов встречаются также и другие полиолы — этиленгликоль, пропандиолы, изомерные бутандиолы.

Триацилглицерины.

Триацилглицерины (жиры и масла) — это сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот.

Глицерин как трехатомный спирт может образовывать сложные эфиры с участием либо всех, либо нескольких гидроксильных групп. В природе в основ­ном встречаются только полные эфиры глицерина, т. е. триацилглицерины.

Природные триацилглицерины условно делятся на жиры и масла в зави­симости от консистенции. Консистенция триацилглицеринов зависит от их состава (при 20 ^оС).

(!) Триацилглицерины с преобладанием в составе остатков насыщенных выс­ших жирных кислот имеют твердую консистенцию и называются жирами. Триацилглицерины с преобладанием в составе остатков ненасыщенных высших жирных кислот имеют жидкую консистенцию и называются мас­лами.

Триацилглицерины животного происхождения имеют твердую консис­тенцию, за редким исключением — жидкую (рыбий жир). Растительные три­ацилглицерины обычно жидкие, хотя некоторые масла имеют твердую (масло какао, пальмовое масло и др.) или густую (чаульмугровое масло) консис­тенцию.

В жирнокислотном составе природных жиров и масел, как правило, пре­обладают две или три кислоты, а другие содержатся в меньшем количестве. Высшие жирные кислоты распределяются таким образом, что образуется по возможности большее число смешанных триацилглицеринов. Наиболее часто встречающимися в составе природных триацилглицеринов являются стеари­новая, пальмитиновая, олеиновая и линолевая кислоты. Некоторые масла и жиры содержат специфические жирные кислоты, характерные только для конкретных видов растений или животных.

Номенклатура. По заместительной номенклатуре ИЮПАК триацилглицерины называют как производные глицерина, в которых атомы водорода ОН-групп замещены ацильными остатками (RСО) высших жирных кислот. Названия этих остатков производят обычным способом с использованием суффикса -оил и перечисляют в алфавитном порядке с указанием их положения.

Положение в молекуле триацилглицерина высших жирных кислот с одинаковыми остатками у крайних атомов углерода равнозначно. Однако если гидроксильные груп­пы в положениях 1 и 3 ацилированы разными жирными кислотами, то появляется хи­ральный атом С-2, а положения 1 и 3 становятся неравнозначными. В таком случае при необходимости применяют sn-систему (stereochemical numbering) обозначения липидов. По этой системе, если в проекции Фишера гидроксильная группа при С-2 глицерина находится слева, то атому углерода, находящемуся выше, присваивается номер 1, а ниже — номер 3.

Свойства липидов.

Триацилглицерины, содержащие остатки насыщенных кислот, являются достаточно инертными веществами, способными лишь к небольшому числу превращений, характерных вообще для сложных эфиров — гидролизу, переэтерификации. Триацилглицерины, содержащие ненасыщенные кислоты, способны, кроме того, вступать еще и в реакции, характерные для двойных связей — присоединения и окисления.

Гидролиз.

Реакции гидролиза триацилглицеринов, содержащих сложноэфирные связи, катализируются как кислотами, так и основаниями. Щелочной гид­ролиз, приводящий к образованию солей высших жирных кислот (мыл), на­зывают омыление.

Гидролиз триацилглицеринов в кислой среде используется в целях уста­новления жирнокислотного состава триацилглицеринов с помощью газо­-жидкостной хроматографии после перевода получаемых высших жирных кислот в их более летучие метиловые эфиры.

В фармацевтическом анализе для оценки качества жиров и масел исполь­зуется число омыления.

Число омыления — масса гидроксида калия (в мг), необхо­димая для нейтрализации свободных и связанных в виде триацилглице­ринов жирных кислот, содержащихся в 1 г анализируемого образца.

Определение проводится путем кипячения анализируемого образца с гид­роксидом калия в спиртовом растворе с последующим титрованием. Высокое число омыления свидетельствует о присутствии кислот с меньшим числом атомов углерода. Небольшие числа омыления указывают на присутствие кислот с большим числом атомов углерода или же на наличие неомыляемых веществ.

Гидрирование.

Гидрирование (гидрогенизация) ненасыщенных ацилглицеринов используется как способ получения из жидких масел твердых жиров с заданной температурой плавления (саломасы). Продукты гидрирования бо­лее устойчивы к окислению кислородом воздуха, менее склонны приобретать нежелательный привкус. Гидрированные масла используются в фармацевти­ческой промышленности в качестве основ для изготовления мазей и суппози­ториев, в пищевой промышленности в виде маргаринов.

В промышленности гидрирование осуществляется водородом в присутст­вии никелевых или медно-никелевых катализаторов при температуре 180— 240 °С и давлении 2—15 атм.

Одним из нежелательных результатов процесса гидрирования масел являет­ся возможность образования транс-изомеров ненасыщенных жирных кислот. Гидрирование ацилглицеринов, в особенности при высокой температуре, может сопровождаться повышением кислотного числа, что свиде­тельствует о повышении содержания свободных жирных кислот. Их образова­ние вызывается разными технологическими причинами: гидролизом под влиянием водяного пара, содержащегося в исходном водороде; термическим распадом ацилглицеринов и др.

Галогенирование. Бромирование является качественной реакцией, поз­воляющей определять наличие кратных связей (качественная реакция). На практике при установле­нии степени ненасыщенности жиров и масел используется реакция присо­единения иода (определение иодного числа).

Иодное число – масса йода (в граммах), которая может присоединиться к 100 граммам анализируемого образца. Чем больше значение иодного числа, тем выше степень ненасыщенности жирных кислот, входящих в состав триацилглицеринов.

Окисление.

β-Окисление. Это один из основных путей метаболизма высших жирных кислот в организме. Высшие жирные кислоты содержат большое число свя­зей С—Н, при окислении которых выделяется энергия. Данный путь окисле­ния называют β-окислением, так как окисление жирной кислоты происходит у β-атома углерода.

Начальная стадия процесса состоит в активировании кислоты путем взаи­модействия ее с коферментом А и превращении в более реакцион­носпособный сложный тиоэфир. В результате последующего отщепления ацетильной группы в виде ацетилкофермента А углеводородная цепь укорачивается на два атома углерода. Жирная кислота, укороченная на два атома углерода, опять подвер­гается последовательным реакциям дегидрирования, гидратации, окисления и отщепления ацетил-СоА. Таким образом, конечными продуктами β-окисления высшей жирной кислоты в результате ряда последовательных циклов являются молекулы ацетил-соА.

Пероксидное окисление липидов. При воздействии высокоактивных свободных радикалов липиды могут подвергаться пероксидному окислению (ПОЛ). В небольшом количестве свободные радикалы присутствуют всегда в нормальных условиях физиологической среды, и свободнорадикальные про­цессы в норме проходят в клетке постоянно. Однако под воздействием неблаго­приятных факторов окружающей среды (ионизирующее или УФ-излучение, загрязнение атмосферы, табачный дым и др.) эти процессы могут усиливаться.

При окислении полиненасыщенных высших жирных кислот, входящих в состав липидов мембран, изменяются биофизические свойства мембран (эластичность, вязкость, проницаемость, гидрофобность и др.), что приводит к их повреждению.

Прогоркание. Жиры и масла, а также лекарственные формы на их основе (мази, кремы) при длительном хранении на свету и в присутствии воздуха мо­гут прогоркать. Основными химическими процессами являются реакции гидролиза и окисления. Тип реакций, происходящих при прогоркании жиров и масел, зависит от входящих в их состав высших жирных кислот и от условий хранения. При хранении жиров и масел может происходить возрастание кислотного числа.

Кислотное число — масса гидроксида калия (в миллиграммах), необхо­димая для нейтрализации свободных жирных кислот, содержащихся в 1 г анализируемого образца.

Причин накопления в жирах и маслах свободных жирных кислот может быть несколько. Одной из них является гидролиз триацилглицеринов, проте­кающий при наличии в жире воды. Однако образующиеся в результате гидро­лиза высшие жирные кислоты не имеют вкуса и запаха, потому увеличение их содержания не изменяет органолептических свойств жира.

Другой причиной, приводящей к повышению кислотного числа, является образование низших кислот под воздействием кислорода воздуха и ферментов.

В прогорклом жире и масле, как правило, присутствуют вещества с разны­ми кислородсодержащими функциональными группами (одно- и двухоснов­ные кислоты, альдегиды, кетоны и др.). Для жиров, в которых преобладают насыщенные жирные кислоты, характерно образование кетонов (кетонное прогоркание), для жиров и масел с высоким содержанием ненасыщенных кислот — альдегидов (альдегидное прогоркание). Носителями прогорклого вкуса, как правило, являются альдегиды и кетоны. Триацилглицерины, содержащие насыщенные жирные кислоты, в мень­шей степени подвержены прогорканию.