Алкалоиды в химико-токсикологическом отношении
Из веществ, экстрагируемых органическим растворителем из щелочного раствора, наибольшее токсикологическое значение имеют алкалоиды.
Алкалоиды - органические азотистые основания сложного состава, встречающиеся в растениях (реже в животных организмах) и обладающие сильным фармакологическим действием.
Токсикологическое значение алкалоидов
Токсикологическое значение алкалоидов очень велико и связано со следующими факторами:
1. Алкалоиды обладают высокой токсичностью, но в то же время широко применяются в медицинской практике в качестве лекарственных веществ. Медицинское применение алкалоидов очень разнообразно, т.к. каждый из них обладает своим специфическим действием, иногда очень ценным и незаменимым.
Как лекарственные препараты алкалоиды проявляют фармакологический эффект в очень малых дозах. С другой стороны, алкалоиды обладают выраженной токсичностью и при превышении терапевтических доз могут являться причиной отравлений и даже смерти.
2. Некоторые алкалоиды применяются в сельском хозяйстве в качестве инсектицидов (никотин, анабазин). Их токсичность и доступность может также привести к отравлениям.
3. Наконец, широкое распространение алкалоидсодержащих растений (многие из них растут как сорняки), их доступность приводят к тому, что при поедании частей растений, содержащих алкалоиды, детьми или домашними животными, наблюдаются отравления различной степени тяжести, нередко со смертельным исходом. Известны отравления ягодами белладонны, плодами белены, дурмана, паслена сладко-горького, болиголова и др. алкалоидсодержащих растений.
Отравления отдельными алкалоидами могут давать характерную картину: тетанические судороги при отравлении стрихнином, расширение зрачков при отравлении тропановыми алкалоидами. Однако, чаще всего картина отравления и, тем более, патологоанатомического исследования нехарактерны. Поэтому главное значение при доказательстве отравлений алкалоидами приобретает химико-токсикологическое (судебно- химическое) исследование. При отравлении растениями большую помощь может оказать фармакогностическое исследование частей растений в содержимом желудка.
В зависимости от химического строения алкалоиды, имеющие токсикологическое значение, можно разделить на 10 групп:
1. Производные пиридина, пиперидина и хинолизидина (жидкие алкалоиды):
а) моноциклические (кониин, ареколин)
б) бициклические (анабазин, никотин)
в) полициклические (пахикарпин)
2. Производные тропана (пиперидил-пирролидина):
атропин, гиосциамин, скополамин, кокаин
3. Производные хинолина (a,b-бензопиридина):
Хинин
4. Производные изохинолина (b, -бензопиридина): (группа опийных алкалоидов):
а) производные фенантренизохинолина (морфин, кодеин, дионин, апоморфин, героин)
б) производные бензилизохинолина (папаверин, наркотин)
5. Производные индола (бензопиррола)
стрихнин, бруцин, резерпин
6. Производные пурина
кофеин, теобромин, теофиллин
7. Производные 1-метилпирролизидина
саррацин, платифиллин
8. Ациклические алкалоиды
Эфедрин
9. Алкалоиды стероидоподобного строения (вератрин)
10. Алкалоиды неустановленного строения (аконитин)
Из перечисленных групп алкалоидов, согласно приказа N 1021 от 25.12.73 Министерства здравоохранения СССР, при проведении общего судебно-химического анализа обязательному исследованию подлежат: жидкие алкалоиды - никотин, пахикарпин; тропановые алкалоиды; производные изохинолина (опийные алкалоиды); производные индола - стрихнин.
Остановимся на физико-химических свойствах алкалоидов, которые имеют значение в химико-токсикологическом анализе.
1. Большинство алкалоидов - твердые кристаллические, реже аморфные вещества без запаха, горького вкуса. Исключение составляют жидкие алкалоиды - кониин, ареколин, никотин, анабазин, пахикарпин, основания которых являются летучими маслянистыми жидкостями, обладающими характерным запахом.
2. Растворимость алкалоидов-оснований и их солей различна. Основания алкалоидов практически нерастворимы в воде и легко растворяются в органических растворителях - эфире, хлороформе, этаноле, дихлорэтане и др.
Наоборот, соли алкалоидов легко растворимы в воде и спирте, но, как правило, не растворимы в органических растворителях.
Однако, алкалоиды-жидкости составляют исключение: их основания растворяются и в воде, и в органических растворителях, что приходится учитывать при проведении судебно-химического исследования на наличие алкалоидов.
Соли некоторых алкалоидов, например, хлористоводородные соли кокаина, наркотина, папаверина, йодистоводородная соль пахикарпина способны растворяться в хлороформе.
Алкалоиды с малой величиной константы диссоциации (Кд=10-14-10-12) -кофеин, теобромин, теофиллин, папаверин, стрихнин и бруцин - дают непрочные соли, гидролизующиеся даже в кислой среде, поэтому способны экстрагироваться из кислого водного раствора.
3. За счет гетероатома азота (третичного), содержащегося в молекуле, алкалоиды:
а) обладают основными свойствами и дают соли с кислотами (по типу аммиака и аминов);
б) вступают во взаимодействие с солями тяжелых металлов, с некоторыми кислотами с образованием нерастворимых осадков (реакции с общеалкалоидными реактивами и микрокристаллоскопические реакции).
4. Некоторые алкалоиды способны давать окрашенные соединения с кислотами за счет дегидратации. Окрашенные продукты могут получаться также при окислительно-восстановительных реакциях алкалоидов, при реакциях конденсации.
5. Большинство алкалоидов, имеющих хромофорную систему, обладает характерным светопоглощением в УФ области спектра.
6. Алкалоиды имеют характерное светопоглощение в ИК – области спектра.
Химико-токсикологическое исследование на алкалоидыскладывается из ряда этапов:
1. Изолирование алкалоидов из биологического объекта.
2. Очистка полученного извлечения от сопутствующих (балластных) веществ.
3. Идентификация алкалоидов.
4. Количественное определение.
1. Изолирование алкалоидов из биологического материала можно проводить общими методами для группы «нелетучих» ядов - подкисленным спиртом, водой, подкисленной щавелевой кислотой, либо частным методом – водой, подкисленной серной кислотой, по В.Ф. Крамаренко. Для жидких алкалоидов, основания которых летучи с водяным паром, в качестве метода изолирования может быть применена перегонка с водяным паром. Для некоторых алкалоидов, например, для пахикарпина, разработан метод электродиализа.
Оптимальное значение рН для изолирования алкалоидов на 1 стадии - при настаивании биологического материала с полярными растворителями (вода или этанол) - должно быть 2 -3, чтобы перевести алкалоиды в солеобразные ионизированные формы, хорошо растворимые в воде. При этом степень ионизации a ® 100%. Кислая реакция среды, кроме того, способствует разрушению комплексов алкалоидов с белками, что увеличивает выход алкалоидов.
На 2 стадии изолирования - при экстрагирования алкалоидов из жидкой фазы неполярным органическим растворителем - рН устанавливается в пределах 9- 10, что дает возможность перевести алкалоиды из солей в основания, т.е. молекулярные формы, хорошо растворимые в органических растворителях. При этом a ® 0%.
Оптимальным экстрагентом для большинства алкалоидов является хлороформ, для некоторых алкалоидов, например, морфина - изоамиловый спирт или дихлорэтан.
2. Очистка извлечений от балластных веществ.
Грубая очистка извлечений, содержащих алкалоиды, от балластных веществ, в частности белков, предусмотрена в некоторых методах изолирования. Так, в методе Стаса-Отто проводится осаждение белков абсолютным этанолом, а в методе В.Ф.Крамаренко - сульфатом аммония. Как правило, грубая очистка приводит к потерям алкалоидов за счет их соосаждения с белками.
К более тонким методам очистки относятся:
1 - экстракционная очистка
2 - хроматография
3 – электродиализ
1. Экстракционная очистка связана с экстракцией балластных веществ органическими растворителями из кислого водного раствора. При этом алкалоиды в виде солей остаются в водной фазе. Для выделения очищенных алкалоидов из водного раствора водную фазу подщелачивают гидроксидом аммония или натрия. При этом алкалоиды-соли переходят в алкалоиды-основания, которые экстрагируют органическим растворителем (хлороформом). Органическую фазу отделяют, растворитель испаряют, и остаток исследуют на наличие алкалоидов. При сильно загрязненных извлечениях очистку повторяют. Экстракционная очистка связана с частичными потерями алкалоидов за счет их перераспределения между водной и органической фазами. Такой вид очистки предусмотрен в методе В.Ф.Крамаренко, где балластные вещества экстрагируются из кислой водной фазы эфиром.
2. Хроматографические методы очистки являются более экономичными по сравнению с экстракционными. Используются следующие разновидности метода:
· Адсорбционная колоночная хроматография применена Л.М.Власенко для выделения и очистки морфина.
· Гель-хроматография - разновидность колоночной хроматографии (предложена В.Ф.Крамаренко )
· Хроматография в тонком слое сорбента (ХТС)
· Электрофорез - применен для выделения и очистки резерпина Л.В.Песаховичем.
Наибольшего внимания из перечисленных методов очистки заслуживает ХТС благодаря своей доступности, простоте выполнения и высокой разрешающей способности.
3.Электродиализ применен Н.И.Вестфаль для очистки пахикарпина и стрихнина при выделении их из биологического материала. При этом в диализаторе создается электрическое поле, под действием которого ускоряется переход алкалоидов в водное извлечение через полупроницаемую мембрану, которая не пропускает крупные молекулы белков и продукты их распада, за счет чего и достигается очистка.