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第一节 概 述
一、生物碱的结构与分类
生物碱的分类方法有多种，本章主要依据生物碱结构中氮原子所在母核结构类型不同进行分类。
（一）吡咯烷类
该类生物碱结构相对较简单，数量相对较少，代表化合物有红古豆碱（cuscohygrine）等。
四氢吡咯
红古豆碱
（二）吡咯里西啶类
该类生物碱具两个吡咯烷共用一个氮原子的母核，主要分布于菊科千里光属植物中，如大叶千里光碱（macrophylline）等。
吡咯里西啶
大叶千里光碱
（三）哌啶类
该类生物碱结构相对较简单，代表化合物有胡椒碱（piperine）、槟榔碱（arecoline）、槟榔次碱（arecaidine）等。
哌啶
槟榔碱
槟榔次碱
胡椒碱
（四）喹诺里西啶类
该类生物碱具两个哌啶共用一个氮原子的母核，主要分布于豆科、石松科和千屈菜科中药中，代表化合物有金雀花碱（cytisine）等。
喹诺里西啶
金雀花碱
（五）吲哚里西啶类
该类生物碱具哌啶和吡咯共用一个氮原子的母核，主要分布于大戟科一叶萩属中药中，数目相对较少，代表化合物有一叶萩碱（securinine）等。
吲哚里西啶
一叶萩碱
（六）莨菪烷类
该类生物碱均具莨菪烷母核，并多由环系的C 3醇羟基和有机酸缩合成酯，主要存在于茄科的颠茄属、曼陀罗属、莨菪属和天仙子属中，代表化合物如莨菪碱（hyoscyamine）等。
莨菪碱
（七）苯丙胺类
该类生物碱的氮原子位于环外，代表化合物有麻黄碱（ephedrine）等。
苯丙胺
麻黄碱
（八）异喹啉类
该类生物碱类型和数目较多，在药用植物中分布广泛，现将主要类型分述如下。
1.原小檗碱类
该类生物碱由两个异喹啉环稠合而成，母核中A、D环为苯环，C环为饱和环，多为叔胺碱，如延胡索乙素（tetrahydropalmatine）等。
原小檗碱
延胡索乙素
2.小檗碱类
该类生物碱多为季铵碱，基本结构同原小檗碱类生物碱，也由两个异喹啉环稠合而成，但C环为不饱和环，如小檗碱（berberine）等。
小檗碱
3.苄基异喹啉类
该类生物碱异喹啉母核的1位连有苄基，代表化合物有罂粟碱（papaverine）、厚朴碱（magnocurarine）等。
罂粟碱
厚朴碱
4.双苄基异喹啉类
该类生物碱为两个苄基异喹啉通过1～3个醚键连接而成，代表化合物有蝙蝠葛碱（dauricine）等。
蝙蝠葛碱
（九）吲哚类
该类生物碱皆具有吲哚母核，是化合物数目最多的一类生物碱，主要分布于马钱科、夹竹桃科、茜草科等植物中，代表化合物有靛青苷（indican）、吴茱萸碱（evodiamine）等。
吲哚
靛青苷
吴茱萸碱
（十）喹啉类
该类生物碱具有喹啉基本母核，主要分布于芸香科植物中，代表化合物有白鲜碱（dictamnine）等。
喹啉
白鲜碱
（十一）吖啶酮类
该类生物碱具有吖啶酮母核，也主要分布于芸香科植物，代表化合物有山油柑碱（acronycine）等。
吖啶酮
山油柑碱
（十二）咪唑类
该类生物碱具有咪唑母核，化合物数目相对较少，代表化合物有毛果芸香碱（pilocarpine）等。
咪唑
毛果芸香碱
（十三）萜类
该类生物碱分子具有萜类化合物的结构特征，主要分布于龙胆科、兰科、毛茛科、红豆杉科等植物中，代表化合物有龙胆碱（gentianine）、石斛碱（dendrobine）等。
龙胆碱
石斛碱
（十四）甾体类
该类生物碱具有甾体基本母核，存在多种变型，但氮原子均不在甾体母核内，代表化合物有藜芦胺碱（veratramine）等。
藜芦胺碱
二、生物碱的主要理化性质
（一）物理性质 1.性状
生物碱多数为结晶形固体，个别为液体，如烟碱（nicotine）、槟榔碱等。
2.味
生物碱多具苦味，成盐后较游离者味更苦。
3.颜色
生物碱一般为无色或白色，少数有颜色，如一叶萩碱为淡黄色、小檗碱呈黄色等。
4.挥发性
少数液体状态及个别小分子固体生物碱具有挥发性，可采用水蒸气蒸馏法提取，如麻黄碱、烟碱等。
5.升华性
咖啡因（caffeine）等个别生物碱具有升华性。
烟碱
咖啡因
6.溶解性 （1）游离生物碱 1）亲脂性生物碱：
大多数生物碱为叔胺碱和仲胺碱，可溶于醇，易溶于亲脂性有机溶剂，如卤代烷类（二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳）、苯、乙醚等，尤其易溶于三氯甲烷。可溶于酸水，不溶或难溶于水和碱水。
2）亲水性生物碱：
主要指季铵碱和某些氮氧化物生物碱，可溶于水、醇，一般难溶于亲脂性有机溶剂。
3）具有特殊结构的生物碱：
具有酚羟基或羧基的两性生物碱（具酚羟基者又可称为酚性生物碱）既可溶于酸水，也可溶于碱水，但在pH8～9时表现为沉淀，如吗啡、小檗胺（berbamine）、槟榔次碱等；具有内酯或内酰胺结构的生物碱在碱水溶液中可开环形成羧酸盐而溶于水中，加酸后又可还原。利用这些特殊性质可以对这一类生物碱进行分离。
4）特例化合物：
去甲基粉防己碱（demethyltetrandrine）等某些酚性碱难溶于碱水；游离石蒜碱（lycorine）易溶于水，难溶于有机溶剂；喜树碱（camptothecin）不溶于一般有机溶剂，只溶于酸性三氯甲烷等；某些亲水性生物碱（如麻黄碱、苦参碱、氧化苦参碱、东莨菪碱、烟碱等）既有亲水性，也有一定的亲脂性，可溶于三氯甲烷等亲脂性有机溶剂，这些化合物溶解性的特殊表现在提取分离时可以考虑利用。
去甲基粉防己碱
石蒜碱
喜树碱
（2）生物碱盐 1）一般溶解性：
易溶于水、可溶于醇，难溶于亲脂性有机溶剂。通常生物碱的无机酸盐水溶性大于有机酸盐，无机酸盐中含氧酸盐的水溶性大于卤代酸盐，小分子有机酸盐大于大分子有机酸盐。
2）特例化合物：
有些生物碱盐难溶于水，如小檗碱盐酸盐、麻黄碱草酸盐等；有些生物碱盐不溶于水但易溶于亲脂性有机溶剂，如高石蒜碱（homolycorine）的盐酸盐难溶于水而易溶于三氯甲烷等。
（二）化学性质 1.碱性
碱性是生物碱最重要的化学性质，也是生物碱提取、分离和结构鉴定的重要理论依据。
（1）碱性来源：
根据Lewis酸碱电子理论，由于生物碱分子中氮原子上的孤电子对能给出电子或接受质子，因此生物碱显碱性。
（2）碱性大小的表示方法：
目前，统一用p K a表示生物碱的碱性大小，p K a越大碱性越强。一般地，p K a<2为极弱碱，p K a2～7为弱碱，p K a7～11为中强碱，p K a11以上为强碱。
不同母核类型的生物碱p K a大小顺序一般是：胍基>季铵碱> N-烷杂环>脂肪胺>芳香胺≈ N-芳杂环>酰胺≈吡咯。
（3）碱性大小的影响因素：
生物碱的碱性大小与氮原子的杂化方式、核外电子云密度、分子内氢键形成以及化学环境空间效应等有关，分述如下：
1）氮原子的杂化方式的影响：
生物碱碱性强弱随氮原子杂化程度的升高而增强，即sp 3>sp 2>sp。季铵碱的碱性很强，p K a值在11.5以上，主要是因为羟基以负离子形式存在，碱性类似无机碱。
2）诱导效应的影响：
供电诱导使氮原子电子云密度增加，碱性增强；吸电诱导使氮原子电子云密度减小，碱性降低。如麻黄碱的碱性（p K a9.58）强于去甲麻黄碱（p K a9.00），即是由于麻黄碱氮原子上甲基供电诱导的结果。一般来说双键和羟基的吸电诱导效应使生物碱的碱性减小。具有氮杂缩醛结构的生物碱常易于质子化而显强碱性。但是氮杂缩醛体系中氮原子处于桥头N时，因其具有刚性结构不能发生质子化异构，相反由于-OH的吸电效应使碱性减小。
3）诱导-场效应的影响：
生物碱分子中有多个以上氮原子时，其中一个氮原子质子化后即产生一个强的吸电基团-N +HR 2，它对另外的氮原子产生两种碱性降低的效应，即诱导效应和静电场效应。如无叶豆碱（sparteine）中两个氮原子的碱性相差很大（Δp K a为8.1），主要原因即为存在着显著的诱导-场效应。
4）共轭效应的影响：
氮原子上的孤电子对与苯环π-电子或羰基形成p-π共轭体系一般均使碱性减弱。如毒扁豆碱（physostigmine）的两个氮原子，其N 1的p K a为1.76，N 3的p K a为7.88，两个氮原子碱性的差别即为共轭效应引起。又如胡椒碱p K a为1.42，秋水仙碱（colchicine）p K a为1.84，均为形成酰胺结构所致。
毒扁豆碱
秋水仙碱
5）氢键效应的影响：
生物碱成盐后，若氮原子附近如有羟基、羰基并处于有利于形成稳定的分子内氢键时，氮原子结合的质子不易离去，表现为碱性增强。如麻黄碱的碱性小于伪麻黄碱（pseudoephedrine，p K a9.74），即是因为麻黄碱分子中的甲基和苯环取代重叠，形成不稳定构象，从而使其共轭酸和C 1-OH形成的分子内氢键稳定性差的原因。又如钩藤碱（rhynchophylline）p K a值为6.32，成盐后产生分子内氢键使其更稳定，碱性强于无氢键的异钩藤碱（isorhynchophylline，p K a5.20）。
钩藤碱
异钩藤碱
6）空间效应的影响：
由于附近取代基的空间立体障碍或分子构象因素的影响，使得质子难于接近氮原子，故碱性减弱，如前述的东莨菪碱（p K a7.50）等。
综上可见，影响生物碱碱性的因素常常不止一个，在分析碱性的时候需要综合考虑。一般来说，空间效应与诱导效应共存时空间效应居主导地位，共轭效应与诱导效应共存时共轭效应居主导地位。
2.沉淀反应 （1）应用意义：
生物碱在酸性水或稀醇中与某些试剂生成沉淀的反应称为生物碱沉淀反应，这些试剂称为生物碱沉淀试剂。生物碱沉淀试剂主要用于生物碱的试管定性反应和平面色谱的显色剂。另外，生物碱沉淀反应在生物碱的提取分离中可指示终点；个别沉淀试剂亦可用于分离纯化生物碱，如硫氰酸铬铵（雷氏铵盐）可用于沉淀分离季铵碱。
（2）生物碱沉淀试剂：
常用的沉淀试剂及反应结果见表2-1。
表2-1 常用的沉淀试剂及反应结果
（3）反应条件：
生物碱沉淀反应一般要在酸水或酸性稀醇中进行，但苦味酸试剂可在中性条件下进行。
（4）结果判断：
利用沉淀反应鉴别生物碱时，应注意假阴性和假阳性反应结果。仲胺一般不易与生物碱沉淀试剂反应而产生假阴性结果（如麻黄碱等），而水溶液中如有蛋白质、多肽、鞣质亦可与生物碱沉淀试剂产生假阳性反应。因此，定性鉴别生物碱时应用三种以上试剂分别进行反应，均阳性或阴性方能得出可靠的结论。
3.生物碱的显色反应
某些试剂能与个别生物碱反应生成不同颜色的溶液，这些试剂称为生物碱显色试剂，可用于检识个别生物碱。
三、生物碱的提取分离方法
（一）生物碱的提取方法 1.酸水结合离子交换树脂提取法
一般常用无机酸水（0.1%～1%的硫酸、盐酸等）渗漉或浸渍提取生物碱，以便将生物碱有机酸盐置换成无机酸盐，增大溶解度。操作时将酸水提取液通过阳离子交换树脂柱，使酸水中生物碱阳离子与树脂上的阳离子进行交换。交换完全后，可将已吸附上生物碱的树脂从色谱柱中取出，用氨水碱化，再用三氯甲烷或乙醚等有机溶剂回流提取，浓缩提取液可得到较纯的总碱；同样也可以将酸水提取液碱化，生物碱游离后，如沉淀明显则滤过得到，如沉淀不明显则以适当亲脂性有机溶剂萃取，回收溶剂即得总生物碱。
2.醇提取法
游离生物碱或其盐均可溶于甲醇、乙醇，可回流或渗漉、浸渍提取。醇提取的优点是提取范围较广，水溶性杂质较少提出；缺点是脂溶性杂质相对较多，可配合酸碱处理结合萃取法去除。
3.亲脂性有机溶剂提取法
大多数游离生物碱都为亲脂性，故可采用浸渍、回流或连续回流法以三氯甲烷、苯、乙醚以及二氯甲烷等提取。提取前一般要将药材用少量碱水润湿，以便使生物碱游离，同时也可增加溶剂对植物细胞的穿透力。该法的主要优点是水溶性杂质少，主要缺点为溶剂价格高，安全性差。
4.其他提取法
挥发性生物碱可用水蒸气蒸馏法提取（如麻黄碱等），具升华性的生物碱可用升华法提取（如咖啡因等）。
（二）生物碱的分离方法 1.不同类别生物碱的分离
根据组成成分的性质差异，一般可将总生物碱初步分成五大类，分离流程如下：
2.单体生物碱的分离 （1）利用碱性差异进行分离：
总碱中各组分的碱性往往有差异，可以用pH梯度萃取法进行分离。具体操作方法有两种，一种是将总生物碱溶于三氯甲烷等亲脂性有机溶剂，以不同酸性缓冲液依pH由高至低依次萃取，生物碱可按碱性由强至弱先后成盐依次被萃取出来而得到分离，分别碱化后再以有机溶剂萃取而得到分离；另一种是将总生物碱溶于酸水，逐步加碱，每调节一次pH即用三氯甲烷等有机溶剂萃取，则各组分生物碱按碱性由弱至强先后成盐依次被萃取出来而得到分离。
（2）利用溶解性差异进行分离：
如苦参中苦参碱和氧化苦参碱的分离，可利用氧化苦参碱极性稍大、难溶于乙醚而苦参碱可溶于乙醚的性质，将苦参总碱溶于三氯甲烷，再加入10倍量以上乙醚，氧化苦参碱即可析出沉淀；也可以利用不同生物碱与不同酸生成的盐溶解性不同来分离生物碱或其盐，如用溶剂法从麻黄中提取分离麻黄碱、伪麻黄碱，即利用二者草酸盐的水溶性不同，提取后经处理得到的甲苯溶液，经草酸溶液萃取后浓缩，草酸麻黄碱溶解度小而析出结晶，草酸伪麻黄碱溶解度大而留在母液中。
（3）利用特殊结构的性质进行分离：
①酚性生物碱在碱性条件下成盐溶于水，可与一般生物碱分离。如吗啡具酚羟基而可待因无酚羟基，用氢氧化钠溶液处理，吗啡成盐溶解而可待因沉淀可将二者分离；②内酯或内酰胺结构的生物碱可在碱性水溶液中加热皂化，开环生成溶于水的羧酸盐，而再加酸又可以环合成原来的生物碱而沉淀析出，据此可以与其他生物碱分离；③季铵碱的分离通常可采用雷氏铵盐沉淀法来进行，可将含季铵碱的水溶液调pH2～3，加入新配制的雷氏盐饱和水溶液，生物碱的雷氏盐沉淀即析出，沉淀完全后滤过，用少量水洗涤沉淀，至洗涤液不呈红色为止。将沉淀用丙酮溶解后，滤过，滤液通过氧化铝短柱，以丙酮洗脱（一些极性杂质被氧化铝柱吸附而除去），在洗脱液中加入硫酸银饱和水溶液至不再产生雷氏银盐沉淀为止，滤过，滤液中加入适量氯化钡溶液即生成硫酸钡和氯化银沉淀，滤过，滤液浓缩后即可得到季铵碱盐酸盐结晶。
（4）利用色谱法进行分离：
色谱法是分离生物碱的有效手段。①多数总生物碱可采用吸附柱色谱分离，氧化铝为常用吸附剂，有时也可用硅胶、纤维素、聚酰胺等。常以苯、三氯甲烷、乙醚等亲脂性有机溶剂系统作为洗脱剂；②某些结构特别相近的生物碱常需采用分配柱色谱分离。如三尖杉中的三尖杉酯碱（harringtonine）和高三尖杉酯碱（homoharringtonine）结构仅差一个亚甲基，吸附色谱分离效果不理想，而以硅胶为支持剂、pH 5.0缓冲液为固定相、pH 5.0缓冲液饱和的三氯甲烷溶液为流动相即可达到良好的分离，高三尖杉酯碱先洗脱，中间部分是二者的混合物，三尖杉酯碱后洗脱；③高效液相色谱法能使其他色谱法难分离的混合生物碱得到理想的分离，常用C 18反相色谱柱。
此外，制备薄层色谱、干柱色谱等也可用于生物碱的分离。一般来说，在生物碱分离纯化过程中常需要多种方法配合应用来达到预期分离目的。