生物碱的化学性质与组成、结构密切相关，对结构测定、化学转化等研究有重要作用

15.3.2　化学性质

绝大多数生物碱由C、H、O、N元素组成，极少数分子含有Cl、S等元素。在对生物碱研究时，发现了许多生物碱的化学性质，这些性质与其组成、结构密切相关。生物碱的化学性质，在进行生物碱的结构测定、结构修饰、化学转化、合成等的研究中发挥了重要的作用。

1.碱性

（1）碱性及强度表示方法：绝大多数生物碱都具有碱性，是由于其结构中含有氮原子，而氮原子上的孤电子对能接受质子或给出电子显示碱性。生物碱的碱性强弱统一用其共轭酸的酸式解离常数p K _a表示，p K _a越大，碱性越强。其中，p K _w为水的解离常数。

表15-2　生物碱的碱性分类

（2）生物碱碱性与分子结构的关系：生物碱的碱性强弱与氮原子的杂化方式、电子云密度、空间效应及分子内氢键形成等有关。

1）氮原子的杂化方式：在生物碱分子中，氮原子的孤电子对以sp³、sp²、sp三种不等性杂化形式存在，其碱性随杂化程度的升高而增强，即sp³＞sp²＞sp。在杂化轨道中，p电子比例越大，越易提供电子（或吸引质子），故碱性越强，反之碱性越弱。如四氢异喹啉为sp³杂化，异喹啉为sp²杂化，前者碱性大于后者；氰基为sp杂化，呈中性。季铵碱如小檗碱因羟基以负离子形式存在而显强碱性。

2）诱导效应：生物碱分子中，氮原子上孤电子对的电子云密度受氮原子附近取代基性质的影响，吸电子基（如芳环、酰基、醚氧、双键、羟基等）使氮原子电子云密度降低，碱性减弱；而供电子基（如烷基）使氮原子电子云密度增加，碱性增强。如二甲胺（p K _a 10.70）、甲胺（p K _a 10.64）和氨（p K _a 9.75）的碱性依次递减，即是甲基供电子诱导作用，电子云密度增加的结果。又如托哌古柯碱（tropococaine）的碱性强于古柯碱，是由于古柯碱氮原子β位上有一个竖键酯基，由于其吸电子诱导效应使碱性减弱。

羟基和双键的吸电子诱导效应将使生物碱的碱性降低，但在环叔胺分子中，氮原子的邻位如有α、β双键或α-羟基，若立体条件许可，氮原子上的未共用电子对与双键的π电子或C—O单键的σ电子发生转位异构成季铵碱，使其碱性增强。如醇胺型小檗碱可异构化为季铵型小檗碱而呈强碱性。

有些氮原子处于稠环“桥头”的生物碱，虽然氮原子邻位有α、β双键或α羟基，由于分子刚性而不能使环叔胺氮异构成季铵碱，相反地却因双键和羟基的诱导作用使碱性降低。如新番木鳖碱的氮原子附近虽有α、β双键，伪番木鳖碱（pseudostrychine）有α-羟胺结构，但由于分子刚性，其氮原子都不能转化为季铵型，受双键或羟基的吸电子作用，使得它们的碱性都小于番木鳖碱。

3）诱导场效应：当生物碱分子含有两个或两个以上氮原子时，即使化学环境和杂化方式完全相同，碱度也会有差异。当其中一个氮原子质子化后，就产生一个强的吸电基团—N＋HR₂，对另一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。诱导效应通过碳链传递，随碳链增长而降低；静电场效应通过空间直接作用，故又称为直接效应，两者统称为诱导-场效应。如无叶豆碱（sparteine）中两个氮原子的碱性相差悬殊，Δp K _a为8.1，原因是两个氮原子相隔仅三个碳原子，且空间上很接近，存在着显著的诱导-场效应。吐根碱分子中两个氮原子均在脂杂环体系中，中间相隔五个碳原子，空间上相距较远，彼此受诱导-场效应的影响较小，Δp K _a仅为0.89。

4）共轭效应：在生物碱分子结构中，当氮原子孤电子对处于pπ共轭体系时，一般碱性较弱，且这种效应不受碳链长短影响。常见的有酰胺和苯胺两种类型。

在酰胺结构中，氮原子孤电子对与羰基的π电子形成p-π共轭，碱性极弱。如秋水仙碱p K _a 1.84，胡椒碱pK_a1.42，咖啡碱中虽有多个氮原子，其p K _a 1.22，几乎不显碱性。

在苯胺型生物碱中，氮原子孤电子对与苯环上π电子形成pπ共轭，碱性降低。如苯胺p K _a 4.58，而环己胺pK_a10.14，碱性降低是由共轭效应所导致。毒扁豆碱（physostigmine）结构中有两个杂环氮原子，N₁的pK_a7.88，N₂的pK_a1.76，碱性相差悬殊，其原因也是N₂处于p-π共轭体系中。

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但不是所有的p-π共轭效应都使碱性降低，当氮原子上未共用电子对与供电子基共轭时，生物碱的碱性增强。如含胍基的生物碱大多呈强碱性，原因是胍基接受质子后形成季铵离子，呈现更强的p-π共轭效应，且具有高度共振稳定性。

需要指出的是，氮原子孤电子对的轴与共轭体系中π电子轴共平面是产生pπ共轭效应的必要条件，任何使之扭转离开平面的作用，都将导致共轭效应减弱，碱性发生变化。如在邻甲基N，N-二甲基苯胺中，邻甲基的存在使氮上孤电子对与苯环不在同一平面，p-π共轭效应减弱，碱性强于N，N-二甲基苯胺。

5）空间效应：生物碱氮原子质子化时，如果分子的构象或氮原子附近取代基的立体结构影响质子靠近氮原子，则碱性降低。如麻黄碱p K _a 9.56，甲基麻黄碱p K _a 9.30，后者氮原子上虽然增加了一个供电子基的甲基，但由于甲基的空间位阻使碱性降低，又如2，6-二甲基N，N-二甲基苯胺的碱性弱于邻甲基N，N二甲基苯胺，也是受甲基的空间位阻的影响。

6）氢键效应：生物碱成盐后如能形成稳定的分子内氢键，则碱性增强。如和钩藤碱（rhynchophylline）的共轭酸质子可与酰胺羰基形成分子内氢键，碱性较强，而异和钩藤碱（isorhynchophylline）因空间条件不利于形成类似氢键，碱性较弱。又如10-羟基二氢去氧可待因，有顺、反两种异构体，其中反式（p K _a 7.71）的碱性小于顺式（p K _a 9.41）。

生物碱结构复杂，影响其碱性的因素较多，在分析碱性时需综合考虑。一般而言，诱导效应与共轭效应共存时，共轭效应居主导地位，空间效应与诱导效应共存时，则空间效应的影响大。

2.沉淀反应

生物碱或生物碱盐类的水溶液，在酸性条件下或稀醇中与某些试剂生成难溶于水的复盐或分子络合物，这类反应称为生物碱的沉淀反应，所用试剂称为生物碱沉淀试剂。作为一种简便的检识方法，沉淀反应常用于判断生物碱的有无，指示提取分离终点，沉淀试剂可用于试管定性反应和作为平面色谱的显色剂，个别沉淀试剂还可用于生物碱的分离纯化。

生物碱沉淀试剂种类繁多，绝大多数为相对分子质量较大的碘化物复盐，重金属盐及大分子酸类等。常用的生物碱沉淀试剂见表15-3。

表15-3　常用生物碱沉淀试剂

应用生物碱沉淀反应时应注意以下几个方面：①反应条件：沉淀反应须在酸性条件下进行，如在酸水或酸性稀醇中进行；在碱性条件或脂溶性溶剂中，试剂本身将产生沉淀。②假阴性反应：少数生物碱与某些沉淀试剂不发生反应，如麻黄碱、咖啡碱与碘化铋钾试剂不产生沉淀。③假阳性反应：若水提液中含有鞣质、蛋白质、多肽等，这些成分也能与生物碱沉淀试剂产生阳性反应。因此，应将上述干扰成分去除，方法是将酸性水提液碱化，用三氯甲烷萃取，三氯甲烷层再用酸水萃取，取酸水层进行沉淀反应。④需使用三种以上沉淀试剂分别进行实验，均阳性或均阴性方有可信性。

3.显色反应

生物碱与一些试剂反应，呈现各种颜色，可用于鉴别生物碱。对于大多数生物碱来说，最常用的显色剂是改良碘化铋钾，该试剂多用于薄层色谱中生物碱斑点的检出。此外，某些生物碱单体还能与一些以浓无机酸为主的试剂反应，生成不同的颜色，可用于个别生物碱的检识。

（1）Mandelin试剂（矾酸铵-浓硫酸溶液，1%矾酸铵的浓硫酸溶液）如遇阿托品、东莨菪碱显红色，可待因显蓝色，士的宁显紫色到红色。

（2）Fröhde试剂（钼酸铵-浓硫酸溶液，1%钼酸钠或钼酸铵的浓硫酸溶液）如遇乌头碱显黄棕色，小檗碱显棕绿色，阿托品不显色。

（3）Marquis试剂（甲醛-浓硫酸试剂，30%甲醛溶液0.2m l与10m l浓硫酸的混合溶液）如遇吗啡显橙色至紫色，可待因显红色至黄棕色。

（4）浓硫酸如遇乌头碱显紫色、小檗碱显绿色，阿托品不显色。浓硝酸如遇小檗碱显棕红色，秋水仙碱显蓝色，咖啡碱不显色。

显色反应受生物碱纯度的影响很大，生物碱愈纯，颜色愈明显。生物碱的显色反应原理，一般认为是氧化反应、脱水反应、缩合反应或氧化、脱水与缩合的共同反应。