II Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

АЛКАЛОИДЫ В ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА
Подчиненова Е.А.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

Алкалоидов вокруг нас намного больше, чем мы сами себе представляем, жизнь современного человека невозможна без таких веществ: в медицине их роль сложно переоценить; алкалоиды входят в состав БАДов; в сельском хозяйстве используется пестициды, многие из которых относятся к классу алкалоидов. Человек употребляет алкалоиды в пищу в виде напитков, привычных для нас кофе и чая. А вопрос о пользе или вреде этих напитков до сих пор является спорным.

Цель проекта: определить, в каком напитке, содержащем алкалоид, кофеина больше.

Задачи: 1) Изучить литературу по данной теме

2) Изучить роль алкалоидов в жизни человека

3) Дать характеристику отдельных представителей алкалоидов

4) Определить содержание кофеина в разных торговых марках растворимого кофе и чая

5) Выяснить уровень потребления кофеиносодержащих напитков

Гипотеза: Кофе является более тонизирующим напитком, чем чай

Объект исследования: кофеиносодержащие продукты – кофе и чай.

Предмет исследования: содержание определенного количества кофеина в различных торговых марках растворимого кофе и в чаях.

Методы исследования:

Анкетирование

Химический опыт

Анализ

Сравнение

Измерение

Основная часть 1.1. Историческая справка

Растения, содержащие алкалоиды, использовались человеком с древнейших времен как в лечебных, так и в рекреационных целях.

Так, в Месопотамии лекарственные растения с алколоидами были известны уже за 2000 лет до н.э.

В 1-3 веках до н.э. в Китае была написана «Книга домашних растений», в которой упоминалось медицинское использование эфедры и мака.

Экстракты растений, содержащие ядовитые алкалоиды, такие как аконитин и тубокуарин, использовались в древности для изготовления отравленных стрел.

Ацтеки в древности использовали галлюциногенные грибы рода «Псилоцибе», содержащие алкалоиды псилоцибин и псилоцин.

Раувольфия змеиная, содержащая резерпин, ещё за 1000 лет до н. э. использовалась в Индии в качестве лекарственного средства. Корни ибоги, содержащей ибогаин, применялись народами Африки в качестве стимулятора центральной нервной системы.

В средневековье ведьмы и колдуны, несомненно, знали галлюцинаторные растения и использовали для приготовления зелья дурман, белену и беладонну.

Первые исследования в области изучения алкалоидов относятся к началу XIX века. В 1806 году немецкий аптекарь Сертюрнер выделил в чистом виде и изучил снотворное действие алкалоида, названного им «морфии»(в честь греческого бога сна Морфия).

1.2. Общие сведения об алкалоидах

Во второй половине 18 века и в начале 19 века при изучении химического состава растений были выделены относительно сложные производные гетероциклов, получившие впоследствии объединяющее название «алкалоиды». Сам термин был введен Мейснером в 1818 году: по-латыни alkali-щелочи, oides-подобный, т. е. подобные щелочам.

Алкалоиды часто встречаются в виде солей растительных кислот. Одни из них присутствуют в растениях в соединениях с сахарами (например, соланин в картофеле и томатах), другие – в форме амидов (например, пиперин из черного перца) или сложных эфиров (кокаин из листьев Erythroxylum coca), а третьи сохраняются в твердом состоянии в омертвевших тканях, таких, как клетки коры.

Распространение алкалоидов обычно ограничено определенными семействами и родами растительного царства; редки случаи, когда все или большая часть членов более крупных таксономических групп содержит алкалоиды

Большинство алкалоидов - твердые вещества, хотя иногда встречаются и жидкие алкалоиды, например никотин. Большинство алкалоидов-оснований трудно растворяется в воде, легко в кислотах, а также в органических растворителях. Соли алкалоидов обычно хорошо растворимы в воде, за исключением некоторых. Существует ряд реакций, носящих название алкалоидных; при помощи этих реакций можно осадить алкалоиды для их обнаружения и выделения.

Среди общих химических свойств:

  • Реакции осаждения.

Реакции осаждения алкалоидов основаны либо на образовании нерастворимых солей алкалоидов, либо на образовании нерастворимых двойных солей.

1.Образование нерастворимых простых солей.

а) Реакция с танином. При добавлении к раствору соли алкалоида раствора танина выпадает осадок. При этой реакции образуется нерастворимая соль алкалоида и танина, имеющего кислотные свойства. Реакция имеет большое практическое значение: при отравлении алкалоидами пострадавшему дают пить раствор танина или просто крепкий чай, содержащий много дубильных веществ.

б) Реакция с пикриновой кислотой. Растворы солей алкалоидов дают с пикриновой кислотой желтый осадок. В данном случае сущность реакции точно так же сводится к образованию обычной соли алкалоида и пикриновой кислоты.

в) Реакции с фосфорновольфрамовой и фосфорномолибденовой кислотами приводят к выпадению в осадок нерастворимых солей алкалоидов и названных кислот.

2.Образование двойных (комплексных) солей.

а) Реакция с хлоридом ртути (II) (сулемой) HgCl2 . Алкалоиды дают нерастворимые в воде соли HgCl2 .

б) Реакция с раствором йода в растворе йодида калия. Указанный реактив (I2 +KI-KI3 ) осаждает шоколадно-коричневый осадок двойной соли алкалоидов.

в) Реакция с раствором йодида висмута в растворе йодида калия (BiI3 +KI) протекает аналогично предыдущей. Применяемый при этом реактив часто называют реактивом Драгендорфа.

  • Реакции окрашивания.

Помимо реакций осаждения, для обнаружения алкалоидов часто применяют реакции окрашивания. Окрашивание растворов, содержащих некоторые алкалоиды, происходит при действии серной, азотной кислоты и других реактивов. Многие реакции осаждения и окрашивания алкалоидов обусловлены наличием в них гетероциклов.

1.3 Биологическая роль алкалоидов.

Биологическая роль алкалоидов окончательно не выяснена. О роли алкалоидов в растениях высказано много предположений. Основные теории следующие:

1) Алкалоиды - отбросы жизнедеятельности растений.

Сторонники этой гипотезы рассматривают алкалоиды как конечные продукты процесса обмена веществ, появляющиеся в результате распада азотистых соединений. Например, факт увеличения с возрастом количества алкалоидов в некоторых растениях. Однако имеются серьезные возражения против этой гипотезы. Во-первых, повышение количества алкалоидов с возрастом наблюдается только у небольшой части алкалоидоносных растений. Во-вторых, если алкалоиды действительно отбросы, то они должны присутствовать абсолютно во всех растениях. Далее, отбросы должны тем или иным образом удаляться из организма, однако этого не наблюдается. Более того, алкалоиды-основания в растениях связываются с разными органическими кислотами и в виде солей остаются в растениях.

2) Алкалоиды - запасные вещества.

Динамика изменения количества алкалоидов в разных органах растений на разных этапах его развития привлекается как доказательство роли алкалоидов как запасного азотистого материала. Но это доказательство носит косвенный характер. В то же время имеются факты, когда в семенах бесспорно алкалоидоносного растения среди запасных питательных веществ алкалоидов нет, но они появляются значительно позже, когда из семян разовьются проростки (в маке снотворном, хинном дереве и ряде других растений).

Очевидно, что первые две гипотезы прямо противоположны друг другу.

3) Алкалоиды - защитные вещества.

Известны факты, когда присутствие алкалоидов предохраняет растение от поедания животными.

4) Алкалоиды - активные и необходимые вещества в процессах биосинтеза, протекающих в растениях.

Данное представление о роли алкалоидов большинством ученых считается наиболее достоверным. Имеются многочисленные факты, подтверждающие наличие связи между алкалоидами и биологией растений. Алкалоиды, например, иногда выступают в роли сенсибилизаторов, т.е. веществ, усиливающих чувствительность клеток и тканей растений к отдельным частям солнечного спектра. Содействуя поглощению растениями солнечных лучей, они ускоряют протекание фазы образования и развития органов плодоношения.

5) Имеются данные о положительном влиянии некоторых алкалоидов на процессы роста растений.

Известно широкое использование алкалоида колхицина для получения полиплоидных форм растений, в том числе и самих алкалоидоносов.

6) Алкалоидам иногда отводится роль передатчиков кислорода.

Эта передача осуществляется через N-оксидные формы алкалоидов.

7) Указывается, что алкалоиды, будучи весьма динамичными, играют роль внутренних буферов в растительной клетке при азотистом питании.

Так, при длительном голодании, вызывающем распад белков, идет накопление алкалоидов, а в случае недостатка снабжения клетки азотом при наличии углеводов наблюдаются распад алкалоидов и синтез белка за счет алкалоидного азота.

8) Алкалоиды способствуют выздоровлению растений.

В подтверждение приводят факты концентрации алкалоидов в органах растений, патологически измененных в результате механических повреждений

В вопросе о роли алкалоидов в каждой из гипотез есть известная доля истины и, если подходить к растению как к целостному организму, то алкалоиды могут быть и "излишними", и запасными, и защитными, и активизирующими рост и развитие растений, и, наконец, веществами другого назначения.

1.4 Классификация

Современная классификация была создана академиком А. П. Ореховым и в основе нее лежит тип и структура гетероцикла с атомами азота в них.

  1. Пирролидин, пирролизидин и их производные. К этой группе можно отнести такие алкалоиды, как платифиллин, саррацин, сенецифиллин и другие. В основе структуры сложные пятичленные гетероциклы, соединенные друг с другом, в состав которых входит атом азота.

  2. Пиперидин и пиридин, их производные. Представители: анабазин, лобелин. Основа - шестичленные сложные циклы с азотом.

  3. Хинолизидин и его соединения. К этой группе относятся: пахикарпин, термопсин и другие. Химическая основа в сложных шестичленных гетероциклах, соединенных между собой и азотом.

  4. Производные хинолина - хинин, эхинопсин.

  5. Важная группа очень распространенных алкалоидов - соединения изохинолина. Сальсалин, морфин и папаверин - широко используются в медицине. Сюда же можно отнести алкалоиды в растениях барбариса, мачка и чистотела.

  6. Химически очень сложные по структуре производные тропана - гиосциамин, атропин, скополамин. Строение представлено сложно конденсированными, переплетенными между собой пирролидиновыми и пиперидиновыми кольцами.

  7. Индол и его соединения - резерпин, стрихнин, винбластин и другие. Сложное сочетание пяти- и шестичленных циклов с атомами азота в структуре.

  8. Основной алкалоид в пищевой промышленности и медицине - кофеин из чайных листьев и семян растения кола. Относится к производным пурина - сложным соединениям из разных гетероциклов и несколькими атомами азота в составе.

  9. Эфедрин и его соединения - сферофизин, колхицин и колхамин. Химическое название эфедрина, отражающее его сложное строение, фенилметиламинопропанол - сложный органический ароматический спирт.

  10. В последнее время принято выделять в алкалоиды некоторые вещества группы стероидов - кортикостероиды и половые гормоны.

1.5 Краткие характеристики важнейших алкалоидов

Первым из алкалоидов был открыт морфин, выделенный из опия Деросном (1803). Деросн обнаружил, что выделенное им вещество обладает более сильным снотворным действием, чем сам опий.

В 1925г. Робинсон и Галланд установили строение морфина, в основе которого лежит следующая изохинолино-фенантреновая группировка (см. Приложение №1, рис. 1). Синтезирован он был в 1952 году (Гейтс и Тшуди).В настоящее время его экстрагируют из высушенного млечного сока, выступающего из надрезов на незрелой головке опийного мака. Морфин содержит фенольную и спиртовую гидроксильные группы. Он представляет собой наркотический анальгетик и применяется для обезболивания. Однако длительное его употребление приводит к привыканию и вызывает тошноту, рвоту, запоры.

Никотин

Алкалоид никотин, как видно из формулы также принадлежит к пиридиновой или, точнее, пиридин-пирролидиновой группе алкалоидов (см. Приложение №1, рис. 2). Он был открыт в табаке Вокленом (1809), установившим также принадлежность никотина к основаниям. Правильная структурная формула никотина предложена Пиннером (1891); она была подтверждена синтезом этого алкалоида, осуществленным Пикте (1903).

Окислением никотина Хуберт (1867) получил никотиновую кислоту. Скрауп и Лобенцль (1883) установили строение a- и b-пиридикарбоновых кислот (пиколиновой и никотиновой) получением их при окислении хинолина и изохинолина.

Этот жидкий алкалоид в чистом виде выделен в 1828 Поссельтом и Рейманом. Его основной источник – табак (Nicotiana tabacum), годовое производство листьев которого превышает 5 млн. т. Никотин встречается также в разных видах плауна, хвоще полевом и некоторых других растениях. При курении бóльшая часть никотина разрушается или испаряется. Никотин – сильный яд. В малых количествах он стимулирует дыхание, но в больших – подавляет передачу импульса в симпатических и парасимпатических нервных узлах. Смерть наступает от прекращения дыхания. Никотин сильно влияет на сердечно-сосудистую систему, вызывая сужение периферических сосудов, тахикардию и подъем систолического и диастолического кровяного давления. Никотин (обычно в виде сульфата) используется как инсектицид в аэрозолях и порошках.

Кокаин

К алкалоидам пиперидин-пирролидиновой группы принадлежит алкалоид кокаин. После нескольких неудачных попыток выделить его из листьев колы это удалось Ниману (1860) в лаборатории Вёлера. Либерман и Гизель (1890) усовершенствовали способ получения кокаина из листьев колы и тем открыли путь к промышленному производству этого алкалоида. Из продуктов своего разложения кокаин был вновь синтезирован независимо Мерком и Скраупом (1885). Впервые правильную структурную формулу кокаина предложил Вильштеттер (1897); он подтвердил её в 1923 году 18-ступенчатым синтезом этого алкалоида (см. Приложение №1, рис. 3)

Кокаин получают из листьев коки, или синтезируют из экгонина, который выделяется из растительного сырья. Это мощный местный анестетик, он входит в микстуру Бромптона, которая используется для смягчения жестоких болей, сопровождающих последнюю стадию рака. Его стимулирующее действие на ЦНС уменьшает седативный эффект и ослабление дыхания от применения морфина или метадона, используемых в качестве наркотических анальгетиков в составе микстуры Бромптона. Привыкание к кокаину наступает очень быстро. Он включен в список веществ, подлежащих особо тщательному контролю.

Пилокарпин

Применяющийся в медицине алкалоид пилокарпин был выделен из растительных веществ в 1875г. английским химиком Харди. Строение (см. Приложение №1, рис. №1) пилокарпина было доказано в 1930г. Чичибабиным и Н.А.Преображенским, а синтез осуществлён в 1933г. Преображенским и сотрудниками.

Этот имидазольный алкалоид получают из листьев различных видов африканского кустарника Pilocarpus. Его гидрохлорид и нитрат – холиномиметические (действие аналогично возбуждению холинорецепторов) и миотические (сужающие зрачок с одновременным понижением внутриглазного давления) средства. Главное же использование пилокарпина – для лечения глаукомы. Он применяется также для усиления деятельности потовых и слюнных желез, при водянке на почве нефрита, при некоторых отравлениях (ртутью или свинцом) и др. Пилокарпин также вводят перорально или подкожно, параллельно с введением ганглиоблокаторов, чтобы стимулировать слюноотделение.

Стрихнин.

С некоторым основанием к производным индола с гидрированным гетероциклом можно отнести алкалоид стрихнин, так как при его окислении выделяется динитроиндолдикарбоновая кислота. Алкалоиды стрихнин и бруцин (диметоксильное производное стрихнина) были выделены Пеллетье и Каванту (1818) из «рвотных орешков» - семян одного ядовитого индонезийского растения. Систематические структурные исследования этих алкалоидов начались с работ Тафеля (с 1890г.) и Лейкса (с 1908г.).

В 1924 г. исследование стрихнина продолжал Робинсон, который, наконец, в 1945 г. пришел к правильной структурной формуле этого алкалоида (см. Приложение №1, рис. 2) Синтезирован стрихнин Вудвордом в 1945г. Это был, конечно, очередной триумф органического синтеза.

Стрихнин оказывает стимулирующее действие на зрительные нервы и повышает чувствительность сетчатки глаза, возбуждает центры органов чувств, возбуждает центры продолговатого мозга, а именно дыхательный и сосудодвигательный центры, а также центр блуждающего нерва, тонизирует и сердце. Соли стрихнина легко всасываются, большая часть их разрушается в печени и около 20% выделяется в неизменённом виде почками. Стрихнин медленно выводится из организма и поэтому обладает кумулятивными свойствами.

С учетом воздействия стрихнина на нервную систему его и применяют в медицине. Тем не менее, лекарственные средства, в которых содержится данный яд, используются лишь в случаях экстренной необходимости. Лекарственные препараты имеют в своём составе нитрат стрихнина. Он практически не растворяется в холодной воде и эфире. Нитрат имеет вид белого порошка, состоящего из кристаллов. Медикаменты, содержащие это вещество, относятся к препаратам 1 класса, то есть являются особо опасными лекарственными средствами. Учитывая его эффекты, стрихнин применяют при заболеваниях, сопровождающихся торможением нервных импульсов. Основная отрасль медицины, в которой используются подобные препараты, – это неврология. Помимо фармакологии, стрихнин применяют в качестве яда для борьбы с грызунами – мышами и крысами. Ранее вещество использовали лишь для дератизации.

Кофеин

В 1827 году Удри выделил из чайных листьев новый алкалоид и назвал его теином. Кофеин в чистом виде впервые получен в 1828 году (Пеллетье и Каванту). В 1832 году его состав был установлен Велером и Пфаффом с Либихом (см. Приложение №1, рис.6) В 1838 году Иобст и Г. Я. Мульдер доказали тождественность теина и кофеина.

Кофеин представляет белые игольчатые кристаллы или белый кристаллический порошок горьковатого вкуса, без запаха. Хорошо растворим в хлороформе, плохо растворим в холодной воде , легко — в горячей , трудно растворим в этаноле. Растворы имеют нейтральную реакцию; стерилизуют при +100 °C в течение 30 мин. Температура плавления 234 C°. Химическое название кофеина — 1,3,7-триметилксантин. В щелочной среде (при рН>9), даёт кофеидин C7H12N4O. Кофеин действует на центральную нервную систему.Как и другие пуриновые алкалоиды, даёт положительную мурексидную реакцию (см. приложение №1), при нагревании с реактивом Несслера кофеин образует красно-бурый осадок.

Кофеин экстрагируют из отходов чая, кофейных зерен. В промышленности кофеин синтезируют из мочевой кислоты иксантина.

Кофеин как психостимулятор.

Химическое вещество кофеин содержится во многих напитках и продуктах питания. Хотя в современном обществе употребление кофеина вошло в обычай, и социально приветствуется, его прием в больших количествах может повлечь за собой проблемы. Негативные эффекты кофеина связаны не с абстиненцией, а с интоксикацией. В отличие от пристрастия к таким веществам, как алкоголь или никотин, отказ от кофеина не приводит к тяжелым симптомам, за исключением головной боли, как правило, слабой. Органическое психическое расстройство, связанное с употреблением кофеина (также именуемое кофеинизмом), характеризуется беспокойством, нервозностью, возбуждением, бессонницей, мышечными подергиваниями и желудочно-кишечными расстройствами. Этими симптомами сопровождается употребление кофеинсодержащих продуктов: кофе, чая, колы или шоколада. Количество кофеина, приводящее к интоксикации, индивидуально колеблется; но потребление свыше 1 грамма кофеина может привести к мышечным подергиваниям, сердечной аритмии, ажитации и скачке мыслей, 10 граммов кофеина могут вызвать судороги, остановку дыхания и смерть.

2. Практическая часть. 2.1. Анализ анкет

С целью выявления процента употребления кофе и чая нами было проведено анкетирование учащихся 9-11 классов. Анкета состояла из двух вопросов , результаты анкеты представлены диаграммами (см. приложение №2, рис. №7-8)

В ходе анализа анкет, мы пришли к выводу о том, что ученики 9-11 классов чаще употребляют в напиток чай, но, несмотря на это считают, что кофе тонизирует больше.

2.2. Опыт по извлечению кофеина путем жидкостной экстракции.

Целью нашего исследования было извлечение кофеина путем жидкостной экстракции и очищение от примесей с помощью кристаллизации. В качестве объекта исследования, нами были рассмотрены различные торговые марки кофе и чая. Порядок действий работы был таков:

  1. На специальные весы положить бумагу, вес данной бумаги мы будем вычитать, чтобы взвесить количество исключительно частиц кофе или чая. Нажать для этого кнопку tare, после чего переходить к взвешиванию непосредственно продукта. Продукта мы брали одинаковое количество для всех исследований (m=5 g).

  2. Сделать раствор напитка в горячей воде, горячая экстракция кофеина из растительного сырья в воду.

  3. Добавить соду (K 2CO3) для создания щелочной среды, что препятствует извлечению примесей вместе с кофеином из водного раствора.

  4. Сделать холодную экстракцию кофеина в органическом растворителе дихлорметане CH2Cl2 (добавить 20 ml CH2Cl2 в полученный раствор, перелить все в делительную воронку, где происходит деление на слои). Это действие повторять 3 раза.

  5. Высушить экстракт, выпарить воду (здесь можно либо оставить под фильтровальной бумагой на 4 суток, либо использовать роторный испаритель).

  6. Неочищенный продукт необходимо кристаллизовать в воде, то есть растворить неочищенный кофеин в определенном количестве воды, для этого нужно взвесить нечистый кофеин (вес из g перевести в mg), позже воспользоваться формулой: (где – необходимый объем воды, масса неочищенного продукта).

  7. Далее убрать воду (см. пункт 5)

  8. Взвесить чистый кофеин

По результатам данного опыта мною были получены данные, представленные в форме таблицы (см. приложение №3, таблица №1)

Заключение

Изучив литературу по теме моего проекта, проделав ряд опытов, я пришла к следующим выводам:

  1. Алкалоиды – весьма обширный класс органических соединений, оказывающие самое различное действие на организм человека. В этом состоит их важная роль, которую они играют в химической науке в целом и в повседневной жизни человека

  2. Гипотеза проекта подтвердилась

  3. Разница между содержанием кофеина в кофе и зеленом чае крайне мала, следовательно, альтернативой напитку кофе, может стать зеленый чай

  4. Анкетирование показало, что большинство учеников 9-11 классов считают, что кофе тонизирует лучше

  5. Есть необходимость просвещать людей о том, что и зеленый чай может тонизировать не хуже кофе, с целью снижения употребления алкалоид содержащего напитка - кофе

Список использованной литературы:
  1. Орехов А.П. Химия алкалоидов растений СССР. М., 1965

  2. Юнусов С.Ю. Алкалоиды. Справочник. Ташкент, 1981

  3. Машковский М.Д. Лекарственные средства. М., 1993

  4. Тюкавкина Н.А., Зурабян С.Э., Белобородов В.Л. и др. – Органическая химия (специальный курс), кн.2 – Дрофа, М., 2008 г., с.228-236, 289-317.

  5. Н.А.Тюкавкина, Ю.И.Бауков – Биоорганическая химия – ДРОФА, М., 2007 г., с. 444-464.

  6. Овчинников Ю.А. – Биоорганическая химия – М., Просвещение, 1987,

  7. с.638-668.

  8. В.В.Племенков – Введение в химию природных соединений – Учебное пособие для химических, биологических и медицинских специальностей ВУЗов, Казань, 2001, с. 223-261.

Интернет-ресурсы:

http://fb.ru/article/168351/alkaloid---eto-klassifikatsiya-alkaloidov-harakteristika

http://www.studfiles.ru/preview/4381262/

Приложение №1

Рисунок 1

Рисунок 2

 

Рисунок 3

 

Рисунок 4

Рисунок 5.

Рисунок 6

Рисунок 7.

Приложение №2

Рисунок 7. Проценты употребления чая и кофе

Рисунок 8. Проценты утвердительных и отрицательных утверждений

Приложение №3

Напиток

Марка

Содержание кофеина

(в г)

Кофе

«Jacobs Monarch»

m=0,0775

Кофе

«Jardin Colombia Medellin»

m=0,0887

Черный чай

«Майский»

m=0,0592

Зеленый чай

«Тропический чай»

m=0,0730

Зеленый чай

«Принцесса Нури»

m=0,0323

Таблица 1