Курсовая работа по химии на тему Природные азотсодержащие гетероциклические соединения

Введение

Алкалоиды – группа азотсодержащих органических соединений природного происхождения. Эти соединения с древнейших времен использовались людьми в лечебных целях, в истории нередки упоминания об использовании растений в качестве лекарственных средств, ядовитые алкалоиды применялись при изготовлении ядовитых стрел для сражений.
Большинство алкалоидов обладают свойствами слабых оснований. Также к их свойствам относится горький вкус, что позволило животным выработать иммунитет к некоторым видам алкалоидов, вырабатываемых растениями, поскольку некоторые из них ядовиты.
Алкалоиды классифицируют чаще всего по группам растений, поскольку одна группа растений имеет сходные по строению алкалоиды. В животных организмах также можно обнаружить алкалоиды, но не всегда вырабатываемые самим организмом, а из растений, потребляемых им в пищу.
Биологические функции алкалоидов долгое время были неизвестны. Но после было доказано, что алкалоиды активно участвуют в обменных процессах, выполняют защитную функцию, а также не позволяют животным и насекомым поедать растения.
Алкалоиды широко используются в медицине, сельском хозяйстве, а также как психостимулирующие и наркотические действующие вещества.
С учетом их разнообразия и влияния на окружающую среду, изучение азотсодержащих гетероциклических соединений остается актуальной и важной задачей для научного сообщества.
Цель курсовой работы: проанализировать новые открытия алкалоидов.
Задачи:
1) изучить имеющиеся научные работы, раскрывающие новые открытия алкалоидов.
2) рассмотреть способы открытия и биологическое значение новых алкалоидов.
1 Общая характеристика азотсодержащих гетероциклических соединений

Азотсодержащие гетероциклические соединения или алкалоиды — это органические вещества, извлекаемые в основном из растительного сырья, имеющие в своем составе атом азота, встроенный в шести- и пятичленные гетероциклы.
Свое название данные вещества получили в начале девятнадцатого века, когда при изучении растений и их химического состава были выделены сложные производные гетероциклов, имеющие из-за присутствия в большей мере третичного азота основные свойства, получившие впоследствии свое общее название «алкалоиды», что в переводе с арабского означает «близкий к щелочи», термин был введен Мейснером в 1818 году[1].
Данные соединения достаточно широко распространены в растительном мире, реже в животном, тем не менее в последнее время окружающая среда считается чрезвычайно богатым источником новых биологически активных веществ, поскольку морские природные продукты представляют собой замечательный пример большого разнообразия вторичных метаболитов.

1.1 Классификация

Алкалоиды также можно разделить на категории в зависимости от пути их биосинтеза или их встречаемости на гетероциклические или негетероциклические алкалоиды. Их часто классифицируют по молекулярному скелету, например, на хинолиновые, индоловые, изохинолиновые, тропановые, стероидные, а также пиридиновые и пирролизидиновые алкалоиды.
Классификация азотсодержащих гетероциклических соединений представлена в таблице 1.

Таблица 1 – Классификация азотсодержащих гетероциклических соединений
№ п/п Название группы Представители Растения
1 Пиридиновая Никотин, анабазин Табак (лат. Nicotiána)
2 Хинолиновая Хинин, стрихнин Хинное дерево (лат. Cínchona)
3 Изохинолиновая Папаверин Мак снотворный
(лат. Papaver somniferum)
4 Фенантреновая Морфин Мак снотворный
(лат. Papaver somniferum)
5 Тропиновая Атропин Красавка (лат. Atrópa),
белена (лат. Hyoscýamus),
дурман (лат. Datúra)
6 Пуриновая Кофеин Иван чай (лат. Chamaenérion
Angustifolium),
кофе (лат. Coffea)
Источник: Ван Е.Ю. Исследование и выбор оптимальных методов извлечения азотсодержащих гетероциклических соединений из растительного сырья // Вестник КузГТУ. – 2020. – №1 (137). – с.70.

1.2 Физико-химические свойства

Алкалоиды представляют собой встречающиеся в природе соединения, содержащие углерод, водород, азот и кислород, и присутствуют в тканях растений в виде солей органических кислот (например, уксусной, яблочной, молочной, лимонной или щавелевой) и/или слабых оснований, таких как никотин. Кроме того, некоторые алкалоиды могут существовать в виде гликозидов, например соланум (соланин), амиды (пиперин) и сложные эфиры (атропин, кокаин).
Растительные алкалоиды присутствуют в виде кристаллических, аморфных, непахучих и нелетучих соединений[4]. Они представляют собой очень разнообразный класс вторичных метаболитов, имеющих чрезвычайно разную химическую структуру. Однако структура каждого из соединений имеет разные функциональные группы, которые придают соединению его уникальные характеристики. Скелетное, структурное и функциональное разнообразие делает их универсальной группой вторичных метаболитов, а это означает, что они являются более значимой фармакофорной единицей с желаемой биологической активностью.
Согласно критериям Липинского, чтобы молекула была лекарственной, физико-химические свойства алкалоидов (молекулярная масса, число групп NH и OH, среднее число атомов N и O на алкалоид и log P) должны находиться в пределах стандартных критериев для молекул, подобных лекарствам.
Алкалоиды имеют молекулярную массу от низкой до умеренной (250–600 Дальтон); они водорастворимы и жирорастворимы в кислых/нейтральных и основных условиях соответственно. Их растворимость придает им уникальные характеристики, подходящие для широкого спектра медицинских применений, поскольку они могут транспортироваться в протонированной форме и проникать через клеточные мембраны в нейтральной форме. Значения рКа алкалоидов колеблются от 6 до 12 [6].
 
2 Новые открытия алкалоидов и их биологическое значение

2.1 Стратегии открытия

2.1.1 Способ экстракции

В основном экстракция новых алкалоидов из микробной культуральной жидкости зависит от сродства этих вторичных метаболитов к растворителю по сравнению с водной фазой, т.е. жидкостно-жидкостной экстракции.
Используемыми растворителями часто являются метанол, этанол, ацетон, этилацетат, бутанон, (цикло)гексан или их комбинация. Стадии экстракции предшествует стадия фильтрации для отделения микробных клеток от бульона. Этапы экстракции часто повторяются, и образцы можно концентрировать посредством последующего ротационного испарения. При культивировании актинобактерий обычно используются сложные компоненты среды, также удаляют компоненты, имеющие сродство к воде, чтобы улучшить фракционирование экстрактов[13].