Định nghĩa

Khi mới biết alcaloid, người ta định nghĩa: Alcaloid là chất hữu cơ, có chứa Ni-tơ, có phản ứng kiềm và lấy từ thực vât ra.

Vì quan niệm như vật nên mới đặt tên cho nó là alcaloid, nguồn gốc từ hai chữ: Tiếng Ả-rập ancali là kiềm và tiếng Hy-lạp eidos là giống như, nghĩa là chất giống keiefm.

Sau ngày người ta thấy định nghĩa đó chưa sát, vì ancaloid ngoài tính chất kiềm còn nhiều đặc tính khác như: Có dược lực tính rất mạnh, cho kết tủa với một số thuốc thửu gọi là thuốc thử chung của ancaloid, … Vì vật, dược sĩ Polonovski địn nghĩa lại như sau:

“Alcaloid là những hợp chất hữu cơ, có chứa Ni-tơ, đa số có nhân dị vòng, có phản ứng kiềm, thường gặp trong thảo mộc và đôi khi trong động vật, thường có dược lực tính rất mạnh và cho những phản ứng hóa học với một số thuốc thử gọi là thuốc thử chung của alcaloid”.

Ớt là dược liệu chứa alcaloid

Nguồn gốc

Alcaloid không có rong tất cả các loại thực vật mà chỉ có ở một số ít với tổng số thực vật đã biết.

Alcaloid rất ít thấy ở thực vật hạ đẳng, không có ngang Tảo và lớp Rêu, có rất ít ở ngành Nấm, Địa y và những cây một lá mầm (ví dụ colchicin lấy ở Tỏi độc, cevadin lấy ở cevadille). Ở ngành Ẩn hoa, người ta gặp một số alcaloid như ecgotin, ecgotamin lấy từ cựa nấm lão mạch, phalloidin và amanitin lấy ở nấm Amonita phalloides.

Ở ngành Ẩn hoa hữu mạch cũng có một số họ chứa alcaloid như họ Mộc tặc (Equisetaceae), họ Thạch tùng (Lycopodiaceae).

Nhưng alcaloid có rất nhiều ở những cây hai lá mầm và nhất là ở các họ Mao lương (Ranunculaceae), A phiến (Papaveraceae), Cà phề (Rubiaceae), Mã tiền (Loganiaceae), Cà (Solanaceae) … và ở một số cây đặc biệt thuộc họ Hoa môi (Labiatae). Còn ở họ Hoa hồng (Rosaceae) và chữ Thập (Cruciferae) thì không có alcaloid.

Những cây có tỷ lệ alcaloid cao thường gặp ở vùng nhiệt đới vì ở đó có sự đồng hóa diệp lục mạng hơn và có lẽ sự đồng hóa diệp lục cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình thực vật tổng hợp ra alcaloid.

Sự phân phối alcaloid trong cây

Chất alcaloid đầu tiên được Stuerner tìm ra năm 1806 là chất mocphin ở quả thuốc phiện. Hiện nay alcaloid tìm thấy trên thế giới lên tới hơn 800 chất, phân phối trong khoảng 111 họ cây, phần lớn là ở các họ thực vật thượng đẳng.

Alcaloid chứa trong nhiều bộ phận khác nhau của cây nhưu:

+ Hạt: Mã tiền, Cà phê.

+ Quả: Ớt, Hồ tiêu

+ Hoa: Cà độc dược

+ Lá: Cô ca, Thuốc lá, Cà độc dược, Beladon.

+ Thân: Canhkina, Ma hoàng.

+ Những bộ phận ở duwois đất: Ba gạc, Lựu, Ô đầu, Ipeca. Tỷ lệ alcaloid trong các bộ phận trên cũng không đều nhau, thường tập trung nhiều hơn ở một bộ phận nhất đinh. Ví dụ, Quinin trong vỏ cây Canhkina (cinchona), cocain trong lá Cô ca (Erythroxylon coca), strychnin trong hạt Mã tiền (Strychnos nux-vomica) … Còn những bộ phận khác thì ít hơn.

Những alcaloid trong một cây thường có một nhân căn bản chung và chỉ khác nhau ở các gốc hóa học dinh vào nhân. Vi dụ isopelletierin, metyliso-pelletierin trong vỏ rễ lựu đều có nhân pyridin.

Ở các cây trong cùng một họ thực vật hay chứa các alcaloid rất gần nhau về cấu tạo, ví dụ một số cây trong họ Cà (Solanaceae) như Atropa beladona, Datura, … đềy có nhân pyrol và pyridin, đừng rời hay kết hợp với nhau (nhân tropan).

Nhưng cũng có khi hai cây rất gần nhau về họ thực vật mà một cây có chứa alcaloid còn cây kia không có hoặc có chứa thì lại là những alcaloid rất khác nhau. Ví dụ: Cây Cà phê, Ipeca và Canhkina tuy cùng trong một họ Cà phề nhưng chúa những alcaloid khác hẳn nhau.

Trái lại, một alcaloid có thể gặp nhiều cât thuộc họ khác nhau, như ephedrin trong Ma hoàng (họ Gneraceae) và các cây Taxus baccata (họ Taxaceae), Sida cordifolia (họ Malvaceae) … Cafein cũng thấy trong 7 cây khác nhau, Becberin cũng có ở nhiều cây thuộc nhiều họ khác nhau.

Bách bộ chứa alcaloid ở trong củ

Sự tạo thành alcaloid trong cây

Sinh nguyên của alcaloid là một vấn đề quan trọng.

Những nhận xét đầu tiên cho ta thấy những alcaloid có trong cùng một cây tường có cùng một kiến trúc căn bản và hcir khác nhau do những hóa chức đinh thêm vào, như các alcaloid trong hạt cau, cà độc dược, canhkina, coca, … Do đó người ta dễ quan niệm do một số quá trình oxy hóa, khử oxy, methyl hóa, khử methyl, este hoa, xà phòng hóa, … có thẻ chuyển từ alcaloid nọ sang alcaloid kia.

Có giả thuyết cho rằng nhân căn bản cho các chất đường hay thuộc chất của đường sinh ra, kết hợp với amoniac để có Ni-tơ.

Nhưng giả thiết được nhiều nguwofi rán thành hơn thì cho rằng alcaloid do các acid amin tạo nên bởi vì người ta thấy có nhiều sự giống nhau giữa tính chất của một số acid amin với một số alcaloid như sự liên quan giữa thuộc chất của purin và nucleotid.

Những alcaloid mới tạo thành, lúc đầu nằm ở các bộp phận đang phát triển của cây (ngọn, chồi, mầm, …), về sau chuyển ra các tổ chức bên ngoài. Rất ít khi thấy alcaloid trong nhu mô ruột hoặc trong những tế bào phụ của mạch rây (libe). Người ta thường gặp alcaloid tỏng vỏ hạt và nhũ dịch.

Trong cây, alcaloid thường ở trong dịch tế bào dưới dạng muối (ít khi thấy ở thể tự do – alcaloid base), do sự kết hợp với các acid vô cơ hay hữu cơ như acid xitric, tactric, oxalic, tanic, … ít khi gặp acid acetic, lactic, sunfuric, photphoric, xeanhydric. Ở một số cây, các alcaloid kết hợp với các acid đặc biệt của chính cây đó như acid quiric trong canh kina, acid meconic trong thuốc phiện, acid tropic trong họ Cà (Solanaceae) và acid aconitic trong Phụ tử, …

Tỷ lệ alcaloid trong dược liệu rất ít, thường 1 – 10%. Một dược liệu có chứa 1 -3 % alcaloid đã được coi là tỷ lệ khá cao rồi. Trừ một số trường hợp đặc biệt như cây Canhkina và thuốc phiện, tỷ lệ alcaloid có thẻ lên tới 16 – 20%.

Tỷ lệ alcaloid trong cây phụ thuộc vào nhiều yếu tố như khí hậu, ánh sáng, chất đất, phân bón, giống cây, bộ phận thu hát cũng như thời kỳ thu hái,… Vì vật, đối với mỗi dược liệu cần nghiên cứu cách trồng trọt, thu hái và bảo quản thế nào để có tỷ lệ hoạt chất cao nhất và tốt nhất.

Tính chất chung của alcaloid

Lý tính

• Nói chung alcaloid là những chất có khối lượng phân tử khá cao. Căn cứ vào thân phần cấu tạo, người ta chia alcaloid ra 2 loại: loại có mang oxy và loại không có oxy.

• Những alcaloid không có oxy, chỉ cấu tạo bằng C, H, N như conin, nicotin, spectin, … htuowngf lỏng ở nhiệt độ thường, có mùi, bay hơi được, dễ hòa tan trong nước và cất kéo được bằng hơi nước. Tuy nhiên một vài alcaloid cũng không có oxy nhưng lại đặc ở nhiệt độ thường như sempervirin.
• Những alcaloid có oxy chiếm phần lớn: Thành phần cấu tạo có C, H, O, N như moc phin, codein, atropin, cocain, strycnin, quinin, … thường đặc ở nhiệt độ thường, hầu như không tan trong nước, tan trong các dung môi hữu cơ, không mùi, vị đắng, có thể kết tinh được và không cất kéo được bằng hơi nước. Trừ trường hợp đặc biệt một vài alcaloid tuy có oxy nhưng vẫn ở tể lỏng như pilocacpin, mescalin, …Các alcaloid base không tan trong nước, dễ tan trong các dung môi hữu cơ như cồn, những cacbuahydro (benzen, ligroin), ete, clorofoc, axetat etyl, .. ít tan hơn trong este isopropylic và clorua metylen.

Người lại muối alcaloid thì dễ tan trong nước, không tan trong các dung môi hữu cơ. Trên cơ sở tính chất này đã lấy riêng được các alcaloid từ dược liệu và tinh chế nó.

Trừ một số trường hợp ngoại lệ alcaloid base lại tan trong nước như conin, nicotin, spactein, colchicin, cafein (tan 1/80 trong nước lạnh và ½ trong nước nông). Strychnin không tan trong ete nhưng rất tan trong clorofoc, mocphin gần như không tan trong các dung môi hữu cơ thông thường. Một số alcaloid có chức phenol tự do như mocphin, xephelin lại tan trong dung dịch kiềm.

Đa số alcaloid và muối của nó đều không màu, trừ một số ít có màu như becberin (màu vàng)

Phần lớn alcaloid có khả năng quay cực, thường tả truyền, trừ mấy thứ hữu tuyền như cinchonin, cicutin, aconitin, pilocacpin, …một số khác không có rác dụng với ánh sáng phân cực nhưu betain, piperin, nacxein, atropin, atropamin, isopelletierin, … khả năng quay cực của các alcaloid còn thay đổi tùy theo dung môi hòa tan nó.

Hóa tính

• Tất cả alcaloid đều có tính chất ít nhiều kiềm, có chất tác dụng như các chất kiềm mạnh, có khả năng làm xanh giấy quỳ như cicutin, nicotin. Trái lại có chất tác dụng như những chất kiềm rất yếu, ví dụ: Cafein, Piperin,…
• Nói chung alcaloid đều là những kiềm yếu, nên có thể giải phóng khỏi muối của nó bằng các kiềm mạng và trung bình như NaOH, KOH, NH₄OH, MgO, cacbonat kiềm và bicacbonat. Vì vậy phải căn cứ vào độ kiềm ấy mà lựa chọn các chị thị màu thích hợp trong khi định lường bằng phương pháp đo acid.
• Phản ứng chung của alcaloid được chia làm 2 loại: phản ứng kết tủa và phản ứng màu.

Phản ứng kết tủa: những thuốc thử của phản ứng kết tủa gồm 2 loại khác nhau.

• Loại 1: gồm những thuốc thử với các alcaloid cho những kết tủa rất ít tan; phản ứng này rất nhạy, có thể phát hiện vết alcaloid trong khi tìm kiếm như các dung dịch clorua mercuric 1/20, dung dịch hydroalcolic của tain; các thuốc thử iodua kiềm như:

+ Iodoiodua (TT Bouchardat)

+ Mercuriiodua kali (TT Mayer – Valser)

+ Iodobismuthit kali (TT Dragendoff)

+ Iodua kép K và Cd (TT Marme)

• Loại 2: Có thể gọi đó là những thuốc thử đặc hiệu cho vơi các alcaloid những kết tủa ở dạng tinh thể và có thể dựa vào đó mà xác định alcaloid, ví dụ các dung dịch clorua vàng 1/10; clorua 1/10; dung dịch nước bão hòa acid picric (TT Popoff), acid styphnic, acid picrolonic.

Phản ứng màu: cho với các alcaloid những màu đặc biệt khác nhau.

Một vài loại hay dùng là:

• Sunfomolybdic (TT Froehde)
• Sunfovanadic (TT Mandelin)
• Sunfoselenieux (TT Fafon)
• Sunfotitanic
• H₂SO₄, HNO₃
• Thuốc thử Wasicky
• Thuốc thử sunforhenic, …

Vai trò của alcaloid trong đời sống thực vật

Vấn đề này đang còn được bàn cãi, hiện nay có một số giả thuyết sau:

1. Vai trò bảo vệ: vì alcaloid rất độc nên có tác giả cho rằng nó có tác dụng bảo vệ cây, chống các vi sinh vật phá hoạt. Gải thuyets này không có giá trị bởi vì nhiều cây tỷ lệ alcaloid rất cao nhưng vẫn bị sinh vật ăn mà không ngộ đọc như hạt Mã tiền, lá Beladon, …
2. Chất cặn bã: Nhận xét này người ta dựa trên kết quả đã xác định được những alcaloid trong các phần ngoài của cây. Nhưng thực nghiệm cho kết quả trái lại: nếu tiêm tactrat nicotin vào thân ngô và thuốc lá thì sau một ngày ngô loại hết nicotin, còn thuốc lá vẫn giữ lại
3. Dự trữ Ni-tơ: Nghiên cứu thay đổi của cafein ở cây cà phê, một vài tác giả cho rằng alcaloid đóng vai trò dự trữ Ni-tơ cho cây, nhưng đó không phải là trường hợp chung. Từ những thí nghiệm trồng cây ở môi trường alcaloid, coi như một nguồn Ni-tơ thì thấy rằng nó độc đối với cây cối.
4. Có người cho rằng alcaloid có vai trò kích thích, nó giống như hocmon thực vật
5. Một số tác gả khác lại cho rằng alcaloid là những chất dự trữ để tổng hợp ra chất anbuminoid của cây …
6. Xác định alcaloid trong thực vật

Muốn xác định xem alcaloid có trong một bộ phận nào của dược liệu phải dùng thuốc thử thích hợp. Có thể dùng tất cả các thuốc thử nói trên nhưng tốt nhát là thuốc thử Bouchardat vì nó cho một kết quả màu: chỉ cần nhỏ một giọt thuốc thử lên vi phẫu mới cắt (không rửa và không nhuộm), đợt một lúc rồi soi kính hiển vi, sẽ thấy kết quả tủa màu nâu nhưng trước khi kết luận phải chú ý hai nguyên nhân có thể gây nhầm lẫn:

• Dùng nhiều thuốc thử quá, kết tủa có thể tan mất
• Các chất protit cũng có thể cho kết tủa với thuốc thử Bouchardat và các thuốc thử khác của alcaloid. Errera đã tránh trường hợp này bằng cách làm 2 loại vi phẫu: một loại sau khi làm vi phẫu thì nhúng ngay vào thuốc thử; loại khác nhúng vào rượu tatric, ngâm một thời gian, sau đó rửa sạch rượu tactric rồi nhúng vào thuốc thử Bouchardat: nếu tế bào có chứa alcaloid thì alcaloid này bị rượu tactric lấy đi mất và trên vi phẫu không thấy kết tủa. Trái lại nếu vẫn có kết tủa thì phải nghĩ tới chất protit.

Có thể dùng những phản ứng đặc hiệu để xác định alcaloid nhưng thường các thuốc thửu đó quá acid, phá hủy tế bào, làm cho việc xác định vị trí alcaloid khó khăn.

Chiết xuất alcaloid

Người ta dựa vào những nguyên tắc sau đây:

• Alcaloid nói chung là những kiềm yếu, do đó có thể dùng những kiềm mạng hay trung bình để đấy alcalid ra khỏi các muối của chúng.
• Alcaloid ở hể tự do (alcaloid base) dễ tan trong các dung môi hữu cơ, còn ở thể muối thì dễ tan trong nước
• Sau khi có alcaloid thô, ta tinh khiết bằng cách chuyển nó nhiêu flaafn từ dung môi hữu cơ sang dung môi nước và ngược ljai. Cuối cùng làm bay hơi dung môi thì có alcaloid tinh khiết.

Nhưng còn tùy theo tính chất của alcaloid như loại bay hơi và loại không bay hơi được mà phương pháp chiế xuất phải thay đổi cho thích hợp.

• Đối với những alcaloid bay hơi: như conin, nicotin, spactein,… có thể cất kéo được bằng hơi nước, thì ta sấy khô dược liệu, tán nhỏ, cho kiềm vào để đẩy alcaloid thể muối ra alcaloid tự do rồi tách nó khỏi dược liệu bằng phương pháp cất kéo hơi nước. Tiếp theo lại tách alcaloid ra khỏi nước cất trên bằng các dung môi thích hợp.
• Đối với những alcaloid không bay hơi: người ta dùng 2 phương pháp sau:

1. Cho dược liệu đã tán nhỏ vào bình ngâm kiệt rồi tiến hành chiết bằng dung môi nước acid loang hoặc bằng alcol đã acid hóa bằng một acid mạnh. Tất cả alcaloid trong dược liệu sẽ chuyển sang thể muối alcaloid và tan trong 2 dung môi trên. Bốc hơi dung môi bằng cách cất dưới áp lực giảm và nhiệt độ càng thấp càng tốt. Cặn còn ljai cho tác dụng bằng một kiềm như NaOH, KOH, NH₄OH, vôi, … Lấy alcaloid base được giải phóng ra bằng một dung môi hữu cơ thích hợp (không trộn lẫn với 2 dung môi trên) như CHCl₃, ete, benzen, … Dung môi này chứa alcaloid đã tương đối tinh khiết, có thể làm tinh khiết thêm bằng phương pháp đã nêu ở trên một hai lần nữa.
2. Chuyển trực tiếp muối alcaloid trong dược liểu a thể alcaloid base để hòa tan vào các dung môi hữ cơ bằng các kiềm thích hợp. Việc lựa chọn kiềm rất quan trọng: một kiềm mạnh như NaOH mà tác dụng lâu lên alcaloid thì sau khi giải phóng alcaloid base có thể xá phòng hóa các alcaloid có chức este như atropin, cocain, … NaOH còn giữ lại tỏng dung dịch nước các alcaloid có chứ phenol (do tạo thành phenat tan trong nước) như mocphin, xephelin.

NH₄OH chỉ có thể đẩy một phần alcaloid của Ipeca. Vôi có thẻ đẩy tất cả alcaloid của rễ lựu, còn NaHCO₃ chỉ đẩy được các alcaloid không có tác dụng mà thôi.

Người ta còn có thể lấy riêng alcaloid bằng phương pháp sắc ký cột, chất hấp phụ nhôm oxyt, khi alcalid đi qua cột hấp phụ và khai triển bằng dung môi thích hợp thì alcaloid được tách ra thành từng thành phần khác nhau.

Định lượng alcaloid

Người ta có thể định lượng toàn bộ alcaloid hay chri một vài thứ nhất định trong một dược liệu (như mocphin trong thuốc phiện, quinin trong canh-ki-na). Có nheieuf phương pháp định lượng như:

• Phương pháp cân
• Phương pháp đi thể tích
• Phương pháp quang học

Phương pháp nào cũng gồm 2 giai đoạn chính: lấy riêng alcaloid ra khỏi dược liệu và định lượng.

Sau đây là một vài phương pháp hay dùng:

Phương pháp đo acid (phương pháp thể tích)

Muốn định lượng được phải viết khối lượng phân tử và khả năng kiềm của alcaloid để chọn acid và chỉ thị màu thích hợp. Sau khi lấy riêng alcaloid base, ta cho một lượng acid chuẩn độ nhất định có thừa, định lượng acid thừa bằng các kiềm thích hợp để biết lượng acid đã kết hợp với alcaloid và do đó suy ra lượng alcaloid.

Việc lựa chọn hệ số để tính tỷ lệ alcaloid nhiều khi cũng khó khăn vì trong một cây có nhiều alcaloid do đó phải lấy khối lượng phân tử trung bình của các alcaloid có trong dược liệu, nhưng kết quả không được chính xác vì tỷ lệ các alcaloid trong một dược liệu không đều nhau. Thương người ta chỉ dựa vào một alcaloid chính của dược liệu để tính, ví dụ: ở lá Cà độc dược thì tính theo hyoscyamin; ở lá Beladon thì tính theo Atropin, …

Việc chọn chỉ thị màu cũng rất quan trọng, vì dùng chỉ thị màu không đúng thì kết quả định lượng sẽ sai. Người ta phải căn cứ vào vùng chuyển màu của acid, kiềm dùng trong định lương, thường hay dùng là Iodeosin hoặc đỏ metyl, …

Phương pháp cân.

1. Chiết alcaloid vào dung môi, bốc hơi dung môi, sấy cặn thật khô rồi cân. Phương pháp này làm lâu nhưng rất đung (nếu alcaloid lấy được ở trạng thay tinh khiết, không kèm theo tạp chất như chất béo, chất nhựa, …)
2. Kết tủa alcaloid bằng acid silicotungstic tetrabasic để có silico tungstat alcaloid (phương pháp Bertrand). Rửa sạch kết tủa, sấy khô, nung rồi cân, từ đó suy ra lượng alcaloid theo công thức chung sau: 12TuO₃SiO₂, 10H₂O + 4 alcaloid.

Thường thì 1 phân tử acid tương đương với 4 phan tử alcaloid, trừ trường hợp aconitin và ecgotinin thì 1 phân tử acid tương đương với 3,5 phân tử alcaloid.

Một vài alcaloid có thể chuẩn độ bằng phương pháp định lượng sinh vật; cới phương pháp này nguwofi ta cũng có thể đánh giá được độ tinh khiết và độ độc của nó.

Kiến trúc và phân loại alcaloid

Cho đến ngày nay, toàn thế giới đã biết trên 800 alcaloid trong 111 họ thực vật. Nếu tính riêng Liên Xô thì tới năm 1950 đã tìm ra 120 alcaloid mới (chủ yeus do nhà hàn lầm Opexob và các người cộng tác của ông tìm ra).

Con số alcaloid tuy lớn nhưng tính chất lý học của nó tương đối thống nhất với nhau; còn về cấu tạo hóa học thì rất khác nhau, phần lớn alcaloid có cấu tạo dị vòng, có N ở trong nhân. Ta có thể xếp những alcaloid đó vào các nhóm tho những nhân chính sau đây:

1. Alcaloid không có nhân dị vòng
2. Những alcaloid là dẫn xuất của nhân pyrol
3. Những alcaloid là dẫn xuất của nhân indol
4. Những alcaloid là dãn xuất của nhân pyridin
5. Những alcaloid là dẫn xuất của nhân tropan
6. Những alcaloid là dẫn xuất của nhân quinolin
7. Những alcaloid là dẫn xuất của nhân isoquinolin
8. Những alcaloid là dẫn xuất của nhân phenanthren
9. Những alcaloid là dẫn xuất của nhân imidazol (glyoxalin)
10. Những alcaloid là dẫn xuất của nhân purin
11. Những alcaloid steroid: Nhóm này thường gồm những gluco-alcaloid là những chất chất có Ni-tơ, có tính chất chung của alcaloid, nhưng lại thêm tính chất của glucozit, nghĩa là khi thủy phân sẽ cho những alkamin có 27 nguyên tử cacbon và những oza (rhamnoza, galactoza, glucoza, xyloza). Nhóm này gặp trong giống Solanum (solanin), Veratrum (jervin, isorubijervin) ….