Oamenii au cunoscut actiunea fiziologica,toxica si curativa a unor plante sau extracte de plante inca din antichitate. Astfel opiul, care este un material rasinos obtinut din fructele macului era folosit in Orient ca somnifer. In regiunea tropicala muntoasa a Americii de Sud, exista un popor, inainte de cucerirea spaniola, care valorifica frunzele de coca, cunoscand actiunea lor stimulanta.
Izolarea principiilor active din plante a constituit o preocupare a stiintei chimice inca de la inceputurile ei. Primul succes in acesta directie a fost obtinut in secolul al XVII-lea de catre Dan Ludovici si Robert Boyle care au izolat alcaloidul din opiu in stare impura.
Chimia alcaloizilor a inceput atunci cand alcaloidul din opiu a fost obtinut in stare cristalizata(1804-1806). Aceasta metoda de izolare a dat nastere numelui de morfina, tot atunci s-a afirmat si faptul ca formeaza saruri cu acizi si este deci, bazic.
Numele de alcaloizi a fost dat de Meissner in 1818 si oglindeste interesul deosebit pentru caracterul bazic al substantelor de origine vegetala, producerea de compusi azotati fiind considerata pe vremea aceea ca un privilegiu al organismului animal. Deoarece singurul compus azotat bazic cunoscut la vremea aceea era amoniacul, alcaloizii au fost considerati multa vreme ca reprezentantii unei categorii noi de compusi organici.
Notiunea istorica de alcaloid dateaza dintr-o epoca anteriara teoriei structurii asa cum si taninul si vitaminele nu pot fi puse de acord cu o clasificare bazata pe teoria structurii.
Este necesara mentinerea notiunii de alcaloid din punct de vedere practic, considerand numarul mare de compusi azotati ce se gasesc in plante. In referatul nostru vom vorbi numai de compusi azotati de origine vegetala cu origine heteorciclica. Acesti compusi ii vom clasifica tinand cont de structura inelelor heterociclice din moleculele lor.
Cercetarea chimica a alcaloizilor a constituit o preocupare permanenta in ultimii 150 de ani. Pe langa marele inters pe care il prezinta, a condus la desoperirea si dezvoltarea multor reactii chimice de interes general. Deslusirea structurii complicate ale alcaloizilor a constituit un prilejiu pentru experimentarea metodelor chimice si fizico-chimice dintre cele mai avansate. Progresul in aceasta directie se poate aprecia considerand dezvoltarea metodelor de lucru ce s-a produs de la primele sinteze de alcaloizi (coniina, nicotina) si a ajuns chiar la sintetizarea unor complicate lucrari de sinteza (chinina, morfina, stricnina).
Cercetarile din domeniul alcaloizilor au inspirat un numar mare de sinteze de compusi, printre care se numara medicamente cu valoare terapeutica mare.
Raspandire si biogeneza
Plantele producatoare de alcaloizi sunt mult mai raspandite, cele mai multe fac parte din dicotiledonate si mai rar din monocotiledonate si criptogame. Au fost identificati in plante peste 1000 de alcaloizi si se apreciaza ca numai 2% din toate specile de plante cunoscute au fost cercetate in ceea ce priveste continutul lor in alcaloizi.
Un alcaloid apare intr-o singura planta sau in putine specii apartinand aceluiasi gen botanic. Numai cativa alcaloizi cu structura simpla se pot gasi in plante apartinand unor specii mult diferite.
O planta contine rareori un singur alcaloid,de obicei ea contine mai multi alcaloizi cu structura asemanatoare, cum este si cazul frunzelor de coca, a tutunului sau a coajei de chinina.
Continutul in alcaloizi al unei plante variaza mult cu regiunea, clima si anotimpul: multe plante tropicale, desi se dezvolta normal, pierd capacitatea de a sintetiza alacaloizi cant sunt mutate in regiuni cu clima temperata sau rece. Multe plante nu contin alcaloizi si din acest fapt rezulta ca ei nu sunt un factor vital cum sunt de exemplu hidratii de carbon, aminoacizii, grasimile si purinele.
Parerile privitoare la rolul fiziologic al alcaloizilor in plante sunt inca putin precizate. Alcaloizii ar putea constitui mijloace de aparare a plantei impotriva insectelor sau a animalelor superioare, dar in acelasi timp pot fi considerati produsi de dezasimilatie a proteinelor pe care planta din lipsa unor posibilitati de excretie, il depune in organele sale. Pentru a doua varianta sunt mai multe obiectii: este putin probabil ca planta sa construiasca molecule uriase si complicate pentru a fixa un singur atom de azot sau, de ce pentru o functiune fiziologica de importanta procesului de excretie s-ar indeplini pe cai atat de diverse in specii botanice inrudite, atunci cand alte procese de importanta vitala (asimilatia bioxidului de carbon, glicoliza) se fac in toate plantele printr-un mecanism identic.
Pentru sintetizarea alcaloizilor plantele folosesc ca materii prime amino-acizi naturali sau produsi de degradare biochimica ai acestora.
In biosinteza alcaloizilor joaca un mare rol reactia Mannich, la care participa o amina(R-NH2), o aldehida(R'-CH=O) si un compus capabil sa ia parte la o condensare aldolica sub forma de componenta metilenica. La rezolvarea problemei biogenezei alcaloizilor au adus contributii importante Robinson, R.B.Woodward. Cunostintele din acest domeniu sunt astazi destul de avansate spre a fi de ajutor, in unele cazuri la stabilirea structurii alcaloizilor.
Alcaloizii sunt localizati de cele mai multe ori in anumite organe ale plantei, frunze, seminte, radacini sau coaja.
In plante alcaloizii se gasesc ca saruri ale acizilor vegetali obisnuiti cum sunt acidul citric, acidul malic, acidul tartric si acidul oxalic.
Pentru izolarea alcaloizilor se trateaza planta maruntita sau extractul ei apos cu o baza (hidroxid alcalin sau amoniac) spre a pune in libertate alcaloidul din sarurile sale. Apoi se extrage solutia cu un dizolvant (eter, cloroform). In cazul alcaloizilor volatili, cum este nicotina, se foloseste si distilarea cu vapori de apa.
Formula si obtinere
Principalul alcaloid din frunzele de Erythroxylon coca, un arbust originar din regiunea muntoasa a Americii de Sud, este cocaina (C17H21O4N), un dublu ester, cu alcool metilic si cu acid benzoic, al un hidro-amino-acid- ecgonina. Prin hidroliza cu apa fierbinte, cocaina trece in benzoil- ecgonina si alcool metilic. Prin hidroliza cu acizi sau alcani se formeaza ecgonina (C9H15O3N), alaturi de acool metilic si de acid benzoic.
Structura ecgoninei se bazeaza pe urmatoarele reactii de degradare: oxidarea cu acid cromic duce la un acid β-cetonic, care pierde usor CO2 dand tropinona. De asemenea se obtin prin oxidare acidul tropinic si acidul ecgoninic. Formarea tropinonei dovedeste ca grupa OH in ecgonina ocupa acelas loc ca grupa OH in tropina. Formarea acizilor tropinic si ecgoninic arata ca grupa COOH a ecgoninei se afla in inelul piperidinic si nu in inelul pirolidinc al moleculei. Din aceste reactii rezulta urmatoarele formule pentru ecgonina si cocaina.
Obtinerea cocainei: se hidrolizeaza amestecul tuturor alcaloizilor, inclusiv cocaina, pana la ecgonina; aceasta se benzoileaza apoi cu anhidrida benzoica si se esterifica prin fierbere cu alcool metilic si un acid mineral.
Exista doua forme conformationale,neizolabile ale tropanului:
Tropina trece prin oxidare in cetona corespunzatoare, tropinona. Prin hidrogenarea acesteia se obtin (in proportie inegala) tropina si un izomer al ei, pseudotropina:
Tropina si pseudotropina sunt izomeri endo-exo, datorita pozitiei diferite a grupei OH in raport cu sistemul biciclic. Ca si tropanul, tropina si pseudotropina au molecule simetrice, optic inactive.
Ecgonina deriva formal de la tropina prin introducerea unei grupe de carboxil. Prin aceasta simetria inelului tropanului si al tropinei este suprimata, asa ca ecgonina poseda patru atomi de carbon asimetrici neechivalenti. O molecula cu patru atomi asimetrici poate aparea, conform teoriei, in 16 forme optic active. In sisteme biciclice, numarul izomerilor se reduce insa la jumatate din cauza imposibilitatii sterice a existentei unora dintre formele tensionate. Sunt deci posibile opt ecgonine optic active, formand patru racemici.
