Визначення вмісту нікотину в тютюні та продуктах його згорання

Вступ

 

Клас алкалоїдів налічує  більше 2000 представників свого виду і нікотин є одним із найяскравіших представників гетероциклічних сполук. Нікотин являється фізично активною речовиною, що має яскраво виражений вплив на живі організми. Для людського організму нікотин представляє собою сильну отруту, що спрямовує свою дію переважно на нервову, дихальну і серцево-судинну систему.

Нікотин у великих  кількостях міститься в тютюнових виробах. Виявляється, до нікотину можна звикнути і це звикання призводить до тютюнової залежності. Саме тому за наших часів це стало актуальною проблемою. Тютюнопаління є дуже шкідливим для здоров’я і може призвести до багатьох захворювань. В усіх країнах ведеться активна боротьба з тютюнопалінням: заборона палити в людних місцях, попереджальні написи на упаковках цигарок та строгий контроль за якістю виготовлення тютюнових виробів.

На мою думку, визначення вмісту нікотину є дуже важливим, так  як від цього залежить здоров’я багатьох людей. Якщо вміст буде вищий ніж вказано на упаковці, то споживач отримає більшу дозу і для його організму це буде стрес, але через деякий час він звикне і його організм буде потребувати більшого надходження нікотину до організму. Тому в багатьох лабораторія ведеться контроль по вмісту нікотину в тютюні.

Темою нашої роботи ми обрали: «Визначення вмісту нікотину в тютюні та продуктах його згорання». Саме тому метою нашого дослідження було з’ясувати переваги та недоліки методів визначення нікотину та практично дослідити можливість визначення його в тютюні гравіметричним методом.

Гіпотеза дослідження полягала у тому, що за допомогою гравіметричного методу аналізу можливе приблизне визначення вмісту нікотину у тютюні.

Об’єктом дослідження  є нікотин, як представник класу  алкалоїдів, а предметом дослідження – визначення вмісту нікотину в тютюнових виробах.

Для досягнення поставленої  мети та перевірки гіпотези дослідження, нами використовувались такі методи:

1)аналіз наукової літератури;

2)опрацювання методик  практичного визначення нікотину, в тому числі ДСТУ;

3)методи виділення та ізолювання алкалоїдів з біологічного матеріалу;

4)гравіметричний метод  визначення алкалоїдів;

5)математична обробка  результатів практичної роботи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Розділ  1.  Загальні властивості алкалоїдів та нікотину зокрема

 

1.   Хімічні властивості алкалоїдів

Поняття алкалоїди не є строгим. Прийнято алкалоїдами(від лат. alkali – луг та грец. eidos – вид) називати нітрогеновмісні органічні сполуки гетероциклічної будови, що володіють яскраво вираженою фізіологічною дією на організм людини і тварин. Більшість алкалоїдів має складну будову.

Лікувальні і отруйні  властивості екстрактів багатьох рослин були відомі ще в глибокій давнині. Будова першого алкалоїду – коніїну – було установлено в 1886г., і після цього розвиток хімії алкалоїдів пішов вперед величезними кроками. Алкалоїди є продуктами обміну речовин в рослинах. Найбільш багаті алкалоїдами дводольні рослини, а серед них сімейства макових, айстрових, жовтецевих, пасльонових і маренових.

Оскільки зазвичай в  одній групі рослин містяться  алкалоїди, близькі за структурою, то класифікація алкалоїдів проводиться, як правило, по групі рослин, в яких вони є. Наприклад, алкалоїди болиголову, алкалоїди аракової пальми алкалоїди пасльонових, алкалоїди коки, алкалоїди опію і так далі. В даний час виділено і охарактеризовано вже більше 2000 алкалоїдів з них лише 50 міститься в тваринах.

В ході еволюції вищі рослини  виробили так звану метаболічну  екскрецію, що робить можливим накопичення вторинних сполук в організмі, що продукує їх, але зовні метаболітично активних центрів – зазвичай у вакуолях і клітинній стінці. Алкалоїди виявлені у тварин, не завжди синтезуються самим організмом; інколи їх походження пов'язане з характером їжі. Так бобри нагромаджують алкалоїд касторамін, який дуже близький до алкалоїду дезоксинуфаридину, що міститься в кореневищах кубушки жовтої, використовуваною ними в їжу.

В більшості випадків алкалоїди знаходяться в рослині  у вигляді солей органічних і  неорганічних кислот. Локалізуються  переважно у визначених частинах (органах) рослин, наприклад в хінного дерева – головним чином в корі, в аконіту – в бульбах, в кокаїнового куща – в листі. Вміст алкалоїдів в тканинах зазвичай складає десяті – соті долі відсотка і рідко доходить до 10-15% (кора хінного дерева).

Довгий час біологічні функції алкалоїдів в рослинному організмі були невідомі. Частіше за них вважали кінцевими продуктами обміну речовин, або іншими екстрактами. Проте було доведено, що алкалоїди активно втручаються у перебіг обмінних процесів. Можливо, алкалоїди також захищають рослини від поїдання тваринами, тобто є антифедантами.

Всього виділяють 6 груп алкалоїдів: піридинова (нікотин), хінолінова (хінін, стріхнін), ізохинілова (папаверин, кураре), фенантренова (морфін, кодеїн), тропінова (атропін) і пурінова (кофеїн).

Небагато алкалоїдів є рідинами або леткими сполуками, більшість ж вдалося виділити в кристалічному вигляді; останні містять оксиген, в перших його немає.  Більшість алкалоїдів оптично активні, і притому обертають поляризоване світло ліворуч.  Алкалоїди майже всі гіркі на смак; у невеликій кількості багато хто з них має збуджуючу дію на нервову систему, у великих же дозах вони часто є вельми отруйними.

Через цю збуджуючу дію  рослини, що містять алкалоїди, відвіку  уживалися людьми то для приготування напоїв (чай, кава—заради кофеїну, какао-заради теоброміну), то для паління (тютюн, опіум), то для жування (листя коки). Зловживання деякими алкалоїдами, особливо збризкуваннями морфію або нюханням кокаїну, веде до дуже тяжких наслідків. Крім того, окремі алкалоїди володіють специфічною фізіологічною дією, через що часто використуються в медицині.

Все це відвіку збуджувало великий інтерес до вивчення алкалоїдів. З'ясувалося, що всі вони представляють аміни, вторинні або третинні, але не первинні, а іноді—амонійні основи.

Основні (лужні) властивості алкалоїдів виражені в різній мірі.(Дивись Додаток А) У природі частіше зустрічаються алкалоїди, які відносяться до третинних, рідше - до вторинних або до четвертинних амонійних основ.  Завдяки основному характеру алкалоїди утворюють солі з кислотами різної ступені міцності.  Солі  алкалоїдів легко розкладаються під дією їдких лугів і аміаку, при цьому виділяються вільні основи.  Завдяки основному характеру, алкалоїди при взаємодії з кислотами утворюють солі і дають подвійні солі з хлорною платиною та іншими комплексними сполуками. Наприклад: коніїн підкислений HCl.

Ця властивість використовується при виділенні і очищенні алкалоїдів, їх кількісному визначенні і здобутті препаратів.

Солі алкалоїдів, як правило, добре розчинні у воді(цитизин, метилцитизин, кофеїн) та в етиловому спирті (особливо в розбавленому при нагріванні). Погано або зовсім нерозчинні в більшості органічних розчинників (хлороформ, етиловий ефір, дихлоретан та ін.). Але відомі солі деяких алкалоїдів, погано розчинні у воді (сульфат хініну, сульфат таспіну), а також солі алкалоїдів, які розчиняються в органічних розчинниках. Наприклад, гідробромід скополаміну розчиняється в хлороформі.[11]

Алкалоїди вступають  в реакції, залежні від наявності  в їх молекулах різних  функціональних груп.  Наприклад, морфін містить фенольну гідрооксильну,  тому він з лугами утворює феноляти; дає кольорові реакції з FеС1₃.  Деякими алкалоїдами є складні естери, (атропін, скополамін), що піддаються гідролізу кислотами і лугами. Наприклад: атропіну сульфат (лікарський засіб) піддається гідролізу з утворенням тропанолу і тропової кислоти, тропова кислота вступає в реакцію нітрації при нагріванні з азотною кислотою  (реакція Віталі-Морена).[3]

Сульфат атропіну

 

                +          

     тропанол    тропова кислота

 

 

1.2. Історія відкриття нікотину

Тютюн - це культивована рослина роду Nicotiana. Споживання тютюну в Америці нараховує тисячу років. Є дані, що вже в 1 сторіччі до нашої ери індіанці майя в Центральній Америці палили тютюн на релігійних церемоніях. Сторіччя по тому паління тютюну поширилося на інші частини Північної і Південної Америки. На той час, як у 15 сторіччі прибули європейці, тютюн вирощувався тубільцями в багатьох частинах Америки.

 Коли Христофор  Колумб прибув у Західну півкулю  в 1492 році, деякі члени його  екіпажу побачили тубільців, що  палили і стали першими європейцями, що зіткнулися із тютюном. Після повернення в Іспанію помітили, що один із членів екіпажу Колумба, Родріго де Херес, палить і за це інквізитори кинули його у в'язницю. Місцеві жителі побачили, що дим виходить із його носа, і вирішили, що він заполонений дияволом.

 У 1560 році французький  посол у Португалії Жан Ніко (Jean Nicot) відправив тютюнове насіння королеві-матері Франції, будучи впевненим, що тютюн лікує багато хвороб. На честь Ніко тютюновій рослині було дано ботанічне ім'я Nicotiana, а сторіччя по тому слово нікотин також пішло від його імені. Наприкінці 16 сторіччя сер Вальтер Реліг активно пропагандував тютюн в Англії. Згодом паління стало популярним у всій Європі.

 По мірі того, як  споживання тютюну зростало, у  деяких країнах намагалися це приборкати. У 1606 році король Іспанії Філіп III випустив указ, що обмежував вирощування тютюну. У 1610 році в Японії вийшли укази, спрямовані як проти тих, хто палить, так і проти тих, хто вирощує тютюн. Ще жорсткішим було ставлення до тютюну в Росії, де патріарх відніс паління і нюхання тютюну до категорії смертних гріхів. У 1634 році цар випустив указ проти споживання тютюну, згідно якого палії або продавці тютюну, що попалися вперше, будуть позбавлятися носа. У ряді випадків, при повторному порушенні, винних засуджували до смерті. Папа Римський наказав, щоб люди, що приносять тютюн у Римсько-католицьку церкву, були відлучені від церкви - дим люльок і сигар мішався з пахощами благовонній, а деякі ченці кашляли під час святих співів пісень. У 1604 році король Англії Джеймс I анонімно написав "Протест Тютюну".

Зростання популярності тютюну частково пояснювалася тим, що багато хто вважав, що тютюн має позитивні лікувальні властивості. Проте, були й окремі роботи про те, що тютюн шкідливий. В 1761 році англієць доктор Джон Хілл випустив те, що вважається першим клінічним описом випадку раку, викликаного тютюном.

Цей алкалоїд уперше виділили в чистому вигляді в 1828 році вчені  Посельт і Рейман. Споживання тютюну здобуло величезний поштовх у 1881 році, коли американцем Джеймсом Бонзаком була запатентована машина для випуску сигарет. Машина, що стала діяти в 1884 році, після покращень замінила непродуктивний ручний метод, і такий засіб різко зменшились виробничі витрати. До появи сигарет, включаючи самокрутки, споживання тютюну в основному відбувалося у формі паління сигар і трубок, нюхального і жувального тютюну.

 

1.3.Фізичні  та хімічні властивості нікотину                                           

Нікотин (піридин-3-N-метилпіролідин) належить до алкалоїдів, що містяться в окремих видах тютюну і в ряді інших рослин (очиток їдкий, хвощ польовий, ваточник, деякі види плауна та ін.). Крім нікотину в тютюні міститься ряд інших алкалоїдів. Нікотин є сильною подвійною основою, яка з кислотами утворює ряд солей.

Нікотин - безбарвна масляниста рідина (т. кип 247,6 ° С)., швидко темніє на повітрі. При температурах нижче 60 ° С і вище 210 ° С нікотин змішується з водою, а в інтервалі температур від 60 ° С до 210 ° С він обмежено розчиняється у воді. Нікотин добре розчиняється в багатьох органічних розчинниках. Він екстрагується органічними розчинниками як з кислих, так і з лужних водних розчинів. Однак великі кількості нікотину екстрагуються з лужних розчинів. Нікотин з водою утворює азеотропну суміш. Тому він переганяється з водяною парою.

Метаболізм. В організмі нікотин розкладається головним чином в печінці. Метаболізм нікотину відбувається шляхом його окиснення і N-диметилювання. В процесі метаболізму відбувається розрив пірролідинового кільця і ​​N-метилювання піридинового кільця. При окисленні нікотину утворюється котинін, котрий зазнає подальших перетворень. Зазначені вище метаболіти нікотину виділяються з організму з сечею. Відмічено наявність у сечі тільки слідів незміненого нікотину. [14]

Будова нікотину. При  окисленні нікотину утворюється  нікотинова (3-піридинкарбонова) кислота

Окислення може бути проведене  перманганатом, азотною кислотою, хромовою кислотою і іншими окисниками. Цей факт показує наявність в нікотині піридинового кільця, зв'язаного в β-положенні із залишком C₅H₁₀N

Нікотин є сильною  двутретинною основою і має метильну групу біля атому Нітрогену.

Будова залишку С₅Н₁₀N була з'ясована шляхом вивчення продуктів бромування нікотину та їх розпаду. При бромуванні нікотину в присутності води відбувається утворення речовини складу С₁₀Н₈N₂Вг₂О₂, названої дибромтіконіном. Атоми Оксигену та Брому при цьому входять не в піридинове ядро, а в залишок C₅H₁₀N, оскільки при окисненні дибромтіконіна виходить нікотинова кислота.[8]

При дії лугів дибромтіконін  піддається розпаду з утворенням нікотинової кислоти, метиламіну і  малонової кислоти. Це показує, що в нікотині мають бути залишки

Сполуки цих залишків показують, що ми маємо в нікотині ланцюг з чотирьох атомів вуглеводню,

Замкнутого за допомогою  групи >N – CH₃. Якщо відкинути малоймовірні структури з 4- та 3-членими кільцями, то для нікотину залишається лише будова