Химическое строение и классификация кофеина

Кофеи́н, C8H10N4O2 (также называемый теин, матеин, гуаранин)— алкалоид пуринового ряда. Белые шелковистые игольчатые кристаллы или белый кристаллический порошок горьковатого вкуса, без запаха. Кристаллическая структура: гексагональная призма. Химическое название кофеина — 1,3,7-триметилксантин. По строению и фармакологическим свойствам кофеин близок к теобромину и теофиллину; все три алкалоида относятся к группе метилксантинов.

Характерной особенностью пуриновых алкалоидов является их нестойкость при нагревании в щелочной среде (при рН>9). В этом случае кофеин разлагается до кофеидин-карбоновой кислоты и далее до кофеидина C7H12N4O (физиологически неактивное вещество).

Кофеин представляет собой очень слабое основание. Основные его свойства обусловлены азотом в положении 9 имидазолового цикла. Соли его с минеральными кислотами практически не существуют, так как легко гидролизуются. Водные растворы солей кофеина быстро диссоциируют. Качественной реакцией на кофеин служит образование соединений темно-коричневой окраски под действием концентрированной соляной кислоты на аммиачный раствор.

У кофеина водороды имидных групп замещены на метильные радикалы, поэтому у него отсутствуют кислые свойства, а основные настолько слабы, что его можно считать практически нейтральным веществом.

Все алкалоиды пуринового ряда плохо растворимы в воде. Кофеин и теофиллин легко растворяются лишь в горячей воде.

Растворимость кофеина значительно увеличивается в присутствии органических кислот (бензойной, салициловой) и их солей, при этом установлено, что состав образующихся комплексов 1:1. Примером такого комплекса является кофеин-бензоат натрия, являющийся фармакопейным препаратом. Медленно растворим в воде (1:60), легко - в горячей (1:2), трудно растворим в спирте (1:50). Один грамм растворяется в 46ml воды, 5.5ml воды при 80C, 1.5ml кипящей воды; 66ml спирта, 22ml спирта при 60C; 50ml ацетона; 5.5ml хлороформа; 530ml диэтилового эфира; 100ml бензола, 22ml кипящего бензола. Свободно растворяется в пирроле; в тетрагидрофуране, содержащем около 4% воды; растворяется в этилацетате; медленно растворяется в петролейном эфире. Растворимость в воде увеличивается при добавлении бензоатов, циннаматов, цитратов или салицилатов щелочных металлов.

Общей реакцией на алкалоиды пуринового ряда является реакция образования мурексида — мурексидная проба. Сущность этой реакции заключается в том, что вещество, содержащее пуриновый цикл, нагревают с окислителем (бромной водой, пергидролем, азотной кислотой и т. д.) и затем обрабатывают раствором аммиака; появляется малиновое окрашивание, обусловленное образованием аммониевой соли пурпуровой кислоты.

Если вместо аммиака применить гидроксид калия, то калиевая соль пурпуровой кислоты будет окрашена в сине-фиолетовый цвет. Мурексидная проба долгое время считалась реакцией, специфичной для пуриновых производных, но затем стало известно, что мурексидную пробу дают и некоторые другие соединения, не имеющие в молекуле пуринового цикла, например аллоксан, диалуровая, барбитуровая, виолуровая кислоты, т. е. соединения, имеющие в молекуле пиримидиновый цикл. Однако до сих пор мурексидная проба остается общей, групповой реакцией для открытия пуриновых алкалоидов и является фармакопейной.

Методы количественного определения пуриновых алкалоидов могут быть разнообразны и определяются их химическими свойствами. Поскольку все эти алкалоиды являются слабыми органическими основаниями (константы диссоциации их лежат в пределах 7-9—10-14), определение их методом нейтрализации в водной среде затруднено. Поэтому, например, для кофеина рекомендует метод неводного титрования в среде протогенных (кислых) растворителей, каким является безводная уксусная кислота.

Для количественного определения пуриновых алкалоидов можно использовать спектрофотометрию в УФ-области. Наличие двойных связей в молекулах пуриновых алкалоидов создает значительную возможность резонанса, в связи с чем эти вещества поглощают УФ-излучение. Пурины дают одну интенсивную полосу ниже 220 нм и другую при 272 нм, но все они имеют одинаковые максимум и интенсивность поглощения, поэтому метод спектрофотометрии в УФ-области является общим, т. е. групповым методом.