Классификация терпенов

Основоположником химии терпенов по праву считается немецкий химик, лауреат Нобелевской премии О. Баллах (1847-1931). Именно он установил тождественность природных тер­пенов различного происхождения, которые до его работ считались отличными друг от друга веществами и назывались по-разному.

В 1920 г. Ружичка приступил к классическим экспериментам, в результате которых было сформулировано «изопреновое правило». Это правило, суммировавшее все предшествующие исследования по установлению строения терпенов, гласит: терпены образуются в результате полимеризации изопрена по типу "голова к хвосту". Далее мы увидим, что изопрен сам по себе не является строительным материалом терпенов в растениях. Тем не менее, можно рассматривать терпены как полимеры изопрена:

Монотерпены

Терпеновые углеводороды поэтому имеют общую формулу: (С₅Н₈)_n. По числу изопреновых фрагментов терпены подразделяют на следующие группы:

К гемитерпенам относится только изопрен. Он не встречается в природе в чистом виде, хотя на его основе построены все терпеноиды. Терпены встречаются во всех организмах, но главным образом - в высших растениях. В организмы животных они попадают преимущественно с пищей и затем подвергаются биохимическим превращениям.

Монотерпены, из-за своей легкой летучести и запаха, особенно ценны для промышленности душистых веществ. Их подразделяют на следующие группы:

1) Ациклические монотерпены

2) Структура моноциклических терпенов выводится из структуры ментана (1-метил-4-изопропилциклогексана):

Рацемическую форму лимонена называют дипентеном. Она может быть получена по реакции Дильса-Альдера из изопрена:

Замещенные дипентены являются психоактивным действующим началом гашиша (марихуаны), входят в состав каннабидиола.

Ментол представляет собой 3-оксипроизводное п-ментана. Всего существует 4 диастереомера такого строения, которые различаются по своим физическим свойствам и по запаху.

Для получения душистых веществ и эссенций практическое значение имеет только ментол. (-)Ментол - основная часть масла перечной мяты, обладает характерным вкусом мяты и свойствами слабого антисептика. В промышленности его получают алкилированием по Фриделю-Крафтсу м-крезола с последующим гидрированием образующегося тимола:

3) Основные структуры, лежащие в основе бициклических монотерпенов, представлены ниже:

α-пинен (Т_кш, = 155,5°С) и β-пинен (Т_кшт = 163,5°С) относятся к углеводородам, структура которых выводится из пинанового скелета:

α- и β-пинены могут быть разделены фракционной пере­гонкой. Они являются основной составной частью скипидара, получаемого перегонкой с водяным паром сосновой смолы. Остаток - твердые смоляные кислоты - канифоль.

Камфора образует бесцветные кристаллы (Т_пл = 177°С, [α]_D²⁰_{= +} 44°), обладает характерным запахом. Камфору получают перегонкой с водяным паром древесины камфорного дерева (Cinnamomum camphora). Молекулярная формула камфоры была установлена Дюма в 1833 г. (С₁₀Н₁₆О). Правильное строение было предложено Бредтом и в 1903 г. доказано Комппом синтезом. В настоящее время камфору получают из α-пинена:

Камфора применяется как антисептик, а также в качестве пластификатора для нитрата целлюлозы (получение целлулоида).

Наличие в молекуле камфоры двух асимметрических атомов углерода должно было бы по общему правилу вызывать существование четырех оптических изомеров. В действительности же известна лишь пара оптических антиподов камфоры: (+) и (-)-камфора и оптически неактивная (рацемат) камфора. Меньшее число стереоизомерных форм камфоры объясняется тем, что в жесткой бициклической системе, которую представляет собой камфора, конфигурации обоих асимметрических атомов взаимосвязаны. Эти конфигурации можно изменить лишь одновременно.

Сесквитерпены

Это самая многочисленная группа, известно около 80 типов углеродного скелета сесквитерпенов (от лат. sesqui - полтора). Они бывают ациклическими, моно-, би- и трициклическими. Приведем структуры наиболее важных из них:

Фарнезол широко распространен в растительнои мире. Выступает в качестве промежуточного продукта в биосинтезе стероидов и более сложных терпенов. Привлекает самцов некоторых насекомых, т.е. служит аттрактантом и потому играет немаловажную роль в процессе опыления растений. На основе фарнезола производят духи.

Сантонин– трициклический сесквитерпен, имеет более сложную структуру. С первого взгляда его даже нельзя отнести к терпенам. Он содержится в полыни и с давних времен является составной частью растительных лекарственных средств. В настоящее время сантонин используется исключительно в качестве антигельминтного средства против нематод (аскариды, острицы). Его выделяют путем экстракции нераспустившихся цветков растений.

Дитерпены

Среди продуктов щелочного гидролизахлорофилла имеется спирт под названием фитол С₂₀Н₃₉ОН. Открытый в 1909 г. Вильштеттером, фитол в настоящее время применяется в качестве предшественника в промышленном синтезе витаминов Е и К₁.

В организмах млекопитающих фитол подвергается α–расщеплению под действием фитанат-α-оксидазы. Нарушение этого процесса, связанного с передающейся по наследству болезнью Рефсума и обусловленного отсутствием фитанат-α-оксидазы, приводит к накоплению в сыворотке крови и тканях фитановой кислоты. У таких больных до 20% жирных кислот сыворотки и до 50% жирных кислот печени представлено фитановой кислотой:

Тритерпены

Тритерпеноиды весьма широко распространены в живой природе, особенно тетра- и пентациклические с разнообразными типами углеродного скелета. В растениях они часто находятся в гликозилированной форме, такие гликозиды называют сапонинами. Углеводная часть сапонинов чаще всего представляет собой остаток олигосахарида, соединенный с С-3. в молекулах сапонинов имеется полярная и неполярная части, поэтому они обладают поверхностно-активными свойствами, вследствие чего при встряхивании их растворов образуется устойчивая пена, похожая на мыльную. Другим важным свойством сапонинов является их способность вызывать гемолиз эритроцитов.

Наиболее важным тритерпеном является сквален С₃₀Н₅₀. он содержится в дрожжах, пшеничных зародышах, оливковом масле и составляет 40% (по массе) жира печени акулы. Впервые он был выделен из рыбьего жира акулы Тсуйимото в 1916г. Синтетически получается из фарнезилбромида и магния по реакции Вюрца, причем вопреки изопреновому правилу два изопреноидных фрагмента связаны между собой «голова к голове»:

При гидрировании сквалена получают насыщенный углеводород сквалан, который применяется для изготовления основ суппозиториев и косметических кремов.

Сквален содержится почти во всех живых организмах и является ключевым соединением в биосинтезе тритерпенов и стероидов, но в больших количествах не накапливается. В организме акулы он накапливается потому, что акула – одно из немногих позвоночных животных, у которых сквален не претерпевает дальнейшего превращения в холестерин.

Тетратерпены (каротиноиды)

Тетратерпены широко распространены в природе, они присутствуют во всех фотосинтезирующих организмах (растениях и водорослях), в грибах и бактериях. В растениях каротиноиды участвуют в процессе фотосинтеза, они защищают фотосинтетический комплекс от вредного воздействия синглетного кислорода. В организмах животных каротиноиды не синтезируются, а поступают с пищей. У прокариотов каротиноиды входят в состав клеточных мембран, заменяя собой стерины, которые прокариоты синтезировать не способны.

Молекулы каротиноидов содержат восемь изопреновых звеньев. Благодаря большому числу сопряженных двойных связей, они часто входят в состав растительных пигментов. Ликопин выделяют из томатной пасты с помощью хроматографии на колонке; β-каротин, изомер ликопина, содержится в моркови.

Каротиноиды, имеющие хотя бы одно β–кольцо, являются предшественниками витамина А.

Превращение ретинола в 11-цис-ретиналь имеет огромное значение в зрительном процессе. О значении витамина А можно судить по тому, что отсутствие его в рационе подопытных животных приводит к их гибели.

Ликопинемия- не опасное заболевание, вызываемое употреблением в пищу больших количеств томатов: любители помидоров покрываются ярко-красными пятнами. Каротинемия- появление желтых пятен от избытка моркови, также не опасна. Оба процесса обратимы.

Биосинтез терпенов

Биосинтез терпенов включает альдольную конденсацию ацетилкофермента А с ацетоацетилкоферментом А и последующую серию стадий, приводящую в конце концов к изопентилпирофосфату и его изомеру диметилаллилпирофосфату.

Диметилаллилпирофосфат содержит хорошую уходящую группу и восприимчив к атаке нуклеофилами. Так, он реагирует с двойными связями изопентилпирофосфата, давая геранилпирофосфат:

Три- и тетратерпены образуются не в результате дальнейшего алкилирования, а за счет «димеризации» сескви- и дитерпенов. Это в какой-то степени объясняет, почему отсутствуют терпеноиды С₂₅ и С₃₅.