8.3.2 Природные изопреноиды. Терпены

Изопреновое звено – один из наиболее распространенных в природе строительных блоков. Оно встречается не только в каучуках, но и в составе многих соединений, выделенных из растительных и животных объектов. В растительном мире широко распространены вещества (углеводороды) открытой и изоциклической структуры, которые формально могут рассматриваться как димеры (монотерпены), тримеры (сесквитерпены) или полимеры (политерпены) изопрена и их кислородные производные (терпеноиды). Существует много реакций, связывающих взаимопревра-щениями алифатические, моно- и бициклические терпены.

Однако, следует отметить, что эти соединения выделены в одну группу терпенов и терпеноидов по фитохимическому признаку. Большой вклад в развитие химии терпенов и терпеноидов внесли русские ученые: Ф.М. Флавицкий, С.С. Наметкин, Б.А. Арбузов, В.Е. Тищенко, Л.А. Чугаев, Г.А. Рудаков и др. Ф.М. Флавицкому принадлежат классические исследования в области терпенов. Он впервые высказал мысль об изопреноидном строении терпенов, показал тем самым общность терпенов алифатического, моно- и полициклических рядов и осуществил переходы пиненов к камфенам и лимонену, как более устойчивым изомерным формам. К такому же типу реакций с изменением углеродного скелета бициклических терпенов относятся камфеновые перегруппировки первого и второго рода, открытые Е.Е. Вагнером и С.С. Наметкиным.

При всем разнообразии технологий и приемов получают две большие группы органических веществ: водорастворимые (углеводы, аминокислоты, белки, витамины, алкалоиды и др.) и нерастворимые в воде, среди которых эфирные масла, смолы, живица.

Классификация терпенов. Изопренами называются широко распространенные в природе органические соединения, молекулы которых включают различное число изопреновых группировок С₅Н₈ и имеют полиизопреновый скелет. Общая формула углеводородов этой группы (С₅Н₈)_n. К ним относятся такие важные соединения, как терпены, каротиноиды, природный каучук и гуттаперча. В группу изопреноидов наряду с углеводородами (С₅Н₈)_n входят и их разнообразные кислородсодержащие производные: спирты, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты и др.

Изопреноиды можно рассматривать как продукты полимеризации изопрена и последующих реакций их окисления, дегидрирования, гидрирования, изомеризации, циклизации. По числу изопреновых фрагментов терпены делятся на несколько групп (табл. 23) и могут иметь ациклическое (нециклическое) или алициклическое строение.

Таблица 23 – Классификация терепенов

Тип терпена	Число изопреновых звеньев	Число атомов углерода
монотерпены	2	10
сесквитерпены	3	15
дитерпены	4	20
тритерпены	6	30
тетратерпены	8	40

Большинство известных терпенов построено из изопреновых фрагментов, которые связаны друг с другом по типу присоединения « голова к хвосту» (изопреновое правило, Ружичка, 1921г.):

хвост голова оцимен (С₁₀Н₁₆)

Кислородсодержащие производные терпенов называют терпеноидами. Все терпены разделяют на алифатические и циклические терпены, которые могут содержать в молекуле один, два или три цикла. Алифатические терпены тесно связаны взаимными переходами с циклическими терпенами. В состав эфирных масел в основном входят терпеноиды – альдегиды и спирты.

Монотерпены и их кислородсодержащие производные (терпеноиды). Монотерпены (С₁₀Н₁₆) вследствие своей летучести и запаха особенно ценны для промышленности душистых веществ. Их подразделяют на:

• алифатические монотерпены

• моноциклические монотерпены

• бициклические монотерпены

Алифатические монотерпены и терпеноиды

Алифатические монотерпены содержат двойные связи.

Мирцен:

Присутствует в маслах (лавр благородный), скипидаре, получается синтетически путем термической изомеризации β-пинена при 400°С.

Оцимен:

Присутствует в маслах (базилик), образуется в качестве первичного продукта при термической изомеризации α-пинена.

Гераниол:

Содержится в эфирных маслах (герань, роза, эвкалипт) и поэтому применяется в парфюмерной промышленности для создания запаха розы. Синтетически получают восстановлением цитраля и изомеризацией линалоола.

Нерол (бергамотовое масло):

Содержится в лавандовом и розовом маслах и поэтому применяется в парфюмерной промышленности. Синтетически получают восстановлением цитраля и нераля.

Линалоол:

Содержится в цветках ландыша, в эфирных маслах (лавандовом, розовом, апельсиновом и кориандровом), в парфюмерии применяется в виде уксуснокислого эфира. Линалоол – жидкость с запахом ландыша. Синтетически его получают восстановлением цитраля и нераля, а также действием уксусного ангидрида на линалоол.

Цитронеллол:

Обладает запахом розы и содержится в розовом, гераниевом, лимонном и других маслах. Синтетически получают восстановлением альдегида цитронеллаля, применяется в парфюмерии.

Цитраль образуется при окислении гераниола и линалоола, существует в виде двух изомеров:

α-цитраль-цис-изомер:

β-цитраль-транс-изомер:

Содержится в померанцевом, эвкалиптовом и других эфирных маслах. Применяется в парфюмерии, ингаляциях, в синтезе витамина А. Цитраль, взаимодействуя с ацетоном и дегидратируясь, превращается в циклическое соединение – ионон (α- и β-формы), входящих в состав молекулы каротина, а также витамина А. Это превращение цитраля позволяет прояснить его структурную связь с витамином А и каротиноидами, а также является примером взаимных переходов между алифатическими и циклическими терпенами. Ионон и его изомер ирон обладают запахом фиалки и применяются в парфюмерии.

Цитронеллаль существует в виде двух изомеров (α- и β-формы), наиболее распространена β-форма:

Входит в состав эфирных масел, синтетически получают восстановлением цитраля, применяется для изготовления искусственного розового масла и ценного душистого вещества – гидроксицитронеллаля.

Моноциклические терпены. Моноциклические терпены можно рассматривать как производные углеводорода ментана, они содержат две двойные связи, называются ментадиенами.

Ментан – 4-изопропил-1-метилциклогексан:

В разных эфирных маслах находятся следующие ментадиены:

Среди моноциклических терпенов наиболее важным является лимонен (4-изопропенил-1-метилциклогексен-1), а также его кислородсодержащие производные: ментол, α-терпинеол и циклический кетон – карвон. Лимонен содержится в скипидаре, тминном масле, в масле укропа и цитрусовых, а также во многих других растениях. Он содержит асимметрический атом углерода и существует в виде двух энантиомеров и рацемата-дипентена, который получают из двух молекул изопрена по реакции диенового синтеза. При нагревании изопрена в запаянной ампуле он превращается димеризуясь в дипентен (С.В. Лебедев):

Дипентен имеет один асимметрический атом углерода и поэтому в результате синтеза образуется рацемат. Оптически деятельные дипентены носят название лимоненов (пахнут сходно с лимонной цедрой). Каталитическое гидрирование дипентена приводит к родоначальному углеводороду группы моноциклических терпенов – ментану. Из лимонена образуются многие его кислородсодержащие производные.

(–)-Ментол (ментанол-3):

Применяется при ингаляциях, в кулинарии, в производстве зубных паст и др.

Ментол представляет собой 3-гидроксиментан. Всего существует четыре диастереомера такого строения, которые различаются по физическим свойствам и по запаху: ментол, изоментол, неоментол и неоизоментол. Для получения душистых веществ и эссенций практическое значение имеет только ментол. (–) Ментол, составная часть масла перечной мяты, обладает характерным вкусом мяты и свойствами слабого антисептика.

В промышленности рацемический (+, –) ментол получают гидрированием 1-гидрокси-2-изопропил-5-метилбензола (тимола):

Терпин (п-ментадиол-1,8):

Терпин – двухатомный спирт – получают гидратацией гераниола или лимонена, образует терпингидрат (С₁₀Н₂₀О₂), который применяется в медицине при лечении дыхательных путей и для получения терпинеола.

Дегидратацией терпина или терпингидрата получают смесь α-, β-, γ-терпинеолов.

α-Терпинеол (п-ментен-1-ол-8):

α-Терпинеол содержится во многих эфирных маслах, скипидаре, имеет запах сирени и применяется в парфюмерии как дешевое душистое вещество. Из моноциклических кетонов наиболее известны: ментон и карвон.

Ментон:

В природе встречается в масле перечной мяты и в маслах других растений. Синтетически получают окислением ментола.

Карвон:

Входит в состав эфирных масел тмина и укропа, применяется в ликерном производстве.

Сесквитерпены и терпеноиды. Сесквитерпены – это углеводороды С₁₅Н₂₄ – тримеры изопрена и их кислородные производные. Также как и монотерпены, эти вещества находятся в эфирных маслах и бальзамах растений. Многие из них используются в парфюмерии. Сесквитерпены бывают ациклические, моноциклические, бициклические и трициклические.

Ознакомимся лишь с несколькими представителями из огромного количества изученных соединений этого класса.

Запах ромашки, цветущей липы, ландыша и других растений обусловлен сесквитерпеноидом – фарнезолом. Одно из его производных – фарнезилпиро-фосфат – является промежуточным продуктом в биосинтезе стероидов и других сесквитерпенов.

Фарнезол привлекает самцов некоторых насекомых (т.е. служит аттрактантом) и поэтому играет важную роль в процессе опыления растений. Духи на основе фарнезола привлекательны также и для мужчин.

Цингиберен – пахучее начало имбиря является моноциклическим сесквитерпеном:

Гвайол – бициклический сесквитерпеновый спирт образует основную часть гваякового масла. При дегидрировании под действием серы и дегидратации он превращается в углеводород гвайазулен (1,4-диметил-7-изопропил-азулен), который вместе с другими азуленами находится в эфирных маслах растений:

Бициклические терпены и терпеноиды. Разделяются на три группы: карана, пинана, камфана:

Особенностью бициклических терпенов является склонность к изомерным превращениям с перестройкой цикла. Из производных карана наиболее известны Δ³-карен и Δ⁴-карен, которые получают перегонкой живичного скипидара:

Δ^3-карен:

Δ^4-карен:

Наибольшая составная часть скипидара сосны – α-пинен. В меньших количествах в нем содержится β-пинен, который получают из скипидара ели.

α-пинены β-пинены камфен ∆³-карен

Реакции α-пинена обычно сопровождаются изомеризацией или разрывом цикла. При пропускании паров α-пинена над глинами при 300°С он изомеризуется в камфен (Тищенко В.Е.), что является одним из способов получения камфоры из скипидара.

Важнейшими представителями бициклических терпенов группы камфана является его кислородные производные: спирт – борнеол и кетон – камфора.

Борнеол в свободном виде или в виде уксуснокислого эфира содержится в камфорном, лавандовом, розмариновом и пихтовом эфирных маслах. При окислении борнеола образуется камфора, которая также содержится в древесине и листьях камфорного лавра. Раньше камфору получали перегонкой с водяным паром древесины камфорного лавра.

Синтетически камфору получают из α-пинена, используя реакции изомеризации его в камфен и гидратации последнего в борнеол. В химических превращениях камфора ведет себя как обычный кетон. Применяется для изготовления целлулоида, в качестве стабилизатора порохов, в медицине - как возбудитель сердечной деятельности. Имеет два асимметрических атома углерода, существует в виде оптических изомеров.

Дитерпены и дитерпеноиды. Представителем дитерпеноидов (тетраизопреноидов) с открытой цепью атомов следует назвать фитол – спирт в виде сложного эфира входящий в состав хлорофилла:

Фитол содержит одну двойную связь и применяется в качестве предшественника в промышленном синтезе витаминов Е и К₁.

Тетраизопреноидный скелет имеют витамины группы А. Витамин А₁ (ретинол) содержится в рыбьем жире, яичном желтке, а также в молоке, впервые выделен был из масла печени палтуса:

Отсутствие в пище витамина А₁ или соответствующего провитамина – β-каротина ведет к ксерофтальмии – высыханию роговицы и слепоте, похудению и ухудшению состояния здоровья, а недостаток – к куриной слепоте – ослаблению сумеречного зрения. Последнее обстоятельство зависит от того, что витамин А₁ служит источником зрительного пурпура – родопсина, содержащегося в колбочках и палочках сетчатки и обуславливающего зрение, в частности вечернее, серое. Родопсин представляет собой белок опсин, связанный с ретиналем-альдегидом, соответствующим витамину А₁, как спирту.

фитол Примерами трициклических терпенов служат смоляные кислоты канифоли – абиетиновая и левопимаровая кислоты:
абиетиновая кислота	левопимаровая кислота

Каротиноиды: α-, β- и γ-каротины. К этой группе изопреноидов относятся углеводороды (С₅Н₈)₈ – тетратерпены и их кислородсодержащие производные каротиноиды – красящие вещества от желтого до ярко-красного цвета. Они широко распространены в природе; вместе с хлорофиллом содержатся не только в зеленых частях растений, но и в семенах. В организм животных и человека они попадают с пищей. Наличие системы сопряженных двойных связей (хромофоров) и обуславливает окраску каротиноидов, а также является причиной их легкой окисляемости. Природные каротиноиды можно рассматривать как производные ликопина, содержащегося в плодах томата, шиповника, ягодах, фруктах:

ликопин

α-каротин

β-каротин

γ-каротин

При замыкании одного или двух колец на концах молекулы ликопина образуются α-, β- и γ-каротины, отличающиеся количеством и строением боковых колец. α-Каротин содержит одно кольцо β-ионона и одно кольцо α-ионона и составляет около 15% смеси каротинов. β-Каротин содержит два кольца β-ионона и составляет 85% смеси каротинов. γ-Каротин (около 0,1%) отличается от β-каротина тем, что содержит лишь одно кольцо β-ионона.

Наибольшей биологической активностью обладает β-каротин, который вырабатывается промышленностью. β-Каротин в животном организме расщепляется на две молекулы витамина А₁. Поэтому его называют также провитамином А₁.

Однако, из α-каротина и γ-каротина при расщеплении такого рода (под действием фермента каротиндиоксигеназы) образуется только одна молекула витамина А₁. Следует отметить, что природный витамин А₁ на всем протяжении боковой цепи имеет транс-конфигурацию, так как этот стереоизомер обладает максимальной биологической активностью.

Известно до 100 каротиноидов. Их можно разделить на углеводороды, называемые каротинами, впервые выделенные из моркови (от лат. сarota – морковь), и их кислородсодержащие производные (спирты, альдегиды, эпоксиды, кислоты), которые называют также «ксантофиллы».

Ксантофиллы являются желтыми красящими веществами, содержащимися в листьях растений вместе с каротинами и хлорофиллом. Они вызывают появление желтой окраски листвы осенью. К таким ксантофиллам относятся лютеин (3,3^'-дигидрокси-β-каротин), являющийся желтым пигментом зерен кукурузы, цитроксантин и цитраурин, содержащиеся в кожуре цитрусовых плодов, биксин – пигмент красного цвета и др.

Стероиды и стерины. В тесной связи с изопреноидами находятся стероиды. В основе структуры стероидов лежит тетрациклический скелет циклопентанопергидрофенантрена (стерана). Они делятся на следующие большие группы: стерины или стеролы и их производные, желчные кислоты, стероидные гормоны, а также некоторые растительные и животные яды. Стероиды широко распространены в живой природе. Стерины (стеролы) связаны со структурой холестерина. Слово стерины произошло от греческого steos – твердый. Различают стерины животного происхождения (зоостерины) и растительного происхождения (фитостерины). Наиболее важные зоостерины: холестерин и капростерин содержат 27 атомов углерода, а растительные стерины содержат 28-29 атомов углерода и к важнейшим относятся: эргостерин и стигмастерин. Важнейшим представителем зоостеринов является холестерин. Он встречается во всех тканях организма, но особенно много его в спинном и головном мозгу, а также в желчных камнях, откуда он впервые и был выделен (от греч. chole – желчь).

Капростерин в отличие от холестерина не содержит двойной связи, а в структуре стигмастерина по сравнению с эргостерином на один атом углерода больше, но двойных связей – не три, а две.

В организме холестерин синтезируется, как и другие изопреноиды из уксусной кислоты, что доказано введением в организм меченой по метильной группе уксусной кислоты. Холестерин является ключевым соединением в исследовании многих стероидов, строение которых было установлено благодаря их родству с холестерином.

При нарушениях холестеринового обмена он откладывается на стенках кровеносных сосудов. Следствием этого является уменьшение эластичности сосудов и происходит их уплотнение (атеросклероз). Характерными чертами атеросклероза являются ишемическая болезнь сердца, инфаркт миокарда, инсульт и тромбозы. Однако, холестерин играет большую роль в метаболизме веществ в организме. Он является важным компонентом клеточных мембран, источником витамина Д₃, гормонов, желчных кислот. И только избыток потребления холестерина (животные жиры) способствует развитию атеросклероза. Ненасыщенные жирные кислоты (растительные масла) ограничивают всасывание холестерина пищи в тонком кишечнике, стимулируют в печени синтез желчных кислот. Включение в пищу целлюлозы, гемицеллюлоз, пектиновых веществ, содержащихся в овощах, фруктах, черном хлебе, способствует образованию их комплексов с холестерином и удалению его из организма. Следует отметить, что в организме (цитоплазма) холестерин находится преимущественно в виде эфиров с жирными кислотами (Н=R– СО– ).

Эргостерин (фитостерин) – предшественник провитамина Д₂ (кальци-ферола), а холестерин – витамина Д₃ (холекальциферола), обладающих биологической активностью. Недостаток витаминов Д₂ и Д₃ в рационе детей приводит к заболеванию рахитом с характерными для него мягкостью и искривлением костей. При облучении провитаминов УФ-светом разрывается цикл В и в случае эргостерина образуется витамин Д₂, а в случае холестерина – витамин Д₃.

Витамины Д₂ и Д₃ регулируют фосфорно-кальциевый обмен в организме. Эти витамины содержатся в продуктах растительного и животного происхождения: витамин Д₂ – дрожжи, растительные масла; витамин Д₃ – рыбий жир, печень, желток яиц, сливочное масло др.

Желчные кислоты. Желчные кислоты – это высокомолекулярные кислоты, выделяемые из желчи и по своему строению близкие стеринам. Так, в желчи человека находятся три монокарбоновых оксикислоты, имеющих скелет циклопентанопергидрофенантрена и отличающихся количеством гидроксильных групп: холевая (три ОН–группы), дезоксихолевая (две ОН–группы) и литохолевая (одна ОН–группа). Холевая кислота содержится в желчи в наибольшем количестве.

По карбоксильной группе посредством пептидной связи к желчным кислотам присоединены остатки глицина NH₂-CH₂-COOH (гликохолевая кислота) и таурина NH₂-CH₂-СН₂- SO₃H (таурохолевая кислота). Соли этих кислот со щелочными металлами благодаря своим поверхностно-активным свойствам действуют как эмульгаторы жиров пищи и тем самым улучшают их усвоение в кишечнике. Кроме того, они активируют фермент липазу, катализирующий гидролиз жиров.

Стероидные гормоны. Половые гормоны, вырабатываемые мужскими и женскими половыми железами, оказывают влияние на весь организм. Их действием обуславливается характерный облик мужчины и женщины. Они воздействуют на рост и развитие половых органов, а также на проявление вторичных половых признаков. У женщин они, прежде всего, регулируют менструальный цикл, ход беременности и лактации. После поступления в кровь половые гормоны претерпевают в организме превращения и в измененном виде выделяются с мочой. В соответствии с физиологическими свойствами и источником происхождения различают мужские половые гормоны – тестостерон и андростерон и женские половые гормоны – эстрон, эстрадиол и эстриол.

Андрогены (мужские половые гормоны). Основой скелета андрогенов (от греч. аndros – мужчина) служит циклопентанопергидрофенантрен.

Биосинтез андрогенов осуществляется главным образом в семенниках и частично в яичниках и надпочечниках. Основными источниками и предшественниками андрогенов, в частности, тестостерона являются уксусная кислота и холестерин.

Биологическая роль андрогенов в мужском организме связана с дифференцировкой и функционированием репродуктивной системы, а также в стимулировании синтеза белка во всех тканях, но особенно в мышцах.

Эстрогены (женские половые гормоны). В отличие от андрогенов в эстрогенах кольцо А является ароматическим. Основным местом синтеза эстрогенов являются яичники и желтое тело. Наиболее активный эстроген – эстрадиол, синтезируемый в фолликулах, остальные являются его производными. Предшественником этих гормонов является холестерин.

Основная биологическая роль эстрогенов заключается в обеспечении репродуктивной функции женского организма, в развитии вторичных половых признаков, в стимуляции синтеза белка. Следует отметить, что эстрогенные гормоны широко распространены в природе. Они найдены в цветах и плодах многих растений. Эстрогены оказывают стимулирующее действие на рост и цветение растений.

Экологическое послесловие. Антропогенными источниками поступления диенов в окружающую среду являются предприятия по производству синтетического каучука, сополимерных латексов, применяемых в качестве основы для ковров и покрытия бумаги, найлона и некоторых видов смол.

1,3-бутадиен в малых концентрациях раздражает слизистые оболочки, вызывает функциональные нарушения центральной нервной системы (ЦНС), в высоких концентрациях вызывает наркоз. При хронических отравлениях у людей помимо общих симптомов хронического отравления отмечены функциональные нарушения ЦНС, снижение артериального давления и содержания гемоглобина, ухудшение иммунной системы, высокая заболеваемость печени и желчевыводящих путей. Есть данные о влиянии 1,3-бутадиена на развитие различных видов опухолей. Его метаболит – 1,2-эпокси-3-бутен – является мутагеном прямого действия для бактериальных клеток, а метаболит – 1,2,3,4-диэпоксибутан, индуцировал структурные изменения хромосом в клетках млекопитающих.