Эфирные масла

Общая характеристика терпеноидов.В растительном и животном мире широко распространена группа веществ, известных под общим названием “терпены”. Впервые термин “терпен” появилось в XIX веке при изучении химического состава эфирного масла сосны - скипидара (от немецкого Terpentin - скипидар). Так был назван углеводород состава С₁₀Н₁₆, состоящий из двух молекул изопрена. В течение многих лет слово “терпен” связывали с ароматными летучими веществами, содержащимися в высших растениях. Однако по мере развития исследований в этой области, с открытием множества родственных соединений, в том числе и кислородсодержащих, с точки зрения химической номенклатуры окончание “ен” стало не пригодным и появился более общий термин “терпеноид”, что означает терпеноподобный. Это название имеет больше прав на существование, так как с одной стороны подчеркивает общее биогенетическое происхождение этой группы биологически активных веществ, а с другой - указывает неоднородность их химической структуры. В настоящее время используются оба термина, но правильнее словом “терпен” называть углеводороды, а терпеноидами - их производные: альдегиды, кислоты, спирты и т.д.

Наиболее точно определение терпенов дано Хааген-Смитом в 1948 г: “ терпены ... все соединения, которые имеют определенное архитектурное и химическое отношение к простой молекуле изопрена, т.е. С₅Н₈”:

Изопрен

Таким образом, терпены - это обширный класс природных органических соединений с общей формулой (С₅Н₈)_n, где n равно или больше 2-х. Исходя из этого все терпеныклассифицируютсяна:

1. Монотерпены, структуры которых построены из двух изопреновых звеньев, следовательно, их состав С₁₀Н_16-22(здесь и далее количество водородных атомов зависит от степени насыщенности соединения);

2. Сесквитерпены- соединения состава С₁₅Н_24-32. Они составлены из трех изопреновых звеньев и по отношению к монотерпенам являются полуторными (в латинском языке приставка “sesqui” - означает “в полтора раза”;

3. Дитерпены- соединения, составленные из четырех изопреновых звеньев. Их общая химическая формула С₂₀Н_30-42;

4. Тритерпенысостоят из шести изопреновых звеньев. Их структура - С₃₀Н_48-62;

5. Тетратерпены- соединения, состоящие из восьми изопреновых звеньев, имеют состав С₄₀Н_64-82;

6. Политерпены(С₅Н₈)_n.

В составе эфирных масел наиболее часто встречаются группа моно- и сесквитерпенов. Ди- и тритерпеноиды входят в состав нелетучих камедей и смол. Тритерпеноидное строение имеют агликоны сапонинов и сердечных гликозидов, тетратерпены входят в состав каротиноидов, политерпены - это каучук и гутта.

Пути биогенеза терпеноидов. Хотя терпеноиды достаточно широко распространены в высших растениях, путь их биосинтеза пока еще изучен недостаточно. Это объясняется следующими причинами. Во-первых, только сравнительно недавно были установлены строение и абсолютная конфигурация основных представителей терпенов высших растений. Разумеется, нельзя изучить такую сложную проблему, как биосинтез каких-либо соединений, пока не будет известно их строение. Во-вторых, имеются большие трудности при выделении и очистке из сложной смеси различных соединений искомого компонента без изменения его химической структуры. В то же время при изучении биогенеза природных соединений необходимо, чтобы исследуемые производные по возможности соответствовали исходному строению с тем, чтобы можно было определить их место в цепи метаболизма. Однако начальные стадии биосинтеза терпенов выяснены полностью.

Еще в 1860 г. Бертоле установил определенную периодичность в строении молекул некоторых терпенов и определил так называемый принцип “изопренового правила”, который состоит в том, что молекулы этого ряда природных соединений построены из нескольких отдельных изопреноидных единиц. Однако фундаментальное значение “изопреновое правило” приобрело лишь после работы О. Валлаха (1914 г), который классифицировал известные тогда терпены, исходя из С₅С₈-единиц. О. Валлах показал, что моноциклические монотерпены могут быть построены (т.е. их формулы могут быть записаны на бумаге) в виде двух изопреновых единиц, замкнутых определенным образом в кольцо. Изопреновое правило О. Валлаха впоследствии развил Л. Ружечка (1953 г) - появилось биогенетическое правило Л. Ружечки, согласно которому молекулы изопрена могут конденсироваться “голова к хвосту” по ионному или радикальному механизму, образуя все известные моно-, сескви- и дитерпены. Для этого необходимо лишь одно условие - наличие “активного изопрена”. После работ Л. Ружечки в этом направлении появился целый ряд открытий. Так, в частности, Блохом и Линеном в 1958 г было установлено, что роль активного пятиуглеродного фрагмента выполняет изопентилпирофосфат, образующийся из ацетата через мевалоновую кислоту.

Биогенез простейших терпеноидов можно представить в виде следующей упрощенной схемы:

- HSCoA

Глюкоза Глюкозо-6-фосфатФосфоенолпируватCH₃CO~SCoA+CH₃CO~SCoA

Ацетилкоэнзим А

OH

CH₃COCH₂CO-ScoA + CH₃CO-SCoA - HSCoA  + 2NADPH₂

Ацетоацетилкоэнзим А  HOH₂CCH₂CCH₃ 



CH₂ COOH

Мевалоновая кислота

H₃С H₃С H₃С

 Изомераза 

С H₂CH₂CО-Р-РСCHCH₂О-Р-Р + СH₂CH₂CО-Р-Р

  

CH₂ H₃СCH₂

Изопентилпирофосфат Диметилаллилпирофосфат

H₃С H₃С

 

С С

 \\ \\

Н₂С СН Фосфотаза Н₂С СН

    

Н₂С СН₂-О-Р-Р Н₂С СН₂ОН

\ \

CHCH

 

CC

/ \ / \

Н₃С СН₃Н₃С СН₃

Гераниолпирофосфат Гераниол

Гераниолпирофосфат является родоначальником большинства существующих монотерпенов. Последующее присоединение к гераниолпирофосфату изопентилпирофосфата (наращивание количества изопреновых звеньев) ведет к образованию фарнезилпирофосфата – родоначальника группы сескви-, ди- (при взаимодействии с еще одной молекулой изопентилпирофосфата) и тритерпенов, в образовании которых принимают участие две молекулы фарнезилпирофосфата.

Эфирные масла (Olea aetherea)- летучие жидкие смеси органических веществ, вырабатываемые растениями и обусловливающие их запах. За летучесть и способность перегоняться с водяным паром эти смеси называются эфирными, а за внешнее сходство с жирными маслами - маслами.

Основными компонентами, определяющими свойства эфирных масел, являются терпеноиды - монотерпеноиды, сесквитерпеноиды, ароматические терпеноиды, реже дитерпеноиды, а также соединения фенилпропановой структуры.

Из эфирных масел выделено более 1000 компонентов, представленных различными типами углеводородов, спиртами, кетонами, кислотами, сложными эфирами, лактонами и другими органическими соединениями.

Таким образом, эфирные масла представляют собой сложные многокомпонентные смеси биологически активных веществ, объединенных в общую группу по физическим признакам - летучести и маслообразной консистенции.

Распространение в растительном мире и роль эфирных масел в растениях.

Эфирномасличные растения встречаются почти в 90 семействах, их них около половины произрастает в тропической зоне, в субтропиках - около 10%, а в умеренной зоне - около 30%. В настоящее время известно около 3 000 эфирномасличных растений, из них активно используются в медицинской и хозяйственной практике около 130. Флора СНГ насчитывает около 1 000 видов растений, содержащих эфирные масла, из них используется около 40. Флора Сибири, по некоторым данным, насчитывает около 80 видов эфирномасличных растений. Наиболее богаты эфирными маслами семейства Asteraceae, Apiaceae, Lamiaceae и Pinaceae и др.

Эфирные масла в растениях находятся большей частью в свободном состоянии, реже - в форме гликозидов и освобождаются только в результате ферментативного расщепления последних.

Эфирные масла служат для защиты растений от болезней и вредителей (обладают антисептическим действием), способствуют опылению, осуществляют терморегуляцию, являются активными участниками обменных процессов.

Эфирные масла в живых тканях растений в одних случаях диффузно рассеяны по всем клеткам ткани в растворенном или эмульгированном состоянии в протоплазме или клеточном соке, в других - скапливаются в особых образованиях. Различают экзогенные и эндогенные выделительные образования.

Экзогенные образованияразвиваются в эпидермальной ткани и представляют собой железистые “пятна”, железистые волоски и железки.

Железистые пятна являются простейшими выделительными образованиями. Это мелкокапельные скопления эфирных масел, расположенные под кутикулой эпидермиса, вызывающие отслаивание (вздутие) кутикулы. Эфирное масло вырабатывается отдельными группами выделительных клеток - “пятнами”, разбросанными в эпидермальной ткани.

Железистые волоски являются выделительными образованиями, достигшими уже определенной специализации. Они состоят из одноклеточной или многоклеточной ножки и головки шаровидной или овальной формы, которая может представлять собой одну или несколько выделительных клеток.

Железки имеют разнообразное строение. Они обычно сидят на короткой ножке и имеют многоклеточную головку с различным количеством и расположением составляющих их выделительных клеток.

К эндогенным образованиям, которые развиваются в паренхимных тканях, относятся секреторные клетки, вместилища и ходы (канальца).

Секреторные клетки могут встречаться одиночно или же образуют отдельную ткань. Клеточные стенки таких клеток состоят из двух слоев: наружного, склонного к опробковению, и внутреннего - резиногенного, выделяющего эфирное масло.

Вместилища представляют собой круглые или овальные выделительные образования, встречающиеся в мезофилле листа, кожуре плодов цитрусовых, коре и древесине ряда растений. Вместилища образуются двояким путем: схизогенным и схизолизигенным. При схизогенном происхождении вследствие расхождения клеток образуется межклеточное пространство, в которое изливаются выделения прилегающих клеток и которое, таким образом, становится вместилищем эфирного масла. При схизолизигенном возникновении вместилища образовавшееся вначале межклеточное пространство далее расширяется и увеличивается в объеме благодаря лизису большего или меньшего количества клеток, при этом слой клеток, выстилающий поверхность вместилища, приобретает секреторные функции.

Если вместилища принимают вытянутую форму, то их называют канальцами или ходами. Они также могут образовываться как схизогенно, так и схизолизигенно.

Пути получения эфирных масел зависят от морфолого-анатомических особенностей сырья, количества и состава эфирного масла. Наиболее распространенный способ получения эфирного масла -перегонка с водяным паром. Используется в тех случаях, когда сырье содержит сравнительно много эфирного масла и температура перегонки не отражается на его качестве. Температура кипения отдельных компонентов эфирных масел колеблется от 140 до 350^оС, однако эти компоненты в присутствии водяного пара перегоняются при температуре ниже 100^оС.

Экстракция - основана на растворимости эфирного масла во многих легко летучих органических растворителях. Применяется в тех случаях, когда компоненты эфирных масел термолабильны и подвергаются деструкции при перегонке с водяным паром. При экстракции сырье, помещенное в специальные экстракторы, подвергают извлечению петролейным эфиром или другими органическими растворителями, а затем экстрагент отгоняют.

Анфлераж- основан на способности эфирного масла поглощаться сорбентами (твердыми жирами, активированным углем и т.д.). По окончании сорбции эфирное масло извлекают спиртом.

Механические способы преимущественно применяются при производстве эфирных масел из плодов цитрусовых путем прессования кожуры, оставшейся после отжатия из плодов сока, на гидравлических прессах.

Классификация эфирных масел. Ввиду огромного разнообразия химического состава эфирных масел их классификация довольно условна. В основе наиболее распространенно классификации лежит количество изопреновых звеньев, составляющих терпеноиды. В зависимости от этого эфирные масла делятся на содержащиемонотерпены, сесквитерпены и ароматическиетерпены. Если речь идет о классификации эфирномасличного сырья, то в этом случае в основу положена структура наиболее ценной составной части эфирного масла, определяющей его фармакологическую или иную значимость.

Монотерпеныв свою очередь подразделяются на:

1. Алифатические (ациклические) монотерпены. К ним относятся ненасыщенные соединения жирного ряда с тремя двойными связями:

2. Моноциклические монотерпены.Они представляют собой циклические соединения с двумя двойными связями и являются преимущественно производными метилизопропилциклогексана (ментана):

Все природные моноциклические терпены соответствуют формуле С₁₀Н₁₆ и являются ментандиенами. Двойные связи могут быть или в кольце, или одна из них - в изопропильной группе.

3. Бициклические монотерпены.Представляют собой соединения с двумя конденсированными неароматическими кольцами и одной этиленовой связью. Характерной особенностью этих соединений является их способность к глубоким изменениям структуры. Бициклические монотерпены имеют общую формулу С₁₀Н₁₆, но отличаются положением малого цикла:

Сесквитерпеновые соединения(С₁₅Н₂₄) также подразделяются на:

1. Алифатические (ациклические),которые можно рассматривать как ненасыщенные соединения жирного ряда с четырьмя двойными связями -фарнезол

2. Моноциклические сесквитерпены- представляют собой соединения с одним замкнутым гидроароматическим кольцом и двумя двойными связями, одна из которых находится в кольце, другая - в алифатической цепи - Бисаболен

3. Бициклические сесквитерпены- соединения с двумя конденсированными неароматическими кольцами и двумя этиленовыми связями. В некоторых эфирных маслах моно- и бициклические сесквитерпены присутствуют одновременно, что свидетельствует об их биогенетической близости.

Особой группой среди бициклических сесквитерпенов являются производные азулена - высоконепредельного соединения с пятью двойными связями – хамазулен и ледол

Ароматические терпены.Ароматические углеводороды в эфирных маслах встречаются достаточно редко, но широко представлены их кислородные соединения - спирты, фенолы и их эфиры, кетоны. Примерами могут служить тимол, карвакрол, анетол:

Физико-химические свойства эфирных масел. Эфирные масла в большинстве случаев бесцветные или желтоватые прозрачные жидкости. Встречаются масла, окрашенные растворенными в них пигментами: темно-коричневые - коричное масло, красные - тимьяновое, или синие - от присутствия азуленов - масло ромашки.

Эфирные масла обладают характерным специфическим запахом и вкусом.

Большинство эфирных масел легче воды (плотность колеблется от 0,8 до 1,19). Плотность масел возрастает с увеличением содержания кислородных соединений.

Эфирные масла мало или нерастворимы в воде (образуют эмульсии), но при взбалтывании или перегонке вода принимает их запах и вкус. Хорошо растворяются в спиртах высокой концентрации, смешиваются во всех соотношениях с жирами и жирными маслами, хорошо растворимы в неполярных органических растворителях - хлороформе, петролейном эфире и других.

Эфирные масла не имеют определенных точек кипения (т.к. представляют собой смеси различных химических соединений) - их температура кипения колеблется от 140 до 350^оС. В то же время имеют определенную температуру застывания и при охлаждении, а иногда и при комнатной температуре образуют кристаллическую массу (камфора).

Эфирные масла оптически активны и способны к рефракции.

Значение рН среды масел нейтральное или слабокислое.

Эфирные масла легко изменяются под влиянием света, воздуха, температуры и влаги. Это выражается в потемнении, осмолении, загустевании, порче запаха и вкуса.

Чистые масла хранят в небольших склянках темного стекла, заполненных доверху, или в небольших жестянках, в сухом, прохладном месте в темном помещении при температуре не выше 15^оС. Контроль качества эфирных масел при хранении производят ежегодно.

Анализ эфирных масел.

1. Растворимость. Растворимость определяют в этаноле различной концентрации, указанной в соответствующей нормативной документации. Этот показатель дает представление как о подлинности, так и о качестве эфирного масла. Отклонение от стандартных величин будет свидетельствовать либо о низком качестве масла, либо о наличии примесей других углеводородов, либо о несоответствии анализируемого масла заявляемому.

2. Подлинность.Подлинность определяют по цвету и прозрачности, поместив 10 мл масла в цилиндр из прозрачного бесцветного стекла диаметром 2-3 см, наблюдая в проходящем свете.Запах определяют, нанося 2 капли масла на полоску фильтровальной бумаги длиной 12 см и шириной 5 см так, чтобы масло не смачивало края бумаги, и сравнивают запах испытуемого образца через каждые 15 мин, с запахом конт­рольного, нанесенного таким же образом на фильтровальную бумагу. В течение 1 ч запах должен быть одинаков с запахом контрольного образца. Вкус определяют, приклады­вая к языку полоску фильтровальной бумаги с нанесенной на нее каплей масла, или смешивают 1 каплю эфирного масла с 1 г сахарной пудры и пробуют на язык.

3. Посторонние примеси. Спирт. 2-3 капли эфирного мас­ла наносят на воду, налитую на часовое стекло, и наблюдают на черном фоне; не должно быть заметного помутнения вокруг масла. 1 мл масла наливают в пробирку, закрывают ее рых­лым комочком ваты, в середину которого помещен кристаллик фуксина, и подогревают до кипения; не должно быть фиоле­тово-розового окрашивания ваты. Жирные и минеральные масла. 1мл эфирного масла взбалтывают в пробирке с 10 мл спирта; не должно наблюдаться помутнения и капель жирного масла. Вода. Содержание воды определяют методом дистилля­ции.

4. Числовые показатели. Температуру затвердева­ния определяют, как изложено в НТД. Плотность определяют с помощью пикнометра. Угол вращения плоскости поляризации определяют в поляриметре. Показатель преломления определяют рефрактомет­ром. Кислотное число - количество мг едкого кали, пошедшего на нейтрализацию свободных кислот, содержащихся в 1 г эфирного масла. Содержание свободных кислот обычно колеблется в определенных пределах у каждого эфирного масла. Эфирное число, обозначающее количество милли­граммов едкого кали, пошедшее на омыление сложных эфиров, содержащихся в 1 г эфирного масла, определяют в растворе, полученном после определения кислотного числа. Эфирное число используют для вычисления содержания сложных эфиров или связанных спиртов. Эфирное число после ацетилирования обозначает количество мг едкого кали, необходимого для омыления суммы сложных эфиров, содержащихся первоначально в 1 г масла и образовавшихся при ацетилировании. Зная эфирное число исходного масла, по разности этих показателей рассчитывают, какое количество свободных спиртов содержится в исследуемом эфирном масле.

Количественное определение эфирных масел. Определение содержания эфирного масла в растительном сырье проводят путем перегонки с водяным паром с последующим измерением объема получаемого масла. Содержание масла выражают в объемно-весовых процентах в пересчете на абсолютно сухое сырье. Масса сырья, степень его измельчения, время перегонки, метод и возможные растворители указаны в соответствующей нормативной документации на лекарственное растительное сырье.