Терпены
Терпе́ны, класс природных соединений, имеющих химическую формулу (C5 H8 )n , где n > 1. Представляют собой углеводороды, чаще всего непредельные, – олигомеры и полимеры изопрена (2‑метил‑1,3‑бутадиена). В зависимости от количества изопреновых звеньев различают монотерпены (n = 2), сесквитерпены (n = 3), дитерпены (n = 4) и т. д. Также всё большее прикладное значение в 21 в. получают природные полимеры, такие как природный каучук, используемые при получении резин и других латексных изделий, и гуттаперча, которая используется в стоматологии при пломбировании.
Термин «терпены» применяют к углеводородам соответствующей структуры и состава, тогда как к их производным, содержащим атомы кислорода или другие гетероатомы, − терпеноиды или изопреноиды. В научной и научно-популярной литературе эти два термина часто взаимозаменяемы. К терпеноидам относят не только вещества, в состав которых включены новые атомы, но и соединения, содержащие укороченные терпеновые фрагменты, такие как стероиды, в том числе стероидные гормоны, фитогормоны гиббериллины и др. Для терпеноидов классификация становится максимально расплывчатой и не основывается на структурном принципе, а происходит из биосинтеза.
Историческая справка
Понятие «терпены» было введено в 1866 г. немецким химиком Ф. А. Кекуле для обозначения изомерных соединений формулы C10 H16 , выделяемых из скипидарного (нем. terpentin) масла (Kekulé F. A. Lehrbuch der organischen Chemie oder. Bd. 2. Erlangen, 1866.[1] S. 464). В дальнейшем термин был распространён на другие соединения растительного происхождения с большим числом атомов. Особо крупный вклад в области изучения терпенов принадлежит швейцарскому химику Л. Ружичке, посвятившему этому практически всю свою научную карьеру. В 1953 г. Ружичкой было сформулировано «биогенетическое изопреновое правило» (углеродный скелет терпеноидов состоит из регулярно или нерегулярно соединённых изопреновых звеньев) (Ruzicka L. The Isoprene Rule and the Biogenesis of Terpenic Compounds // Experientia. 1953. Vol. 9, fasc. 10. P. 357–367[2]). В 1939 г. ему была присуждена Нобелевская премия по химии «за его работу по полиметиленам и высшим терпенам» (The Nobel Prize in Chemistry 1939 // The Nobel Prize). В 1952 г. под его руководством был выделен ланостерол, позволивший показать прямую связь между терпенами и стероидами.
Получение и нахождение в природе
Основным природным источником терпенов и терпеноидов являются растения, в особенности хвойные. Например, из живицы (смолы) при перегонке с водяным паром получают скипидар – жидкую смесь терпенов и терпеноидов (преимущественно моно- и сескви-, основной компонент – изомерные пинены), в то время как нелетучий остаток после этого процесса получил название канифоль и представляет собой смесь, в основном дитерпеноидных производных. Многие другие эфирные масла являются основным промышленным источником терпенов и терпеноидов, в особенности эфирные масла хвойных, рутовых (цитрусовых), яснотковых (мята, шалфей, базилик и т. д.) и некоторые другие.
Тем не менее не все эфирные масла содержат терпены в значительных количествах – например, анисовое эфирное масло состоит на 90 % из фенилпропаноидов анетола и метилхавикола.
Промышленное значение терпенов достаточно велико. Скипидар используется в качестве растворителя лаков и красок. Различные компоненты эфирных масел используются в парфюмерии. Также терпены находят применение в медицине, пищевой и фармацевтической химии, производстве полимеров. Перспективным направлением является использование терпенов в качестве компонентов биотоплив.
Классификация терпенов
С точки зрения химической структуры терпены отличаются огромным разнообразием, а также наличием большого числа изомеров, включая изомерию кратных связей.
Так, к примеру, ациклические монотерпены β‑мирцен, β‑(E)‑оцимен являются региоизомерами, различающимися положением одной из кратных связей. У β-(E)-оцимена имеется также стереоизомер с Z‑конфигурацией одной из двойных связей в диеновой системе. Для циклических и полициклических терпенов, в свою очередь, появляется возможность наличия энантиомеров. (R)‑ и (S)‑Лимонены имеют различные запахи – цитрусовый для (R)-изомера и хвойный для (S)‑изомера. Бициклические пинены являются наиболее доступными терпенами и составляют до 80 % скипидарного масла. Интересно, что (1S)‑(−)‑α‑пинен распространён в соснах, произрастающих в Евразии, в то время как (1R)‑(+)‑α‑изомер – в Северной Америке.
Структурное разнообразие растёт с увеличением числа изопреновых звеньев. В частности, в моноциклических сесквитерпенах наблюдаются следующие размеры циклов: 6-членный в бисаболенах, 10‑членный в гермакренах, 11‑членный в гумулене.
Для дитерпенов количество возможных структурных мотивов ещё выше, однако в основном они представлены в окисленных производных – терпеноидах.
Схематичное структурное разнообразие терпенов
| Число циклов | |||||
| 0 (алифатические терпены) | 1 (моноциклические) | 2 (бициклические) | 3 (трициклические) | 4 (тетрациклические) | |
| Монотерпены С10 H16 | мирцен, оцимен | лимонен | пинен, камфен, сабинен | трициклен | |
| Сесквитерпены C15 H24 | фарнезен | бисаболен, гумулен, гермакрен | кадинен, кариофиллен
|
копаен, иланген | лонгициклен, циклосативен |
| Дитерпены C20 H32 | (фитан) | цембрен А | скларен, (лабдан) | абитадиен, таксадиен | стемарен, стемоден, каурен |
Структурное разнообразие терпенов на избранных примерах
Важным представителем тритерпенов является сквален (C30 H50 ), который способен циклизоваться под действием ферментов в ланостерол – предшественник природных стероидов грибов и животных. Высшие терпены, такие как фитоен (C40 H64 ), играют ключевую роль в биосинтезе каротиноидов – провитаминов группы А.
Полимерные терпены представлены натуральным каучуком – стереорегулярным полимером изопрена, содержащим цис-двойные связи, и гуттаперчей – полимером с транс-двойными связями.
Биосинтез
Представления о биосинтезе терпенов развивались с 1953 г., когда Л. Ружичка сформулировал «изопреновое правило». Как было показано с помощью экспериментов с использованием изотопных меток, в образовании терпенов участвуют соединения, содержащие фрагмент из пяти атомов углерода. Основным строительным блоком С5 является не изопрен, а два изомерных пирофосфата: диметилаллил пирофосфат (ДМАПФ) и изопентенил пирофосфат (ИППФ), находящихся обычно в соотношении 1:5 – 1:4. Эти два соединения могут образовываться из мевалоновой кислоты в результате серии ферментативных реакций. Изначально считалось, что мевалонатный путь биосинтеза терпенов (изопреноидов) является универсальным для всех живых организмов, однако в 1980-е гг. было обнаружено, что для многих растений, большинства бактерий и некоторых простейших существует альтернативный способ биосинтеза ДМАПФ и ИППФ – метилэритролфосфатный путь (немевалонатный путь) биосинтеза.
Под действием фермента геранил пирофосфат синтазы ДМАПФ и ИППФ сочетаются между собой с образованием геранил пирофосфата – первого общего предшественника всех терпенов и терпеноидов. Дальнейшие ферментативные превращения крайне разнообразны и во многом характеризуются химией карбокатионов, возникающих после отщепления пирофосфат-аниона.
В случае гидролиза образующегося карбокатиона на одной из стадий образуются терпеноиды, например гераниол. В отсутствие гидролиза возможен как выброс протона, что приводит к образованию ациклических монотерпенов (например, мирцена), так и циклизация с последующим выбросом протона, ведущая к циклическим терпенам, таким как лимонен, пинен. Участие в реакциях карбокатионов, возможность карбокатионных перегруппировок, различные роли ферментов, катализирующих реакции, – всё это определяет химическое многообразие терпенов. За счёт включения гетероатомов разнообразие терпеноидов ещё больше, в настоящий момент известно более 80 тыс. производных.
Примечания
Литература
- Natural products of woody plants I : chemicals extraneous to the lignocellulosic cell wall / ed. by J. W. Rowe. – Berlin : Springer, 1989.
- Dewick P. M. Medicinal natural products : a biosynthetic approach. – 2nd. ed. – Chichester ; New York : Wiley, 2002.
- Lombard J. Origins and early evolution of the mevalonate pathway of isoprenoid biosynthesis in the three domains of life / J. Lombard, D. Moreira // Molecular biology and evolution. – 2011. – Vol. 28, № 1. – P. 87–99.