ТЕМА 11. ТЕРПЕНЫ И ТЕРПЕНОИДЫ.

ПЛАН.

1. Состав и строение изопреноидов.

2. Классификация терпенов и терпеноидов. Номенклатура.

3. Монотерпены.

4. Дитерпены.

5. Тетратерпены.

1. Состав и строение изопреноидов.

Неомыляемые липиды (терпены и терпеноиды, стероиды) не способны

к гидролизу. Их молекулы в условиях реакций гидролиза не расщепляются на

отдельные компоненты, они сохраняются как единая структура.

По химическому строению неомыляемые липиды являются

изопреноидами, то есть их молекулы могут быть представлены как

определенная совокупность изопреновых звеньев. Изопрен, 2-

метилбутадиен-1,3, имеет в своем составе пять атомов углерода.

1CH2=C-CH=CH2

CH32 3 4

изопрен C5H8

строение углеродного

скелета изопрена (С5)

"голова" "хвост"

12

3

4

Углеродный скелет изопрена:

Поэтому состав молекул изопреноидов по углероду равен (С5)n, где n –

целое число, число структурных звеньев изопрена.

Строение изопреноидов соответствует "изопреновому правилу" Л.

Ружичка (швейцарский химик) : сочленение изопреновых звеньев

осуществляется по принципу "голова" одного звена к "хвосту" следующего.

Такой принцип строения встречается у изопреноидов наиболее часто. Но

возможен и другой принцип – "хвост" к "хвосту".

1

2

3

41

2

3

4

"хвост" "голова"

голова - к хвосту

1

2

3

41

2

34

"хвост" "хвост"хвост - к хвосту

Сочленения изопреновых звеньев:

2. Классификация терпенов и терпеноидов. Номенклатура.

Терпены и терпеноиды – большая группа природных соединений,

преимущественно растительного происхождения. Терпены – это

углеводороды, терпеноиды – их кислородсодержащие производные, чаще

спирты, альдегиды и кетоны.

Классифицируют терпены и терпеноиды по составу (по числу

изопреновых звеньев) на монотерпены, сесквитерпены, ди-, сестер-, три-,

тетра- и политерпены. По строению углеродного скелета различают

ациклические и циклические терпены.

Классификация терпенов по составу (С5)n:

Состав

(С5)n

Число изопреновых

звеньев n

Класс терпена или

терпеноида

С10 n =2 монотерпены

С15 n =3 сесквитерпены

С20 n =4 дитерпены

С25 n =5 сестертерпены

С30 n =6 тритерпены

С40 n =8 тетратерпены

n >8 политерпены

Номенклатура , главным образом, тривиальная. Систематические

названия терпеноидов и терпенов образуют на основе тривиальных названий

родоначальных структур насыщенных терпеновых углеводородов.

3. Монотерпены.

Молекулы монотерпенов имеют в своем составе по десять атомов

углерода (С10). Главные их природные источники – эфирные масла растений,

из которых монотерпены и их производные получают перегонкой с водяным

паром и экстракцией.

Монотерпены разнообразны по строению. Известны монотерпены

ациклические и циклические, в том числе моноциклические и

бициклические. Монотерпены имеют широкий спектр биологического

действия.

Ациклические монотерпены.

Примером ациклических монотерпенов могут быть структурные

изомеры оцимен и мирцен. Это терпеновые углеводороды эфирного масла

хмеля. Запись строения этих и других ациклических монотерпенов возможна

в разных конформациях их молекул. Наиболее принята запись конформаций,

близких к циклическим структурам.

Примеры ациклических монотерпенов:

1

2

3

41

2

3

4

CH2=C-CH2-CH2-CH=C-CH=CH 2

CH3 CH3

1

2

34

12

3

4

"голова"

"хвост"

оцимен (2,6-диметил-

октатриен-1,5,7)или

1

2

3

41

2

3

4

CH3-C=CH-CH 2-CH2-C-CH=CH 2

CH3 CH2

1

2

34

12

3

4

мирцен

или

Ациклические терпеноиды класса монотерпенов – спирты гераниол и

нерол – содержатся в эфирном масле роз. Соответствующие им альдегиды

гераниаль и нераль, известные как цитраль а и цитраль в, отвечают за аромат

цитрусовых. Цитрали а и в (так же как гераниол и нерол) показывают пример

-диастереомерных терпеноидов.

Ациклические терпеноиды:

4CH2OH

1

2

34

12

3"голова"

"хвост" нерол

4

CH2OH

1

2

34

12 3

гераниол

[O]

4C

1

2

34

12

3

OH

4

C

1

2

34

12 3

O

Hнераль гераниаль

Цитрали

(-диасте-

реомеры)

Строение всех показанных терпеновых соединений

демонстрируетвыполнение "изопренового правила": сочленение изопреновых

звеньев в структуре каждого соответствует способу "голова к хвосту".

Главные типы реакций оцимена и мирцена обусловлены сопряженными

и изолированной двойными связями (электрофильное присоединение АЕ,

окисление), нерол и гераниол показывают реакции и первичных

одноатомных спиртов (субстраты и нуклеофильные реагенты в реакциях

нуклеофильного замещения SN, способность к окислению), цитрали –

альдегидов (легко окисляются, вступают в реакции нуклеофильного

присоединения AN и более сложные AN-E). Это типичные реакции

перечисленных классов соединений.

Особенностью реакционной способности ациклических

монотерпеноидов является их склонность к циклизации в присутствии кислот.

Нерол в присутствии кислот превращается в циклические терпеноидные

спирты терпинеолы, которые способны затем гидратироваться при

каталитическом участии кислот с образованием двухатомного терпеноидного

спирта терпина.

Циклизация ациклических терпеноидов:

CH2--OH

нерол

H+

-терпинеол

OH

HOH, H+

гидра-т

ация

(АЕ)OH

OH

терпин Возможный механизм:

CH2--OHH

+

CH2--OH

H-H2O CH2

CH2

HOH

OH

H

-H+

OH

Моноциклические монотерпены.

Родоначальным углеводородом этого класса терпенов и терпеноидов

является ментан. Его строение соответствует "изопреновому правилу".

Правилами номенклатуры IUPAC принята определенная нумерация десяти

атомов углерода в структуре ментана.

Строение ментана:

1

23

4

12

3

4

"голова"

"хвост"

10

84

5

61

2

3

7

9

нумерация атомов в

структуре ментана

(номенклатура IUPAC)

Важны производные ментана. Например, лимонен (ментадиен-1,8),

ментол (ментанол-3), терпин (ментадиол-1,8).

Примеры соединений ряда ментана:

*

лимонен

OH

*

**

ментол

OH

OH

терпин Лимонен является хиральной структурой. Известны два его

энантиомера: (+) лимонен входит в состав эфирного масла тмина, (–)

лимонен – в состав игл хвойных деревьев. Производные лимонена обладают

психотропным действием.

Для лимонена характерны типичные для алкенов реакции:

2Br2(AE)

2HOH, H+

(AE)

[O]

2H2

Br

BrBr

Br

OH

OH

OH

OHOH

OH

катализатор

KMnO4,HOH

(–)-Ментол – одноатомный вторичный спирт, один из восьми (23)

стереоизомеров ментанола-3. Он содержится в эфирных маслах мяты

перечной, оказывает антисептическое действие. Ментиловый эфир

изовалериановой кислоты входит в состав сосудорасширяющего средства

валидол.

Строение (–)-ментола:

CH3

OHCH(CH3)2

CH3HO

(H3C)2HC

Примеры реакций ментола:

OH

C-CH2-CH-CH3

CH3O

Cl

O-C-CH2-CH-CH3

O

CH3

ментиловый эфир

изовалериановой кислоты

O

ментанон-3

K2Cr2O7,H+to

Схема синтеза ментола:

OH

CH3

OH

(CH3)2CH-OH,H+

OH

3H2/ Ni

м-крезол тимол ментол Терпин – двухатомный третичный спирт невицинального строения. Для

его строения характерна -диастереомерия. Как третичный спирт, терпин

легко дегидратируется в присутствии кислот, давая смесь терпинеолов.

Терпин устойчив в растворе к окислению. В медицине используется как

терпингидрат (С10Н17(ОН)2 х Н2О).

Строение и примеры реакций терпина:

OH

OHR

OH

R

OHR

транс- цис-

-диастереомеры терпина

OH

OH

H+, t

o

-HOH

OH

+

OH

+

OH

терпинеолы

Бициклические монотерпены.

Бициклические монотерпены более разнообразны по строению. Их

классифицируют по строению родоначальных изомерных друг другу

структур. Наиболее известны соединения ряда пинана и ряда камфана

(борнана). Структура пинана образована конденсацией четырех и

шестичленных циклов, в структуре камфана объединились два пятичленных

цикла (или пятичленный и шестичленный).

Примеры родоначальных структур бициклических монотерпенов.

(Нумерация атомов IUPAC).

11

22

33

44

55

66

77

88

99

пинан камфан (борнан)

10 10

Производными пинана и камфана являются -пинен [(пинен-1(6)],

стереоизомерные борнеол и изоборнеол (камфанолы-2) и камфара

(камфанон-3 или борнанон-3).

Терпены и терпеноиды ряда пинана и камфана:

CH3

H3C

CH3

CH3

CH3H3C

борнеол-пинен

*

*

H

OH

CH3

CH3H3C

OH

H

CH3

CH3H3C

O*

*

*

**

*

*

*изоборнеол камфора

(–)--Пинен – компонент скипидара, получаемого из деревьев хвойных

пород. -Пинен – непредельный терпеновый углеводород, для него

характерны реакции присоединения и окисления по двойной связи.

Примеры реакций присоединения и окисления по двойной связи -

пинена:

Br2

KMnO 4,HOH

BrBr

OHHO

Особенности в протекание реакций присоединения у пинена вносит

присутствие в его структуре напряженного четырехчленного цикла: реакции

происходят с его раскрытием и перегруппировками. Например,

присоединение хлороводорода может давать два вида продуктов – продукт

присоединения 2 моль реагента (за счет расщепления -связи и

четырехчленного цикла) и продукт присоединения 1 моль хлороводорода с

перегруппировкой структуры пинана в камфан.

Примеры реакций присоединения с раскрытием четырехчленного цикла

-пинена и перегруппировкой:

H

H--Cl

HH

H

ClHH

H

Cl

H Cl

Cl

1,8-дихлор-

ментанCl

H

H

H

2-хлоркамфан

H

Возможный механизм перегруппировки:

H Cl

H

H

HH+

HH

HHH

H Cl-

H

Окисляется пинен, подобно многим другим непредельным терпенам,

легко в обычных условиях кислородом воздуха с образованием

гидропероксидов. Атака окислителя происходит преимущественно в

аллильные положения, поскольку в этом случае реакция протекает через

образование устойчивых аллильных радикалов (-CH-CH=CH-).

Схема окисления -пинена кислородом в аллильные положения:

O2

O

O OH

HO

+

изомерные

гидропероксиды -пинена Борнеол – вторичный спирт; в свободном виде и как сложный эфир

содержится в пихтовом масле; при окислении борнеола образуется камфора:

борнеол

O

камфора

C CH3

O

NaOH, to

-CH3COONa

(SN)

OH K2Cr2O7, to

[O]

O

борнилацетат Камфора – кетон, в природе в составе эфирных масел камфорного

дерева содержится ее правовращающий стереоизомер (+)-камфора.

Синтетическую камфору получают как левовращающую (–)-камфору

(например, из -пинена) или рацемат ( + )-камфору. В медицине

применяются оба стереоизомера камфоры и ее рацемат. Камфора обладает

антисептическим действием и стимулирует деятельность сердца.

Химическое строение камфоры предполагает существование четырех

стереоизомеров (два асимметрических атома, 22 = 4 стереоизомера). Но

известны только два ее энантиомера, поскольку особенности циклического

строения молекулы делают невозможным изменение конфигурации только

одного асимметрического атома, не затрагивая второй.

Конфигурационное и конформационное строение камфоры:

12

3

4

5

6 O

O O

O O

или

1

1

2 23 3

4 455 66

1

122

3344

55

66

*

*

два энантиомера камфоры

Для камфоры характерны типичные реакции кетонов: нуклеофильное

присоединение (AN), нуклеофильное присоединение-отщепление (AN-E),

восстановление, галогенирование по -углеродному атому (через -СН-

кислотный центр).

Примеры реакций камфоры как кетона:

O

H

H

NH2-OH

AN-E

Br2

SE

1)LiAlH4

2)H2O

N OH

оксим камфоры

O

Br

бромкамфора

OH

H +

H

OH

90% 10% Реакции нуклеофильного присоединения по оксогруппе камфоры

проходят стереоспецифично, поскольку пространственное строение

молекулы делает предпочтительной атаку нуклеофилом электрофильного

центра со стороны, противоположной "мостику", который связывает первый

и четвертый атомы углерода молекулы камфоры.

Стереоспецифичность нуклеофильного присоединения у камфоры:

O

+ H

подход затруднен

предпочтительно

(нуклеофил)

Бромкамфора применяется в медицине: она улучшает работу сердца и

оказывает успокаивающее влияние на центральную нервную систему.

4. Дитерпены (n=4).

Молекулы дитерпенов имеют в своем составе по двадцать атомов

углерода (С5х 4=С20).

К этой группе терпенов относятся жирорастворимые витамины группы

А, например, ретинол (витамин А1). Ретинол содержится в рыбьем жире,

яичном желтке, молоке и представляет пример терпеноидов животного

происхождения. Витамины А необходимы человеку для нормального роста и

зрения.

В природных источниках ретинол находится в форме сложных эфиров,

часто -глюкуронидов. Медициной применяется как природный витамин А,

так и синтетический (в форме ретинола ацетата и ретинола пальмитата).

Строение ретинола и ретинола ацетата (витамин А1):

CH2-OH11

1

1

22

2

233

33 44

4

4

ретинол

CH2-O-C-CH3

O

ретинола

ацетат

Молекула ретинола построена типичным способом сочленения

изопреновых звеньев "голова к хвосту", пять двойных связей образуют

сопряженную систему, четыре из них ( в боковом радикале) имеют транс-(Е-)

конфигурацию.

Для ретинола характерны реакции непредельного соединения и

первичного спирта. В организме ретинол участвует в процессах, которые

обеспечивают зрительное восприятие. В ходе этих процессов ретинол

окисляется по спиртовой группе в альдегид ретиналь.

Строение ретиналя:

ретинол[O]

фермент

CO

H

ретиналь

5. Тетратерпены (n=8).

Тетратерпены в составе молекул имеют сорок атомов углерода

(С5х8=С40). К тетратерпенам относятся желтые и красные пигменты растений

и животных. Каротиноиды – один из примеров таких пигментов. Их название

происходит от желто-красных пигментов моркови – каротинов. Каротины

содержатся не только в моркови, но и в других овощах и плодах. В организме

человека и других млекопитающих -каротин подвергается окислительному

расщеплению: из одной молекулы -каротина образуются две молекулы

ретинола. Поэтому -каротин рассматривается как провитамин А1 и является

одним из источников этого витамина.

Строение -каротина:

1

1 2

2 3

3 4

4 -каротин

"хвост-хвост"

окислительное

расщепление

CH2-OH

ретинол2

Молекула -каротина образована из восьми изопреновых звеньев,

которые сочетаютя двумя способами: типичным способом "голова-хвост" и

один раз, точно посередине структуры, – "хвост-хвост". В этом фрагменте

происходит расщепление молекулы -каротина на ретинол.

-Каротин – пример природного полиенового соединения.

Многоцентровая сопряженная система (22 центра) обеспечивает молекуле

поглощение (* возбуждение) в видимой области электромагнитного

спектра. Поэтому -каротин окрашен.