CC BY
280
Проблемы образования в области химии и технологии растительного сырья
ХИМИЯ ИЗОПРЕНОИДОВ. ГЛАВА 5. МОНОТЕРПЕНЫ (ПРОДОЛЖЕНИЕ)*
© В.В. Племенков
Казанский медицинский университет, ул. Бутлерова, 49, Казань, 420012 (Россия) E-mail: [email protected]
Мы продолжаем публикацию избранных глав новой книги В.В. Племенкова «Химия изопреноидов». Вашему вниманию предлагается вторая часть пятой главы этого пособия.
5.4. Химические свойства монотерпенов
Монотерпены как объекты химического исследования привлекли к себе внимание еще на заре возникновения и становления органической химии, что, очевидно, было связано с их доступностью и относительно не сложным строением. Эти вещества выделяли из природных источников (в частности, из скипидаров хвойных) классическими методами органической химии (например, фракционированием или гидродистилляцией) без специальной обработки сырья. Исследования монотерпенов, выполненные во второй половине XIX и в первой половине ХХ вв., способствовали развитию экспериментальной методологии органического синтеза и анализа, внесли интересный вклад в ее теоретический арсенал.
К настоящему времени этот класс природных соединений изучен в такой степени, что полный анализ и изложение материала потребовало бы отдельного издания, причем достаточно объемного. Здесь мы только отметим основные направления и тенденции в химии монотерпеноидов: изучение собственно фундаментальных химических свойств представителей класса и путей их химической модификации; изучение взаимопревращений в связи с биосинтезом представителей класса; синтез практически полезных, как правило, более сложных энантиоиндивидуальных соединений. Рассмотрим также наиболее характерные моменты, присущие как отдельным соединениям, так и семействам монотерпеноидного ряда.
Химические свойства ациклических монотерпенов определяются набором имеющихся в них функциональных групп и структурных фрагментов - в связи с этим мы можем выделить специфические семейства сопряженных (диеновых и триеновых) углеводородов, непредельных сопряженных альдегидов и аллиль-ных спиртов, полифункциональных (обычно бифункциональных) оксигенированных производных. В соответствии с этими отнесениями можно выделить и наиболее характерные свойства, хотя они и не являются уж очень специфичными, но все-таки определенные особенности имеются. Все сопряженные ациклические монотерпены достаточно легко полимеризуются как по радикальному, так и ионному механизмам - их хранение всегда требует надежной стабилизации. Все они образуют с хорошими выходами в мягких условиях продукты циклоприсоединения по Дильсу-Альдеру - например, если использовать в качестве диенофила циклопропеновые соединения состава С5, то мы получаем по этой реакции сесквитерпеновые соединения с кареновым ключевым фрагментом. Аллооцимен в реакциях с электрофильными реагентами показал образование продуктов 1,2- и 1,6-присоединения, как основных и типичных для сопряженных триенов, контролируемое правилом Марковникова и в соответствии с правилами орбитального контроля (схема 5.4.1).
Монотерпеноиды с аллильной спиртовой функцией конечно же характеризуются легкостью ее нуклеофильного замещения по механизму SN1, что обеспечивает малую селективность процесса и часто сопровождается аллильной перегруппировкой. Интересно протекают реакции эпоксидирования таких соединений -эпоксидирование гераниола по Шарплессу проходит избирательно по аллильной системе, в условиях ферментативного катализа - по изолированной олефиновой связи, что, очевидно, связано с различиями в механизмах каталитической активации (схема 5.4.2).
* Начало: Химия растительного сырья. 2006. №2. С. 63-87.
XO
XO.
+
'CO
\
O
/
CO
O
/
+
IX,
CH3
CN
Схема 5.4.1
-Nu +
t-BuOOH
O'
,CH2OH
CH2OH
Схема 5.4.2
Для существенно оксигенированных ациклических монотерпенов - обычно это диолы, триолы, оксикис-лоты - характерными становятся реакции внутримолекулярного взаимодействия этих функций, которые приводят к формированию тетрагидрофурановых, пирановых и лактонных циклов в молекулах, не нарушая их изопреноидной структуры как принципиальной (схема 5.4.3).
Интересны внедряемые в последнее время в химическую практику реакции биотрансформации (те, которые проводятся в условиях in vitro при катализе живыми ферментами) ациклических монотерпеновых спиртов, таких как гераниол, нерол и линалоол - в присутствии микроорганизмов Aspergillus niger, для реакций характерны процессы изомеризации, карбоциклизации и эфирного циклообразования. Также интересны каталитические реакции карбоциклизации, позволяющие получать редкие монотерпены из доступных (схема 5.4.4).
Монотерпены ментанового ряда в химическом плане достаточно просты - они, как правило, без существенных отклонений суммируют свойства функциональных групп их составляющих. Можно отметить легкость сопряженного дегидрирования и дегидратации ментола, ведущих к образованию либо п-цимола, либо тимола в зависимости от используемых катализаторов. Характерно, что этот процесс легко осуществляется также и in vivo, так как и тимол, и п-цимол обычно сопутствуют ментолу в эфирных маслах растений (схема 5.4.5).
Среди ментеновых терпенов наиболее изученным можно считать лимонен, что, очевидно, связано с его широким распространением в природных источниках. Основное внимание здесь акцентировано на относительной реакционной способности двух его олефиновых фрагментов, экзо-циклического и эндо-циклического.
В большинстве случаев реакции электрофильного присоединения реализуются легко по обеим п-связям, потому чаще всего выделяются бис-аддукты. В тех же случаях, когда удается остановить процесс на стадии образования аддукта состава 1 : 1, обычно находят продукт присоединения по экзо-циклической двойной связи, при этом иногда легко образуются продукты последующих превращений - 1,8-цинеол, например (схема 5.4.6).
Схема 5.4.3
СН20Н
гераниол
СН20Н
нерол
ОН
Н0
Н0
0
р^+(ррр)
цитронеллен
цис-туйан
Схема 5.4.4
Си804 [------
270оС
Си (240ОС).
"ОН
ОН
п-цимол
тимол
+
НС1
Н-ОН(Н+)
С1
ОН
I
(
<
С1
‘СНгБРЬ
Схема 5.4.6
Лимонен в реакциях эпоксидирования надкислотами и циклопропанирования карбенами также не демонстрирует высокой степени селективности - образующиеся в первую очередь аддукты по эндо-циклическому олефиновому фрагменту, не всегда даже фиксируемые, легко переходят в продукты бис-присоединения (схема 5.4.7).
С недавних пор внимание химиков, занимающихся целенаправленным органическим синтезом, привлек к себе карвон, отличительной чертой которого является одновременное присутствие в молекуле и электро-фильной, и нуклеофильной олефиновых связей вместе с сопряженной карбонильной группой, и все это в сочетании с энантиомерной индивидуальностью. Такой набор структурных элементов в одной молекуле обеспечивает ее широкие синтетические возможности, что используют для получения различных функциональных производных ментанового ряда и в синтезе сложных природных малодоступных соединений с практически важными свойствами, такими как лигуларенолиды и тапсаны, например (схема 5.4.8).
Ш-СН2-СООН
Н+
Б-СН2- СООН
О
О
ЯЗН
:б
>■+*
Схема 5.4.8
Однако наиболее интересны в плане химической реакционной способности с важными теоретическими и синтетическими результатами, конечно же, бициклические монотерпены.
Первой их особенностью можно считать легкость окисления кислородом воздуха в присутствии различных катализаторов с образованием стабильных гидроперекисей в случае насыщенных соединений (реакция идет по третичному углероду), карбонильных (имеет место аллильное радикальное окисление) и оксирано-вых производных в случае ненасыщенных терпенов (схема 5.4.9).
Важным фактором, определяющим химическое поведение бициклических монотерпенов, является существенное байеровское напряжение их углеродных скелетов. Это в равной степени относится к карановым, туйановым, пинановым и борнан-камфан-фенхановым системам. В первую очередь этот фактор срабатывает в реакциях термолиза, в результате которых происходит разрыв малых циклов системы, а иногда и разрыв обоих циклов бициклической системы. Разрыв малых циклов в этих молекулах часто происходит и при действии электрофильных реагентов, в присутствии Н-кислот и кислот Льюиса, особенно в случае непредельных терпенов (схема 5.4.10).
Наибольший интерес среди специфических свойств бициклических монотерпенов вызывают камфеновые перегруппировки I и II рода. Камфеновая перегруппировка I рода, называемая перегруппировкой Вагнера-Меервейна, характерна не только для терпенов, но, открытая в 1899 г. Е.Е. Вагнером при изучении именно этого класса природных соединений, она остается наиболее фундаментальной реакцией этого класса соединений. В общем варианте эта реакция была изучена Х. Меервейном. Ключевым этапом механизма перегруппировки является 1,2-миграция Я-группы (как правило, это алкильный радикал, хотя возможны и другие варианты) к карбокатионному центру, возникающему в результате либо присоединения электрофильной частицы по двойной связи углерод-углерод, либо отщепления аниона при нуклеофильном замещении. Реализуется эта перегруппировка, как правило, в ряду углеводородов и их производных с разветвленным углеродным скелетом, частным, но весьма удачным и плодотворным случаем которых и являются бициклические монотерпены.
В отличие от всех предыдущих описанных химических превращений бициклических монотерпенов реакция Вагнера-Меервейна не расщепляет циклические системы бициклов, а лишь меняет характер бициклизации. К тому же следует добавить, что настоящая перегруппировка постоянно имеет место в природе, а именно, в процессах биосинтеза этого класса монотерпеноидов (см. схемы 3.3.4 и 5.3.7), так же как и в некоторых других.
Перегруппировка Вагнера-Меервейна хорошо прослеживается при взаимодействии а-пинена с электро-фильными реагентами (НХ) - первоначальное присоединение протона по двойной связи (в соответствии с правилом Марковникова) образует третичный, довольно стабильный, пинильный карбокатион, в котором одна из соседних С-С связей, эффективно перекрывающаяся с вакантной р-орбиталью карбокатионного центра, переносит свою пару электронов на этот центр, т.е. завязывает новую углерод-углеродную связь, одновременно разрывая старую. Такой 1,2-сдвиг С-С связи в молекуле а-пинена может проходить двумя разными путями, разрывом С'-С6 или С'-С7 связей, и привести после присоединения аниона либо к Х-замещенному борнану, либо к Х-замещенному фенхану (схема 5.4.11).
Схема 5.4.9
НБг
Н2Бг
кат.
Н+
Н2О
ОН
НО'
Н2О
терпингидрат
Схема 5.4.10
Перегруппировка Вагнера-Меервейна часто сопровождается перегруппировкой Наметкина (камфеновая перегруппировка II рода), заключающаяся во вторичном 1,2-сдвиге С-С связи в промежуточном пинильном карбокатионе (на схеме 5.4.11 путь вторичного 1,7-сдвига) с образованием камфена после элиминирования протона.
+
+
+
Настоящая перегруппировка интересна еще тем, что, несмотря на свой общеорганический характер, она была открыта в сфере химии природных соединений, подтверждая тем самым ее главенствующее положение в органической химии вообще.
Как мы уже отметили выше, абсолютное большинство природных терпеноидов представлены асимметрическими молекулами, а проблема асимметрического синтеза - одна из узловых в органической химии вообще, а в химии природных соединений в особенности. Эта проблема очень часто стоит и перед химиками, которые связаны с целенаправленным синтезом биологически активных соединений, пестицидов и лекарственных субстанций. Отсюда и возникло одно из перспективных направлений в решении проблем асимметрического синтеза - использование энантиомерно индивидуальных терпеноидов в качестве хиральных реагентов и катализаторов. Наиболее продуктивными были найдены борные производные пинана, используемые как хиральные кислоты Льюиса в реакциях асимметрического гидроборирования, и производные камфоры в качестве хиральных вспомогательных и стартовых реагентов (схема 5.4.12).
Пинены - наиболее доступные бициклические монотерпены, в то же время они отличаются и наибольшей реакционной способностью. Два эти фактора, вместе взятые, обеспечили широкое и многостороннее использование их в промышленных синтезах многих других терпеноидов, важных по своим практическим свойствам, но мало доступных из природных источников. Изомерные пинены для этих целей могут быть использованы индивидуально, а часто и в виде смеси, так как могут переходить друг в друга в условиях реакции или образовать один и тот же интермедиат (переходное состояние) какой-либо реакции, например, пиненильный катион при протонировании любого пинена в реакциях, начинающихся с кислотного катализа Н-кислотами.
6
7
6
1-6 сдвиг^
7
1
втор.
1-7 сдвиг
В промышленности, используя процессы термолиза, кислотно-катализируемых присоединений и окисления, в крупных масштабах из пиненов получают ментановые соединения, 2,6-диметилоктановые производные, бицикло[2.2.1]гептановые системы и другие вещества (схема 5.4.13).
Наличие в молекулах каренов и пиненов трех- и четырехуглеродных циклических фрагментов делает их удобными исходными для получения циклопропановых и циклобутановых соединений, часто не очень доступных при синтетических подходах, требующих формирования этих циклических фрагментов. Реализация этих синтезов достигается селективным окислительным расщеплением больших по размеру циклов бицик-лической системы по месту кратной связи (озонированием, пер-йодатным окислением, окислением хромовым ангидридом и т.д.). Таким подходом разработано несколько методов синтеза хризантемовой кислоты и ее аналогов и производных в качестве инсектицидных субстанций из 3-карена, а из а-пинена получают пиноновую кислоту и ее производные - вещества с потенциальной феромоновой активностью (схема 5.4.14).
(Н, А1к)
(Н, На1, А1к)
Я
,,')2БИ
Схема 5.4.12
СИ3СООИ
аллооцимен
ОСОСИ3
эленилацетат
карвон
мирцен
СИзч /СИО
СИ2
СИО
1) СИ3СООИ
2) №ОИ [О]
¡3) [О] ;
мирценаль
камфора
ОИ
ОИ
ОИ
ОИ терпин
О
Схема 5.4.14
5.5. Монотерпены с нарушенной изопреноидной структурой
В природных источниках весьма часто встречаются соединения, которые по всем признакам имеют изо-преноидное происхождение - наличие изопреноидных фрагментов и данные исследования их биосинтеза, но отличаются от «правильных» изопреноидов отсутствием одного, иногда нескольких углеродов (деградированные терпены, нортерпены), наличием одного или нескольких дополнительных атомов углерода (гомотерпены), нарушением структуры изопренильных остатков (изомеризованные терпеноиды). Вполне очевидно, что эти «нарушения» затребованы теми организмами, которые широко пользуются изопреноидами и подобными по свойствам соединениями в качестве средств химической коммуникации (растениями, насекомыми, микроорганизмами), поскольку указанные молекулярные модификации расширяют их «словарный» запас, информационное пространство.
Деградация терпеноидов может осуществляться следующими процессами: а) декарбоксилированием терпеноидов при наличии в молекуле соответствующей функции - потеря одного атома углерода характерна для иридоидов; б) формальная ретроальдольная реакция - потеря двухуглеродного фрагмента характерна для непредельных карбонильных соединений типа цитраля; в) окислительное расщепление гем-диметил-олефиновой связи - потеря изопропенильного фрагмента характерна для терпеноидов с ациклическим изо-пренильным фрагментом (схема 5.5.1).
Некоторые представители деградированных монотерпеноидов сведены в таблицу 5.5.1, в которой следует выделить группу циклогексановых производных, формально имеющих структуру монотерпеноидов, потерявших один атом углерода, но фактически не имеющих отношения к оным, поскольку не существует соответствующей монотерпеноидной группы. Предположено, что эти соединения, состава С9 с 1,1,3-триметилциклогексановым скелетом, образуются в природных источниках в результате глубокой деградации каротиноидов (тетратерпенов), хотя не исключен и путь их биосинтеза из сафраналя.
Таблица 5.5.1. Некоторые нор-монотерпеноиды
Название Структура Источник
Аукубин (Aucubin) HO fcrO HOCH2 о- Glc Plantago lanceolata, Euphydryas cynthya
Каталпол (Catalpol) HO HoCH2 O- Glc Catalpa speciosa
6-метил-5-гептен-2-он Широко распространен во многих растениях, грибах, насекомых
Сулкатол (Sulcatol) ^4/^—^OH O Агрегационный феромон короеда
1,3,3-триметил-2,7-диоксабицикло [2.2.1]гептан В муравьях Aenictus rotundatus
Р-циклогераниолен ci В термитах Ancistrotermes cavithorax
Изофорон A 4 s Найден в секретах многих насекомых, например, короеда Ips typorgaphus
Ланиерон •A O Феромон агрегации Ips typorgaphus
Биосинтез гомотерпенов может осуществляться двумя путями: либо это метилирование уже готовой тер-пеновой молекулы соответствующим энзимом (эти реакции могут выполнять коферменты 8-аденозил-метионин и метилкобаламин, см. приложение); либо это участие в их биосинтезе, наряду с мевалоновой кислотой, гомомевалоновой кислоты, образующейся по схеме ацетат-пропионатной конденсации (схема 5.5.2).
Во мхах рода Lophocolea обнаружена небольшая группа гомотерпенов с углеводородным скелетом би-цикло[2.2.1]гептана (табл. 5.5.2).
Перегруппированные монотерпеноиды, используемые в качестве средств химической коммуникации насекомыми, часто предоставляют нам оригинальные структурные образования как ациклического, так и циклического рядов (табл. 5.5.3).
СН3СН2-С08СоЛ + СН3-С08СоЛ
■3“
СН3СН2-С0—СН2С08СоЛ
СН3С08СоЛ 0Н
----------► СН3 СН2- С—СН2С00Н
СН2С08СоЛ
СНзСН^ 0Н -► Н00С
0Н
гомомевалоновая кислота
ІРР
ч0РР
'0РР
Схема 5.5.2
Таблица 5.5.2. Некоторые гомомонотерпеноиды
Таблица 5.5.3. Некоторые перегруппированные монотерпеноиды
Название Структура Источник
O O |\ //
Кантаридин && СНз Относительно часто встречается в насекомых, например, в жуках Lytta vesicatoria
Некродолы См. схему 5.2.5 і I Из жуков Necrodes surinamensis
Лавандулол CH2OH O л Защитное вещество жуков Necrodes surinamensis
Биколорин CH2CH3 Феромон агрегации букового короеда Taphrorychus bicolor
Сантолинатриен XX* В эфирных маслах Argyranthemum adauctum, Santalum sp., Artemisia sp.
5.6. Биологические свойства монотерпенов
Специфика природных соединений такова, что наряду с химическими свойствами она не то чтобы требует, но считает желательным анализ их биологических свойств. В этом направлении немало сделано, многое делается, но еще больше неясного.
Биологические свойства монотерпенов, как вообще всех природных соединений, следует рассматривать под разными углами зрения: во-первых, их значение для организма-продуцента (эндогенное влияние); во-вторых, влияние выделяемых соединений на контактирующие организмы (экзогенное влияние веществ химической коммуникации); в-третьих, активность по отношению к посторонним случайным организмам веществ, выделяемых растениями и микроорганизмами, к человеку и животным, например (бенефисная активность).
В первом случае речь идет о веществах, синтезируемых организмом для собственных физиологических нужд - ферментах, витаминах и гормонах. Но на этом поприще монотерпеноиды себя никак не проявили; здесь определенных результатов «добились» более тяжелые представители изопреноидов - сесквитерпены, дитерпены и тритерпены, о чем будет сказано в соответствующих разделах.
Активность второго типа (влияние на окружающие организмы) для монотерпеноидов является главнейшей и по значимости для организма-хозяина сравнима с гормональной или витаминной активностью, поскольку они, монотерпеноиды, выполняют важнейшие задачи жизнеобеспечения - это воспроизводство с помощью веществ аттрактивного свойства и феромонов; защита растений от насекомых и насекомых от животных с помощью репеллентов, инсектицидов и токсинов; они служат средствами внутривидового и межвидового общения и передачи информации. Такие экологические функции монотерпеноидов обеспечены их хорошей летучестью в сочетании со структурным многообразием. А широкий спектр биологических функций возможен еще и потому, что растение или насекомое использует одновременно несколько соединений для осуществления одной функции, в то же время одно соединение часто выполняет несколько функций, при этом используются не только изопреноиды, но, совместно, и многие другие классы вторичных метаболитов.
Поэтому приписать одному соединению одно специфическое биологическое действие практически невозможно, за редким исключением. Обычно работает набор веществ, свойства которого могут меняться не только от качественного его состава, но и от количественного соотношения компонент. Следовательно, это своего рода молекулярный язык растений и насекомых, в котором можно предположить, что роль букв выполняют функциональные группы или молекулярные фрагменты, а молекулы служат своего рода словами -
и тогда, как из слов мы можем составить несколько достаточно различающихся по содержанию фраз, так и с помощью молекул природный индивидуум выполняет несколько биологических действий. Но орфография и фонетика этого языка нам пока неизвестны.
В настоящее время в этом разделе химии изопреноидов мы можем только очертить круг монотерпенов, участвующих наряду с другими метаболитами в выполнении определенных биологических функций живыми организмами, в основном растениями и насекомыми, как уже упоминалось.
Растения осуществляют: а) двусторонние взаимодействия с другими растениями конкурентного характера в борьбе за средства существования, за землю с ее питательными веществами; б) односторонние действия на насекомых, привлекая их для опыления или отпугивая в случае потребительского, чреватого гибелью отношения последних к растению-продуценту (иногда такое действие распространяется и на высших животных) (схема 5.6.1).
Действие первого рода, аллелопатическое действие, обычно носит характер ингибирования всхожести семян растений-конкурентов веществами, выделяемыми растениями-агрессорами, растениями с высокой аллелопатической активностью, типичными представителями последних являются пырей, ясень, лох. Следует отметить, что большинство культивируемых растений имеют низкую аллелопатическую активность. Так, например, полынь (Artemisia california) и шалфей (Salvia leucophylla) с этой целью выделяют в окружающую среду камфору, камфен, пинены и 1,8-цинеол; растения Calamintha ashei - ментофуран, эпиэводон и каламинтон; а растения Conradina canescens - камфору, миртенол, борнеол и карвон. Монотерпеноиды с аллелопатической активностью, но не полный аллелопатический комплект, а только его монотерпеноидная составляющая, представлены на схеме 5.6.2.
Насекомые и другие животные
Растения
Растения
Схема 5.6.1
CH2OH
карвон
камфора
камфен
1,8-цинеол
каламинтон
эпиэводон
ментофуран
Действие второго рода, направленное от растения к насекомым и другим животным, сводится, во-первых, к привлечению их поучаствовать косвенным образом в процессе размножения: насекомые, привлеченные запахом цветков, способствуют их опылению; животные же, поедая привлекательно пахнущие плоды (характерно для фруктов), осуществляют распространение их семян на большие расстояния. Наиболее распространенными монотерпеноидами с такими свойствами являются ß-оцимен, гераниол, нерол, линало-ол, цитраль, нераль, карвон оксид, 1,8-цинеол. Лимон привлекает животных запахом цитраля, а грейпфрут синтезирует для этой цели 1-п-ментен-8-тиол (схема 5.6.3). Во-вторых, действие второго рода растений на насекомых носит защитный характер и обеспечивается чаще всего токсическими веществами, среди которых определенную роль играют и монотерпеноиды, - здесь можно отметить высокую эффективность пирет-ринов, продуцируемых ромашкой долматской (Chrysanthemum cinerariaefolium) и родственными видами сложноцветных. Белый кедр (Thuja occidentalis) защищает свои шишки с помощью а-туйона, древесина желтого кедра (Chamaecyparis nootkatensis) защищена хамовой кислотой, у красного кедра (Thuja plicata) эту же функцию выполняет туйевая кислота, а иридоид каталпол обеспечивает защиту от насекомых и стойкость древесины растения Catalpa speciosa семейства бигнониевых (схема 5.6.4). Здесь следует отметить, что иридоиды, пожалуй, единственная группа монотерпеноидов с достаточно однозначным биологическим свойством - защитным, токсическим.
Насекомые осуществляют информационное взаимодействие друг с другом, внутривидовое с помощью большого количества вторичных метаболитов, среди которых значительное место занимают терпеноиды вообще и монотерпеноиды в частности. Эти вещества носят общее название феромоны, которые классифицируют по типу биологической сигнализации - половые феромоны, феромоны агрегации, феромоны тревоги, следовые феромоны. Насекомые чувствительны к феромонам в очень малых концентрациях, а потому и действие их они ощущают на значительных расстояниях. Так же, как и у растений, определенный вид феро-монного воздействия, как правило, реализуется комплектом химических веществ, но часто в этом наборе одно вещество является доминантом как по концентрации, так и по биологической активности.
Общий блок монотерпеноидов, используемых насекомыми в целях химической коммуникации, включает почти все семейства этого класса природных веществ. Особенно многочисленны оксигенированные производные, спирты и карбонильные соединения, всего их известно несколько десятков, и этот список постоянно пополняется по мере увеличения чувствительности методов идентификации органических субстанций. На схеме 5.6.5 приведен блок наиболее распространенных монотерпеноидов с функциями феромонов - список для уже описанных выше соединений и формулы новых производных.
CH2OH
нерол
CH2OH
а-оцимен
гераниол
CHO
линалоол
цитраль
нераль
O
карвон оксид
1,8-цинеол
R'
R = CH3—
R = CH3OOC—
R = CH3OOC— R = CH3-R = CH3OOC—
R'= CH2=CH— R'= CH2=CH— R=R'= CH3— R'= CH3-R'= C2H5-R'= C2H5-
пипертрин I пипертрин II цинеринI цинерин II жасмолин I жасмолин II
O
у—\^,cooh
хамовая кислота
HO
O
HOCH
2 O—Glc
тушевая кислота
каталпол
Схема 5.6.4
Ниже приведем примеры нескольких феромонических композиций (табл. 5.6.1) и попробуем их проанализировать: во-первых, иногда сигнальная композиция представлена химически родственной группой соединений, можно даже считать, образованной из одного предшественника (примеры 1 и 2); во-вторых, иногда это весьма разнородный комплект (пример 3); в-третьих, одни и те же соединения мы находим в сигнальных композициях различных видов насекомых и различного содержания сигналах (сравнить примеры 3 и 4, 2 и 3). Все это подтверждает наше представление об индивидуальных феромонах и их композициях, как о словах и фразах, используемых насекомыми, а в некоторой степени и другими живыми организмами.
В качестве защитных средств из арсенала монотерпеноидов насекомыми часто используют иридоиды, которые являются составной частью едких жидкостей, выделяемых ими в соответствующих ситуациях. Например, едкая жидкость муравьев Iridomyrmex humilis содержит иридомирмецин, иридодиаль и долиходиаль (структуры см. в табл. 5.2.2).
Оригинальный циклогексановый монотерпеноид, кантаридин (схема 5.6.6), содержится в жуках-нарывниках (сем. Meloidae) и в шпанской мушке (Lytta vesicatoria). Он интересен своей необычной структурой и характером биологической активности. Защищая своим кожно-нарывным действием жуков от животных, это вещество обладает еще афродизирующим эффектом (вызывающим половое возбуждение) и общетоксическим для теплокровных. А борнановый монотерпеноид, викодиол (см. табл. 5.3.4), выделенный из индийского растения Vicoa indica, используемого в традиционной медицине этой страны в качестве контрацептива, скорее всего, и является его действующим началом. Аскаридол и гидроперекиси лимонена (см. табл. 5.2.3) обеспечивают эффективную антигельминтную активность растений семейства Маревых (Chenopodium ambrosiodes, например).
Амитинол, транс-вербенол, цис-вербенол, бербенон, гераниол, грандизол, линалоол, лимонен, линеатин, м-ментадиенол, миртенол, мирцен, нерол, оцимен, а-пинен, Р-пинен, пинокарвеол, (+)-а-терпинеол, у-терпинеол, (-)-фенхон, хризантенон, 1,8-цинеол
Схема 5.6.5
Таблица 5.6.1. Некоторые композиции феромонов
№
Феромон
Химический состав
1
Пчела медоносная:
феромон тревоги феромон роения
Короед:
секс-феромон феромон агрегации
Муравьи:
феромон следа Тутовый шелкопряд:
секс-феромон феромон агрегации
Гераниаль, нераль Гераниол, гераниаль, гераниловая кислота, нерол, нераль, нералиевая
кислота
X
X
х (-сн2он,-сн=о, -соон)
Мирцен, Р-пинен, 3-карен Мирцен, (-)-ипсенол, (+)-ипсдиенол,
Амитинол
(-)-ипсенол, (+)-ипсдиенол, грандизол, вербенол, 7-3,7-диметил-2,7-октадиенол-1
а-пинен, лимонен Грандизол, 7-3,7-диметил-2,7-октадиеналь-1
О
О
ЬБ50 = 1 мг/кг для кошек и собак летальная доза для человека 40-80 мг
2
Эфирные масла и другие природные композиции терпеноидов. Эфирные масла растений представляют собой богатые смеси различных соединений (число компонент достигает нескольких десятков, а часто и более сотни), большую часть которых составляют терпеноиды, а среди последних - монотерпены. Они распределены во всех частях растений: в цветках (бергамот), в листьях (цитронелла, лавр), в корнях (вети-вер), в древесине (сандаловое дерево), в коре (корица), во фруктах и семенах (цитрусы). Подобно всем вторичным метаболитам, эфирные масла всем арсеналом своих компонент выполняют ряд разнообразных функций: защита от разного типа агрессоров (микроорганизмов, грибов, насекомых, травоядных); привлечение опылителей и распространителей диаспоры; ингибирование прорастания и роста и т.д. Для них характерны следующие фармакологические (бенефисные) свойства: антисептики против широкого спектра бактерий и грибов (масло эвкалипта, тимьяна, коричное, гвоздичное масла); спазмолитики и седативные (масло мяты); муколитики и диуретики (терпентиновое масло из хвойных); а также проявляют противовоспалительные и ранозаживляющие эффекты.
Наиболее часто употребляемые в быту, в пищевой и фармацевтической промышленности эфирные масла: мятное масло получают из нескольких видов мяты, наиболее обычное из которых масло Mentha piperita (основные компоненты - ментол и ментон); из Mentha spicata и Mentha cardiaca получают масло сперминт (основные компоненты - карвон, лимонен и фелландрен), схожее по составу масло получают из Mentha ar-vensis; гвоздичное масло характеризуется высоким содержанием тимола и эвгенола, активность которых на порядок выше соответствующей активности фенола при более низкой токсичности; эвкалиптовое масло, эффективное при респираторных заболеваниях, содержит много цинеола. Нередко применяются масла: пихтовое (борнеол, камфен и др.), кориандровое (более 50% линалоола), лавандовое (линалоол, цитнеол), розмариновое (борнеол, линалоол, цинеол), лимонное (цитраль, лимонен). Масла тимьяна (Thymus vulgaris), хорсеминта (Monarda punctata) и ажгона (Trachyspermum ammi) содержат значительные количества тимола, что и обусловливает хороший уровень их антисептической активности.
Шафран (Crocus sativus L.) - широко известное в мире растение благодаря приятной окраске его цветков и приятному аромату - продуцирует целый букет монотерпеноидов (циклогексановых в основном), формирующих его эфирное масло, основной компонентой которого является сафраналь (~ 70%), но отнюдь не главной по своим запаховым свойствам. А за характерный запах цветков этого растения (и его масла, соответственно), в первую очередь, отвечает 2-гидрокси-4,4,6-триметил-2,5-циклогексадиен-1-он (кстати, феромон жука короеда и запаховая компонента сена), во-вторую - сафраналь, а целая серия его производных, включая и нор-монотерпеноиды семейства сафраналя, дополняет букет (схема 5.6.7).
Из виноградного сока и виноградных вин после кислотного и энзиматического гидролиза гликозидов выделена большая группа монотерпеноидов, всего около 50, определяющая букет этих напитков и представленная в большей степени набором 2,6-диметилоктанолов и 2,6-диметилоктандиолов. Кроме вышеописанных - линаоола, нерола, гераниола, нераля, гераниаля, цитронелолла и др. - там найдена целая серия новых кислородных производных ациклических монотерпеноидов (схема 5.6.8).
OH
O
он
Схема 5.6.8
Также сложными композициями монотерпенов представлены скипидары хвойных растений, получаемые отгонкой летучих компонент из их живиц. Но в отличие от предыдущего случая в их состав входят в основном непредельные углеводороды, т.е. собственно терпены, моноциклического и бициклического рядов -ментанового, пинанового, борнанового, каранового и туйянового типа, основные представители которых приведены в таблицах 5.3.1-5.3.3 и на схемах 5.2.6-5.2.8, 5.3.1-5.3.2. Следует отметить, что соотношение этих терепенов в скипидарах, а значит и в нативных живицах, в очень сильной степени меняется в зависимости от рода и вида хвойных.
Таким образом, можно отметить, что природа (различные ее представители) использует широкий спектр монотерпеноидов для осуществления различных биологических функций, как правило, в виде достаточно сложных композиций, в которых не редки случаи повторения индивидуальных компонент в смесях различного действия, так же как и дублирование одного свойства различными соединениями.
