Химия изопреноидов. Глава 2. Классификация, номенклатура и строение изопреноидов

Химия растительного сырья. 2005. №2. С. 63-68.

Проблемы образования в области химии и технологии растительного сырья

ХИМИЯ ИЗОПРЕНОИДОВ. ГЛАВА 2. КЛАССИФИКАЦИЯ, НОМЕНКЛАТУРА И СТРОЕНИЕ ИЗОПРЕНОИДОВ

© В.В. Племенков

Казанский медицинский университет, ул. Бутлерова, 49, Казань, 420012 (Россия) E-mail: plem-mu@mi.ru

Мы начинаем публиковать избранные главы новой книги В.В. Племенкова «Химия изопреноидов». Вашему вниманию предлагается вторая глава этого пособия, посвященная класификации, номенклатуре и строению изопреноидов.

Вопросы классификации и номенклатуры природных соединений непросты по уже указанным причинам (многообразие субстанций, разнообразие и сложность структур), но в области изопреноидов, невзирая на огромность этого класса природных соединений, дело обстоит достаточно благополучно - здесь разработана своя последовательная систематика с номенклатурой, рационально сочетающей тривиальную и систематическую.

Уже само название класса - изопреноиды указывает на ключевой фрагмент их структуры и ключевое номенклатурное слово - изопрен, которое можно считать чуть ли не магическим при погружении в химию этого класса природных веществ. Во-первых, изопрен выделяется при термолизе многих изопреноидов, иногда даже как главный продукт; во-вторых, структура любого изопреноида может быть графически разбита на изопреновые, а точнее, изопентановые фрагменты, что и запечатлено в виде «изопренового правила» Ружички. Наконец, основной биосинтетический путь формирования углеродного скелета изопреноидов сводится к конденсации фосфатных производных с изопренильным фрагментом, о чем будет сказано детально в следующей главе. Следует сразу отметить, что под изопреновым остатком мы подразумеваем не только, а скорее, не столько соответствующий диеновый углеводород, сколько его гидрированые варианты - изопентеновый и изопентановый. Другими словами, здесь главным является изопентановое построение углеродного скелета, а не степень его ненасыщенности. Второе, менее строгое правило построения изопре-ноидных молекул - конденсация изопреноидных фрагментов осуществляется по схеме «голова к хвосту» (метиленовый фрагмент - «голова», винильная группа - «хвост», схема на рис. 2.1), оно также логически вытекает из схемы их биосинтеза и является расширением «изопренового правила».

Теперь, когда мы видим, что углеродный скелет всех изопреноидов имеет состав, кратный С5, становится понятной принятая для них классификация, основанная на этом факте. Казалось бы, этот фрагмент и должен быть взят за единицу измерения при составлении изопреноидного ряда, но исторически сложилось так, что на заре развития химии этого класса соединений сначала были открыты изопреноиды состава С10 и не было сведений об изопреноидах состава С5, потому отсчет начали от соединений с двумя изопреновыми остатками и назвали их монотерпенами (в тот период развития органической химии все иопреноидные соединения назывались терпенами, а к настоящему моменту названия изопреноиды и терпеноиды можно считать синонимами), хотя при дальнейшем движении по ряду шаг равен законному фрагменту С5. Таким образом, фрагмент изо-С5 можно считать половинкой терпена (когда были обнаружены изопреноиды соответствующего ему состава, то их назвали гемитерпенами) и тогда вся изопреноидная, терпеноидная классификация будет выглядеть так, как это представлено в таблице 2.1.

Уа Ха /“А Ха Ха

изопрен изопентены изопентан

I-------------1

Фрагментация изопреноидов по изопреновому правилу Рис. 2.1.

Таблица 2.1 . Классификация изопреноидов (терпеноидов) в соответствии с изопреновым правилом

Углеродный состав Название класса

С5 Гемитерпены

Сю Монотерпены

с 15 Сесквитерпены

С20 Дитерпены

С25 Сестертерпены

С30 Тритерпены

С40 Тетратерпены

В настоящее время, пока еще как дополнительная, используется более логичная и систематичная терминология, где С5-фрагмент обозначен корневым словом «пренил», к которому добавляется числовой префикс; тогда гемитерпеноиды - это монопреноиды, монотерпеноиды - это дипреноиды и т.д. Комиссией ШРАС рекомендовано присваивать систематические названия ациклическим терпеноидам начиная с соединений, молекулы которых имеют четыре и более изопреновых звеньев, т.е. после гераниола (Сю) и фарнезола (С:5) следует тетрапренол вместо геранил-гераниола, пентапренол вместо фарнезил-гераниола и т.д. Но практически эти названия пока приняты для изопреноидов с достаточно большим углеродным ациклическим скелетом, собранным в соответствии с «изопреновым правилом» со спиртовой или подобной ей функцией в «хвосте» молекулы, например, изопреноидный спирт состава С45 называется нонапренол.

Внутри каждого класса терпеноидов классификация проводится в первую очередь по степени цикличности углеродного скелета, т.е. выделяют ациклические и циклические терпеноиды, а поскольку последние составляют основную массу терпеноидов, их далее подразделяют на моноциклические, бициклические, трициклические и т.д. Следует подчеркнуть, что речь идет о карбоциклах - часто встречающиеся циклические фрагменты (оксирановые, фурановые, пирановые) следует рассматривать как функциональные группы. В свою очередь последующая, более глубокая структурная детализация терпеноидов связана с размерами циклов (циклопентановые, циклогексановые и т.д.) и характером полициклизации, она отличается большим разнообразием: бициклогептановые монотерпены, например, представлены бицикло[2.2.1]-, бицикло [4.1.0]-, бицикло [3.1.1]-системами. Названия этих групп терпеноидов определяются обычно в соответствии с тривиальными названиями ключевых соединений, которые, в свою очередь, определились по природным источникам, где они были найдены впервые. Функциональные производные терпенового ряда иногда носят тривиальные названия, если они характерны и часто встречаются, а иногда их строят по правилам систематической номенклатуры, используя тривиальные названия исходных терпенов в качестве корневых. Вообще о номенклатуре изопреноидов можно сказать, что она основана на широком симбиозе тривиальной и систематической номенклатур классической органической химии (схема на рис. 2.2).

OH

лимонен

ментадиен-1,3

гвайазулен -^=- 1,4-диметил-7-изопропилазулен

Рис. 2.2.

СНО

мирцен

цитраль

ОН

СН-

V

<

ОН

a-терпинеол

CH3

COOH тиглиновая кислота

Рис. 2.3.

О функциональном содержании этого класса природных соединений следует отметить следующее: 1) ключевыми являются углеводороды, как правило, ненасыщенные, степень ненасыщенности которых обратна степени циклизации, например, если ациклический монотерпен содержит три олефиновых связи, то соответствующий ему моноциклический терпен будет содержать две таких связи, а бициклический -уже только один олефиновый фрагмент; 2) основные функциональные группы в природных изопреноидах построены на основе кислорода - спиртовые и фенольные, альдегидные и кетонные, карбоксильные, эфирные и сложноэфирные, встречаются перекисные и гидроперекисные производные. Функционализация тер-пеновой молекулы, как правило, сопровождается понижением степени ненасыщенности, в то же время в некоторых случаях этот процесс сопровождается дегидрированием и приводит к изопреноидам с ароматическим основным скелетом или фрагментом (см. схему на рис. 2.3).

Редкими функциональными производными изопреноидов, в основном с малыми углеродными скелетами, являются серосодержащие и галогенсодержащие терпены, последние найдены только в морских организмах и сравнительно недавно.

Большая группа, точнее, несколько отдельных классов природных соединений с изопренильными фрагментами, представлена веществами смешанной биогенетической природы, веществами сопряженного биосинтеза, молекулы которых образованы из фрагментов изопренильной природы и фрагментов некоторых других классов природных метаболитов (флавоноидов, алкалоидов и т.д.), биосинтезируемых другими, отличными от изопреноидного путями.

ментан

Широко распространена в мире изопреноидов структурная и пространственная изомерия - в первом случае характерна изомерия терпенов по положению двойных связей углерод-углерод и функциональных групп, как правило, спиртовых; пространственная изомерия терпеноидов связана обычно с (Реконфигурацией асимметрических центров, реже с (2,Б)-конфигурацией олефиновых фрагментов; хиральные изопреноиды, а таковы они в абсолютном большинстве, обычно энантио-индивидуальны, но конфигурация молекулы при этом может меняться в зависимости от источника выделения (см. схему на рис. 2.4).

Особенно широко распространена и разнообразна в среде изопреноидов конфигурационная изомерия би-циклических соединений с нулевым мостиком, общей структуры бицикло [т.0.п]-, для которых возможны цис- и транс-сочленения циклических фрагментов. Если значения т и п невелики, то, как правило, имеет место цис-сочленение циклов (комбинация трех- и четырехчленных циклов с пяти- и шестичленными циклами); в случае же сочленения циклов больших размеров возможны уже варианты и с транс-конфигурацией системы (например, комбинация циклобутанового и циклононанового фрагментов или двух циклогексано-вых). Последний вариант, вариант декалина, наиболее часто встречается в структурах бициклических и по-лициклических изопреноидов, от сесквитерпенов до тритерпенов включительно (см. схему на рис. 2.5).

оцимен

аллооцимен

б-пинен

в-пинен

СН2ОН

гераниол

нерол

линалоол

Рис. 2.4,

цис-

транс-

Н

цис-декалин

Н

Н

транс-декалин

В результате различных последующих метаболических процессов молекулы изопреноидов могут претерпевать определенные структурные изменения, которые приводят к соединениям с нарушенной изопре-ноидной структурой (своего рода «изопреноиды-инвалиды»). Иногда эти нарушения закладываются уже по ходу их биосинтеза - в первую очередь это относится к нарушению правила «голова к хвосту», встречающемуся весьма часто и часто приводящему к сильно разветвленным углеродным скелетам. Здесь можно отметить молекулу сквалена (гексапрена), построенную из двух фарнезильных (трипренильных) фрагментов, соединенных по схеме «хвост к хвосту»; в молекуле хризантемовой кислоты один изопренильный остаток присоединен по срединной связи С2—С3 второго изопренильного фрагмента; структуры разветвленных ациклических терпенов, найденных в осадочных органических породах и некоторых морских организмах, образованы присоединением изопренильной (геранильной и т.д.) группы по центру более длинной полипренильной цепочки, фарнезильной и т.д. (см. схему на рис. 2.6).

Также широко в природе представлены изопреноиды деградированной структуры - изопреноиды, потерявшие один и более атомов углерода, при этом потери иногда могут быть весьма значительными, как, например, в ряду тритерпенов, где из молекулы сквалена образуется серия тетрациклических соединений, под общим названием стероиды, с содержанием углерода от С30 до Сі8 . Деградация углеродного скелета изопреноидов может осуществляться по двум основным схемам - либо поэтапным удалением метильных групп реакциями окислительного декарбоксилирования либо окислительным расщеплением молекул по месту двойной связи, которое обычно убирает из изопренильного скелета одноэтапно фрагмент из нескольких углеродных атомов, а в случае молекул симметричных относительно двойной связи, такое окисление приведет к разделению исходного терпеноида на две молекулы с половинным содержанием изопренильных остатков. Если деградированный терпеноид не имеет характерного тривиального названия, т.е. является эпизодическим, то ему присваивается название исходного, правильного терпеноида с приставкой пог- (см. схему на рис. 2.7).

Рис. 2.6.

борнен нор-борнен

Повышение углеродного содержания в скелете изопреноидов встречается значительно реже и обычно ограничивается прибавкой в один углеродный атом. Этот процесс реализуется реакцией метилирования олефиновых связей, своего рода электрофильным присоединением метил-катиона, генерируемого из соответствующего энзима (S-аденозил-метионин, SAM, например), либо своеобразным нуклеофильным замещением гидроксильной функции метил-анионом, генерируемым металл-энзимом со связью метил-металл, метилкобаламин (см. схему на рис. 2.8). Терпеноиды с повышенным содержанием углеродных атомов в основном скелете обозначают приставкой homo-.

CH3

-5n

OH

\ /

>M\

^CH3

\ /

/M\

OH

C

+

Рис. 2.8.

В природе нередки случаи нарушения изопреноидной структуры молекул, связанные с различного рода изомеризационными процессами, такими как миграция метильной группы, катализируемая кислотами или основаниями, или с расщеплением циклического фрагмента в уже образованной полициклической системе, как правило, в процессе окислительного метаболизма, что обозначается префиксом і'всо- с цифровым указанием места разрыва связи (см. схему на рис. 2.9).

H

O

Рис. 2.9.

В заключение отметим, что термином терпены мы будем определять углеводороды, в большей части ненасыщенные, соответствующие по составу и структуре изопреновым правилам. А, все их функциональные производные и соединения с нарушенной изопреноидной структурой следует называть терпеноидами или изопреноидами. Два последних термина являются синонимичными и имеют общий характер для всего класса этих природных веществ, а терпены - их ключевые соединения.

Отметим, что тривиальные названия соединений в этой книге иногда будут приведены в латинской (английской) транскрипции, взятой из оригинальных литературных источников, поскольку их написание на русском языке неизвестно и не всегда очевидно.