Белянин М.Л. Биологически активные вещества природного происхождения

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

М.Л. Белянин

БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА

ПРИРОДНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

Рекомендовано в качестве учебного пособия

Редакционно-издательским советом

Томского политехнического университета

Издательство

Томского политехнического университета

2010

Содержание

Страница

1. Введение………………………………………………………………….6

2. Предельные и непредельные алифатические углеводороды,

функциональные производные алифатических углеводородов ……9

2.1. Предельные алифатические углеводороды……………………….…..9

2.2. Непредельные алифатические углеводороды…………………….....10

2.3. Функциональные производные алифатических углеводородов…...11

2.3.1. Алифатические кислоты…………………………………………....14

2.3.2. Длинноцочечные жирные кислоты и их производные ……….….16

3. Ацетиленовые и алленовые соединения…………………………....18

4. Производные с малыми, средними и большими углеродными

циклами, лактоны и лактамы.................................................................22

4.1. Производные циклопропана…………………………………………22

4.2. Производные циклопентана………………………………………….23

4.3. Производные циклогексана…………………………………………..25

4.4. Производные со средними и большими циклами…………………..28

4.5. Лактоны и лактамы……………………………………………………29

4.5.1. γ – Лактоны………...………………………………………………..29

4.5.2 δ – Лактоны…………………………………………………………..32

4.5.3. Пяти- и шестичленные лактамы…………………………………....35

4.5.4. Макроциклические лактоны и лактамы…………………………...35

5. Изопреноиды…………………………………………………………...38

5.1. Монотерпеноиды……………………………………………………...38

5.1.1. Ациклические монотерпеноиды…………………………………...39

5.1.2. Монотерпеноиды с малыми циклами ……………………………. 44

5.1.3. Циклопентановые монотерпеноиды. Иридоиды……………….…45

5.2. Сесквитерпеноиды…………………………………………………….47

5.2.1. Ациклические сесквитерпеноиды………………………….………47

5.2.2. Моноциклические сесквитерпеноиды………………………..……49

5.2.3. Сесквитерпены с двумя и более циклами…………………………54

5.3. Дитерпеноиды………………………………………………………....61

5.3.1. Ациклические дитерпеноиды………………………………………61

5.3.2. Моноциклические дитерпеноиды………………………………….62

5.3.3. Бициклические дитерпеноиды……………………………..………63

5.3.4. Трициклические дитерпеноиды……………………………………64

5.4. Тритерпеноиды……………………………………………………. …65

5.4.1. Тетрациклические тритерпеноиды………………………….… ….65

5.4.2. Пентациклические тритерпеноиды……………………………. ….69

5.4.3. Тритерпеновые сапонины…………………………………………..71

5.4.4. Стерины, стероиды………………………………………………….74

Страница

6. Ароматические природные соединения. Ацил-

бензолы, алкилфенолы……………….………………………………….76

6.1. Простые производные бензола……………………………………….78

6.2. Алкилированные фенолы……………………………………………..79

6.3. Ацилбензолы…………………………………………………………..81

6.4. Ароматические соединения, содержащие несколько

неконденсированных бензольных колец....................................................81

6.5. Гетероциклические ароматические соединения…………………….86

6.5.1. Производные бензофурана…………………………………………86

6.5.2. Производные бензопирана………………………………………....88

6.5.3. Арилбензо[b]пираны. Флаваноиды……………………………..…96

6.5.4. Производные нафталина…………………………………………..103

6.5.5. Производные антрацена………………………………………...…106

7. Алкалоиды…………………..……………………………………...…108

7.1. Ациклические основания……………………………………………109

7.1.1. Полиамины и полиаминовые алкалоиды……………………...…110

7.2. Азотсодержащие соединения с малыми циклами…………………111

7.3. Производные пиррола……………………………………………….112

7.3.1. Производные пирролидина и пирролина………………………...113

7.3.2. Пирролизидиновые алкалоиды…………………………………...115

7.4. Производные пиридина и пиперидина……………………………..117

7.4.1. Пиридиновые алкалоиды …………………………………………117

7.4.2. Пиридоновые алкалоиды………………………………………….119

7.4.3. Производные пиперидина и пиперидеина……………………….120

7.5. Производные индолизина…………………………………………...120

7.6. Поизводные тропана и других гетероциклов с мостиковым

азотом……………………………………………………………………..121

7.7. Изохинолиновые алкалоиды………………………………………..123

7.7.1. Бензилизохинолиновые алкалоиды………………………………124

7.7.2. Апорфиновые алкалоиды………………………………………….126

7.7.3. Морфинаны…………………………………………………….......127

7.7.4. Протобербериновые алкалоиды………………………………….128

7.7.5. Катаболизм протобербериновых алкалоидов……………………129

7.8. Алкалоиды производные индола…………………………………...130

7.8.1. Простые производные триптамина и триптофана……………….130

7.8.2. Конденсированные индолсодержашие гетероциклы……………131

7.8.3. Карбазольные алкалоиды………………………………………….133

7.8.4. β - Карболиновые алкалоиды…………………………….………133

7.8.5. Индольные иридоидные алкалоиды……………………………...134

7.9. Алкалоиды с азоловым, азиновым и другими гетероциклами…....136

7.9.1. Производные имидазола…………………………………………..137

Страница

7.9.2. Производные оксазола и изоксазола…………………………..…137

7.9.3. Производные пиримидина………………………………………...138

7.9.4. Производные пиразина, пиперазина и оксазина…………………140

7.9.5. Производные пурина……………………………………………....140

Список используемой литературы………………………………………141

1. Введение

Материал данного учебного пособия в основном написан на

основе обзора Семенова А.А. «Очерк химии природных соединений».

Предлагаемое учебное пособие содержит информации

значительно меньше, чем обзор, но это как раз позволит более четко

понять и осмыслить многообразие в строении соединений, выделенных

из природных источников, провести «химическую классификацию того,

что вообще трудно подвергнуть классификации из-за чрезвычайного

многообразия».

Химия природных соединений – одна из наук, изучающих

химический состав живой материи. Основная задача ее состоит в том,

чтобы обнаружить, выделить в чистом виде и установить химическую

структуру вещества, находящегося в том или ином живом организме –

бактерии, беспозвоночном или позвоночном животном, грибе или

высшем растении. Обычными объектами химии природных соединений

служат растения, грибы и беспозвоночные. Именно эти организмы

характеризуются способностью вырабатывать разнообразные по

структуре и функциям органические соединения.

Возникновение в живых организмах различных органических

соединений связано с двумя процессами: синтеза и распада.

Для обеспечения своего существования живая природа должна

производить и использовать энергию. Ее первичным источником

служит солнечное излучение. Поглощая энергию его квантов, растения

из углекислого газа и воды создают молекулы органических веществ –

углеводов, белков, липидов, полинуклеотидов, составляющих основу

жизни. Животные и грибы не обладают этой способностью и поэтому

должны получать эти вещества с пищей.

Как растения, так и животные используют эти биологические

полимеры для двух целей. Во-первых, они составляют основу

структурных элементов органов и тканей. Во-вторых, они подвергаются

многоступенчатому процессу ферментативного окисления в конечном

счете до СО

и Н

О. Живые организмы способны запасать выделяемую

при этом окислении энергию и рационально ее использовать для

поддержания своего существования и воспроизведения. Совокупность

согласованных и регулируемых химических реакций, которые

происходят при этом, носит название основного метаболизма и служит

предметом изучения биологической химии.

В качестве промежуточных веществ основного метаболизма

образуются простые органические молекулы, такие как моносахариды,

производные органических кислот и др. Некоторая часть их не

окисляется до СО

и Н

О, а служит исходным субстратом для

вторичного метаболизма.

В ходе этого процесса такие простые молекулы, как, например,

уксусная кислота, используются для конструирования – биосинтеза –

разнообразных веществ, необходимых для жизнедеятельности

конкретного вида организмов. Биосинтез каждого природного

соединения состоит из ряда стадий, каждая из которых катализируется

специфическим белковым катализатором – ферментом. В результате из

небольшого количества предшественников образуется огромное

разнообразие органических соединений, называемых вторичными

метаболитами. Изучением их структур и путей образования и

занимается химия природных соединений.

Химический состав высших форм жизни достаточно однообразен.

Одни и те же химические соединения функционируют в теле лягушки и

человека. Хотя эволюционно между ними огромная разница. В то же

время даже близкие и родственные виды растений, грибов или

водорослей различаются между собой, иногда очень сильно, по природе

вторичных метаболитов. Каждый вид уникален по химическому

составу.

Количество известных к настоящему времени вторичных

метаболитов составляет примерно 50 - 60 тысяч. Однако это очень

маленькая часть от реально существующих в живой природе. Даже в

наиболее изученном царстве растений в руках химиков побывало

только 6 - 7% объектов из имеющихся на Земле 750 тысяч видов.

Каждое вещество в живом организме выполняет какую-либо

функцию. Когда его обнаруживают, то стремятся понять – зачем, с

какой целью оно синтезируется в организме. Ответ на этот вопрос

представляет собой шаг вперед к пониманию устройства и

функционирования живой материи.

В настоящее время одна из основных задач в химии природных

соединений – изучение биологически активных соединений. Такие

вещества могут служить лекарственными препаратами, пищевыми

добавками и др.

Практика постоянно ставит задачи поиска веществ с новыми

видами биологической активности. Зачастую в структурах природных

веществ заключена ценная информация о связи биологического

действия с химическим строением.

Структура природных веществ устанавливается всем комплексом

физических, физико-химических и химических методов. Но наилучший

способ установления и подтверждения структуры – встречный синтез.

Однако ввиду большой сложности вторичных метаболитов иногда

«синтетического арсенала» не хватает для их синтеза и возникает

потребность в создании новых методов и их комбинаций. В этом

смысле химия природных соединений служит важным стимулом

развития органического синтеза.

В изучении природного соединения можно выделить несколько

этапов:

1. Обнаружение и выделение в чистом виде;

2. Установление структуры;

3. Изучение функций изучаемого вещества в организме;

4. Пути биосинтеза,

Из-за большой сложности строения молекул природных

соединений их полные названия по правилам IUPAC громоздки и

неудобны. Поэтому очень широко используются тривиальные названия.

В основном названия даются, исходя из латинских имен природных

объектов, откуда они впервые были выделены. Например, название

природного вещества ледола произошло от латинского имени растения

Ledum palustre (багульник болотный), из которого он был выделен.

Многие природные алифатические соединения обладают

биологической активностью, т.е. будучи введены в организм в малых

дозах, вызывают четко выраженные физиологические эффекты.

Помимо понятия «биологически активные соединения» к природным

соединениям можно применить «биологически важные соединения».

Это соединения, выполняющие в живом организме какую-либо

существенную физиологическую функцию. В большей мере это

является условностью, т.к. все метаболиты имеют определенное

функциональное значение в организме, где они образуются. К

биологически важным соединениям обычно относят те из них, роль

которых достаточно хорошо выражена и изучена.

Например, компоненты воска, покрывающего листья (кутин)

важны для растений. Они служат защитой листьев от чрезмерного

испарения влаги. Без этого растения не смогли бы существовать даже в

условиях умеренной влажности. Поэтому воск следует отнести к

биологически важным соединением для растительного мира. Но

введение его в организм не сопровождается ответными

физиологическими реакциями, следовательно, он не обладает

выраженной биологической активностью.

В то же время выделенный из люцерны (Medicago) спирт

триакантанол CH

(CH

)

OH относится к очень сильным

стимулятором роста растений. Достаточно 0,000045 мг на одно

растение, чтобы вызвать увеличение массы и скорости удлинения

стеблей.

В основном, изучение природных соединений связанно с поиском

биологически активных веществ.

2. Предельные и непредельные алифатические

углеводороды, функциональные производные

алифатических углеводородов

2.1. Предельные алифатические углеводороды

Простейший углеводород – метан (CH

) образуется в очень большом

количестве в итоге функционирования архебактерий. Считают, что

ныне существующие газовые месторождения – результат их

деятельности в предшествующие эпохи.

Другой простейший углеводород – этан (CH

) синтезируется в

небольших количествах (6 мкл этана на 1 г зеленой массы в сутки) в

сосновых иголках. Одна из его функций – отпугивание насекомых.

В целом для растений характерны высшие предельные

углеводороды с нечетным числом атомов углерода. Например, скипидар

из сосны Pinus sabiriana на 95% состоит из н-гептана (CH

-(CH

)

-CH

Более распространены углеводы с более длинным углеродным скелетом

). В основном они выполняют защитную функцию, покрывая

поверхностные ткани растений и создавая тем самым механическое

препятствие от проникновения вредных факторов (грибы, бактерии,

кислотные осадки и др.).

Некоторые алифатические соединения обладают очень высокой

биологической активностью.

В жизни многоклеточных организмов определенное значение

имеют химические средства общения. Некоторые вещества, выделенные

одним организмом, воспринимаются органами чувств другого как

сигналы, несущие определенную информацию. Особенно большое

значение химическое общение имеет в мире беспозвоночных, в

частности насекомых. Специфические метаболиты, регулирующие их

поведение, носят название феромонов. В зависимости от характера

передаваемой информации феромоны разделяют на несколько типов в

соответствии с их функциональным назначением: половые

аттрактанты (привлекают особей противоположного пола), вещества

тревоги, защитные вещества и др.

Подавляющее число аттрактантов относится к алифатическим

соединениям с ациклической слабо разветвленной углеродной цеппью.

Например, тигровый мотылек выделяет в качестве аттрактанта

углеводород 2-метилгептадекан 1, а 15,19-диметилтриаконтан 2 найден

в составе привлекающей жидкости насекомого - жигалки осенней.

2.2. Непредельные алифатические углеводороды

Одним из самых распространенных соединений в растительном

мире можно назвать этилен (CH

=CH

). Он является растительным

гормоном (фитогормоном), регулирующим определенные

физиологические процессы во всем растительном мире. Образно его

можно назвать «гормоном старения», т.к. под его влиянием происходит

созревание и опадение плодов, опадение листьев и цветов. Его

биосинтез происходит из аминокислоты метионина посредством

фермента АЦПК-оксидазы:

COOH

-HSCH

COOH

+ O

C CH

+ CO

+NH

+HCOOH

Также, некоторые непредельные алифатические углеводороды

выполняют функцию феромонов. Половой аттрактант обычной

домашней мухи (Musca domestica) – цис-9-трикозен 3. Самки бабочки

Utethria ornatix производят несопряженный триеновый углеводород 4.

2.3. Функциональные производные алифатических углеводородов

Достаточно распространены в растительном и животном мире

алифатические предельные и непредельные соединения, несущие

функциональные группы, например OH, COOH, COH.

Так, в состав природных восков входят длинноцепочечные

неразветвленные алифатические спирты и их сложные эфиры с

жирными кислотами.

COOH

HOOC

пальмитиновая кислота

церотиновая кислота

цетиловый спирт

цериловый спирт

мирициловый спирт

жюнол

Летучие спирты с относительно небольшой молекулярной массой,

часто содержащие и другие функциональные группы, входят в состав

композиций, определяющих запах природных продуктов. Например,

гепт-4-ен-2-ол 5 определяет аромат бананов; 3-(метилтио)-гексанол 6

компонент запаха гранадиллы. Запах свежей зелени обусловлен гексен-

3-олом 7. Помимо спиртовых групп, придают «аромат» и другие,

альдегидные и кетонные. Так, запах огурцов обусловлен нона-2,6-