1.1 Введение 

         Терпеноиды  – это группа органических соединений, которые имеют единый путь биосинтеза и по строению углеродного скелета являются продуктами полимеризации изопрена:

                                                        

                                             (изопрен)

         Понятие «терпеноиды» объединяет терпены, то есть углеводороды с общей формулой (С₅Н₈)_n, где n ≥ 2, и их кислородсодержащие производные (спиты, альдегиды, кетоны, эпоксиды и кислоты).

         Терпеноиды  широко распространены в природе, главным образом, в растительных, реже – в животных организмах. Терпеноиды обнаружены практически во всех тканях растений (содержатся в эфирных маслах, скипидаре, смолах, бальзамах), найдены в продуктах жизнедеятельности некоторых бактерий и грибов, в секреторных выделениях насекомых.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                   1.2 Основное содержание 

         1.2.1 Строение терпеноидов 

         Изучением терпеноидов занимались многие ученые. Несмотря на то что терпеноиды имеют сравнительно простое строение, исследование их представляло в свое время значительные трудности из-за того, что в структуре этих соединений происходят определенные внутримолекулярные перегруппировки. Особенности строения молекул терпеноидов приводит к заметному их отличию от других органических соединений повышенной лабильностью, склонностью к изомерации, циклизации и полимеризации. Изомеризация и трансформация нередко проходит в мягких условиях, под действием света, кислорода воздуха, паров воды и т.п. Из-за легкой перегруппировки углеродного скелета терпеноидов русский ученый Е. Вагнер назвал их «химическими хамелеонами».

         Единство  построения терпеноидов из разветвленных  пятиуглеродных звеньев изопрена, соединенных в определенном порядке друг с другом, отметил швейцарский ученый Л.Ружичка. В результате обширных исследований по определению структуры терпеноидов он сформулировал «биогенетическое изопреновое правило», различая в нем общие и частные изопреновые правила.

         Согласно  общему изопреновому правилу все  терпеноиды состоят из изопреновых звеньев. Порядок, по которому соединяются изопреновые звенья в терпеноидах, определяется «частными изопреновыми правилами». Одно из таких правил – «правило гераниола» - гласит, что изопреновые звенья в молекуле терпеноидов соединяются по типу «голова к хвосту»: 

                                             

Например, в гераниоле: 
 

 
 
 
 

         «Правило  гераниола» применимо только к наиболее простым терпеноидам. В более сложных структурах (каротиноиды, стероиды, тритерпены) звенья изопрена в середине молекулы соединяются по типу «хвост к хвосту». 

         1.2.2 Классификация терпеноидов 

         В зависимости от числа входящих в  соединение углеродных атомов и частиц изопрена терпеноиды классифицируются на следующие группы:  

          I. С₅Н₈ — изопрены, или полутерпены (полутерпеноиды). Широко распространены в природе. Окисленной формой является изопентинилпирофосфат. 

          II. С₁₀Н₁₆ — монотерпены (монотерпеноиды). Делятся на подгруппы: а) ациклические: гераниол, цитраль, линалоол; б) циклические, из них моноциклические — ментол, цинеол, бициклические – камфора, ароматические — тимол, анетол.  

          III. С₁₅Н₂₄ — сесквитерпены, или «полуторные» терпеноиды: а) ациклические — фарнезол; б) моноциклические — бисаболен; в) бициклические — азулен, сантонин.  

          IV. С₂₀Н₃₂ — дитерпеноиды: хлорофилл, витамины группы К.  

          V. С₃₀Н₄₈ — тритерпеноиды. В эфирных маслах не встречаются; присутствуют в сапонинах.  

          VI. С₄₀Н₆₄ — тетратерпеноиды. Входят в состав каротиноидов, в эфирных маслах не встречаются.  

          VII. (С₅Н₈)_n — политерпены (политерпеноиды) — каучук, гуттаперча 

         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]-, би-цикло[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.

                          1.2.3 Физические и химические свойства

 

         Терпены имеют, как правило, плотность менее 1 г/см³; температура кипения собственно терпенов 150-190°С, сесквитерпенов 230-300 °С, дитерпенов более 300 °С; температура кипения терпеноидов обычно выше, чем температура кипения соответствующих терпенов. Все терпены растворимы в органических растврорителях (в первую очередь в неполярных), не растворимы в воде, хорошо растворяют масла, жиры и смолы. Многие терпены перегоняются (обычно в вакууме) с водяным паром: монотерпены легче, сесквитерпены и дитерпены труднее. Природные терпены в основном оптически активны.

         Терпены весьма реакционноспособны: легко окисляются на воздухе, особенно на свету, часто  превращаясь при этом в кислородсодержащие соединения; при нагревании изомеризуются (прежде всего при взаимодействии с кислыми агентами); диспропорционируют в присутствии катализаторов (Pd, Pt, Ni); по двойным связям легко гидрируются, гидратируются, присоединяют галогены, галогеноводороды, органические кислоты и т. д. При сильном нагревании без доступа воздуха (400-500 °С) кольца терпенов раскрываются, причем из бициклических терпенов можно получить моноциклические и даже алифатические. При нагревании до 700 °С и выше все терпены разлагаются с образованием сложной смеси продуктов (изопрен, ароматические углеводороды и др.).  
 

                          
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.2.4 Биогенез терпеноидов в растениях 
 

                1.2.4.1 Биогенез ациклических монотерпенов. 

         Биогенез  простейших монотерпенов протекает  в три стадии:  

         1-я  стадия - синтез мевалоновой кислоты; 

         2-я  стадия - образование изопренового интермедиата (интермедиат - промежуточное химическое соединение, участвующее в синтезе внутри системы),

         3-я  стадия - образование ациклического  монотерпена.

         Биосинтез катализируется соответствующими ферментными  системами.

         Энергия для биосинтеза обеспечивается АТФ (аденозинтрифосфорная кислота), которая при дефосфорилировании (АТФ → АДФ → АМФ) освобождает большое количество энергии (12 000-16000 кал на 1 моль Н₃РО₄). 

         Стадия 1-я. Уксусная кислота под влиянием кофермента А и АТФ (КоА) превращается в ацетил-КоА (КоА - кофермент А или сокращенно КоА и KoA-SH. При его участии происходит активирование уксусной кислоты и других кислотных остатков — ацилов. Он состоит из остатка пантотеновой кислоты (витамина), аденозина, тиоэтаноламина и трех остатков фосфорной кислоты.). Образовавшийся ацетил-КоА (СНзСО-S-KoA) содержит богатую энергией тиоэфирную связь, при гидролизе которой освобождается 8000 кал. Ацетил-КоА может затем передавать активированный ацил различным соединениям. КоА является важнейшим ацилирующим агентом в живом организме, участвующим в биосинтезе не только всех классов терпеноидов, но и многих других природных соединений.

         Далее происходит конденсация двух молекул  ацетил-КоА с образованием ацетоацетил-КоА. В результате дальнейшей конденсации ацетоацетил-КоА и ацетил-КоА образуется 3-метил-3-окси-глутарил-КоА, который восстанавливается в мевалоновую кислоту (за счет активированной КоА карбоксильной группы в спиртовую): 

           

         Стадия 2-я. На этой стадии под влиянием фермента киназы и АТФ мевалоновая кислота превращается в 5-фосфомевалоновую кислоту. При инкубации этого эфира с тем же аденозинтрифосфатом получается новый эфир - 5-пирофосфомевалоновая кислота. Далее происходит образование изопентенилпирофосфата, основной изопреноидной интермедиат, которого исследователям долгое время не удавалось выделить:

           

           Стадия 3-я. Вначале происходит изомеризация изопентенилпирофосфата в диметилаллилпирофосфат, а затем конденсация одной молекулы последнего с одной молекулой изопентенилпирофосфата (по типу «голова к хвосту») с образованием геранилпирофосфата: 

           

         Не  трудно себе представить, что если реакционно-способная  аллильная группа геранилпирофосфата атакует двойную связь другой молекулы изопентенилпирофосфата, то алифатическая цепь удлинится еще на один изопреновый остаток и по правилу «голова к хвосту» образуется ациклический сесквитерпен фарнезилпирофосфат: 

           

         1.2.4.2. Биогенез циклических монотерпенов. 

         Предполагают, что циклические монотерпены  биогенетически происходят из ациклического предшественника типа гераниола или линалоола. Ружичка (1953), развивая изопреновое правило, предложил ряд механизмов для образования этой группы терпенов с необходимой при этом циклизацией. 

                             

         1.2.4.3 Биогенез циклических сесквитерпенов. 

         Биогенетическим предшественником циклических сесквитерпенов являются ациклический сесквитерпен фарнезол и близкие к нему спирт неролидол и углеводород фарнезен.                                  

         При изложении своего изопренового правила  Ружичка сформулировал предполагаемую последовательность стадий, ведущих к образованию моноциклических сесквитерпенов типа бисаболена, бициклических и типа α-кадинена и трициклических типа цедрена. 

           

         1.2.4.4 Биогенетические связи некоторых сесквитерпенов

          

         Образующееся  из геранилпирофосфата сесквитерпеновое производное - фарнезилпирофосфат становится исходным веществом также для биосинтеза стероидов, тритерпенов и политерпенов. Это происходит после того, как две молекулы фарнезилпирофосфата после восстановительной димеризации по типу «хвост к хвосту» образуют сквален.  

           Общая схема биогенеза разных классов терпеноидов 
 
 

           
 
 
 

                  1.2.5 Методы анализа терпеноидов 

         Несмотря  на то, что набор физических и физико-химических методов исследования является общим для всех групп терпеноидов, каждая группа в силу специфики свойств и поведения её молекулярных объектов требует применения специальных приёмов и специально адаптированных методов исследования.

         При анализе индивидуальных терпеноидных соединений применяются реакции на функциональные группы (альдегидную и фенольную гидро-ксильные группы, двойные связи). Спиртовую группу ментола определяют методом ацетилирования, лактонную группу тауремизина - гидрокса-мовой реакцией, карбонильную группу камфоры - раствором ванилина в концентрированной серной кислоте.

         Подлинность эфирных масел устанавливают  по их физико-химическим свойствам. Определяют цвет, запах, вкус, плотность, удельное вращение показатель преломления, растворимость  в спирте, кислотное и эфирное число, состав действующих веществ и др. (ГФ ХI). Плотность эфирных масел колеблется в пределах 0,69-1,188. Угол вращения плоскости поляризации - один из наиболее важных показателей эфирного масла, так как отражает состав оптически активных веществ. Поскольку эфирные масла содержат смесь оптически активных веществ, то угол вращения плоскости поляризации представляет собой сумму вращения входящих в смесь ингредиентов и свидетельствует о качестве эфирного масла.