Terpeny i terpenoidy

ZWIĄZKI BIOLOGICZNIE CZYNNE
POCHODZENIA NATURALNEGO
WYKŁAD DLA SPECJALIZACJI:
BIOTECHNOLOGIA LEKÓW
DR INŻ. TOMASZ LASKOWSKI
KATEDRA TECHNOLOGII LEKÓW I BIOCHEMII
WYDZIAŁ CHEMICZNY POLITECHNIKI GDAŃSKIEJ
CZĘŚĆ VI:
TERPENY I TERPENOIDY
RANGA ZWIĄZKÓW NATURALNYCH
Pod względem rangi, związki naturalne można podzielić na trzy grupy:
RANGA ZWIĄZKÓW NATURALNYCH
BIOMAKROMOLEKUŁY
METABOLITY
PIERWOTNE
METABOLITY
WTÓRNE
RNA (mRNA, tRNA, etc.)
aminokwasy i peptydy
fenole i polifenole
DNA
cukry
flawonoidy
białka strukturalne
lipidy
terpeny i terpenoidy
enzymy
nukleotydy
alkaloidy
rybozymy
…i inne (?)
pochodne poliketydów
…oraz wiele ich pochodnych
steroidy
…oraz niezliczone ilości ich
pochodnych
„KREW” DRZEWA
W miejscach uszkodzenia drzew (głównie iglastych)
pojawia się żywica.
Jej funkcja polega na zabezpieczaniu „ran” drzewa,
pełni więc podobną funkcję, co płytki krwi.
Dodatkowo, w celu lepszej ochrony organizmu, jej
składniki powinny działać bakteriobójczo. Żywica
znajduje
się
specjalnych
przestrzeniach
międzykomórkowych lub w dedykowanych kanalikach,
które biegną przez cały pień oraz gałęzie drzewa.
Destylat z żywicy (destylacja z parą wodną) nazywa
się terpentyną.
Jednym z głównych składników terpentyny są
węglowodory o wzorze sumarycznym (C5H8)n, które
na cześć terpentyny nazwano terpenami.
Pochodne terpenów, tj. związki zawierające – prócz
szkieletu węglowodorowego terpenu – dowolne
heteroatomy nazywa się terpenoidami.
IZOPREN – JEDNOSTKA BUDULCOWA
Ogólny wzór sumaryczny terpenów - (C5H8)n - wyraźne sugeruje, że terpeny zbudowane są z jakiejś jednostki
budulcowej.Tą jednostką jest izopren.
IZOPREN – JEDNOSTKA BUDULCOWA
Izopren, a także pozostałe terpeny są produktami szlaku kwasu mewalonowego, który jest jednym
z najstarszych ewolucyjnie szlaków.
IZOPREN – JEDNOSTKA BUDULCOWA
Izopren, a także pozostałe terpeny są produktami szlaku kwasu mewalonowego, który jest jednym
z najstarszych ewolucyjnie szlaków.
IZOPREN – JEDNOSTKA BUDULCOWA
Izopren, a także pozostałe terpeny są produktami szlaku kwasu mewalonowego, który jest jednym
z najstarszych ewolucyjnie szlaków.
TERPENY I TERPENOIDY
Terpeny i terpenoidy to jedna z najbardziej licznych grup metabolitów wtórnych. Zawiera
dosłownie tysiące przedstawicieli, m.in.:

monoterpeny: ocymen, myrcen, limonen, p-cymen, α- i β-pinen, karen, sabinen, kamfen;

monoterpenoidy: geraniol, cytral, cytronellol, linalool, halomon, mentol, tymol, karwakrol,
kamfora, borneol, eukaliptol, tujon;

seskwiterpeny: zingiberen, humulen, kariofilen, kadinen, wetiwazulen, gwajazulen, longifolen,
kopaen, eudesman;

seskwiterpenoidy: paczulol, farnezol, santonina, diktioforyna A i B, knicyna;

diterpeny: sklaren, stemaren, taksadien, labdan, cembren A;

diterpenoidy: kwas abietynowy, afidiokolina, kafestol, ferruginol, forskolina, guanakastafen A,
kahweol, stewiol, tiamulina;

triterpeny: skwalen, oleanan, ursan;

triterpenoidy: ambreina, kwas ganoderowy, lanosterol, cholesterol, ergosterol, progesteron i
wszystkie amiryny, onoceryna, kwas betulinowy, kwas ursolowy…

…i wiele, wiele innych.
LIMONEN
(4R)-(+)-1-metylo-4-(1-metyloetenylo)cykoheksan
Skąd: olejek ze słodkich pomarańczy
brazylijskich, Citrus sinensis L. (Rutaceae)
C10H16, MW 136.23
Bezbarwa ciecz, bp 177-178°C, bp 42-43 °C
(900 Pa)
[α]25D +114.0° (c 0.264 g/mL, etanol)
Limonen jest dostępny komercyjnie.
Synonimy: D-(+)-Limonen, (+)-α-Limonen,
(+)-Dipenten, (R)-p-Menta-1,8-dien.
LIMONEN - IZOLACJA
LIMONEN – BADANIA STRUKTURALNE
UV-VIS + DICHROIZM KOŁOWY
Absoprcja w UV-VIS charakterystyczna
dla wiązań C=C.
Słaby dodatni efekt Cottona = obecność
chiralnie zaburzonego chromoforu.
LIMONEN – BADANIA STRUKTURALNE
IR (SPEKTROSKOPIA W PODCZERWIENI)
Charakterystyczne drgania: rozciągające
asymetryczne –CH3.
=C-H, -C-H, C=C, nożycowe
symetryczne
i
LIMONEN – BADANIA STRUKTURALNE
NMR (MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY)
LIMONEN – BADANIA STRUKTURALNE
NMR (MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY) - GCOSY
LIMONEN – BADANIA STRUKTURALNE
NMR (MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY) – DEPT, HSQC, HMBC
LIMONEN – BADANIA STRUKTURALNE
SPEKTROMETRIA MAS
W rozpadach jonów fragmentacyjnych
preferowane jest odrzucanie
obojętnych cząstek.
Odrzucenie izoprenu to główna
ścieżka rozpadu limonenu.
LIMONEN – BIOGENEZA
Limonen występuje w dwóch formach (R i S, zwyczajowo L i D). Ich mieszaninę racemiczną
nazywa się często dipentenem.
Ekologia chemiczna: limonen odpowiada za zapach owoców cytrusowych i jest uwalniany do
atmosfery, gdzie odpowiada za tworzenie „smogu” fotochemicznego.
MENTOL
(1R,2S,5R)-5-metylo-2-izopropylocykloheksanol
Skąd: olejek z mięty pieprzowej,
Mentha arvensis var. piperascens L.
(Lamiaceae)
C10H20O, MW 156.26
Bezbarwne kryształy, mp 40-42 °C,
[α]25D –50.7° (c 0.050 g/mL, etanol)
Dostępny komercyjnie.
Synonimy: alkohol mentylowy, (-)-mentol.
MENTOL
(1R,2S,5R)-5-metylo-2-izopropylocykloheksanol
Istnieje 8 diastereoizomerycznych form mentolu i każda posiada aktywność biologiczną.
MENTOL - IZOLACJA
MENTOL – BADANIA STRUKTURALNE
UV-VIS + IR (SPEKTROSKOPIA W PODCZERWIENI)
Brak charakterystycznych pasm absorpcji w UV-VIS.
IR: rozciągające O-H, -C-H, -C-O; deformacyjne
nożycowe symetryczne i asymetryczne –CH3, -CH2-;
prawdopodobnie deformacyjne O-H poza płaszczyznę.
MENTOL – BADANIA STRUKTURALNE
NMR (MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY)
dublet septetów
MENTOL – BADANIA STRUKTURALNE
NMR – DQF-COSY (C6D6)
8 9
6a
1
6a
9
8
2
6e
7
1
7
6e
2
MENTOL – BADANIA STRUKTURALNE
NMR – EDYTOWANE HSQC (CDCl3)
MENTOL – BADANIA STRUKTURALNE
NMR – NOESY (CDCl3)
MENTOL – BADANIA STRUKTURALNE
SPEKTROMETRIA MAS (ESI-MS)
+
odrzucenie rodnika izoprenowego (?), m/z = 71
MENTOL – BIOGENEZA
Generowanie centrum asymetrii na węglu 2 odbywa się na etapie 3, na węglu 1 – na etapie 4, zaś
na węglu 5 – na etapie transformacji izopiperitenolu do mentolu.
TUJONY
(1S,4R,5R)-4-metylo-1-izopropylobicyklo[3.1.0]heksan-3-on [α-tujon]
(1S,4S,5R)-4-metylo-1-izopropylobicyklo[3.1.0]heksan-3-on [β-tujon]
C10H16O, MW 152,24
Bezbarwna, lepka ciecz, bp 198 do 203 °C [pod ciśnieniem otoczenia]
Uwaga! W stanie wolnym tujony są toksyczne.
α-tujon
Skąd: szałwia lekarska (S), Salvia officinalis L. (Lamiaceae)
[α]20D -19.2°. Dostępny komercyjnie.
β-tujon
Skąd: bylica piołun (W), Artemisia absinthium L. (Asteraceae)
[α]20D +72.5°. Niedostępny komercyjnie.
TUJONY - IZOLACJA
TUJONY – BADANIA STRUKTURALNE
UV-VIS + CD + IR (SPEKTROSKOPIA W PODCZERWIENI)
Absorpcja UV-VIS charakterystyczna dla ketonu.
α-tujon (S) i β-tujon (W) w widmach CD wykazują
przeciwne efekty Cottona.
IR: rozciągające -C-H, -C=O; deformacyjne
nożycowe symetryczne i asymetryczne –CH3, -CH2-,
drgania C-C cyklopropanu.
TUJONY – BADANIA STRUKTURALNE
NMR (MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY)
S
W
TUJONY – BADANIA STRUKTURALNE
NMR – DQF-COSY + HSQC
TUJONY – BADANIA STRUKTURALNE
NMR – HMBC
S
W
Zaznaczone sygnały korelacyjne
dowodzą istnienia pierścienia
bicyklicznego [3.1.0].
TUJONY – BADANIA STRUKTURALNE
SPEKTROMETRIA MAS (ESI-MS)
TUJONY – BIOGENEZA
Ekologia chemiczna: tujony mają właśności
przeciwpasożytnicze,
fungistatyczne
i
antybakteryjne. Działanie przeciwpasożytnicze
jest możliwe w obliczu faktu, że tujon jest
neurotoksyną oddziałującą na receptory GABA.
Tujon nie może być dodawany do żywności,
może jednak występować w niej naturalnie w
stężeniach określanych przez odpowiednie
normy.
KNICYNA
Ester (3R)-(3aR,4S,6E,10Z,11aR)-2,3,3a,4,5,8,9,11,a-oktahydro-10-(hydroksymetylo)-6-metylo-3metyleno-2-oksocyklodeka[b]furan-4-ylowy kwasu 3,4-dihydroksy-2-metylenobutanowego
Skąd: liście drapacza lekarskiego,
Cnicus benedictus L. (Asteraceae)
C20H26O7, MW 378.42
Białawe, eleganckie szpilki,
mp 330-335 °C
[α]20D +142° (c = 0.01 g/mL, etanol)
Knicyna jest dostępna komercyjnie.
KNICYNA - IZOLACJA
KNICYNA – BADANIA STRUKTURALNE
UV-VIS + CD + IR (SPEKTROSKOPIA W PODCZERWIENI)
Absorpcja UV-VIS charakterystyczna dla estru ze
sprzężonym wiązaniem podwójnym.
Widmo CD: silny, dodatni efekt Cottona.
IR: rozciągające –O-H, -C-H, -C=O, -C-O; deformacyjne
nożycowe symetryczne i asymetryczne –CH3, -CH2-,
deformacyjne –O-H poza płaszczyznę.
KNICYNA – BADANIA STRUKTURALNE
NMR (MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY)
KNICYNA – BADANIA STRUKTURALNE
NMR – DQF-COSY + HSQC
KNICYNA – BADANIA STRUKTURALNE
NMR – HMBC
KNICYNA – BADANIA STRUKTURALNE
NMR – NOESY
KNICYNA – BADANIA STRUKTURALNE
SPEKTROMETRIA MAS (ESI-MS)
KNICYNA – BIOGENEZA
ONOCERYNA
(2S,2’S,4aR,4’aR,5S,5’S,8aR,8’aR)-5,5’-(1,2-etanodiylo)bis(dekahydro-1,1,4a-trimetylo-6-metyleno2-naftalenol)
Skąd: korzeń wilżyny ciernistej,
Ononis spinosa L. (Fabaceae or Leguminosae)
C30H50O2, MW 442.72
Bezbarwne kryształy, mp 208-210 °C
[α]21D +17.1° (c 0.0007 g/mL, chloroform)
α-onoceryna jest dostępna komercyjnie.
ONOCERYNA - IZOLACJA
ONOCERYNA – BADANIA STRUKTURALNE
UV-VIS + CD + IR (SPEKTROSKOPIA W PODCZERWIENI)
Absorpcja UV-VIS charakterystyczna dla wiązania
podwójnego.
Widmo CD: silny, ujemny efekt Cottona.
IR: rozciągające –O-H, =C-H, -C-H, -C=C-, -C-O;
deformacyjne nożycowe symetryczne i asymetryczne
–CH3, -CH2-, deformacyjne –O-H poza płaszczyznę.
ONOCERYNA – BADANIA STRUKTURALNE
NMR (MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY)
ONOCERYNA – BADANIA STRUKTURALNE
NMR – DQF-COSY + NOESY
ONOCERYNA – BADANIA STRUKTURALNE
SPEKTROMETRIA MAS (ESI-MS)
ONOCERYNA – BIOGENEZA
OH
HO