Введение в химию природных соединений

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

54(07)
К40




Д.Г. Ким, Е.С. Ильиных

ВВЕДЕНИЕ В ХИМИЮ ПРИРОДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Учебное пособие




Челябинск
2019

     Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Южно-Уральский государственный университет
                Кафедра «Теоретическая и прикладная химия»



54(07)
К40







Д.Г. Ким, Е.С. Ильиных

ВВЕДЕНИЕ В ХИМИЮ ПРИРОДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ



Учебное пособие














Челябинск Издательский центр ЮУрГУ 2019

  УДК 54(075.8)
  К40


                   Одобрено учебно-методической комиссией Института естественных и точных наук


Рецензенты:
Носова Э.В., д. х. н., доцент кафедры органической и биомолекулярной химии Уральского федерального университета им. первого Президента России Б.Н. Ельцина; Шуров С.Н., д. х. н., профессор кафедры органической химии Пермского государственного национального исследовательского университета


         Ким, Д.Г.

   К40 Введение в химию природных соединений: учебное пособие / Д.Г. Ким, Е.С. Ильиных. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2019.- 154 с.
             Учебное пособие составлено в соответствии с программой дисциплины «Химия природных соединений» для студентов-магистров направления «Химия» высших учебных заведений.
             Химия природных соединений представляет собой химию органических полифункциональных производных углеводородов, составляющих основной массив веществ живой материи. Курс «Химия природных соединений» располагает большими возможностями для расширения профессионального кругозора, повышения общей образованности и культуры, иллюстрации востребованности теоретических знаний курса в повседневной жизни человека.
             В учебном пособии рассмотрены основные классы природных соединений, приведена их классификация, особенности молекулярной структуры, природные источники, важнейшие химические свойства, роль в деятельности живых систем, а также показана связь свойств природных соединений со строением их молекул и химическая природа вкуса, цвета, запаха.
             Учебное пособие предназначено для самостоятельной работы студентов-магистров на практических занятиях и может быть полезно также для преподавателей вузов, лицеев и школ, аспирантов и научных сотрудников.
             Авторы выражают благодарность студентке магистратуры Морозовой М.В. за помощь в подготовке пособия.
УДК 54(075.8)

© Издательский центр ЮУрГУ, 2019

        ВВЕДЕНИЕ


   Известно, что растения синтезируют и накапливают огромное количество специфических соединений, которые, как принято считать, прямо не участвуют в основном (первичном) обмене веществ. Эти соединения были названы вторичными в противоположность первичным (нуклеиновые кислоты, белки, витамины, гормоны, большая часть углеводов, жиров и др.).
   На данный момент не существует строгих определений терминов «вторичный обмен» и «вторичные метаболиты», хотя совокупность характерных признаков в целом сформулирована (табл. 1).
Таблица 1


Характерные признаки первичных и вторичных метаболитов

    Первичные метаболиты                 Вторичные метаболиты           
1) непосредственно участвуют  1) прямо не участвуют в основном обмене   
в процессах питания, деления, веществ                                   
роста клеток                                                            
2) в целом универсальны для   2) свойственны таксономически близким ро- 
живых организмов              дам, видам или даже одному виду (хемоспе- 
                              цифичность)                               
3) обязательные компоненты    3) в большей степени характерны дифферен- 
любой живой клетки            цированным или специализированным клет-   
                              кам и тканям                              
4) имеют значение на уровне   4) низкомолекулярные соединения (2-3 кДа),
клетки                        имеющие ограниченное число биосинтетиче-  
                              ских предшественников - первичных мета-   
                              болитов                                   
                              5) обладают высокой биологической актив-  
                              ностью                                    
                              6) образуются преимущественно у непо-     
                              движных организмов (растений, грибов, про                              кариот, губок и др.)                      
                              7) основное функциональное значение имеют 
                              на организменном и популяционном уровнях  

   Многие соединения, несмотря на типичность структуры и путей биосинтеза, свойственные классам вторичных метаболитов, отнесены к первичным, например, фитогормоны (АБК, гиббереллины, брассиностерои-ды), фитостерины, каротиноиды, пласто- и убихиноны и др. Это свидетельствует об условности разделения веществ первичного и вторичного происхождения, с одной стороны, и о первостепенном значении функциональной роли данных соединений, с другой.


3

   Вторичный метаболизм часто рассматривают как характерную особенность общего обмена со своими генетическим материалом и ферментами, присущую определенным органам растения и фазам его развития. В связи с этим термины «специализированный обмен» и «специализированные соединения» лучше отражают классическое положение о том, что вторичный метаболизм свойствен в большей степени дифференцированным клеткам и тканям.
   Вплоть до середины XX в. вторичные вещества изучали преимущественно в прикладном аспекте как потенциальные лекарства, яды, полимеры, масла, воска и т. д.; в англоязычной литературе по отношению к ним используется термин «natural products». В настоящее время в западных странах с высокоразвитой химической промышленностью 25 % соединений, используемых в фармацевтике, имеют растительное происхождение, а в восточных странах (КНР) они составляют более 70 %. Несомненными преимуществами лекарств из растений, как известно, являются широкий спектр и комплексность биологической активности, минимизация нежелательных побочных эффектов даже при длительном применении и т. д.
   Именно высокая биологическая активность вторичных соединений обуславливает ценное лечебное действие лекарственных растений, а также повышенный интерес исследователей к их биохимическим и фармакологическим эффектам.
   В последнее время широко обсуждается и важная физиологическая роль вторичных соединений в процессах жизнедеятельности растений, в первую очередь в экологических взаимоотношениях. Доказано адаптивное значение этих соединений в защите растений от фитофагов в качестве антифи д антов, репеллентов и даже инсектицидов, от микробной инфекции -фитоалексинов, антибиотиков или фитонцидов, от неблагоприятных абиотических условий - антиоксидантов, для привлечения опылителей и распространителей семян - аттрактантов, для взаимоотношений между растениями фитоценозов - аллелопатических агентов и т. д. Однако на данный момент вопросы, касающиеся физиологических аспектов вторичного обмена, слабо представлены даже в последних учебниках по физиологии растений.
   Современная классификация вторичных метаболитов на основе их биохимической природы и биогенетического принципа выделяет классы изопреноидов (терпеноидов), фенольных соединений и алкалоидов, а также минорные группы. Гликозиды не отнесены в отдельный класс, так как гликозилирование является универсальным способом перевода активной (функциональной) формы соединений в неактивную (запасную). Поэтому гликозиды, подробно описанные ранее, по природе своего агликона (неса

4

харной части) могут быть причислены к терпеноидам, растительным фенолам и минорным вторичным веществам.
   Природные соединения - вещества, являющиеся промежуточными или конечными продуктами жизнедеятельности организмов. Термин условен, т. к. к природным соединениям обычно не относят ряд простых продуктов метаболизма (метан, уксусная кислота, этиловый спирт и др.), компоненты, входящие в состав углей, нефтей и т. п., неорганические соединения, образующиеся в процессе обмена веществ (О₂, СО₂, Н₂О и др.) или присутствующие в неживой природе (минералы, газы и т. п.). Различают высокомолекулярные природные соединения или биополимеры, и низкомолекулярные природные соединения', условная граница между ними лежит в области молярной массы 5000 дальтон. К высокомолекулярным природным соединениям относят белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды, а также смешанные биополимеры - гликопротеиды, нуклеопротеиды, липопротеиды и др. Эти вещества являются основными структурными компонентами клетки и выполняют важнейшие биологические функции (биологический катализ, хранение и передача наследственной информации, транспорт веществ, иммунитет и др.). В некоторых растениях встречается еще один тип биополимеров - полиизопреноиды (каучук, гуттаперча). К низкомолекулярным природным соединениям относится большое число органических веществ различной химической природы. Сюда входят мономерные составляющие биополимеров - аминокислоты, нуклеотиды и моносахариды, соединения, построенные из небольшого числа мономерных звеньев (олигонуклеотиды, олигосахариды), липиды, а также большое число веществ, относящихся к алифатическим, алициклическим, ароматическим и гетероциклическим типам органических соединений (природные пигменты, стероиды, изопреноиды, алкалоиды и др.). Низкомолекулярные природные соединения выполняют в организме функцию строительного материала при синтезе биополимеров, являются биорегуляторами (гормоны, медиаторы, витамины), средствами защиты (токсины, антибиотики) и химической коммуникации между организмами (феромоны и др.).
   Исследование природных соединений - одно из важнейших направлений современной биологии и химии, создающее основу для понимания биологических процессов на молекулярном уровне. Хотя многие использовались еще в глубокой древности (например, природный краситель пурпур, некоторые яды), современная история изучения природных соединений началась в конце XVIII - начале XIX вв. и явилась логическим следствием развития ятрохимии и интереса исследователей к составу живых организмов, химической природе биологически активных соединений, и биохимическими основами физиологических процессов. Первые успехи в выделении и очистке природных соединений были достигнуты в работах

5

К. Шееле (1769-1785). В 1830-1840 гг. XIX в. работами Ю. Либиха и его школы было установлено, что в состав пищевых продуктов входят белки, жиры и углеводы. Большой вклад в исследование природных соединений внесли в XIX - начале XX вв. М. Бертло, Л. Пастер, Э. Фишер, а из отечественных ученых - А.М. Бутлеров, А.Я. Данилевский, М.В. Ненцкий, В.С. Гулевич. В России исследования природных соединений развивались на создавшихся с 1860-х гг. кафедрах медицинской и физиологической химии (в 1847 г. А.И. Ходневым был выпущен в Харькове первый учебник физиологической химии). В середине XX в. в результате разработки новых методов выделения, очистки и анализа структуры сложных веществ (хроматография, электрофорез, изотопные индикаторы, ионный обмен, оптическая, радио- и масс-спектроскопия, рентгеноструктурный анализ) началось бурное развитие различных направлений в изучении природных соединений. Была выяснена пространственная структура многих белков, в том числе таких сложных, как миоглобин (Дж. Кендрю, 1957) и гемоглобин (М. Перуц, 1959), осуществлен синтез фермента рибонуклеазы (Р. Меррифилд, 1969), созданы методы синтеза нуклеотидов (А. Тодд, 1949-1955) и нуклеиновых кислот, завершившиеся синтезом гена аланиновой транспортной рибонуклеиновой кислоты (X. Корана, 1970). Благодаря работам Р. Робинсона (Великобритания), А.П. Орехова (СССР) и др. выяснено строение и осуществлен синтез многих алкалоидов. Значительные успехи достигнуты в области изучения строения и механизма действия ферментов, антибиотиков (А. Флеминг, X. Флори, Э. Чейн, Великобритания; 3. Ваксман, США; М.М. Шемякин, СССР и др.), витаминов (например, синтез витамина Bᵢ₂ А. Вудвордом, 1970).
   Природные соединения - объект изучения классической биохимии и возникшей в середине XX в. молекулярной биологии (рождение молекулярной биологии обычно связывают с установлением в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком пространственной структуры дезоксирибонуклеиновой кислоты). Изучение химической структуры природных соединений составляет предмет самостоятельного раздела органической химии - химии природных соединений. Оформившаяся в 60-х гг. XX в. в самостоятельную дисциплину, биоорганическая химия ставит своей основной задачей установление связей между структурой природных соединений и их функцией в организме. Всё большее внимание учёных привлекает сравнительное изучение структуры и функций определенных классов природных соединений на различных уровнях эволюции органического мира. Таким образом, распространение природных соединений в живой природе, их строение, пути биосинтеза, действие на организм в целом и на отдельные биохимические процессы - предмет комплексного изучения различных дисциплин, использующих математические, физические, химические и биоло

6

гические методы. Освоены и разрабатываются методы промышленного получения витаминов, гормонов, аминокислот, антибиотиков и др. природных соединений.
   Химия природных соединений - раздел органической химии, изучающий химические соединения, входящие в состав живых организмов, природные пути их превращений и методы искусственного получения. Как наука, химия природных соединений возникла одновременно с органической химией. Необходимость выделить ее в самостоятельную дисциплину, отделив от классической органической химии, возникла после накопления большого количества данных, выделения и изучения структуры и свойств химических веществ, обнаруженных в живых организмах.
   Теоретический аппарат химии природных соединений полностью совпадает с концепциями теоретической органической химии. Результаты, полученные при изучении природных соединений, в свою очередь, обогащают теорию органической химии, стимулируют её развитие. Выделение из природных материалов биологически активных веществ, которые могут иметь значительную практическую ценность, инициирует совершенствование методологии классического органического синтеза.
   Экспериментальные же методы химии природных соединений отличаются от классических. Это связано с тем, что многие природные вещества чувствительны к незначительному повышению температуры; известны вещества, имеющие короткое время жизни даже при комнатной температуре. Также вещества могут содержаться в биоматериале в незначительных количествах, иногда это тысячные доли процента и меньше. Поэтому необходима переработка больших масс сырья, а выделенные чистые вещества приходится изучать, используя специальные методики для работы с микроколичествами. Трудность представляет и разделение сложных смесей, которые обычно получаются на первом этапе переработки сырья.
   Работа по изучению природных соединений состоит из нескольких этапов.
   Первый этап - определение исследуемого биологического вида. На данном этапе предварительно устанавливают, на каких фазах развития или жизненного цикла следует проводить сбор сырья и какие части, например, растения необходимо собрать.
   Второй этап - выделение индивидуальных веществ или определённых смесей. Чаще всего для этого используют экстракцию. Экстрагируют последовательно несколькими растворителями с увеличивающейся полярностью, например, гексан-эфир-спирт-вода и получают сразу несколько экстрактов, или используют универсальный растворитель, такой как ацетон, а затем экстракт («смолку-сырец») обрабатывают другими растворителями. Почти всегда экстракты содержать смесь веществ, которую необходимо

7

разделять. Наиболее эффективный метод разделения - колоночная хроматография.
   Третий этап - идентификация выделенных индивидуальных веществ. Измеряют физические константы (температуру плавления, кипения, показатель преломления и др.) и сравнивают их с константами известных, уже описанных веществ. Если открыто новое вещество, определяют его химическую структуру. Для этого используются физические методы - различные спектроскопические методы (ИК-, ЯМР-, масс-спектрометрия), рентгеноструктурный анализ и химические методы анализа. Определение природного вещества сложной структуры является нетривиальной задачей и иногда на это затрачиваются годы и десятилетия исследований.
   Затем выясняют пути метаболического синтеза веществ и их функции в организме, биологическую активность по отношению к другим организмам и, при необходимости, разрабатываются методы лабораторного и промышленного синтеза. Методология современного органического синтеза позволяет разрабатывать сложные многостадийные способы получения веществ при помощи компьютерных программ, используя концепцию Синтонов и метод ретросинтетического анализа. Получение вещества сложной структуры может проходить в несколько десятков стадий с общим выходом конечного продукта, редко превышающим единицы процента, что делает искусственный синтез таких веществ очень дорогим. Однако, даже сложные и малоэффективные по выходу продукта методы синтеза могут быть приемлемы, если природный источник беден, а вещество обладает значительной практической ценностью.
   Все стадии изучения природных соединений приведены на рис. 1.

Рис. 1. Стадии экспериментальных работ с природными веществами

8

   Классификация природных соединений. Единой классификации природных соединений не существует. Есть разные подходы, но ни один из них не является универсальным - классификации по разным признакам взаимно дополняют друг друга и могут использоваться в зависимости от конкретного химического или биологического аспекта.
   Основные принципы классификации:
   • по химическому строению
   • по путям биосинтеза
   • по биологической активности
   • по природным источникам.
   Для первичных метаболитов используется химическая классификация и частично классификация по биологическим функциям. Продукты вторичного метаболизма делят на классы также по их химической структуре и по путям биосинтеза. Внутри классов указывается принадлежность сходных по химической структуре веществ к природным источникам. Биологическую активность рассматривают чаще как свойство соединения, а не как классификационный признак.
   Химическая классификация. Органические вещества относят к определённым классам по типам углеродного скелета и по функциональным группам. Такая классификация может быть применена к наиболее простым природным соединениям, таким как углеводороды, жирные кислоты, бифункциональные соединения (кетокислоты, оксикислоты и т. п.), большинство же природных веществ принадлежат одновременно нескольким классам. Для полифункциональных соединений могут указывать принадлежность к определённому классу, если необходимо подчеркнуть характерные их функции в организме. Например, группу веществ относят к классу аминокислот несмотря на наличие у многих из них более, чем двух функциональных групп и значительных различий в строении углеродного скелета.
   Химическая классификация может оказаться формальной, если учитывать не только структуру молекулы, но и пути метаболизма, приводящие к синтезу соединений с данной структурой. Показательным примером является обширный класс природных соединений, называемых изопреноидами. Предшественники биосинтеза подавляющего большинства веществ этого класса - полиненасыщенные спирты с углеродным скелетом, который можно рассматривать как продукт олигомеризации углеводорода изопрена. Однако биогенетическим прекурсором этих спиртов служит не изопрен, а другие соединения - обычно уксусная кислота, реже фосфоглицериновый альдегид и пировиноградная кислота.

9