Uchebnik

УДК 547 (075.8) ББК 24.2 я73 М89

Рекомендовано Секцией гуманитарных и естественных специальностей Республиканского учебно-методического совета высшего и послевузовского образования МОН РК при Казахском национальном университете имени аль-Фараби (протокол №2 от 15 июня 2010 г.)

Рецензенты:

Лауреат Государственной премии Республики Казахстан, доктор химических наук, профессор А.Д.Кагарлицкий (АО «НПЦ Фитохимия»)

Лауреат Государственной премии Республики Казахстан, доктор химических наук, профессор В.К.Ю (АО «Институт химических наук им. А.Б.Бектурова») Доктор химических наук, профессор К.Б.Ержанов (КазНУ им. аль-Фараби)

Музычкина Р.А., Корулькин Д.Ю., Абилов Ж.А.

М89

ОСНОВЫ ХИМИИ ПРИРОДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ.- Алматы: Қазақ университеті, 2010.-564 с.

ISBN 978-601-247-130-4

В издании изложен лекционный материал, посвященный изучению основных классов природных органических соединений, в рамках дисциплины «Химия функциональных производных органических молекул».

Каждая из глав учебника включает достаточно подробное рассмотрение вопросов структурного многообразия изучаемого класса органических соединений, их химического строения, нахождения в природе, физиологических свойств и функций, подробно рассматриваются химические свойства каждого класса природных ароматических, N-, О- и карбоциклов, полифенольных соединений, гликозидов, моно-, олиго- и полисахаридов, методы их обнаружения, технологические особенности выделения и идентификации с использованием комплекса как классических химических, так и современных хроматографических и спектральных методов анализа. Отдельные биологически активные вещества, сыгравшие выдающуюся роль в науке и практике, описываются более подробно; приводятся сведения об их применении в медицине и других областях человеческой деятельности.

Учебник предназначен для студентов химических факультетов при изучении органической химии, биоорганической химии и химии природных соединений, химической технологии органических веществ, в качестве дополнительной литературы студентам фармацевтических и биологических специальностей.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Стремительное развитие естествознания, свидетелями которого мы являемся в последние десятилетия, в полной мере коснулось и органической химии. Современная органическая химия представляет собой сложную комплексную дисциплину, располагающую теоретическим фундаментом и огромным фактическим материалом, использующую представления и методы физической химии и физики, биологической химии и биологии, промышленной химии и технологии. Вполне естественным процессом является, поэтому разделение органической химии на несколько ветвей, близких и тесно переплетающихся, однако достаточно отличающихся одна от другой по своему характеру.

Одной из таких дисциплин является химия природных соединений. Развиваясь в недрах органической химии с самого начала ее зарождения как науки, она непрерывно обогащает последнюю новыми идеями, новым фактическим материалом, новыми методами. В настоящее время химия природных соединений представляет собой самый крупный раздел органической химии. Больше половины всех исследований в области органической химии в последние десятилетия посвящается веществам природного происхождения.

Значение химии природных соединений для решения многих базовых проблем естествознания трудно переоценить. Находясь на границе с биологическими дисциплинами и тесно переплетаясь с биохимией, химия природных соединений играет важнейшую роль в решении таких вопросов, как механизм действия ферментов и химическая сущность биологических процессов, включая проблемы передачи наследственных признаков, сущность процессов старения, проблемы нервной деятельности и другие не менее важные вопросы. Природные органические вещества чрезвычайно важны для борьбы с наиболее опасными заболеваниями (лучевая болезнь, рак, ВИЧ, сахарный диабет, туберкулез, гипертония и др.). Стимулирование роста животных и растений, подавление вредной флоры - все это требует изыскания в природе и синтеза высокоэффективных фитогормонов, ростовых веществ, антибиотиков, инсектицидов и др. Развитие промышленности полимерных материалов, особенно целлюлозы, искусственного волокна и меха, кожевенной и искусственных заменителей кожи вызывает необходимость интенсивного изучения важнейших природных полимеров – полисахаридов, белков и дубильных веществ.

В настоящем издании описаны доминирующие группы природных биологически активных веществ:

♦Алкалоиды;

♦Гликозиды (фенольные и флавоноидные, флороглюциды, гидролизуемые дубильные вещества, сапонины);

♦Дубильные вещества конденсированного типа;

♦Изопреноиды (эфирные масла, терпены, стероиды, каротиноиды, сердечные гликозиды);

3

♦Иридоиды;

♦Карбоновые кислоты (окси- и аминокислоты, бетаины, пептиды, белки, ароматические, сахарные, жировые и галогенкарбоновые кислоты, липиды);

♦Ксантоны;

♦Кумарины;

♦Полифенольные соединения (фенолы, нафтолы, оксистильбены, феноло-, оксикоричные и лишайниковые кислоты);

♦Углеводы (моно-, олиго- и полисахара);

♦Флавоноиды;

♦Хиноны (антра-, бензо- и нафтохиноны);

♦Другие группы веществ растений. Описание каждого класса БАВ включает:

♦Понятие группы соединений;

♦Биологические свойства;

♦Реакции обнаружения;

♦Методы выделения, разделения и идентификации;

♦Химические свойства;

♦Примеры установления структур;

♦Вопросы для закрепления материала;

♦Использованные литературные источники.

Настоящее издание, несомненно, окажется весьма полезным для студентов химических факультетов при изучении органической химии, биоорганической химии и химии природных соединений, химической технологии органических веществ, в качестве дополнительной литературы студентам фармацевтических и биологических специальностей.

4

Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ХИМИЮ ПРИРОДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Определяя место химии природных соединений среди других наук, целесообразно рассматривать органическую химию как классическую и природную.

Методология химии природных соединений

Полифункциональная органическая химия

Теоретически химия природных соединений полностью базируется на основных представлениях теоретической органической химии: валентные состояния атомов углерода и атомов органогенов, типы химических связей, типы химических систем (аллильные, сопряженные, ароматические, гетероциклические, конденсированные); конформационная, конфигурационная, оптическая изомерия молекул; механизмы реакций, перегруппировки, катализ, взаимодействие с излучением – все это широко представлено в химии природных соединений.

Всвою очередь, химия природных соединений инициирует и обогащает теоретические исследования в органической химии. Это особенно касается процессов in vivo и in vitro, конформационного поведения биополимеров и молекул с несколькими асимметрическими центрами, механизмов ферментативного катализа и т.д.

Например, серосодержащие соединения лука, представленные ниже, требуют специфических знаний органической химии:

Вэкспериментальном плане далеко не все методы органической химии могут быть использованы в химии природных соединений, особенно на стадии определения химического состава и структуры многообразных природных молекул, выделения индивидуальных компонентов. Многие природные соединения неустойчивы, не выдерживают температурных воздействий, обладают большой молекулярной массой, имеют низкую или ограниченную растворимость в большинстве растворителей.

Счего начинается эксперимент в химии природных соединений? С сырья, т.е. с того, что в органической химии называют исходными веществами. Значит необходимо установить вид сырья, фазу вегетации для заготовки, условия сушки, отбор частей растения, измельчение, отсев, а затем выбор экстрагента, его фракционирование, разделение фракций на компоненты или группы веществ.

5

Образование и накопление тех или иных веществ в каждом организме зависит от многочисленных факторов: внешняя среда, возраст, условия жизни, развития, питания и является динамическим процессом, меняющимся от указанных выше и других условий. Кроме того, в процессе онтогенеза каждое растение проходит фазы бутонизации, цветения, плодоношения и покоя.

Кпризнакам онтогенетического характера относят:

специфичность качественного состава (алкалоидоносы, эфироносы и др.);

неравномерность распределения веществ по органам растений и их локализация;

разный качественный состав веществ по органам растений;

разный количественный состав в разных органах одного растения, в разных растениях одного семейства, рода.

При этом растения являются единственными создателями органических

веществ, в том числе ароматических, из неорганических.

Исследованиями последних десятилетий показано, что среди природных соединений встречаются разнообразные (более 3000 типов) галогеносодержащие соединения (Cl, Br, F, I), меньшее число содержат серу и (или) сочетание атомов O, N, S, Hal и также являются продуцентами микроорганизмов, грибов, высших растений, животных, морской флоры и фауны, причем присутствие гетероатомов и, особенно галогенов, значительно меняет свойства всех групп природных соединений по сравнению с их аналогами без атомов галогенов. В особенности это касается биологической активности. Например, эпибатидин (хлорсодержащий метаболит) обладает высокой анальгетической активностью и это послужило толчком к поиску анальгетиков неопиоидного типа. Галогенокарбоновые кислоты из морских водорослей обладают высокой антимикробной активностью и защищают водоросли от вредных бактерий и от поедания их рыбами и другими хищниками. Хлорсульфолипиды помогают адаптации водорослей к экстремальным экологическим условиям, броминдолсульфокислоты являются ядами для морских животных, галогенометаболиты высших растений, например, 4-хлор- 3-индолилуксусная кислота выполняют функции гормонов роста и т.д.

Кприродным, относят и минеральные вещества животных и растений. Так,

вживых организмах содержится 27 элементов таблицы Д.И.Менделеева: C, H, O, P, N, S, Ca, Na, K, Fe, Cl, Mn, Mg, Mo, Cu, Zn, Ni, F, I, Si, Se, Al, Li, Pb, Ag, Au, Cr; в организме человека – 18.5% С, 9.5% Н, 65% О, 3.3% N, 1.0% P, 1.3% Ca, 0.2% Na, 0.1% Mg, 0.3% S, фтор и кремний - в следовых количествах.

В растениях описан 21 химический элемент, из этого количества 16 содержатся у всех растений, 5 - у некоторых (B, Al, V, Mo, I). По количественному содержанию их делят на макро (K, Ca, Mg, Na, Cl, P, Si) и

микро (Cu, Zn, I, Co, Mn, Mo, Al, Ag, As, S, Fe) элементы. Все химические элементы участвуют в окислительно-восстановительных, ферментативных и обменных процессах организма. Например, фосфор в виде фосфорной кислоты, входит в состав АТФ, которая является источником энергии, освобождающейся при переходе АТФ в АДФ и АМФ. Железо, медь, молибден и другие элементы участвуют в образовании структур многих ферментов (цитохромы), магний

7

является составной частью хлорофилла, активирует ферменты, регулирует распад и превращения углеводов. Кальциевые и магниевые соли пектиновых кислот являются основой пектинов срединных пластинок, которые склеивают между собой стенки отдельных клеток, а кальций является структурным элементом мембран клеток.

Медь и железо необходимы для кроветворения. При их недостатке развивается анемия, наблюдается нарушение роста и развития. Марганец участвует в окислительно-восстановительных реакциях процесса дыхания, кроветворения и размножения. Кобальт входит в состав витамина В12. Значение цинка велико и разнообразно. Он влияет на рост, воспроизводительную функцию, кроветворение, белковый и углеводный обмен, входит в состав ферментов и активизирует их действие. Кроме того, цинк действует как антиоксидант, необходимый для синтеза протеина и залечивания ран, с ним связано действие более чем 30 энзимов, он способен связываться с риновирусами, вызывающими простуду и лишать их способности к размножению. Выявлено, что при дефиците никеля появляются глазные заболевания, которые нередко переходят в слепоту.

От содержания калия зависит способность протоплазмы удерживать воду, он регулирует сократительную функцию сердечной мышцы и т.д.

Большое значение приобретают в настоящее время микроэлементы при лечении таких тяжелых заболеваний как болезни крови, злокачественные опухоли. Они помогают регулировать жизненно важные процессы в организмах растений, животных и человека, служат катализаторами, ускоряющими фотосинтез, синтез белков, процессы оплодотворения, развитие организма. Недостаток или избыток отдельных микроэлементов, обычно, вызывает снижение продуктивности сельскохозяйственных животных, уменьшение урожая, ухудшение качества получаемой продукции, ослабление сопротивляемости организма к неблагоприятным условиям среды, возникновение эндемических болезней у животных и человека: Базедова болезнь, акобальтоз, лизуха и другие, то есть все вещества в живом

организме человека, животного или растения не являются случайными, каждое из них выполняет свою, специфическую функцию, обеспечивая все процессы жизнедеятельности в целом.

Растения более интересны тем, что при их использовании лечебный эффект достигается сочетанием минеральных веществ и биологически активных соединений. Некоторые растения обладают способностью избирательно поглощать из почвы только определенные элементы, являясь, таким образом, их концентраторами или накопителями. С другой стороны, состав микроэлементов у каждого растения является специфичным, поэтому растения служат биоиндикаторами почвы, на которой они произрастают и окружающей среды и могут быть использованы в биологическом мониторинге.

Существует взаимосвязь между содержанием в почве отдельных химических элементов и продуцированием растениями отдельных биологически активных веществ. Например, растения, продуцирующие сердечные гликозиды, избирательно поглощают марганец, молибден и хром;

8

продуцирующие алкалоиды - медь, марганец и кобальт; сапонины - молибден и ванадий; терпеноиды - марганец; кумарины, витамины и полифенольные соединения - медь, цинк и марганец; полисахариды - марганец и хром; углеводы - цинк.

Вэкологически неблагоприятных районах в лекарственных растениях происходит чрезмерное накопление тяжелых металлов или радионуклидов и любые нарушения оптимальных соотношений микроэлементов в них могут привести к непредсказуемым последствиям.

Вкомплексе, эти свойства растений могут быть использованы при оценке не только мест и условий их произрастания, но и при медицинской оценке значимости и пригодности тех или иных растений. Если растение усваивает какие-то вещества из окружающей среды и при этом выживает и адаптируется в ней, значит, эти вещества могут помочь и другим живым организмам, в том числе человеку, адаптироваться в местах его проживания.

Поскольку абсолютное большинство описанных природных соединений выделяют из растений, нами выработан научно-обоснованный подход к выде-

лению природных веществ растений разных классов и групп (схема 1).

Идентификация любых индивидуальных природных веществ включает:

определение констант (Тпл., Ткип., nD, [α]D );

сравнение со стандартными образцами (СО, РСО, ГСО) разных групп БАВ по цвету от специфических проявителей (реагентов) и хроматографической подвижности Rf (если вещество известное);

комплекс спектральных данных (если вещество новое) для доказательства основных структурных элементов молекул и их расположения.

Лекарственное растительное сырье представляет собой части лекарственных растений, используемые в высушенном, реже в свежем виде, в качестве лекарственного средства или для получения лекарственных средств. Это могут быть индивидуальные растения или сборы (смеси нескольких видов растений).

Однако лекарственным растение может быть признано только после изучения его состава и биологической активности отдельных компонентов состава или комплексных препаратов из них.

Арсенал официнальных лекарственных средств России XVIII-XIX веков регламентировался Фармакопеями 1765, 1778, 1798 годов и включал, в основном, природные лекарственные средства и лекарственные растения как дикорастущие, так и культивируемые в условиях «аптекарских огородов». Например, в Фармакопее 1778 года описано 230 видов растений с указанием характера их активности и перечня болезней, при которых эти растения показаны. Позже, многие сведения о действии некоторых лекарственных растений были забыты и вновь открыты только в ХХ столетии. Примером этого может служить родиола розовая, которая была описана в фармакопее 1778 г, затем была исключена из всех последующих фармакопей и только в середине ХХ столетия фармакологические исследования и клинические испытания вновь восстановили былую репутацию этого ценного лекарственного растения.

9