Терпены: строение и синтез¶

Терпены — обширный класс природных углеводородов, молекулы которых построены из изопреновых звеньев (2-метилбута-1,3-диена) с общей формулой (C5H8)n. Они являются основными компонентами эфирных масел, смол и бальзамов растений, а также выполняют важные биохимические функции у животных и микроорганизмов. Терпены относятся к классу изопреноидов (терпеноидов), однако строгое различие между ними проводится по наличию кислородсодержащих функциональных групп: терпены — чистые углеводороды, тогда как терпеноиды — их кислородные производные (спирты, альдегиды, кетоны, кислоты).

¶Строение и классификация

Основной структурный принцип терпенов — «изопреновое правило», сформулированное Отто Валлахом в 1887 году. Согласно этому правилу, углеродный скелет терпена состоит из соединённых «голова к хвосту» изопреновых фрагментов. Исключения из правила (например, в каротиноидах, где два центральных звена соединены «хвост к хвосту») встречаются, но редки.

Классификация терпенов основана на числе изопреновых звеньев (n):

По строению углеродного скелета терпены делят на ациклические (открытые цепи, например, мирцен), моноциклические (один цикл, например, лимонен), бициклические (два цикла, например, пинен и камфен) и трициклические (например, абиетиновая кислота в дитерпенах). Циклизация происходит через катионные механизмы, часто с участием ферментов — терпенсинтаз.

¶Биосинтез

В природе терпены синтезируются двумя независимыми путями:

• Мевалонатный путь (МВА) — протекает в цитозоле и митохондриях эукариот, а также у архей. Начинается с конденсации трёх молекул ацетил-КоА через стадию мевалоновой кислоты. Ключевой фермент — ГМГ-КоА-редуктаза (мишень статинов).
• Метилэритритолфосфатный путь (МЭФ, или DOXP) — обнаружен у большинства бактерий, зелёных водорослей и в пластидах высших растений. Начинается с конденсации пирувата и глицеральдегид-3-фосфата с образованием 1-дезокси-D-ксилулозо-5-фосфата (DOXP).

Оба пути приводят к образованию изопентенилпирофосфата (IPP) и его изомера диметилаллилпирофосфата (DMAPP). Последовательное присоединение IPP к DMAPP катализируется пренилтрансферазами, давая геранилпирофосфат (C10, предшественник монотерпенов), фарнезилпирофосфат (C15, сесквитерпены и тритерпены через димеризацию), геранилгеранилпирофосфат (C20, дитерпены) и далее — до полипренилпирофосфатов.

¶Синтез в промышленности и лаборатории

Химический синтез терпенов имеет коммерческое значение для парфюмерии, фармацевтики и пищевой промышленности. Основные подходы:

• Изомеризация и перегруппировки: α-пинен (из скипидара) перегруппировывается в камфен, лимонен изомеризуется в терпинолен. Катионные перегруппировки (Вагнера — Меервейна) широко используются для построения бициклических систем.
• Реакция Принса: взаимодействие олефинов с формальдегидом в кислой среде даёт 1,3-диолы и тетрагидропирановые производные — ключевые интермедиаты для синтеза линалоола, гераниола и их циклических аналогов.
• Циклоприсоединение: реакция Дильса — Альдера применяется для стереоселективного построения циклогексеновых колец, например, при синтезе карвона и других циклотерпенов.
• Каталитическое гидроформилирование: используется для функционализации ациклических терпенов с получением альдегидов, далее восстанавливаемых до спиртов.

Промышленный синтез ментола (из мирцена или цитраля) и витамина А (из β-ионона) — классические примеры многостадийного получения терпеноидов. Стереоселективный синтез ментола компанией Takasago (1980-е годы) — один из первых крупномасштабных процессов с использованием асимметрического катализа.

¶Применение

Терпены широко используются:

• Парфюмерия и косметика: линалоол, гераниол, цитраль, санталиол (сандаловое дерево).
• Фармацевтика: паклитаксел (противоопухолевый), артемизинин (противомалярийный), ментол (анальгетик).
• Пищевая промышленность: лимонен (ароматизатор), каротиноиды (красители и провитамин A).
• Химическая промышленность: скипидар (растворитель), каучук (полиизопрен), смолы.

¶Интересные факты

• Натуральный каучук — политерпен цис-1,4-полиизопрен с молекулярной массой до 1 млн Да; гуттаперча — его транс-изомер.
• Сквален (тритерпен) — предшественник всех стероидных гормонов и холестерина у животных.
• Артемизинин, выделенный из полыни однолетней (Artemisia annua), — сесквитерпеновый лактон, рекомендованный ВОЗ для лечения малярии.
• В скипидаре содержится до 90 % α- и β-пиненов; Россия — один из крупнейших производителей живичного скипидара.

¶Источники

• Брежнева Т. А., Селеменев В. Ф. «Терпены и терпеноиды: химия и технология». Воронеж, 2019.
• Dewick P. M. «Medicinal Natural Products: A Biosynthetic Approach». Wiley, 2009.
• Бахтин С. Г. «Химия природных соединений: терпены». Новосибирск, 2015.
• IUPAC. «Glossary of Class Names of Organic Compounds and Reactive Intermediates Based on Structure». 1995.

SPAWN: [{"topic": "изопреновое правило", "title": "Изопреновое правило Валлаха в химии терпенов"}, {"topic": "мевалонатный путь", "title": "Мевалонатный путь биосинтеза изопреноидов"}, {"topic": "лимонен", "title": "Лимонен: строение, свойства и применение"}, {"topic": "геранилпирофосфат", "title": "Геранилпирофосфат — предшественник монотерпенов"}, {"topic": "скипидар", "title": "Скипидар: состав, получение и использование"}, {"topic": "паклитаксел", "title": "Паклитаксел: противоопухолевый дитерпен"}]