ΕΝΟΤΗΤΑ H ΤΕΡΠΕΝΙΑ CH 3. Ισοπρένιο

Transcript

1 ΕΝΟΤΗΤΑ H ΤΕΡΠΕΝΙΑ Τα τερπένια είναι ευρέως διαδεδομένα στη Φύση. Μπορούν να θεωρηθούν ως προϊόντα τα οποία προκύπτουν από τη συμπύκνωση και υδρογόνωση μονάδων ισοπρενίου. H 2 C CH 2 Ισοπρένιο Η βιοσύνθεση των τερπενίων ξεκινά από το μεβαλονικό οξύ το οποίο μετατρέπεται σε πυροφωσφορικό ισοπεντύλιο και το οποίο αντιπροσωπεύει το ενεργό ισοπρένιο. H H 2 C CH 2 H C CH 2 H Μεβαλονικό οξύ H 2 C H 2 C P - P H - Πυροφωσφορικό ισοπεντύλιο Τα τερπένια ταξινομούνται σε μονοτερπένια (C 10 ), σεσκιτερπένια (C 15 ), διτερπένια (C 20 ), τριτερπένια (C 30 ) και τετρατερπένια (C 40 ). Μονοτερπένια Τα μονοτερπένια ταξινομούνται ανάλογα με το βαθμό οξειδώσεως, αρχίζοντας από τους υδρογονάνθρακες και συνεχίζοντας με τις αλκοόλες, αλδεΰδες, κετόνες,

2 φαινόλες και οξείδια. Χαρακτηριστικά παραδείγματα μονοτερπενίων δίνονται παρακάτω: H H H 3 C CH 2 H 3 C H 3 C H 3 C (+)-Λεμονένιο (+)-α-φελλανδρένιο (-)-Μινθόλη (-)-β-κιτρονελλόλη CH H H 3 C H 2 C H 3 C H 3 C (+)-Κιτρονελλάλη (+)-Καρβόνη Θυμόλη Ευκαλυπτόλη Πολλές από τις ουσίες οι οποίες περιλαμβάνονται στην ομάδα αυτή είναι συστατικά των αιθερίων ελαίων. Οι περισσότερες από αυτές δεν χρησιμοποιούνται στην ιατρική, μολονότι αρκετές έχουν ορισμένη φαρμακευτική αξία ως βελτιωτικά μέσα της γεύσεως και της οσμής των φαρμάκων. Πολλά φυτικά προϊόντα περιέχοντα αιθέρια έλαια του τύπου των μονοτερπενίων χρησιμοποιούνται ως καρυκεύματα. Ορισμένα οξειδωμένα παράγωγα μονοτερπενίων χρησιμοποιούνται στη φαρμακευτική ως επιχρίσματα, ηρεμιστικά και πικροί παράγοντες. Σεσκιτερπένια Στην κατηγορία των σεσκιτερπενίων ανήκουν πολλά φυσικά προϊόντα, εκ των οποίων όμως περιορισμένος αριθμός παρουσιάζει ιατρικό και φαρμακευτικό ενδιαφέρον. Διτερπένια Στην κατηγορία των διτερπενίων ανήκουν πολλά σημαντικά φυσικά προϊόντα. Χαρακτηριστικά αναφέρονται η αλκοόλη φυτόλη, η οποία αποτελεί τμήμα του μορίου της χλωροφύλλης και των βιταμινών Ε και Κ 1, η βιταμίνη Α, η φορσκολίνη (έντονη θετική ινότροπο δράση και αντιυπερτασική δράση) κ.ά.

3 H 3 C CH 2 H Βιταμίνη Α Τριτερπένια Στη Φύση υπάρχουν πολλά τριτερπένια, λίγα όμως παρουσιάζουν ιατρικό ενδιαφέρον. Τετρατερπένια Τα τετρατερπένια περιέχουν 40 άτομα άνθρακα και η μεγαλύτερη ομάδα είναι τα καροτενοειδή. ΑΣΚΗΣΗ 1 ΑΝΑΓΩΓΗ ΜΟΝΟΤΕΡΠΕΝΙΩΝ & ΑΡΩΜΑΤΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ ΜΕ ΑΛΔΕΫΔΟΜΑΔΑ Είναι γνωστό ότι η ανάπτυξη ενός φυτού μπορεί να ανασταλεί από γειτονικά φυτά (αλληλοπάθεια). Ένα τέτοιο παράδειγμα αποτελεί η αναστολή της βλάστησης του σταριού από φυτά τα οποία περιέχουν μονοτερπένια. Έχει δειχθεί ότι ορισμένα μονοτερπένια (π.χ. κιτράλη, κιτρονελλάλη) και άλλες αρωματικές ενώσεις (π.χ. βανιλλίνη) όταν έρχονται σε επαφή με βλαστημένα σπέρματα σταριού μεταβολίζονται (προϊόντα οξείδωσης και αναγωγής) από ένα μη εξειδικευμένο ενζυμικό σύστημα, ενώ παράλληλα αναστέλλεται η βλάστηση των σπερμάτων. Το πώς συνδέονται οι διαδικασίες αυτές είναι ένα ερώτημα το οποίο ερευνάται.

4 Κιτράλλη α Γερανιάλη C H Νεράλη C H CH 2 H C H CH 2 H C H Γερανιόλη Γερανικό οξύ Νερόλη Νερικό οξύ Κιτρονελλάλη β C H CH 2 H C H Κιτρονελλόλη Κιτρονελλικό οξύ Μεταβολισμός Κιτράλης (α) και Κιτρονελλάλης (β) Η βανιλλίνη απαντάται σε διάφορες δρόγες όπως, στο βάλσαμο του Περού (Balsamum peruvianum), στο βάλσαμο του Τολού (Balsamum tolutanum) και στον καρπό βανίλλης (Vanillae fructus). Ο φρέσκος καρπός Βανίλλης περιέχει βανιλλίνη (4-υδροξυ-3-μεθοξυ-βενζαλδεΰδη) υπό τη μορφή γλυκοζίτου, του βανιλλοζίτη. Ο γλυκοζίτης κατά τη διάρκεια της ζυμώσεως του καρπού διασπάται απελευθερώνοντας

5 τη βανιλλίνη με τη χαρακτηριστική της οσμή. Η αναγωγή της βανιλλίνης δίνει βανιλλυλαλκοόλη, ουσία η οποία χρησιμοποιείται ως πρώτη ύλη για συνθετικά φάρμακα και συστατικό προσθήκης αρώματος. Για την εκλεκτική αναγωγή καρβονυλομάδων παρουσία διπλού δεσμού άνθρακαάνθρακα χρησιμοποιούνται διάφορα σύμπλοκα υδριδίων. Τα πλέον συνήθη εμπορικά διαθέσιμα νουκλεόφιλα μεταλλικά υδρίδια είναι το LiAlH 4 και ΝαΒΗ 4. Το LiAlH 4 ανάγει όλες τις καρβονυλοενώσεις, καρβοξυλικά οξέα και τα παράγωγα αυτών (π.χ. χλωρίδια, εστέρες, αμίδια, νιτρίλια) καθώς επίσης νιτροενώσεις και αλκυλολογονίδια.. Το ΝαΒΗ 4 είναι λιγότερο δραστικό αλλά περισσότερο εκλεκτικό υδρίδιο σε σχέση με το LiAlH 4 αφού ανάγει μόνο αλδεΰδες ή κετόνες και ακυλοαλογονίδια. Στην άσκηση αυτή θα γίνει χημικά η αναγωγή της κιτράλης (55% γερανιάλη και 45% νεράλη), της κιτρονελλάλης & της βανιλλίνης χρησιμοποιώντας ένα ήπιο αναγωγικό μέσο όπως είναι το ΝαΒΗ 4. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ Όργανα και σκεύη Σφαιρικές φιάλες Ογκομετρικοί κύλινδροι Κωνικές φιάλες Ποτήρια ζέσεως Συσκευή διηθήσεως Μαγνητικός αναδευτήρας Χρωματογραφική στήλη Υλικά και αντιδραστήρια Κιτράλη, κιτρονελλάλη, βανιλλίνη MeH ΝαΒΗ 4 Πετρελαϊκός αιθέρας Διαιθυλεθέρας Οξικός αιθυλεστέρας Διάλυμα HCl 1N Διάλυμα 5% ΝαΗC 3 Na 2 S 4 Silica gel 60 ( mesh)

6 Πλάκες ΤLC Πειραματική πορεία Σε μια σφαιρική φιάλη των 50 ml προστίθενται 1.0 ml (6.5 mmol) κιτράλης ή 1.2 ml (6.5 mmol) κιτρονελλάλης ή 1 g (6.5 mmol) βανιλλίνης και 5 ml MeH. Στο προκύπτον διάλυμα προστίθενται, υπό ανάδευση [Σχήμα Π2], 380 mg (10 mmol) ΝαΒΗ 4 σε 4 δόσεις ανά 10 λεπτά. Κατά την προσθήκη του ΝαΒΗ 4 η θερμοκρασία της αντίδρασης διατηρείται σε θερμοκρασία δωματίου με τη βοήθεια λουτρού με πάγο. Όταν όλη η ποσότητα του ΝαΒΗ 4 έχει προστεθεί ελέγχεται η πορεία της αντιδράσεως με επίπεδη χρωματογραφία λεπτής στοιβάδας. Μετά την ολοκλήρωση της αντιδράσεως προστίθενται σταδιακά και υπό ψύξη 5 ml HCl 1N. Το μίγμα της αντιδράσεως αναδεύεται για 5 λεπτά και εν συνεχεία αφού αραιωθεί με 60 ml μίγματος αιθέρα/h 2 (2:1, v/v) μεταφέρεται σε διαχωριστική χοάνη [Σχήμα Π6]. Μετά το διαχωρισμό των φάσεων η υδατική φάση εκχυλίζεται άλλη μια φορά με 40 ml αιθέρα. Τα εκχυλίσματα του αιθέρα ενώνονται, πλένονται 1 φορά με διάλυμα 5% ΝaΗC 3 (40 ml), 1 φορά με H 2 (40 ml), ξηραίνονται με Na 2 S 4, διηθούνται μέσω πτυχωτού ηθμού εντός υάλινου χωνιού [Σχήμα Π8] και συμπυκνώνονται, υπό κενό, μέχρι απομακρύνσεως όλης της ποσότητας του διαλύτη [Σχήμα Π9]. Το ελαιώδες υπόλειμμα καθαρίζεται περαιτέρω με χρωματογραφία στήλης και διαλύτη ανάπτυξης μίγμα οξικού αιθυλεστέρα /πετρελαϊκού αιθέρα (1:3, v/v). Σε μια πλάκα TLC τοποθετείται μια κηλίδα από το μίγμα της αντίδρασης και μια κηλίδα από το αρχικό διάλυμα της κιτράλης ή της κιτρονελλάλης σε μεθανόλη. Η πλάκα αναπτύσσεται με σύστημα οξικού αιθυλεστέρα - πετρελαϊκού αιθέρα (1:2, v/v). Η εμφάνιση του χρωματογραφήματος γίνεται: α) με υπεριώδη ακτινοβολία και β) με ψεκασμό με διάλυμα θειικού οξέος-θειικού αμμωνίου (διάλυμα charring) και θέρμανση (κάψιμο) της πλάκας στους 250 C για 2-3 min.

7 ΑΣΚΗΣΗ 2 ΟΞΕΙΔΩΣΗ ΜΟΝΟΤΕΡΠΕΝΙΩΝ ΜΕ ΔΕΥΤΕΡΟΤΑΓΗ ΥΔΡΟΞΥΛΟΜΑΔΑ Δευτεροταγείς αλκοόλες εύκολα οξειδώνονται προς κετόνες με διάφορα οξειδωτικά αντιδραστήρια με πιο διαδεδομένα αυτά του Cr(VI), όπως διχρωμικό νάτριο (Na 2 Cr 2 7 ), τριοξείδιο του χρωμίου (Cr 3 ), χρωμικό νάτριο (Na 2 Cr 4 ) κ.α. Ο μηχανισμός οξείδωσης μιας δευτεροταγούς αλκοόλης με διχρωμικό νάτριο (Na 2 Cr 2 7 ) ακολουθεί το παρακάτω γενικό σχήμα: Cr H 2 2Cr H + R 2 CHH Cr 4 2- γρήγορα 2H + H R 2 C H 2 Cr3 H R 2 C H Cr3 H αργά H 2 R H C Cr 3 H Στην άσκηση αυτή θα γίνει χημικά η οξείδωση της βορνεόλης προς καμφορά ή της μινθόλης προς μινθόνη χρησιμοποιώντας διχρωμικό νάτριο (Na 2 Cr 2 7 ). H 3 C H 3 C H 3 C H H H H 3 C H 3 C H 3 C Βορνεόλη Καμφορά Μινθόλη Μινθόνη ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ

8 Όργανα και σκεύη Υλικά και αντιδραστήρια Σφαιρικές φιάλες Βορνεόλη-Μινθόλη Ογκομετρικοί κύλινδροι Na 2 Cr 2 7 Κωνικές φιάλες π. H 2 S 4 Ποτήρια ζέσεως Διαιθυλαιθέρας Διαχωριστική χοάνη Εξάνιο Μαγνητικός αναδευτήρας Διχλωρομεθάνιο Φούρνος Διάλυμα 5% Να 2 C 3 Λάμπα UV Na 2 S 4 NaCl Πλάκες ΤLC (Kieselgel GF 254 ) Διάλυμα θειικού οξέος-θειικού αμμωνίου (διάλυμα charring) Πειραματική πορεία Σε μια σφαιρική φιάλη των 50 ml προστίθενται 1 mmol βορνεόλης (0.154 g) ή μινθόλης (0.156 g) και 5 ml διαιθυλαιθέρα. Στο προκύπτον διάλυμα προστίθεται, υπό ανάδευση [Σχήμα Π2] και ψύξη στους 0 ο C, 3 ml διαλύματος Na 2 Cr 2 7 [0.66 g σε 4 ml H 2 και 0.50 ml H 2 S 4 στους 0 ο C] σε 3 δόσεις ανά 5 λεπτά. Όταν όλη η ποσότητα του Na 2 Cr 2 7 έχει προστεθεί το μίγμα της αντίδρασης αναδεύεται για 45 min στους 0 ο C και εν συνεχεία ελέγχεται η πορεία της με επίπεδη χρωματογραφία λεπτής στοιβάδας. Μετά την ολοκλήρωση της αντιδράσεως το μίγμα αραιώνεται με 15 ml H 2 και μεταφέρεται σε διαχωριστική χοάνη [Σχήμα Π6] και εκχυλίζεται με 20 ml αιθέρα. Μετά το διαχωρισμό των φάσεων η υδατική φάση εκχυλίζεται άλλη μια φορά με 20 ml αιθέρα. Τα εκχυλίσματα του αιθέρα ενώνονται, πλένονται 1 φορά με διάλυμα 5% Νa 2 C 3 (20 ml), 1 φορά με H 2 (20 ml), 1 φορά με κεκορεσμένο διάλυμα NaCl (20 ml), ξηραίνονται με Na 2 S 4, διηθούνται μέσω πτυχωτού ηθμού εντός υάλινου χωνιού [Σχήμα Π8] και συμπυκνώνονται, υπό κενό, μέχρι απομακρύνσεως όλης της ποσότητας του διαλύτη [Σχήμα Π9]. Περαιτέρω η καμφορά Σε μια πλάκα TLC τοποθετείται μια κηλίδα από το μίγμα της αντίδρασης και μια κηλίδα από το αρχικό διάλυμα της βορνεόλης ή της μινθόλης σε αιθέρα. Η πλάκα αναπτύσσεται με σύστημα διχλωρομεθανίου - εξανίου (6:4, v/v). Η εμφάνιση του χρωματογραφήματος γίνεται με ψεκασμό με διάλυμα θειικού οξέος-θειικού αμμωνίου (διάλυμα charring) και θέρμανση (κάψιμο) της πλάκας στους 250 C για 2-3 min. Από την εμφάνιση των χρωματογραφημάτων διαπιστώνεται ότι η καμφορά κινείται περισσότερο από τη βορνεόλη. Επίσης συγκρίνοντας την ένταση των κηλίδων της βορνεόλης και της καμφοράς εξάγονται συμπεράσματα για την πορεία της αντιδράσεως και το χρόνο ολοκλήρωσής της.

9 καθαρίζεται με εξάχνωση [Σχήμα Π17] και η μινθόνη με απόσταξη υπό ελαττωμένη πίεση [Σχήμα Π13]. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. D.L. Paiva, G.M. Lampman and G.S. Kriz Introduction to rganic Laboratory Techniques, Second Edition Saunders college publishing, New York 2. R.L. Pecsok, L.D. Shields, T. Cairns and I.G. McWilliam, Modern Methods of Chemical Analysis, Second Edition, John Wiley & Sons, New York (1980).