Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity
Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium
Przygotuj się do egzaminów
Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity
Otrzymaj punkty, aby pobrać
Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium
Społeczność
Odkryj najlepsze uniwersytety w twoim kraju, według użytkowników Docsity
Bezpłatne poradniki
Pobierz bezpłatnie nasze przewodniki na temat technik studiowania, metod panowania nad stresem, wskazówki do przygotowania do prac magisterskich opracowane przez wykładowców Docsity
4 Synteza difosforanu geranylu (GPP). Przedstawiona reakcja jest katalizowana przez prenylo-prenylotransferazę, a jej produktami są dwie izomeryczne formy ...
Typologia: Notatki
1 / 27
UNIWERSYTET GDAŃSKI WYDZIAŁ CHEMII
ANALIZA PRODUKTÓW POCHODZENIA NATURALNEGO
Gdańsk, 2013
Olejki eteryczne występujące w świecie roślinnym są to mieszaniny substancji lotnych o różnym charakterze chemicznym, charakteryzujące się silnym, na ogół przyjemnym zapachem. Jest to bardzo heterogenna grupa substancji roślinnych. Podstawą jej wyróżnienia jest zespół cech fizykochemicznych oraz technologia otrzymywania, polegająca najczęściej na destylacji z parą wodną. Do ogólnych charakterystycznych cech fizykochemicznych olejków należą: płynna konsystencja, lipofilność, lotność (odróżnienie od tłuszczów), czynność optyczna i charakterystyczny zapach. Olejki eteryczne od dawna znane są jako zapachowe substancje roślinne używane do celów kosmetycznych, dezynfekujących i leczniczych. Ze względu na łatwość otrzymywania z roślin przez destylację z parą wodną należały do najlepiej poznanych produktów świata roślinnego, chociaż skład chemiczny poznano dopiero później. Pod względem chemicznym olejki eteryczne stanowią wieloskładnikowe mieszaniny związków mono-, seskwi- i (rzadziej) diterpenowych (olejki terpenowe) lub związki pochodnych fenylopropanu (olejki nieterpenowe). W nich składzie stwierdzono obecność związków o charakterze węglowodorów, alkoholi, aldehydów, ketonów, estrów i eterów. Oprócz wymienionych związków terpenowych i pochodnych fenylopropanu, spotyka się również w olejkach substancje siarkowe (olejki gorczyczne), azotowe, pochodne acetylenu, tropolony, kumaryny, kwasy organiczne i inne. W skład jednego olejku może wchodzić kilkadziesiąt różnych związków, jednakże w większości z nich występuje dominujący składnik, np. (-)-mentol w olejku miętowym Oleum Menthae pipertae , nadający zapach olejkowi. Często olejek miętowy służy jako materiał wyjściowy do izolowania (-)-mentolu - jego głównego składnika. Ogółem poznano dotychczas ponad 1500 związków wchodzących w skład różnych olejków eterycznych. Procentowy udział poszczególnych składników w olejku jest zmienny i zależy od wielu czynników, m.in. od odmiany lub rasy chemicznej rośliny, stadium wegetacji, pochodzenia geograficznego surowca, a także czynników genetycznych (genotyp). Zwykle klasyfikuje się olejki na podstawie głównego składnika, np. mentolu, tymolu, cyneolu, eugenolu. Olejki eteryczne są wydzielinami roślinnymi o niewyjaśnionej w pełni roli fizjologicznej. Wytwarzane olejki mogą odgrywać pewną rolę w życiu rośliny, jak przywabianie owadów, ochrona przed pasożytami, zmniejszenie parowania, zasklepianie ran i wpływ na rośliny konkurencyjne. Biogeneza poszczególnych składników olejków przebiega zgodnie z ogólną drogą biogenezy terpenoidów lub pochodnych fenylopropanu. Olejki eteryczne są metabolitami wtórnymi zlokalizowanymi w tworach tkanki wydzielniczej egzogennej lub endogennej. Wydzielanie się olejków było przedmiotem wielu badań i poglądów, m.in. Tschircha, który przyjmował istnienie w ścianach komórkowych tzw. warstwy żywicorodnej.
silnym zapachu mogą ujawniać swoją obecność zapachem już przy zawartości 0,01%, np. kwiaty róż ( Oleum Rosae ). W różnych organach tego samego gatunku rośliny mogą występować olejki o różnym składzie, np. w korze cynamonowca Cinnamomum ceylanicum olejek zawiera głównie aldehyd cynamonowy, liście natomiast obfitują w olejek, którego głównym składnikiem jest eugenol. Przykładem występowania ras chemicznych wśród roślin olejkodajnych może być krwawnik pospolity, Achillea millefolium. W obrębie tego gatunku występują osobniki zawierające olejek z azulenem lub bezazulenowy. Gatunek eukaliptusa Eucalyptus dives obejmuje rasy chemiczne wytwarzające olejki o różnym składzie chemicznym, zawierające głównie piperyton, cyneol lub α - felandren. Nasiona pietruszki Petroselinum sativum mogą zawierać olejek z apiolem jako głównym składnikiem, mirystycyną lub 1-allilo-2,3,4,5-tetrametoksybenzenem.
fenolowych, a więc Oleum Thymi oraz Oleum Caryophylii lub ich główne składniki: tymol i eugenol.
Olejki eteryczne mają w temperaturze pokojowej zwykle konsystencję płynną oleistą, czasem zestalającą się. Zwykle są lotne z parą wodną i zawierają składniki o temperaturze wrzenia 50-320°C. Mogą być bezbarwne, czasem brunatnawe, ciemnoniebieskie lub zielone. Gęstość olejków zwykle wynosi poniżej 1 g/ml. Są niemal nierozpuszczalne w wodzie, rozpuszczalne - w alkoholu etylowym i tłuszczach. Olejki eteryczne są głównymi składnikami czynnymi wielu surowców farmakognostycznych określanych jako surowce olejkowe mające duże zastosowanie w lecznictwie (tab. 1, tab. 2). Tabela 1. Ważniejsze surowce olejkowe. Surowiec Zawartość olejku [%] Główny składnik olejku koszyczek arniki 0,04-0,14 tymol, ester metylowy tymolu koszyczek rumianku 0,5-1,5 α-bisabolol liść melisy 0,01-0,1 cytral liść mięty pieprzowej 1,0-2,0 D (-)-mentol liść szałwii 1,0-2,5 α- i β-tujon owoc anyżu 1,5-3,0 anetol owoc kminku 3,0-7,0 D (+)-karwon owoc kolendry 0,3-1,2 D (+)-linalol owoc kopru włoskiego 3,0-6,0 trans-anetol ziele piołunu ok. 0,5 tujon, tujol ziele krwawnika 0,25-0,5 chmazulen ziele tymianku 0,5-2,0 tymol owocnia pomarańczy 1,0-2,5 (+)-limonen korzeń omanu 1,0-3,0 Alantolakton korzeń lubczyka 0,5-1,0 Ftalidy korzeń kozłka lekarskiego 0,5-2,0 Estry borneolu kłącze tataraku 1,5-4,0 β -azaron
seskwiterpeny oraz rzadziej diterpeny. Przykładowe struktury terpenów obecnych w olejkach eterycznych roślin przedstawiono na rysunku 2.
OH
O
OH^ O^ O^ OH^ OH
O (^) Ac
O Ac H H
E (^) EE E
E^ H
H
E
H
O C O E
E
O Ac
1 2 3 4 5
6 7 8 9 10
11 12 13 14 15
16 17 18 19
(^20 21 )
24 25
23
26
OH
Rys. 2 Typowe struktury składników olejków eterycznych.
6.1 Hemiterpeny Najprostsze związki z grupy terpenów stanowią hemiterpeny, które wywodzą się bezpośrednio od difosforanu izopentenylu (IPP) lub dimetyloallilu (DMAPP), bądź od jednego z produktów pośrednich na drodze ich biosyntezy, m.in. od kwasu mewalonowego. Znanych jest sporo związków C5, które pochodzą od IPP, DMAPP lub od mewalonianu. Również niektóre związki C4 powstały (na drodze eliminacji C1) z wymienionych substratów. Związkami wywodzącymi się bezpośrednio z DMAPP są: prenol, alkohol izoamylowy, aldehyd izowalerianowy, kwas senecjowy i kwas izowalerianowy. Wzajemne przemiany hemiterpenów przedstawiono na rysunku 3:
IPP
H 3 C
CH CH 2 O PP
H 3 C C
PP C
H 3 C CH CH 2 OH H 3 C (^) prenol
H 3 C alkohol izoamylowy
CH 2 CH 2 OH
H 3 C CH CH
H 3 C CH 2 H 3 C
C
O
H aldehyd izowalerianowy
COOH H 3 C
CH 2
H 3 C CH
kwas izowalerianowy Rys. 3 Synteza i przemiany hemiterpenów.
6.2 Monoterpeny Monoterpeny, czyli związki C 10 H 16 są izolowane z licznych gatunków, jako główne składniki olejków eterycznych. Związkiem wyjściowym w syntezie monoterpenów jest difosforan geranylu (GPP). Jest on syntezowany w wyniku kondensacji pirofosforanu izopentenylu (IPP) lub dimetyloallilu (DMAPP), zgodnie z poniższym schematem (Rys. 4):
O H (^) H
O
cytral (^) cytronelal
OH
cytronelol
OH
linalol Alkohole Aldehydy
O
mircenon Ketony
O o-cymenon
O OH kwas geraniowy Kwas
B -mircen B-o -cymen Węglowodory
Rys. 6 Struktury chemiczne monoterpenów.
Monoterpeny typowe Z pochodnych węglowodorów otwartych, mircen jest głównym składnikiem olejku liści laurowych i chmielu. Ze składników cyklicznych największe znaczenie mają: D-limonen, stanowiący ponad 90% olejku pomarańczowego oraz jego forma L, występująca w terpentynie i amerykańskim olejku miętowym, a także γ-terpinen i α-felandren, których pochodne występują w olejku cytrynowym. Interesujące są też związki o odmiennym układzie atomów węgla, występujących poza pierścienie, jak α- i β-pinen oraz kamfen. Są to składniki terpentyny, olejku jodłowego i lawendowego. Poza wymienionymi już geraniolem i nerolem, znane są inne pochodne o charakterze alkoholi, powstające przez wysycenie podwójnych wiązań (cytronellol), lub przez przeniesienie grup OH (linalool). Utlenienie grup OH prowadzi do powstania grup aldehydowych. Związki takie szczególnie obficie występują w rodzajach Citrus i Eucalyptus , a najbardziej znane to cytral i cytronelal. Spotykane są również pochodne zawierające grupy ketonowe: tageton, mircenon i o-cymenon. Monoterpeny nietypowe Monoterpeny nietypowe mają budowę, która nie pasuje do klasycznej reguły izoprenowej,
ani do dotychczas znanych schematów biosyntezy, jednakże ich pochodzenie od typowych jednostek C 5 jest niewątpliwe. Najbardziej znane monoterpeny nietypowe to Artemisia -keton wyizolowany z bylicy rocznej i lawandulol występujący w lawendzie oraz w niektórych roślinach z rodziny szorstkolistnych. Monoterpeny cykliczne Obok najprostszych monoterpenów niecyklicznych, których obecność stwierdzono głównie w olejkach kwiatowych i owocowych, spotykane są dość powszechnie monoterpeny cykliczne. Stanowią one składniki zarówno olejków eterycznych, jak i żywic. Monoterpeny cykliczne można podzielić na:
C
O
H (^) H
O C
hv
cytral fotocytral A
Rys. 7 Indukowana przez światło przemiana cytralu w formę cykliczną.
Wydaje się jednak, że indukowanie przez światło jest ograniczone do roślin wyższych. W wyniku cyklizacji enzymatycznej powstają z reguły układy cykliczne sześcioczłonowe, które biogenetycznie mogą wywodzić się od geraniolu lub nerolu. Podobnie jak monoterpeny otwarte, również i cykliczne występują na różnym stopniu utlenienia. Biogenetycznie najbliżej cyklizacji znajdują się alkohole, z których należy wymienić karweol (izolowany z kminku zwyczajnego) i izomeryczny z nim mentol (główny składnik olejku miętowego). Monoterpeny policykliczne Związki tej grupy powstają w naturze dzięki rozlicznym możliwościom pofałdowania łańcuchów monoterpenowych, przy czym mogą się tworzyć zasadniczo dwa typy związków:
Najprostsze seskwiterpeny zostały przedstawione na rysunku 9:
-bisabolen kadynen -salinen
OH (^) HO CH
-eudesmol farnezol
γ β
α
Rys. 9 Struktury wybranych seskwiterpenów mono- i dicyklicznych.
Przedstawione seskwiterpeny mono- i dicykliczne: kadynen, γ-bisabolen, β-salinen, α-eudesmol i farnezol mają znacznie wyższą temperaturę topnienia od monoterpenów, ale również są lotne z parą wodną i mogą być składnikami olejków eterycznych. Najprostszym z wymienionych jest γ-bisabolen izolowany ze skórek owoców cytryny oraz jego pochodne: γ-kurkumina, występująca w ostryżu wonnym i turmeron izolowany z ostryżu długiego. Do pochodnych monocylkicznych seskwiterpenów należy także kwas abscysynowy – związek o właściwościach regulacyjnych. Jest on odpowiedzialny za przechodzenie roślin w stan spoczynku zimowego. Z seskwiterpenów dicyklicznych należy wymienić α-kadynen, izolowany z pieprzu kubeby lub karotol otrzymany z marchwi. Poza wymienionymi na uwagę zasługują niektóre układy tricykliczne – substancje o szkieletach nietypowych, a wśród nich składniki olejku wetiwerowego, niektóre gorzkie składniki chmielu, pochodne dihydro- β -agarofuranowe. Wielokrotnie większą grupę, niż dotychczas omówione pośród seskwiterpenów, stanowią ich laktony, które występują powszechnie w roślinach wyższych i niższych. Są to substancje: bezbarwne, gorzkie, rozpuszczalne w tłuszczach, wywodzące się od difosforanu trans-trans- farnezylu i powstające na drodze enzymatycznej cyklizacji oraz utlenienia modyfikującego ich konformację. Do głównych typów układów podstawowych należą: -germakranolidy, -elemanoidy, -eudesmanolidy, -kadynanolidy, -gwajanolidy.
Omawiane substancje wykazują wielostronną aktywność biologiczną. Zidentyfikowano wśród nich: związki o działaniu kancerostatycznym, inhibitory wzrostu bakterii, fitotoksyny, antybiotyki, czynniki chroniące skórę przed pasożytami, alergeny wywołujące podrażnienie skóry, substancje chroniące przed owadami i związki toksyczne dla kręgowców.
Diterpeny 6. Do diterpenów należą związki o różnorodnej funkcji i budowie, takie jak: hormony (gibereliny, kwasy trisporowe), witaminy (grup A, E i K), chromoforowe składniki purpury wzrokowej (retynina), alkoholowy składnik chlorofilów (fitol), kwasy żywiczne (kwas abietynowy), alkaloidy (koniina), czynniki słodzące (stewiozydy) i wiele innych o nieustalonej funkcji. Według przyjętego schematu biosyntezy diterpeny wywodzą się od geranylogeraniolu, który powstaje w reakcji przedłużania łańcucha prenylowego z udziałem difosforanu farnezylu i IPP. Reakcję katalizuje transferaza prenylowa. Transferazy tego rodzaju zostały wyizolowane z różnych organizmów żywych, m.in. z drożdży, wątroby i licznych roślin wyższych. Związkiem wyjściowym w syntezie diterpenów jest geranylo-geranylo-PP (GGPP), który przez odłączenie reszty difosforanowej (z udziałem difosfoesterazy) przechodzi w geranylogeraniol (Rys. 10). Wolny geranylogeraniol występuje w pomidorach. Substancją o strukturze niecyklicznej, mającą bardzo duże znaczenie biologiczne jest fitol (Rys. 10) – alkohol wchodzący w skład chlorofilów oraz witamin grup E i K. Podobnym związkiem o niecyklicznej strukturze jest geranylolinalool, który wyizolowano z olejku jaśminowego. Jednakże składniki niecykliczne spotykane są stosunkowo rzadko. Natomiast znacznie częściej występują składniki cykliczne, które dzielą się na mono-, di-, tri- tetra- i pentacykliczne. Powstają one przez stopniową cyklizację GGPP poprzez izomeryczny difosforan geranylolinaloolu, który następnie cyklizuje do dicyklicznego difosforanu labdadienylu i dalej do związków o większej liczbie pierścieni. Labdadien jest punktem wyjścia do syntezy giberelin, natomiast tricykliczny pimaradien stanowi macierzystą strukturę tzw. kwasów żywicznych (pimapowy, abietynowy). Diterpenem monocyklicznym jest α-kamforen o nieregularnej budowie, znaleziony w kamforowcu lekarskim, diterpenem dicyklicznym - manool, zawarty w żywicy cisowatych. Znane są również liczne diterpeny o większej liczbie pierścieni. Przedstawicielami związków tetracyklicznych są np.: filokladyna, karnozol i stewiol.
CH 2 OH
CH 2 OH
geranylogeraniol fitol
Rys. 10 Niecykliczne diterpeny.
olejek eukaliptusowy W zależności od gatunku eukaliptusa występują różnice w składzie ilościowym i jakościowym olejków z liści tej rośliny. W tabeli 4 podano skład trzech olejków otrzymanych z liści drzew rosnących w Zachodniej Australii ( Eucalyptus kochii subsp. kochii , E. kochii subsp. plenissima i E. oleosa var. borealis) (Barton i inni, 1989) oraz dwóch olejków otrzymanych z liści drzew rosnących w Rwandzie ( E. goniocalyx F. Muell. i E. patens Benth.) (Menut i inni, 1995). Głównym składnikiem olejków eukaliptusowych (z wyjątkiem olejku z E. gonicalyx ) jest
trzech olejkach pochodzących z liści drzew rosnących w Zachodniej Australii (1,8-cineol stanowi od 77,5% do 80,5%, a procentowe zawartości pozostałych składników nie przekraczają 3%).
Tabela 4. Skład olejków z liści drzew eukaliptusa rosnących w Zachodniej Australii i Rwandzie
Związek Gatunek eukaliptusa E. kochii subsp. kochii *
E. kochii subsp. plenissima *
E. oleosa var borealis*
E. gonicalyx F. Muell**
E. patens Benth**
p-cymen 1,5 1,5 2,5 17,2 ** 1,8-cineol 80,5 77,3 75,5 18,0 39, terpinen-4-ol 0,7 0,7 * ** **
kuminal 0,6 0,6 * - - borneol * * * 2,6 **
limonen - - - 3,3 32,
Olejek miętowy W tabeli 5 podano skład dwóch olejków miętowych ( Mentha x piperita L.) wyodrębnionych z liści i kwiatów roślin rosnących w Norwegii (Rohloff, 1999). W analizie jednego olejku
wykorzystano technikę headspace SPME (solid - phase microextraction), a w drugim przypadku zastosowano destylację z parą wodną. Głównym składnikiem obydwu olejków jest mentol. Jednak skład ilościowy olejków różni się w zależności od techniki przygotowania próbek i ich analizy. Powodem różnic jest to, że z techniki headspace uzyskuje się skład bogatszy w związki niżej wrzące niż po zastosowaniu destylacji z parą wodną.
Tabela 5. Skład olejków z liści i kwiatów Mentha x piperita L. analizowanych dwoma technikami (headspace SPME i GC/MS oraz destylacja z parą wodną i GC/MS) Związek Mięta Mentha x piperita L. headspace SPME Destylacja z parą wodną
sabinen 2,88 *
limonen 9,32 2, 1,8-cineol 20,29 5, p-cymen 2,78 * ( E )-p-ment-2-en-1-ol 2,72 * menton 16,08 15, mentofuran 3,33 * izomenton 2,98 4, octan mentylu * 8, neomentol 2,42 4, mentol 16,65 46,
olejek ylangowy W tabeli 6 przedstawiono skład olejków eterycznych otrzymanych z kwiatów (kwiaty zbierano po 2, 4 i 6 tygodniach; zostały odpowiednio oznaczone: I, II i III) drzewa ylang-ylang ( Cananga odorata Hook Fil. Et Thomson, forma genuina ) występującego w Kolumbii (Stashenko i inni, 1995). Głównym składnikiem olejków ylangowych jest linalol, którego procentowa zawartość jest największa w kwiatach zbieranych po 4 tygodniach i wynosi 38,97%. Natomiast procentowa zawartość germakrenu D maleje wraz ze stopniem dojrzewania kwiatów.
Tabela 7. Skład olejków z kłączy dwóch gatunków imbiru S. prionogonium K. Schum (Afryka Środkowa) i Z. officinale Roscoe (Afryka Środkowa i Tajwan) Związek imbir S. prionogonium K. Schum (Afryka środkowa)
Z. officinale Roscoe (Afryka środkowa)
Z. officinale Roscoe (Tajwan)
1,8-cineol 1,4 10,4 * linalol * 2,5 * kamfora 31,0 * * izoborneol 8,5 - - borneol 3,7 4,0 -
neral - 16,3 2, geranial - 18,3 4,
olejek jałowcowy W tabeli 8 podano skład trzech olejków z owoców drzew jałowca rosnących w Hiszpanii ( Juniperus thurifera L., J. oxycedrus L. i J. sabina L.) (Hernandez i inni, 1987) oraz jednego olejku otrzymanego z owoców drzew rosnących na Węgrzech (J. communis L.) (Humphery i inni, 1984). Skład olejków z różnych gatunków jałowców jest bardzo zróżnicowany. Głównymi ich
J. oxycedrus L. (60,60%) i J. communis L. (35,0%). W olejkach występuje tylko kilka składników o procentowej zawartości powyżej 2% (wyjątek stanowi olejek z J. communis L.). Oprócz zróżnicowanego składu ilościowego, olejki z różnych gatunków jałowców wykazują również zróżnicowanie jakościowe. W tych trzech olejkach występują składniki charakterystyczne tylko dla danego gatunku jałowca.
Tabela 8. Skład olejków z owoców drzew jałowca rosnących w Hiszpanii i na Węgrzech Związek Gatunek jałowca J. thurifera L. J. oxycedrus L. J. sabina L. J. communis L.
sabinen 2,20 * 82,89 5,
limonen 84,32 * * 3, terpinen-4-ol * * * 9,
Olejek z pąków czarnej porzeczki W olejkach z pąków 23 odmian czarnej porzeczki ( Ribes nigrum L.) procentowa zawartość głównych składników mieści się w szerokim zakresie, np. procentowa zawartość sabinenu w
felandrenu od 1,72% do 24,63% i terpinolenu od 0,40% do 20,00% (Tab. 9) (Le Quere i Latrasse, 1990). Procentowa zawartość tylko 15 związków (w 23 odmianach) jest powyżej 2%. Pozostałe 35 składników występuje w niewielkich ilościach lub w niektórych odmianach nie występuje w ogóle. Rysunek 11 przedstawia typowy chromatogram olejku z pąków czarnej porzeczki.