Seite 17-1 Organische Chemie - Ergänzungen 17 – Terpene und Terpenoide Priv.-Doz. Dr. Stefan Immel Universität Leipzig, Wintersemester 2007/2008. Seite 17-2 Terpene und Terpenoide Terpene und Terpenoide (Z)-Ocimen (Basilikum) Geraniol (Koriander) (S)-(-)-Limonen (Koniferen) (S)-(+)-Carvon (Kümmelöl) (-)-Menthol (Minze) (+)-Campher (Lorbeer) a-Pinen (Dill, Fenchel) Terpene stellen eine sehr große Klasse von Naturstoffen dar, die z.T. sehr unterschiedliche (heterogene) chemische Strukturen aufweisen. Gegenwärtig sind über 8.000 Terpene und 30.000 Terpenoide (= „Terpen“-ähnliche Strukturen mit Heteroatom-Funktionalitäten wie z.B. Hydroxyl-, Carbonyl-, Carboxylat-Substituenten etc.) vorwiegend pflanzlichen und seltener tierischen Ursprungs bekannt. In mehr als 2.000 Pflanzenarten aus ca. 60 verschiedenen Familien treten Terpene (oder Terpenoide) in den Blüten, Blättern, Nadeln, Früchten und Harzen als „ätherische Öle“ auf. Diese meistens sehr komplexen Gemische bestehen aus verschiedenen, oft leicht flüchtigen Substanzen mit z.T. stark ausgeprägtem und charakteristischen Geruch, die überwiegend zur Stoffklasse der Terpenoide zählen (acyclische, cyclische und bicyclische Verbindungen), daneben treten aber auch aromatische und seltener heterocyclische Verbindungen auf. Die ätherischen Öle lassen sich aus Pflanzen durch Auspressen, Extraktion, Destillation und vor allem Wasserdampfdestillation isolieren (? Rosenöl, Orangenöl, etc.). Die biologische Funktion der vielfach pharmakologisch wirksamen Inhaltstoffe der ätherischen Öle ist nicht restlos bekannt, aber Lockstoffe (Pheromone), Fraßabwehrstoffe (biologische Insektizide) und Krankheits-vorbeugende Stoffe (Antibiotika) gehören in diese Klasse von Naturstoffen. Aufgrund des sehr charakteristischen Geruchs werden einige künstlich hergestellte („naturidentische“) oder aus Pflanzenmaterial isolierte („natürliche“) Terpene als Geruchs- oder Geschmacksstoffe in Parfümen, kosmetischen Produkten und der Lebensmittelchemie eingesetzt.* a-Bisabolol (Kamille) * Viele Terpene sind optisch aktiv, d.h. es handelt sich oftmals um chirale Verbindungen. Teilweise tritt in der Natur nur ein Isomeres auf, z.T. sind aber auch stereoisomere Naturstoffe bekannt. Seite 17-3 Terpene und Terpenoide Biogenetische Isoprenregel Lange bevor die Strukturen vieler Terpene aufgeklärt werden konnten, stellte O. Wallach 1887 fest, dass die Terpene immer aus Vielfachen von C 5 -Bausteinen aufgebaut zu sein scheinen. Diese Regel, wonach sich Terpene formal als Oligomere oder Polymere des Kohlenwasserstoffs Isopren auffassen lassen, wurde 1922 von L. Ruzicka als „Biogenetische Isoprenregel“ formuliert, wobei die Terpene sowohl aus Kopf-Schwanzwie auch aus Schwanz-Schwanz-verknüpften Isopren-Einheiten bestehen können, seltener sind Kopf-Kopf-Verknüpfungen.* Diese Beobachtung diente in der Folge neben der Klassifizierung der Terpene auch als sehr wichtiger Leitfaden zur Konstitutionsermittlung komplexer terpenoider Naturstoffe. (Z)-Ocimen Limonen Campher a-Pinen ß-Carotin a-Bisabolol Otto Wallach (1847-1931) Nobelpreis Chemie, 1910. Isopren (C 5H 8) C 5-Baustein der Terpene "Kopf" "Schwanz" Kopf- Schwanz- Verknüpfung Schwanz- Schwanz- Verknüpfung Leopold Ruzicka (1887-1976) Nobelpreis Chemie, 1939. * Biosynthetisch erfolgt der Aufbau des Kohlenstoffgerüstes nach dieser Regel, durch weitere Umwandlungen können Doppelbindungen und funktionelle Gruppen an versch. Positionen auftreten. Seite 17-4 Terpene und Terpenoide Klassifizierung Aufgrund der formalen Betrachtung der Terpene als Oligomere des Isoprens werden diese auch allgemein als Isoprenoide (= „vom Isopren abgeleitet“ oder „dem Isopren ähnlich“) bezeichnet. Gleichzeitig bildet dies die Grundlage der Klassifizierung der Terpene nach der Anzahl der vorliegenden C5-Einheiten in ihrem Kohlenstoffgerüst: je nach Anzahl der Basiseinheiten unterscheidet man zwischen Monoterpenen (C10 = zwei Isopreneinheiten = eine Terpeneinheit), Sesquiterpenen (C15 = drei Isopreneinheiten = 1½ Terpeneinheiten), Diterpenen (C20 = 4 × Isopren), Sesterterpenen (C25 ), Triterpenen (C30 ) und Tetraterpenen (C40 ), darüber hinaus spricht man von Polyterpenen (> 8 Isopreneinheiten).* Zur Überklasse der Terpene gehören auch die Steroide (? Triterpene) und Carotinoide (? Tetraterpene). Die nur aus einer Isopreneinheit bestehenden Hemiterpene sind selten und stellen Derivate des Isoprens bzw. Stoffwechselintermediate der höheren Terpene dar. Die Biosynthese der Terpene (siehe unten) erfolgt über sukzessive Verknüpfung von C5-Bausteinen, die in Säugetieren vorkommenden Isoprenoide leiten sich vom Farnesylpyrophosphat ab (? Ubichinone oder alternativ auch ? Squalen ? Lanosterol ? Steroide): Polyterpene Triterpene Tetraterpene + n C 5 Schwanz- Schwanz- Verknüpfung Schwanz- Schwanz- Verknüpfung Isopentenylpyrophosphat Geranylpyrophosphat Farnesylpyrophosphat Geranylgeranylpyrophosphat Geranylfarnesylpyrophosphat * Die Namen sind an die griechischen Zahlwörter angelehnt: hemi = ½, mono = 1, sesqui = 1 ½, di = 2, sester = 2 ½, usw., wobei eine Isopreneinheit als ein „halbes“ Terpen gezählt wird. + C 5 + C 5 + C 5 + C 5 Kopf- Schwanz- Verknüpfung Kopf- Schwanz- Verknüpfung Kopf- Schwanz- Verknüpfung Kopf- Schwanz- Verknüpfung Monoterpene Diterpene Seite 17-5 Klassifizierung der Terpene – Beispiele* Hemiterpene (C 5) Limonen Monoterpene (C 10) Triterpene (C 30) Tetraterpene (C 40) Campher a-Pinen Squalen ß-Carotin HOOC Tiglinsäure a-Bisabolol HOOC Angelicasäure COOH Seneciosäure Sesquiterpene (C 15) Diterpene (C 20) Lanosterol COOH Isovaleriansäure Abietinsäure * Die Verknüpfungsart (Kopf-Kopf, Kopf-Schwanz) der Isopren-Einheiten ist aus den Strukturen nicht immer direkt erkennbar, da biosynthetische Umlagerungen stattfinden können (siehe unten). Seite 17-6 Biosynthese der Terpen-Vorstufen Die Biosynthese der Terpen-Vorstufen über den Mevalonat-Weg Bindung an das Enzym Enolisierung Carboxylierung Thioester-Enolat Malonyl-S-CoA - CO 2 Die Biosynthese der Terpene erfolgt über die Zwischenstufe der Mevalonsäure (C6-Baustein). Der erste Schritt dieses Mevalonat-Biosynthesewegs wird ausführlich in Kapitel 13 beschrieben: Die Claisen Kondensation von zwei Equivalenten Acetyl-S-CoA führt zur Bildung von Acetoacetyl-S-CoA. Im Folgeschritt erfolgt eine Aldol-analoge Addition eines dritten Equivalents Acetyl- S-CoA (als Malonyl-S-CoA)* an die Carbonylgruppe unter Bildung von Hydroxymethylglutaryl-S-CoA, dessen Thioesterfunktion anschließend reduktiv unter Freisetzung von Mevalonsäure und Regeneration von CoA-SH erfolgt. In der Summe erfolgt die Bildung von Mevalonsäure aus drei Bausteinen Acetyl-S- CoA (was durch Isotopenmarkierung eindeutig bewiesen werden konnte), und dementsprechend werden alle Terpene letztendlich Essigsäure aufgebaut, weshalb die Terpene (mit z.B. den Polyketiden) zu den Acetogeninen zählen. = Carbonyl-C-Atome aus Acetyl-S-CoA Thioester-Enolat Aldol- Addition - CoA-SH (3S)-3-Hydroxy-3-methylglutaryl-S-CoA + 2 NADPH, + 2 H - 2 NADH , - CoA-SH (R)-Mevalonsäure Reduktion * Die Carboxylierung von Acetyl-S-CoA zu Malonyl-S-CoA ist identisch zu dem ersten Schritt der Fettsäure-Synthese (? Kap. 13), und führt zur irreversiblen Aldol-Addition (? Freisetzung von CO 2 ). Seite 17-7 Biosynthese der Terpen-Vorstufen (R)-Mevalonsäure (R)-Mevalonolacton ATP ADP O H3C OH O ATP ADP Phosphat Der C 6 -Baustein Mevalonsäure (offenkettig oder in Form des Mevalonolactons) wird im nächsten Schritt unter Verbrauch von drei Equivalenten ATP phosphoryliert. Anschließend erfolgt die konzertierte und damit stereospezifische Decarboxylierung (? CO 2 , Verlust eines einzelnen C-Atoms) und Eliminierung von Phosphat zum Isopentenylpyrophosphat (C 5 -Baustein):* - H + H + H 2O - H 2O pro-S - CO 2, - PO 4 3 pro-R = Pyrophosphat Isopentenylpyrophosphat * Markierungsexperimente haben gezeigt, dass der Verlust von Kohlendioxid und Phosphat ausschließlich gleichzeitig und damit stereospezifisch als 1,2-anti-Eliminierung erfolgt. Seite 17-8 Biosynthese der Terpen-Vorstufen Isopentenylpyrophosphat (IPP) IPP-Isomerase Isopentenylpyrophosphat (IPP) wird durch die IPP-Isomerase in einer Gleichgewichtsreaktion zum Teil zu Dimethylallylpyrophosphat (DMAPP) isomerisiert, wobei nach der Markovnikov-Regel (siehe Kapitel 5) das stabilere tertiäre Carbeniumion als Zwischenstufe gebildet wird, dessen Deprotonierung anschließend wieder zum IPP (? Hofmann-Alken) oder alternativ zum DMAPP (? höher substituiertes Saytzev-Alken) führen kann (de facto erfolgen Deprotonierung und Protonierung fast gleichzeitig, ein „freies“ Allyl-Kation außerhalb des Enzyms tritt nicht auf):* Base Formal entsprechen sowohl IPP wie auch DMAPP den biologischen „Isopren- Equivalenten“, da prinzipiell durch 1,2- bzw. 1,4-Eliminierung von Pyrophosphat aus beiden Bausteinen Isopren gebildet werden kann (molekulare Basis der „biogenetischen Isoprenregel“ von L. Ruzicka). Biochemisch stellen jedoch IPP und DMAPP die „aktiven“ Isopren-Bausteine dar, zum einen weil sie beide noch über funktionelle Gruppen verfügen die Folgereaktionen ermöglichen bzw. wesentlich einfacher gestalten, zum anderen weil die Handhabung des sehr flüchtigen und unpolaren Kohlenwasserstoffs Isopren im wässrigen Medium der Pflanzenzelle ein nicht zu unterschätzendes Problem darstellen würde. Dennoch wird auch Isopren selbst von vielen Bäumen und Phytoplankton produziert und freigesetzt, Grund könnte der Schutz der Pflanzen vor bodennahem Ozon durch das gasförmige Isopren sein, dies ist aber noch nicht vollständig abgesichert. Die nun folgende eigentliche Biosynthese der Terpene erfolgt allerdings ausschließlich über die Ausgangsverbindungen Isopentenylpyrophosphat (IPP) und Dimethylallylpyrophosphat (DMAPP). Dimethylallylpyrophosphat (DMAPP) DMAPP Isopren 1,2-Eliminierung 1,4-Eliminierung * Die IPP ? DMAPP Isomerisierung verläuft ebenfalls stereospezifisch, so dass entweder das CH 3 -Proton, oder das pro-R-H-Atom der CH 2 -Gruppe abgespalten wird. Seite 17-9 Biosynthese der Terpen-Vorstufen Die Biosynthese der Terpen-Vorstufen über den 1-Desoxyxylulose-5-phosphat-Weg H3C COO O D-Glycerinaldehyd-3-phosphat P O O + H Pyruvat OH - CO 2 Umlagerung unter CH 3- Wanderung Lange wurde angenommen, dass Pflanzen – genau wie Tiere und Pilze – Isoprenoide ausschließlich über den Acetat- Mevalonat-Weg aufbauen. Mit Hilfe von Markierungstechniken gelang aber der Nachweis, dass Chloroplasten einen biochemisch eigenen, Mevalonat-unabhängigen Biosynthesemechanismus für die in dieser Zellorganelle benötigten photosynthetischen Pigmente und Isoprenoide haben: den Desoxyxylulosephosphat-Weg (DOXP-Weg).* Dieser neue DOXP-Weg umfasst alternative Zugangswege zu Carotinoiden und den isoprenoiden Seitenketten der Chlorophylle und Chinone, und soll hier nur sehr knapp skizziert werden. Aus D-Glycerinaldehydphosphat und Pyruvat wird unter Decarboxylierung 1-Desoxy-D-xylulose-5-phosphat gebildet, das nach einer Gerüstumlagerung, verschiedenen Phosphorylierungen, Eliminierungen und Reduktionen schließlich ebenfalls Isopentenylpyrophosphat liefert: DMAPP Reduktion Eliminierungen und Reduktionen Phosphorylierungen Cyclisierung PP i * Two Independent Biochemical Pathways for IPP and Isoprenoid Biosynthesis in Higher Plants. H. K. Lichtenthaler, M. Rohmer, J. Schwender, Physiologia Plantarum 1997, 101, 643-652. Seite 17-10 Biosynthese der Terpene Bildung acyclischer Terpene-Precursoren DMAPP HA HB OPP + IPP Allyl-Substitution S N Kopf-Schwanz- Verknüpfung - H - PPi H R H S Die eigentliche Bildung der Mono-, Sesqui-, Di- usw. Terpene verläuft unter Kupplung der biochemisch „aktiven“ Isopren-Bausteine IPP und DMAPP. Die elektronenreiche und reaktive, sterisch weniger abgeschirmte terminale C=C- Doppelbindung von IPP greift als Nucleophil DMAPP an. In dieser SN-analogen Reaktion fungiert Pyrophosphat als sehr gute Abgangsgrupppe, die aus der Allyl-Stellung des DMAPP heraus besonders gut austritt. Primär erfolgt die Bildung eines tertiären Carbeniumions, das anschließend durch Deprotonierung eine C=C-Doppelbindung regeneriert (siehe auch Formelschema auf der nächsten Seite). Diese enzymatisch-katalysierte Verknüpfungsreaktion zwischen IPP und DMAPP verläuft regioselektiv als Kopf-Schwanz-Kupplung, und weiterhin ebenfalls stereospezifisch in Bezug auf die neu gebildete C=C-Doppelbindung: Das Enzym Dimethylallyl-trans-Transferase katalysiert spezifisch die Ausbildung der (E)-konfigurierten C=C-Doppelbindung (? Geranylpyrophosphat), während die entsprechende Dimethylallyl-cis-Transferase die Bildung einer (Z)-C=C-Doppelbindung (? Nerylpyrophosphat) katalysiert. Sukzessive Wiederholung dieser Reaktionssequenz führt zu den acyclischen C10-, C15-, C20-, C25- usw. Precursoren der eigentlichen Terpene (siehe nächste Seite). Anmerkung: Ob diese Kupplung tatsächlich nach dem S N 1 oder S N 2- Mechanismus abläuft sei dahingestellt: außerhalb der Enzymtasche treten keine Carbeniumionen auf, und man beobachtet, dass der Prenyl-Transfer von IPP sowohl stereospezifisch unter Inversion der CH 2 -Gruppe des DMAPPs erfolgt, wie auch stereospezifisch unter Deprotonierung am pro-R- H-Atom unter Ausbildung der (E)-konfigurierten C=C-Doppelbindung.* S N2-artige Inversion der Konfiguration (E)-Konfiguration der C=C-Bindung Seite 17-11 Biosynthese der Terpene – Kopf-Schwanz-Kupplung OPP = DMAPP Allyl-Substitution S N Schwanz Kopf = Pyrophosphat 13C-markiertes Acetat = Na H3C O - PP i Geranylpyrophosphat (GPP) Farnesylpyrophosphat (FPP) Geranylgeranylpyrophosphat (GGPP) Geranylfarnesylpyrophosphat (GFPP) Kopf-Schwanz- Verknüpfung Biosynthese über Mevalonat, IPP und DMAPP + IPP + IPP wiederholte Kopf-Schwanz- Verknüpfung + IPP Kopf-Schwanz-Verknüpfungen Anmerkung: „Füttert“ man Pflanzen mit an der C=O-Gruppe 13 C-markiertem Acetat, so findet über den Mevalonat-Weg der Einbau der Isotopenmarkierung in den unten gezeigten Positionen statt. Seite 17-12 Biosynthese der Terpene – Schwanz-Schwanz-Kupplung Bildung acyclischer Terpene-Precursoren (n = 1) (n = 2) n Farnesylpyrophosphat (FPP) Geranylgeranylpyrophosphat (GGPP) 13C-markiertes Acetat = Na H3C O Biosynthese über Mevalonat, IPP und DMAPP (n = 1) (n = 2) - NADH - NAD , - H - 2 PPi Squalen Lycopersen Dimerisierung durch Schwanz-Schwanz- Verknüpfung Neben der oben beschriebenen Kopf-Schwanz-Verknüpfung von IPP und DMAPP werden die Triterpene (C 30 ) und Tetraterpene (C 40 ) über Schwanz-Schwanz-Dimerisierungen von Farnesylpyrophosphat (2 × FPP = 2 × C 15 ? C 30 = Squalen) oder Geranylgeranylpyrophosphat (2 × GGPP = 2 × C 20 ? C 40 = Lycopersen) gebildet. Der Mechanismus ist komplizierter als die Kopf-Schwanz-Kupplung, und erfordert neben einer Wagner-Meerwein- Umlagerung (1,2-Alkyl-Shift) des Kohlenstoffgerüsts eine Reduktion mit einem Equivalent NADH (vgl. nächste Seite): n CH3 CH3 n CH3 Kopf-Schwanz-Verknüpfungen Schwanz-Schwanz-Verknüpfung Kopf-Schwanz-Verknüpfungen Seite C 15 (n = 1) (n = 2) Allyl-Substitution S N 17-13 Biosynthese der Terpene – Schwanz-Schwanz-Kupplung n Farnesylpyrophosphat (FPP) Geranylgeranylpyrophosphat (GGPP) OPP CH3 H Allyl-Substitution S N Base Dieser Mechanismus zum Nachvollziehen am Modell: OPP CH3 H Dimerisierung durch Schwanz-Schwanz- Verknüpfung Drehung 120° (n = 1) (n = 2) Bildung eines Cyclopropanrings 1,3-H- Eliminierung Squalen Lycopersen n CH3 CH3 n CH3 Präqualenpyrophosphat Base Ringerweiterung zum Cyclobutan Reduktion und Hydrid-Transfer NAD-H - PPi H 3C H Bildung des Cyclopropanrings Ringöffnung Sn-Reaktion mit 1,2-Alkyl-Shift unter Bildung des Cyclobutanrings Anmerkung: Cyclopropanderivate des gezeigten Typus sind Bestandteil der Pyrethrine wie z.B. der Chrysanthemumsäure und der Pyrethrinsäure (siehe unten). Seite 17-14 Monoterpene Acyclische Monoterpene Aus dem Monoterpen-Precursor Geranylpyrophosphat (GPP, (E)-Konfiguration) bzw. dem (Z)-konfigurierten Analogon Nerylpyrophosphat entstehen in verschiedensten Pflanzen durch weitere enzymatisch-katalysierte Umwandlungen (Eliminierungen, Umlagerungen, Oxidationen, etc.) eine ganze Reihe acyclischer Monoterpene (siehe Formelschema auf der nächsten Seite). In vielen Fällen kommen die gezeigten Verbindungen entweder in enantiomeren-reiner Form oder als Enantiomerengemische vor, weshalb hier z.T. auf die Angabe einer spezifischen Konfiguration verzichtet wurde (z.B. Linalool kommt in Form beider Enantiomere Licareol = (R)-(–)-Linalool) und Coriandrol = (S)-(+)-Linalool vor, Stereoisomere können, müssen aber nicht gemeinsam in der selben Pflanze vorkommen). Beachtenswert in dem Formelschema ist die 1,3-Allyl-Umlagerung, die unter 1,3-Wanderung des Pyrophosphat-Rests (über ein Mesomerie-stabilisiertes Allyl-Kation oder konzertiert) erfolgt, und damit die Bildung isomerer Produkte (Geraniol und Linalool) aus der gleichen Vorstufe ermöglicht, ein Prozess der zur Strukturvielfalt der Terpene führt. Die Angabe zur Herkunft oder Vorkommen der verschiedenen Terpene ist mehr oder weniger willkürlich gewählt, und keineswegs auf die angegebene Pflanzenart oder Gewürzsorte beschränkt, die acyclischen Monoterpene (wie auch viele andere der im Folgenden noch erwähnten Naturstoffe) sind sehr weit verbreitet, und kommen in vielen verschiedenen Pflanzengattungen parallel vor. Ein gutes (aber sicher nicht vollständiges) Nachschlagewerk und Verzeichnis findet sich im Internet unter der Bezeichnung „Liber Herbarum – Referenz-Guide für Heilkräuter“. Neben der Suche nach bekannten Vorkommen spezifischer Inhaltsstoffe können auch umgekehrt bekannte Inhaltsstoffe spezifischer Arten aufgelistet werden und pharmakologische Hinweise können abgerufen werden:* Liber Herbarum II Hauptseite http://www.liberherbarum.com/IndexS03.htm Inhaltsstoffe http://www.liberherbarum.com/-stofnavne03.htm Liber Herbarum Minor (deutsche Liste der Inhaltsstoffe) http://www.liberherbarum.com/Minor/DE/InIndex03.htm Weiterhin soll in diesem Zusammenhang auf Lehrbücher der Pharmakologie verwiesen werden (z.B. E. Mutschler et al., Arzneimittelwirkungen – Lehrbuch der Pharmakologie und Toxikologie). In diesem Skript soll der Schwerpunkt aber eher auf den biochemischen Zusammenhängen, den Stoffwechselwegen und der strukturellen Vielfalt der Naturstoffe (die sich aus solchen „chemischen“ Überlegungen ableitet) liegen. * Um dieses Skript nicht in eine Aufzählung von Naturstoffen und deren Vorkommen, Wirkungen, etc. auswachsen zu lassen, sei in speziellen Fällen auf dieses ausführliche Verzeichnis verwiesen. Seite C 10 - PP i 17-15 Acyclische Monoterpene Geranylpyrophosphat (GPP) 1,4-Eliminierung (a) Myrcen (Dill) bzw. 1,4-Eliminierung (b) bzw. und Säure-katalysierte Verschiebung einer C=C-Doppelbindung (Z)-Ocimen (Basilikum) - PP i Hydrolyse Geraniol (Rosenöl) Geranial (Citral a) (Citrusöle) 1,3-Allyl-Umlagerung* Nerylpyrophosphat (Neryl-PP) Oxidation Oxidation Anmerkung: Ob die 1,3-Allyl- Umlagerung über ein diskretes Allyl-Kation oder konzertiert abläuft sei dahingestellt: - PP i Hydrolyse Linalylpyrophosphat Linalool (Lavendelöl) konzertierte Umlagerung Siehe z.B.: Cyclization Enzymes in the Biosynthesis of Mono-, Di-, and Triterpenes. E. M. Davies, R. Croteau, Top. Curr. Chem. 2000, 209, 53-95. - PP i Hydrolyse Hydrierung (Reduktion) der C=C-Bindung ? Citronellol (Lemongras) Hydrierung (Reduktion) der C=C-Bindung ? Citronellal (Apfelsine) Neral (Citral b) (Citrusöle) Seite C 10 17-16 Monocyclische Monoterpene Monocyclische Monoterpene Geranylpyrophosphat (GPP) 1,3-Allyl-Umlagerung Neben der Bildung von acyclischen, offenkettigen Monoterpenen ist Geranylpyrophosphat (GPP) auch Vorstufe der monocyclischen Terpene, die sich vom Grundgerüst p-Menthan (1-Isopropyl-4-methylcyclohexan) ableiten: direkte Cyclisierung nicht möglich Grundgerüst p-Menthan Aufgrund der (E)-konfigurierten C=C-Doppelbindung von GPP kann die Cyclisierung allerdings nicht wie beim Nerylpyrophosphat direkt zum a-Terpinyl-Kation stattfinden, sondern erst nach einer 1,3-Allyl-Umlagerung zum Linalylpyrophosphat erfolgen.* Dementsprechend muss Neryl-PP nicht unbedingt als biochemisches Intermediat auftreten. (3S) Übergangszustand Linalylpyrophosphat (Z) Nerylpyrophosphat (Neryl-PP) OPP Allyl- Substitution Substitution Cyclisierung Cyclisierung Übergangszustand H a-Terpinyl- Kation * Gezeigt ist die Zwischenstufe (3S)-Linalylpyrophosphat, die zum (–)-Limonen (siehe nächste Seite) führt; das Enantiomer (3R)-Linalylpyrophosphat führt entsprechend zu (+)-Limonen. Seite H 3C 17-17 Monocyclische Monoterpene Diese oben beschriebene Cyclisierungsreaktion von GPP wird durch Monoterpen-Cyclasen katalysiert, die zuerst (3R)- oder (3S)-Linalylpyrophosphat im aktiven Zentrum des Enzyms bilden,* das anschließend wie gezeigt zum a- Terpinyl-Kation cyclisiert. Dieses hochreaktive (tertiäre) Carbeniumion (immer noch eng gebunden am Enzym) gilt als Zwischenstufe für die Bildung einer Vielzahl (je nach Enzym) von Monoterpenen, wobei die Folgereaktionen (z.B. Deprotonierung, Additionen, Umlagerungen) nicht immer genau und hochspezifisch durch das Enzym kontrolliert werden. Die Monoterpen-Synthasen benötigen zweiwertige Metallionen wie z.B. Mg 2+ oder Mn 2+ als Cofactor, mögliche Folgeprodukte sind die monocyclischen Monoterpene, von denen eine Auswahl in dem folgenden Schema gezeigt ist: a-Terpinyl-Kation + H2O - H Hydratisierung (-)-Limonen (-)-trans-Isopiperitenol Biosynthese a-Terpinen ß-Terpinen ?-Terpinen a-Phellandren SH (+)-Carvon Grapefrucht- Aroma (-)-Isopiperitenon cis-Isopulegon (+)-Pulegon (-)-Menthon (-)-Menthol * Die Enzym-Stereospezifität bestimmt, welche Konfiguration gebildet wird: die über (3R)- bzw. (3S)- Linalyl-PP gebildeten Enantiomere von Limonen und Carvon sind jeweils natürlichen Ursprungs. Seite 17-18 Monocyclische Monoterpene Interessant ist die Tatsache, dass Limonen und Carvon in der Natur jeweils in beiden enantiomeren Formen vorkommen (entweder in enantiomeren-reiner Form oder auch als Racemat), und dass sich beide Enantiomere erheblich in ihrem Geruch unterscheiden.* Angemerkt sei hier, dass Limonen als Diels-Alder-Dimerisierungsprodukt von Isopren aufgefasst werden kann (? racemisches Limonen = „Dipenten“), das bei erhöhter Temperatur reversibel wieder in Isopren gespalten werden kann: (S)-(+)-Carvon (Kümmelgeruch) (R)-(-)-Carvon (Minzgeruch) (S)-(-)-Limonen (Koniferengeruch) (R)-(+)-Limonen (Zitrusaroma) Isopren (Dimerisierung) Diels-Alder- Reaktion Retro-Diels-Alder- Spaltung (±)-Limonen (racemisch) Carvon, Menthon und Pulegon (Formeln siehe vorne) stellen die drei wichtigsten Ketone der monocyclischen Terpene dar, (+)-Menthon kommt z.B. im Geraniumöl, (–)-Menthon im Pfefferminzöl vor, das (S)-(+)-Carvon findet sich im Dill- und Kümmelöl (? charakteristische Geruchskomponente) und (R)-(–)-Carvon in der Pfefferminze. Zu den wichtigsten Monoterpenalkoholen zählen a-Terpineol (in beiden enantiomeren Formen, z.B. Cardamomenöl, fliederartiger Geruch) und Menthol. Nur die oben gezeigte Form des (–)-Menthols stellt in freier Form (35-45%) und als Acetat (= Essigsäureester, 3-20%) den Hauptbestandteil von Pfefferminzöl der „Echten Pfefferminze“ Mentha piperita L. dar. Mit drei Chiralitätszentren gibt es insgesamt acht Stereoisomere des Menthols (vier Enantiomeren-Paare), die z.T. in der Natur auftreten und sich auch erheblich (auch die Enantiomere!) in ihrem Geruch unterscheiden (siehe Formeln auf der nächsten Seite). Während natürliches (–)-(1R,3R,4S)-Menthol den charakteristischen Pfefferminz-Geschmack und -Geruch mit erfrischendem Kühleffekt besitzt, wird das (+)-Enantiomer als staubig, krautig und weniger minzig empfunden. In diesem Zusammenhang sei daran erinnert, dass die Menthole (wie auch andere monocyclische Terpene) als Cyclohexan-Derivate in Sesselkonformationen vorliegen, während bei C=C-Doppelbindungen oder Carbonylgruppen am Ring (sp2-hybridisierte C-Atome) auch Halbsessel- oder Twist-Boot-Formen beobachtet werden (siehe 3D-Strukturen auf der nächsten Seite). * Während (S)-(–)-Limonen (zitronenartiger Hauptbestandteil der Citrusschalenöle) die Grundlage (bis zu 97 %) für Parfümgrundstoffe bildet, besitzt das (R)-(+)-Limonen eine Fehlaroma-Note. Seite H 3C HO H3C 17-19 Monocyclische Monoterpene Ringkonformationen Die Formeln unten zeigen jeweils ein Enantiomer der verschiedenen stereoisomeren Menthole sowie von Limonen (rechts). Die 3D-Strukturen sollen die jeweils stabilsten Ringkonformationen dieser Monoterpene verdeutlichen – es ist aber empfehlenswert diese Überlegungen an einem Molekülmodel nachzuvollziehen: (-)-Menthol (Pfefferminze) HO H3C CH 3 (-)-Isomenthol (+)-Neomenthol (jap. Pfefferminze) (-)-Neoisomenthol (Geraniumöl) (R)-(+)-Limonen (Zitrusaroma) Seite PPO 17-20 Monoterpen-Cyclopropancarbonsäuren Pyrethrine OPP - PP i Base Bildung des Cyclopropanrings 1,3-H- Eliminierung Zu den Monoterpenen gehören auch Cyclopropancarbonsäuren, die Säurekomponenten der sogenannten Pyrethrine. Diese stellen eine Reihe natürlich vorkommender Insektizide dar, die sich von Estern der Crysanthemumsäure ableiten. Diese wiederum wird biogenetisch durch Schwanz-Schwanz-Verknüpfung von zwei Einheiten Dimethylallylpyrophosphat gebildet (zum detaillierten Mechanismus dieser Reaktion siehe oben), wobei ein Cyclopropanring entsteht, anschließend erfolgt Hydrolyse des Pyrophosphats und Oxidation des primären Alkohols zur Cyclopropancarbonsäure: COOH Chrysanthemumsäure Die Monoterpen-Cyclopropancarbonsäuren (Chrysanthemumsäure und Pyrethrinsäure; Formeln siehe nächste Seite) sind die Säurekomponenten der Pyrethrine die aus den Blütenköpfen der in Ostafrika kommerziell angebauten Asteracea Tanacetum (Chrysanthemum cinerariaefolium) gewonnen werden. Die Pyrethrine sind schnell wirkende Kontakt- und Fraßgifte für Insekten, nachteilig ist vor allem aber ihre Toxizität gegenüber Bienen und Fischen. Die Pyrethrine wirken aber speziell auf Warmblütler (Säugetiere) wenig toxisch, da sie relativ schnell durch Hydrolyse der Esterbindung, und Oxidation der ungesättigten Seitenkette abgebaut werden. Der hohe Preis und die Photosensibilität der natürlichen Pyrethrine hat zur Entwicklung synthetischer Pyrethroide geführt, die stabiler und z.T. noch wirksamer sind. Hier ist die Alkoholkomponente der Pyrethrine meist durch eine aromatische Cyanhydrin- Einheit ersetzt. Seite R 1 17-21 Monoterpen-Cyclopropancarbonsäuren Pyrethrine und Pyrethroide R 1 = CH 3 R 2 = COOCH 3 (1) (2) COOH (+)-Chrysanthemumsäure (+)-Pyrethrinsäure Chrysanthemum cinerariaefolium R 2 = CH 3 R 2 = C 2H 5 R 2 = CH=CH 2 (3) (4) (5) Name R 1 R 2 Cypermethrin Cyfluthrin Cyhalothrin Deltamethrin Permethrin Phenothrin (+)-Cinerolon (+)-Jasmolon (+)-Pyrethrolon Cl Cl CF 3 Br Cl CH 3 Cl Cl Cl Br Cl CH 3 CN CN CN CN H H Veresterung natürliche Pyrethrine: Pyrethrin I (1 + 5) und II (2 + 5) synthetische Pyrethroide: F 3C Cinerin Jasmolin Lambdacyhalothrin I (1 + 4) und II (2 + 4) I (1 + 3) und II (2 + 3) Seite C 10 17-22 Bicyclische Monoterpene Bicyclische Monoterpene Geranylpyrophosphat (GPP) a-Terpinyl-Kation Base (b) CH3 H (a) (b) (-)-a-Pinen oder Grundkörper der bicyclischen Monoterpene sind die Kohlenwasserstoffe Thujan, Caran, Pinan, Bornan (= Camphan), Isobornylan, Isocamphan und Fenchan. Grundkörper bicyclischer Monoterpene: Thujan Caran Pinan Bornan Isobornylan Isocamphan Fenchan (= Camphan) Gebildet werden diese bicyclischen Monoterpene über die oben beschriebene Cyclisierung von Geranylpyrophosphat (GPP) und das intermediär auftretende a-Terpinyl-Kation, das noch in der Enzymtasche elektrophil eine weitere Doppelbindung angreift und das bicyclische Grundgerüst des Pinans generiert, Deprotonierungen (? a-Pinen und ß-Pinen*) oder Umlagerungen (? z.B. Camphen, Campher, etc., siehe unten) können sich direkt anschließen: Cyclisierung Grundgerüst von [3.1.1]Bicycloheptan und Pinan (-)-ß-Pinen H * Die Enantiomere (+)-a- und (+)-ß-Pinen werden aus dem (R)-konfigurierten Terpinyl-Kation gebildet. Zu beachten ist, dass sich nach der Bredt‘schen Regel C=C-Bindungen am Brückenkopf nicht bilden. Seite 17-23 Bicyclische Monoterpene Base (b) CH3 H (a) (b) oder (-)-a-Pinen (-)-ß-Pinen NICHT: Zu beachten ist bei der Cyclisierung des a-Terpinyl-Kations und der Bildung des a- bzw. ß-Pinens der Angriff des Carbeniumions auf die C=C-Doppelbindung gemäß der Markovnikov-Regel (siehe Kapitel 5) unter Ausbildung des stabileren tertiären Carbeniumions, trotz der gleichzeitigen Bildung des gespannten Vier-Rings. a-Terpinyl-Kation Cyclisierung (a) Bildung des stabileren tertiären Carbeniumions (Markovnikov-Add.) Grundgerüst von [3.1.1]Bicycloheptan (? Pinan) NICHT: Cyclisierung (b) keine Bildung des weniger stabileren sekundären Carbeniumions (Anti-Markovnikov-Add.) Grundgerüst von [2.2.1]Bicycloheptan (? Camphan) Die nachfolgende Deprotonierung des bicyclischen Carbeniumionen-Intermediats kann nur auf zwei unterschiedliche Weisen erfolgen (? a- bzw. ß-Pinen), die Eliminierung in Richtung auf das Brückenkopf-Wasserstoffatom des Bicyclus ist nicht möglich, da gemäß der Bredt'schen Regel C=C-Doppelbindungen an den Brückenkopfatomen kleiner (5- und 6-Ringe) bicyclischer Ringsysteme nicht stabil sind (? senkrechte Orientierung der p-Orbitale zueinander verhindert die Ausbildung stabiler p-Bindungen): orthogonale Anordnung der p-Orbitale verhindert die Ausbildung stabiler C=C-Doppelbindungen Seite 17-24 Bicyclische Monoterpene H3C 7 CH3 H 1 2 CH3 2-Elektronen- 3-Zentrenbindung Mesomerie zwischen Carbeniumionen (kein Gleichgewicht) Formulierung als „nicht-klassisches“ Carboniumion ( = CR 5 ) Tatsächlich ist die Struktur des gezeigten Carbeniumions noch etwas komplizierter: Das gezeigte Intermediat kann als „nicht-klassisches“ Carbeniumion, als ein sogenanntes Carboniumion aufgefasst und formuliert werden. Hier liegt eine 2-Elektronen-3-Zentrenbindung vor, bei der ein Carbeniumion (= CR 3 + ) an beide Enden der C=C-Doppelbindung gleichzeitig gebunden ist (? Carboniumion = CR 5 + ). Die oben gezeigten Strukturen der „lokalisierten“ Carbeniumionen stellen demnach im strengen Sinne mesomere Grenzstrukturen dar, die nicht unterscheidbar sind, wobei jedoch die Struktur des tertiären Carbeniumions in dieser Mesomerie ein „höheres Gewicht“ hat, und damit wie oben gezeigt zur Bildung der isomeren Pinene führt.* höheres Gewicht Die heftige Kontroverse, ob es sich bei diesen Strukturen um ein Gleichgewicht mit schnellen Wagner-Meerwein-Umlagerungen (1,2-Alkyl-Wanderungen; Hypothese von H. C. Brown), oder um eine Mesomerie mit einem nicht-klassischen Carboniumion im Grundzustand (Hypothese von S. Winstein) handelt, hat die Wissenschaft sehr lange beschäftigt. Mittlerweile konnte diese Frage aber experimentell und theoretisch zugunsten der letzteren Hypothese und der Formulierung dieser Intermediate als Carboniumionen entschieden werden, wozu wesentlich die Arbeiten von G. A. Olah über Untersuchungen zur Stabilität und Struktur von Carbokationen beigetragen haben. H. C. Brown (1912-2004) Nobelpreis Chemie, 1979. vergleiche: Br H Bromoniumion G. A. Olah (1927-) Nobelpreis Chemie, 1994. * Die Strukturen dieser Art der Carboniumionen sind vergleichbar mit denen der Bromoniumionen, die als Intermediate der elektrophilen Addition von Br 2 an C=C-Bindungen auftreten (siehe Kapitel 5). Seite 17-25 Bicyclische Monoterpene H3C 7 CH3 H 1 CH3 1,3-H-Shift H3C 7 CH3 H 1 1,3-H-Shift H3C 7 CH3 1 Wagner- Meerwein- Umlagerung H3C 7 CH3 1 Base H3C H3C 5 Base H3C H2C CH 3 Aus der Struktur des gezeigten intermediären Carboniumions heraus wird die Bildung des Isocamphen-Grundgerüsts möglich: Eine folgende Wagner-Meerwein-Umlagerung bei der ein Alkylrest von C-2 nach C-1 wandert (? Verschiebung der Bindung C 3 -C 2 nach C 3 -C 1 , entsprechend der Wanderung einer C-C-Bindung in die benachbarte Position ? 1,2-Alkyl-Shift*) generiert ein neues (tertiäres Carbeniumion), dessen Deprotonierung wiederum nach der Bredt‘schen Regel ausschließlich in Richtung des Camphens erfolgen kann. Da das Carboniumion durch einen schnellen 1,3-H-Shift leicht racemisiert, wird bei nicht-enzymatischen Reaktionen hier racemisches Camphen erhalten: schnelle Racemisierung durch 1,3-H-Shift achiraler Übergangszustand mit niedriger Aktivierungsbarriere von ca. 25 kJ/mol Wagner- Meerwein- Umlagerung H3C 7 CH3 1 (-)-Camphen Enantiomere (+)-Camphen * Die Nummern der Bezeichnung „1,2-Alkyl-Shift“ beziehen sich nicht auf die angegebenen Nummern des Gerüstes, sondern bedeuten nur, dass ein Rest von „1“ in eine benachbarte Position „2“ wandert. Seite 17-26 Bicyclische Monoterpene H3C 7 CH3 2 H3C Bornyl-Kation H3C 7 CH3 1 H3C 7 CH3 1 CH3 H 3C CH 3 Bornylpyrophosphat Hydrolyse H3C 7 CH3 H (+)-Borneol Oxidation Die „nicht-klassische“ Struktur des oben beschrieben Carboniumions (Bornyl-Kation) und dessen schnelle Racemisierung durch intramolekulare H-Verschiebungen führt dazu, dass dessen Struktur in vielen Lehrbüchern wie folgt angegeben wird: H3C 7 CH3 6 H3C Bornyl-Kation 1,3-H-Shift 3 1 (Racemisierung) Über das Bornyl-Kation erfolgt auch die biosynthetische Bildung des Camphers, einem wichtigen Monoterpen mit dem Kohlenstoff-Gerüst des Bornans (= Camphan). Angriff des Diphosphatanions ergibt Bornylpyrophosphat, das dann zum Borneol hydrolysiert und anschließend zum Campher oxidiert wird. Obwohl prinzipiell auch hier die Bildung von racemischen Campher erwartet werden kann (Angriff von Diphosphat an C-1 oder C-3 in dem unten gezeigten Formelschema*), so entsteht in natürlichen biologischen Systemen unter enzymatischer Stereokontrolle ausschließlich (+)-Campher über die Zwischenstufe von (+)-Borneol: (+)-Campher Auf der nächsten Seite sind die bisher genannten Umlagerungen als Übersichtsschema nochmals zusammengefasst: * Die Nummerierung der gezeigten Formeln dient nur der „Orientierung“ und entspricht nicht der IUPAC-Nummerierung der Verbindungen, da sich diese im Verlauf der Reaktionen „ändern“ kann. Seite C 10 Geranylpyrophosphat (GPP) 17-27 Bicyclische Monoterpene – Pinen, Camphen und Campher* keine Bildung des weniger stabilen sekundären Carbeniumions (Anti-Markovnikov-Add.) Grundgerüst von [2.2.1]Bicycloheptan (? Camphan) Camphen a-Terpinyl-Kation Cyclisierung (b) Cyclisierung (a) H3C 7 CH3 6 H3C Bornyl-Kation Base (b) CH3 Grundgerüst von [3.1.1]Bicycloheptan (? Pinan) Bildung des stabileren tertiären Carbeniumions (Markovnikov-Add.) Wagner-Meerwein- Umlagerung (? 1,2-Alkyl-Shift) 3 1 4 7 6 5 H3C 7 CH3 1 CH3 Wagner-Meerwein- Umlagerung (? 1,2-Alkyl-Shift) Base (a) (b) H3C 7 CH3 1 1,3-H-Shift (-)-a-Pinen oder 3 1 3 CH3 3 H3C 7 CH3 H Bornylpyrophosphat 1.) Hydrolyse 2.) Oxidation * Die Gesamtübersicht soll nochmals den Zusammenhang zwischen den Strukturen von Pinen, Camphen und Campher verdeutlichen (für Details siehe vorne). (-)-ß-Pinen H (+)-Campher Seite 17-28 Bicyclische Monoterpene Pinen ist ein Bestandteil vieler ätherischer Öle, beide Isomere, a-Pinen und ß-Pinen, kommen in Fichtennadeln, Dill, Fenchel, Koriander und Kümmel vor und werden zur Herstellung von Produkten wie Farben, Ölen und Wachsen verwendet. Camphen kommt häufig als Racemat der zwei Enantiomere, (+)- und und (–)-Camphen vor. Im Gegensatz dazu wird fast immer (aber nicht ausschließlich) (+)-Campher (engl.: camphor)* in natürlichen ätherischen Ölen von z.B. Lorbeergewächsen, Korbblütengewächsen und Lippenblütlern gefunden, besonders häufig ist er im Harz des asiatischen Campherbaums. Der natürlich gewonnene Campher wurde früher auch als Japankampfer bezeichnet, bei synthetisch hergestelltem Campher handelt es sich in der Regel um das Racemat. Campher wirkt auf das zentrale Nervensystem und die Niere, in höheren Dosen auch auf das Atemzentrum. Campher ist durchblutungsfördernd und schleimlösend, Nebenwirkungen können Übelkeit, Angst, Atemnot und Aufgeregtheit sein. a-Thujon (Absinthol, Tanaceton) ist ein weiteres bicyclisches Monoterpen-Keton mit dem Gerüst des Thujans und mentholartigem Geruch. Als Bestandteil ihrer ätherischen Öle ist Thujon unter anderem in Thuja, Thymian, Wermut, Rainfarn, Rosmarin, Beifuß und im Echten Salbei enthalten. Daneben stellt a-Thujon (im Gemisch mit einem Stereoisomer ß-Thujon) einen Inhaltsstoff des Wermuts (Artemisia absinthum) und des Thuja-Strauchs (Thuja occidentalis), dar. Als wirksamer Bestandteil darf gemäß der Aromenverordnung Thujon in einer Konzentration bis zu 35 mg/l im Absinth enthalten sein. Thujon selbst ist ein starkes Nervengift**, das im 19. Jahrhundert bei Absinth-Trinkern mit exzessiven Konsum Epilepsien, Schizophrenien und Suizide ausgelöst hat. 1923 wurde daher in Deutschland, ebenso wie in den meisten anderen europäischen Staaten, ein Absinth-Verbot erlassen, das erst durch EG-Recht aufgehoben wurde. Wie für die anderen bicyclischen Monoterpene lässt dich auch für das Grundgerüst (Thujan) des Thujons die Biosynthese ausgehend von GPP mit nachfolgenden Isomerisierungen und Umlagerungen verstehen. ?-Terpinen Base Sabinen a-Thujon ß-Thujon * Der alte Name D-(+)-Campher geht auf die gezeigte Fischer-Projektions-Formel zurück. ** Pharmacology & Toxicology of Absinthe. J. Patoèka, B. Plucarb, J. Appl. Biomed. 2003, 1, 199-205. Seite CH 2 17-29 Bicyclische Monoterpene – Strukturen Ringgeometrien der Monoterpene Die folgenden Beispiele zeigen die Formeln und dreidimensionalen Strukturen der Monoterpene (–)-ß-Pinen, (+)- Campher, (–)-Camphen und a-Thujon. Beachten Sie insbesondere die fast idealen Wannenkonformationen der zentralen Sechs-Ringe von Campher und Camphen, die in den herkömmlichen Formeln nur schwer erahnbar sind: (-)-ß-Pinen (+)-Campher (-)-Camphen a-Thujon Seite 17-30 Bicyclische Monoterpene – Isotopenmarkierung Biosynthese und Isotopenmarkierung Auch im Fall der bicyclischen Monoterpene liefert die Methode der Isotopenmarkierung wertvolle Hinweise auf die Biosynthese dieser Verbindungen. So können nach Gabe von 13 C-markiertem Acetat und Rückisolierung der biogenetisch gebildeten Terpene für (–)-a-Pinen, (+)-Campher und (–)-Camphen die folgenden Isotopenmuster beobachtet werden: 13C-markiertes Acetat Biosynthese über Mevalonat, IPP und DMAPP a-Terpinyl-Kation (-)-a-Pinen (-)-Camphen Besonders beachtenswert ist, dass in der biosynthetischen Zwischenstufe des a-Terpinyl-Kations (gebildet aus der Cyclisierung von Geranylpyrophosphat) die 13 C-Markierungen immer alternierend (in 1,3-Stellungen) mit unmarkierten Positionen auftreten. Dieser Zusammenhang ist im a-Pinen konserviert, während im Campher und Camphen auch markierte Positionen direkt kovalent miteinander verknüpft sind. Solche Verknüpfungsmuster deuten immer auf Umlagerungen des Kohlenstoff-Grundgerüsts solcher Verbindungen im Verlauf ihrer Biosynthese hin, wobei es sich hier, wie oben gezeigt wurde, um Alkylgruppen-Wanderungen und Wagner-Meerwein-Umlagerungen handelt. Seite 17-31 Tricyclische Monoterpene a-Pinen (Pinus nigra) (+)-Campher (Salvia officinalis) Sehr detaillierte stereochemische Zusammenhänge lassen sich aus unterschiedlichen Isotopenmarkierungs- Experimenten herleiten – beachten Sie in dem Beispiel unten (an C-2 13 C-markierte (R)-Mevalonsäure) das „Auftauchen“ der markierten C-Atome auch in unterschiedlichen enantiotopen (1,8-Cineol) oder heterotopen (Pinen, Campher) Positionen: (R)-Mevalonsäure Tricyclische Monoterpene Geranylpyrophosphat Noch höher verbrückte (tricyclische) Terpene sind sehr selten, ein Beispiel ist das achirale Tricyclen, das von der Douglas Tanne, Pseudotsuga menziesii (Pinaceae), zu Beginn der Knosp-Zeit zusammen mit verschiedenen anderen Terpenen (a-Pinen, Camphen, etc.) freigesetzt, und für verschiedene Wechselwirkungen mit Insekten (z.B. Choristoneura occidentalis) verantwortlich gemacht wird.* "trans" - CH 3-Gruppe achirales Monoterpen! 1,8-Cineol (Eucalyptus globulus) * Volatile Isoprenoids that Control Insect Behaviour and Development. A. J. Hick, M. C. Luszniak, J. A. Pickett, Nat. Prod. Rep. 1999, 16, 39–54. Tricyclen a-Thujol (Thuja occidentalis) Seite C 15 17-32 Sesquiterpene Sesquiterpene Farnesylpyrophosphat (FPP) Bisabolyl-Kation - PP i Cycloheptenyl-Kation (Z) (E) (E) oder (Z) (E,Z)-Germacradienyl-Kation Humulyl-Kation Die Sesquiterpene bilden mit ca. 25% aller natürlich vorkommenden terpenoiden Verbindungen die größte Gruppe dieser isoprenoiden Naturstoffklasse. Es sind mehr als 200 verschiedene Kohlenstoffgerüste bekannt, die zu einer schier unüberschaubaren Vielfalt an tatsächlich vorliegenden Strukturen führen, und obwohl etwa 500 Sesquiterpene in Gerüchen und Aromen gefunden werden, besitzen nur etwa 20 Bedeutung als Riech und Aromastoffe. Analog zur biogenetischen Bildung der Monoterpene aus Geranylpyrophosphat (GPP = C 10 -Baustein), werden die Sesquiterpene aus Farnesylpyrophosphat (FPP = C 15 -Baustein) gebildet. Durch Abspaltung von Diphosphat und intramolekulare Cyclisierung entstehen zunächst vielgliedrige, nicht-klassische Carboniumionen:* (E,E)-Germacradienyl-Kation Durch nachfolgende Hydrid- oder Methyl-Verschiebungen, Markovnikov- und Anti-Markovnikov-Additionen, Wagner- Meerwein-Umlagerungen und andere Reaktionen bilden sich daraus die unterschiedlichen Sesquiterpen-Grundkörper, von denen auf der nächsten Seite eine kleine Auswahl gezeigt wird. * Durch Cyclisierung von FPP können bei den Sesquiterpenen bis zu 11-gliedrige Ringe gebildet werden, bei den Diterpenen (siehe unten) ausgehend von GGPP sogar bis zu 14-Ringe. Seite 17-33 Sesquiterpene – Grundgerüste Kohlenstoffgerüste der Sesquiterpene Sesquiterpene können acyclische, mono-, bi-, tri- und oligocyclische Grundgerüste enthalten, von denen hier nur eine (willkürliche) Auswahl gezeigt ist, um die Strukturvielfalt zu verdeutlichen (ohne Anspruch auf Vollständigkeit): acyclisch monocyclisch bicyclisch polycyclisch Farnesan Bisabolan Germacran Eleman Humulan Cadinan Eudesman (Selinan) Eremophilan Valeran Driman Himachalan Daucan 9-Ring spirocyclisch Guajan Pseudoguajan Picrotoxan Caryophyllan Acoran Chamigran Illudan Longipinan Marasman Thujopsan Prezizaan Aromadendran Patchoulan Hirsutan 10-Ring 11-Ring Seite 17-34 Acyclische und Monocyclische Sesquiterpene Acyclische Sesquiterpene Die zwei wichtigsten Vertreter dieser Reihe sind die vom Farnesylpyrophosphat (FPP) abgeleiteten und relativ weit verbreiteten Alkohole Farnesol und Nerolidol. Farnesol (Duftstoff des Flieders) wird wegen seines angenehmen, maiglöckchenartigem Geruchs als Riechstoff verwendet, Nerolidol stellt den Hauptbestandteil des Cabreuvaöl (Myrocarpus fastigiatus, Brasilien) dar. Viele acyclische Sesquiterpene (Farnesane) haben Wirkungen als Insektenhormone (Juvenilhormone) und Pheromone. Farnesylpyrophosphat (FPP) Die Sesquiterpenalkohole Farnesol und Nerolidol stehen untereinander im gleichen Verhältnis wie die Monoterpenalkohole Geraniol und Linalool (siehe oben, Strukturen der acyclischen Monoterpene). Monocyclische Sesquiterpene Die überwiegende Anzahl der Sesquiterpene besitzt cyclische Kohlenstoffgerüste. Zur Klasse der monocyclischen Sesquiterpene, die aus Farnesylpyrophosphat (FPP) hervorgehen können, zählt der Kohlenwasserstoff Bisabolen (? ätherische Öle der Bergamotte und der Myrrhe, sowie Zitronen- und Fichtennadelöl) sowie der Alkohol Bisabolol, der im Kamillenöl bis zu 20% enthalten ist. Die Bildung dieser Sesquiterpene erfolgt nach dem gleichen Mechanismus wie die oben beschriebene Umwandlung von Geranylpyrophosphat (GPP) in Limonen bzw. a-Terpineol über eine dem a-Terpinyl-Kation entsprechende cyclisierte Zwischenstufe (Bisabolyl-Kation), die anschließend durch Deprotonierung in die isomeren Bisabolene (a-, ß- und ?-Bisabolen), bzw. durch Addition von Wasser in Bisabolol übergehen kann (siehe nächste Seite). Farnesol Nerolidol Seite 17-35 Monocyclische Sesquiterpene Farnesylpyrophosphat (FPP) a-Bisabolen ß-Bisabolen ?-Bisabolen Farnesylpyrophosphat (FPP) Bisabolyl-Kation Bisabolol HO CH 3 + H 2O, - H - PP i Anordnung der Isopren-Einheiten: Nerolidolpyrophosphat HO CH 3 OPP = = Pyrophosphat Die oben gemachten Ausführungen zur Cyclisierung von Geranylpyrophosphat sind ganz analog auf die Cyclisierung von Farnesylpyrophosphat übertragbar: Auch hier muss in Folge der trans-Doppelbindung der eigentlichen Cyclisierung eine Umlagerung durch 1,3-Allyl-Verschiebung des Pyrophosphatrests (? Nerolidolpyrophosphat) vorausgehen. Die Folgereaktionen des Bisabolyl-Kations erfolgen anschließend noch in der Bindungstasche der Enzyme, wobei sich auch noch weitere Folge-Cyclisierungen ergeben können (? bicyclische und polycyclische Sesquiterpene, siehe unten). Seite 17-36 Bi- und Polycyclische Sesquiterpene Von Bisabolen leitet sich das Sesquiterpen Hernandulcin ab, ein natürlicher Süßstoff, der aus der aus der mexikanischen Pflanze Lippia dulcis Trev. („aztekische Süßkraut“ = „Tzonpelic xihuitl“) isoliert werden kann und etwa die 1000fache Süßkraft von Saccharose (Haushaltszucker) hat.* Die Pflanze besitzt zudem eine lange therapeutische Tradition bei der Behandlung von Husten, Bronchitis und Koliken. Ebenfalls verwandt ist die Abscisinsäure (ABA), die ein weit verbreitetes Phytohormon mit Hemmstoffwirkung darstellt, das Entlaubung, Fruchtabfall (engl.: abscission) und Winterruhe herbeiführt. Abscisinsäure unterdrückt die Wirkung anderer Phytohormone und ist auch ein natürlicher Wachstumsinhibitor (Dormin). Bi- und polycyclische Sesquiterpene Gaschromatographische Analyse der Inhaltsstoffe von Hopfen 1 = Myrcen, 2 = Linalool, 3 = ß-Caryophyllen, 4 = Aromadendren, 5 = Humulen, 6 = Farnesen, 7 = ß-Selinen, 8 = a-Selinen 4 6 7 Cadinen ß-Selinen * Discovery of Terpenoid and Phenolic Sweeteners from Plants. A. D. Kinghorn, D. D. Soejarto, Pure Appl. Chem. 2002, 74, 1169–1179. HO CH 3 Hernandulcin COOH Abscisinsäure Die vielfältigen Cyclisierungsmöglichkeiten von Farnesylpyrophosphat (FPP) erlauben die Ausbildung sehr unterschiedlicher Ringstrukturen (bi-, tri- und polycyclische Systeme) in der Reihe der Sesquiterpene. Erwähnt seien z.B. die bicyclischen Kohlenwasserstoffe Cadinen (ätherische Öle des Kubebenpfeffers und in Gamander-Arten, einer Pflanzengattung aus der Familie der Lippenblütler Lamiaceae) und Selinen (z.B. im Sellerieöl oder Hopfen). Seite 17-37 Bi- und Polycyclische Sesquiterpene Eine weitere Art von Sesquiterpenen liegt in den tief-blauen bis violetten Azulenen (C 15 H 18 ) vor, die als Dehydrierungsbzw. Dehydratisierungsprodukte natürlich vorkommender „Proazulene“ aufzufassen sind, so z.B. das Vetivazulen (im Vetiveröl) und Guajazulen (im Geraniumöl), die biochemisch aus Farnesylpyrophosphat entstehen. Auch das durch Wasserdampfdestillation gewonnene ätherische Öl der Kamille ist durch ein Azulen-Derivat tief-blau gefärbt („Kamille- Blau“): Farnesol Vetivazulen (violett) Farnesol Guajazulen (blau) Interessante Kohlenstoffgerüste liegen in dem Spiro-Ringsystem von (S)-(–)-a-Chamigren (ätherisches Öl von Chamapestris taiwanensis Masam), (–)-a-Santalen (Sandelholzöl; tricyclische Struktur die mit der von Tricyclen vergleichbar ist, siehe oben) und Modhephen (ein Abkömmling des [3.3.3]Propellans aus der Goldrute Isocome wrightii):* (S)-(-)-a-Chamigren (-)-a-Santalen Modhephen CH3 Die faszinierende Strukturvielfalt der Sesquiterpene wird anhand der biochemischen Bildungsweisen und der zugrunde liegenden Enzymmechanismen besonders deutlich. Auf den nächsten Seiten sind exemplarisch die Mechanismen der Terpen-Cyclasen aufgeführt, die zur Bildung von Trichodien und Pentalenen aus der biochemischen Vorstufe des Farnesylpyrophosphats (FPP) führen. * Strukturen dieser Art sind sehr gut dazu geeignet, das drei-dimensionale Vorstellungsvermögen für chemische Verbindungen zu trainieren! „Echte“ 3D-Modelle finden sich auf der nächsten Seite. Seite 17-38 Cyclische Sesquiterpene – Strukturen* (S)-(-)-a-Chamigren (-)-a-Santalen Modhephen * Sehr empfehlenswert ist die Betrachtung dieser Strukturen mit Hilfe von Molekülbaukästen! Seite C 15 17-39 Farnesylpyrophosphat (FPP) Sesquiterpene – Reaktionen der Terpen-Cyclasen Farnesylpyrophosphat (FPP) Das unten gezeigte Beispiel der Trichodien-Synthase zeigt exemplarisch zwei wichtige Fakten: Zum einen müssen die enzymatisch gesteuerten Umsetzungen und Cyclisierungen nicht auf der ersten Stufe eines Carbeniumions stehen bleiben, sondern können in der Bindungstasche des Enzyms zu Folgecyclisierungen führen, zum anderen können weitere Reaktionen (Wasserstoff und Alkyl-Verschiebungen, Wagner-Meerwein-Umlagerungen etc.) ebenfalls eingeleitet werden. Aus diesen Gründen erscheinen die Reaktionsprodukte vieler Terpen-Cyclasen als Folge sehr komplexer Reaktionen, wobei eine ganze Folge von Reaktionen von nur einem einzigen Enzym katalysiert werden kann. Eine gut untersuchte Sesquiterpen-Cyclase ist die Trichodien-Synthase aus Fusarium sporotrichioides, die FPP spezifisch zu Trichodien umsetzt, wobei das Reaktionsprodukt auf den ersten Blick keinerlei Gemeinsamkeit mit dem Edukt aufzuweisen scheint:* Wagner-Meerwein- Umlagerung (? 1,2-Methyl-Shift) Wagner-Meerwein-Umlagerung (? 1,2-Methyl-Shift) CH3 Deprotonierung 1,4-H-Shift zweite Cyclisierung 1,3-Allyl- Umlagerung erste Cyclisierung * Beispiele dieser Art sind nicht zum auswendig lernen gedacht – vielmehr soll der Blick für Reaktionen trainiert werden und der Einfallsreichtum der Natur demonstriert werden. Drehung um C-C-Bindung (+)-Trichodien Seite C 15 17-40 Sesquiterpene – Reaktionen der Terpen-Cyclasen Farnesylpyrophosphat (FPP) Anordnung der Isopren-Einheiten: Deprotonierung Macro- Cyclisierung erneute Cyclisierung H3C H3C H * * * Pentalenen Deprotonierung 1,2-Hydrid- Verschiebung Ein weiteres Beispiel einer Terpen-Cyclase ist die Pentalenen-Synthase, die eine Macrocyclisierung (? Humulen) und nachfolgende Tandem-Cyclisierungen (Domino-Reaktion mit Hydrid-Shift) zum Pentalenen katalysiert, wobei in der Gesamtreaktionsfolge drei Ringe und vier Chiralitätszentren von nur einem Enzym generiert werden:* erneute Cyclisierung * Structure of Pentalenene Synthase: Mechanistic Insights on Terpenoid Cyclization Reactions. C. A. Lesburg, G. Zhai, D. E. Cane, D. W. Christianson, Science 1997, 277, 1820-1824. Seite 17-41 Diterpene Diterpene Geranylgeranylpyrophosphat (GGPP) - PP i Hydrolyse Hydrierung (Reduktion) Geranylgeraniol Phytol Diterpene werden in den hochsiedenden Anteilen ätherischer Öle und vor allem in Harze gefunden. Sie entstehen durch weitere Kondensation von aktivem Isopren an Farnesylpyrophosphat (FPP) unter Bildung von Geranylgeranylpyrophosphat (GGPP), dessen Hydrolyse Geranylgeraniol ergibt. Phytol, ein partiell hydrierter Diterpenalkohol ist phylogenetisch sehr alt und muss schon den Anfängen der Evolution entsprungen sein. Phytol ist als Ester ein Bestandteil von Chlorophyll und bedingt dessen wachsartige Beschaffenheit, und weiterhin ist es Bestandteil von Vitamin K1 und Vitamin E, sowie verschiedener Lipide von Archaebakterien. Die meisten Diterpene weisen cyclisierte Strukturen auf, die Biosynthesewege laufen ähnlich ab wie im Fall der Monound Sesquiterpene (Macrocyclisierungen, transannulare Reaktionen, Wagner-Meerwein-Umlagerungen und Hydrid- Verschiebungen etc.), die strukturelle Vielfalt ist aufgrund der vielfältigen Reaktionsmöglichkeiten sehr hoch. Seite 17-42 Diterpene Ein sehr wichtiges Diterpen ist Vitamin A,* das für Wachstum und Sehfähigkeit von grundlegender Bedeutung ist und technisch im 1000 Tonnen/Jahr-Maßstab hergestellt wird. X = CH 2OH X = CHO X = COOH Vitamin A Retinol (Vitamin A 1) Retinal Retinoinsäure Protein Opsin h? (Licht) In der „Chemie des Sehens“ wird das bereits in Kapitel 5 (Alkene und Alkine) und 11 (Carbonylverbindungen) angesprochene 11-cis-Retinal im Protein Opsin als Imin an die Seitenkette eines Lysin-Aminosäurerestes gebunden (? lichtempfindlicher Rhodopsin-Komplex). Die Licht-induzierte Isomerisierung von 11-cis-Retinal in die trans-Form bewirkt eine Konformationsänderung im Opsin, wodurch eine Kaskade von Enzymreaktionen in Gang gesetzt wird (chemische Verstärkung des Signals um den Faktor ~10.000), die letztendlich ein elektrisches Nervensignal und die Weiterleitung des „Seheindrucks“ zum Gehirn auslöst. Zur Reaktivierung der Sehzelle wird das Imin zum Aldehyd und Amin (Lysin) hydrolysiert, und außerhalb der Zelle isomerisiert die Retinal-Isomerase das 11-trans-Retinal wieder in die cis-Form zurück. In der Zelle reagiert dieses wiederum mit der Aminogruppe des Lysins zum Imin, und der Cyclus startet erneut: ? Geometrie-Änderung löst dann im Licht-Rezeptor den Nervenimpuls aus Dehydroretinol (Vitamin A 2) Anhydrovitamin A * Oft wird Retinol vereinfachend mit Vitamin A gleichgesetzt, wobei man unter Vitamin A jedoch alle ß-Jononderivate versteht, die das Wirkungsspektrum von all-trans-Retinol aufweisen. Lysin Seite 17-43 Diterpene Geranylgeranylpyrophosphat (GGPP) HO H COOH OH Gibberellin A3 (Gibberellinsäure) ent-Gibberellan Ringkontraktion H Copalylpyrophosphat Kauran - PP i Cyclisierung HO HOOC H COOH H HOOC Gibberellin A14 Kauren Abietan Durch Cyclisierung von Geranylgeranylpyrophosphat (GGPP) entstehen z.B. die Abietine und die in Harzen und Balsamen enthaltenen Harzsäuren (z.B. Abietinsäure), die Hauptbestandteile des Koniferenharzes (Colophonium) darstellen. Die Gibberelline sind Derivate des Gibberelans, und stellen eine wichtige Klasse von Phytohormonen dar: Umlagerung Abietinsäure Seite C 20 17-44 Diterpene Geranylgeranylpyrophosphat (GGPP) NHBz HO O OH CH3 HO BzO AcO Paclitaxel (Markenname: Taxol) Macro- Cyclisierung - PP i Protonen- Verschiebung Das tricyclische Taxan-Gerüst bildet die Grundstruktur verschiedener ungewöhnlicher Diterpene. Taxacine sind polyhydroxylierte Taxane aus den Eiben Taxus cuspidata und Taxus brevifolia und Abbauprodukte der Taxine, giftiger Eibenalkaloide. Die Taxane und vor allem Taxol stellen interessante Anti-Krebsmittel (Chemotherapeutika) dar, die in klinischen Tests gute Erfolge gegen bestimmte Karzinome und maligne Melanome zeigen. Die aus der Rinde der Eiben isolierbaren Mengen (100mg Taxol/kg Rinde) sind bei weitem nicht ausreichend für den klinischen Einsatz, mittlerweile wurden aber Partialsynthesen entwickelt, die einfacher zugängliche Naturstoffe synthetisch weiter zu Taxol umsetzen. Die Biosynthese erfolgt nach dem unten gezeigten Schema durch kationische Macrocyclisierung, wobei die Faltung enzymatisch gesteuert erfolgt (Reagenzkontrolle der Regio- und Stereoselektivität durch das Enzym):* weitere oxidative Funktionalisierung Taxadien Deprotonierung - H erneute Cyclisierung * Intramolecular Proton Transfer in the Cyclization of Geranylgeranyl Diphosphate to the Taxadiene Precursor of Taxol. R. M. Williams et al., Chem. Biol. 2000, 7, 969-977. Seite 17-45 Sesterterpene und Triterpene Sesterterpene Anordnung der Isopren-Einheiten: Ophiobolan R 1 = CHO R 1 = CHO R 1 = CH 3 R 2 = OH R 2 = H R 2 = H R 2 OHC Ophiobolin B Ophiobolin C Ophiobolin F Ophiobolin A Die Sesterterpene sind eine kleine Gruppe von C 25 -Terpenen, deren erste Vertreter 1965 aus Insektenwachsen und niederen Pilzen isoliert wurden, so leiten sich die phytotoxisch wirkenden Ophioboline A, B, C und F, die von den pflanzenpathogenen Pilzen Cochliobolus miyabeanus bzw. Helminthosporium oryzae produziert werden, vom tricyclischen Grundgerüst Ophiobolan ab: Triterpene Die Triterpene können in mehrere verschiedene Substanzklassen untergliedert werden. Das Kohlenstoff-Grundgerüst der Triterpene entsteht im Gegensatz zur regelmäßigen Kopf-Schwanz-Folge von Isopren-Einheiten bei den Mono-, Sesqui- und Diterpenen (nur Kopf-Schwanz-Verknüpfungen) durch eine Schwanz-Schwanz-Kondensation (Dimerisierung) aus zwei Molekülen Farnesylpyrophosphat (2 × C15 ? C30 , siehe oben) zum acyclischen Squalen. Das all-trans Hexaen Squalen wurde ursprünglich aus Leberöl von Haifischen (Squalus spp.) isoliert (? Name), kommt in kleineren Mengen aber auch in Pflanzenölen (z.B. Olivenöl), Knollenblätterpilzen und Mutterkorn vor und tritt in geringer Konzentration weitverbreitet auf. Durch Epoxidierung wird aus Squalen das Squalenoxid gebildet, das die gemeinsame Vorstufe der Methylsterole (Methyl-substituierte Steroide) darstellt. Seite 17-46 Triterpene – Cyclisierung von Squalen 2 x C 15 = C 30 Farnesylpyrophosphat (FPP) Dimerisierung durch Schwanz-Schwanz- Verknüpfung Faltung und Protonierung Cyclisierung Epoxidase Squalen tertiäres Carbeniumion Protosteryl-Kation Schwanz-Schwanz- Verknüpfung weitere Umlagerungen Squalen Oxid Lanosterol Cholesterin Steroide etc. Die Cyclisierung von Squalenoxid wird eingeleitet durch eine Protonierung des Epoxid-Ringsauerstoffatoms (? Aktivierung des Drei-Rings). Damit die vierfache Cyclisierung als Domino-Reaktion stereospezifisch ablaufen kann, muss das Molekül eine entsprechende Faltung einnehmen (siehe nächste Seite), die durch das Enzym erzwungen wird. Das gebildete Protosteryl-Kation lagert unter mehrfachen Hydrid- und Methylgruppen-Verschiebungen um, bevor als erstes stabiles Produkt der Biosynthese bei Tieren und Pilzen (nicht-photosynthetisierende Eukaryonten) das Lanosterol, bei höheren Pflanzen und Algen (photosynthetisierende Eukaryonten) das isomere Cycloartenol gebildet wird (nur Verlust eines Protons aus unterschiedlichen Positionen!).* * Der unterschiedliche Reaktionsverlauf geht auf jeweils unterschiedliche Oxidosqualen-Cyclasen zurück, wobei die gesamte Reaktionskaskade jeweils durch nur ein einziges Enzym katalysiert wird! 17-47 Triterpene – Cyclisierung von Squalen Squalen Tiere / Pilze Squalen- Epoxidase (a) H Deprotonierung nach Weg (a) Pflanzen / Algen Domino- Umlagerung Deprotonierung nach Weg (b) Sessel-Boot-Sessel Faltung Methyl- Shift Domino- Cyclisierung Hydrid- Shift CH3 CH 3 Protosteryl-Kation Methyl- Shift Hydrid- Shift Lanosterol H3C Cycloartenol H Anmerkung: Die Domino-Cyclisierung verläuft nicht simultan, sondern über diskrete kationische Zwischenstufen. Der tatsächliche Mechanismus ist etwas komplexer als angedeutet (nächste Seite). Hydrid- Shift Seite 17-48 Triterpene – Cyclisierung von Squalen Hydrid-Shift Hydrid-Shift Methyl-Shift Methyl-Shift Hydrid-Shift C17 C13 C14 C8 C9 Squalenoxid Hydrid- H Shift 10 9 CH3 12 11 Methyl- 20 5 H 6 7 Methyl- 8 Shift CH3 14 15 Shift 13 17 16 H H Hydrid- Shift Hydrid- Shift Protosteryl-Kation ? ? ? ? ? C20 C17 C13 C14 C8 * Nummerierung nach der Steroid-Nomenklatur Epoxid-Öffnung, drei Markovnikov- Cyclisierungen über diskrete kationische Intermediate 4 3 H3C Domino-Cyclisierung Ring A Bildung des Fünf-Rings Ring B Ring C Wagner-Meerwein-Umlagerung unter Ringerweiterung H3C CH3 H 13 20 17 15 16 Ring D Lanosterol und Cycloartenol Anmerkung: Der exakte Mechanismus dieser Oxidosqualen-Cyclase beinhaltet keine Anti-Markovnikov-Bildung des dritten Sechs-Rings (Ring C) wie oben vereinfacht angedeutet wurde, und wie in fast allen Lehrbüchern fälschlicherweise beschrieben wird, sondern erst die Markovnikov-Cyclisierung zum Fünf-Ring, und anschließende Ringerweiterung durch Wagner-Meerwein-Umlagerung zum Protosteryl-Kation (obwohl in der Summe das Ergebnis jeweils das gleiche Produkt ist).* Die Folge der Hydrid- und Methylverschiebungen führt dann wie angedeutet zum Lanosterol (Tiere, Pilze) und Cycloartenol (Pflanzen, Algen). * Mechanismen der enzymatischen Bildung polycyclischer Triterpene. K. U. Wendt, G. E. Schulz, E. J. Corey, D. R. Liu, Angew. Chem. 2000, 112, 2930-2952. 17-49 Triterpene – Methylsterole und Steroide Der oben gezeigte Mechanismus der Oxidosqualen-Lanosterin-Cyclase ist sehr komplex, aber gleichzeitig auch ein sehr eleganter Mechanismus das Grundgerüst aller Steroide durch Cyclisierung eines acyclischen Vorläufers in nur einem einzigen Schritt aufzubauen. Die Funktion des Enzym beschränkt sich dabei nicht ausschließlich auf die korrekte Vororientierung und Faltung des Squalenoxids, sondern gleichzeitig dient es der Auslösung des Cyclisierungsvorgangs, der Abschirmung der Carbokationen gegen Anlagerung von Wasser und Deprotonierungen, und eröffnet dadurch Hydrid- und Methylwanderungen. In eukaryontischen Organismen dient Lanosterol als biosynthetischer Vorläufer aller Steroide.* Squalenoxid Protosteryl-Kation Protosterol Ring A CH3 Ring C H 11 12 H3C CH3 H 13 17 20 2 CH3 1 10 9 14 15 16 H 8 Ring D 4 3 H3C 5 H 6 Ring B 7 CH3 H 3C * Aus den gezeigten tetracyclischen Methylsterolen entstehen durch oxidative Abspaltung von drei CH 3 -Gruppen die eigentlichen Steroide (? C 27 -Verbindungen, die aus Cholesterin gebildet werden). Seite 17-50 Triterpene – Lanosterol und Euphol Squalen In anderen Zellen führt eine unterschiedliche Squalen- Cyclase zu einem anderen Faltungsmuster des Squalenoxid Substrates, und damit zu einer anderen Konfiguration an C 13 , C 14 und C 17 im Endprodukt (? Bildung von Euphol, einem Stereoisomer von dem oben bereits diskutierten Lanosterol): Sessel-Boot-Sessel Faltung HO H3C H Protosteryl-Kation Domino- Cyclisierung Hydrid- und Methyl-Verschiebungen (A) (B) 13 17 (C) (D) 14 Hydrid- und - H - H CH Methyl-Verschiebungen H 3 CH3 R Lanosterol Sessel-Sessel-Sessel Faltung Domino- Cyclisierung Dammarenyl-Kation Euphol (ein Stereoisomer von Lanosterol) Seite 17-51 Triterpene – Hopanoide Hopanoide Squalen (b) H3C H Hopanoide stellen die bakteriellen Sterol-Equivalente dar. Im Unterschied zu den bisher aufgeführten polycyclischen Triterpenen (Sterole und den abgeleiteten Steroiden) tragen die Hopanoide keine Sauerstofffunktion in Position-3 des Gerüstes, sondern in der Seitenkette. In den Bacteriohopanen sind die Hydroxylgruppen überdies an Aminosaccharide, Cyclitole oder Aminosäuren gebunden. In Bakterien übernehmen die Hopane in den Membranen offenbar die Funktion der Steroide, Hopanoide kommen allerdings auch in verschiedenen Pflanzen vor. Die Hopanoide (Hopanol und Tetrahymanol) werden ebenfalls durch kationische Cyclisierung von Squalen biosynthetisiert, allerdings erfolgt die anfängliche Aktivierung nicht durch Epoxidierung, sondern über eine Protonierung, was die unterschiedlichen Positionen der Sauerstofffunktionalitäten erklärt: Hopanol Tetrahymanol all-Sessel Faltung Domino- Cyclisierung Seite 17-52 Triterpene – Antibiotika und Curcubitacine Weitere Vertreter der Triterpene (C) CH3 H 3C Protosterol HOOC Fusidinsäure Cephalsosporin P 1 Name R 1 R 2 Cucurbitacin A OH -O- Cucurbitacin B OH -O- Cucurbitacin C H OH -H R2 R3 CH 3 Hevolsäure HOOC Als Derivate des Protosterols können die Steroidantibiotika Hevolsäure (u.a. aus Aspergillus- und Cephalosporium- Stämmen), Fusidinsäure (aus Fusidium coccineum) und Cephalsosporin P 1 (aus Cephalosporium-Stämmen) aufgefasst werden, die sich durch weitere Sauerstofffunktionalitäten und das Fehlen einer Methylgruppe (oxidative Abspaltung) in 4-Position von Ring A vom Protosterol unterscheiden: R1 = H R2 = H R1 = OAc R2 = OH R 3 = OH R 3 = H Eine weitere umfangreiche Gruppe tetracyclischer Triterpene stellen die meist als Glykoside vorliegenden Cucurbitacine dar. Diese ungesättigten Lanostan-Derivate, die sich durch formale Verschiebung der Methylgruppe in Position-10 nach Position-9 ergeben bilden die Bitterstoffe von Gurken- und Kürbisgewächsen (Cucurbitaceae). Einige von ihnen besitzen cytotoxische Wirkung und inhibieren das Wachstum gewisser Krebsformen des Menschen, Cucurbitacin B bewährte sich in einigen Fällen bei Brustkrebs. Seite 17-53 Triterpene – Saponine Saponine Lakritze Die Saponine (glycosidisch gebundene hydrophobe Terpenalkohole, die in wässriger Lösung stark schäumende, seifenartige Lösungen bilden können) gehören auch zur Klasse der Triterpene. Hauptkomponente der Saponine der Süßholzwurzel Glycyrrhiza glabra L. (Fabaceae) stellt Glycyrrhizin (Kalium-, Ammonium- und Calciumsalze der Glycyrrhizinsäure, Aglycon = Glycyrrhetinsäure) dar. Glycyrrhizin schmeckt ca. 50fach süßer als Rohrzucker und verleiht dem Süßholz seinen charakteristischen Geschmack, der Süßholzextrakt wird zur Herstellung von Lakritze verwendet. Glycyrrhiza glabra L. (Lakritzstrauch) Glycyrrhetinsäure Insbesondere die Triterpene zeigen, wie die Natur acyclische Ausgangsmaterialien durch unterschiedliche Faltungsmuster und nachfolgende Cyclisierungen in eine Vielzahl von Kohlenstoffgerüsten umwandeln kann, wobei die Anwesenheit von C=C-Doppelbindungen essentiell ist um Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen zu knüpfen und die Weiterleitung von Kationen und vielfältige Umlagerungsreaktionen (Wagner-Meerwein-Umlagerungen, Hydrid- Verschiebungen, etc.) zu ermöglichen. Die Nutzung von Homologen (C 5 -, C 10 -, C 15 -Bausteinen usw.) mit ähnlichen Reaktionsmustern eröffnet eine sehr große Breite möglicher Strukturen von Naturstoffen, deren Gerüstgröße sich so gut kontrollieren lässt. Seite 2 x C 20 = C 40 17-54 Tetraterpene – Carotinoide Tetraterpene – Carotinoide Geranylgeranylpyrophosphat (GGPP) Dimerisierung durch Schwanz-Schwanz- Verknüpfung Schwanz-Schwanz- Verknüpfung Die wichtigste Gruppe der Tetraterpene stellen die sogenannten Carotinoide dar. Allgemein entstehen die Tetraterpene, ähnlich wie auch die oben beschriebenen Triterpene, durch eine Schwanz-Schwanz-Addition zweier Diterpeneinheiten (Dimerisierung von Geranylgeranylpyrophosphat = 2 × C 20 ? C 40 ). Durch sukzessive Dehydrierung und Derivatisierung des primären Dimerisierungsprodukts, dem Lycopersen, entstehen die Carotinoide (Kohlenwasserstoffe) und Xanthophylle (Sauerstoff-haltige Derivate der Carotinoide). Es handelt sich jeweils um konjugierte, ungesättigte und farbige Polyensysteme, die formal aus acht Isopren-Einheiten bestehen und an beiden Enden durch cyclische oder acyclische Strukturen abgegrenzt werden. Die ersten Carotinoide wurden aus Karotten isoliert (Wackenroder, 1831) und später in mehrere Isomere (a-, ß-, ?-Carotin etc.) aufgetrennt (Kuhn, Lederer). Die Carotinoide zeichnen sich durch eine intensive gelbe bis rote Farbe aus, die auf den zahlreichen konjugierten Doppelbindungen in den Verbindungen beruht. Seite 17-55 Tetraterpene – Carotinoide zentraler Baustein der Carotinoide: Endgruppen: ß (= ß-Jonon) Beispiel: e (= a-Jonon) ? ? ? ? ? Lycopen (?,?-Carotin) ? Die verschiedenen Carotinoide (oder Carotene, Carotine) unterscheiden sich in der Art der Endgruppen an der gemeinsamen, linear konjugierten Polyenstruktur. Die gängigen Endgruppen werden mit griechischen Buchstaben ß („beta“), e („epsilon“), ? („kappa“), ? („phi“), ? („chi“) und ? („psi“) bezeichnet, andere Endgruppen sind auch möglich: Auf der nächsten Seite sind die Strukturformeln von wichtigen Carotinoiden abgebildet, die diesem allgemeinen Aufbauprinzip folgen: Seite 17-56 Tetraterpene – Carotinoide Carotinoide a-Carotin (ß,e-Carotin) ß-Carotin (ß,ß-Carotin) ?-Carotin (ß,?-Carotin) d-Carotin (e,?-Carotin) e-Carotin (e,e-Carotin) ?-Carotin (?,?-Carotin) = Lycopin Etwa 600 verschiedene Carotinoide sind bekannt, sie gehören zu den am weitesten verbreiteten natürlichen gelben, orangen und roten Pigmenten, und sind damit für die charakteristischen Farben vieler Blüten, Blätter, Wurzeln und Früchte verantwortlich. Die Carotinoide werden nur in höheren Pflanzen, wo sie in den Chloroplasten und Chromoplasten vorkommen und in Form von Chromoproteinen vorliegen, und in Mikroorganismen biosynthetisiert. Schlüsselverbindung der Biogenese ist das in höheren Pflanzen und Pilzen aus zwei Einheiten Geranylgeranylpyrophosphat gebildete 15-cis-Phytoen mit einer zentralen (Z)-Doppelbindung. Von der Mitte aus werden anschließend durch Dehydrierung über verschiedene Zwischenstufen C=C-Doppelbindungen eingeführt. Endpunkt dieser Dehydrierungskaskade ist das tiefrote Lycopin, der rote Farbstoff der Tomate, Hagebutte, Wassermelone und anderer Früchte. Die biologische Funktion der Carotinoide in den Pflanzen beruht vor allem auf ihrer Beteiligung als Begleitpigmente an der Photosynthese. Carotinoide unterteilt man sie in die reinen Kohlenwasserstoffe, die Carotine, und die Sauerstoff-haltigen Xanthophylle oder Phylloxanthine. Im Tierreich finden sie sich vor allem bei niederen Meerestieren, wie z.B. Seesternen und Crustaceen. Carotinoide kommen auch in Insekten und Vögeln (z.B. in Flamingos) vor, und werden vor allem über die Nahrung aufgenommen. Gewöhnliches Carotin ist ein Isomerengemisch aus sechs verschiedenen Carotinen (a-, ß-, ?-, d-, e- und ?-Carotin)*, Unterschiede ergeben sich in den Endgruppen der Polyenkette, die durch die carotinspezifischen Präfixe ß, e, ?, ?, ? und ?** charakterisiert werden (siehe oben). * Lies: a- („alpha“), ß- („beta“), ?- („gamma“), d- („delta“), e- („epsilon“) und ? -(„zeta“) Carotin. ** Lies: ß („beta“), e („epsilon“), ? („kappa“), ? („phi“), ? („chi“) und ? („psi“). Seite 17-57 Tetraterpene – Carotinoide a-Carotin enthält einen ß- und einen a-Iononring als Endstruktur (ß,e-Carotin). ß-Carotin ist der rote Farbstoff von Mohrrüben (ca. 85 % der dort gefundenen Carotinoide), ist aber auch in Blättern, Bakterien, Pilzen und tierischen Organismen zu finden und besteht aus zwei ß-Iononeinheiten. ß-Carotin (Provitamin A) ist ernährungsphysiologisch wertvoll, da es im menschlichen Organismus durch oxidative Spaltung zum essentiellen fettlöslichen Vitamin A (Retinal) umgewandelt wird; auf die Bedeutung von Vitamin A für den Sehprozess wurde bereits oben hingewiesen. Darüber hinaus ist Vitamin A auch wichtig für das Wachstum, sowie die Funktion und den Aufbau von der Haut, den Schleimhäuten und Blutkörperchen. Synthetisches ß-Carotin ist ein Lebensmittelfarbstoff und dient als Tierfutterzusatz z.B. für Hühner, wo es für befriedigende Dotterfärbung (Eigelb-Farbskala) und Farbe der Hähnchenhaut sorgt. Im Gegensatz zu den Carotinoiden höherer Pflanzen gibt es eine Reihe bakterieller C 40 -C 50 Carotinoide, die meist längere Polyenketten als Strukturmerkmal aufweisen und an beiden Molekülenden polare Gruppen tragen. Diese Verbindungen haben gerade die richtige Länge, um eine Phospholipid- Doppelschicht zu „vernieten“ und fungieren möglicherweise als Membranstärkende Faktoren der Bakterienmembran, ähnlich den Hopanoiden und Sterinen. Länge ˜ 35- 40 Å Seite 17-58 Tetraterpene – Carotinoide und Xanthophylle Carotinoide Lycopin in Tomaten Lycopin in Hagebutten ß-Carotin in Karotten Carotin-haltige „Vitamin-Präparate“ Xanthophylle Xanthophylle (oder Phylloxanthine) sind Sauerstoff-haltige Derivate der Carotine und bewirken als gelbe Farbstoffe die Herbstfärbung der Blätter nach Abbau der grünen Chlorophyll-Farbstoffe. Cryptoxanthin kommt in gelbem Mais, Eidotter, Paprika, Orange, Mandarine, und Papaya vor, Capsanthin ist der charakteristische Farbstoff des roten Paprikas (Capsicum annuum), Begleitpigmente sind das Capsorubin und das Cryptocapsin. Zeaxanthin bewirkt hauptsächlich die gelbe Farbe der Maiskörner (Zea mays) und ist ferner auch in anderen Pflanzen, im Eidotter, in Krustentieren, Fischen, den Federn von Kanarienvögeln, Pilzen, Algen und Bakterien zu finden (? Lebensmittelfarbstoff). Verestert kommt es in Blüten und Früchten, z.B. von Krokus, Safran, Hagebutte, Paprika, Orangen, usw. vor. Das Dipalmitat Physalein ist der rote Farbstoff von Physalis-Arten (Pfaffenhütchen, Sanddorn, Judenkirsche). Violaxanthin ist in Grünalgen (Chlorella) und höheren Pflanzen wie z.B. dem Stiefmütterchen Viola tricolor, in Taraxacum, Tagetes, Tulipa, Citrus u.a. enthalten und geht bei Belichtung über das Monoepoxid Antheraxanthin in Zeaxanthin über (lichtabhängiger Xanthophyll-Cyclus), im Dunkeln wird Violaxanthin wieder rückgebildet. Einige Carotinoide wirken bei Tieren als Provitamin A und werden durch Spaltung zu Vitamin A umgewandelt. Canthaxanthin wurde früher als Bräunungsmittel verwendet. Auch der rote Farbstoff der Krebse und Hummern, das Astaxanthin, gehört in diese Reihe (Formeln siehe nächste Seite). 17-59 Tetraterpene – Xanthophylle Lutein (ß,e-Carotin-3,3'-diol) (Xanthophyll, Blattgelb) Cryptoxanthin (3-Hydroxy-ß-carotin) Capsanthin Zeaxanthin (3,3'-Diydroxy-ß,ß-carotin) Violaxanthin Canthaxanthin (ß,ß-Carotin-4,4'-dion) Astaxanthin Capsorubin Xanthophylle im Herbstwald Capsanthin im roten Paprika Stiefmütterchen (Viola tricolor) Astaxanthin im (gekochten) Hummer Seite 17-60 Tetraterpene – Polyterpene Polyterpene Polyterpene (= Polyisoprene, Polyprene) sind Polymere des Isoprens (C5H8 ), das wichtigste natürliche Polypren ist der Kautschuk. Naturkautschuk ist das cis-1,4-Polyisopren, das einen Polymerisationsgrad von ca. 5.000 und eine mittlere Molmasse von etwa 350.000 besitzt. Es kommt als Emulsion im Milchsaft (Latex) mancher tropischer Bäume wie dem im Amazonasbecken wild wachsenden Kautschukbaum Hevea brasiliensis (Euphorbiaceae) vor. Kautschuk ist bei Raumtemperatur amorph, bei niedriger kristallisiert er. Mit steigender Temperatur tendieren die Moleküle zur Ausdehnung in Richtung ihrer Längsachse. Beim Ansäuern, meist durch Zusatz von Essigsäure, koaguliert der Kautschuk zu festem Gummi, der zu Kugeln oder Platten geformt und in den Handel gebracht wird. Naturkautschuk als vielfach ungesättigte Verbindung geht die üblichen Olefinreaktionen wie Addition von Wasserstoff, Halogen und Halogenwasserstoff ein und neigt zur Autoxidation. Beim trockenen Erhitzen wird er in Isopren und Dipenten gespalten. Gegenüber Licht und Luftsauerstoff ist Naturkautschuk nicht besonders widerstandsfähig. Durch Abbau der Kette und teilweise Cyclisierung geht die Elastizität verloren und es entstehen harzige Produkte. Zugabe von Schwefel (~ 3 %) oder Schwefel-haltigen Verbindungen und Erhitzen (140°C) des zunächst plastischen Materials führt zur Polymerisation und Vernetzung und macht den Gummi elastisch (Heiß-Vulkanisation). Das trans-Isomer Guttapercha (malaiisch: getah „Gummi“, percha „Baum“), das vor allem aus dem Milchsaft des tropischen Palaquium-Baumes (Palaquium balata, Sapotaceae) gewonnen wird, ist ein nicht-elastisches 1,4-Polypren- Polymer mit der Molmasse in der Größenordnung von 100.000 und wurde früher als Material für Flusssäure-feste Flaschen und Behältnisse und als Isoliermaterial verwendet. Kautschukbaum (Latexgewinnung) Schlauchdecke aus Naturkautschuk Kautschuk Guttapercha Seite Echt Kölnisch Wasser 4711 (1792) Chanel N° 5 (1921) Calvin Klein One (1994) Parfum(2006) 17-61 Zusatz – Riechstoffe Riechstoffe Die Riechstoffe sind eng mit den Terpenen verbunden, und obwohl der Mensch ein „Augen- und Ohrentier“ ist, leitet uns der Geruchssinn täglich mehr oder weniger bewusst oder unbewusst. Mit Düften wollten die Menschen bereits im Altertum ihre Götter gnädig stimmen. Noah dankte Gott für die Rettung aus der Sintflut, indem er Zedernholz und Myrrhe verbrannte. In Babylon wurden laut Überlieferung pro Jahr etwa 26.000 kg Weihrauch verbrannt, um den Nasen der Götter zu schmeicheln. Die Römer schickten ihre Botschaften "Per Fumum" zum Himmel, diese Rauchzeichen gaben dem Parfum den Namen. Es gibt vielfältige Zeugnisse über Düfte und Parfümierungen im Altertum. Hinweise in der Heiligen Schrift und Schriften des Altertums finden ihre materielle Bestätigung durch Ausgrabungsfunde rund um das Mittelmeer. Kleopatra verstand es, mit den Wohlgerüchen Arabiens – man kannte zu jener Zeit etwa 200 verschiedene Duftstoffe – gut umzugehen. Als die Wiege der Riechstoffindustrie wird die am 1. September 1829 in Leipzig gegründete Firma Spahn & Büttner bezeichnet. Diese Firma beschäftigte sich hauptsächlich mit dem „Drogenhandel“. 1839 wurde der Firmenname in Spahn und Schimmel geändert, später in "Schimmel & Co". Zunächst unterschied man streng zwischen zwei Industriezweigen: "Industrie der einfachen Riechstoffe" und "Industrie der komplexen Riechstoffe". Die eine produzierte künstliche Riechstoffe, die andere ätherische Öle. Ende der 50er und Anfang der 60er Jahre expandierte die Riechstoffindustrie stark. Der wachsende Markt an kosmetischen Mitteln, an Seifen, Waschmitteln und haushaltschemischen Produkten hatte einen immer größeren Bedarf an Duftstoffen zur Folge. Jede Zeit, jede Kultur, jede Gesellschaft hat ihren eigenen Geruch. Düfte, komponiert als Parfum, spiegeln Zeit, Kultur und Gesellschaft wider. Seite 17-62 Riechstoffe Gerüche sind unerbittlich. Man kann sich praktisch allen anderen Sinneseindrücken entziehen, das heißt, Augen schließen, Musik abstellen, bestimmte Berührungen vermeiden, man kann nahezu alles vergessen, wenn man dazu fest entschlossen ist; aber man kann nicht aufhören zu atmen und somit zu riechen. Die Riech- oder Duftstoffe sind von den Geruchsstoffen abzugrenzen, da letztere auch „schlechte“ oder „widerliche“ Gerüche einschließen. Die Fähigkeit des Riechens lässt uns unterschiedliche Signale empfangen: Gefahr, Wohlbefinden, Lockung, Verlockung oder Abstoßung. Tiere wie Pflanzen schützen sich durch schlechten, abstoßenden Geruch vor Feinden. Wir Menschen nutzen Duftstoffe, um unser Wohlbefinden zu beeinflussen oder um anderen zu gefallen. Bis zum Anfang des 19. Jahrhunderts waren nur Naturstoffe (Myrrhe, Weihrauch, Zimtöl, Bittermandelöl, Citrusöle, Salbeiöl, Sandelholzöl, etc.) im Gebrauch, danach kamen zunehmend erste synthetische Riechstoffe auf: 1833 Nitrobenzol Mitcherlich 1837 Benzaldehyd (Bittermandel) Liebig / Wöhler 1852 Essigsäureamylester (Birne) Valeriansäureamylester (Apfel) Buttersäureethylester (Ananas) London, Weltausstellung 1855 Benzylalkohol erste industrielle Synthese 1876 Vanillin Synthese von Reimer / Tiemann 1885 Terpene (a-Terpineol) O. Wallach Natürliche Vanille 1893 Jonone 1905 Hydroxycitronellal schönster synthetischer Duftstoff 1928 Muscon, Zibeton (Moschus) Heute ca. 400 Mono- und über 1200 Sesquiterpene Der Geruch und Geschmack von Stoffen sind unterschiedliche, voneinander unabhängige Qualitäten, die nicht miteinander korrelieren (ohne Geruch, aber süß: Zucker; salzig: Kochsalz NaCl; bitter: Chinin, usw.). Synthetisches Vanillin Seite 17-63 Riechstoffe Komplexe Düfte können in sogenannte Duftfamilien eingeteilt werden, und zwar unabhängig von ihrer Herkunftsart. Folgende Duftfamilien sind von Interesse: Grüne Noten leichte, kühle Noten,frisch/balsamisch: Geruchsvorstellung: Blätter, Wiesen, Gras Blumige Noten blumig-fruchtig, frisch, süß Aldehyd-Noten ohne Vorbild in der Natur (synthetische Riechstoffe von großer Bedeutung), Berührungspunkte mit blumigen und holzigen Noten Chypre-Noten frisch-moosig-aldehydisch; blumig-moosig-animalisch; moosig-fruchtig. Die Chypre-Noten erhalten einen besonderen Akzent durch ergänzende trockene, algige, holzige, moosige Noten. Orientalische Noten schwere süße und würzige Düfte, abgerundet durch animalische Noten. Genauer können allerdings folgende Beschreibungen sein: fruchtig, grün, blumig, würzig, krautig, erdig, pilzig, holzig, pudrig, schweißig, zwiebelartig, etc.; Einzelne Duftbausteine werden zu komplexen Düften komponiert, so dass man in einem Parfum nicht mehr den spezifischen Geruch einzelner Komponenten wieder erkennt. Pflanzenduft beruht im Wesentlichen auf den von ihnen erzeugten ätherischen Ölen. Der wegen der Flüchtigkeit dieser Stoffe gewählte Wortbestandteil „Äther“ bezieht auf das griechisch-lateinische Wort „aither“ – Himmelsluft oder Weite des Himmels. Ätherisch heißt auch erdentrückt oder vergeistigt. Ätherische Öle sind flüchtige Substanzen, die im Unterschied zu den fetten Ölen auf einem Löschblatt keine Flecken hinterlassen. Sie sind von geringerer Dichte als Wasser, schwimmen also oben und lassen sich nicht mit Wasser mischen. Gut löslich sind sie hingegen in Alkohol, verschiedenen organischen Lösungsmitteln und in echten fetten Ölen. Die überwiegende Anzahl aller ätherischen Öle besteht aus Terpenderivaten (z.B. Limonen, Citral, Citronellal) und wesentlich wenigere aus Phenylpropan- Abkömmlingen. Nicht selten machen über fünfzig analysierbare Einzelsubstanzen ein ätherisches Öl aus. Unter den bis heute wissenschaftlich bekannten, ca. 250.000 höheren Pflanzen liegt der Anteil von Arten, die ätherische Öle enthalten, bei ungefähr einem Prozent. Bei vielen ist dabei der Anteil an Duftstoffen so gering, dass sich die Extraktion nicht lohnt. Bei vielen anderen ist die Duftqualität für den Parfümeur nicht interessant. Innerhalb des Pflanzenreiches kommen ätherische Öle bei den niedrigen Pflanzen nur ausnahmsweise vor. Bei Pilzen scheinen sie gänzlich zu fehlen. Die große Ausnahme findet sich bei einzelnen Strauchflechten. Seite 17-64 Riechstoffe Der Löwenanteil aller Pflanzenarten, die ätherische Öle entwickeln, entfällt auf Blütenpflanzen (Samenpflanzen) und in geringerem, wenn auch nicht unbedeutendem Maße auf die Nadelpflanzen. Ätherische Öle werden aus allen Teilen aromatischer Pflanzen gewonnen (aus Früchten, Teilen von Früchten, Blüten, Blütenknospen, Rinden, Blättern, Blättern und Zweigen, Rhizomen, Wurzeln, Samen, Nadeln und Holz). Duftlieferanten sind beispielsweise folgende Pflanzenteile: Blüten Rose, Jasmin, Tuberose Stängel, Blätter Geranium, Patchouli, Lorbeer Früchte Anis, Kardamom, Koriander, Muskatnuss Samen Sellerie, Dill, Petersilie Fruchtschalen Orange, Zitrone, Bergamotte Blühender Orangenbaum Afrikanisches Sandelholz Wurzeln Angelika, Iris, Vetiver Holz Sandel, Zeder, Birke Kräuter, Gräser Estragon, Salbei, Thymian, Citronell Nadeln, Zweige Fichte, Kiefer, Zypresse Harze, Balsame Galbanum, Myrrhe, Olibanum Rinden Zimt Duftveilchen (V. odorata) Zypressen Ätherische Öle haben wegen Ihrer besonderen Duft- oder Geschmackseigenschaften ein breites Anwendungsspektrum. Wesentliche Einsatzgebiete sind ihre Verwendung in Lebensmittelaromen sowie in Zahnpasten und Mundpflegeartikeln. Weitere bedeutende Anwendungsgebiete finden ätherische Öle als Bestandteile von Riechstoffkompositionen oder Parfümölen im Duftstoffbereich, sowohl für Parfums als auch für Körperpflegemittel und Toilettenartikel, im Haushaltsbereich (Reinigungs- und Waschmittel) oder zur Raumbeduftung. Die Aromatherapie und auch das Einreiben oder Inhalieren (z.B. mit Japanöl) sind weitere Beispiele für die vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten. Nach dem Geruchsablauf bestehen Parfümöle aus Kopfnote, Tête oder Angeruch (frische, leicht flüchtige, schnell wahrnehmbare Duftstoffe in Kombination mit höheren aliphatischen Aldehyden), Herznote, Mittelnote oder Bouquet (mäßig flüchtige Duftstoffe, z.B. Jasmin- oder Rosen-Absolues) und Basisnote, Fond oder Nachgeruch (stark haftende, den Charakter des Parfums bestimmende Duftstoffe, z.B. Extrakte tropischer Hölzer oder auch Fixateure). Seite 17-65 Riechstoffe Die Vorhersage eines Duftes oder gar einer Duftnote aus der chemischen Struktur einer Verbindung ist nahezu unmöglich, auch wenn es einige (mehr oder weniger empirische, auf Erfahrungen basierende) Theorien gibt. Die Beispiele unten zeigen, das sich trotz ähnlicher Struktur sehr unterschiedliche Gerüche ergeben können, und dass umgekehrt Verbindungen mit ähnlichem Geruch völlig unterschiedliche Strukturen aufweisen können: ähnliche Struktur - unterschiedlicher Geruch: Enantiomere mit unterschiedlichem Geruch: a-Jonon (Veilchenduft) (holzig) (blumig) (fruchtig-holzig) unterschiedliche Struktur - ähnlicher Geruch: Vanillin (geruchlos) OCH 3 Bittermandel: Camphrig: CHO NO2 CN H3C CHO NO O O 2 CHO S (S)-(+)-Carvon (Kümmelgeruch) Enantiomere Enantiomere (R)-(-)-Carvon (Minzgeruch) Cl Cl (S)-(-)-Limonen (R)-(+)-Limonen (Koniferengeruch) (Zitrusaroma) Seite 17-66 Riechstoffe 15-Ring Muscon (CH 2) 6 17-Ring (CH 2) 6 Zibeton Ambrein (Triterpen) Besondere Bedeutung haben Riechstoffe in der Natur als Lock-, Signal- und Abwehrstoffe, und vor allem als Pheromone (griech.: pherein „überbringen, übermitteln, erregen“ und hormon „bewegen“; Naturstoffe, die der biochemischen Kommunikation zwischen Individuen einer Spezies dienen, und häufig sehr charakteristische Verhaltensweisen auslösen). Erwähnenswert in diesem Zusammenhang sind das Muscon (lat.: muscus, „Moschus“; mit 0.5-2% der wichtigste Duftstoff des natürlichen Moschus), Zibeton (ein im natürlichen Zustand äußerst unangenehm riechendes Sekret aus den Analdrüsen einer Zibetkatze, in Kombination mit Moschus angenehm), Ambra (graue, wachsartige Substanz aus dem Verdauungstrakt von Pottwalen, die eigentlichen Duftstoffe entstehen durch Oxidation aus dem Triterpen Ambrein ? Ambrox und Ambrinol) und das Pheromon Bombykol (Seidenspinner Bombyx mori und Bombyx mandarina).* Bombykol Moschus-Ochse (Muscon) Asiatische Zibetkatze (Zibeton) Pottwal (Ambra) Seidenspinner Bombyx mori (Bombykol) * Bombykol wird von den Seidenspinnern in Verdünnungen bis zu 1:10 18 (10 -12 µg/ml) wahrgenommen (? Empfindlichkeitsweltrekord!), aber die (E/E) und (Z/Z)-Isomeren sind wirkungslos. Seite 17-67 Terpene – Schlussbemerkung Terpene – Eine „eigene“ Klasse von Naturstoffen Die Ausführungen in diesem Kapitel haben gezeigt, dass die Terpene eine sehr „eigene“ Klassen von Naturstoffen darstellen, die in ihrer Vielfältigkeit kaum zu überbieten sind, und vielleicht nur von den Alkaloiden übertroffen werden. Dennoch sind die zugrunde liegenden Bausteine sowie die Reaktionsprinzipien sehr einfach und überschaubar. Nur die fast beliebige Kombination dieser Bausteine (? Mono-, Sesqui-, Di-, Triterpene usw.) und die unterschiedliche Kombination der Umsetzungen, Cyclisierungen, Umlagerungen und Folgederivatisierungen ergibt die beobachtete und fast unüberschaubare Vielfalt verschiedenster Naturstoffe mit sehr unterschiedlichen individuellen Eigenschaften. Viele der beteiligten Enzyme und Terpen-Cyclasen sind strukturell gut charakterisiert, die molekularen Mechanismen der Biosynthese in vielen Fällen (aber bei weitem nicht in allen Fällen) sind gut untersucht und verstanden. Die oben gemachten Beschreibungen haben gezeigt, dass die Enzyme nicht nur einfache Katalysatoren darstellen, sondern dass sie durch die spezifische Faltung der Substrate, deren Abschirmung gegen Nebenreaktionen mit z.B. Wasser etc. komplexe Umlagerungen ermöglichen, die ansonsten nur sehr schwer zu realisieren wären. In vielen Fällen werden durch ein und das selbe Enzym eine Reihe von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen geknüpft, so dass in sehr wenigen Schritten sehr komplizierte Kohlenstoffgerüst-Motive gebildet werden. Ein Enzym kann zu einer ganzen Produktpalette oder zu einem einzigen Produkt führen. Unten folgen einige Übersichtsschemata der Biosynthesewege der Terpene und Terpenoide, die der KEGG Datenbank* entnommen wurden. Bemerkenswert ist, wie z.B. im Verlauf der Monoterpenoid-Biosynthese jeweils nur ein Enzym völlig unterschiedliche Produkte bilden kann (z.B. Geranylpyrophosphat ? Pinen, Sabinen, Borneol, Camphen, Terpineol, etc.; parallele Reaktionen), während andere Wege über viele Zwischenstufen und Intermediate laufen müssen (z.B. GPP ? Limonen ? ? Pulegon ? Menthon ? Menthol; lineare Reaktionssequenz). Dieses Kapitel ist sicher nicht dafür gedacht, die Strukturen auswendig zu lernen, vielmehr sollten hier die unterschiedlichen Reaktionsprinzipien und Gemeinsamkeiten innerhalb dieser Naturstoffklasse verdeutlicht werden. Struktur der Squalen-Hopen-Cyclase aus dem Bakterium Alicyclobacillus acidocaldarius (Protein Data Bank PDB Identifier 3SQC). * KEGG Datenbank: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes. Die aufgeführten Reaktionswege haben keinerlei Anspruch auf Vollständigkeit; Orange Markierungen: siehe Skript. Seite 17-68 Biosynthese der Terpene* * Auszug aus der Datenbank KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes: http://www.genome.jp/kegg/pathway/map/map00900.html Seite 17-69 Biosynthese der Monoterpene* * Auszug aus der Datenbank KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes: http://www.genome.jp/kegg/pathway/map/map00902.html Seite 17-70 Biosynthese der Diterpene* * Auszug aus der Datenbank KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes: http://www.genome.jp/kegg/pathway/map/map00904.html Seite 17-71 Biosynthese der Carotinoide* * Auszug aus der Datenbank KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes: http://www.genome.jp/kegg/pathway/map/map00906.html Seite 17-72 Biosynthese der Steroide* * Auszug aus der Datenbank KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes: http://www.genome.jp/kegg/pathway/map/map00100.html