Giáo trình hợp chất thiên nhiên dùng cho sinh viên ngành đại học sư phạm hóa học

Phân loại các hợp chất thiên nhiên 1.1.2.1 Dựa vào tính thiết yếu đối động thực vật: người ta chia thành 2 nhóm • Chất trao đổi sơ cấp : Là những chất thiên nhiên cần thiết cho sự sống

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH

KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN

GIÁO TRÌNH

(Lưu hành nội bộ)

HỢP CHẤT THIÊN NHIÊN

(Dùng cho sinh viên ngành Đại học Sư phạm Hóa học)

Tác giả: Lý Thị Thu Hoài

Năm, 2016

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Khái niệm và phân loại hợp chất tự nhiên 5

1.1.1 Đối tượng và lịch sử nghiên cứu 5

1.1.2 Phân loại các hợp chất thiên nhiên 5

1.2 Phương pháp nghiên cứu hợp chất thiên nhiên 6

1.2.1 Chiết xuất 6

1.2.2 Phương pháp phân lập các hợp chất thiên nhiên 8

1.2.3 Thử hoạt tính 8

CHƯƠNG 2 GLUXIT 9

2.1 Khái niệm và phân loại 9

2.2 MONOSACCARIT 9

2.2.1 Cấu trúc: có 2 dạng cấu trúc là mạch hở và mạch vòng 9

2.2.2 Tính chất vật lý 10

2.2.3 Tính chất hóa học 10

2.3 OLIGOSACCARIT 13

2.3.1 Cấu trúc phân tử 13

2.3.2 Tính chất vật lý 14

2.3.3 Tính chất hóa học 14

2.3.4 Phân tích Oligosaccarit 15

2.4 MỘT SỐ POLISACCARIT TIÊU BIỂU (poliozo) 15

2.4.1 Tinh bột 15

2.4.2 XENLULOZƠ 16

CHƯƠNG 3 TERPENOID 19

3.1 Đại cương về terpenoid và phân loại 19

3.1.1 Hemitecpenoit: 19

3.1.2 Monotecpenoit: 19

3.1.3 Sesquitecpenoit: 24

3.1.4 Ditecpenoit: 26

3.1.5 Tritecpenoit: 28

3.1.6 Tetratecpenoit: 30

3.2 Đặc điểm về cấu tạo và hóa lập thể 33

3.2.1 Đặc điểm về cấu tạo 34

3.2.2 Hóa học lập thể của terpenoid 34

3.3 Một số terpenoid tiểu biểu 35

3.3.1 Monoterpenoid 35

3.1.1 Monoterpenoid không vòng 35

3.3.1 Monoterpenoid đơn vòng 37

3.1.3 Monoterpenoid 2 vòng 38

3.3.2 Sesquiterpenoid 39

3.3.2.1 Sesquiterpen không vòng 39

3.3.2.2 Sesquiterpen 1 vòng 39

3.3.2.3 Sesquiterpen hai vòng 40

3.3.2.4 Sesquiterpen ba vòng 40

3.3.3 Diterpenoid 40

3.3.4 Serterterpenoid 41

3.3.5 Triterpenoid 41

3.3.6 Tetraterpenoid 43

3.3.7 Polyterpenoid 44

3.4 Phương pháp phân lập monoterpenoid và sesquiterpenoid 44

CHƯƠNG 4 STEROID ……… ………53

4.1 Khái niệm và phân loại 53

4.2 Một số steroid tiêu biểu 54

4.2.1 Sterol 54

4.2.2 Axit mật: 57

4.2.3 Steroit hocmon 58

4.2.4 Glycosit tim: 59

4.2.5 Sapogenin: 60

4.2.6 Sinh tổng hợp các steroit: 60

CHƯƠNG5 ALKALOID .………62

5.1 Đại cương về alkaloid 62

5.2.1 Phương pháp chiết alcaloid dưới dạng base bằng dung môi hữu cơ không phân cực 71

5.2.2 Phương pháp chiết alcaloid dưới dạng muối bằng dung môi nước, nước acid hoặc cồn (ethanol, methanol) 72

5.3 Tính chất chung của alkaloid 73

5.3.1 Tính chất lí học 73

5.3.2 Tính chất hóa học 74

5.4 Thuốc thử alkaloid 74

5.5 Một số phản ứng hóa học cơ bản của alkaloid 74

5.5.1 Phương pháp methyl hóa tối đa Hofmann 74

5.5.2 Biến đổi Emde 75

5.5.3 Phương pháp Von Braun 75

5.5.4 Một số loại ancaloit thường gặp 76

5.5.4.1 Nicotin 76

5.5.4.3 Mocphin 76

5.5.4.4 Atropin 77

5.5.4.5 Côcain 77

CHƯƠNG 6 CÁC HỢP CHẤT PHENOL 78

6.1 Phân loại các hợp chất phenol thực vật 78

6.2 Sinh tổng hợp các hợp chất thơm 79

6.3 Các hợp chất phenol đơn giản 80

6.4 Các hợp chất phenol phức tạp 80

6.4.1.Flavone: 80

6.4.2 Flavanone: 81

6.4.3 Isoflavone: 82

6.6.4 Anthocyanin: 83

6.4.5 Leucoanthocyanidin: 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1.1 Khái niệm và phân loại hợp chất tự nhiên

1.1.1 Đối tượng và lịch sử nghiên cứu

• Hợp chất thiên nhiên là các sản phẩm hữu cơ của các quá trình trao đổi chất

trong cơ thể sống Ngành hóa học nghiên cứu tính chất và cấu trúc của các hợp chất

thiên nhiên được gọi là hóa học các hợp chất thiên nhiên

1.1.2 Phân loại các hợp chất thiên nhiên

1.1.2.1 Dựa vào tính thiết yếu đối động thực vật: người ta chia thành 2 nhóm

• Chất trao đổi sơ cấp : Là những chất thiên nhiên cần thiết cho sự sống gồm

cacbonhidrat, protein, axit nucleic, các lipit và dẫn xuất của chúng Các hợp chất này được sản sinh từ các cơ thể sống, không phụ thuộc vào loài Quá trình trong đó các

chất trao đổi sơ cấp được tạo thành được gọi là quá trình trao đổi sơ cấp

• Chất trao đổi thứ cấp: Là những hợp chất thiên nhiên không hẵn không cần

thiết cho sự sống của động thực vật Các chất trao đổi thứ cấp thường phụ thuộc nhiều vào loài Các hợp chất thứ cấp bao gồm : tecpenoit, steroit, flavonoit,

ankaloit….Chúng là sản phẩm của quá trình trao đổi thứ cấp

• Trong hợp chất thiên nhiên thường có các nhóm chức cơ bản:

+ Hidratcacbon- Gluxit ( monosacarit, oligosacarit, polisacarit)

+ Axit amin- Protit

+ Tecpenoit (monotecpen,sesquitecpen, ditecpen, tritecpen…)

+ Steroit

+ Coumarin

• Cách chiết thông dụng nhất là chiết nóng liên tục trên máy soxhlet hoặc chiết hồi lưu Sau mỗi lần chiết với một loại dung môi, cần làm khô nguyên liệu rồi mới tiếp tục chiết với dung môi tiếp theo Mỗi phân đoạn chiết, thu hồi dung môi và tiến hành phân tích riêng

Chiết nóng bằng soxhlet và hồi lưu

Dựa vào tính phân cực của dung môi và có thể dự đoán sự có mặt của các chất có mặt trong các dịch chiết

• Trong phân đoạn ete, ete dầu hỏa sẽ có hidrocacbon béo hoặc thơm, các thành phần của tinh dầu như monotecpen, các chất không phân cực như các chất béo caroten, các sterol, các chất màu thực vật, clorofyl

• Trong dịch chiết cloroform có sesquitecpen, ditecpen, coumarin, quinon các

• Trong dịch chiết cồn sẽ có mặt glycozit, ankaloit, flavonoit, các hợp chất phenol khác, nhựa, axit hữu cơ, tanin

• Trong dịch nước sẽ có sẽ có các hợp chất phân cực như các glycozit, tanin, các đường, các hidratcacbon phân tử vừa như pectin, các protein thực vật, các muối vô

cơ…

b Chiết lấy toàn bộ thành phần trong nguyên liệu

• Dung môi thích hợp nhất là cồn (metanol hay etanol) 80% trong nước Cồn, đặc biệt là metanol được xem như dung môi vạn năng nó có thể hòa tan các chất không phân cực cũng như các chất phân cực khác

• Dịch chiết khi bay hơi dung môi được cao toàn phần chứa hầu hết các hợp chất trong nguyên liệu

• Sau đó cần tách phân đoạn các chất trong cao thì chuẩn bị một dãy các chất không tan trong nước có độ phân cực từ yếu đến mạnh như ví dụ dãy ete- dầu hỏa, ete, cloroform, etyl axetat, butanol

• Hòa tan cao vào một lượng nước , cho vào bình chiết , lần lượt chiết với các

dung môi trên Dịch chiết mỗi phân đoạn sau khi thu hồi dung môi đem đi phân tích

c Cách chiết

• Chiết ở nhiệt độ thường: có 2 cách là ngấm kiệt và ngâm phân đoạn Ngấm kiệt

là phương pháp tốt hơn vì nó chiết được nhiều hợp chất hơn, ít tốn dung môi, nhất là khi áp dụng phương pháp ngấm kiệt ngược dòng

• Chiết nóng: Nếu dung môi dễ bay hơi phải dùng phương pháp chiết liên tục

(trong soxhlet) hoặc chiết hồi lưu Nếu chiết hồi lưu thì ít nhất phải chiết 2 lần

• Phương pháp chiết ngấm kiệt ngược dòng

A 1

A 2

B 1 C 1 D 1

B 2 C 2 D 2

 Phương pháp chiết ngâm phân đoạn

d Cách thu hồi dung môi: bằng cách chưng cất, trong đó tốt nhất là dùng

phương pháp chưng cất ở áp suất thấp

khong khi

bom chan khong

1.2.2 Phương pháp phân lập các hợp chất thiên nhiên

Các phương pháp sắc ký

- Khái niệm về sắc ký: Sắc ký là một phương pháp vật lý dùng để tách riêng

các thành phần ra khỏi hỗn hợp bằng cách phân bố chúng ra 2 pha: một pha có bề mặt rộng gọi là pha cố định và một pha kia là một chất lỏng hay chất khí gọi là pha di động, di chuyển qua pha cố định

- Phân loại: Chia thành 2 loại là sắc ký lỏng và sắc ký khí

 Sắc ký lỏng : là sắc ký có pha động là chất lỏng

Trong sắc ký lỏng có các kỹ thuật:

• Sắc ký giấy: pha tĩnh là giấy

• Sắc ký lớp mỏng: pha tĩnh là lớp mỏng chất hấp phụ được trải bằng trên tấm thủy tinh hoặc kim loại

• Sắc ký cột: Pha tĩnh là chất rắn được nhồi thành cột Trong sắc ký cột tùy thuộc vào bản chất của chất rắn nhồi cột mà chia thành các loại

- Cột cổ điển: cột đơn giản với chất hấp phụ là vô cơ hay hữu cơ

- Cột trao đổi ion: Cột là chất trao đổi ion âm hoặc dương

- Cột gel hay lọc gel: Pha tĩnh là một gel tổng hợp có lỗ xốp xác định để lọc các chất có kích thước khác nhau

• Sắc ký lỏng cao áp: (sắc ký lỏng hiệu năng cao-HPLC)

 Sắc ký khí: là sắc ký có pha động là các chất khí Dựa vào pha cố định người ta còn chia ra:

CHƯƠNG 2 GLUXIT 2.1 Khái niệm và phân loại

• Gluxit (cacbohydrat) là nhóm các hợp chất hữu cơ phổ biến trong tự nhiên,

đặc biệt trong thực vật (chiếm trên 80% khối lượng khô)

• Như vậy xét về cấu tạo nó thuộc loại polihydroxicacbonyl

• Tùy thuộc vào bản chất của nhóm cacbonyl mà chúng được chia thành 2 loại: + anđozơ ( nhóm andehyt –CH=O)

+ xetozơ ( nhóm xeto –CO-)

b) Cấu hình của monosaccarit Đồng phân quang học

• Dãy D và L: Nếu nhóm OH của monosaccarit có cấu hình của nguyên tử C xa nhóm C=O nhất nằm bên phải trong công thức Fischer ở phía phải thuộc dãy D, còn ở phía trái thuộc dãy L

• Đồng phân epimer:

• Hai monosaccarit có cấu hình chỉ khác nhau ở 1 nguyên tử C thì đó là đồng phân epimer Ví dụ D- glucozo và D- mannozo là hai đồng phân epime

• Đồng phân quang học thường Trong các đồng phân quang học của D-

Glucozo chỉ có đồng phân L-gluccozơ là đồng phân đối quang, các đồng phân còn lại

là đồng phân quang học thường của D- glucozo

• Đồng phân đối quang: Hai đồng phân đối quang có cấu hình hoàn toàn trái

ngược nhau, có năng suất quay cực bằng nhau nhưng trái nhau về dấu, còn các đồng phân quang học thường có năng suất quay cực khác nhau

c) Cấu trúc dạng vòng của monosaccarit Đồng phân anomer

Sự có măt đồng thời nhóm C=O và OH trong phân tử, do đó có khả năng tác dụng của nhóm HO với C=O tạo hợp chất dạng vòng khi đó có nhóm OH hemi-axetal

Ví dụ đối với D- Glucozơ

OH HO

OH OH H

OH OH

CH2OH H

H H

H H

1 2 3 5 6

1

• Đồng phân anomer: Hai monosaccarit có cấu trúc vòng là đồng phân anomer

của nhau khi cấu hình của chúng chỉ khác nhau ở nguyên tử C chứa nhóm OH hemiaxetal Ví dụ  và β- D- glucopiranozo là hai đồng phân anomer, chúng chỉ khác nhau về cấu hình của cacbon số 1 (có nhóm OH-hemiaxetal)

• Đối với glucozo, cấu trúc chủ yếu là dạng vòng ( chiếm hơn 99,9%), trong đó đồng phân β- D- gluccopiranozo là chủ yếu vì có cấu dạng bền vững hơn ( vì các nhóm OH ở vị trí biên nhiều hơn ở đồng phân )

O

CH 2 OH

OH OH HO

HO

CH 2 OH

OH

OH HO

• các đồng phân anomer của monosaccarit có nhiệt độ nóng chảy khác nhau và góc quay cực riêng khác nhau

• Các monosaccarit đều có vị ngọt,độ ngọt cũng khác nhau: fructozo ngọt hơn glucozo khoảng 2,4 lần và ngọt hơn galactozo khoảng 5,5 lần

Nhiệt độ nóng chảy (0C) và độ quay cực [] của một số monosaccarit

• Phản ứng với Cu(OH)2 tạo hợp chất phức

• Phản ứng tạo este: khi tác dụng với clorua axit, anhydrit axit

CH2OH

OH OH

O

CH2OH

OH OH

OH OH

 metyl- -Dglucopiranozit

O

CH2OH

OCH3OH

OH

OH

O

CH 2 OH OH

 -D-glucopiranozit

+ CH3-CO-CH3

O O OH

+ H2O

C CH3

CH31,2-isopropyliden-

b) Phản ứng của nhóm cacbonyl

) Phản ứng oxi hóa

• Phản ứng oxi hóa giữ nguyên mạch cacbon:

+ Phản ứng với thuốc thử Tollen ( tráng bạc): vì phản ứng xãy ra trong OH-

nên cả xetozo cũng phản ứng vì trong kiềm xãy ra quá trình đồng phân hóa ando ⇋ xeto qua giai đoạn trung gian là enol

Ví dụ cả D-Glucozo và D-fructozo đều có phản ứng tráng gương

+Phản ứng với dung dịch brôm: tạo axit andonic, trong môi trường axit , các

andonic dễ dàng chuyển thành vòng lacton

+Phản ứng với axit HNO3:

• Tạo axit saccaric (axit polihydroxidicacboxylic), sau đó chuyển thành dilacton

• Phản ứng oxi hóa cắt mạch cacbon:

+ Tác dụng với HIO4

• Các metyl glicozit cũng bị oxi hóa bởi HIO4 nhưng chỉ xãy ra ở liên kết –CHOH-CHOH-

CH2OH C=O HO

OH OH

H H

CH2OH

CHO

CH2OH

OH H

HO

H

H

OH OH H

CH2OH

CH2OH

OH H

HO H H

OH OH H

CH2OH

CH2OH

H HO

H H

OH OH H

CHO

CH2OH

H HO

H H

OH OH

) - Phản ứng tạo phenylosazon : tác dụng với phenyl hydrazine trong môi

trường axit axetic , đầu tiên tạo phenyl hydrazon sau đó tiếp tục phản ứng cho sản

phẩm cuối cùng là osazon

) - Phản ứng nối dài và rút ngắn mạch cacbon

• Chất tiêu biểu: Glucozơ, mannozơ, galactozơ

2.3 OLIGOSACCARIT

Oligosaccarit thường gặp nhất là đisaccarit và trisaccarit

• Những đisaccarit quan trọng là saccarozo, mantozo và lactozo

• Các oligosaccatrit thường gặp dưới dạng kết hợp trong glycozit ( nhất là flavonoit) là rutinozo (6--ramnosylglucozo), Neohesperidozo (2--ramnosylglucozo)

• Trisaccarit như: rafinozo

HO

2-O-( -D-Glucopiranozyl)--D-Fructofuranozit

( saccarozo)

-D-Glucopiranozyl)-  -D-Glucopiranozo 4-O-

;

(mantozo)

1

2 1 5

6

5

6

1 5

6

5 6

• Một số disaccarit khác

OH

HO 1

5

6

1 5

OH 1

6

3

O OH

2.3.3 Tính chất hóa học

a) Phản ứng thủy phân: có xúc tác axit hoặc enzim tạo thành monosaccarit

Ví dụ:

+ Saccarozo bị thủy phân cho D- glucozo và D- Fructozo

+ Mantozo cho D- glucozo

+ Lactozo thủy phân (nhờ men β –Galactoziada) cho D- galactozo và D- glucozo

b) Phản ứng của nhóm OH

Tương tự như monosaccarit chúng có khả năng

• tạo phức với Cu(OH)2,

• tạo ete, este

c) Phản ứng của nhóm cacbonyl:

Các oligosaccarit còn nhóm hemiaxetal như mantozo, lactozo đều có khả năng

mở vòng tạo ra nhóm andehyt, vì vậy chúng có thể có các phản ứng sau:

• Phản ứng oxi hóa: như phản ứng tráng gương, với Cu(OH)2 tạo Cu2O, với dung dịch nước brom

• Phản ứng tạo thành osazon: Tác dụng với phenylhydrazin

2.3.4 Phân tích Oligosaccarit

Sắc ký giấy có thể dùng để phân tích oligosaccarit nhưng tốc độ di chuyển chậm hơn Các hệ dung môi có thể dùng là

• BAW: Butanol: axit axetic: nước ( 4: 5 : 1) lớp trên

• BEW: n- butanol: etanol: nước ( 4 : 1: 2,2)

• BBPW: n-butanol: benzen:piridin: nước (5 : 1 : 3 : 3)

Hiện màu các vết bằng dung dịch anilin phtalat

2.4 MỘT SỐ POLISACCARIT TIÊU BIỂU (poliozo)

• Phân tử do trên 10 đơn vị monosaccarit kết hợp với nhau nhờ các liên kết glycozit, tạo nên mạch nhánh hoặc không phân nhánh

• Các homopolisaccarit tiêu biểu là tinh bột, xenlulozo, glicogen

• Các heteropolisaccarit tiêu biểu là hemixenlulozo, aga-aga

1 5

6

5 6

1 5 6

5 6

1 5 6

5 6

4

OH OH

1 5

5 6

CH 2 OH CH2OH OH

OH

OH OH O

1 5

6

5 6

• Tinh bột không tham gia phản ứng tráng bạc và với thuốc thử Fehling vì phân

tử chứa một khối lượng rất lớn gốc glucozo nhưng chỉ rất ít gốc ở cuối mạch có

-OH hemiaxetal Tinh bột có tính chất hóa học chủ yếu sau:

+ Phản ứng thủy phân

- Xúc tác axit: cho sản phẩm cuối là glucozơ

- Trong cơ thể động thực vật do xúc tác enzim

OH

OH O

O

CH2OH

OH OH

H

H H

HO

HH

H

H H

HO

HH

H

H

OOH

O

b) Tính chất vật lý

• Xenlulozo ở trạng thái rắn, màu trắng , tồn tại ở dạng sợi với độ dài khác nhau

• Xenlulozo không tan trong nước và trong các dung môi hữu cơ thông thường

• Tan được trong phức đồng(II)-amoniac, đồng (II)-etylendiamin, dung dịch tetrametylamoni hydroxit…

+ Phản ứng của các nhóm hydroxyl

- Phản ứng với axit nitric:

• Xenlulozo tác dụng với HNO3 đặc nóng nhờ xúc tác H2SO4 tạo hỗn hợp

xenlulozo trinitrat và xenlulozo đinitrat Tỉ lệ của các sản phẩm này phụ thuộc vào tỉ

lệ HNO3: H2SO4 và thời gian phản ứng

O

n xenlulozo trinitrat

Phản ứng với anhydrite axetic: cho ta xenlulozo triaxetat (còn gọi là triaxetyl

xenlulozo) là polime nhân tạo để điều chế tơ axetat, phim ảnh, màng cách điện…

Phản ứng với dung dịch NaOH và CS2

• Xenlulozo tác dụng với dung dịch NaOH đặc cho ‘xenlulozo- kiềm” Chế hóa

‘xenlulozo -kiềm”với cacbon điunfua thu được xenlulozo angtogenat

n xenlulozo xangtogenat + n CS 2

S

• Khác với xenlulozo, xenlulozo xangtogenat tan được trong dung dịch NaOH loãng tạo thành dung dịch rất nhớt có tên gọi là “visco” Thủy phân xenlulozo xangtogenat bằng dung dịch H2SO4 thu được xenlulozo hydrat

O

CH2OH

OH OH

O

n xenlulozo xangtogenat

+ (n/2)H2SO4

S

+ (n/2) Na2SO4 + nCS2

+ Phản ứng với dung dịch hợp chất phức đồng (II)-amoniac

• Xenlulozo phản ứng với [Cu(NH3)4](OH)2

(còn gọi là dung dịch Svayde) cho dung dịch nhớt do có sự tạo thành hợp chất phức giữa xenlulozo với ion đồng Khi thủy phân , hợp chất phức chuyển thành

xenlulozo hydrat dung để sản xuất tơ hóa học (tơ đồng-amoniac)

* Đề tài thảo luận: Vai trò ccura một số gluxit trong cuộc sống

CHƯƠNG 3 TERPENOID

3.1 Đại cương về terpenoid và phân loại

Các hợp chất tecpenoit được phân bố rộng rãi trong tự nhiên, chúng có mặt trong hầu hết các loài thực vật bậc cao Các hợp chất tecpenoit được coi là dẫn xuất oligome của isoprene Các đơn vị isoprene thường kết hợp với nhau theo qui tắc đầu - đuôi (C-1 gắn với C-4)

Khái niệm tecpenoit dùng để chỉ tất cả các hợp chất được tạo nên từ các đơn vị isoprene bao gồm cả sự có mặt của các nhóm chức Trong khi khái niệm tecpen chỉ đề cập đến các hợp chất hidrocacbon

Các hợp chất tecpenoit được phân thành các loại sau: Hemitecpenoit, monotecpenoit, sesquitecpenoit, ditecpenoit, tritecpenoit, tetratecpenoit và polytecpenoit

H3C

C COOH

CH3

Axit Tiglic

C

H3C H C COOH

CH3

Axit Angelic

O COOH

Axit b-Furoic

3.1.2 Monotecpenoit:

Các monotecpenoit có mười nguyên tử cacbon được tạo thành từ hai đơn vị isoprene Tuy nhiên một số ít các chất được tạo thành theo cách này nhưng mất đi một hay nhiều nguyên tử cacbon Monotecpenoit gồm có các hợp chất đóng vòng và mạch không vòng Trong thực tế tất cả các cách sắp xếp của 10 nguyên tử cacbon dường như đều tồn tại trong tự nhiên Hơn một trăm monotecpenoit đã được phân lập từ các loài thực vật Chúng là các thành phần chính của nhiều tinh dầu và có ý nghĩa kinh tế cao như dùng làm hương liệu, nước hoa và dung môi Các monotecpenoit không có

màu, không tan trong nước, có thể cất lôi cuốn bằng hơi nước và có mùi thơm Một số

có tính quang hoạt Nghiên cứu về hóa học của các monotecpenoit gặp nhiều khó khăn

do chúng thường tồn tại dưới dạng một hỗn hợp phức tạp rất khó phân lập được chất tinh khiết, và do cấu trúc của chúng dễ bị biến đổi

Phần lớn các chất này tồn tại một cách rộng rãi và không đặc trưng cho một cây hoặc một nhóm cây riêng biệt nào Một cây thường chứa nhiều chất tecpenoit nhưng một chất tecpenoit có thể là thành phần chính của một cây nào đó Mặc dù các monotecpenoit có nhiều nhất ở trong hạt cây nhưng chúng cũng được tìm thấy trong dầu dễ bay hơi của từ các loài thực vật bậc cao đến rêu và thậm chí cả vi nấm Nhiều monotecpenoit ức chế sự phát triển của các thực vật cạnh tranh và có thể là chất diệt côn trùng hoặc chất độc đối với các động vật bậc cao

H3C CH3

Geranial

CHO

CH 3 H

Ví dụ: citral biến đổi thành - và -cyclocitral

Một số hợp chất thơm có trong tinh dầu cũng được xem là tecpenoit Ví dụ cymene và thymol được tìm thấy trong dầu cỏ xạ hương

p-Iridoit là một nhóm các nomotecpenoit khác, chúng thường là các chất trung gian trong quá trình sinh tổng hợp các ancaloit Các iridoit gồm có một vòng cyclopentan gắn với một dị vòng oxi sáu cạnh Phân cắt liên kết trong vòng cyclopentan tạo ra một phân nhóm gọi là seco-iridoit Iridoit tồn tại trong các loài thực vật dưới dạng glycosit, phổ biến nhất là với đường glucose

Có hàng trăm chất thuộc nhóm này đã được biết đến Ví dụ như loganin

3.1.3 Sesquitecpenoit:

Sesquitecpenoit là các hợp chất có 15 nguyên tử cacbon được tạo thành từ ba đơn

vị isoprene Giống như các monotecpenoit, chúng là các thành phần của các tinh dầu cất lôi cuốn hơi nước Sesquitecpenoit là các chất tạo mùi thơm của hoa và quả

Các sesquitecpenoit có thể là hợp chất mạch không vòng, một vòng, hai vòng hay

ba vòng

a Sesquitecpenoit mạch không vòng: Chất quan trọng nhất của các sesquitecpenoit

mạch không vòng là farnesol, một ancol được phân bố rộng rãi Hợp chất pyrophotphat của nó là chất trung gian chìa khóa cho quá trình sinh tổng hợp các tecpenoit

b Sesquitecpen một vòng: Hầu hết các sesquitecpenoit một vòng có khung farnesol

bị đóng vòng tạo thành một vòng sáu cạnh

Một trong các hợp chất sesquitecpenoit một vòng có vai trò quan trọng về mặt sinh

lí là abscisic Nó là một hocmone có tác dụng kháng nấm reperela và ức chế sự phát triển của chồi cây

Một số sesquitecpenoit một vòng có cấu trúc bất thường không được xây dựng từ các đơn vị isoprene Chúng được tạo thành từ quá trình oxi hóa và sắp xếp lại của các tiền chất isoprenoit

Ví dụ như humulene, zezumbone, elemol và nookatin

Một số các hợp chất C13 có nguồn gốc từ sesquitecpenoit đóng vai trò đáng kể trong việc tạo ra mùi hương của quả

c Sesquitecpen hai vòng: Các sesquitecpenoit hai vòng được chia thành 2 nhóm chính

là naphtalene và azulene dựa theo cấu trúc của hai vòng thơm tạo ra trong quá trình đề hidro hóa Sự phân loại chi tiết hơn có tính đến vị trí của các nhóm thế trên các vòng Trong quá trình chưng cất ở nhiệt độ thấp, một số chất tecpenoit chứa nhóm chức thuộc nhóm azulene dễ bị chuyển hóa thành azulene Người ta cho rằng các azulene không tồn tại trong tự nhiên

- Nhóm naphtalene:

- Nhóm azulene:

Giống như các tecpenoit bậc thấp, nhóm này gồm có các hợp chất hidrocacbon, ancol, ete và axit thuộc các loại mạch không vòng và có vòng

a Ditecpenoit mạch không vòng: Ditecpenoit mạch không vòng quan trọng nhất

là ancol phytol, nó tạo thành một phần của phân tử clorophyl

b Ditecpenoit có vòng: Nhiều ditecpenoit có vòng được tạo thành từ sự đóng

vòng của phytol, nhưng những chất khác lại tạo thành theo kiểu ghép nối “đầu-đuôi”

Nhóm các hocmon thực vật như là các gibberellin cũng được xếp vào nhóm ditecpenoit Được biết đến nhiều nhất trong nhóm chất này là gibberellin A3 (axit gibberellic)

Có hơn năm mươi chất gibberellin đã được biết đến, và một cây có thể có hơn chục chất khác nhau Một số glycosit và este của gibberellin cũng đã được phân lập Các antheridogen ở dương xỉ cũng thuộc nhóm cấu trúc này

Giống như các sesquitecpenoit, nhiều diterpenoit có hoạt tính kháng nấm, độc với động vật và gây ngán ăn đối với côn trùng (ví dụ như các chất grayanotoxin có trong mật hoa của các cây thuộc họ đỗ quyên (Ericaceae) làm cho mật có tính độc) Một số ditecpenoit có triển vọng dùng làm thuốc chống khối u do độc tính của chúng Một số

có khả năng gây ung thư Trong khi một số ditecpenoit có độc tính và gây ngán ăn đối với côn trùng thì một số khác lại có khả năng thu hút côn trùng Ngoài ra một số chất lại có hoạt tính chống virut

các chất grayanotoxin

Một số ít các ortho hoặc para quinone có nhân phenanthrene có nguồn gốc từ

ditecpenoit có vai trò tạo các sắc tố đỏ ở một số loài thực vật, đặc biệt là ở họ Hoa môi (Labiatae) Một số chất này là các thành phần có hoạt tính trong các cây thuốc Ví dụ như denticulator và royleanone

3.1.5 Tritecpenoit:

Tritecpenoit là các hợp chất có 30 nguyên tử cacbon Các tritecpenoit được phân bố rộng rãi trong các loài thực vật và động vật bậc cao Chúng có thể tồn tại dưới dạng tự do hoặc este hoặc glycosit Các glycosit cũng được tìm thấy ở một số dạng phức tạp hơn như là dạng sunphat và este của các axit thơm

Các tritecpenoit được phân làm ba loại: mạch không vòng, bốn vòng và năm vòng Nhiều chất có thể chuyển hóa từ loại này sang loại khác Một số quá trình này có liên quan đến sự thay đổi của nhóm –COOH thành –CH3 hoặc –CH2OH

a Tritecpenoit mạch không vòng: Quan trọng nhất trong số các tritecpenoit mạch

không vòng là hidrocacbon squalene, được phân lập lần đầu tiên từ dầu gan cá mập nhưng cũng được tìm thấy trong một số sáp và dầu thực vật (ví dụ dầu olive) Nó được xem là chất trung gian cho quá trình sinh tổng hợp các steroit

b Tritecpenoit bốn vòng: Cho đến nay, không có tritecpenoit nào có cấu trúc

chứa một hay hai vòng được tìm thấy Các chất có ba vòng rất hiếm gặp Một số tritecpenoit bốn vòng đã được biết đến Chúng giống và có thể có mối quan hệ về sinh tổng hợp với các steroit Trong một thời gian dài chúng được coi là các sterol và sự nhầm lẫn này được thể hiện qua tên gọi của chúng Chất tritecpenoit bốn vòng được biết đến nhiều nhất là lanosterol có trong mỡ của các loài có lông, nấm men và một số

loại thực vật bậc cao như Euphorbia electa Lanosterol là một chất trung gian trong

quá trình sinh tổng hợp steroit ở động vật nhưng ở thực vật nó bị thay thế bởi

cycloartenol Một ancol tritecpenoit bốn vòng nữa là euphol từ các loài Euphorbia spp

Các quassinoit là một nhóm chất do các tritecpenoit chuyển hóa thành, chúng có ít hơn 30 cacbon nhưng có nguồn gốc từ các chất có cấu trúc dạng euphol

b Tritecpenoit năm vòng: Quan trọng và phân bố rộng rãi nhất là các tritecpenoit

năm vòng Các hợp chất này được tìm thấy nhiều nhất trong hạt cây ở cả dạng tự do

và dạng glycosit (còn được gọi là saponin) Các tritecpenoit không phải glycosit thường được tìm thấy như là các chất thải và trong lớp biểu bì, ở đó chúng có chức năng bảo vệ và chống mất nước Zimmerman đã đưa ra sự tổng kết thú vị rằng: các tritecpen ancol monohydroxy không đi kèm với các sắc tố trong cây trong khi các tritecpen diol lại tồn tại cùng với các carotenoit và các tritecpen axit đi cùng với các flavonoit

Các tritecpenoit có bốn loại khung phổ biến bắt nguồn từ các hydrocacbon như sau:

Tất cả các chất đã biết thuộc nhóm này đều bị oxi hóa ở vị trí C-3, thường dưới dạng ancol nhưng có một số chất có dạng xeton Chúng được phân biệt với nhau bởi mức độ bão hòa, nhóm hidroxi và nhóm cacboxyl Trong nhóm này, sự khác nhau về hóa lập thể cũng đóng một vai trò quan trọng Các cấu trúc kiểu -amyrin là phổ biến nhất và tồn tại ở cả các loài thực vật bậc thấp và bậc cao

Các hợp chất tritecpenoit thường có nhiều hoạt tính sinh học quan trọng Chúng là các thành phần hoạt động của cây thuốc đã được dùng cho các bệnh như tiểu đường, rối loạn kinh nguyệt, rắn cắn, các bệnh về da, tổn thương gan và sốt rét Một số chất có

ý nghĩa về mặt sinh thái đối với các cây chứa chúng do chúng có tác dụng chống nấm, chống côn trùng hoặc gây ngán ăn Tuy nhiên một số chất khác lại có tác dụng kích thích sự đẻ trứng của các côn trùng Một số chất có hoạt tính kháng khuẩn và kháng virut

Gossypol trong bông và một số cây khác thuộc họ Malvaceae có cấu trúc trông giống như disesquitecpenoit nhưng lại được xếp vào loại tritecpenoit do nó có 30 nguyên tử cacbon Nó ức chế một số enzym đề hidro hóa, kết hợp với tubulin, cản trở quá trình oxi hóa phosphoryl và có triển vọng làm thuốc ức chế khả năng sinh sản ở giống đực

3.1.6 Tetratecpenoit:

Các tetratecpenoit quen thuộc nhất chính là các carotenoit, các chất màu từ

vàng đến đỏ, tồn tại trong các loài thực vật thượng đẳng và trong nhiều loại tế bào khác nhau Có hơn 400 chất đã được biết đến Các chất màu là hidrocacbon được gọi

là carotene còn các dẫn xuất chứa oxi gọi là xanthophyll Các tetratecpenoit không màu cũng đã được tìm thấy (ví dụ như phytoene, phytofluene) Về mặt cấu trúc sự khác nhau duy nhất giữa các tetretecpenoit có màu và không màu là ở số lượng các nối đôi liên hợp có trong phân tử Các tetratecpenoit không bao giờ chứa các hệ thống vòng ngưng tụ lớn Chúng hoặc là mạch không vòng, một vòng hoặc hai vòng Các chất mạch không vòng có khung được mô tả như sau:

Cần chú ý rằng hai nửa phân tử đối xứng qua đường nét đứt và ở loại phytyl thì nó

có thể được coi là sự kết hợp của hai gốc ditecpene Chúng thay đổi về số lượng nối đôi và các nhóm chức như là hidroxi và cacboxyl Khi có chứa nối đôi thì sẽ có các

đồng phân cis-trans Vấn đề này đã gây rất nhiều khó khăn cho việc phân biệt và phân

tách các đồng phân hình học ở các chất kiểu này Hầu hết các carotenoit có cấu hình

all-trans và cấu hình này được chấp nhận trừ khi tên của chúng có chỉ ra nối đôi có cấu hình cis

Sự đóng vòng ở một hoặc cả hai đầu của mạch cacbon tạo ra hai loại carotenoit cơ bản khác

Carotenoit phổ biến nhất là -carotene, nó có thể chiếm tới 0,1% của khối lượng lá khô Lutein là xanthophyll quan trọng nhất, nó có thể có trong các lá xanh với hàm lượng lớn hơn -carotene Hầu hết các carotenoit có cùng mạch cacbon chính như -carotene và chỉ khác nhau ở cấu trúc của hai vòng

Một số carotenoit điển hình:

Quá trình sinh tổng hợp các hợp chất tecpenoit qua con đường mevalonate và deoxyxylulose được trình bày trong sơ đồ sau:

NADPH là dạng khử của Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP+)

3.2 Đặc điểm về cấu tạo và hóa lập thể

Phân tử hiđrocacbonterpen có số nguyên tử cacbon tương đối lớn, do đó chúng

có thể tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau về mạch thẳng, mạch nhánh và mạch vòng,

vòng đôi, vòng kép

Các hiđroterpen biểu hiện rất nhiều hiện tượng – rất phong phú trong hóa học

hữu cơ Nhờ đó mà ta giải thích được rõ ràng sự chuyển vị vào trung tâm bất đối xứng,

chẳng hạn hiện tượng đồng phân hóa

3.2.1 Đặc điểm về cấu tạo

Đồng phân cấu tạo:

Thông thường các terpen có nối đôi trong phân tử, do đó ngay trong hợp chất đơn giản nhất thấy có các đồng phân sau:

 Đồng phân về vị trí của nối đôi trong phân tử: phân tử có nối đôi có thể từ nguyên tử C trong vòng hoặc ngoài vỏng

 Từ một ancol có thể thu được terpen có vị trí nối đôi khác nhau (bằng phương pháp đề hiđrat hóa)

 Các terpen mạch không vòng: geraniol và citronenol

Để xác định được dạng α và β người ta đã dùng phương pháp ozon hóa rồi thủy phân: dạng α có thể cho HCH=O, còn dạng β có thể cho axeton

Nhưng vì các dạng α và β rất dễ chuyển hóa cho nhau nhanh chóng (Nếu tách bằng sắc ký thì ngay cả chất mang cũng tác dụng chuyển hóa α thành β) Nên thông thường người ta phải tiến hành bằng phương pháp vật lý hiện đại như sắc ký khí, khối phổ khí, phổ hồng ngoại (IR), phổ tử ngoại (UV), cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)

Người ta đã xác định được trong các hỗn hợp thiên nhiên thì dạng β chiếm đại

bộ phận:

 Trong geraniol thì β-geraniol là chủ yếu

 Trong citroneol thì dạng β-citroneol là chủ yếu

3.2.2 Hóa học lập thể của terpenoid

* Đồng phân hình học

Điều kiện cần và đủ để có đồng phân hình học cis – trans:

 Điều kiện cần: Trong phân tử phải có liên kết đôi C=C hoặc vòng no (mặt

phẳng vòng no đóng vai trò như một nối đôi)

 Điều kiện đủ:

+ Đối với anken: mỗi ngguyeen tử cacbon mang nối đôi phải liên kết với hai

nguyên tử hoặc nhóm ngyên tử khác nhau: abC=Cba (a ≠ b)

+ Đối với vòng no: hai nguyên tử cacbon trong vòng no phải liên kết với hai nguyên tử hoặc 2 nhóm nguyên tử khác nhau

 Đối với các hợp chất abC=Ccd thì dùng daanh pháp IUPAC của hệ

Caln-cấp của nhóm thế đính với Csp2 được xác đinh thep số thứ tự nguyên tố hay điện tích hạt nhân của nguyên tử đính với Csp2

 Trong danh pháp E-Z, nếu hai nhóm thế hơn cấp ở hai cacbon nối đôi ở cùng phía là đồng phân Z và ngược phía là đồng phân E

Điều kiện cần để có đồng phân hình học trong các terpen đã có vì bản thân terpen có nối đôi hoặc vòng no trong phân tử, điều kiện đủ là các nhóm thế khác nhau ở các nguyên tử cacbon có nối đôi hoặc vòng no Số đồng phân được tính theo các biểu thức sau (đối với mạch hở):

 Anken không đối xứng có n nối đôi liên hợp thì số đồng phân là: N = 2 n

 Anken dối xứng có n nối đôi liên hợp thì số đồng phân là : N = 2 n- 1 + 2 n+1

 n là số nối đôi chẵn thì: p = n/2

 n là số nối đôi lẻ thì: p = (n+1)/2

3.2.3 Một số đặc điểm khác về cấu hình hóa lập thể

- Trong các terpen và terpenoid có cấu tạo vòng no, hoặc cầu nối ddaaxx làm

cho chúng tồn tại dưới dạng thuyền (như trong xiclohexan)

- Do cấu tạo vòng, các vòng có thể ở trong hoặc ngoài mặt phẳng vòng sinh ra

đồng thời đồng phân endo hoặc exo

- Nếu trong phân tử có hai vòng giáp nhau thì các vòng có thể ở vị trí cis hoặc trans

- Các vòng cầu nối trong phân tử (như α-pinen) làm giảm số đồng phân

3.3 Một số terpenoid tiểu biểu

3.3.1 Monoterpenoid

- Monoterpen là những chất lỏng dễ bay hơi và chúng là những chất thơm rất quý Những terpen thuộc loại này là thành phần chủ yếu của tinh dầu, hiện diện trong khoảng 60 họ thực vật, trong đó các họ có chứa nhiều tinh dầu như: Pinaceae (họ Thông), Lauraecae (họ Nguyệt quế), Myrtaceae (họ Sim), Lamiaceae (họ Hoa môi), Umbeliferae (họ Hoa tán), Rutaceae (họ Cam), Asteraceae (họ Cúc), Arecaceae (họ Cau), Zingiberceae (họ Gừng)

- Monoterpenoid có thể được chia thành 3 loại: monoterpenoid không vòng, 1 vòng và 2 vòng

3.1.1 Monoterpenoid không vòng

- Phần lớn có khung cơ bản là 2,6-dimetyloctan

- Ví dụ: myrcen, oximen, citral, citronellol, geraniol, nerol…

- Trong tinh dầu, citral thường ở 2 dạng chung a và b

- Citral a và Citral b có trong gần 150 loại tinh dầu khác nhau Citral có mùi thơm của vỏ chanh

- Citral rất phổ biến trong tự nhiên, có nhiều trong tinh dầu màng tang, tinh dầu

sả, trong vỏ chanh, vỏ cam, quýt, bưởi

- Công dụng: citral được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp với lượng nhỏ để tạo mùi chanh nhân tạo, vị chanh, lá cam và cam Ngoài ra, citral còn dùng để làm thơm xà phòng, mỹ phẩm và tham gia vào nhiều công thức nước hoa

+ Citronellol:

- Citronellol có nhiều trong tinh dầu hoa hồng từ 35% đến 55% dưới dạng L hoặc trong tinh dầu sả…

- Ứng dụng: tương tự citral

+ Geraniol và nerol:

Geraniol: C10H18O

Trong phân tử có 2 nối đôi và 1 nhóm – OH nên phân tử có hoạt tính cao

- Geraniol có mùi thơm rất dễ chịu, có mặt trong 200 loại tinh dầu khác nhau Geraniol có nhiều nhất trong tinh dầu sả, tinh dầu hoa hồng, tinh dầu cam

- Geraniol được dùng nhiều trong hương liệu và còn được dùng để chống sâu

- Là hidrocacbonterpen phổ biến sau  - Pinene Nó có hàm lượng cao trong một

số tinh dầu chanh, tinh dầu cam, quýt, bưởi…, có mùi thơm mát Trong phân tử có nối đôi nên rất dễ bị oxi hóa và bị trùng hợp tạo ra mùi khó chịu

- Công dụng: Limonen được dùng làm chất thơm trong công nghiệp thực phẩm, chất làm trắng răng

+ Terpinen

- Có 3 dạng là ,  và :

- α-terpinen có mặt trong tinh dầu thông, sa nhân, ngò thơm

- β-terpinen rất hiếm trong tự nhiên, thường phải tổng hợp

- γ-terpinen cũng rất hiếm trong tự nhiên, thường đi kèm với α-terpinen

+ Menthol: có nhiều trong tinh dầu bạc hà

- Menthol có tính sát khuẩn, tiếp xúc với da gây cảm giác mát và tê tại chỗ (do hiện tượng bay hơi) Menthol có trong thành phần của cao Sao vàng và các cao khác, dùng để chữa cảm lạnh, nhức đầu chóng mặt, say tàu xe…, nó còn là chất thơm dùng trong công nghiệp thuốc lá, thuốc đánh răng, kẹo, mỹ phẩm…

3.1.3 Monoterpenoid 2 vòng

- Các monoterpen 2 vòng: có 5 loại hợp chất thuộc monoterpen hai vòng: Thuyan, Caran, Pinan (  - pinen và  - pinen), Camphan (boran), isocampha, Fernchan, Isofenchan Các chất này và dẫn xuất của nó có trong tinh dầu cây bạch đàn, cây thông, tinh dầu kinh giới, cây oải hương

- Các khung cơ bản: khung thuyan (1), caran (2), pinan (3), khung camphan (4)

và isocamphan (5), khung fenchan (6) và isobornylan (7)

- Sabinen: đại diện cho khung thuyan, có trong tinh dầu củ cà rốt

- Thuyone: cũng có khung thuyan, có trong tinh dầu ngải cứu, có tác dụng gây hưng phấn rất mạnh

- -3 và -4 caren: có khung caran, là thành phần chính của tinh dầu thông Pinus longifolia và Pinus syvestres, được dùng để tổng hợp các monoterpen, làm dung môi

để pha sơn

- -pinen và -pinen: có khung pinan, là thành phần chủ yếu của tinh dầu thông, từ pinen có thể tổng hợp nhiều chất có ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp như terpineol, borneol, isoborneol, các este của chúng, camphor và các fenchol

- Camphor: đại diện cho khung camphan và isocamphan, có nhiều trong tinh dầu cây long não, có tác dụng kích thích hoạt động của tim

- Fenchon: đại diện của khung fenchan và isobornylan, có nhiều trong tinh dầu cây thì

là

3.3.2 Sesquiterpenoid

- Các Sesquiterpen: Cũng có nhiều trong thành phần tinh dầu

Tùy theo số vòng trong phân tử được chia thành 4 nhóm Theo qui tắc isopren, 3 đơn vị isopren liên kết với nhau theo kiểu đuôi đầu tạo thành một Sesquiterpen mạch thẳng với 4 liên kết đôi Có các dạng sau: Sesquiterpen không vòng, 1 vòng, 2 vòng, 3 vòng

3.3.2.2 Sesquiterpen 1 vòng

+ Zingiberen: là thành phần chính của tinh dầu gừng Gây nên vị nóng, cay và mùi đặc trưng của gừng Ứng dụng trong nước uống, bánh kẹo, tạo độ nóng nhưng không say

+ Bisabolen: có trong vỏ chanh, bưởi, tùng bách

+ Acid abxixic có nhiều trong quả bông non, tác dụng như một hoormon kìm hãm sự sinh trưởng (nội tiết thực vật)

3.3.2.3 Sesquiterpen hai vòng

Thường có ở các nhóm cadinan, eudesman, guyan và caryophyllan

Ví dụ: Cadinen có trong tinh dầu vỏ chanh, eudesmol có trong tinh dầu chanh,

guajol có trong tinh dầu hương lau và caryophyllen có trong tinh dầu cẩm chướng

3.3.2.4 Sesquiterpen ba vòng

Các sesquiterpen ancol như cardiol, eudesmol, cedrol là cấu tử chính của nhiều loại tinh dầu Các ancol này và đặc biệt là các axetat của chúng thường được sử dụng làm những chất định hương có giá trị

3.3.3 Diterpenoid

- Được tạo thành từ 4 đơn vị isoprene

- Bao gồm các axit nhựa và các hocmon sinh trưởng thực vật Phần đông các diterpen là hợp chất mạch vòng

Vitamin A1 có trong gan cá nước mặn

Vitamin A2 có trong gan cá nước ngọt