1.3. Методология химии природных соединений

Теоретический аппарат химии природных соединений полностью соответствует, или даже точнее, полностью базируется на основных концепциях и представлениях теоретической органической химии. Валентные состояния атома углерода и атомов органогенов (кислорода и азота, в первую очередь); типы химических связей (с, л, водородные, ионные, комплексообразования); типы химических систем (сопряженные, аллильные, ароматические, гетероциклические); конформационная и конфигурационная изомерия молекул (оптическая изомерия в особенности); всевозможные реакционные механизмы (гомолитические и гетеролитические, электрофильные и нуклеофильные, синхронные и асинхронные, молекулярные перегруппировки); каталитические процессы (кислотно-основной катализ, главным образом) и взаимодействие с излучением — все это широко представлено в химии природных соединений. В свою очередь, результаты, полученные при работе с природными соединениями, обогащают и инициируют развитие теоретической органической химии, так как процессы, протекающие с участием природных молекул (как in vivo, так и in vitro) часто требуют для своего объяснения более развитых структурных и механистических представлений — это касается конформационного поведения биополимеров, конфигурационной изомерии молекул с несколькими асимметрическими центрами, многоцентровых реакций, механизмов ферментативного катализа. Из живых организмов подчастую выделяют вещества неожиданной структуры, хотя и несложные в принципе, дающие толчок новым синтетическим исследованиям классиков-органиков. Например, что можно сказать о серосодержащих соединениях лука, представленных на схеме 1.3.1? Это удивительно, это интересно, это непонятно, это надо изучать.

В экспериментальном плане, напротив, далеко не все методы классической органической химии могут быть широко использованы в химии природных соединений, особенно на стадии определения химического состава, выделения и определения индивидуальных компонентов какого-либо природного источника. Это связано с тем, что молекулы многих природных соединений достаточно стабильны только при нормальных температурных условиях, а некоторые из них и при этих условиях живут недолгое время, поскольку являются интермедиатами; другие молекулы стабильны только в условиях in vivo; многие природные соединения обладают большой молекулярной массой и не могут быть переведены в паровую фазу даже при глубоком вакууме, а те из них, которые являются биополимерами, как правило, еще имеют и очень низкую растворимость в большинстве растворителей.

Чтобы определить экспериментальную методологию химии природных соединений, рассмотрим последовательно весь ход событий. С чего начинается эксперимент при исследовании природных органических объектов? Очевидно, с сырья. То есть то, что называется исходным веществом в классической органической химии, здесь называется сырьем или источником. Если взять в качестве сырья растение

Схема 1.3.1

(а химия природных соединений растительного происхождения наиболее хорошо развита), то необходимо установить его вид, фазу вегетации для заготовки, условия сушки, какие части растения отбирать для исследования. Следующий этап — выделение индивидуальных веществ или групп веществ из источника, чаще всего это экстракция различными растворителями в различных температурных условиях. Обычно используют два варианта экстракции: сырье последовательно экстрагируют серией растворителей с постепенно увеличивающейся полярностью (например, пентан->эфир-> метанол->вода); или же из сырья сразу же извлекают максимум веществ таким универсальным растворителем, как ацетон, а полученную после испарения ацетона смолку-сырец уже повторно экстрагируют каким-либо растворителем (по выбору) в соответстзии с поставленной задачей.

Естественно, что полученный экстракт всегда содержит целую гамму веществ, поэтому далее возникает трудоемкая задача выделения из экстракта индивидуальных соединений. При решении этой задачи наибольший эффект достигается при применении препаративной колоночной хроматографии. Колоночная хроматография в различных ее модификациях в химии природных соединений является незаменимым, широко используемым экспериментальным методом разделения и очистки веществ — это буквально палочка-выручалочка. Здесь следует отметить, что этот метод сейчас весьма распространен и в классической органической химии, но пришел этот метод из химии природных соединений: в 1904 году ботаник М.С. Цвет впервые таким способом разделил пигменты листьев растений. Обычно в качестве носителя (твердой фазы) используют силикагель или окись алюминия — они

могут быть разной активности, различной зернистости, иметь различные значения pH. В ряде случаев можно использовать привитые носители, т. е. химически модифицированные вышеуказанные твердые фазы, либо носители другой химической природы — полисахариды и другие биополимеры. Смесь веществ (смолку), внесенную в колонку, элюируют одним растворителем, смесью растворителей или смесью растворителей переменного состава для достижения градиента полярности среды. Всем этим процедурам сопутствует текущий контроль методом тонкослойной хроматографии (ТСХ), для чего обычно используют стандартные пластинки силуфола (Silufol — основа силикагель) или алуфола (Alufol — основа окись алюминия); те же растворители, что и в колоночной хроматографии и определенную систему проявления (УФ-освещение, 12 и др.).

На следующем этапе исследования выделенные индивидуальные соединения подлежат идентификации по двум вариантам: идентификация известного вещества (если оно неизвестно для данного источника) проводится по его константам (температуры плавления и кипения, , при наличии метчика); в случае выделения нового вещества используется подход классической органической химии, который в настоящее время базируется на комплексе физических методов (ИК-спектроско-пия, спектроскопия ЯМР, масс-спект-рометрия). Если неизвестное вещество удается получить в виде кристаллов заметного размера (0,1 мм и более), то задача его идентификации может быть решена методом рентгеноструктурного анализа (РСА) со стопроцентной достоверностью и с такой степенью информационной полноты по структурным параметрам, какая не достигается никаким другим методом.

Последующие этапы исследования выделенных природных соединений касаются их судьбы, т.е. определения их положения в метаболической иерархии природных соединений, их роли в живой системе, их биологической активности по отношению к другим организмам, и, если есть необходимость, решается проблема их лабораторного синтеза. Весь комплекс экспериментальных химических работ с природными объектами представлен на схеме 1.3.2.

Синтез природных соединений на различных исторических этапах имел различную цель. Когда-то это был самый надежный в последней инстанции способ доказательства структуры выделенного нового природного соединения, т.е. имел смысл встречного синтеза. Сейчас, когда задача установления структуры молекулы решается достаточно однозначно комплексом физических методов, встречный синтез уже не столь актуален. Но зато актуальна задача синтеза тех природных соединений, которые обнаружили те или иные полезные свойства.

Показателен пример соединения под названием “Таксол" - этот дитер-пеноид, выделенный из тихоокеанского тисса (Taxus spp.), обнаружил перспективную противоопухолевую активность. Для клинических испытаний последнего этапа его понадобилось 2,5 кг, но чтобы выделить такое количество этого лекарственного вещества, потребовалось уничтожить 12.000 деревьев этого вида. Вполне очевидно, что при благоприятном клиническом результате ситуация становится экологически неблагоприятной в регионе произрастания этих деревьев и единственный выход из такого положения — синтез. Кроме того, учитывая тот факт, что испытываемое соединение (таксол) оказалось неидеапьным по некоторым своим медицинским показателям, возникла необходимость его химической модификации, т.е. синтеза новых функциональных производных таксола с целью улучшения его основных свойств и удаления неблагоприятных побочных эффектов (схема 1.3.3).

Следует иметь в виду, что вышеопи-санны 1 систематический подход всегда до сопутствовать практическому успеху какого-либо индивидуального

Схема 1.3.2

природного соединения, выделенного из природных источников, дабы сохранить последние как природный вид.

Синтез природных соединений — задача далеко не простая. Чтобы в этом убедиться — химику-синтетику достаточно взглянуть на формулу таксола (схема 1.3.3). Кроме того, что способ его получения — это многостадийные синтезы (10-30 стадий с выходом конечного продукта около 1%), они еще связаны с формированием в молекуле нескольких асимметрических центров заданной конфигурации. В молекуле таксола таких центров десять, а это 210 конфигурационных изомеров. Таким образом, встает проблема эффективного асимметрического синтеза — одна из из ключевых проблем в органической химии, а в химии природных соединений тем более.

Схема 1.3.3

В тех случаях, когда биологическая активность какого-либо природного источника обусловлена действием естественного комплекса его веществ (например, водный экстракт растения, спиртовая вытяжка моллюска и др.), исследование ведется по пути выращивания культуры ткани этого организма в лабораторных условиях. Метод не приобрел еще широкого индустриального применения, но научные изыскания в этом направлении весьма интенсивны. При этом следует отметить, что очень часто химический состав искусственно выращенной культуры ткани качественно и количественно отличается от первоисточника. Этот факт может быть использован как метод синтеза с помощью ферментной системы растения новых природных соединений.

В последнее время, с целью увеличения количества активных веществ в том или ином природном источнике, в растениях чаще всего, используется метод серендипктности, суть которого сводится к тому, что растение, подвергшееся определенным экстремальным внешним воздействиям (засуха, обводнение, облучение и т.д.) интенсифицирует синтез соединений, защищающих его от этих внешних воздействий. Этот последний прием, кроме того, позволяет пролить свет на роль некоторых природных соединений, продуктов вторичного метаболизма главным образом, в жизнедеятельности исследуемого организма.