Разумеется, с точки зрения строгой органической номенклатуры такая классификация может показаться несколько претенциозной и в отдельных случаях производить впечатление некоего насильственного деления этих природных веществ. Поэтому в рамках отдельных групп мы будем пользоваться и некоторыми обычными критериями, которые позволят понять связь между классическими представлениями и прежней терминологией и предлагаемой нами классификацией.
В растениях встречается целый ряд природных веществ, биохимические функции которых остаются пока неизвестными; другие, напротив, оказывают значительное влияние на обмен веществ в живых организмах. Синтезировать ароматический цикл могут только растения и микроорганизмы, в животном же мире биосинтез ароматических соединений до настоящего времени не обнаружен. Современные представления о механизмах образования ароматического ядра и его превращениях в фенольные соединения и полифенолы во многих случаях несовершенны. Долгое время удовлетворялись фиктивными представлениями о механизме, так как речь шла о процессах, протекающих in vivo, и не было никаких прямых экспериментальных доказательств. Среди растительных ароматических соединений наибольшее значение имеют вещества фенольного характера.
В ацетатном механизме биосинтеза следует различать две ступени: возникновение основной фенольной структуры и - во второй фазе - ее разнообразных структурных вариантов. Основной углеродно—кислородный скелет, однако, еще перед циклизацией может подвергнуться вторичному структурному изменению, что позволяет распространить эту гипотезу на образование разнообразных природных фенольных соединений. Были исследованы многие типы реакций образования фенолов с применением радиоактивного ацетата в качестве исходного продукта, и при этом были получены достаточно весомые доказательства реальности ацетатного механизма. Основной проблемой было установление последовательности реакций и отдельных ступеней, ведущих от ацетата к конечному метаболиту. Здесь наиболее важную гипотезу выдвинул Берч /5/, который при изучении промежуточных ступеней биосинтеза метаболитов (рис. 1) исходил из уксусной кислоты (обычно из ацетата). Три молекулы уксусной кислоты в активированном состоянии соединяются по типу "голова -хвост", и такие удлиненные звенья конденсируются затем с какой-либо другой природной кислотой в поли-Р-кетосоединение. Последнее может образоваться либо альдольной конденсацией, либо С-аци-лированием циклических неароматических промежуточных продуктов, из которых затем возникают первичные фенольные продукты и далее растительные фенольные соединения.
Недавние работы в области биосинтеза фенолкарбоновых кислот подтвердили предположение, что протокатеховая и галловая кислоты образуются из 5-дегидрошикимовой кислоты. Гросс /16/ обнаружил фермент - дегидрогеназу дегидрошикимовой кислоты — в мутанте штамма N euros pora crassa. Применяя 3,4,5,6- С—шик им овую кислоту, Гроссу удалось доказать, что элиминирование гидроксильной группы протекает у атома С-3 5-дегидрошикимовой кислоты.
Три ароматические аминокислоты - фенилаланин, тирозин и триптофан - играют значительную роль не только в синтезе белковых веществ, но и в образовании целого ряда вторичных метаболитов.Эти аминокислоты образуются из углеводов в растениях и микроорганизмах (но не в животных органах) и поэтому относятся к незаменимым аминокислотам. Фенилаланин и тирозин занимают особое место с точки зрения биосинтеза большого числа растительных ароматических соединений типа фенилпропаноидов.
Лигнины — наиболее распространенные полимерные растительные фенольные соединения. Наряду с целлюлозой они представляют собой главную составную часть органической субстанции высших растений.Первоначальные, чисто умозрительные представления о генезисе лигнина были отвергнуты Браунсом /26/.
В последнее время были затрачены немалые усилия для установления строения лигнина. Основными Ътроительными кирпичами -мономерами являются спирты С6 —С 3. Модельными соединениями в настоящее время считаются п-кум ариловый, конифериловый и синаповый спирты. Биосинтетическое воспроизведение лигнификации in vitro в лабораторных условиях составило определенный прогресс в химии лигнина, и полученный таким образом искусственный лигнин дал значительную информацию и для исследования структуры нативного лигнина.
Все работы по биосинтезу флавоноидов подтвердили, что флоро— глюциновое ядро А образуется по ацетатному механизму - конденсацией трех молекул уксусной кислоты. Предполагается участие аце— тилкофермента А или малонилкофермента А. Циклизация остатка Р-поликетокислоты приводит к образованию не идентифицированных до настоящего времени промежуточных продуктов. Наиболее правдоподобно, что фенольные гидроксилы в положениях 5 и 7 происходят от карбоксильных групп молекул уксусной кислоты.
В этой главе рассматриваются основные группы соединений, относящихся к разделу 1, и приводятся некоторые характерные примеры. Следует заметить, что эти соединения встречаются в природе чаще всего в форме гликозидов.
Простейшие фенольные соединения, например оксибензолы (пирокатехин, гидрохинон, резорцин, флороглюцин) и их метиловые эфиры встречаются в растениях очень редко.
Галловая кислота образует особую группу, так как получается непосредственно из шикимовой кислоты, подобно кислотам эллаговой, салициловой и гентизиновой из модифицированной шикимовой кисло ты. Весьма интересна также эндесмовая (триметилгалловая, триме-токсибензойная) кислота, входящая в состав алкалоида резерпина.
Умбеллиферон - производное я-кумаровой, эскулетин - кофейной и скополетин — феруловой кислоты. Все они отличаются горьким вкусом. При действии микроорганизмов количество их во фруктах и овощах повышается, и, следовательно, горький вкус пищевых продуктов, затронутых микроорганизмами, по крайней мере частично, обусловлен наличием этих производных кумарина.
Обе эти группы веществ называются также антохлорпигмента-ми, так как они окрашены в желтый цвет, в парах аммиака переходящий в оранжевый.
Дальнейшие изменения могут быть обусловлены введением гидроксильных, алкоксильных (мегоксильных), алкильных, фурильных, гликозидных и других групп. Различающиеся таким образом флаво-ноиды и родственные им вещества приведены в табл. 1.
Из нафтохинонов представляет интерес ломатиол, при циклизации боковой цепи которого образуется тектохинон, относящийся уже к антрахинонам.Наиболее распространенными лигнанами фенольного типа в древесине наших обычных пород являются конидендрины, относящиеся к группе 8, и пинорезинолы и сирингарезинолы, входящие в группу 6.
В конце восемнадцатого столетия были проведены первые опыты по выделению активных веществ из водных растворов после экстракции коры и древесины различных пород, обладавших дубящими свойствами (т.е. превращавших кожевенное сырье в выделанную кожу). Выделение этих веществ основывалось на связывании их белковыми веществами кожи, поэтому они получили название экстрактивных дубильных веществ, которое вскоре уступило место более простому — дубильные вещества.
При действии гидролизующих агентов, в особенности кислот и ферментов, но также и щелочей, они расщепляются на исходные составные части. Дубильные вещества группы галлотаннинов наряду с сахаридом образуют галловую кислоту, а эллаготаннины — гекса— оксидифеновую кислоту или такую кислоту, которая может образоваться из галловой кислоты простыми химическими превращениями (окисление, восстановление).
Ру /41/ из коры мимозы - 37 соединений; другие авторы /42/ выделили из дубильного экстракта ели 11 флуоресцирующих соединений. Курсанов с сотр. (цит. по /43/) выделил из дубильных веществ грузинского чая и идентифицировал 8 соединений катехино-вого типа.
У двудомных встречаются роды, имеющие сравнительно высокое содержание дубителей, например мангровые, эвкалипт, мимоза, сумах, квебрахо и миробаланы. Существуют, однако, виды, в которых содержание дубильных веществ низкое или они отсутствуют полностью, например злаковые (Graminae ).
В высших растениях лигнин составляет от 1/5 до 1/3 общей массы древесины; с количественной точки зрения это наиболее важная фенольная составная часть растений. Значение лигнина велико еще и потому, что древесина - наиболее употребительное и химически наиболее исследованное сырье. В связи с этим вполне уместно уделить этому фенольному производному особое внимание.
Пейан, впервые установивший гетерогенный характер древесины, в 1838 г. открыл лигнин как ее составную часть /1/. Ботаникам еще раньше было известно, что некоторые растения, особенно высшие (древесные), в ходе своего роста постепенно становятся более твердыми и изменяются химически. Такие изменения были названы одревеснением (де Кандоль, 1833) /2/.
Здесь необходимо в первую очередь подчеркнуть различие понятий "протолигнин" и "выделенный лигнин".Протолигнином называется природный, содержащийся в растительном материале лигнин. Термин предложен Классоном (цит. по /30/).
Взгляды Фрейденберга, считающего лигнин статистическим полимером, не противоречат экспериментальным данным Форсса и Фре-мера /89/, хотя представления последних о структуре лигнина существенно отличаются - по крайней мере, как может показаться, тем, что лигнин образует определенным образом упорядоченное полимерное строение (рис. 15).
Для изучения аналитического состава лигнина можно пользоваться лигнинами Класона, Вилльштеттера и Урбана (получаемого действием смеси 36%-ной соляной и 80%-ной фосфорной кислот 3:1). Лучшим материалом для анализа является в настоящее время лигнин Бьеркмана (не содержащий сахаридов), хотя он составляет только 25% общего содержания лигнина. Пригоден для этой цели и лигнин Холмберга, так как он представляет весь имеющийся в растении лигнин.
Полуколичественное определение метоксильных протонов возможно с помощью спектров яцерного магнитного резонанса /66/.Растительные материалы, получаемые при действии спиртов, отличаются повышенным содержанием метоксильных групп, так как определенные группы лигнина реагируют со спиртами. Уменьшение содержания метоксильных групп (деметоксилирование) наблюдалось в процессе сульфатной делигнификации, при отбеливании целлюлозы, при разложении древесины микроорганизмами, а также при фотолизе лигнина.
Обычно принято делить физические свойства лигнинов на молекулярные и спектральные. К наиболее важным молекулярным свойствам относятся величина и форма макромолекул.Как полимер лигнин имеет определенный молекулярный вес, который можно измерить только в растворах. Мы увидим, что молекулярный вес лигнинов может колебаться в очень широких пределах, т. е. лигнины полидисперсны.
Вопросы определения фенольных веществ представляют собой весьма обширную область, в которой работали многие исследователи. В этой книге мы ограничимся главным образом теми методами, которые представляют интерес для количественного определения отдельных веществ, имеющих промышленное значение.
Фенольные соединения в побегах (листьях) чая можно определять многими способами. Классический метод Левенталя заключается в титровании дубильного экстракта 0,04 н. КМп04 в присутствии индигокармина в качестве индикатора; при этом окисляются как дубильные, так и недубильные вещества. Затем другую часть экстракта обрабатывают смесью желатина и кислоты; при этом дубильные вещества осаждаются, и в фильтрате отдельно определяют титрованием содержание недубильных веществ.
Порошок кожи не удерживает такие полиоксифенолы, как (+)-кате-хин, флаванолы, галловую кислоту и мономерные лейкоантоцианиди— ны, и, напротив, удерживает древесные смолы. Вместо него лучше пользоваться полиамидом.
В литературе часто приводится содержание лигнина в процентах к экстрагированной древесине. Для обычных древесных пород нет необходимости вносить поправку на зольность (за исключением тропических деревьев), тогда как травянистые (однолетние) растения нередко содержат значительное количество кремнезема. Оценку этого метода с учетом его использования для различных растительных материалов дают Людвиг и Сарканен /11/. В то время как определение лигнина Класона для хвойных пород дает наиболее точные результаты, для лиственных это значение всегда оказывается «иже действительного содержания лигнина. Эго связано с частичной растворимостью лигнина лиственных пород в 72%-ной II .,80, . Исключением являются некоторые виды Eucalyptus, У которых вследствие конденсации образуются некоторые полимерные продукты, повышающие содержание лигнина. Поэтому в таких случаях рекомендуется скорее щелочная экстракция. Это же касается и коры различных видов.
Обычно при исследовании органических соединений их прежде всего выделяют в чистом виде. Затем определяют физические константы выделенного соединения - температуру плавления или кипения, молекулярный вес, а также содержание С, Н и других элементов. На основании элементного анализа рассчитывают эмпирическую формулу. Для вывода структурной формулы необходимо определить функциональные группы и подтвердить ее правильность синтезом исследуемого вещества из веществ известного строения.
Если строение веществ известно, их достаточно идентифицировать любым подходящим методом. Быстрее всего это возможно для кристаллических веществ - определением точки плавления (а для жидкостей - температуры кипения), по УФ- или ИК-спектру, иногда хроматографическим сравнением с эталоном, а также элемен-ным анализом, ЯМР- и масо-спектрами.
Поскольку экстрактивные вещества весьма разнородны, не существует универсального способа выделения отдельных соединений.Блажей и Ковач /13/ исследовали зависимость количества экстрактивных веществ в различных дубильных экстрактах от диэлектрической постоянной растворителя. Результаты приведены в табл. 5.
Обычно для разделения растительных фенольных соединений применяют следующие способы хроматографии: а) на колонках; б) на бумаге; в) тонкослойную; г) газовую.Для предварительного отделения флавоноидных соединений от неорганических или очень хорошо растворимых в воде органических веществ можно просто пропускать водную вытяжку через полиамид» ную или ионообменную колонку. Во многих случаях удается достичь лучших результатов, чем при очистке фенольных соединений обычными, классическими способами, например экстракцией, осаждением и т. п. Очень удобно сначала предварительно исследовать сырой продукт при помощи хроматографии на бумаге, позволяющей быстро установить состав смеси и примерное соотношение отдельных составных частей.
Сюда относятся следующие методы: а) ультрафиолетовая спектроскопия; б) инфракрасная спектроскопия; в) магнитно-резонансная спектроскопия - ядерная (ЯМР) и электронная (ЭПР); г) масс-спектроскопия.Для сравнения спектров поглощения ароматических соединений известного строения со спектрами лигниновых препаратов и установления их структурных взаимоотношений Герцог и Хильмер /30/ и позже Хильмер /31/ исследовали спектры поглощения более чем 40 ароматических соединений, в той или иной степени родственных лигнину. Эти вещества они разделили на десять групп. Каждый член группы содержит основную структурную группировку и дает типичный для нее спектр. Из них третья группа, пирокатехиновая, и четвертая, пирогаллольная, находятся в родстве с лигнином.
В настоящее время имеется достаточно данных, позволяющих утверждать, что многие фенольные соединения играют активную физиологическую роль в растительном организме. Фенольные соединения сравнительно легко могут подвергаться окислению или восстановлению, и их окислительно- восстановительный потенциал свидетельствует о том, что они принимают участие в обмене веществ.
Существует определенная зависимость между содержанием токсических веществ и ростом паразитов в растениях. Поскольку фенолы чрезвычайно распространены в растительном царстве, им должна принадлежать важная роль в патологии растений.
Попытки зачаточной классификации растений, ботанической систематики, или таксономии, можно проследить задолго до нашего летосчисления.Это противоречие в классификации дошло и до наших дней.Можно полагать, что морфологический характер останется и далее главным опознавательным признаком при классификации и идентификации растений, хотя это и мало что говорит нам о филогенезе.
Фенольные соединения имеют большое значение в физиологии и биохимии животных и отличаются фармакологической активностью /7 /. Из фенольных веществ животных организмов можно, например, упомянуть фенольные гормоны — адреналин, норадреналин, тироксин. Фенолы индольного ряда и катехинамиды также обладают фармакологическим действием. Наиболее важным фенольным соединением является аминокислота тирозин, которая входит в состав всех животных, растительных и бактериальных белковых веществ. У животных тирозин является биогенетическим предшественником кожного пигмента меланина. Его фармакологическое значение заключается в том, что вместе с фенилаланином он служит предшественником адреналина и норадреналина и тиреоидных гормонов, являющихся фенолами, содержащими иод и выделяемыми щитовидной железой. Далее тирозин встречается в пептидных гормонах главным образом гипофиза и поджелудочной железы, например в инсулине. Биологически активны также гидроксилированные индоламины - производные от аминокислоты триптофана.
Определение молекулярного веса дубильных веществ в растворах осложняется наличием недубильных вешеств. Различными методами определения молекулярного веса - криоскопией, эбуллиоскопией, осмометрией, ультрацентрифугированием и т. д. - было установлено, что величина его находится в интервале от 1000 до 30 ООО. Эти данные говорят о том, что в результате образования межмолекулярных водородных связей происходит агрегация. Для чистых дубильных экстрактов величина молекулярного веса колеблется в пределах 1000-3000.
Фенольные компоненты содержатся как активные вещества, определяющие вкус, во многих пищевых продуктах. Это, например, чай, плоды цитрусовых, яблоки, груши, сливы, персики, вишни, абрикосы, крыжовник, смородина, черника, виноград, зерновые продукты, хмель, кофе, какао и т. д. Дубильные вещества содержатся во фруктовых соках, пиве, вине.
Следующую группу фенольных соединений образуют вещества, которые можно извлечь из древесины или коры органическими растворителями или водой. С количественной точки зрения они менее значительны, чем лигнин, но в качественном отношении весьма разнообразны.
Принцип производства целлюлозы заключается в возможно более полном растворении лигнина под действием различных химических реагентов /27/. В наиболее распространенных способах пользуются долигнифицирующими растворами на основе сульфита при различных pH (кислотный, слабокислотный, нейтральный и щелочной способы делигнификации) либо делигнифицируюшими растворами на базе щелочей (натронный, сульфатный способы и их модификации). Кроме этих способов, применяются и некоторые другие. В настоящее время в производстве целлюлозы стремятся к такому способу, при котором бы селективно удалялись только лигнин и сопутствующие вещества и вся полисахаридная часть древесины шла на производство бумаги. Наиболее современная тенденция заключается в том, чтобы пренебречь по возможности содержанием лигнина в волокне, но изменить его свойства в такой степени и в таком направлении, чтобы он был пригоден для производства бумаги.
Фенольные соединения, которые можно извлечь из древесины органическими растворителями или водой, также оказывают влияние на технологию получения целлюлозы и на ее свойства /29/.Большая часть этих веществ во время делигнификации растворяется в кипящем щелоке, и лишь незначительная доля остается в целлюлозе. Вследствие этого выход целлюлозы относительно низок. Древесина каштана содержит много дубильных веществ, поэтому ее сначала экстрагируют и лишь потом щепу подвергают щелочной варке.