appunti di chimica delle sostanze organiche naturali · grande gruppo di composti naturali con...
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Appunti di Chimica delle Sostanze Organiche Naturali
TERPENI
CHIMICA DELLE SOSTANZE
ORGANICHE NATURALI
Prof. Claudio Santi
2016
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1. INTRODUZIONE
Terpeni sono una grande classe di composti organici naturali; vengono definiti
anche isopreni poiché sono costituiti dalla ripetizione di unità isopreniche
(C5H8)x, con x>2. I Terpeni sono i principali costituenti della resina vegetale e
degli oli essenziali estratti dalle piante. Con il termine di terpenoidi, si indicano i
composti derivati da scheletri idrocarburici di tipo terpenico e funzionalizzati con
gruppi contenenti eteroatomi, in genere atomi di ossigeno, introdotto per
ossidazione.Terpeni e terpenidi insieme rappresentano probabilmente il più
grande gruppo di composti naturali con almeno 20.000 molecole individuate e
caratterizzate sino ad oggi. Dal punto di vista biosintetico, sono prodotti dalla
combinazione di un numero progressivo di unità isopreniche derivanti dalla
condensazione di gruppi acetilici dell'acetil-coenzima A (acetil-CoA) attraverso
la via metabolica dell’acido mevalonico.
In alternativa alla via classica del mevalonato la biosintesi degli isoprenoidi, nelle
piante e protozoi appartenenti al subphylum Apicomplexa come il Plasmodium
falciparum, la sintesi degli isoprenoidi (terpenoidi) avviene utilizzando una via
alternativa, detta genericamente percorso del non-mevalonato, o via metabolica
del deossixiluloso. Anche la maggior parte dei batteri, compresi importanti
patogeni quali Mycobacterium tuberculosis, possono sintetizzare IPP e DMAPP
attraverso questa via metabolica alternativa
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A seconda del numero di unità isopreniche si possono avere i monoterpeni, (10
atomi di carbonio), i sesquiterpeni, (15 atomi di carbonio); i diterpeni, (20 atomi
di carbonio) i triterpeni, (30 atomi di carbonio), ed i tetraterpeni (con 30 atomi
di carbonio) che prendono anche il nome di caroteni.
2 MONOTERPENI
I monoterpeni sono composti isoprenici aventi formula bruta C10H16. I
monoterpeni possono essere lineari o ciclici. Quando a seguito di trasformazioni
biochimiche nello scheletro mooterpenico sono inglobati gruppi funzionali
contenenti eteroatomi vengono chiamati monoterpenoidi anche se molto spesso
con il termine monoterpene si indicano anche i vari monoterpenoidi. Sono
componenti fondamentali di numerosi oli essenziali come ad esempio il limonene,
presente nel limone (Citrus), o il gamma-terpinene presente nell'olio di coriandolo.
Molti monoterpeni hanno proprietà antiparassitarie e sono tossici per una vasta
gamma di insetti. Dalla reazione del Isopentenil pirofosfato (IPP) ed il dimetil allil
pirofosfato (DMAP) si genera il geranil pirofosfato (GPP). Il meccanismo
prevede la perdita del gruppo pirofofato (buon gruppo uscente) dal DMAPP e la
formazione di un carbocatione allilico stabilizzato per risonanza e che viene
attaccato nucleofilicamente dal IPP.
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Il GPP a sua volta isomerizza a neril irofosfato (NPP) attraverso la formazione
dell’intermedio Linalil pirofosfato. GPP, LPP e NPP sono i precursori biosontetici
di tutti i monoterpeni. Il meccanismo di isomerizzazione è descritto nello schema
seguente.
GPP, LPP e NPP sono i precursori di un vasto numero di scheletri monoterpenici
che possono poi subire varie funzionalizazzioni per dare si monoterpenoidi finali
che si ritrovano in numerose specie vegetali. I Monoterpeni possono essere lineari
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o ciclici. Qui di seguito viene riportato un esempio di alcuni
monoterpeni/terpenoidi lineari.
Mentre il GPP può originare solo monoterpeni lineari, il NPP, grazie alla
geometria del suo doppio legame può ciclizzare per dare sistemi monociclici e
biciclici. Un intermedio chiave è il catione mentile che si origina direttamente dal
NPP per perdita del pirofosfato e ciclizzazione. Questo intermedio dà luogo a
monoterpeni come il Limonene o l’alfa-Terpineolo
Il mentile può dar luogo anche ad una seconda ciclizzazione originando il catione
bornile il quale a sua volta può terminare il processo sintetico per dare derivati
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come la canfora o il boneolo oppure subire ulteriori trasposizioni che portano alla
formazione di altri scheletri biciclici che deriveranno dal catione pinile o dal
catione fenchile.
Attraverso una trasposizione cationotropica il carbocatione del mentile si sposta
sul carbonio terziario dell’anello e la sua ciclizzazione produce lo scheletro del
Tujano. Oppure attraverso un processo mediato da un base si accede ad un altro
nucleo biciclico che prende il nome di Carano.
Attraverso una deprotonazione-rirprotonazione che permette di formare un
carbocatione allilico differente dal NPP e dal GPP (un altro isomero) si ottiene
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una ciclizzazione con formazione di un anello a cinque termini che è la base per
la formazione dei derivati iridoidi o sec-iridoidi.
3 SESQUITERPENI
L’addizione di una ulteriore unità C5 IPP al geranil PP porta alla formazione del
precursore fondamentale dei sesquiterpeni, il farnesildifosfato che esiste nella
forma trans-trans farnesil pirofosfato (TTFPP) o nel suo isomero trans cis
(TCFPP) che si ottiene attraverso un processo identico a quello visto per il nerile.
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Il TTFPP genera sistemi di tipo macrocicilo come il Germacrano o scheletri
biciclici come il Guaiano e l’Eudesmano che si ottengono dal germacrano a
seguito di un secondo processo di ciclizzazione. La reazione procede come visto
in precedenza attraverso la generazione di un carbocatione dal TTFPP per perdita
del gruppo pirofosfato e l’attacco di un doppio legame sul carbocatione. La prima
ciclizzazione porta ai derivati germacranici. Il germacrano può essere ora
protonato per attivare la seconda ciclizzazione, e questo può avvenire con due
meccanismi indicati nello schema con i colori rosso e blu. Nel primo caso si
genera lo scheletro del Guaiano e nel secondo quello delleudesmano.
Il catione eudesmanile può subire un riarrangimento con apertura di un anello e
la formazione del sistema Elenmano.
Di seguito a titolo esplicativo vengono riportati alcuni esempi di metaboliti
secondari a nucleo sesquiterpenico derivanti dal TTFPP.
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Immagini estrapolata dalle dispense prof. Rosati
A partire dal TCFPP si accede invece alla sintesi di altri tre nuclei sesquiterpenici;
il Bisabolano, il Cuparano ed il Cardinano.
Anche in questo caso si riportano alcuni esempi di metaboliti caratterizzati da
queste strutture. Particolarmente interessante è l’artemisinina
L'artemisinina è un principio attivo estratto dall' Artemisia annua ed impiegato
nella lotta alla malaria.
L'artemisinina è uno schizonticida ematico molto potente e rapido la cui struttura
chimica è diversa da qualsiasi altro farmaco anti-malarico anche se purtroppo si
stanno verificando i primi casi di resistenza.
Chimicamente è caratterizzata da una struttura multo complessa in cui è possibile
individuare nello scheletro sesquiterpenico, un endoperossido ed un anello
lattonico.
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La cura tradizionale prevede la proparazione di infusi e decotti che tuttavia
possono compromettere la stabilità del legame endoperossidico e far perdere in
larga parte l’efficacia del principio attivo.
Per far fronte a questo inconveniente, in considerazione che anche la sintesi totale
in laboratorio può risultare particolarmente costosa e complessa si stanno
sviluppando altri approcci basati sostanzialmente sulla biologia molecolare e
sull'ingegneria metabolica.
Recenti studi mettono in evidenza anche una potenziale applicazione di questa
molecola come anticancro.
La biosintesi dell’artemisinina a partire dal TCFPP viene di seguito riportata
(fonte del’immagine wikipedia)
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4 DITERPENI
Derivano dal geranilgeranil pirofosfato, ottenuto per addizione di IPP al farnesil
PP sempre attraverso lo stesso meccanismo.
Il diterpene più semplice è il fitolo in cui tutti i doppi legami sono ridotti salvo
l’ultimo.
OPP
Geranilgeranil PP
OH
fitolo
Il fitolo è un residuo lipofilico unito alla clorofilla. Il geranilgeraniolo viene
ridotto a fitolo solo dopo l’ancoraggio sulla clorofilla.
N N
N N
O
Mg++
MeO2C
O O
Clorofilla a
I diterpeni possono dar luogo a strutture policicliche e contrariamente a quanto
osservato nelle ciclizzazioni di mono e sesquiterpeni la prima ciclizzazione
avviene attraverso un meccanismo di protonazione e la perdita del fosfato serve a
favorire una nuova ciclizzazione, in una fase successiva. Il processo di
ciclizzazione avviene in modo stereospecifico con attacco che viene definito
antiperplanare a causa dell’ingombro sterico.
OPPH+
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OPP OPP
H
La prima ciclizzazione può avvenire attraverso due percorsi stereochimici
differenti portando alla formazione di due serie di composti che vengono definite
“normale” ed “antipoda”. Il GGPP per effetto della sua flessibilità e sotto
controllo enzimatico si ripiega in 2 conformazioni sedia-sedia-sedia che sono una
l’immagine speculare dell’altra. Da questo processo si origineranno due scheletri
labdanico (5α, 10β) e copalilico (5β, 10α) che danno origine a numerose altre
strutture della serie diterpenica.
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L’intermedio labdanico cosi come il suo enantiometro copalilico prseguono la
sintesi verso la formazione di sistemi policiclici come esempio si riportano il
rosano, il pimarano ed il caurano.
Come esempio di metaboliti a nucleo ent-caurenico (ovvero la serie antipoda del
caurano) possiamo citare le gibberelline, composti ad attività ormonale prodotti
da piante e funghi.
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oppure la stevioside utilizzato in molti paesi come dolcificante non calorico in
bevande ipocaloriche avendo proprietà dolcificanti circa 300 volte superiori a
quelle del saccarosio. Lo scheletro ent-caurenico subisce una doppia ossidazione
con l’introduzione di una funzione alcolica terziaria ed una carbossilica che
vengono glicosilate con due molecole di zucchero.
Senza dubbio però il diterpene più noto è il Taxolo estratto dalla corteccia delle
piante della specie Taxus dove è presente in concentrazione dello 0,01%. Il Taxolo
è un potente anticancro, soprattutto utile nei casi di cancro resistenti ad altra
chemiterapia (es. utero e seno) e la sua produzione in quantità considerevoli è
ancora oggi un target importante della ricerca chimica e chimico-farmaceutica.
O
O
O
OH
OOO
HO
O
O
O
O
OH
NHO
H
Taxolo
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La struttura è estremamente complessa, e questo ne preclude una produzione di
tipo sintetico. Più accessibile è invece la strada della biosintesi a partire dalla
bacatina che si ricava in maniera più consistente dal mondo vegetale. Anche in
questo caso, come già visto per l’artemisinina, un approccio biotecnologico offre
dei vantaggi considerevoli.
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2 TRITERPENI
I triterpeni derivano dalla combinazione di due unità di FPP e pertanto di 6 unità
isopreniche e contengono (inizialmente) 30 atomi di carbonio.
POLIISOPRENOIDI
Dimetilallil-OPP
Isopentenil-OPP
OPP
H
OPP
Geranil-OPP
OPP
Farnesil-OPP
OPP
Geranilgeranil-OPP
OPP
OPP
OPP
DITERPENI
CAROTENOIDI x 2
SESQUITERPENI
TRITERPENI x 2
MONOTERPENI
OPPn
L’unione di due unità di farnesil pirofosfato avviene, contrariamente alle altre
condensazioni isopreniche che abbiamo visto sino ad ora, attraverso un
meccanismo di tipo testa tesa che porta la formazione dello squalene attraverso
l’intermedio pirofosfato di presqualene.
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Il fatto che il composto poliisoprenico a 30 atomi di carbonio non contiene più il
pirofosfato è indicativo del meccanismo di accoppiamento testa-testa delle due
unità di TTFPP (evidenza confermata dalla struttura dell’intermedio
presqualenico dove invece è ancora presente il pirofosfato e che mostra una
inusuale presenza di un anello ciclopropanico che ha permesso di ipotizzare il
meccanismo di seguito riportato).
Fonte:dispense prof. Rosati
Per dare inizio alla sintesi degli scheletri triterpenici, stante la mancanza del
gruppo uscente OPP, la molecola di squalene deve essere attivata per ossidazione.
Tale processo avviene a carico di una delle unità isopreniche terminali con la
formazione dell’epossisqualene, in cui l’anello epossidico è in grado di fungere
(dopo protonazione) da elettrofilo con la formazione di un carbocatione.
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L’epossisqualene può ciclizzare dando origine sistemi policiclici, in genere
tetraciclici (steroli, steroidi, fitosteroli, acidi biliari e glicosidi cardioattivi)
oppure sistemi pentaciclici (Saponine). La catena dello squalene possiede una
grossa mobilità conformazionale e questo comporta che i processi di ciclizzazione
a cascata possano avvenire partendo da due situazioni stereogeniche differenti
portando alla formazione di differenti diasteroisomeri.
Ad esempio partendo da una conformazione in cui la catena assume una geometria
sedia barca sedia barca la protonazione dell’epossido attiva una serie di attacchi
nucleofili a cascata che terminano con duetraposizioni cationotropiche e due
alchiliche (frecce verdi) e una eliminazione per dare luogo allo scheletro del
lanosterolo ( come vedremo più avanti il piu importante intermedio nella sintesi
di seroli e ormoni steroidei).
Fonte:dispense prof. Rosati
lanosterolo
Fonte:dispense prof. Rosati
Il lanosterolo è un triterpene tetracicilico con struttura ciclopentano
perifrofenantrenica che presenta un ossidrice in posizione beta sul C3 due metili
in C4, un metile nelle posizioni C10, C13 e C14 ed una catena alifatica in C17.
Quando la policiclizzazione avvien a partire da una conformazione sedia sedia
sedia barca si ottengono altri due scheletri il Dammarano e L’Eufano che sono
meno importanti.
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Dammarano Eufano
Fonte:dispense prof. Rosati
Dal Lanosterolo al Colesterolo e suoi derivati .
Una peculiarità dei triterpeni è quella di dare origine a prodotti finali contenenti
un numero inferiore di atomi di carbonio. E’ questo ad esempio il caso del
colesterolo che deriva dal lanosterolo per effetto di una doppia demetilazione in
posizione C4, una demetilazione in posizione C14, l’isomerizzazione del doppio
legame da 8 a 5 e la riduzione del doppio legame in 24.
Nella via biosintetica viene prima rimosso il metile in C14 per azione dell’enzima
14 -demethylase. Il metile viene prima ossidato ad aldeide attraverso una doppia
ossidazione e disidratazione. Un successivo passaggio di ossidazione trasforma il
gruppo aldeidico in formiato (con un meccanismo simile alla reazione di Bayer
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Villiger') e quest’ultimo subisce una eliminazione ossidava con la perdita di acido
formico.
I metili in posizione 4 vengono invece eliminati attraverso una normale
decarbossilazione di beta-chetoacidi. Affinché questo avvenga è necessario che:
l’ossidrile in posizione 3 venga ossidato a chetone ed il metile (alfa) venga
ossidato ad acido carbossilico. Il ciclo viene ripetuto due volte prima che il
chetone venga ridotto ripristinando la funzione alcolica.
Successivamente avviene l’isomerizzazione del doppio legame 8-9 in 5-6 e viene
ridotto il doppio legame in C-24 ed entrambe i processi sono promossi
dall’NADPH.
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H
H
H-
H+
2OH
NADPH24
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Il colesterolo è, a sua volta, precursore di altre importanti classi di composti come
gli ormoni steroidei (Corticosteroidei, ormoni Sessuali) e gli Acidi Biliari.
Esula dagli scopi di questo corso analizzare il ruolo fisiologico di questi derivati
dei quali verranno riportate alcune caratteristiche strutturali fondamentali per il
loro funzionamento, rimandando a corsi specifici l’approfondimento sul ruolo
biologico ed attività farmacologica.
Un esempio dei corticosteroidi è il Cortisone:
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Caratteristiche fondamentali dei corticosteroidi sono: un gruppo chetonico sul
carbonio 3 coniugato ad un doppio legame in C4. La catena laterale sul carbonio
17 è composta da solo due atomi di carbonio di cui uno (C20) impegnato in un
doppio legame con un ossigeno ed uno (C21) legato ad un gruppo ossidrilico. Nel
carbonio 11 è presente una funzione ossigenata che può essere sia un OH che un
chetone.
Gli ormoni sessuali presentano tre differenti nuclei
ciclopentanoperifofenantrenici derivanti anche essi dal catabolismo del
colesterolo: il nucleo del pregnano (come il Progesterone) in cui rispetto ai
corticosteroidi non sono più presenti le funzioni ossigenate in C11 e C21, il nucleo
dell’androstano (Testosterone) che invece mostra una completa degradazione
della catena in C17 e lo scheletro dell’estrano che caratterizza gli estrogeni e che
presenta il nucleo A in forma aromatica.
La formazione dell’anello aromatico avviene per azione di una aromatasi della
famiglia del citocromo P-450. Il meccanismo prevede la rimozione per
decarbossilazione del metile C19 secondo lo schema seguente. (conversione del
testosterone in beta-estradiolo)
L’inibizione di questo enzima è utilizzato come arma farmacologica contro alcuni
tumori estrogeno dipendenti.
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Sempre dal colesterolo derivano anche gli acidi biliari, sintetizzati nel fegato e
inclusi nella bile, la quale verrà secreta nel duodeno per facilitare la digestione e
l'assorbimento dei grassi e delle vitamine liposolubili.
Le caratteristiche strutturali di questi composti sono molti importanti per
comprenderne il ruolo chimico di composti tensioattivi (sostanze anfipatiche).
Se ad esempio prendiamo l’acido colico possiamo riassumere alcune
caratteristiche chiave:
Gli anelli A e B mostrano una giunzione di tipo cis, sul carbonio 17 è presente
una catena di 5 carboni che termina con una funzione carbossilica. Nelle posizioni
3, 7 e 12 possono essere presenti gruppi ossidrilici in posizione alfa. (3-OH,
7-OH e 12-OH)
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Queste caratteristiche strutturali se analizzate sulla struttura tridimensionale
mettono in evidenza che la molecola di acido colico mostra due superfici una
idrofila ed una lipofila e da questo origina il suo potente effetto tensioattivo.
Tutti gli acidi biliari mostrano le sesse caratteristiche strutturali:
Acido ColicoHO
CO2HOH
OH Acido LitocolicoHO
CO2H
Acido Desossicolico
HO
CO2HOH
Acido ChenodesossicolicoHO
CO2H
OH
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Fitosteroli
I fitosteroli sono un gruppo di steroli che possono essere ritrovati nelle piante,
alghe e funghi. Nella categoria vengono normalmente inclusi anche gli "stanoli"
vegetali. I fitosteroli prodotti da piante ed alghe derivano da un intermedio
comune il CICLOARTENOLO prodotto da una ciclizzazione del catione
protosterile differente da quella che porta al lanosterolo. I Fitosteroli si
differenziano principalmente per la natura dello scheletro carbonioso contenuto
in C17 che può essere modificato per azione del coenzima SAM (S
adenosilmetionina) che abbiamo giò visto in precedenza studiandone anche il
meccanismo di reazione.
Tra i Fitosteroli più diffusi troviamo:
nelle piante gli steroli 24a-metilici e 24a-etilici (es.: campesterolo, sitosterolo),
nelle alghe steroli 24b-etilici (es.: fucosterolo) e nei funghi gli steroli 24b-
metilici (es.: ergosterolo)
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HO
Campesterolo
HO
-sitosterolo
Fucosterolo
Ergosterolo
Glicosidi Cardioattivi
Della classe dei triterpeni fanno parte i glicosidi cardioattivi. Tali glicosidi sono
presenti in varie piante tra cui la digitale (se ne conoscono 20 specie) appartenente
alla famiglia delle scrofulariacee, lo strofanto e l’oleandro (apocinacee) e la
scilla e il mughetto (liliacee).
Dal punto di vista chimico presentano: Un aglicone steroideo con 23 o 24 atomi di carbonio;
In posizione 17 vi è un lattone insaturo pentatomico (cardenolidi) o esatomico
(bufadienolidi). L'anello lattonico in 17 è essenziale per l'attività farmacologica.
La parte zuccherina è importante per la solubilità e la farmacocinetica, non
per la farmacodinamica.
La parte zuccherina legata al nucleo è costituita da vari zuccheri. Il glucosio
non si trova mai attaccato alla posizione 3.
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Saponine
Le saponine sono dei glicosidi terpenici pentaciclici di origine vegetale che
prendono il nome dalla Saponaria officinalis, che veniva coltivata un tempo per
il lavaggio della lana. Centinaia di piante contengono saponine, e queste ultime
possono essere così abbondanti da raggiungere anche il 30% del peso secco della
pianta.
Sono in grado di abbassare la tensione superficiale in soluzioni acquose; sono
capaci di formare soluzioni colloidali schiumeggianti e si possono usare come
emulsionanti.
Dalla pianta della liquirizia si estrae l’acido glicirrizico, un glicoside dotato di
attività antiinfiammatoria: inibisce la degradazione delle prostaglandine e dei
glucocorticoidi e gastroprotettiva: agisce sul metabolismo delle prostaglandine.
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