Номенклатура стероидов (Лекция 3)

В основе стероидов лежит каркас стерана (гонана, циклопентанопергидрофенантрена):

К стероидам принадлежат многочисленные природные вещества: стерины, желчные, кислоты, стероидные гормоны, а также некоторые животные и растительные яды. К настоящему времени известно более чем 15000 стероидов, из которых свыше 100 применяются в медицине.

Применение систематической номенклатуры к стероидам привело бы к очень длинным и трудным для понимания названиям. В соответствии с рекомендациями IUPAC основные скелеты стероидов обозначают следующими тривиальными названиями:

Холестан – корневое название скелета стеринов.

Холан – название скелета желчных кислот.

Прегнан – название скелета гестагенов и гормонов коры надпочечников.

Эстран – название скелета эстрогенов.

СТЕРИНЫ (алициклические природные спирты, относящиеся к стероидам; составная часть неомыляемой фракции животных и растительных липидов). Их подразделяют на зоостерины, фитостерины и микостерины.

Зоостерины встречаются в животных организмах. Они содержат 27 атомов углерода.

Фитостерины обнаружены в растениях. В отличие от зоостеринов они содержат 28 или 29 атомов углерода. К ним относится ряд важных стероидов.

Микостерины встречаются в грибах и дрожжевых грибках.

КАЛЬЦИФЕРОЛЫ

Кальциферолы – витамины группы D – являются производными 6-(3α-окси-10-метиленциклогексан-5-илен)-7-(13β-метилгидриндан-8-илен)-этана, замещенными в положении 17 алифатической разветвленной цепью из 8-10 атомов углерода.

Углеродный скелет циклической части молекулы кальциферолов вследствие своей генетической связи со стеринами имеет своеобразную нумерацию атомов:

В свою молекулу кальциферолы включают циклогексановое кольцо А и систему гидриндана из срощенных циклогексанового кольца С и циклопентанового кольца D (кольцо В, находившееся в исходных стеринах, при превращении в витамин D расщепляется и в молекуле витамина D отсутствует).

К природным витаминам относятся: эргокальциферол – витамин D₂, холекальциферол – витамин D₃ и дигидроэргокальциферол – витамин D₄.

Природные и синтетические кальциферолы являются аналогами природного витамина D₃, отличающимися от него боковой алифатической цепью в положении 17:

Кальциферолы (витамины группы D)

Наименование витамина	Буквенное обозначение витамина	Количество асимметрических центров	R-алифатичес-кий заместитель у C17	Провитамины
Холекальциферол (кальциферол)	D3	5		7-Дегидрохоле-стерин
Эргокальциферол (виосерол)	D2	6		Эргостерин
Дигидроэргокальциферол	D4	6		22-Дигидро-эргостерин
Кампекальциферол	D7	6		7-Дегидро-кампестерин
Ситокальциферол	D5	6		7-Дегидросито-стерин
Стигмакальциферол	D6	6		7-Дегидро-стигмастерин

ФОТОХИМИЧЕСКАЯ ИЗОМЕРИЗАЦИЯ 7-ДЕГИДРОСТЕРИНОВ В КАЛЬЦИФЕРОЛЫ

Для получения кальциферолов важнейшее значение имеет метод фотоизомеризации провитаминовых стеринов (эргостерина, 7-дегидрохолестерина и др.).

Витамины группы D получают из ^5,7-стеринов, содержащих сопряженные двойные связи в положениях С5–С6 и С7–С8 и соответствующую алифатическую боковую цепь при С17, в результате возбуждения -электронной системы молекулы и фотоизомеризации под влиянием лучистой энергии, а также последующей термической цис-, транс-изомеризации:

При фотоизомеризации эргостерина и других провитаминов ультрафиолетовыми лучами происходит поглощение световой энергии молекулой провитамина и превращение его в ряд изомерных продуктов. Продукты изомеризации различных провитаминов обычно называются по одной и той же номенклатуре и различаются по цифровой приставке: из эргостерина – фотоизомеры₂, из 7-дегидрохолестерина – фотоизомеры₃ и из 22-дигидроэргостерина – фотоизомеры₄.

Механизм реакции фотоизомеризации ^5,7-стеринов заключается в раскрытии кольца В их молекулы с образованием 9,10-секостерина – в частности, в результате реакций фотоизомеризации провитамин эргостерин превращается в прекальциферол, который в свою очередь с перемещением сопряженной системы двойных связей термически изомеризуется в кальциферол. Реакции фотоизомеризации не однозначны, сопровождаются фотопревращениями прекальциферола в другие продукты облучения – лумистерин и тахистерин – и связаны с обратимостью реакций фотоизомеризации. Ни лумистерин, ни тахистерин не являются необходимыми промежуточными соединениями при получении кальциферолов.

Необходимая энергия для получения 1 мкг эргокальциферола оказалась равной от 3×10¹⁵ до 3,7×10¹⁵ квантов. Для активирования провитаминов необходимо ультрафиолетовое излучение с длиной волны от 230 до 300 нм, т.е. в тех пределах, в которых происходит поглощение света исходными и промежуточными соединениями. Лучи с преимущественным содержанием более длинных волн (в указанном пределе) поглощаются преимущественно эргостерином, лумистерином и тахистерином; лучи с содержанием волн средней длины поглощаются преимущественно прекальциферолом и эргокальциферолом.

Однако лучший выход витамина D наблюдается, при применении ультрафиолетового излучения с длиной волны 280,4 нм, т.е. такого излучения, которое наиболее полно поглощаются веществом и отвечают главному максимуму поглощения эргостерина и 7-дегидрохолестерина в спиртовом растворе. Для активирования 7-дегидрохолестерина оптимальной считается длина волны 296 нм. Для отделения лучей с  ниже 275 нм применяют различные светофильтры, избирательно пропускающие лучи с длиной волны 270-300 нм.

Следует отметить, что пропускание света через фильтры (особенно жидкостные) сильно снижает его интенсивность; поэтому предпочитают обходиться без фильтров и подбирать источник света с более интенсивным излучением в требуемой области.

В качестве источника ультрафиолетового света при фотоизомеризации эргостерина и 7-дегидрохолестерина применяют ртутно-кварцевые (ПРК-2, ПРК-7), дуговые, эритемные, фосфоресцентные, бактерицидные и другие лампы.

Для активирования в растворах можно использовать такие растворители, как бензол, эфир, циклогексан, диоксан, спирт, растительные масла и др. В последнее время преимущественно применяется спирт, реже эфир. Фотоизомеризация в эфире протекает более легко, чем в спиртовой, что связано со специфическим эффектом растворителя. При фотоизомеризации эргостерина в спирте процесс протекает быстро, содержание эрго-кальциферола достигает максимума в течение часа, однако с большой скоростью проходит и последующий процесс дальнейшей необратимой изомеризации эргокальциферола. Поэтому еще задолго до полного превращения эргостерина в эргокальциферол (40%) реакцию останавливают. Для снижения скорости окисления продуктов фотоизомеризации 7-дегидрохолестерина процесс можно проводить в спирте в атмосфере двуокиси углерода, причем его превращение в холекальциферол составляет 47%.

Максимум содержания эргокальциферола в эфире достигает 70% от прореагировавшего эргостерина. Эфир, применяемый для фотоизомеризации, должен быть свободен от перекисных соединений. Для фотоизомеризации эргостерина используют его растворы малой концентрации (около 1%).

Существенное преимущество для процесса имеет применение жидкости в подвижном состоянии (протекание, перемешивание, кипение), так как это обеспечивает равномерное активирование содержащихся в ней провитаминов и промежуточных фотоизомеров. Для активирования эргостерина наиболее эффективны аппараты с непрерывным протеканием жидкости по кварцевым трубкам.

Для выделения непрореагировавшего эргостерина раствор с продуктами фотоизомеризации выпаривают, растворяют остаток в метиловом спирте и подвергают кристаллизации при охлаждении (вымораживают).

Если витамин D предназначается для целей животноводства, то фотоизомеры без выделения из них индивидуального витамина используют в виде раствора.

Очистку и получение кристаллического эргокальциферола проводят через промежуточное получение 3,5-динитробеноата (3,5-динитробензоилхлорид в пиридине) (выход 75%), его перекристаллизацию (ацетон). Гидролиз на заключительной стадии (5% NaOH в метаноле) и кристаллизация из метанола дает эргокальциферол в чистом, кристаллическом состоянии.

Химические методы превращения холестерина в 7-дегидрохолестерин (Лекция 4)

Провитамины кальциферолов отличаются друг от друга строением алифатической боковой цепи при С17, состоящей из восьми-девяти атомов углерода. В природных источниках наиболее распространен провитамин D₂ – эргостерин. Он является фитостерином и содержится в больших количествах, например в пекарских дрожжах (0,29-1,7%).

Провитамин D₃ – 7-дегидрохолестерин является стерином животного происхождения. Трудности его получения связаны как с низким содержанием, так и со сложностью выделения, поэтому 7-дегидрохолестерин получают синтетически.

Метод Виндауса

Впервые синтез провитамина D₃ – 7-дегидрохолестерина (7-ДГХ) (I) был осуществлен Виндаусом в 1935 г.

Исходным в синтезе является холестерин. Оба стерина отличаются друг от друга только наличием дополнительной С7-С8 двойной связи у 7-ДГХ. После ацетилирования холестерина ацетат окисляли хромовым ангидридом в 90%-ной уксусной кислоте до 7-кетопроизводного. Восстановление по Меервейну-Понндорфу изопропилатом алюминия в изопропиловом спирте и омыление спиртовой щелочью дали смесь стереоизомеров 7α и 7β-оксихолестерина. Смесь бензоилировали, дибензоаты подвергали нагреванию при 200 °C. В результате отщепления бензойной кислоты от изомеров образуется бензоат 7-ДГХ. Омыление которого спиртовой щелочью дает 7-ДГХ.

Этим методом в 1936 г. были получены два других провитамина – 7-дегидроситостерин и 7-дегидростигмастерин. Общий выход провитаминов составлял не более 4%.

В последствии метод синтеза 7-дегидрохолестерина по Виндаусу усовершенствовали, однако максимальный выход провитамина D₃ составлял всего 15%. В связи с этим ни этот метод, ни его модификации не нашли практического применения.

Метод Циглера-Джонса

В 1942 г Циглер обнаружил, что водород в аллильном положении ненасыщенных соединений может быть замещен галоидом при взаимодействии с N-галоидимидами органических кислот. Позднее они показали, что эфиры холестерина могут реагировать с N-бромсукцинимидом с образованием 7-бромпроизводного. Эти исследования Циглера легли в основу нового способа синтеза 7-дегидрохолестерина, который был предложен в 1946 г Джонсом.

После открытия, метод модернизировался и в настоящее время используется при промышленном получении провитамина D₃. Исходным соединением, так же является холестерин.

На первой стадии холестерин ацилируют. Ацильная группа эфира холестерина оказывает решающее влияние на выход и устойчивость продукта бромирования. Из эфиров холестерина использовались ацетат, бензоат, 3,5-динитробензоат, изокапроат, стеарат, метиловый эфир, тозилат. Наиболее подходящим оказался бензоат холестерина, его производные лучше кристаллизуются по сравнению с ацетатами и более доступны, чем остальные эфиры.

На второй стадии эфир холестерина аллильно бромировали N-бромсукцинимидом. При проведении реакции необходимо строго соблюдать оптимальные условия проведения процесса, поскольку при аллильном бромировании протекают две побочные реакции, связанные с преобразованием продукта аллильного замещения – аллильная перегруппировка:

или отщепление бромистого водорода, особенно в случае образования сопряжения:

Обе побочные реакции можно затормозить ведением процесса при низкой температуре и хорошей активации, но полностью исключить нельзя.

Установлено, что реакция аллильного бромирования протекает на поверхности кристаллов N-бромсукцинимида (NBS), поэтому наилучшим растворителем для этой реакции является четыреххлористый углерод, в котором NBS практически нерастворим. Скорость реакции тем выше, чем больше поверхность кристаллов NBS. Уменьшение поверхности NBS (крупные кристаллы) или сведение ее к нулю при растворении в полярном растворителе, ведет к полной потере активности NBS в реакции аллильного замещения. В этом случае происходит присоединение брома по двойной связи. Кроме четыреххлористого углерода для проведения аллильного бромирования используют неполярные растворители: циклогексан, бензол и углеводороды.

В качестве бромирующих агентов кроме NBS применяют N-бромацетамид, элементарный бром, N-бромфталимид, N,N-дибромбензолсульфамид, 1,3-дибром-5,5-диметилгидантоин. Последний наиболее удобен как агент с наивысшим содержанием брома.

На третьей стадии бромпроизводное дегидробромировали, при взаимодействии с коллидином, диметиланилином, аммиаком, мочевиной или карбонатом кальция в ксилоле или другом растворителе. Выход при дегидробромировании достигает 68%.

При дегидробромировании, наряду с эфиром 7-дегидрохолестерина, образуются побочные 4,6-диен и 2,4,6-триен производные:

На последней стадии эфир омыляли в провитамин D₃.

Общий выход 7-дегидрохолестерина по этому методу составляет 40-50%.

ПРОМЫШЛЕННЫЕ СПОСОБЫ ПРОИЗВОДСТВА ЭРГОКАЛЬЦИФЕРОЛА И ХОЛЕКАЛЬЦИФЕРОЛА

Полный химический синтез кальциферолов не имеет практического значения вследствие сложности синтеза пергидроциклопентанофенантренового скелета молекулы стерина. Поэтому в качестве исходного сырья для получения кальциферолов используют природные стероидные структуры, из которых особый интерес представляет эргостерин – провитамин D₂, синтезируемый пекарскими дрожжами. Технология извлечения эргостерина из дрожжей заключается: в экстракции дрожжевой муки спиртом при температуре 78 °С. Полученный экстракт фильтруют и упаривают в вакууме до содержания 70% сухих веществ (из 100 кг сухих дрожжей получают 20-25 кг липидного концентрата). Затем концентрат обрабатывают 45%-ным раствором едкого натра для омыления жиров. Омыленный раствор эргостерина подвергают кристаллизации при 0 °С. Эргостерин-сырец отфильтровывают и перекристаллизовывают.

Провитамином холекальциферола (D₃) является 7-дегидрохолестерин, который в малых количествах синтезируется в природе беспозвоночными животными (моллюсками). Более широко распространен холестерин. Его особенно много в органах и тканях высших животных (мозг, кожное сало, почки, печень). В промышленности холестерин получают из мозга крупного рогатого скота или из ланолина (жир из овечей шерсти). Холестерин по своей химической структуре отличается от 7-дегидрохолестерина только отсутствием второй двойной связи между седьмым и восьмым атомами углерода в цикле В стериновой молекулы.

Превращение эргостерина в эргокальциферол и 7-дегидрохолестерина в холекальциферол осуществляется фотохимической изомеризацией либо эфире, либо в этиловом спирте.

По окончании фотоизомеризации, из раствора фотосмолы при охлаждении выкристаллизовывают не вступившее в реакцию исходное соединение. На следующем этапе получают 3,5-динитропроизводное путем обработки 3,5-динитробензоилхлоридом в пиридине и кристаллизуют из ацетона с добавлением активированного угля.

Витамины D в кристаллическом состоянии получают путем омыления 3,5-динитробензоата спиртовой щелочью с последующей кристаллизацией.

ПОЛНЫЙ СИНТЕЗ ХОЛЕКАЛЬЦИФЕРОЛА, КАК ПРИМЕР ХИМИЧЕСКОГО ДОКАЗАТЕЛЬСТВА СТРУКТУРЫ ПРИРОДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

После установления в 1936 г структуры витаминов D начались исследования по полному синтезу кальциферолов. Полный синтез витаминов D включает решение трех основных задач:

1) синтез структуры с цис-полиеновым хромофором и гидроксильной группой при С₃;

2) построение гидриндановой системы колец С и D в транс-сочленении с ангулярной метильной группой;

3) создание алифатической системы из 9 или 8 углеродных атомов, соответствующей боковой цепи витаминов D₂ или D₃.

Построению 8-метилгидриндан-4-ол-1-она был посвящен ряд работ Инхоффена и было найдено несколько вариантов синтеза этого структурного компонента.

Наиболее простой путь получения гидриндановой системы с природной конфигурацией состоит в расщеплении озонолизом витаминов D₂ или D₃. Последующее восстановление озонида LiAlH₄ дает спирт, а окисление его динитробензоата хромовой кислотой и омыление приводят к образованию целевого кетона.

Позже кетон был синтезирован исходя из 3-метилциклогексен-2-он-1-пропионовой кислоты, которая была в свою очередь получена из соответствующего эфира конденсацией с β-хлорпропионовым эфиром с последующим омылением и декарбоксилированием:

Природный транс-изомер гидриндановой системы получен по схеме:

Присоединение цианистого калия и кислотный гидролиз дают смесь цис- и транс-кетодикарбоновых кислот, из которых вначале кристаллизуется более труднорастворимая транс-кислота, а оставшуюся цис-кислоту можно снова изомеризовать под действием минеральной кислоты в транс-форму.

Этерификация транс-кетокислоты диазометаном и восстановление диметилового эфира NaBH₄ приводят к оксидиэфиру. Полученный оксикетоэфир после омыления и декарбоксилирования дает транс-гидринданолон, идентичный полученному при окислительном расщеплении витамина D₂.

Построение боковой цепи витамина D₃ и завершение полного синтеза витаминов D были проведены в 1959 г.

Гриньяровская реакция гидринданолона с кротилбромидом дает диол с концевой двойной связью, которую затем окисляли осмиевым ангидридом в тетрол. Последний при расщеплении тетраацетатом свинца и дегидратации дает смесь цис - и транс-изомеров ненасыщенных альдегидов, которые после ацилирования смеси легко разделяются хроматографически.

цис-Альдегид по реакции Виттига с изоамилтрифосфонийбромидом превращали в диен. Каталитическое гидрирование диена и омыление ацетатной группы дают С₁₈-спирт с природной конфигурацией боковой цепи, идентичный полученному из витамина D₃.

С₁₈-Спирт был получен также из транс-альдегида. Восстановление ненасыщенного альдегида литием в жидком аммиаке дает с очень низким выходом насыщенный альдегид. В результате реакции с изоамилтрифосфонийбромидом по Виттигу и омыления образуется ненасыщенный спирт, а после его гидрирования – С₁₈-спирт.

Окисление С₁₈-спирта хромовым ангидридом в пиридине приводит к кетону, который по реакции Виттига превращается в бутадиенпроизводное. Озонированием концевой двойной связи и восстановлением озонида LiAlH₄ получен спирт, который окисляли МnO₂ в α,β-ненасыщенный альдегид. Завершается полный синтез получением 5,6-транс-витамина D₃ и его фотохимической изомеризацией в витамин D₃: