Uchebnik

ацилирования, гликозидирования, конденсации с участием ОН-групп, реакции направленного присоединения и нуклеофильного обмена с участием С=О группы. Для всех общих свойств отмечено влияние стереоизомерии.

Специфическим свойством этой группы соединений является легкость окислительно-восстановительных превращений.

Так, при нагревании водных растворов пинобанксина (3,5,7-ОН), алнустинола (3,5,7-ОН-6-ОСН3), гарбанзола (3,7,4’-ОН), дигидрокемпферола

(аромадендрина; 3,5,7,4’-ОН), дигидрокверцетина (таксифолина; 3,5,7,3’,4’-

ОН), 6-метилдигидрокверцетина (цеодорина; 3,5,7,3’,4’-ОН-6-ОСН3) они легко превращаются в соответствующие флавонолы. При обработке Zn-пылью в соляной кислоте - восстанавливаются до флаванонов:

По реакции каталитического гидрирования выход флаванонов достигает

95%.

Дегидрирование флаванонолов возможно при взаимодействии последних с PCl5:

Атомы водорода в (+)-изомере находятся у флаванонов в трансоидном положении:

461

Флаваны и флаваноны отличает отсутствие двойной связи в кольце С и сопряжения кольца В с карбонильной группой, что приводит к снижению стабильности молекул, легкости размыкания кольца С в щелочных и кислых растворах с образованием халконов соответствующего строения, особенно легко этот процесс идет у флаванонов, имеющих замещенную 7-ОН группу при наличии свободной 4’-ОН группы, например:

Распределение рассчитанного π-заряда в молекулах некоторых флаванонов подтверждает относительную легкость образования халконов и дальнейшего расщепления структур:

Все флаваны и флаваноны чаще являются левовращающими, в растениях встречаются редко, что объясняется их лабильностью и эпимеризацией.

Взаимодействие флаванонов с амилнитритом в соляной кислоте приводит к образованию флавонолов:

Флаванолы или оксифлаваны составляют группы 3-, 4- и 3,4-

оксизамещенных. По химическим свойствам 3- и 4-оксифлаваны близки между собой: содержат по 2 асимметрических атома углерода, отсутствуют С2=С3 и С=О фрагменты, кольца А и В автономны и участвуют во всех реакциях, характерных для этих фрагментов.

Отличием 3- и 4-оксифлаванов является их стереохимия, обусловленная наличием двух асимметрических атомов углерода. Каждый катехин (флаван-3- ол) и каждый флаван-4-ол могут существовать в виде 4-х оптических изомеров и 2 рацематов.

Направление вращения определяется конфигурацией гидроксильной группы в положении 3 (3S или 3R) и 4 (4S или 4R); с этим связаны физические свойства и биологическая активность флаванолов.

Флаван-3-олов описано значительно больше, чем флаван-4-олов, что не нашло четкого объяснения в литературе.

462

Катехины подвергаются эпимеризации и рацемизации в горячем водном растворе в различных условиях, при этом (+)-катехин превращается в (+)- эпикатехин, а из (-)-эпикатехина образуется (-)-катехин.

Подобраны условия и осуществлена эпимеризация катехинов по схеме:

(+)-эпикатехин, +600С (-)-эпикатехин, -600С

Практически все описанные катехины и флаван-4-олы это бесцветные вещества. Являясь восстановленными флавоноидами, они легко окисляются при нагревании и под действием солнечного света. Особенно с большой скоростью проходит окисление катехинов в щелочной среде и под действием окислительных ферментов (фенол- и пероксидаз). Характерным примером этому может служить чай, различный цвет которого (черный, красный, желтый) обусловлен степенью окисления катехинов.

При взаимодействии с тетраацетатом свинца в бензольном растворе

катехины окисляются до флаван-3,4-диолов, а окисление КМnО4 в щелочной среде приводит к отщеплению кольца В.

При нагревании в водном растворе катехины быстро превращаются в водо-растворимое коллоидное дубильное вещество, а при действии горячей минеральной кислоты образуется нерастворимый осадок от красного до коричневого цвета - флобафен.

Для всех форм катехинов характерна способность к полимеризации. По К.Фрейденбергу этот процесс сопровождается разрывом кольца С, с образованием линейных полимеров с большой молекулярной массой.

* Подобно катехинам, флаван-4-олы также вступают в реакцию полимеризации, причем в растениях за это, вероятно, отвечают ферменты, которые участвуют в окислительных превращениях катехинов и флаван-4-олов.

При бромировании (+)-катехина в диоксане образуется бромид цианидина, который при взаимодействии с йодистоводородной кислотой и фосфором превращается в цианидин:

463

 Относительная конфигурация флаван-3-олов устанавливается по реакции дегидратации метиловых эфиров катехинов и эпикатехинов. При этом отмечено, что дегидратация эпикатехинов в виде тозилового эфира проходит легко с образованием флавенов, которые, при восстановлении переходят в α, β- дифенилпропаны. Катехины в тех же условиях дают изофлавены, которые при восстановлении переходят в α,β-дифенилпропаны:

* Результаты реакции дегидратации указывают на то, что в молекуле эпикатехина атом водорода у С2 и гидроксигруппа у С3 находятся в трансположении.

 Подтверждением того, что С2 - центр эпимеризации, является тот факт, что метилированные по 4’-положению флаваны или флаваны без заместителя в 4’-положении эпимеризации не подвергаются:

Подтверждением транс-конфигурации (+)-катехина является способность его вступать в реакции изомеризации с переходом арильного заместителя из С2

в С3-положение.

Абсолютная конфигурация флаван-3-олов устанавливается антролакти-

новым методом Прелога, суть которого заключается в том, что соединение с асимметрическим центром при взаимодействии с симметричным реагентом дает новый асимметричный центр и оба теоретически возможных стереоизомера образуются в неравных количествах. Так, из тетраметилового эфира (-)-эпикатехина при взаимодействии с фенилглиоксилхлоридом получают 3- фенилглиоксилат, который затем обрабатывался реактивом Гриньяра в сухом бензоле. После гидролиза получают антролактиновую кислоту с [α]D=-16.40С, что указывает на содержание 43% (-)-изомера. Причем образование D- антролактиновой кислоты свидетельствует об R-конфигурации С3 в (-)- эпикатехине, а поскольку эпикатехин является цис-изомером, следовательно, абсолютная конфигурация C2 также может быть только R, т.е. (-)-эпикатехин имеет конфигурацию 2R3R, тогда (+)-эпикатехин имеет конфигурацию 2S3S,

(+)-катехин – 2R3S и (-)-катехин – 2S3R.

Абсолютную конфигурацию асимметрических атомов можно определить по правилу оптического сдвига.

464

О конфигурации и конформации оптических центров можно cудить, по характеру кривых дисперсии оптического вращения.

Флаван-3,4-диолы (лейкоантоцианидины) как правило, бесцветные аморфные соединения, окисляющиеся легче катехинов. Растворимы в воде, этаноле, ацетоне, хуже в этилацетате, не растворимы в эфире.

При нагревании с разбавленными минеральными кислотами превращаются в ярко окрашенные флавилиевые соли – антоцианидины, идентификацию которых проводят сравнением с аутентичными образцами.

Превращение флаван-3,4-диолов в красители антоцианидины является специфичной реакцией, послужившей основой названия этих соединений лейкоантоцианидинами:

3,4-диоксигруппировка образует устойчивую водородную связь и проявляет свойства спиртов. В кислой среде проходят реакции:

Сравнительно легко, а в растениях под действием ферментов, проходит конденсация с образованием С-С связей, с участием протонов орто- и параположений, относительно имеющихся в структурах ОН-групп и образованием С-О-С связей с отщеплением элементов воды. В слабой щелочной среде гидролиза не происходит, а окисление йодной кислотой идет лишь после 10-ти дневного стояния.

Лейкоантоцианидины, как вторичные спирты, способны окисляться

HClO4 с образованием С3-С4 альдегидных групп, а при окислении третбутилатом алюминия в ацетоне – до кето-групп.

Относительная и абсолютная конфигурации у С2 и С3 могут быть установлены по реакции гидрирования с образованием соответствующих катехинов:

Для установления конфигурации у С4 используют стереоспецифическое восстановление:

465

 в нейтральной среде:

в кислой среде:

Два изомера можно получить и из флавонолов:

*Следует отметить, чтофлаван-3,4-диолы не подвержены рацемизации.

*5,7-диоксизамещение кольца А приводит к высокой степени делокализации положительного заряда в кольце А и к его химической неустойчивости. Поэтому соединения такого типа либо накапливаются в растениях в минорных количествах, либо отсутствуют вообще.

 Лейкоцианидин вступает в реакции метилирования диазометаном или диметилсульфатом, ацилирования – хлорангидридом уксусной кислоты с образованием соответствующих октапроизводных, а при взаимодействии гептаметилата с 0.5н HCl в 50% этаноле образуется 5,7,3’,4’-тетраметокси- цианидин.

 Специфическим отличием антоцианидинов является катионная форма, что способствует их хорошей растворимости в воде и спиртах, содержащих 0.1% соляной, уксусной или щавелевой кислот.

В водных растворах антоцианидины существуют в виде смеси различных форм:

466

 Антоцианины могут инициировать свободнорадикальное окисление аскорбиновой кислоты, стабилизировать соли олова или подвергаться прямой нуклеофильной атаке аскорбиновой кислотой в положение 4. Энзиматическая деградация антоцианазой, β-гликозидазой или другими гидролитическими энзимами характерна на все положения, кроме 3-моногликозидов.

* Ранее считалось, что окраска антоцианов определяется величиной рН клеточного сока. Однако позднее было показано, что клеточный сок лепестков цветков свыше 200 растений различных видов, независимо от их окраски, имеет одно значение рН, около 5.5. Следовательно, в формировании окраски в растительных тканях принимают участие фенольные соединения других классов и групп, а также ионы металлов, и, возможно, вещества нефенольной природы.

Однозначно установлено, что определяющим фактором при этом является строение агликона (антоцианидина), причем увеличение степени гидроксилирования сдвигает окраску до синей, а увеличение степени метоксилирования - до красной.

Наиболее сложными для обнаружения и выделения антоцианами являются тернатины, общей формулы:

где R-п-кумаровая, кофейная, глутаровая, салициловая и др. органические кислоты.

467

Как правило, антоцианы расщепляются на антоцианидин и сахарный фрагмент при нагревании с 20% НСl, при этом скорость гидролиза меняется в ряду: 3-гликозиды > 4’-гликозиды > 7-гликозиды.

Все антоцианины осаждаются из водных или спиртовых растворов в виде окрашенных свинцовых солей, которые растворяются в ледяной уксусной кислоте. Эта реакция может быть использована для их количественного выделения из свежего сырья.

Халконы чаще бывают 5,7,4’- или 7,4’-оксизамещенными с углеводным фрагментом в положении 5; кольца А и В сопряжены с карбонильной группой, по которой возможны реакции направленного присоединения и нуклеофильного обмена кислорода С=О-группы. Кольцо В может быть в цисили

транс-положении относительно связи С2=С3, это сказывается на реакционной способности названных фрагментов молекул.

По диаграмме молекулярной и протонированной форм видны существенные различия в реакционной способности колец А, В и С по всем положениям, что может быть использовано при химических трансформациях этих молекул и для их идентификации.

Особым свойством халконов является легкость реакций изомеризации во флаваноны и флавоны, например:

Причем, замыкание цикла С и его раскрытие возможны в реакциях синтеза

ипод действием фермента изомеразы, поэтому в растениях халконы являются спутниками флавоновых соединений.

Дигидрохалконы, наряду с халконами, встречаются во многих семействах

ибиогенетически связаны между собой. Как правило, они бывают аналогично замещенными.

*В отличие от халконов, у всех дигидрохалконов только кольцо А сопряжено с С=О группой, по которой возможны реакции направленного присоединения и нуклеофильного обмена кислорода. Кольца А и В могут быть

в разных плоскостях, наличие объемного заместителя R1 и R2 затрудняет поворот кольца В.

468

Ауроны наиболее часто встречаются в цветковых растениях и содержат 7, 3’, 4’ - триоксизамещение. Во многих семействах вместе с ауронами обнаруживают халконы и дигидрохалконы.

Также как у флавонов, у ауронов кольца А и В сопряжены с С=О группой, по которой возможны реакции присоединения и замещения. Отличие С2=С3 связи в том, что она находится вне кольца С и реакции присоединения по этой связи проходят в более мягких условиях по сравнению с флавонами. Возможен поворот кольца В относительно плоскости двойной связи С2=С3 и реакции идут по разному с тем или другим геометрическим изомером.

 Реакция ауронов с аммиаком проходит по С=О и С=С связям при этом выпадают ярко желтые продукты реакции, что используется для обнаружения ауронов в экстрактах растений или на хроматограммах.

Вопросы для самоконтроля студентов

1 Составьте схему основных типов химических трансформаций флавоноидных молекул.

2Выявите взаимосвязь констант кислотности с мерой реакционной способности флавоноидов.

3Перечислите качественные реакции флавоноидов различных структурных групп.

4Опишите возможности квантово-химических методов в исследовании флавоноидов.

5Составьте общую схему окислительно-восстановительных реакций флавоноидов.

6Опишите возможности нуклеофильной замены атома кислорода карбонильной группы.

7Сравните направленность реакций галогенирования в зависимости от структуры флавоноидов.

8На примерах покажите роль реакций кислотной и щелочной деструкции флавоноидов в структурном анализе.

9Сравните условия и стадийность реакций гидролиза флавоноидов.

10Сравните возможности различных методов определения конфигураций флавоноидных молекул.

Установление тонкой структуры флавоноидов

При анализе ИК-спектров флавоноидных молекул (идентификация структур) обнаружено, что они определяются наличием ароматической системы колец А и В, связью С-О-С среднего кольца С, С=О группой, которая может

469

быть сопряжена с кольцом В (флавоны, флавонолы) или нет (флаваны), наличием других функциональных групп и связей заместителей. Причем эти группы и связи, чаще всего прописываются без отклонений от обычного их расположения. Например, С=О флавоноидов прописывается в области 16201690 см-1, ее положение и интенсивность, в значительной степени, зависят от возможности или невозможности образования водородной связи с соседними заместителями, а также тем, сопряжена она с р-электронами кольца В или нет. Так, незамещенный флавон имеет полосу С=О группы в области 1650 см-1, введение ОН группы в положение 3 приводит к раздвоению полосы С=О, что связано с увеличением ароматичности гетерокольца С и стабилизацией пириллиевой структуры. 5-ОН группа образует ВМВС с С=О группой, вызывая искажение плоскостного расположения пиранового кольца. Для 3,5-диокси- группировки характерно положение полосы С=О связи в области 1640-1660 см-1. Введение гидроксильных групп в положения 7,3’,4’- смещает полосу колебания С=О группы в сторону низких частот. В ИК-спектрах ацилированных флавоноидов кроме С=О группы кольца С, прописывается еще С=О группа сложноэфирной связи кислотного остатка в области 1690-1785 см-1. Например, флавоноиды, ацилированные остатками галловой, кофейной, феруловой кислот обнаруживают полосу С=О группы кислоты в области 17001715 см-1, а в ацетатах флавоноидовпри 1750 см-1. Для флавоноидов с незамещенным кольцом В характерно наличие двух типов деформационных колебаний С-Н связей в области 730-745 и 684-702 см-1. При наличии в положении 4’ заместителя выделяются интенсивные полосы при 831-837 и 790810 см-1. 3’,4’-замещение характерно наличием трех или более полос в области 680-860 см-1, как результат не равноценности С-Н связей. ОН-группы, отличающиеся по степени поляризации, прописываются различно с небольшим смещением полос. Так, 3-ОН группа, чаще всего, обнаруживается в области 3350-3250 см-1, 7-ОН группа дает интенсивную полосу при 3200-3700 см-1, а 4’-

ОН в области 3450-3350 см-1. ИК спектры О-гликозидов флавоноидов, в

зависимости от величины углеводного цикла, отличаются полосами поглощения в области 1010-950 см-1. Так, пиранозные циклы отличает наличие трех полос поглощения в области 1000-1010 см-1, принадлежащих валентным колебаниям связи С-О-С и С1-Н гликозидного звена. Фуранозные циклы в этой же области дают только две полосы поглощения, β-конфигурация гликозидной связи пиранозного цикла определяется по поглощению в области

890 см-1, а α-конфигурация - 840 см-1. С-гликозиды флавоноидов чаще встречаются с пиранозной формой цикла и связаны β-связью. Экваториальные С2-Н и С4-Н в рамнозидах и галактозидах дают полосу слабой интенсивности при 876-879 см-1. ОСН3-группы дают полосы средней интенсивности в области 2990-2970 и 2850-2855 см-1, отвечающие валентным симметричным и асимметричным колебаниям группы СН3. Симметричные деформационные колебания этой группы прописываются около 1375 см-1.

Значительную информацию о структуре флавоноидных молекул получают методом дифференциальной УФ-спектроскопии, используя добавление реагентов, специфических для каждой группы флавоноидов.

470