Monoterpen
Struktur von Isopren

Die Terpene sind eine stark heterogene und sehr große Gruppe von chemischen Verbindungen, welche als sekundäre Inhaltsstoffe in Organismen natürlich vorkommen. Sie zeichnen sich durch eine große Vielfalt an Kohlenstoffgerüsten und geringer Anzahl an funktionellen Gruppen aus.[1] Es sind über 8.000 Terpene und über 30.000 der nahe verwandten Terpenoide bekannt. Die meisten Terpene sind Naturstoffe, hauptsächlich pflanzlicher und seltener tierischer Herkunft. In der Natur kommen überwiegend Kohlenwasserstoff-, Alkohol-, Glycosid-, Ether-, Aldehyd-, Keton-, Carbonsäure- und Ester-Terpene vor, aber auch Vertreter weiterer Stoffgruppen sind unter den Terpenen zu finden. Die Terpene sind Hauptbestandteil der in Pflanzen produzierten ätherischen Öle.[2]

Die Terpene sind vielfach biologisch und pharmakologisch interessant; ihre biologischen Funktionen sind allerdings nur lückenhaft erforscht. Sie können als umweltfreundliche Insektizide verwendet werden, indem sie als Pheromone Insekten in Fallen locken. Außerdem wirken viele antimikrobiell. Viele Terpene werden als Geruchs- oder Geschmacksstoffe in Parfümen und kosmetischen Produkten eingesetzt.[3] Aufgrund der Größe und Vielfältigkeit der Terpene gibt es mehrere Klassifikationen. Die IUPAC etwa zählt nur Kohlenwasserstoffe zu den Terpenen, wohingegen alle sauerstoffhaltigen Isoprenabkömmlinge als Terpenoide gelten.[4] In der Praxis haben sich für die Kohlenstoffgerüste Trivialnamen eingebürgert, welche häufig von dem wissenschaftlichen Namen des Organismus der ersten Isolierung abgeleitet sind.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Viele Terpene kommen in Harzen vor wie bei dieser Kiefer

Die Terpene wurden von August Kekulé nach dem Baumharz Terpentin benannt, das neben Harzsäuren auch Kohlenwasserstoffe enthält. Ursprünglich wurden nur diese als Terpene bezeichnet; der Begriff wurde dann später erweitert und genauer spezifiziert. Wichtigste Forscher auf dem Gebiet der Terpene waren neben anderen vor allem Otto Wallach[5], der während seiner Arbeit bei August Kekulé forschte, und Leopold Ruzicka[6]. Beide Wissenschaftler wurden für ihre Leistungen zur Erforschung der Terpene mit dem Nobelpreis für Chemie (O. Wallach 1910[7] und L. Ruzicka 1939[8]) gewürdigt.

Zu den Anfangszeiten der Naturstoffisolierungen, im 19. Jahrhundert, waren die Aufklärung von chemischen Strukturen sehr aufwändig[9], was dazu führte, dass viele, chemisch identische, Terpene verschiedene Namen erhielten, die sich weitgehend von ihrer biologischen Herkunft ableitete. Otto Wallach zeigte 1884, dass viele dieser Verbindungen tatsächlich identisch waren. Im Jahr 1892 konnte Wallach dann die ersten neun Terpene eindeutig beschreiben und hat im Jahr 1914 seine Erkenntnisse in dem Buch Terpenes and Camphor veröffentlichen.[10] Er erkannte, dass die Terpene auf Isopreneinheiten aufbauen. Ein weiterer Pionier auf dem Gebiet der Strukturaufklärung der Terpene war Adolf von Baeyer.[11] Trotz der Forschungsarbeit waren lange Zeit nur sehr wenige, niedere, Terpene eindeutig identifiziert. So konnte erst 1910 die erste korrekte Formel eines Sesquiterpens, des Santalens, durch Friedrich Wilhelm Semmler ermittelt werden.[12]

Die Biogenetische Isoprenregel wurde 1887 von Otto Wallach aufgestellt. 1922 formulierte Leopold Ruzicka dieses Kriterium unter dem Namen Biogenetische Isoprenregel[6]. Die Biosynthese der Terpene wurde schließlich von Feodor Lynen und Konrad Bloch im Jahr 1964 geklärt. Beide Wissenschaftler wurden mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin geehrt.[13][14]

Biosynthese

Den Terpenen ist gemeinsam, dass sie sich auf das Gerüst des ungesättigten Kohlenwasserstoffs Isopren zurückführen lässt. Ein zentraler Baustein der Biosynthese von Terpenen ist das Dimethylallylpyrophosphat (DMAPP) und sein Doppelbindungsisomer Isopentenylpyrophosphat (IPP). Beide Bausteine enthalten fünf Kohlenstoff-Atome und eine Doppelbindung und können als aktiviertes Isopren aufgefasst werden. Der von F. Lynen und K. Bloch vorgestellte Biosyntheseweg [13] geht von Acetyl-CoA als ursprünglichen Baustein aus welches zur Mevalonsäure umgesetzt wird. Aus der Mevalonsäure werden dann die Bausteine DMAPP und IPP synthetisiert.[15]. Ein alternativer, erst in jüngerer Zeit gefundener, Biosyntheseweg, der sogenannte MEP (2C-Methyl-D-erythritol-4P)-pathway geht von einem Zucker-Derivat als C-5 Baustein aus. Dieser Weg wurde jedoch bisher nur in einigen Mikroorganismen, in grünen Algen und Pflanzen beobachtet. Beide Wege finden unabhängig voneinander statt.[16][17][18] Der Mevalonatbiosyntheseweg ist im Cytosol lokalisiert und der MEP-Biosyntheseweg in den Plastiden (Chloroplast, Leukoplast etc.). Der Austausch zwischen Substraten der beiden Stoffwechselwege ist minimal. Alle Mono- und Diterpene werden in den Plastiden synthetisiert und alle Sesquiterpene im Cytosol.

Die Biosynthese im Cytosol beginnt mit der aktivierten Essigsäure (Acetyl-CoA). Aus dieser wird durch die biologische Claisen-Kondensation aktivierter Acetessigester (Acetoacetyl-CoA) dargestellt, der durch die biologische Aldolreaktion zu β-Hydroxy-β-methyl-glutaryl-CoA umgewandelt wird, welches dann zur Mevalonsäure (Mevalonat) reagiert.


Die Mevalonsäure wird durch Phosphorylierung aktiviert und es entsteht Phosphomevalonat. Durch eine weitere Phosphorylierung entsteht Pyrophosphomevalonat, welches dann zu DMAPP und IPP führt. Die Endprodukte der jeweiligen Biosynthesewege, das IPP und dessen Isomer γ,γ-DMAPP, werden durch Prenyltransferasen zu den Grundgerüsten der jeweiligen Terpene verknüpft. So werden IPP und DMAPP von der Geranylpyrophosphatsynthase zum Geranylpyrophosphat (GPP) verknüpft, welches das Grundgerüst der Monoterpene ist.


Die Farnesylpyrophosphatsynthase verknüpft ein Molekül DMAPP und zwei Moleküle IPP zum Farnesylpyrophosphat (FPP), das das Grundgerüst der cytosolischen Sesquiterpene ist. Aus zwei Einheiten Farnesylphosphat entsteht das Squalen (Squalensynthase), das Grundgerüst der Triterpene. Die plastidäre Geranylgeranylpyrophosphatsynthase verknüpft ein Molekül DMAPP mit drei Moleküle IPP zum Geranylgeranylpyrophosphat (GGPP), dem Grundgerüst der Diterpene. Das GGPP kann wiederum zum 16-trans-Phytoen reagieren, das das Grundgerüst der Tetraterpene ist. Jedes Terpen wird so über die Biosynthese dargestellt, indem die Schlüsselenzyme in der Terpenbiosynthese, die Terpensynthasen, diese Grundgerüste in die jeweiligen Terpene umwandeln.[19]

Eigenschaften

Die meisten Terpene sind in Wasser schwerlöslich, lösen sich aber gut in unpolaren Lösungsmitteln wie Chloroform oder Diethylether. Bei Bedarf können sie aber mit Lösungsvermittlern oder in Form von Liposomen[20][21] auch in wässrige Lösung gebracht werden.

Besonders Mono-, Sesqui- und begrenzt Diterpene sind wasserdampfflüchtig, was bei ihrer Gewinnung aus Pflanzen durch Wasserdampfdestillation ausgenutzt wird.

Analytik

Für die Strukturauflärung der Terpene finden heute alle spektroskopischen und spektrometrischen Methoden wie NMR-Spektroskopie (ein- und mehrdimensional) und Massenspektrometrie seine Anwendung. Auch wurden schon Terpen-Strukturen mit Hilfe der Kristallstrukturanalyse aufgeklärt und auch korrigiert.[22].

In der Analytik von bekannten Terpenen dient die Gaschromatographie[23] und häufig auch in Kopplung mit einem Massenspektrometer. Hier können die Terpene zum einen über ihre Retentionszeiten und dem charakteristischen Fragmentierungsmuster im Massenspektrum im Vergleich mit einer bekannten Referenz identifiziert werden.

Gewinnung

Ein Beispiel: Die Camphersynthese

Terpene, vor allem Mono-, Sesqui- und Diterpene, können aus Pflanzen(teilen) oder ätherischen Ölen durch physikalische Methoden wie zum Beispiel Wasserdampfdestillation[24], Extraktion oder Chromatographie gewonnen werden.[25] Dabei liefern die jugendlichen Pflanzen typischerweise die Terpen-Kohlenwasserstoffe und die älteren Pflanzen zunehmend die sauerstoffhaltigen Derivate, wie Alkohole, Aldehyde und Ketone. Es gibt aber auch chemische Methoden zur großtechnischen Synthese von Terpenen, die meist sehr spezifisch sind.[26][27]

Klassifizierung

Kopf und Schwanz einer Isopreneinheit

Die Terpene zählt man in der Systematik der organischen Chemie zu den Lipiden (sekundäre Naturstoffe). Des Weiteren sind die Terpene eine Untergruppe der Terpenoide. Die Terpenoide sind Terpene, bei denen in späteren Schritten der Biosynthese Kohlenstoffatome ausgeschleust wurden. Ihre Kohlenstoffanzahl ist folglich nicht mehr durch 5 teilbar. Die Zugehörigkeit zu den Terpenen begründet sich in einer gemeinsamen Biosynthese und der C5-Regel, nicht in gemeinsamen Eigenschaften. Der gemeinsame Baustein aller Terpene ist das Isopren. Die Terpene zählen zu den sekundären Pflanzenstoffen.

Generell wird zwischen acyclischen, mono-, bi-, tri-, tetra- und pentacyclischen Terpenen unterschieden, also Molekülen ohne, mit einem, mit zwei, drei, vier oder fünf Ringen. Weiterhin unterscheidet man die Terpene auch durch das Kohlenstoffgerüst, auf dem sie aufbauen. Außerdem werden sie über ihre sekundäre Stoffgruppenzugehörigkeit klassifiziert.

Biogenetische Isoprenregel. Der gestrichelte Balken zeigt den Ort der Verknüpfung.

Man unterscheidet zudem, ob die Isopreneinheiten Kopf-Schwanz, Kopf-Kopf oder Schwanz-Schwanz verbunden sind. Dies wird Biogenetische Isoprenregel genannt. Die Seite der Isopreneinheit welche die Isopropylgrupppe enthält wird Kopf genannt, das Ende der Isopropyleinheit welches unsubstituiert ist wird Schwanz, im Sinne von Verknüpfungen der Einheiten zu längeren Bausteinen, genannt.[6]

Die Terpene kann man in Isopreneinheiten unterteilen (jeweils immer 5 Kohlenstoffatome), die die gleiche Anzahl von Kohlenstoffatomen haben. Terpene mit 5 Kohlenstoffatomen nennt man Hemiterpene (C5), mit 10 Monoterpene (C10), mit 15 Sesquiterpene (C15), mit 20 Diterpene (C20), mit 25 Sesterterpene (C25), mit 30 Triterpene (C30) und mit 40 Tetraterpene (C40). Terpene mit mehr als 8 Isopreneinheiten, also mit mehr als 40 Kohlenstoffatomen, nennt man Polyterpene (größer als C40). Die Namen kommen von den griechischen bzw. lateinischen Zahlwörtern: hemi = einhalb, mono = eins, sesqui = eineinhalb, di = zwei, ... Dabei wird die Isopreneinheit als halbes Terpen gezählt.[1]

Hemiterpene

v. l. n. r.: Prenol, 3-Methyl-3-buten-2-ol, Tiglinsäure, Angelicasäure, Seneciosäure und Isovaleriansäure

Bei den Hemiterpenen ist nur eine Isopreneinheit vorhanden. Es sind nur ungefähr 25 Hemiterpene bekannt, die in der Natur in ungebundener Form äußerst selten vorkommen. Die wichtigsten Hemiterpene sind das Prenol sowie die Carbonsäuren Tiglinsäure, Angelicasäure, Seneciosäure und Isovaleriansäure. Sie kommen jedoch häufig als Pyrophosphate als Biosyntheseintermediat der Terpene und Glycosidisch gebunden vor.[28]

Monoterpene

Es sind über 900 Monoterpene bekannt. Alle werden durch Monoterpensynthasen aus Geranylpyrophosphat synthetisiert; dies geschieht über eine Reihe von komplexen organisch- chemischen Reaktionen, die dann zu der großen strukturellen Vielfalt der Monoterpene führen.[1] Monoterpene haben eine, für Kohlenwasserstoffe, hohe Bioverfügbarkeit und in Tierexperimenten konnte eine antikanzerogene Wirkung festgestellt werden.[29] Tricyclische Monoterpene sind äußerst selten. Beispiele sind Tricyclen und Cantharidin; letzteres wurde früher als Inhaltsstoff der Spanische Fliege als Potenzmittel verwendet.

Monoterpene sind zusammen mit Sesquiterpenen Hauptbestandteile von ätherischen Ölen, die von Pflanzen in großen Mengen produziert werden. So lässt sich zum Beispiel aus einem Quadratmeter mit Nadelstreu bedecktem Waldboden bis zu ein Liter an Monoterpenen gewinnen. Sie sind mit ein Hauptgrund, warum sich Waldbrände schnell ausbreiten können.[30] Man kann in den Bestandteilen von über 2.000 Pflanzen aus 60 verschiedenen Familien Monoterpene finden.[1]

Acyclische Monoterpene

Wichtige acyclische Kohlenwasserstoff-Monoterpene sind Myrcen, Ocimen und Cosmen. Alle sind Bestandteile ätherischer Öle. Linalool findet sich im Rosen- und bis zu 50 Prozent im Lavendelöl. Koriander und Palmarosaöl enthalten Geraniol und Nerol. Citronellol kann aus Citronellöl gewonnen werden, Myrcenol aus Thymianöl. Auch Lavandulol findet sich im Lavendelöl. Ipsdienol ist Duftstoff in den Blüten von Orchideeenarten. Diese Verbindungen sind häufig vorkommende acyclische Monoterpen-Alkohole.

Die Terpen-Aldehyde Neral und Geranial bilden das Stereoisomerengemisch Citral, das intensiv nach Zitronen riecht und daher in Aromen verwendet wird. Citronellal wird als Insektenabwehrmittel verwendet. Eine Monoterpencarbonsäure ist die Geraniumsäure.

Als Furanoide acyclische Monoterpene sind zum Beispiel Perillen und Rosenfuran zu nennen. Rosenfuran ist eine geruchsbestimmende Komponente des Rosenöls. Perillen kommt in ätherischen Ölen vor und ist ein Abwehrpheromon.

Monocyclische Monoterpene

(R)-Limonen

Die meisten monocyclischen Monoterpene, die sich vom p-Menthan ableiten lassen, weisen ein Cyclohexangerüst auf. Es gibt jedoch auch mehrere Verbindungen mit Cyclopropan- und Cyclobutangerüst (Chrysanthemumsäure Cinerin I und Chrysanthemol) oder mit Cyclopentangerüst, wie zum Beispiel Grandisol und Junionon. Auch Stoff mit dem kleinsten bekannten Geruchsschwellenwert, das Thioterpineol, lässt sich hier einordnen.[1]

Die monocyclischen Monoterpene mit Cyclohexangerüst werden meist nach ihrer sekundären Stoffgruppenzugehörigkeit unterteilt. Die wichtigsten Kohlenwasserstoffe sind hier Menthan, Limonen, Phellandren, Terpinolen, Terpinen und Cymol. Menthan ist im Vergleich zu den anderen Monoterpen-Kohlenwasserstoffen in der Natur eher selten. Limonen tritt sehr häufig in den verschiedensten Pflanzen auf, Terpinolen und Terpinen sind Duftstoffe und Bestandteil ätherischer Öle, Terpinolen ist auch Alarmpheromon der Termiten. Phellandren findet sich im Kümmel, Fenchel und Eukalyptusöl. Cymol findet sich im Einfachen Bohnenkraut.

Menthol ist Hauptbestandteil des Pfefferminzöls, es ist ein Analgetikum und hat weitere medizinische Anwendungen. Auch Pulegol findet sich in Pfefferminzölen. Piperitol kommt in Eukalyptus- und Pfefferminzarten vor. Terpineol ist ein Duftstoff. Carveol findet sich in Zitrusölen. Thymol findet sich in den ätherischen Ölen des Thymians und Oreganos. Dihydrocarveol kommt im Kümmel, Pfeffer, Sellerie und Minze vor. Anethol findet sich im Anis und Fenchel.

Menthon und Pulegon, sowie deren Isomere, treten wie das Menthol in Pfefferminzölen auf. Phellandral findet sich im Wasserfenchelöl. Carvon und Carvenon finden sich im Kümmel und Dill, Piperiton in Eukalyptusölen.

1,4-Cineol und 1,8-Cineol sind über eine Etherbrücke verbrückte bicylische Terpene. 1,8-Cineol wirkt bakterizid und findet sich hauptsächlich in Eukalyptus und Lorbeer und zusammen mit dem 1,4-Cineol in Wacholder. Ascaridol, ein Peroxid, findet sich in Gänsefuß-Arten.

Rosenoxid und Neroloxid sind Duftstoffe des Rosenöls.

Es gibt rund 200 Monoterpene mit einem Cyclopentangerüst. Sie werden in die Iridoide und Secoiridoide unterteilt. Entdeckt wurden die Verbindungen zum ersten Mal in einer Ameisenart (Iridomyrmex) und sind somit einige der wenigen Terpene nichtpflanzlicher Herkunft. Sie zeichnen sich durch ein Grundgerüst aus, das einen Sechs- und einen Fünfring enthält (Cyclopentanpyrangerüst). Durch Ausschleusung von Kohlenstoffmolekülen aus dem Grundgerüst entstehen Terpenoide, die nicht mehr zu den Terpenen gehören.[31] Zu den Iridoiden gehören zum Beispiel Aucubin und Catalpol aus Spitzwegerich (Plantago lanceolata) sowie Loganin aus Bitterklee. Auch in Baldrian (Valeriana officinalis) und Teufelskralle (Harpagophytum procumbens) sind Iridoide und Iridoidglycoside enthalten.

Bicyclische Monoterpene

Grundgerüste der bicyclischen Monoterpene

Die Bicyclen Caran, Thujan, Pinan, Bornan und Fenchan, aber weiter gefasst auch Isobornylan und Isocamphan sind die wichtigsten Stammverbindungen der bicyclischen Monoterpene.

3-Caren findet sich in Terpentinölen (in russischem Terpentinöl, aus Pinus sylvestris, als zweithäufigste Komponente[32]), dem Öl des Schwarzen Pfeffers und kommt außerdem in Citrusölen, Tannen und Wacholder-Arten vor. Thujen[33] kommt im Koriander und Dill und außerdem neben Sabinen in Ölen vor. Thujon kommt in Wermut vor, der zum Beispiel zu Absinth und Vermouth verarbeitet wird. Thujanol kommt im Lebensbaum-, Wacholder- und Artemisia -Arten vor. Carbonsäuren mit Caran- beziehungsweise Carengrundgerüst, wie zum Beispiel die Chaminsäure, kommen zum Beispiel in Scheinzypressen vor.

2-Pinen (α-Pinen) ist die Hauptkomponente der Terpentinöle, häufig findet sich auch 2(10)-Pinen (β-Pinen). Verbenol ist Bestandteil des Terpentins, es ist, zusammen mit Verbenon, das in den Ölen des Rosmarins vorkommt, ein Sexualpheromon des Borkenkäfers. Pinocarvon kommt in Eukalyptusölen vor und ist Sexualpheromonen des Kiefernspanners.

Campher ist durchblutungsfördernd, schleimlösend und hat viele weitere medizinisch-interessante Eigenschaften, es kann aus dem Kampferbaum isoliert werden, auch Borneol findet sich in diesem Baum. Isoborneol kommt in vielen Korbblütlern vor.

Die Fenchane, besonders Fenchon und Fenchol und deren Derivate, treten in mehreren ätherischen Ölen auf. Fenchen und seine Derivate sind selten in ätherischen Ölen.

Anethofuran ist ein bicyclisches Monoterpen mit Furankörper.

Sesquiterpene

Es gibt mehr als 3.000 Sesquiterpene, sie sind die größte Untergruppe der Terpene. Sesquiterpene leiten sich alle vom Farnesylpyrophosphat ab. Es handelt sich hierbei um aus drei Isopreneinheiten aufgebaute Verbindungen (15 C-Atome). Trotz der vielen Sesquiterpene sind nur rund 20 Sesquiterpene als Riech- und Aromastoffe wichtig.

Acyclische

Farnesylpyrophosphat ist die Stammverbindung der Sesquiterpene, es kommt zum Beispiel in Ölschiefer vor. Farnesol kommt im Rosen- und Jasminöl vor. Nerolidol kommt in Orangenblüten vor, Sinensal im Orangenöl. Furanoide acyclische Sesquiterpene sind Dendrolasin, Sesquirosenfuran und Longifolin. Dendrolasin ist nicht nur pflanzlicher Herkunft, es kommt auch in Ameisen vor (der Name stammt von der Ameisengattung Dendrolasius). Die Abscisinsäure reguliert das Wachstum von Pflanzen.

Monocyclische

Grundverbindungen der monocyclischen Sesquiterpene

Die monocyclischen Sesquiterpene werden hauptsächlich in die Stammverbindungen Bisabolane, Germacrane, Elemane und Humulane unterteilt.

Über 100 Bisabolane kommen natürlich in Pflanzen vor. Zingiberen kommt im Ingweröl vor. β-Bisabolen findet sich in Scheinzypressen und Kiefernarten, Bisabolol wirkt entzündungshemmend und kommt im Öl der Kamille vor. Sesquisabinen kommt im Schwarzen Pfeffer, Sesquithujen im Ingwer vor. Die vom Germacran abgeleiteten Periplanone sind Sexualpheromone. Bicycloelemen und Elemol leiten sich vom Eleman ab, Elemol findet sich im Citronellöl, Bicycloelemen im Pfefferminzöl. Viele vom Humulan abgeleitete Terpene finden sich im Öl des Hopfens.

Polycyclische

Einige Grundskelette polycyclischer Sesquiterpene

Die meisten der Sesquiterpene sind polycyclisch.

Unter den knapp 30 Caryophyllanen ist das wichtigste das Caryophyllen, es findet sich im Kümmel, Pfeffer und Gewürznelken. Von den Eudesmanen und Furanoeudesmanen sind ungefähr 450 bekannt. Selinen findet sich im Sellerie und Cannabis, Eudesmol in Eukalyptusarten, Costol in Costuswurzelnöl. Die Santonine wirken antihelmintisch. Ein wichtiges Furanoeudesman ist das Tubipofuran. Die etwa 150 bekannten Eremophilane und Valerane finden sich vor allem in höheren Pflanzen. Nootkaton sowie 11-Eremophilen-2,9-dion sind Geschmackstoffe im Grapefruitöl. Von den Cadinanen sind ungefähr 150 bekannt, Cadinadien findet sich im Hopfenöl, Muuroladien in Terpentinsorten, Cadinen im Kubebenpfeffer und Wacholder. Die Artemisiasäure wirkt antibakteriell. Guajane und Cycloguajane gibt es über 400. Guajadien findet sich im Tolubalsam. Eine Reihe von Pseudoguajanen, wie zum Beispiel die Ambrosiasäure findet sich in Ambrosiaarten. Viele der Himachalane finden sich im Zedernöl. Mehrere Daucane finden sich in der Wilden Möhre (Daucus carota), nachdem diese auch benannt sind. Das von Marasman abgeleitete Isovelleral wirkt antibiotisch, das vom Isolactaran abgeleitete Merulidial ist ein Metabolit des (auf abgestorbenen Baumstümpfen zu findenden) Pilzes Merulius tremellosus (auch bekannt als Phlebia tremellosa und Gallertfleischiger Fältling). Die Acorane, die 50 Chamigrane und die kleine Gruppe der Axanane sind Spiroverbindungen, die Chamigrane finden sich in Algen. Das vom Cedran abgeleitete Cedrol ist Geruchsstoff des Zedernöls. Hirsutane sind häufig Metaboliten von Pilzen, ein Beispiel ist die Hirsutumsäure.

Auch gibt einige Gruppen polycyclischer Sesquiterpene, die nicht vom Farnesan abstammen.

Diterpene

Phytan

Es gibt rund 5000 bekannte Diterpene, alle Diterpene leiten sich von der Ausgangsverbindung (E,E,E)-Geranylgeranylpyrophosphat ab.

Acyclische

Phytan findet sich, zum Beispiel zusammen mit der Phytansäure im Ölschiefer, oder auch in der menschlichen Leber. Chlorophyll ist ein Ester des Phytols.

Cyclophythane bis Tetracyclophytane

10,16-Cyclophytan

Die meisten Cyclophytane leiten sich vom 20,25-Cyclophytan ab, 1,6-Cyclophytane sind seltener.

Retinal, Retinol, Axerophthen und Tretinoin sind Vertreter der Vitamin-A-Reihe, Retinal ist mit dem Opsin in der Netzhaut des Auges zum Rhodopsin gebunden und dort für den Sehvorgang wichtig. Agelasin E und Agelasidin B wirken krampflösend und antibakteriell.

Labdan

Die etwa 400 Bicyclophytane leiten sich vom Labdan ab, seltener vom 1,6-Cyclophytan abgeleiteten Haliman oder Clerodan. Pumiloxid und Abienol finden sich in Fichten. Labdanolsäure und Oxocativinsäure finden sich in Kieferngewächsen, Sclareol in Salbeiarten, die Pinifolsäure in den Nadeln von Kieferngewächsen.

Wichtige Stammverbindungen der Tricyclophytane sind die Primarane, Cassane, Cleistanthane und Abietan. Die Primarane, wie zum Beispiel Podocarpinol, Podocarpinsäure und Nimbiol, finden sich hauptsächlich in europäischen Kiefern. Von den Cassanen, hauptsächlich von der Cassainsäure, leiten sich Ester-Alkaloide ab. Cleistanthane sind zum Beispiel Auricularsäure und Cleistanol. Abietane finden sich hauptsächlich in Nadelbäumen, wie zum Beispiel die Harzsäure Abietinsäure, Abietenol oder Palustrinsäure.

Wichtige Stammverbindungen der Tricyclophytane
Wichtige Stammverbindungen der Tetracyclophytane

Das vom tricyclische Diterpenoid Baccatin III abgeleitete Terpen-Alkaloid Paclitaxel aus der Pazifischen Eibe wird auf Grund seiner Mitose hemmenden Wirkung auch als Zytostatikum in der Krebstherapie eingesetzt. Das ebenfalls tricyclische Forskolin wird in der Biochemie als Aktivator der Adenylylcyclase eingesetzt.

Auch die Tetracyclophytane werden in mehrere Stammgruppen unterteilt. Ein Kauran, 1,7,14-Trihydroxy-16-kauren-15-on, wirkt tumorhemmend. Die Atisane, wie zum Beispiel das Atisen, lassen sich in bestimmte Alkaloide umwandeln. Von den Gibberellanen abgeleitete Terpenoide wie Gibberellinsäure beeinflussen als Phytohormone das Pflanzenwachstum. Die Grayanotoxane, wie zum Beispiel das Leucothol C sind häufig toxisch und finden sich in vielen Blättern.

Sesterterpene

3,7,11,15,19-Pentamethylicosan

Sesterterpene wurden erstmals 1965 aus Insektenwachs und niederen Pilzen isoliert. Es gibt ungefähr 150 bekannte Sesterterpene, davon haben 30 einen Furan-Körper, sie leiten sich von 3,7,11,15,19-Pentamethylicosan ab. Sesterterpene sind in der Natur eher selten, sie finden sich hauptsächlich in niederen Pflanzen wie zum Beispiel Pilzen oder in den Blättern der Kartoffel. Sesterterpene mit Furankörper können aus Schwämmen, wie zum Beispiel der Art Ircinia campana, isoliert werden.

Die wichtigsten acyclischen Sesterterpene sind das 3,7,11,15,19-Pentamethyl-2,6-icosadien-1-ol, Ircinin I und 8,9-Dehydroircinin I. Das Ircin I hat eine antibakterielle Wirkung und findet sich zum Beispiel in dem Schwamm Ircinia oros, das 8,9-Dehydroircinin I in Cacospongia scalaris. Die monocyclischen Sesterterpene finden sich in Schwämmen und Wachsen von Insekten von Ceroplastes ceriferus. Zu nennen ist das Cyclohexan-Sesterterpen, Neomanoalid, welches antibakteriell wirkt, Cericeran und Cerifeol 1. Bicyclische Sesterpene sind zum Beispiel Dysideapalaunsäure, Salvisyriacolid und Salvisyriacolidmethylester. Das tricyclische Sesterterpen Cheilanthatriol findet sich in Farnen. Die tetracyclischen Sesterterpene finden sich in Schwämmen und bauen hauptsächlich auf dem Scalaran auf.

Triterpene

Squalan und Squalen

Es gibt ungefähr 1700 Triterpene, die Triterpene leiten sich hauptsächlich vom Squalan, welches Schwanz-Schwanz verknüpft ist, und dem davon abgeleiteten Squalen ab. D-Vitamine und Gallensäuren leiten sich von den Triterpenen ab, der Tetracyclus des Gonans findet sich abgeleitet bei den Steroiden. Acyclische Triterpene sind in der Natur relativ selten, vor allem tetracyclische und pentacyclische Triterpene sind in der Natur verbreitet.

Tetracyclische

Gonan
Lanosterol

Die tetracyclischen Triterpene bauen auf dem Gonangerüst auf, das auch in den Steroiden zu finden ist, Stammverbindungen sind die Protostane und Fusidane, Dammarane, Apotirucallane, Tirucallane und Euphane, Lanostane, Cycloartane und Cucurbitane. Einige von den Fusidanen abgeleiteten Terpenoide, wie die Fusidinsäure greifen selektiv in den bakteriellen Stoffwechsel ein und werden daher als Antibiotika eingesetzt. Ein wichtiges Apotirucallan ist das Melianin A. Es gibt ungefähr 200 Lanostane, ein Beispiel ist das Lanosterol. Von den Cycloartanen gibt es rund 120, die Ananassäure findet sich in Ananasholz. Von den Cucurbitanen gibt es nur circa 40 natürliche, die Cucurbitacine F und B werden als Chemotherapeutikum in der Krebstherapie erprobt.

Pentacyclische

Hopan

Eine der Grundstrukturen der pentacyclischen Triterpene ist das Hopan (siehe Hopanoide). Die Fernane, Adianane und Filicane finden sich hauptsächlich in Farnen, auch einige Gammacerane finden sich in Farnen. Zu den Adiananen und Filicanen gehört zum Beispiel das Simiarenol und Filicenal, das im Frauenhaarfarn vorkommt, ein Gammaceran ist das Ketohakonanol. Es existieren auch mehrere auf andere Art entstandene pentacyclische Triterpene wie die Stictane, Serratane und Iridale. Stictane finden sich in der Baumrinde vieler Bäume, das Serratan 14-Serraten findet sich in europäischen Waldfarnen. Ein Iridal ist das Ambrein, es findet sich in der Ambra des Pottwals. Die meisten Iridale finden sich jedoch hauptsächlich in Schwertlilien. Betulin und Betulinsäure (die HIV hemmt) finden sich in der Rinde von Birken.

Tetraterpene

Natürliche Tetraterpene sind die etwa 150 bekannten Carotinoide. Von den Tetraterpenen abgeleiteten Terpenoide sind die Apocarotenoide, Diapocarotenoide, Megastigmane, die C13-Isoprenoide sind.

Polyterpene

Einige Polyterpene

Polyterpene, nach Leopold Ruzicka Polyprene (=Polyisoprene), bestehen aus mehr als acht Isopreneinheiten.

Cis-Polyisopren kommt im Kautschuk vor, früher wurde der Naturkautschuk durch Vulkanisation zu Gummi verarbeitet. Trans-Polyisopren ist Hauptbestandteil von Guttapercha, der weitaus weniger bedeutend ist als das cis-Polyisopren. Guttapercha bildet sich beim Eintrocknen des Milchsaftes der tropischen Baumart Palaquium gutta. Chicle gewonnen aus dem Breiapfelbaum stellt ein 1:2 Gemisch von trans- und cis-Polyisopren dar. Dolichol findet sich in endokrinen Organen, auch Betulaprenole sind Polyterpene.

Prenylchoinone sind Terpenoide mit bis zu 10 Isopreneinheiten, unter ihnen finden sich Vitamin K 1und 2, Vitamin E, Plastochinon sowie die Ubichinone.

Literatur

  • Eberhard Breitmaier: Terpene. Teubner Verlag, Januar 1999, ISBN 3-519-03548-0
  • Lutz Roth: Terpene, Terpentinöl. Ecomed Verlag, Landsberg, Juni 2001, ISBN 3-609-69140-9
  • J. D. Conolly, R. A. Hill: Dictionary of Terpenoids. Chapman & Hall, London, New York, Tokyo, Melbourne, Madras 1991

Einzelnachweise

  1. a b c d e E. Breitmaier: Terpene – Aromen, Düfte, Pharmaka, Pheromone, 1. Auflage B. G. Teubner Stuttgart, Leipzig 1999, ISBN 3-519-03548-0
  2. Peter Nuhn: In Naturstoffchemie – Mikrobielle, pflanzliche und tierische Naturstoffe, 4., neu bearb. Auflage, Hirzel S. Verlag, Stuttgart, ISBN 3-777-61363-0
  3. Hagers Handbuch der Pharmazeutischen Praxis – 4. Auflage
  4. IUPAC-Definition für Terpene und Terpenoide
  5. O. Wallach, Liebigs Ann. Chem. 1885, 227, 277–302
  6. a b c L. Ruzicka: In Perspektiven der Biogenese und Chemie der Terpene IUAPC 1963, 493-523 [1]
  7. O. Wallach Nobelpreisvortrag (PDF, engl.)
  8. L. Ruzicka Nobelpreisvortrag (PDF,engl.)
  9. Dissertation zur Strukturaufklärung von Cedren, G. W. Kusserow ETH Zürich 1948
  10. O. Wallach: In Terpene und Campher : Zusammenfassung eigener Untersuchungen auf d. Gebiet d. alicyclischen Kohlenstoffverbindungen Terpene und Campher : Zusammenfassung eigener Untersuchungen auf d. Gebiet d. alicyclischen Kohlenstoffverbindungen, Veit Leipzig 1914 Eintrag bei DNB
  11. A. de Meijere: In Adolf von Baeyer – Nobelpreisträger für Chemie 1905 Angew. Chem. 2008, 117, 8046-8050 doi:10.1002/ange.200503351
  12. F. W. Semmler, W. Jakubowicz: In Zur Kenntnis der Bestandteile ätherischer Öle (Trennung und Eigenschaften der im ostindischen Copaivabalsam-Öl vorkommenden Sesquiterpene (Gurjunene); Derivate dieser Sesquiterpene) Chem. Ber. 1914, 47, 1141-1153 doi:10.1002/cber.191404701184
  13. a b Nobelpreisvortrag von F. Lynen
  14. Nobelpreisvortrag von K. Bloch
  15. E. Breitmaier: Terpene – Aromen, Düfte, Pharmaka, Pheromone, 1. Auflage B. G. Teubner Stuttgart, Leizpig 1999, ISBN 3-519-03548-0
  16. M. Rohmer, Nat. Prod. Rep. 1999, 16, 565–574
  17. H. K. Lichtenthaler, Biospektrum 2, 1998,4, 49–52
  18. W. Eisenreich, M. Schwarz, A. Cartayrade, D. Arigoni, H. M. Zenk, A. Bacher, Chemistry & Biology, 1998, Vol. 5, No. 9, Review 221–233
  19. Kleinig, H.: In The role of plastids in isoprenoid biosynthesis Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 40, 1989, 39-59
  20. Patent zum Einkapseln von Paclitaxel in Liposome
  21. Patent zur Verbesserung der Wasserlöslichkeit unpolarer Verbindungen
  22. M. Dobler, J: D. Dunitz, B. Gubler, H. P. Weber, G. Büchi, J. Padilla O., Proc. Chem. Soc. 1963, 383
  23. [2] E. von Rudloff: In Gas-Liquid Chromatography of Terpens Can. J. Chem. 1961, 30,1200-1206
  24. Beschreibung eines Schulversuchs
  25. E. Stahl, W. Schild: In Isolierung und Charakterisierung von Naturstoffen. Gustav Fischer Verlag, Stuttgart 1986, ISBN 3437305115
  26. Patent zur grosstechnischen Synthese von Menthol
  27. Patent zur grosstechnischen Synthese von Campher
  28. Beispiele für die Isolierung von Hemiterpenen als Glycoside http://www.cababstractsplus.org/abstracts/Abstract.aspx?AcNo=19980600587], [3], [4]
  29. Publikation derMax Rubner-Institut, Bundesforschungsinstitut für Ernährung und Lebensmittel vonB.Watzl
  30. [5]
  31. [6]
  32. Römpp CD 2006
  33. L. Tschugaeff: In Ueber das Thujen, ein neues bicyclisches Terpen, Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft 1990, 33, 3118–3126 doi:10.1002/cber.19000330363

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