Актуальность исследования

Среди возобновляемых источников природного сырья особое внимание привлекают продукты растительного происхождения - сами зеленые растения, продукты их переработки и прижизненного использования. Растительные ресурсы умеренного пояса обширны и разнообразны. Существуют определенные группы растений, которые более других распространены или же доминируют на больших территориях и, как следствие этого, представляют собой объекты наиболее пристального внимания со стороны химиков. К такого рода растениям на территории Сибири и Дальнего Востока относятся прежде всего хвойные деревья семейства Pinaceae (лиственница, сосна, кедр, ель, пихта) и различные кустарники (багульник болотный и ягодные кустарники - брусника, клюква, облепиха). Большинство из этих растений содержат множество различных биологически активных веществ и издавна используются в народной медицине. Как правило, биоактивные вещества содержатся в растениях в малом количестве, но наряду с ними растения продуцируют гораздо большее количество - по числу и разнообразию - других метаболитов, не обладающих явно выраженной активностью и часто - с непонятными биологическими функциями. Именно эти вещества составляют предмет особого интереса для синтетической органической химии, потому что эти соединения: а) могут быть выделены простыми методами в больших количествах из доступного растительного сырья; б) являются органическими веществами сложного, а порой - уникального строения; в) представляют собой весьма реакционноспособные органические соединения; г) являются биогенетически или структурно родственными соединениями известным биологически активным веществам; д) представляют собой в подавляющем большинстве случаев стереоизомерно однородные субстанции. Все перечисленное в полной мере относится к терпеноидам - удивительной группе вторичных метаболитов высших растений, которая не имеет аналогов по разнообразию структурных типов и биологической роли в регуляции процессов жизнедеятельности и взаимодействия живых организмов. Изопреноиды, содержащиеся в наиболее распространенных растениях Сибири и Дальнего Востока, представлены главным образом моно-, сескви-, ди- и тритерпеноидами. Исследование химии этой группы соединений представляет исключительный интерес со многих точек зрения. Можно выделить четыре наиболее актуальные и интересные направления исследований в области химии природных терпеновых соединений: 1) определение строения и пространственной организации молекул природных терпеноидов, 2) изучение химических свойств и синтетических возможностей молекул природных соединений, 3) синтез известных биологически активных соединений и их аналогов, 4) разработка новых реагентов для органического синтеза. Работа выполнена по планам научных исследований Новосибирского института органической химии СО РАН, проводимых в соответствии с Постановлением Президиума СО АН СССР № 579 от 25 декабря 1989 г., а также Государственной научно-технической программой "Высокоэффективные процессы производства продовольствия", Федеральной научно-технической программой "Новые принципы и методы получения химических веществ и материалов" (направление 06.04: "Разработка научных основ использования возобновляемого растительного сырья для синтеза химических веществ и материалов"), приоритетным направлением развития химической науки и технологии "Создание новых высокоэффективных химических и микробиологических средств защиты растений и животных, гербицидов, регуляторов роста растений, дефолиантов, безопасных для человека и окружающей среды" (направление 11.27), региональной экологической программой Сибирского отделения РАН, Государственной научно-технической программой “Экологически безопасные процессы химии и химической технологии” (направление VI “Химия и экологически безопасная технология переработки возобновляемого растительного сырья”) и темой "Изучение терпеноидов экстрактивных веществ хвойных растений” (номер государственной регистрации 01.86.0 104028).

Цель работы

Детальное исследование пространственного строения и изучение химических свойств и синтетических возможностей моно-, сескви- и тритерпеноидов, выделяемых из доступного растительного сырья, источником которого являются растения Сибири и Дальнего Востока; разработка нового подхода к синтезу биологически активных соединений ряда пиретроидных инсектицидов с использованием азотсодержащих промежуточных соединений ряда (+)-3-карена; разработка новых схем переработки доступных соединений терпенового ряда (3-карен,a-пинен, лимонен, кариофиллен, гумулен, d-кадинол, a-терпинеол, урсоловая кислота и ее производные) с использованием реакций окисления и нитрозохлорирования. 

Научная новизна работы

Установлена структура, изучено пространственное строение и проведен детальный анализ спектров ЯМР природных терпеновых соединений, как вновь выделенных из растительного сырья, так и уже известных (3-карен, кариофиллен-a-оксид, дигидрокариофиллен-a-оксид и гумулен-6,7-эпоксид, абиеслактон и его 3-кетопроизводное, селина-6-ен-4-ол, 3,10-эпоксигермакр-4(11)-ен-8-он, b-панасенсен и его окисленные производные, d-кадинол, микробиотол), и ряда кислород- и азотсодержащих производных - продуктов химической модификации природных терпеноидов (соединения каранового, пинанового, пара-ментанового, муроланового, кариофилланового и циклокариофилланового, урсанового типов). Подробно исследованы процессы окисления тритерпеноидов урсанового ряда, доказана структура образующихся при этом продуктов и предложена экспериментально обоснованная схема окислительных превращений. Обнаружен новый вариант реакции окислительного декарбоксилирования в системе перекись водорода - соль ртути (II), с использованием этой реакции разработан удобный способ превращения терпеновых кислот сложного строения в соответствующие нор-гидроксипроизводные. Исследованы закономерности процесса образования нитрозохлоридов терпенового ряда и пространственная направленность их дальнейших превращений с образованием a-замещенных оксимов на примере производных 3-карена, a-пинена, лимонена, a-терпинеола, кариофиллена, гумулена и d-кадинола. Изучены различные варианты фрагментации a-замещенных оксимов терпенового ряда и химические свойства образующихся при этом секо-производных. Предложены новые схемы синтеза кислотных компонент пиретроидных инсектицидов в оптически активной форме из (+)-3-карена с использованием w-кетонитрила 3,4-секо-каранового типа в качестве ключевого интермедиата. Изучена химия новых азотсодержащих производных 3,4-секо-каранового ряда и обнаружены новые необычные реакции 1,3-дизамещенных-2,2-диметилциклопропанов как с сохранением, так и с полной потерей оптической активности. Обнаружено и детально исследовано активирующее влияние трехчленного цикла на дрожжевое восстановление кетогруппы в b-положении к циклопропановому фрагменту. Синтезирован широкий круг новых хиральных азотсодержащих производных терпеновых соединений - w-кетонитрилов и w-аминонитрилов, енаминокетонов, пиразолов и пиразолинолов, аллильных нитросоединений, циклических амидооксимов и производных изохинуклидина, замещенных хризантемиламинов. В настоящую работу вошли данные, полученные за период с 1986 по 1994 годы.

Практическая ценность

Предложено новое направление использования ненасыщенных терпеновых углеводородов - продуктов переработки лесохимического сырья - с участием нитрозохлоридов терпенов как промежуточных продуктов, приводящее к получению широкой гаммы азотсодержащих производных, представляющих собой ценные исходные соединения для синтеза оптически активных пиретроидных инсектицидов и полупродуктов для их производства (изомерные хризантемовые кислоты и хризантемолактоны, 1R-цис-перметриновая, 1R-цис-монохлорнорхризантемовая и дельтаметриновая кислоты, различные N-замещенные 1R-цис-хризантемиламины - аза-аналоги пиретроидных инстектицидов), феромона виноградного мучнистого червеца, хиральных реагентов для расщепления рацемических смесей циклопропанкарбоновых кислот, новой группы стабильных нитроксильных радикалов изохинуклидинового ряда, бифункциональных хиральных лигандов и хиральных комплексов переходных металлов. Проведена оптимизация методов синтеза азотсодержащих секо-терпеновых производных, представляющих коммерческий интерес как исходные соединения в органическом синтезе, которые включены в каталог реактивов фирмы Janssen Chimica. Отработаны препаративно приемлемые методы получения ряда окисленных тритерпеноидов урсанового ряда.

Апробация работы

Отдельные части работы докладывались на XII (Чехословакия, Печь-под-Снежкой, 1987), XIII (Польша, Познань, 1989), XIV (Чехо-Словакия, Табор, 1991), XV (Польша, Закопане, 1993) и XVI (Чешская Республика, Прага, 1995) Конференциях по изопреноидам; на VII (СССР, Рига, 1986) и VIII (СССР, Новосибирск, 1989) Всесоюзных конференциях "Использование ЭВМ в спектроскопии молекул и химических исследованиях; на III Всесоюзной научно-технической конференции "Химия и использование экстрактивных веществ дерева" (СССР, Горький, 1990); на Всесоюзном совещании "Химия, применение и механизм действия инсектицидов и акарицидов" (Москва, ВДНХ СССР, 1990); на 7-ом (ФРГ, Гамбург, 1990) и 8-ом (США, Вашингтон, 1994) Международных конгрессах ИЮПАК по химии пестицидов; на конференции "Радиоспектроскопические методы исследований в физике, химии, биологии и медицине" (Украина, Киев, 1993); на конференции "Органическая химия, хлор и керамика" института IMI (TAMI) фирмы Israel Chemicals Ltd. (Израиль, Хайфа, 1994), на X-ой Международной конференции по органическому синтезу (Индия, Бангалор, 1994), на 15-ом Международном конгрессе гетероциклической химии (Тайвань, Тайпэй, 1995).Разработка “Новые процессы на основе (+)-3-карена” (материалы Главы 3) получила золотую медаль на Всемирном салоне изобретений “Брюссель-Эврика-95”. Работа, выполненная группой выпускников Новосибирского университета под руководством автора (часть Главы 4), удостоена государственной премии Российской Федерации 1995 года для молодых учёных.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 39 статей, 3 обзора, 18 тезисов докладов, получено 9 патентов.