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Terpenes

Terpenes are build up by C5 isoprene units and have no functional groups. However, they may be glycosidically bound or might be linked to other groups (alcohols, aldehydes, ethers, ketones, acids and esters), which then carry functional groups. These functionalized terpenes are called terpenoids. The distinction between terpenes and terpenoids is often neglected.

Terpenes are in nature an important class of natural products. For example, essential oils contains a variety of terpenes. Due to the wide distribution (there are over 35,000 known terpenoids) general statements about terpenoids in relation to its effect and function are impossible. They represent the largest group of natural products.

Chemical properties

Isoprene

Terpenes without functionalisation are non-polar,lipophilic substances, which are divided into mono-, sesqui-, di-, tri-, tetra-, and polyterpenes. The subdivision is derived from the number of C5-subunits. For this monoterpenes are composed of 10 carbon atoms, sesquiterpenes of 15, diterpenes of 20, triterpenes of 30, tetraterpenes of 40 und polyterpenes of 5xn carbon atoms.

The terpenes are, due to their lipophilic character, grease and oil soluble. As a result nonpolar mono- and sesquiterpenes especially found in essential oils. Terpenoids, however, can be polar and water soluble.

Biosynthesis

Terpenbiosynthese

Terpenes are derived of isoprene units. In the biosynthesis terpenes are not made from isoprene, but from isopentenyl pyrophosphate (IPP) – the activated form of isoprene. IPP can catalyzed by the IPP isomerase isomerize to dimethylally pyrophosphate (DMAPP). IPP and DMAPP are linked to geranyl pyrophosphate catalyzed by the geranyl pyrophosphate synthase. The monoterpenes can be generated directly from geranyl pyrophosphate. By further extension the sesqui-, di-, tri-, tetra-, and polyterpenes can be obtained.

Example menthol, carvone & limonene

Synthese von Menthol, Carvon & Limonen

Sowohl Menthol, Carvon als auch Limonen – allesamt monocyclische Monoterpene – werden aus Geranylpyrophosphat biosynthetisiert. Im ersten Schritt wird Geranylpyrophosphat zu Limonen cyclisiert. Es folgt die Oxidation eines ungesättigten Kohlenstoffatoms zum Alkohol. Dabei kann werden zwei verschiedene Verbindungen gewonnen. Aus dem Carveol kann dann durch eine weitere Oxidation das Carvon gewonnen werden. In mehreren Schritten entsteht aus der anderen Verbindung das Menthon welches zum Menthol reduziert werden kann. Bei dieser Biosynthese sieht man die Bildung mehrerer wichtiger Terpenoide aus einer Vorläuferverbindung, dem Geranylpyrophosphat.

Bekannte Vertreter

Steroide

Auch Steroide sind Terpenoide. Diese werden jedoch gesondert unter dem Punkt Steroiden betrachetet.

Duftstoffe

Ätherischen Öle verdanken ihren spezifischen Geruch oft den Terpenen, darunter vor allem die leicht flüchtigen Mono- und Diterpenen. In folgender Tabelle sind die Bestandteile einiger Terpene in verschiedenen ätherischen Ölen aufgeführt.

Citronellal (+)-α-Thujon β Carotin

Ätherisches Öl Terpen Anteil
Minzöl (Mentha arvensis L.) Menthol bis 90%
Minzöl (Mentha spicata L.) (-)-Carvon bis 70%
Kümmelöl (Carum carvi L.) (+)-Carvon bis 60%
Rainfarnöl (Tanecetum vulgare L.) (-)-Thujon bis 70%
Corianderöl (Coriandrum sativum L.) (S)-Linalool über 70 %
Orangenöl (Citrus aurantium L.) (+)-Limonen bis 97%

Diese Liste liese sich nach belieben fortsetzen. Weitere Vertreter von terpenoiden Duftstoffen sind Citronellal, Pinen, Campher, Borneol, Eucalyptol, Geraniol und Citral. Je nach Wahl des Extraktionsverfahrens (Wasserdampfdestillation oder Extraktion) ist die Zusammensetzung der ätherischen Öle unterschiedlich. Insbesondere die Terpene lassen sich bei der Extraktion mit möglichst unpolaren Lösungsmittel (Petroläther, n-Hexan) isolieren.

Farbstoffe

Zu den Farbstoffen zählen die Carotine. Sie bestehen aus 8 Isopreneinheiten und haben folglich ein C40 Grundgerüst. Sie besitzen keine funktionelle Gruppen und sind daher unpolar. Auf Grund dessen sind diese fett- und nicht wasserlöslich. Dies schränkt ihre Bioverfügbarkeit ein. Ihre Farbe (gelb bis rot) verdanken Carotine ihre delokalisierten Doppelbindungen, die Licht bestimmter Wellenlängen im sichtbaren Bereich aufnehmen. Bekanntester Vertreter der Carotine ist neben Lycopin das β Carotin, welches die Vorstufe von Vitamin A ist.

In der Lebensmittelindustrie werden Carotine in Tierfutter verwendet. Diese Farbstoffe führen in Lachsfutter dazu, dass das Lachsfleisch immer die gleiche Farbe hat und in Hühnerfutter wird so bestimmt, welche Farbe der Eidotter hat, der je nach kulturelle Vorliebe hellgelb bis leicht rötlich sein soll.

Iridoide

Iridoide sind cyclische Monoterpene mit mindestens zwei funktionellen Gruppen. Die meisten Iridoide sind Glycoside. Dadurch sind sie gut Bioverfügbar, da wasserlöslich. Diese Glycoside besitzen pharmakologische Wirkungen auf den menschlichen Körper. Hauptsächlich sind dabei antimikrobielle Wirkungen zu sehen. Sowhol Eisenkraut, Teufelskrallenwurzel als auch Waldmeisterkraut enthalten Irdioide. Exemplarisch dafür ist das Aucubin welches in zum Beispiel Mönchspfefferkraut, Augentrostkraut, Spitzwegerich oder der Wollblume enthalten ist.

Polyterpene

Polyterpene bestehen aus n Isopreneinheiten, wobei n die Größe von mehreren tausend erreichen kann. Dadurch werden diese Polyterpene fest beziehungsweise sehr zäh. Sie haben eine enorme Bedeutung für die Industrie. Zu den Polyterpenen zählt der Naturkautschuk, welcher zur Gummiproduktion eingesetzt wird. Diese Polymere spielten vorallem zu Beginn der Industrialisierung bis zur Entdeckung der synthetischen Polymere (PVC, Plastik) eine entscheidende Rolle. Deswegen ist es nicht verwunderlich, dass während des zweiten Weltkriegs die IG Farben Werke ihr Hauptaugenmerk auf die damals teure BuNa (Synthesekautschuk) Produktion legte, da Naturkatuschuk nicht mehr importiert werden konnte.

terpenes.txt · Last modified: 10.12.2014 (external edit)