شیمی ترکیبات طبیعی

ترکیبات طبیعی توسط اورگانیسم­‌های گوناگونی در طبیعت تولید می­‌شوند مانند گیاهان، گلسنگ‌­ها، میکروب­‌ها (قارچ­‌ها و باکتری­‌ها)، موجودات دریایی و منابع نامتعارف دیگری چون پوست قورباغه­‌ها و حشرات. ترکیبات طبیعی شامل مولکول­‌هایی با وزن 2000-100 دالتون هستند. این مولکول­‌ها ساختارهای بسیار متنوعی داشته و از لحاظ فضایی می­‌توانند بسیار پیچیده باشند.

هدف از تولید ترکیبات طبیعی توسط موجودات زنده

ترکیبات طبیعی با اهداف گوناگونی می­‌توانند توسط موجود زنده تولید شوند. بعنوان مثال بصورت بخشی از سیستم دفاع شیمیایی برای حفاظت از موجود زندۀ تولید کننده آن ماده شیمیایی در مقابل حملات دشمنان. گیاهان انواع ترکیبات ضد میکروب تولید می­‌کنند تا در برابر آلودگی ناشی از باکتری­‌ها و قارچ‌­ها مقاومت کنند. در پوست قورباغه­‌های آمريكايی مركزی تركيبات طبيعی بسيار سمی توليد می‌شود كه اين جاندار را از خطر شكار توسط جانوران ديگر نجات می‌دهد.

بسياري از تركيبات طبيعی از منابع گياهی و ميكرواورگانيسم‌­ها تهيه می‌گردد زيرا فراهم آوردن آنها از منابع حيوانی دشوارتر است. در اين بين گياهان بسيار جذاب هستند زيرا توانایی بيوسنتز طيف وسيعی از تركيبات را دارا هستند.

موارد استفاده ترکیبات طبیعی توسط انسان

بسياری از اين مولكول­‌های آلی بصورت تاريخی مورد استفاده بشر بوده­‌اند، همانند افزودنی‌هاي مواد غذايی، رنگ­‌ها، داروهای سنتی و ساير عصاره­‌های طبيعی. نمونه‌­هايی از اين­ها رنگ­‌های طبيعی همچون ایندیگو و آلیزارین هستند كه از عصاره خام آبی برخی گياهان استخراج می‌شوند. افدرين از گياه Ephedra Sinica، ژرانیول از اسانس گل­سرخ و تركيب آليل­دي­سولفيد در گياه سير نمونه‌­های ديگر از تركيبات گياهی مفيد و مورد استفاده هستند.

بیوسنتز و سنتز مواد طبیعی

گياهان برای ساخت اين تركيبات از مواد اوليه ساده‌­ای استفاده می‌كنند: آب، کربن دی اکسید، نيتروژن (بصورت عنصری يا نمک‌­های آن)، تركيبات فسفر و نمك­‌های معدنی. مسيرهای بيوسنتزی گياهان شناسايی شده‌­اند. در اواخر قرن 17 شيميدان­‌ها از افسانه­‌ها و كيمياگری شروع به حركت به سمت روش­‌های مدرن و علمی كردند تا ويژگی­‌های عصاره­‌های سيستم‌­های زيستی را كشف كنند. آنها متوجه شدند عصاره­‌های گياهی به مراتب پيچيده‌­تر از نمک‌­ها و مواد معدنی هستند. اين امر باعث شد تا برزيلیوس در سال 1807 بين مواد آلی و معدنی تمايز قايل شود. در قرن 18 شيمی آلی منحصر به مطالعه تركيبات طبيعی بود. بدين ترتيب عصاره‌­های طبيعی تجزيه و جداسازی تركيبات تشكيل­‌دهنده­‌شان انجام شد كه در ادامه خالص­‌سازی شده و مورد بررسی قرار گرفتند.

در اواخر قرن 18 روش­‌های سنتی توسعه پيدا كردند و تركيبات طبيعی سنتز شدند. مثال­هايي از تركيبات طبيعي و زمان كشف آنها عبارتند از: مورفين (1817)، استريكنين (1818)، كوكائين (1859)، نيكوتين (1828). سنتز تركيبات طبيعی شناسايی شده نيز با اهداف گوناگونی انجام می‌پذيرد از جمله تعيين ساختار مولكولی، بهبود روش­‌های سنتزی موجود و ابداع روش­‌های جديد و همين­طور برای اهداف تجاری.

خالص­‌سازی و جداسازی ترکیبات عصاره‌­ها

روند كلی جداسازی تركيبات طبيعی از این قرار است که در مرحله­ي اول گياه خشک و خرد شده توسط حلال مناسب مورد عصاره­‌گیری قرار می­‌گيرد، سپس مواد استخراج شده تغليظ می‌شوند و هر ماده جداسازی و خالص می‌گردد.

از آنجایی­که عصاره­‌های جدا شده شامل طیف گسترده‌­ای از ترکیبات هستند می‌توان بخشی از اجزای اصلی را بصورت انتخابی جداسازی کرد. ترکیبات طبیعی مایع تقطیر می‌شوند. اسیدهای آلی طبیعی توسط استخراج آبی در محیط بازی و بازهای آلی طبیعی (آلکالوئیدها) توسط استخراج در محیط آبی اسیدی جدا می‌­شوند.

تکنیک­‌های مدرن کروماتوگرافی برای جداسازی و خالص‌­سازی انواع گوناگونی از ترکیبات با مقادیر اندک توسعه پیدا کرده‌­اند. همانند کروماتوگرافی ستونی، گازی، لایه نازک، تبادل یونی، الکتروفورز و کروماتوگرافی مایع با عملکرد بالا. نام­گذاری ترکیبات طبیعی کشف شده، عموماً بر پایه منبع گیاهی یا جانوری است که ترکیب از آن بدست آمده است و در سایر موارد براساس فعالیت زیستی یا ویژگی­‌های ترکیب آن را نام­گذاری می‌­کنند.

شناسایی ساختمان مولکولی مواد طبیعی

در اواخر قرن 18 دانشمندان تركيبات طبيعی را به اميد يافتن ارتباطی بين داده­‌های حاصل از آزمايشات و ساختار آنها مورد آزمون­‌های نقطه ذوب، نقطه جوش و چرخش نوری قرار دادند. اين ابتكار در شناسايی ساختار تركيبات كارآمد نبود ولی اطلاعات مفيدی راجع به مواد طبيعی در اختيار قرار می‌­داد. تعيين ساختار مولكول­‌ها بطور كلاسيک بصورت زير انجام می‌­گيرد: شناسايی گروه­‌های عاملی، شناسايی اسكلت كربنی و تعيين محل قرارگيری گروه‌­های عاملی، تجزيه مولكول به اجزای كوچكتر، آناليز عنصری و بررسی شيمی فضايی و در نهايت طبقه‌­بندی ساختار كشف شده در دسته تركيبات مشابه آن.

تعيين ساختار و شناسايی تركيبات طبيعی در روش‌­های مدرن براساس تكنيک­‌های اسپكتروسكوپی صورت مي­‌پذيرد. تكنيک UV از دهه 1930 متداول شد. طيف­‌سنجی اشعه مادون قرمز نيز در دهه 1940 به اين منظور مورد استفاده قرار گرفت. در دهه 1950 تكنيک رزونانس مغناطيسی هسته‌ای در اختيار پژوهشگران قرار گرفت. در سال­‌های بعدی طيف­‌سنجی جرمی و رزونانس اسپين الكترونی نيز به مجموعه تكنيک‌های قبلی اضافه شد.

امروزه روش‌­های جديد بر پايه برهمكنش تركيبات فعال نوری با نور پلاريزه غير مخرب نيز در تعيين ساختار تركيبات طبيعی بطور گسترده مورد استفاده قرار می‌گيرد. همچنين كريستالوگرافی اشعه ایکس نيز تكنيک قدرتمندی در تعيين پيكربندی مولكول­‌های آلی با منشأ طبيعی است. روش‌­های جديد از سويی با كاهش زمان آناليز تركيبات و از سويی با حساسيت بالايی كه دارند نياز به مقادير زياد از تركيبات برای آناليز را از ميان برداشته­‌اند.

ظهور مفاهیم آلی و معدنی

در فاصله سال­‌های 1785-1769 شیله توانست حضور تارتاريک اسيد در انگور، سيتريک اسيد در ليمو، ماليک اسيد در سيب، گالیک اسيد در صفرا، لاكتيک اسيد در شير و اوريك اسيد در ادرار را نشان دهد.

در سال­‌های 1777-1772 لاوازيه شكر، اتانول و استيک اسيد را سوزاند و تنها چيزی كه حاصل از سوختن آنها مشاهده كرد آب و دی‌­اكسيد­كربن بود، از اينجا نتيجه گرفت كه تركيبات سوخته شده بايد شامل كربن و هيدروژن باشند. اندازه­‌گيری كمی اثبات كرد در ساختمان اين مواد بايستی اكسيژن نيز وجود داشته باشد. مطالعات بعدی حضور عنصر نيتروژن را نيز در برخی تركيبات طبيعی به اثبات رسانيد.

در سال 1807 برزيليوس اصطلاح آلی و معدنی را به ترتيب برای مواد توليد شده توسط موجودات زنده و مواد يافت شده در مواد معدنی اطلاق كرد. در سال 1828 وهلر توانست اوره را از مواد غير آلی سنتز كند.

در سال 1833 پرسوز و پاين متوجه فعاليت آنزيمی شدند و توانايی موجودات زنده  براي توليد تركيبات طبيعی در تمامی سلول­‌ها به آنزيم‌­ها ارتباط داده شد هرچند بعدها بوخنر در سال 1897 نشان داد برای فعاليت آنزيمی نيازی به سلول نيست و آنزيم­‌ها در محلول­‌ها نيز فعاليت زيستی از خود نشان دادند.

در قرن بيستم مطالعه تركيبات آلی به دو شاخه شيمی آلی امروزی (علم مطالعه مواد آلی ساخت دست بشر) و شيمی تركيبات طبيعی (علم مطالعه مواد آلی ساخت موجودات زنده) تقسيم شد.

متابولیت‌­های اولیه و ثانویه

در سال 1891 كوزل دانشمند رشته شيمی فيزيولوژی پيشنهاد داد كه متابوليت­‌های درون موجود زنده بايستی به دو بخش تقسيم گردند. يكی متابوليت­‌های اوليه كه پايه و اساس بيوشيمی تمام سلول­‌ها هستند و ديگری متابوليت‌­های ثانويه كه هر يک فقط در تعدادی از موجودات زنده يافت می‌شوند. متابوليت­‌های ثانويه موادی هستند كه شيميدان‌­ها به آن تركيبات طبيعی می‌­گويند.

تركيبات طبيعی توسط آنزيم‌­ها توليد می‌­شوند كه در مقايسه با واكنش‌­های شيميايی سنتزی انتخابگری بسيار بالايی دارند. درون موجودات زنده مسيرهای بيوسنتزی گوناگونی وجود دارند كه در هر مسير دسته­ای از تركيبات طبيعی با استفاده از واحدهای ساختاری خاص سنتز می‌شوند. به عنوان مثال در مسير شيكيمات، فنيل پروپانوئيدها [C₆– C₃– C₆] توليد مي­‌گردند و در مسير موالونات، ترپنوئيدها از به هم پيوستن واحدهای ايزوپرن [C₅] مشتق می‌شوند.

هريک از تركيبات طبيعی و مواد فيتوشيميايی به­‌صورت منحصر به فرد در گونه­‌ها يا خانواده­‌های خاصی از موجودات زنده يافت می‌شوند. در واقع اكثر تركيباتی كه در همه­‌جا و در تمام موجودات زنده وجود دارند یعنی متابولیت‌­های اولیه (اسيدهای آمينه، اسيدهای نوكلئيک، قندها) جزو تركيبات طبيعی طبقه­‌بندی نمی‌شوند.

مطالعه تركيبات طبيعی معمولاً موضوع مورد مطالعه شيميدان­‌ها است و بررسی متابوليت­‌های اوليه در حوزه علم بيوشيمی قرار می‌گيرد. متابوليسم اوليه شامل فرايندهاي شيميايي است كه هر گياه در طول روز به منظور تكثير و توليد و زنده ماندن به آنها نياز دارد. فرايندهايی چون فتوسنتز، گليكوليز، چرخه سيتريک اسيد، سنتز آمينو اسيدها و پروتئين­‌ها و آنزيم‌­ها، سنتز مواد ساختمانی سلول، ساخت DNA و RNA و جذب مواد غذايی جزو متابوليسم اوليه هستند.

در مقابل، متابوليسم ثانويه شامل پروسه­‌های شيميايی است كه ويژه هر جنس يا خانواده گياهی است و در مورد گياهان مختلف، متفاوت از همديگر است. متابوليسم ثانويه فرايندی است كه منجر به توليد يک تركيب طبيعی می‌گردد. در اغلب موارد متابوليت­‌های ثانويه برای زنده ماندن گياه ضروری نيستند ولی در رقابت برای بقا، امتياز ويژه­‌ای برای گياه ايجاد می‌كنند.

لطفاً نظر ارزشمند خود را درباره این مقاله در بخش دیدگاه بنویسید.