Terpene

Terpene sind eine Klasse von Naturstoffen, die aus Verbindungen mit der Formel (C₅H₈)_n)n bestehen. Diese ungesättigten Kohlenwasserstoffe werden überwiegend von Pflanzen, insbesondere von Nadelbäumen, produziert. Es sind über 8.000 Terpene und über 30.000 der nahe verwandten Terpenoide bekannt. Sie werden weiter nach der Anzahl der Kohlenstoffe unterteilt: Monoterpene (C₁₀), Sesquiterpene (C₁₅), Diterpene (C₂₀) usw. Ein bekanntes Monoterpen ist alpha-Pinen, ein Hauptbestandteil von Terpentin.

Biologische Funktion

Terpene sind auch wichtige Bausteine der Biosynthese. Steroide zum Beispiel sind Derivate des Triterpens Squalen. Terpene und Terpenoide sind auch die Hauptbestandteile der ätherischen Öle vieler Pflanzen- und Blumenarten In Pflanzen sind Terpene und Terpenoide wichtige Vermittler ökologischer Wechselwirkungen. So spielen sie beispielsweise eine Rolle bei der Pflanzenabwehr gegen Herbivorie, bei der Krankheitsresistenz, bei der Anziehung von Mutualisten wie Bestäubern sowie möglicherweise bei der Kommunikation zwischen Pflanzen und scheinen eine Rolle als Antifeedantien zu spielen. Weitere Funktionen von Terpenoiden sind die Modulation des Zellwachstums und der Pflanzenstreckung, die Lichtausbeute und der Lichtschutz sowie die Kontrolle der Membranpermeabilität und -fluidität.

Bei wärmerem Wetter werden von Bäumen größere Mengen an Terpenen freigesetzt, die als natürlicher Mechanismus für die Wolkenbildung fungieren können. Die Wolken reflektieren das Sonnenlicht, wodurch sich die Temperatur im Wald regulieren kann.

Einige Insekten nutzen einige Terpene als eine Form der Verteidigung. Termiten der Unterfamilie Nasutitermitinae beispielsweise wehren räuberische Insekten ab, indem sie einen speziellen Mechanismus, die Fontanellarkanone, einsetzen, der ein harziges Terpengemisch ausstößt.

Anwendungen

Das Terpen, das am häufigsten verwendet wird, ist Naturkautschuk (d. h. Polyisopren). Die Möglichkeit, andere Terpene als Ausgangsstoffe für die Herstellung synthetischer Polymere zu verwenden, wurde als Alternative zur Verwendung von Rohstoffen auf Erdölbasis untersucht. Allerdings wurden nur wenige dieser Anwendungen kommerziell genutzt.

Viele andere Terpene haben jedoch kleinere kommerzielle und industrielle Anwendungen. So wird beispielsweise Terpentin, ein Gemisch aus Terpenen (z. B. Pinen), das durch Destillation von Kiefernharz gewonnen wird, als organisches Lösungsmittel und als chemisches Ausgangsmaterial (hauptsächlich für die Herstellung anderer Terpene) verwendet. Kolophonium, ein weiteres Nebenprodukt von Nadelbaumharz, wird in großem Umfang als Bestandteil einer Vielzahl von Industrieprodukten wie Tinten, Lacken und Klebstoffen verwendet.

Terpene werden häufig als Duft- und Geschmacksstoffe in Konsumgütern wie Parfüms, Kosmetika und Reinigungsmitteln sowie in Lebensmitteln und Getränken verwendet. Das Aroma und der Geschmack von Hopfen beispielsweise stammen zum Teil von Sesquiterpenen (hauptsächlich α-Humulen und β-Caryophyllen), die die Qualität des Bieres beeinflussen. Sie sind auch Bestandteil einiger traditioneller Arzneimittel, z. B. in der Aromatherapie. Einige bilden Hydroperoxide, die als Katalysatoren bei der Herstellung von Polymeren geschätzt werden.

Terpene können als umweltfreundliche Insektizide verwendet werden, indem sie als Pheromone Insekten in Fallen locken. Außerdem wirken viele antimikrobiell. Viele Terpene wirken antimikrobiell und werden auch als Geruchs- oder Geschmacksstoffe in Parfümen und kosmetischen Produkten eingesetzt. Ebenfalls werden Ätherische Öle z. B. zu Alkohol hinzugefügt (hier z. B. Mundspülung Listerine), um diese ungenießbar zu machen (sogenannten denaturierten Alkohol).

Physikalische und chemische Eigenschaften

Terpene sind farblos, obwohl unreine Proben oft gelb sind. Die Siedepunkte hängen von der Molekülgröße ab: Terpene, Sesquiterpene und Diterpene liegen bei 110, 160 bzw. 220 °C. Da sie sehr unpolar sind, sind sie in Wasser unlöslich. Da sie Kohlenwasserstoffe sind, sind sie leicht entzündlich und haben ein geringes spezifisches Gewicht (schwimmen auf Wasser).

Terpenoide (Mono-, Sesqui-, Di- usw.) haben ähnliche physikalische Eigenschaften, sind aber in der Regel polarer und daher etwas besser wasserlöslich und etwas weniger flüchtig als ihre Terpen-Analoga. Hochpolare Derivate der Terpene sind die Glykoside, die mit Zuckern verbunden sind. Sie sind wasserlösliche Feststoffe. Es handelt sich um fühlbar leichte Öle, die deutlich weniger viskos sind als bekannte Pflanzenöle wie Maisöl (28 cP), mit einer Viskosität zwischen 1 cP (ala Wasser) und 6 cP. Wie andere Kohlenwasserstoffe sind sie leicht entflammbar. Terpene sind lokale Reizstoffe und können bei Verschlucken Magen-Darm-Störungen verursachen.

Klassifizierung

Den Terpenen ist gemeinsam, dass sie sich auf ein Gerüst zurückführen lassen, dessen Grundeinheit einfach oder mehrfach der ungesättigte Kohlenwasserstoff Isopren ist.

Terpene können nach der Anzahl der Isopreneinheiten im Molekül klassifiziert werden; ein Präfix im Namen gibt die Anzahl der Isoprenpaare an, die für den Aufbau des Moleküls erforderlich sind. Terpene enthalten in der Regel 2, 3, 4 oder 6 Isopren-Einheiten; die Tetraterpene (8 Isopren-Einheiten) bilden eine eigene Klasse von Verbindungen, die Carotinoide; die anderen sind selten.

Hemiterpene bestehen aus einer einzigen Isopreneinheit. Isopren selbst ist das einzige Hemiterpen, aber sauerstoffhaltige Derivate wie Prenol und Isovaleriansäure sind Hemiterpene.
Monoterpene bestehen aus zwei Isopren-Einheiten und haben die Summenformel C₁₀H₁₆. Beispiele für Monoterpene und Monoterpenoide sind Geraniol, Terpineol (in Flieder), Limonen (in Zitrusfrüchten), Myrcen (in Hopfen), Linalool (in Lavendel), Hinokitiol (in Zypressen) oder Pinen (in Kiefern). Iridoide leiten sich von Monoterpenen ab. Beispiele für Iridoide sind Aucubin und Catalpol.
Sesquiterpene bestehen aus drei Isopreneinheiten und haben die Summenformel C₁₅H₂₄. Beispiele für Sesquiterpene und Sesquiterpenoide sind Humulen, Farnesen, Farnesol, Geosmin. (Die Vorsilbe sesqui- bedeutet eineinhalb.)
Diterpene bestehen aus vier Isopren-Einheiten und haben die Summenformel C₂₀H₃₂. Sie leiten sich von Geranylgeranylpyrophosphat ab. Beispiele für Diterpene und Diterpenoide sind Cafestol, Kahweol, Cembren und Taxadien (Vorläufer von Taxol). Diterpene bilden auch die Grundlage für biologisch wichtige Verbindungen wie Retinol, Retinal und Phytol.
Sesterterpene, Terpene mit 25 Kohlenstoffen und fünf Isopren-Einheiten, sind im Vergleich zu den anderen Größen selten. (Die Vorsilbe Sester- bedeutet zweieinhalb.) Ein Beispiel für ein Sesterterpenoid ist Geranylfarnesol.
Triterpene bestehen aus sechs Isopren-Einheiten und haben die Summenformel C₃₀H₄₈. Das lineare Triterpen Squalen, der Hauptbestandteil von Haifischleberöl, wird durch reduktive Kopplung zweier Moleküle Farnesylpyrophosphat gewonnen. Squalen wird dann biosynthetisch verarbeitet, um entweder Lanosterin oder Cycloartenol zu erzeugen, die strukturellen Vorläufer aller Steroide.
Sesquarterpene bestehen aus sieben Isopren-Einheiten und haben die Molekularformel C₃₅H₅₆. Sesquarterpene sind in der Regel mikrobiellen Ursprungs. Beispiele für Sesquarterpene sind Ferrugicadiol und Tetraprenylcurcumene.
Tetraterpene enthalten acht Isopren-Einheiten und haben die Summenformel C₄₀H₆₄. Zu den biologisch wichtigen Tetraterpenoiden gehören das azyklische Lycopin, das monozyklische Gamma-Carotin und die bizyklischen Alpha- und Beta-Carotene.
Polyterpene bestehen aus langen Ketten von vielen Isopren-Einheiten. Naturkautschuk besteht aus Polyisopren, bei dem die Doppelbindungen cis sind. Einige Pflanzen produzieren ein Polyisopren mit trans-Doppelbindungen, das als Gutta-Percha bekannt ist.
Norisoprenoide, wie das C₁₃-Norisoprenoid 3-Oxo-α-Ionol, das in den Blättern von Muscat of Alexandria vorkommt, und 7,8-Dihydroionon-Derivate, wie Megastigmane-3,9-Diol und 3-Oxo-7, 8-Dihydro-α-Ionol, die in Shiraz-Blättern (beides Trauben der Art Vitis vinifera) oder im Wein (verantwortlich für einige der würzigen Noten im Chardonnay) vorkommen, können durch Pilzperoxidasen oder Glycosidasen gebildet werden.

Terpenoide

Das Grundgerüst der Terpenoide lässt sich ebenfalls von Isopren-Einheiten ableiten. Im Unterschied zu den Terpenen sind sie durch zusätzliche funktionelle Gruppen gekennzeichnet, können aber auch in ihrem Kohlenstoffgerüst Unterschiede aufweisen.

Terpenoide kommen in der Natur vorwiegend als Vertreter der Alkohole, Ether, Aldehyde, Ketone, Carbonsäuren, Carbonsäureester und Glycoside vor. Ätherische Öle, die aus Pflanzen gewonnen werden, bestehen zum Großteil aus Terpenen bzw. Terpenoiden. Sie spielen für die Pflanze eine wichtige Rolle bei der Modulation zellulärer Funktionen und in den Wechselwirkungen pflanzlicher und tierischer Arten eines Ökosystems, indem sie beispielsweise Fressfeinde abschrecken, Bestäuber anlocken oder mutualistische Formen des Zusammenlebens fördern.