Эта статья входит в число добротных статей

Тулипалин A

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Тулипалин А
Tulipaline A fornula.svg
Общие
Традиционные названия

α-метилен-γ-бутиролактон
MBL

Хим. формула

C5H6O2

Физические свойства
Состояние

жидкость

Молярная масса

98,036779 г/моль

Плотность

1,07 г/см³

Термические свойства
Т. кип.

204,4 °C

Классификация
Рег. номер CAS

547-65-9

PubChem
Рег. номер EINECS

208-931-6

SMILES
InChI
ChEBI

104120

ChemSpider
Безопасность
Токсичность

Токсичен при приёме внутрь, вызывает аллергическую реакцию при контакте

H-фразы

H226, H317

Приводятся данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иного.

Тулипали́н А (α-метилен-γ-бутиролактон, MBL[1]) — гетероциклическое органическое соединение группы лактонов с химической формулой C5H6O2. Чистый синтетический тулипалин А — прозрачная, слабо растворимая в воде[2], самопроизвольно полимеризующася жидкость без цвета и запаха[3]. Естественный тулипалин А синтезируется растениями семейств Лилейные (тюльпан, рябчик, кандык и другие[4]), Альстрёмериевые (альстрёмерия, бомарея[4]) и Розовые (Спирея[5][6]). Это сильный естественный инсектицид и фунгицид, препятствующий поражению фузариозом и большинством форм серой гнили, и, одновременно, сильный аллерген человека, вызывающий аллергический дерматит при контакте с луковицами тюльпана и срезанными цветоносами альстрёмерии.

Синтетический α-метилен-γ-бутиролактон был исследован в 1940-е годы; природный α-метилен-γ-бутиролактон впервые был выделен в 1946 году из кандыка американского (Erythronium americanum)[5]. В 1966 году гипотетические, ещё не идентифицированные фунгициды, производимые тюльпанами, получили собирательное имя тулипалины; в 1967 году тулипалин А был идентифицирован как уже известный α-метилен-γ-бутиролактон[7][8].

Синтез[править | править вики-текст]

Растения семейств лилейные и альстрёмериевые синтезируют и накапливают во всех тканях тулипозиды — специфические гликозиды. Например, в составе тюльпанов обнаружены семь различных тулипозидов (1-тулипозиды А и В, 6-тулипозиды А и B, тулипозиды D, E и F[4]); суммарная их концентрация составляет 0,2—2 % от общей массы растения, в том числе концентрация 6-тулипозида-А — до 1,5 % общей массы[9]. В альстрёмериях суммарная концентрация тулипозидов равна 1—2 % от общей массы[10]. Наибольшие концентрации тулипозидов наблюдаются в пестиках тюльпанов (до 30 % сухой массы) и листьях альстрёмерии (до 10 % сухой массы)[11]. Механизм синтеза тулипозидов растениями неизвестен. Тулипозиды сами по себе являются слабыми фунгицидами и слабыми аллергенами[12], но их запас служит источником тулипалинов — сильных биологически активных веществ[4]. Тулипалин А проявляет сильные фунгицидные и в меньшей степени бактерицидные свойства; тулипалин B — прежде всего бактерицидные[4]. Тулипалин А, кроме того, является сильным инсектицидом; в естественных условиях тулипалин, выделяемый спиреей Тунберга, за неделю уничтожает популяцию пальмового трипса[en][5].

Синтез тулипалинов из тулипозидов является, предположительно, защитной реакцией растений на повреждения мембран вакуолей патогенными грибками[3] и происходит в присутствии тулипозид-конвертирующих ферментов (TCE, КФ 4.2.99.22)[13][14]. Синтезируемый растением 1-тулипозид А непрерывно преобразуется в более стабильный 6-тулипозид А, ферменты разлагают этот промежуточный продукт на D-глюкозу и нестабильную органическую кислоту, а эта кислота преобразуется в стабильный тулипалин А[13][15]. В типичной для растительных тканей слабокислой среде (pH 5,4…6,5) тулипалины стабильны, а в щелочной среде они гидролизуются до стабильной масляной кислоты[3]. Выделенный в лабораторных условиях чистый тулипалин А относительно стабилен при температуре +2 °С, однако после нескольких недель хранения самопроизвольно полимеризуется и утрачивает биологическую активность[3]. В реакциях полимеризации тулипалин А ведёт себя подобно метилметакрилату[16]; гомополимер тулипалина А — твёрдое, хрупкое, прозрачное вещество (аналог полиметилметакрилата) с температурой стеклования 195° С[17].

Распад 1-тулипозида-А до тулипалина А и глюкозы в луковице тюльпана

В литературе описаны несколько альтернативных способов синтеза тулипалина А в лабораторных условиях. Например, тулипалин А может быть получен из аддукта антрацена по методологии Дильса—Альдера. Вначале исходный аддукт обрабатывается диизопропиламидом лития, а затем оксидом этилена. Продукт реакции разлагается на антрацен и тулипалин А в ходе импульсного вакуумного термолиза при температуре 250—300 °С и давлении в 0,1 мм рт. ст. (13 Па). Выход тулипалина А составляет 77 % от расчётного предела[18]. Все лабораторные технологии синтеза тулипалинов слишком дороги и в промышленном производстве не используются; альтернативой синтезу является производство тулипалинов из растительного сырья[19]. В 2014 году японские химики предложили биотехнологический процесс, использующий лишь воду, этанол, активированный уголь и биомассу тюльпанов особых сортов, отличающихся особо высокой концентрацией тулипозидов в цветках. В этом процессе источником тулипозидов служит водно-спиртовая вытяжка из цветков, а ферментом — извлечённые из луковиц TCE[20].

Фунгицидные свойства[править | править вики-текст]

Фунгицидные свойства экстракта луковиц тюльпана были впервые доказаны нидерландскими биохимиками в 1966 году. Действующие вещества этого экстракта, ещё не идентифицированные, получили название тулипалины; в 1967 году две независимые группы исследователей идентифицировали гипотетический тулипалин А как хорошо известный α-метилен-γ-бутиролактон[7][8]. Все тулипалины и тулипозиды угнетают развитие патогенных грибков, но тулипалин А проявляет фунгицидные свойства наиболее активно. Минимальная его концентрация, при которой наступает угнетение патогенных грибов Fusarium oxysporum f. tulipae[en], Gibberella zeae[en] и Rhizoctonia solani[en], в 5—10 раз меньше, чем необходимые концентрации других тулипалинов и тулипозидов. В отношении Pythium ultimum[en] все эти вещества эффективны в равной мере[21].

Тулипалин А угнетает все формы серых гнилей, вызываемых грибками рода Botrytis[3]; это единственное природное вещество, угнетающее развитие специфического паразита тюльпанов Botrytis tulipeae[21], пусть и столь эффективно, как другие серые гнили. Botrytis tulipeae подавляет защитные реакции тюльпанов: в поражённых им растениях тулипозиды гидролизуются до неактивных кислот, тогда как в тюльпанах, поражённых Botrytis cinerea, тулипозиды активно преобразуются в активные тулипалины[3]. В цветоводческой практике только Botrytis tulipeae способен поразить луковицу тюльпана; другие формы Botrytis ограничиваются надземными побегами[22]. Для самого тюльпана это различие не имеет значения: гибель надземного побега приводит к гибели растения в целом. Заражённые тюльпаны лечению не подлежат и уничтожаются независимо от того, какой именно грибок их поразил[23].

Наиболее опасный и экономически важнейший из всех патогенов, угнетаемых тулипалинами — возбудитель фузариоза Fusarium oxysporum f. tulipae[en][24]. Давно известная болезнь выдвинулась на первое место лишь на рубеже XX и XXI веков; предположительные причины этого — появление новых штаммов грибка, законодательные запреты на эффективные фунгициды, укрупнение цветоводческих хозяйств и их переход к машинной обработке луковиц, что резко увеличило долю выкопанных луковиц, получающих механические повреждения[24].

Луковицы наиболее подвержены фузариозу летом, сразу после выкопки, когда концентрация тулипалинов в кроющих чешуях ещё не достигла нормы. Болезнь быстро распространяется в летних хранилищах и провоцирует выделение луковицами этилена; самоотравление этиленом приводит к гибели зачатков цветков. Связь между этиленовым отравлением и синтезом тулипозидов и тулипалинов достоверно не установлена. По одним наблюдениям, концентрация этилена в воздухе в 1—2 миллионные доли и выше приводит к полной остановке синтеза тулипалинов; как следствие, защитный барьер слабеет даже у здоровых луковиц[25]. По другой работе того же автора, концентрация этилена в 2—20 миллионных долей подавляет только синтез тулипозидов, и не влияет на распад тулипозидов на глюкозу и тулипалины[26].

Аллергенные свойства[править | править вики-текст]

Луковицы тюльпана. Наибольшая концентрация тулипалина А наблюдается в тёмной покровной чешуе

Германский Федеральный институт оценки рисков классифицирует тулипалины как аллергены категории B («весьма вероятны контактные аллергические реакции»)[27]. Регулярный контакт человека с тюльпанами и альстрёмериями приводит к быстрой сенсибилизации организма к тулипалину А и характерному профессиональному заболеванию цветоводов — тюльпановому дерматиту[10].

Проявления болезни часто совпадают с симптомами грибковых поражений кожи и ногтей[27]. При контакте с луковицами тюльпанов вначале наблюдается эритема кожи кистей рук, затем её ороговение и растрескивание[12]. В начале болезни нередко отмечается кожный зуд, затем покалывание в пальцах[12]. Часто наблюдаются поражения ногтей: растрескивание ногтя, онихолизис (отслоение ногтя), абсцессы ногтевого ложа[12]. В редких случаях тюльпановый дерматит распространяется и за пределы плечевого пояса; известны случаи, когда аллергия приводила к расстройствам речи[12].

Среди работников альстрёмериевых хозяйств покалывание в пальцах и поражения ногтей не зарегистрированы[10]. Болезнь обычно впервые проявляется на кончиках пальцев, а затем охватывает всю кожу кисти[10]. Наблюдаются крапивница, экзема, шелушение кожи[10]. В литературе описан пример 54-летней женщины-цветовода, у которой аллергия развилась после однократного случайного контакта с соком срезанных альстрёмерий[10]. Первые симптомы, зуд и крапивница пальцев и предплечья, появились через двое суток после контакта[10]. Несколько дней спустя сыпь развилась в экзему с множественными пузырьками[10]. Болезнь отступила после недели наружного применения кортикостероидов; на вылеченной коже остались светлые депигментированные пятна[10].

Средство профилактики и защиты — ношение перчаток из нитрильного каучука. Обычные хирургические перчатки из латекса и поливинилхлорида проницаемы для тулипалинов и надёжной защиты не обеспечивают[10][12][27].

Аллергенные свойства тулипалина А, предположительно, обусловлены близким соседством метильной и карбонильной групп в молекуле. Структурно близкие циклические соединения, в которых эти группы удалены друг от друга (протоанемонин, γ-бутиролактон), аллергенами не являются[28].

Перспективные применения[править | править вики-текст]

Тулипалины, будучи естественным антибиотиками, неоднократно испытывались в медицине и фармацевтике (например, в 2011 году исследователи из Оксфорда показали возможность использования природных тулипалинов для синтеза противоопухолевого препарата метиленолактацина[en][29]). По состоянию на 2014 год, практического результата эти опыты не дали, в фармацевтике тулипалины не применяются.

Тулипалин А рассматривается как один из кандидатов на роль «зелёного» (возобновляемого) мономера — сырья для производства пластмасс, которое может быть извлечено из растений без использования невозобновляемых реагентов и энергоносителей[1]. Первые полимеры на базе чистого α-метилен-γ-бутиролактона и сополимеры α-метилен-γ-бутиролактона и акрилонитрита — прозрачные, весьма твёрдые, но хрупкие, — были запатентованы в США ещё в 1947 году[2]. В позднейшей литературе описаны различные опытные технологии полимеризации, как правило — не чистого тулипалина, но его смеси с другими органическими соединениями. Например, полимерметиленбутиролактон (PMBL, сополимер тулипалина А и γ-метил-α-метилен-γ-бутиролактона)— по свойствам близок полиметилметакрилату (PMMA), и выгодно отличается от него бо́льшей температурой стеклования (195 °C против 100 °С у PMMA)[16] и лучшими механическими и оптическими свойствами[1]. Сополимеры тулипалина А, отличающиеся повышенной стойкостью к истираемости и ультрафиолетовому излучению — возможная перспективная замена акриловых грунтов, красок и лаков в автомобильной промышленности[17].

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 3 Polymerization of Nonfood BiomassDerived Monomers to Sustainable Polymers // Selective Catalysis for Renewable Feedstocks and Chemicals. — Springer, 2014. — P. 200-201. — ISBN 9783319086545.
  2. 1 2 Патент США № 2 624 723 от 6 января 1953. Lactone derivatives and method of making. Описание патента на сайте Ведомства по патентам и товарным знакам США.
  3. 1 2 3 4 5 6 Van Baarlen, P. et al. Plant Defence Compounds Against Botrytis Infection // Botrytis: Biology, Pathology and Control: Biology, Pathology and Control. — Springer, 2007. — P. 150, 151. — ISBN 9781402026263.
  4. 1 2 3 4 5 Taiji Nomura et al. A Novel Lactone-Forming Carboxylesterase: Molecular Identification of a Tuliposide A-Converting Enzyme in Tulip // Plant Physiology. — 2012. — Vol. 159. — P. 565-578. — DOI:10.1104/pp.112.195388.
  5. 1 2 3 Kim, C.-S. et al. Insecticidal Component in Thunberg Spiraea, Spiraea thunbergii, against Thrips palmi // Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry. — 1998. — Vol. 62. — P. 1546-1549.
  6. Parmar, S. Prospects and Problems of Phytochemical Bipesticides // Phytochemical Biopesticides / editor: Opender Koul, G. S. Dhaliwal. — CRC Press, 2003. — P. 153. — ISBN 9780203304686.
  7. 1 2 Overeem, J. C. Preexisting Antimicrobial Substances in Plants and their Role in Disease Resistance // Fungal Pathogenicity and the Plant's Response / ed. R.J.W.Byrde. — Elsevier, 2012. — P. 197, 198. — ISBN 9780323147408.
  8. 1 2 Первая публикация — Bergman, B.H. et al Isolation and identification of α-methylene-butyrolactone, A fungitoxic substance from tulips // Recueil des Travaux Chimiques des Pays-Bas. — 1967. — Vol. 86, № 7. — P. 709-714.
  9. Lim, T. K. Edible Medicinal and Non Medicinal Plants, Volume 8: Flowers. — Springer, 2014. — P. 226-228. — 1038 p. — ISBN 9789401787482.
  10. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Spoerke, D. and Smolinskie, S. Toxicity of Houseplants. — CRC Press, 1990. — P. 73, 74. — ISBN 9780849366550.
  11. Патент США № 20 030 170 653 от 11 сентября 2003. Using genetic engineered enzyme. Описание патента на сайте Ведомства по патентам и товарным знакам США.
  12. 1 2 3 4 5 6 Spoerke, D. and Smolinskie, S. Toxicity of Houseplants. — CRC Press, 1990. — P. 212, 213. — ISBN 9780849366550.
  13. 1 2 Information on EC 4.2.99.22 - tuliposide A-converting enzyme. BRENDA. Проверено 10 июля 2015.
  14. В базе данных белков Uniprot зарегистрировано пять форм различных TCE, разлагающих тулипозид А, см. Tuliposide A-converting enzymes.
  15. Harborne, J. Introduction to Ecological Biochemistry. — Academic Press, 2014. — P. 273. — ISBN 9780080918594.
  16. 1 2 Suresh, R. Atom transfer radical polymerization // Renewable Polymers: Synthesis, Processing, and Technology. — Wiley, 2011. — ISBN 9781118217672.
  17. 1 2 Патент США № 7 465 498 от 16 декабря 2008. Tulipalin copolymers. Описание патента на сайте Ведомства по патентам и товарным знакам США.
  18. Vallee, Y. Gas Phase Reactions in Organic Synthesis. — CRC Press, 1998. — P. 133, 134. — ISBN 9789056990817.
  19. Патент США № 6 642 346 от 4 ноября 2003. Coating compositions containing substituted and unsubstituted exomethylene lactone or lactam monomers. Описание патента на сайте Ведомства по патентам и товарным знакам США.
  20. Taiji Nomura et al. Environmentally benign process for the preparation of antimicrobial α-methylene-β-hydroxy-γ-butyrolactone (tulipalin B) from tulip biomass // Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry. — 2014 (онлайн), 2015 (готовится к печати). — DOI:10.1080/09168451.2014.946395.
  21. 1 2 Shigetomi, K. et al. Asymmetric Total Synthesis of 6-Tuliposide B and Its Biological Activities against Tulip Pathogenic Fungi // Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry. — 2011. — Vol. 75. — P. 718-722. — DOI:10.1271/bbb.100845.
  22. Kie Yamada et al. Epidemiological Research on Botrytis Diseases of Tulip Plants Caused by B. tulipae and B. cinerea // IX International Symposium on Flower Bulbs. — ISHS Ornamental Plant Section // Acta Horticulturae, 2005. — P. 469. — ISBN 9066056088.
  23. Хрусталёва, В. А. Болезни и вредители // Цветоводство. — 1983. — № 2. — С. 19—21.
  24. 1 2 Miller, W. et al. Variation in Fusarium-induced Ethylene Production among Tulip Cultivars // Acta Horticulturae. — 2005. — Vol. 673 (IX International Symposium on Flower Bulbs). — P. 229-235.
  25. Fungal Pathogenicity and the Plant's Response / ed. R.J.W.Byrde. — Elsevier, 2012. — P. 114 (реплика J. Beyersbergen). — ISBN 9780323147408.
  26. Pegg, C.F. The involvement of growth regulators in the diseased plant // Effects of Disease on the Physiology of the Growing Plant / ed. P.G.Ayres. — Society for Experimental Biology, 1981. — P. 154. — ISBN 9780521298988.
  27. 1 2 3 McCluskey, J. et al. Tulipalin A induced phytotoxicity // Int J Crit Illn Inj Sci.. — 2014. — № Apr-June. — P. 181-183.
  28. Crosby, Donald. The Poisoned Weed : Plants Toxic to Skin. — Oxford University Press, 2004. — P. 117. — ISBN 9780198035428.
  29. Новости химической науки (233). chemport.ru (2011).

Литература[править | править вики-текст]

  • McCluskey, J. et al. Tulipalin A induced phytotoxicity // Int J Crit Illn Inj Sci.. — 2014. — № Apr-June. — P. 181-183.
  • Хрусталёва, В. А. Болезни и вредители // Цветоводство. — 1983. — № 2. — С. 19—21.