Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа № 66

г. Нижнего Новгорода

Научное общество учащихся

Эфирные масла хвойных деревьев

                  Выполнил :     Гусев Вадим

                                                                учащийся 10 а класса

                                                     Руководитель:    

                                                                       Шеронова С.М.   учитель

                                       химии

Нижний Новгород

2014 г.

Содержание

Введение……………………………………………………………………………………….1

Глава 1 Эфирные масла

1.  Эфирные масла ……………………………………………………..…………………….3
2.  Химический состав эфирных масел……………………………………………………..4

1.3. Свойства эфирных масел…………………………………………………………………5

1.4. Получение эфирных масел……………………………………………………………….6

1.5. Химический состав хвойных деревьев, произрастающих на территории школы……7

Глава 2  Состав, свойства, получение и  методики применения  эфирных масел некоторых хвойных растений………………………………………………………..……..8

2.1. Сосновое масло……………………………………………………………………..……..8

2.2. Лиственничное масло …………………………………………………………………….9

2.3. Кедровое масло…………………………………………………………………………...10

2.4. Масло туи …………………………………………………………………..………….…12

Глава 3 Терпены и терпеноиды……………………………………………………………13

3.1. Классификация…………………………………………………………………………...14

3.1.1. Ациклические монотерпены…………………………………….…………………….16

3.1.2.Карбоциклические терпены и терпеноиды…………………………………………...18

3.1.3.Бициклические терпены и терпеноиды……………………………………………….20

3.1.4. Трициклические монотерпены………………………………………………………..21

3.1.5. Кислородные производные бициклических терпенов………………………………21

3.1.6. Ароматические соединения……………………………………………………………21

3.1.7. Сесквитерпены…………………………………………………………………………23

3.2.Физические свойства монотерпенов и монотерпеноидов……………………………. 24

3.3. Химические свойства терпеновых соединений………………………………………..24

3.3.1.Химические свойства монотерпенов и монотерпеноидов…………………………...25

3.3.2.Химические свойства бициклических терпенов ……………………………………..26

Глава 4  Практическая часть Выделение эфирных масел……………………….…….27

1. Выделение органических веществ из хвои сосны, кедра, туи и ели………………........27

2. Реакции ненасыщенных соединений с бромной водой и перманганатом калия….…...28

3. Еловые духи ( Сюрпризы к празднику)…………………………………………………..28

Заключение……………………………………………………………………………………30

Источники……………………………………………………………………………………..31

Введение

  Человечество знакомо с достоинствами натуральных эфирных масел уже более 3000 лет, в том числе с их целебными, очищающими свойствами, способностью повышать настроение, восхитительными ароматами.

   Эфирные масла - это сложные многокомпонентные смеси душистых, легколетучих веществ. Они содержатся в различных частях растений: цветах, корнях, листьях, плодах, семенах, соцветиях. Эфирные масла обладают антисептическими, бактерицидными и антивирусными, а некоторые и гормональными свойствами. Эфирные масла обладают направленным лечебным действием на организм человека и могут применяться при лечении различных заболеваний: сердечно-сосудистых, бронхолегочных и др., как успокаивающие, гипертензивные, антимикробные, спазмолитические, общеукрепляющие, противовоспалительные средства. Они могут проникать в наш организм через кожу и воздушно-капельным путём. Масла можно также  использовать при уборке квартиры, при стирке и глажке или в качестве ароматизатора в автомобиле.       Изучение свойств эфирных масел идет широко во всем мире и наверняка принесет ещё много открытий.

    Последнее время люди перестают доверять синтетическим лекарственным препаратам из-за их возможного отрицательного побочного воздействия.
и вновь открывают благотворное действие эфирных масел. Стрессы, загрязнение окружающей среды, неправильное питание, беспокойный, малоподвижный образ жизни вредно влияют на наше тело и душу. Искусство ароматерапии использует могущество чистых экстрактов из ароматических растений, цветов и смол, воздействуя на обоняние и осязание, и восстанавливает гармонию духа и плоти.

  Сейчас мы как бы заново обретаем наше утраченное знание об использовании лекарственных растений. Поэтому данная тема является актуальной и практически значимой. 

Объект исследования: хвоя
Предмет исследования: химический состав хвойных деревьев и  эфирных масел, получаемых из хвои.

В связи с избранной темой была сформулирована цель исследования:

Структура работы

              Данная работа состоит из титульного листа, содержания, введения, основной   части, практической части, заключения и списка использованной литературы.

               Во введении раскрыта актуальность выбранной темы, определены цель, задачи и   методы  работы. В основной части раскрыты вопросы об эфирных маслах, их составе, свойствах, методах получения и областях применения. В практической части описаны проделанные опыты  по выделению эфирных масел из хвои ели, сосны,  кедра, туи. В заключении сделаны выводы  и приведён список использованной литературы.

Глава 1  Эфирные масла

1. Эфирные масла 

    В настоящее время эфирные масла определяются как многокомпонентные органические соединения терпенов, спиртов, альдегидов, кетонов, углеводородов и других веществ, вырабатываемые эфиромасличными растениями. 

    Эфирные масла - это летучие масла, которые извлекаются из ароматических растений. Они широко использовались с древних времен и применялись в терапевтической, медицинской и кулинарной областях.

    Термин “эфирные масла” не совсем удачен потому, что достался в наследие от средних веков, когда о химической природе веществ, обусловливающих запахи растений, еще ничего не было известно. Эти вещества впервые были получены алхимиками, дни и ночи проводившими в поисках заветного философского камня, или эликсира жизни. Одним из основных методов алхимических исследований была дистилляция, или перегонка. В экспериментах с растениями были получены похожие на масло вещества, издававшие сильный аромат. В отличие от обычных растительных масел они быстро улетучивались на воздухе, за что и были названы “эфирными маслами”. Значительно позднее, когда алхимия стала достоянием истории, ученые выяснили, что в химическом отношении жирные и эфирные масла не имеют ничего общего. Жиры и жирные масла представляют собой сложные эфиры трехатомного спирта глицерина и высокомолекулярных жирных кислот: олеиновой, пальмитиновой и стеариновой. В составе же эфирных масел глицерин отсутствует.

2.  Химический состав эфирных масел

  Состав разных эфирных масел неоднороден. Основными компонентами эфирных масел  являются :

• терпены и  терпеноиды,
• ароматические соединения,
• предельные и непредельные углеводороды, 
• альдегиды, 
• органические кислоты (аскорбиновая, галловая, стеариновая, пальмитиновая и др.),
•  спирты,
•  сложные эфиры,
•  гетероциклические соединения, 
• амины, 
• фенолы,
• органические сульфиды
• витамины (К, А, Е, F, С, РР, Р, В, D и др.
• макро- и микроэлементы (фосфор, калий, магний, медь и др. ),
• алкалоиды    и другие органические соединения.

Большинство из эфирных масел состоит из сотен компонентов, содержащихся в разных количествах — от нескольких десятков процентов до тысячных или даже миллионных частей. Количество различных органических и неорганических веществ, входящих в состав эфирных масел, варьирует от 100 до 500 и более.

    Состав эфирных масел в процессе развития растений и в отдельных их частях разный, и их ароматический “букет” также отличается. Состав эфирного масла у отдельных видов растений также существенно изменяется в зависимости от условий выращивания или места обитания. Например, лучшее лавандовое масло поставляют из горных районов Франции, а наиболее ценное лимонное и апельсиновое масла производят на Сицилии. Именно по этой причине только полтора десятка эфирных масел фигурируют в Фармакопеях различных стран.

3. Свойства эфирных масел

  Эфирные масла — прозрачные, бесцветные или слегка окрашенные (желтые, зеленые, коричневые, красноватые) жидкости, имеющие выраженный характерный аромат, маслянистые на вид.

  Для них характерны следующие физико-химические свойства: плотность — 0,8-1,5 г/см; температура кипения — 160 - 240° С; температура кристаллизации — от +17 до -30° С.

     Под действием света, воздуха и влаги в эфирных маслах протекают процессы окисления и осмоления, что сопровождается изменением цвета и запаха.

    Большинство эфирных масел обладают жгучим вкусом, практически нерастворимы в воде, однако после взбалтывания вода приобретает запах эфирного масла. Хорошо растворяются в органических растворителях: в петролейном и диэтиловом эфирах, в этиловом спирте, бензоле, ацетоне, а также в растительных и животных жирах и натуральных продуктах (мед, молоко, сливки). Эфирные масла хорошо растворяют различные смолы, воски, парафины, жиры, резину,  поэтому при работе с ними нельзя применять такие вещества, а также их нельзя хранить в пластиковой таре, а только в стекле с 50%-ным затемнением.

     Эфирные масла летучи, в течение 0,5-3 часов полностью испаряются не оставляя жирных пятен на бумаге, хотя легкое окрашивание возможно, если эфирное масло имеет цвет. Это свойство необходимо учитывать при составлении смеси масел. К высоколетучим маслам относятся эфирные масла чайного дерева, кипариса, мяты перечной, лимона. Средние показатели летучести имеют эфирные масла сосны, мирры, ромашки, розмарина.  Низколетучими маслами считаются сандаловое, ладанное, кедровое, пачули.           Эфирные масла горючи.

1.4.  Получение эфирных масел

     Эфирные масла могут быть получены из разных частей растений, в том числе из корней, стеблей, соцветий, семян, коры, древесины и листьев. Известно несколько способов получения пахучих веществ из растений. В настоящее время в промышленном масштабе применяется несколько способов получения эфирных масел.

1. Перегонка с водяным паром при атмосферном, повышенном или пониженном давлении в аппаратах периодического или непрерывного действия.

2. Анфлераж (от франц. аnfleurer – передавать цветочный аромат) – сорбция летучих компонентов слоем твердого жира.

3. Мацерация (от лат. macero – размягчаю) – экстракция пахучих веществ растительными маслами или расплавленными жирами при обычной или повышенной (50–70 °С) температуре.

4. Экстракция органическими растворителями с последующей отгонкой экстрагента и получением конкрета, обработкой конкрета этанолом для отделения осадка воскоподобных веществ, упариванием спиртового раствора и получением абсолютного масла.

5. Суперкритическая экстракция (экстракция сжиженными газами – углекислота, пропан, бутан, находящимися в сверхкритическом состоянии).

6. Холодное прессование (выжимание) с последующим центрифугированием.

    Подавляющее большинство эфирных масел получают с использованием дистилляционных методов. Дистилляционные методы включают простую дистилляцию (гидродистилляция), дистилляцию с паром (пародистилляцию) и гибридное сочетание – гидропародистилляцию. Все указанные процессы могут осуществляться при атмосферном или пониженном давлении, так как этот метод и его аппаратурное оформление наиболее просты.

   Наиболее простая установка для выделения масел из хвои состоит из печи с вмазанным в нее чугунным или железным котлом с надетым на верхнюю часть котла деревянным чаном с крышкой, отводной трубой и холодильником. Пихтовая, сосновая и пр. «лапка», т. е. мелкие ветки пихты, сосны,  снятые с растущих или свежесрубленных деревьев, укладывается на деревянную решетку котла, предварительно наполненного на 3/4 водой. При нагревании пары воды проходят через загруженную на решетку пихтовую лапку (в количестве около 50 кг), увлекают за собой пары масла и охлаждаются в холодильнике, при чем смесь воды и масла стекает в приемник. Масло, имеющее меньший удельный вес, не смешивается с водой и легко от нее отделяется. Более совершенное устройство для извлечения пихтового, соснового  масла, где деревянный чан помещается отдельно от котла и соединяется с ним паропроводом. Кроме большой производительности, такая установка увеличивает выход масла и устраняет возможность перегрева лапки и порчи котла в случае полного испарения воды, причем возможность этого случая почти исключается в виду наличия у котла водомерной трубки.

1.5. Химический состав хвойных деревьев, произрастающих на территории школы

   В         почках сосны, ели, кедра или лиственницы содержатся: эфирное масло (до 0, 4%), смолы, дубильные вещества, пинипикрин, крахмал, витамины ( особенно богаты почки витаминами С и К), следы алкалоидов.

   В хвое содержатся дубильные вещества ( около 5 %), эфирное масло ( до 0,3%), составными частями которого являются альфа- и бета-пинен, лимонен, борнеол, борнилацетат, кадинен, карен, терпинеол,церратендиол, а также смоляные кислоты; алкалоиды, смолы, жиры ( около 3 %), крахмал ( около 20%, каротин, сахара, горько-пряные вещества, минеральные соли ( особенно железа), витамины К, Е, С ( до 0,3%). В хвое в 6 раз больше витаминов, чем в лимонах и апельсинах. Помимо этого в иглах и коре содержатся антоциановые соединения. Витаминов больше в зимней хвое, смолистых и горьких веществ больше в молодых листьях.

   В семенах – жирное масло ( 26 – 32 %)

 Хвою можно собирать в любое время года, но лучше всего поздней осенью и зимой, когда в ней содержится наибольшее количество аскорбиновой кислоты и эфирного масла.

    В свежих листьях туи содержится эфирное масло с туйоном, схожее с можжевеловым маслом и гликозид пинипикрин. Масло получают в основном при перегонке листьев туи. Оно содержит  пинен, кардиофиллен, сесквитерпеновый спирт, сесквитерпеновый углеводород, фидрен, цедрол, пинипикрин, пинин, туин, дубильные вещества, смолу. В семенах содержится много эфирного масла.

   В древесине туи содержится аромодендрин, токсифоллин, эфирное масло желтого цвета с приятным запахом. Масло получают в основном при перегонке листьев туи. Оно  содержит  пинен, кардиофиллен, сесквитерпеновый углеводород  фидрен, цедрол, пинипикрин, пиллен, пинин, туйон, дубильные вещества, смолу, сесквитерпеновый спирт.

Глава 2. Состав, свойства, получение и методики применения  эфирных масел некоторых хвойных растений

2.1. Сосновое масло

Цвет: от бесцветного до бледно-жёлтого.

Аромат: хвойный.

Метод получения: перегонка с паром.

Используемая часть растения: хвоя и древесина.

Химический состав: α- и β-пинен, камфен, сабинен, лимонен, δ-карен, α- и β-фелландрен, мирцен, оцимен, туйен, камфора, кариофиллен, борнилацетат, сесквитерпеновые спирты, терпеновые углеводороды, простые и сложные эфиры:кадинен, борнилацетат, терпинилацетат,борнеол, дипентен, камфен, пи-нен, сильвестрен, фелландрен.

Целебное действие: Масло обладает антисептическим, дезинфицирующим, восстанавливающим, противовоспалительным, общестимулирующим, мочегонным, потогонным и рядом других действий.

Методики применения:

   Применяется в ароматерапии как компонент отдушек для мыла и других косметических моющих средств, хвойная добавка для ванн и дезодорантов.

Применяется  в ароматерапии как компонент отдушек для мыла и других косметических моющих средств, хвойная добавка для ванн и дезодорантов. При массаже добавляется как дезинфицирующее и антисептическое средство. Масло применяется в бытовой химии.

Также сосновое масло применяется в процессе добычи металлов из руд. В раствор золотосодержащей почвы добавляется сосновое масло и ксантогенат, в результате появляется пена с золотом.

2.2 Лиственничное масло

Лиственничное масло – прозрачная жидкость жёлтого цвета.

Аромат: хвойный.

Метод получения: перегонка с водяным паром, выход 8 %.

Используемая часть растения: хвоя или живица.

Химический состав: α-пинен, борнеол, борнилацетат

Целебное действие: Лиственничное масло обладает ранозаживляющим, раздражающим, антимикробным действием.

Применение: При бронхитах, абсцессах лёгких, катаре верхних дыхательных путей рекомендуют ингаляции эфирного масла как антимикробное средство. В практической медицине применяют эфирное масло лиственницы как наружное и раздражающее средство при ревматизме, миозите, подагре, невралгии, люмбаго, ишиалгии – в чистом виде, либо в составе мазей. При зубной боли компресс  с лиственничным маслом накладывают на щёку против поражённого зуба.

Методики применения: в виде линимента Лиственничное масло может быть использовано для заживления ран, повреждений кожи: 10-20% лиственничное масла и 80-90 % любого растительного масла). Наружно, в виде пропитанных маслом повязок, может использоваться при ревматизме, миозитах, подагре.

Ванны: 4-5 капель на полную ванну. При заболеваниях нервной системы, ревматизме, артритах, остеохондрозе, для профилактики простудных заболеваний.

Массаж: 3-4 капель на 10 г масла-основы – для общего укрепления нервной системы, при радикулитах, артритах.

Растирания: 7-8 капель на 5 г масла-основы при ревматизме, артритах, остеохондрозе, вывихах, растяжениях, ушибах.

Ароматизация помещения: влияет на эмоциональное состояние находящихся в нём людей. Можно ароматизировать помещение из пульверизатора, предварительно взбив несколько капель масла с водой, но наиболее сильный эффект получают при распылении масла специальным ингалятором. Лиственничное масло -  прекрасное профилактическое средство против гриппа, различных инфекционных заболеваний.

Меры предосторожности: не использовать при индивидуальной непереносимости хвойных масел.

2.3. Кедровое масло

Цвет: от жёлтого до насыщенного янтарного.

Аромат: с бальзамическим запахом, стойким, с древесными нотами.

Используемая часть: хвоя и древесина.

Метод получения: паровая дистилляция.

Химический состав:  α - и γ-химачален, δ -кадинен, α -гумулен, α и  γ -атлантон, тетрагидроацетофенон, метилацетофенон, эфиры жирных кислот ( масляной, капроновой и стеариновой) и др.

Целебное действие: антисептическое, вяжущее, противогрибковое, мочегонное, муколтическое, регенерирующее, седативное, инсектицидное, адаптогенное, противогнилостное, афродизиак.

Применение: Эфирное масло кедра обладает лёгким вяжущим действием и применяется для ухода за кожей при акне. Его антисептические свойства позволяют успешно устранять прыщи. Благодаря антиоксидантными свойствам омолаживает кожные покровы, повышает их тургор, помогая сохранить здоровый вид кожи и свежий цвет лица. Считается эффективным средством при облысении и у мужчин, и у женщин. Используют для стимуляции роста волос, т.к. восстанавливает целостность кератинового слоя, придавая волосам здоровый блеск и ухоженный вид. Уменьшает жирность волос, в связи с чем применяется для устранения перхоти. Масло кедра используется в мужских средствах гигиены, например, в лосьонах после бритья из-за дезодорирующего действия. Эффективно при целлюлите благодаря действию на лимфатичексую систему. Рекомендуется для ароматизации шкафов с одеждой для предотвращения появления моли ( т.к. обладает репеллентными свойствами).

Используется при медитации.

Методики применения:

Аромалампа: 5-7 капель на 15 м2

В сауне и бане: 4-6 капель.

Ванны: 4-6 капель на ванну.

Массаж: 6 капель на 10 мл основы, противопростудные растирания грудной клетки – 20 капель на 30 мл базисного масла.

Горячие ингаляции: 3 капли, длительность процедуры 5-10 минут.

Холодные ингаляции: длительность 5-7 минут.

Капли в нос: 3-4 капли на 2-3 чайных ложки масла зверобоя.

Примочки: 15 капель на 30 мл кипячёной воды.

Растирания: 7-8 капель на 5г транспортного масла.

Средство от трещин: 20 капель на 10 мл масла авокадо или ростков пшеницы.

При экземе и сыпи на коже: 8 капель масла кедра на 20 мл зародышей пшеницы.

Применять три раза в день.

При облысении: 5 капель масла кедра на 10 мл базового масла, втирать в кожу головы за несколько часов до мытья волос.

2.4. Масло туи

Цвет: бледно-желтая или прозрачная жидкость.

Аромат:  Хвойный, камфорный, сильный, тягучий.

Используемая часть растения: шишки и хвоя.

Метод получения: паровая перегонка.

Химический состав: пинен, сесквитерпеновый углеводород фидрен, смолу, кардиофиллен, цедрол, сесквитерпеновый спирт, пилен, пинипикрин и некоторые другие вещества. Кроме этого, в состав масла туи входит туйон, который является нервным ядом.

Лечебные свойства и применение масла туи:

Масло туи имеет противовоспалительное, антисептическое, вяжущее, мочегонное, противоревматическое, заживляющее, отхаркивающее и тонизирующее воздействие. Оно помогает нормализовать пищеварительные процессы и менструальный цикл, является отличным разжижающим средством: способствует выводу мокрот, поэтому его принимают при различных заболеваниях дыхательных путей, например, при бронхите, астме, пневмонии, трахеите, кашле.

  С помощью эфирного масла туи можно очистить организм от шлаков, укрепить иммунную систему, успокоить нервы. Тёплый и смолистый аромат туевого масла тонизирует весь организм, снимает усталость и раздражительность, способствует восстановлению сил после затяжных болезней, сильного стресса, физического  или психологического перенапряжения. Считается отменным афродизиаком. Масло туи помогает решить целый ряд дерматологических проблем. Его используют при аллергическом дерматите, кожном зуде, лишаях, бородавках, нейродермите, мокнущей экземе, подкожных отёках, мозолях. С его помощью можно устранить целлюлит и растяжки. Кроме этого, масло туи используют в качестве ароматизатора для пищевых продуктов, в качестве отдушки в парфюмерии. В фармакологии эфирное масло туи применяют для производства мазей, обладающих смягчающим эффектом, и средств дезинфекции.

Методики применения:

Массаж: 1-2 капли масла туи  на 2 столовые ложки базисного масла

Ванны: 3-5 капель смешать с 1 столовой ложкоймёда ( сливок, соли), добавить в ванну. Время принятия ванны до 20 минут. Ополаскивание после ванны не требуется.

Аромамедальоны:1-3 капли.

Аромалампа: 2-3 капли на 15 м2

Сауна: 5-10 капель на сеанс.

Освежитель воздуха: 10 капель на стакан воды, можно добавить немного водки. Использовать с помощью  опрыскивателя.

Компрессы и примочки на травмированную область: 3-4 капли.

При проблемной коже, выпадении волос: 3-4 капли смешать с 20 г крема или 15 мл лосьона, геля, шампуня.

Ингаляции при простудных заболеваниях: 1-2 капли на стакан немного горячей воды, длительность процедуры 5-10 минут.

Противопоказания: беременность

Глава 3.Терпены и терпеноиды

    Терпены и терпеноиды широко распространены в природе и имеют важное значение для сохранения экологического баланса в межвидовых взаимоотношениях бактерий,  цианобактерий,  микроводорослей и их симбионтов, макрофитов, простейших, беспозвоночных и растений, а также между различными трофическими уровнями – паразитами, фитофагами, хищниками и жертвами. В растительном мире терпеноиды, входя в состав эфирных масел, выполняют различные функции, помогают выжить в борьбе с вредителями, или, наоборот, запахом привлекают к себе насекомых для опыления, придают растениям горький вкус или даже ядовитые свойства, что не позволяет животным использовать их в качестве пищи.

Многие терпены и терпеноиды имеют приятный запах и используются в парфюмерии, кроме того, на их основе получают различные лекарственные препараты.

     Терпеновые соединения (сегодня их насчитывается свыше 55000) – обширная и разнообразная группа веществ. Терпены - углеводороды, имеющие общую формулу (С5Н8)n, а кислородосодержащие производные терпенов называются терпеноидами. По характеру функциональных групп они разделяются на спирты, альдегиды, кетоны, сложные эфиры, пероксиды, кислоты и т.д.

Терпены и терпеноиды относятся к различным классам природных соединений, однако в основе структуры всех этих соединений лежит изопрен.

1.  Классификация

    В зависимости от числа изопреновых звеньев все терпены и терпеноиды можно разделить на следующие группы:

С5Н8 - полутерпены;

С10Н16 - монотерпены, (обычно их также называют просто «терпены», опуская приставку «моно») имеют состав  С10Н16 ( n=2), содержащие 2 изопреновых фрагмента), часто только эти вещества подразумевают под терпенами, например, мирцен. Составляющие легколетучих фракций эфирных масел;

С15Н24 - сесквитерпены, или полуторатерпены ( n=3)  С15К24 например, бизаболен); составляющие тяжелолетучие (часто не перегоняются с водяным паром) фракции эфирных масел;

С20Н32 – дитерпены и их производные, С20Н32 ( n=4)    например, смоляные кислоты - абиетиновая, левопимаровая и др.),входящие в состав ряда смол; 

С30Н48  -   тритерпены, являющиеся агликонами сапонинов; С30Н48 ( n=6)   например,  некоторые гормоны и стерины - ланостерин, олеаяоловая кислота, сквален ;

С40Н64 - тетратерпены, образующие разные пигменты, в том числе каротиноиды; С40Н64( n=8)  

(С10Н16)n – политерпены. К ним относятся каучук и гуттаперча

Изопреновая основа терпенов была подмечена еще в 1860 г. Клодом  Луи Бертолле. Однако признание изопреновая структура получила только после работ немецкого ученого Отто Валлаха, который в 1887 г. предложил "изопреновое правило" и классифицировал известные тогда терпеноиды исходя из  С5Н8  единицы.

В 1953 г. польский ученый Лавослав Ружичка в результате обширных исследований по определению структуры терпеноидов сформулировал "биогенетическое изопреновое правило", различая в нем общие и частные изопреновые правила.

Правило первое -  "Общее изопреновое правило" гласит, что терпеноиды состоят из изопреновых звеньев, крайние из которых получили названия "голова" и "хвост".

Правило второе - частное:  звенья изопрена присоединяются в определенной последовательности по типу "голова к хвосту".

Правило третье - биогенетическое: у каждого класса терпенов есть свой простой ациклический предшественник.

Предшественником всех монотерпенов является гераниол, сесквитерпенов – фарнезол, ди- и тетратерпенов – геранилгераниол,  тритерпенов – сквален.

Сначала из изопреновых остатков образуются  простые предшественники различных классов терпенов. Далее, путем перегруппировок, циклизацией, возникают индивидуальные терпены.

Одним из таких частных правил является "правило гераниола", по которому изопреновые звенья всегда соединяются "голова к хвосту":

«голова»

«хвост»                

гераниол

"Правило гераниола" справедливо только по отношению к наиболее простым терпеноидам. В более сложных структурах (каротиноиды, стероиды и тритерпеноиды) звенья изопрена могут соединяться по типу "хвост к хвосту". Характер соединения не всегда четко виден из-за циклизации.

  Каждый ряд терпенов разделяется на группы: 1) алифатические, или ациклические,- соединения с открытой цепью углеродных атомов; 2) Карбоциклические - содержат одно или несколько колец углеродных атомов.

 Т.е., по наличию или отсутствию циклов, по количеству имеющихся циклов каждый из вышеприведенных рядов подразделяется на следующие группы:

1.  Ациклические монотерпены (Алифатические монотерпены) – простейшие из монотерпеноидов, их можно рассматривать как ненасыщенные соединения жирного ряда с тремя двойными связями, имеют углеродный скелет 2,6-диметилоктана, включают три двойные связи, например, аллооцимен  2,6-диметил-2,4,6-октатриен

, оцимен входящий в состав эфирного масла базилика 3,7-диметил-1,3,7-октатриена (α-оцимен) и 3,7-диметил-1,3,6-октатриена

(β-оцимен), мирцен, входящий в состав эфирного масла хмеля  2-метил-6-метилен-1,7-октадиен).

β-мирцен             α-оцимен           β-оцимен

 Они представляют собой главную, наиболее ценную часть эфирного масла таких растений, как хмель (мирцен),  роза, герань, эвкалипт (гераниол), лаванда, жасмин, цитрусовые (цитронеллол).

В состав эфирного масла часто входят также сложные эфиры гераниола и линалоола с органическими кислотами, такими, как уксусная, изовалериановая, реже масляная, капроновая и др. Наиболее распространенными кислородными производными алифатических терпенов являются: из спиртов – гераниол, линалоол, а из альдегидов - цитраль.

       мирцен                гераниол                линалоол                цитраль

       α-гераниол               β-гераниол               гераниаль

       α-нерол                    β-нерол                   нераль

Для ациклических терпенов и терпеноидов характерно наличие геометрических изомеров (стереоизомеры), возникающих из-за различной конфигурации двойной связи. Так, геометрическими изомерами являются гераниол и гераниаль, нерол и нераль.

       Гераниаль (Е-изомер)           Нераль (Z-изомер)

их смесь называется цитраль.

В наименованиях терпенов и терпеноидов преобладают  тривиальные названия, возможно и использование и систематической номенклатуры.  Например,    

 α-гераниол    (3,7-диметилоктадиен-2,7-ол-1)

 3.1.2. Карбоциклические терпены и терпеноиды

Моноциклические терпены и терпеноиды- это наиболее широко распространенная группа терпенов и количественно преобладающая в эфирных маслах многих растений. Структурной основой  для большого числа  природных моноциклических терпенов и терпеноидов является углеродный скелет п-ментана (1-изопропил-4-метилциклогексан) или просто ментана.  

         п-ментан    (1-изопропил-4-метилциклогексан)

Углеродный скелет п-ментана также строится в соответствии с изопреновым правилом.

Схема образования углеродного скелета п-ментана из двух звеньев изопрена.

К моноциклическим терпенам относится  целый ряд непредельных углеводородов: терпинолен, α-фелландрен, β-фелландрен, α-терпинен, β-терпинен, γ-терпинен.

Терпинолен   α-фелландрен  β-фелландрен           α-терпинен   β-терпинен       γ-терпинен

Углеводороды ряда п-ментана

Из моноциклических терпенов наибольшее практическое применение находит лимонен  

     Он содержится в лимонном и апельсиновом масле, в скипидарах, эфирных маслах хвойных растений.

Среди терпеноидов  ментанового ряда следует отметить ментол и терпин.

Ментол                                                           Цис-1,8-терпин

С химической точки зрения и ментол, и терпин (ментан-1,8) являются спиртами ряда циклогексана. Ментол – важнейший компонент эфирного масла мяты перечной.  Терпин в природных объектах практически  не встречается, его получают синтетически и  достаточно широко используют как полупродукт для получения ряда душистых веществ; в медицине терпин в виде моногидрата (терпингидрат) применяется как отхаркивающее средство.

Моноциклические терпеноиды часто имеют асимметрические атомы углерода, что приводит к увеличению общего числа изомеров и усилению зависимости свойств вещества от его пространственного строения. Так, например, ментол имеет четыре диастереомера (изоментол, неоментол, неоизоментол), которые отличаются друг от друга расположением заместителей в пространстве.

Ментол                                       Неоментол

3.1.3.Бициклические терпены и терпеноиды

Бициклические терпены и терпеноиды встречаются в природных растительных объектах чаще всего. Наиболее распространёнными и важными  для практического использования являются терпены и терпеноиды, имеющие углеродный скелет карана (III), борнана (I) и пинана (II).

Типичные представители бициклических терпенов имеют углеродный скелет пинана (II) и карана (III), бициклические терпеноиды – углеродный скелет борнана.

   Карен-3            α-пинен         β-пинен            

         α-Пинен один из самых распространённых в природе терпенов, основной компонент скипидаров хвойных растений. Борнеол и камфора – бициклические терпеноиды группы борнана являются распространёнными компонентами эфирных масел в растительном мире.

3.1.4. Трициклические монотерпены

Природные трициклические терпены – очень редкое явление.

   В составе некотрых видов скипидара обнаружен в незначительных количествах трициклический терпен – трициклен.

3.1.5. Кислородные производные бициклических терпенов отличаются большим разнообразием. Из спиртов весьма обычны: туйол, сабинол, борнеол, миртенол,   из кетонов - камфора, фенхон, туйон.

туйон                 туйол              сабинол                 камфора         борнеол         фенхон

3.1.6. Ароматические соединения

В эфирных маслах из ароматических соединений преимущественно содержатся их кислородные производные. Основные из кислородных соединений:  1) фенолы, имеющие гидроксильную группу, непосредственно связанную с ароматическими кольцами; 2) ароматические спирты - соединения, имеющие гидроксильную группу в боковой цепи.

Ароматические соединени обладают сильным бактерицидным свойством, что находит использование в медицинской практике. Тимол содержится в эфирном масле ажгона, тимьяна, чабреца, душицы и других растений. Анетол — главный компонент эфирного масла плодов аниса, фенхеля. Эвгенол содержится в эфирном масле гвоздики, эвгенольного базилика, эвгенольной камелии.

тимол       карвакрол  бензальдегид        анисовый        ванилин

альдегид

анетол         эвгенол                  анискетон

Ароматические спирты могут быть с гидроксилом в метильном радикале при C 1, но чаще гидроксил находится в радикале при С 4.

Имеются соединения, содержащие одновременно с эфирными группами альдегидные и кетонные группы.

  Из ароматических спиртов в эфирных маслах встречаются:бензиловый спирт, анисовый спирт, фенилпропиловый спирт.

Фенолы и фенольные эфиры представлены тимолом, карвакролом, анетолом, метилхавиколом, эвгенолом и другими соединениями.

Из ароматических альдегидов встречаются: бензальдегид, анисовый альдегид, ванилин и некоторые другие соединения.

В качестве примера ароматических кетонов можно назвать анискетон.

3.1.7. Сесквитерпены

Сесквитерпены, содержащиеся в эфирных маслах, подобно монотерпенам, могут быть ациклическими и циклическими.

Ациклические сесквитерпены представляют собой ненасыщенные соединения жирного ряда с 4 двойными связями. Предшественником ациклических сесквитерпенов является геранилпирофосфат.

фарнезен

Моноциклические сесквитерпены

Предшественниками циклических сесквитерпенов являются ациклические сесквитерпены – углеводород фарнезен и его кислородные производные –фарнезол, неролидол

фарнезол                 бисаболен                  кадинен

неролидол                бисаболол                селинен

Фарнезол входит в состав эфирного масла липы

Бициклические сесквитерпены  

1)  Тип   бетуленола  (содержится в эфирном масле листьев березы)

        бетуленол

2)  Тип акорана (с образованием 5-ти и 6-ти членных колец)

Производные акорана содержатся в  эфирном  масле аира.

 акоран                        корон

3. Тип гвайана  (с образованием 5-ти и 7-членных колец)

    гвайан                гвайазулен                 хамазулен      скелет азулена

2.  Физические свойства монотерпенов и монотерпеноидов

Монотерпены и сесквитерпены часто обладают довольно приятным запахом. при нормальных условиях являются жидкими вещества, в воде не растворяются, хорошо растворимы во многих органических растворителях. Монотерпеноиды – жидкие или твёрдые вещества обычно  с приятным запахом (но не всегда), растворимость в воде у большинства соединений данного типа низкая, хорошо растворяются в этиловом спирте, диэтиловом эфире.

   Для кислородных производных (спирты, альдегиды, сложные эфиры) характерен особенно нежный запах; именно они вместе с терпенами обусловливают аромат цветов, запах хвойных и многих иных растений.

 Терпены имеют, как правило, плотность менее 1 г/см3; температура кипения собственно терпенов 150-190°С, сесквитерпенов 230-300 °С, дитерпенов более 300 °С; температура кипения терпеноидов обычно выше, чем температура кипения  соответствующих терпенов. Многие терпены перегоняются (обычно в вакууме) с водяным паром: монотерпены легче, сесквитерпены и дитерпены труднее. Природные терпены в основном оптически активны.

3. Химические свойства терпеновых соединений

   Терпены весьма реакционноспособны: легко окисляются на воздухе, особенно на свету, часто превращаясь при этом в кислородсодержащие соединения; при нагревании изомеризуются (прежде всего при взаимодействии с кислыми агентами); диспропорционируют в присутствии катализаторов (Pd, Pt, Ni); по двойным связям легко гидрируются, гидратируются, присоединяют галогены, галогеноводороды, органические  кислоты и т. д. При сильном нагревании без доступа воздуха (400-500 °С) кольца терпенов раскрываются, причем из бициклических терпенов можно получить моноциклические и даже алифатические. При нагревании до 700 °С и выше все терпены разлагаются с образованием сложной смеси продуктов (изопрен, ароматические углеводороды и др.).

2. Химические свойства монотерпенов и монотерпеноидов Монотерпены с химической точки зрения относятся к непредельным углеводородам и, соответственно, для них характерны все химические свойства данного класса органических веществ: реакции присоединения галогенов, галогеноводородов, гидратации, гидрирования, окисления и т.д.

Реакция гидратации лимонена приводит к получению двухатомного спирта – терпина, который выделяют из воды в виде моногидрата – терпингидрата.

Моноциклические терпены, как и все терпены легко окисляются.

3. Химические свойства бициклических терпенов 

Химические свойства бициклических терпенов разнообразны и сложны. Реакции присоединения протекают не только по двойным связям, но и приводят к расщеплению циклов. Особенно легко разрушаются непрочные циклические фрагменты из трёх или четырёх атомов, например, в каренах и пиненах.

На схеме приводятся некоторые химические превращения α-пинена (наиболее доступный в промышленных масштабах бицициклический терпен).

Глава 4  Практическая часть

1. Выделение органических веществ из хвои сосны, кедра, туи и ели

    Хвоя ели и сосны богата полезными для здоровья человека органическими веществами: эфирными маслами, фитонцидами, витаминами. 

  Выделение эфирных масел из хвои проводили методом экстракции с кипящей водой.

Ход эксперимента: 

1. Колбу на четверть объема заполним свежей хвоей. Прильём в колбу воду до половины объёма. Закупорим колбу пробкой с отводной трубкой. Конец трубки опустим в пробирку, помещенную в стакан с холодной водой. Закроем пробирку ватой. Нагреем хвою с водой. 

2. Водяной пар вместе с летучим (эфирным) сосновым маслом, попадая в пробирку, охлаждается и конденсируется. Масло тонкой пленкой  плавает на поверхности конденсата. Аккуратно снимаем масло пипеткой. Масла получилось немного, так как в хвое его содержится всего 0,5–1%.

Результаты опыта: Методом экстракции из хвои можно выделить небольшое количество эфирного масла. Хвойные эфирные масла имеют характерный запах, эфирное масло ели,  сосны, кедра, туи  различаются по запаху. Хвойные масла легко выделяются из природного сырья, поэтому широко используются в медицинских и косметических целях.

   2. Реакции ненасыщенных соединений с бромной водой и перманганатом калия

    С полученным дистиллятом проводим опыты на непредельные соединения. Содержимое дистиллята делим на две части. В одну часть добавляем 1-3 капли бромной воды, а в другую часть – 1-3 капли водного раствора перманганата калия.

    Добавление раствора брома продолжают до прекращения его обесцвечивания.  Дополнительным признаком протекания реакции присоединения является образование тяжелых маслянистых капель дибромида.  

Кроме алкенов,  диенов,  алкинов растворы брома обесцвечивают фенол,  анилин,  карбонильные соединения  (в присутствии кислот или оснований).

В пробирке с дистиллятом красно-коричневый цвет брома немедленно исчезает.  

    Соединения,  содержащие кратные связи  (алкены,  диены,  алкины,  ненасыщенные соединения с функциональными группами)  реагируют с холодным разбавленным раствором перманганата калия,  давая диолы (реакция Вагнера). При этом малиновая окраска перманганата калия исчезает,  и появляются бурые хлопья оксида марганца (IV).  В указанных условиях реагируют также другие легко окисляющиеся соединения  (муравьиная кислота, альдегиды, фенолы, амины, и т. д.).  

   К 0,5 мл исследуемого ненасыщенного соединения добавляют по каплям при сильном взбалтывании 1%-ный раствор перманганата калия.  Наличие непредельных соединений обнаруживается по исчезновению первоначальной окраски раствора окислителя и появлению бурого хлопьевидного осадка.  

Результаты опыта: В составе эфирных масел хвои присутствуют непредельные соединения.

3.  Еловые духи ( Сюрпризы к празднику)

   Если есть еловые или сосновые "отходы" - сломанные ветки, хвоя, обрезки коры, - можно перегнать их с водяным паром и получить "хвойное масло", с помощью которого ароматизировать помещение с новогодней синтетической ёлкой. Перегонка с водяным паром предотвращает разложение очищаемых веществ при нагревании и позволяет очень эффективно выделить продукт из смеси при его чрезвычайно малом содержании. Для этого процесса нам потребуется круглодонная колба емкостью около 0,5 л, к которой надо подобрать резиновую пробку с двумя отверстиями. В одно из них следует вставить длинную (70-80 см) стеклянную трубку с сужающимся (оттянутым) концом, которая будет доходить почти до дна колбы (эта трубка будет служить предохранительным клапаном). Через второе отверстие пробки введем короткую изогнутую трубку ("колено"), которую присоединим, опять-таки через пробку с двумя отверстиями, ко второй круглодонной колбе, так, чтобы она доходила почти до дна второй колбы. Отвод пара из этой второй колбы (с перегоняемым веществом) будет происходить через водяной холодильник, где отгоняемое вещество должно конденсироваться вместе с водяным паром. Для сбора конденсата целесообразно использовать не колбу-приемник, а делительную воронку, позволяющую слить водную часть конденсата, сохранив душистые эфирные масла. Следует одновременно слегка нагревать и вторую колбу, чтобы объём жидкости несильно в ней увеличивался в результате конденсации пара. Удобно использовать для нагревания второй колбы песочную баню, стоящую на электроплитке.

    200-250 г хвойных отходов, измельчим их ножом или острыми ножницами и поместим во вторую колбу, залив минимальным количеством воды. В первую колбу заливается вода, затем включается нагревание. Перегонку ведем с водяным паром в течение 30-40 минут, считая с момента закипания воды в первой колбе. За это время в приёмнике соберётся около 100 мл продукта (хвойное масло и водный конденсат). Обычно в хвое содержится лишь несколько десятых долей процента эфирного масла, но уже нескольких капель собранного масла достаточно, чтобы создать приятный лесной аромат. Аккуратно сольём верхний слой воды с маслом. В результате получилось по 1-2  капель масла.

Рисунок:    1 – горелка, 2 –вода с пористой керамикой, 3 – вода с сырьём, 4 – вход холодной воды, 5 – выход воды из холодильника, 6 –холодильник, 7 – приёмник конденсата, 8- электроплитка

Заключение 

     Изучая литературу об эфирных маслах, проводя опыты по их выделению из хвои, я узнал много  нового и  интересного; сделал следующие выводы:

• Эфирные масла - бесценный дар природы - являются высококонцентрированными веществами и обращаться с ними следует очень аккуратно,  использовать их экономно.
• Практически нет эфирного масла, о котором можно было бы сказать, что состав его до конца изучен.
• Состав разных эфирных масел неоднороден. Основными компонентами эфирных масел  являются: терпены и  терпеноиды.
• Эфирные масла имеют очень сложный химический состав.
• Эфирные масла имеют целебный эффект на организм.
• Эфирные масла находят широкое применение в  медицинской, косметической, пищевой, мыловаренной, фармацевтической, ликёро-водочной промышленности и в быту.
• В  промышленных масштабах применяются разнообразные  методы выделения эфирных масел из разных частей эфиромасличных растений.
• Эфирное масло можно приготовить в домашних условиях.
• Методом перегонки из хвои можно выделить небольшое количество эфирного масла.
• Хвойные эфирные масла имеют характерный запах, эфирное масло ели,  сосны, кедра, туи  различаются по запаху.
•  Хвойные масла легко выделяются из природного сырья, поэтому широко используются в медицинских и косметических целях.

Источники

1. Химическая энциклопедия  - Терпены -  XuMuK.ru     http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4392.html 
2. Гроссе, Э., Вайсмантель, Х. Химия для любознательных – М.: Дрофа, 2000. – 125 с. 
3. Ефремов А.А. Метод исчерпывающей гидропародистилляции при получении эфирных масел дикорастущих растений. Сибирский Федеральный университет  http://www.rae.ru/use/?section=content&op=show_article&article_id=10001780
4. Новиков О.Н.  Технология производства эфирных масел   http://www.ecolog-alfa.kalg.ru/page18.html
5. Солдатченко С.С., Кащенко Г.Ф., Пидаев А.В. Ароматерапия
   Профилактика и лечение заболеваний эфирными маслами
   Издание второе, исправленное и дополненное
   Симферополь, «Таврида», 2002    http://crimea-tour.ru/int_aromaterapija_l.html
6. Степин, Б.Д. Занимательные задания и эффектные опыты по химии – М.: Дрофа, 2002. – 432 с. 
7. http://www.bsu.by/Cache/pdf/422373.pdf Свойства органических соединений. Методическое пособие  к малому практикуму для студентов биологического факультета (издание третье, переработанное и дополненное) . Составители: Н.А. Ильина, Т.А. Шевчук, Д.Г. Чуриков,  В.Е. Исаков, Д.Г. Шклярук.: Белорусский государственный университет, Кафедра органической химии Минск 2012 ,страница 11
8. Сюрпризы к празднику  http://newt.h1.ru/AromTerp/?/AromTerp/svoistva.htm
9. Терпены   http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D1%80%D0%BF%D0%B5%D0%BD%D1%8B 
10. Терпеноиды – Лекции- Фармакогнозия gendocs.ru/v3832/лекции-_фармакогнозия?page=14‎
11. Технология получения эфирных масел  в домашних условиях      http://sovmasteru.ru/70/
12. Химический анализ лекарственных растений

altair.od.ua/.../Himicheskiy%20analiz%20lekarstvennih%20rasteniy276....‎

13. Шоу-химия  http://www.alhimik.ru/show/holiday06.html  http://www.e-reading.co.uk/chapter.php/100388/28/Drozdov,_Drozdova_-_Organicheskaya_himiya.html
14. http://books.google.ru/books?id=YTKFAQAAQBAJ&pg=PA556&lpg=PA556&dq=химический+состав+листьев+туи&source=bl&ots=hnBYjz19i4&sig=0cuIG18zQ4

15. Методы получения масел - Лаборатория масел. Косметика

naturelab.ru/m/20/‎

16. Выделение зфирных масел http://www.bsu.by/Cache/pdf/422373.pdf