芳基類異戊二烯烴類化合物的命名

張春明, 楊 祿

(1. 油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 荊州 434023; 2. 長江大學(xué) 地球化學(xué)系, 湖北 荊州 434023)

0 引 言

芳基類異戊二烯(aryl isoprenoids)是由數(shù)量不等的烷基(主要是甲基)取代的苯基(芳基)與一條類異戊二烯長鏈組成的一類化合物。地質(zhì)體中檢出的此類化合物大多數(shù)具有一條中間尾-尾相連的不規(guī)則類異戊二烯長鏈, 常被稱為芳香類胡蘿卜素衍生物(aromatic carotenoid derivatives)。類胡蘿卜素(carotenoids)是指自然界中胡蘿卜素(carotenes)和葉黃素(xanthophylls)兩大色素的總稱。自然界中業(yè)已發(fā)現(xiàn)數(shù)百種具有不同官能團(tuán)結(jié)構(gòu)的類胡蘿卜素。對生物體和現(xiàn)代沉積物中具特殊分子結(jié)構(gòu)的類胡蘿卜素的剖析, 可提供其生源、演化及其生態(tài)環(huán)境的相關(guān)信息[1]。沉積體系中能保留其生源和環(huán)境特征結(jié)構(gòu)的類胡蘿卜素衍生物亦有報(bào)道: 芳基類異戊二烯烴類即是此類生物標(biāo)志化合物的典型代表, 業(yè)已廣泛應(yīng)用于古環(huán)境重建[2–6]。

國際地學(xué)界有關(guān)芳基類異戊二烯烴類生物標(biāo)志化合物的研究進(jìn)展, 引起了部分國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注[7–13]。然而, 在國內(nèi)中文學(xué)術(shù)刊物中, 有關(guān)芳基類異戊二烯烴類生物標(biāo)志化合物的命名, 尚未達(dá)成共識[9,10,12]。本文試圖基于國內(nèi)外有關(guān)類胡蘿卜素的命名規(guī)則,對常見的地質(zhì)類胡蘿卜素衍生物, 特別是芳基類異戊二烯烴類衍生物的命名進(jìn)行探討; 對相關(guān)化合物初擬的習(xí)慣命名均加引號示之, 不妥之處, 希望得到相關(guān)學(xué)科專家們的指正和厘定。

1 習(xí)慣命名

習(xí)慣命名是在研究初期、對其結(jié)構(gòu)不清楚的情況下, 給予研究對象的名稱。隨著研究的深入, 即使在確定了其結(jié)構(gòu)之后, 許多研究者依然沿用習(xí)慣命名; 這可能是因?yàn)榱?xí)慣命名簡單、使用方便; 這也可能是習(xí)慣命名廣泛應(yīng)用的主要原因之一。

沉積體系中生物標(biāo)志化合物的習(xí)慣命名, 常采用“先質(zhì)的習(xí)慣命名+適當(dāng)修飾”的方法。例如, 常見的類胡蘿卜素的地質(zhì)衍生物 β-胡蘿卜烷(β-carotane)這一習(xí)慣命名, 主要基于其先質(zhì)名 β-胡蘿卜素(β-carotene)的適當(dāng)修飾(圖 1)。目前沉積體系中業(yè)已檢出、且具有明確生源意義的芳基類胡蘿卜素衍生物(C40)主要有: 雙芳類異戊二烯烴類(Ⅰ、Ⅱ、, Ⅲ其結(jié)構(gòu)見附錄)、單芳類異戊二烯烴(Ⅳ、)Ⅴ、單芳雙環(huán)類異戊二烯烴(Ⅵ、)Ⅶ等類型。地質(zhì)體中常見的 β-和 γ-胡蘿卜烷則分別屬于類胡蘿卜素衍生物中雙環(huán)和單環(huán)類異戊二烯烴類, 屬于脂環(huán)類化合物。

芳基類胡蘿卜素的地質(zhì)衍生物(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、)Ⅶ習(xí)慣命名的確定, 首先要明確其對應(yīng)先質(zhì)化合物的習(xí)慣命名。研究表明, 芳基類胡蘿卜素衍生物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分別具有明確的芳基類胡蘿卜素先質(zhì)0Ⅰ、0Ⅱ、0Ⅲ、0Ⅳ、0Ⅴ[6]。有關(guān)芳基類胡蘿卜素先質(zhì)的英文習(xí)慣命名則可追溯到相關(guān)化合物的發(fā)現(xiàn)過程。芳基類胡蘿卜素首先發(fā)現(xiàn)于橙色的日本海綿“Reniera japonica”[14–18]: 其中豐度相對最高的一類色素被稱為renieratene (0); Ⅰ而豐度次高的一類色素被稱為isorenieratene (0); Ⅱ此外,一類含量相對較低、熔點(diǎn)為230 ℃的紫色晶體色素則被命名為renierapurpurin (0)Ⅲ。結(jié)合這三類色素renieratene、isorenieratene、renierapurpurin的生物來源及其英文構(gòu)詞特征, 相應(yīng)的中文習(xí)慣命名分別定為海綿烯、異海綿烯、海綿紫紅素[19–20]。綠硫細(xì)菌Chlorobiaceae中占優(yōu)勢組成的單芳類胡蘿卜素被命名為chlorobactene (0)Ⅳ[21], 其對應(yīng)的中文習(xí)慣命名為綠硫菌烯[19–20]。著色菌科Chromatiaceae的奧氏著色菌(Chromatium okenii)中含一羰基的單芳類胡蘿卜素被命名為okenone (0)Ⅴ[22], 其對應(yīng)的中文習(xí)慣命名為奧克酮[19–20], 也有文獻(xiàn)稱之為奧氏酮。由此可見, 相關(guān)化合物的英文習(xí)慣命名與其來源密切相關(guān), 而相關(guān)化合物的中文習(xí)慣命名基本上是英文習(xí)慣命名的翻譯。

基于芳基類胡蘿卜素地質(zhì)衍生物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ及其對應(yīng)先質(zhì)化合物0Ⅰ、0Ⅱ、0Ⅲ、0Ⅳ、的英文習(xí)慣命名的對比可以看出(見附錄), 芳基類胡蘿卜素地質(zhì)衍生物習(xí)慣命名均以“-ane”作為詞尾; 因此, 擬將其中文習(xí)慣命名詞尾定為“-烷”?；凇跋荣|(zhì)的習(xí)慣命名+適當(dāng)修飾”的原則, 擬將芳基類胡蘿卜素地質(zhì)衍生物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的中文習(xí)慣命名分別厘定為: “海綿烷”、“異海綿烷”、“海綿紫紅烷”、“綠硫菌烷”、“奧克烷”。

為了對比方便, 筆者將常見于地質(zhì)體中的類胡蘿卜素衍生物及其先質(zhì)的結(jié)構(gòu)、習(xí)慣命名及下面所述的半系統(tǒng)命名的中-英文列于附錄中。

2 半系統(tǒng)命名

習(xí)慣命名的應(yīng)用簡單方便, 但不能明示其結(jié)構(gòu)特征。為了彌補(bǔ)習(xí)慣命名的這一局限性, 人們制訂了類胡蘿卜素的系統(tǒng)命名規(guī)則。目前IUPAC認(rèn)可的類胡蘿卜素的命名規(guī)則與傳統(tǒng)的有機(jī)化合物的系統(tǒng)命名存在一定差異, 因此, 被稱為半系統(tǒng)命名規(guī)則。類胡蘿卜素的半系統(tǒng)命名規(guī)則業(yè)已有詳細(xì)報(bào)道[19–20]。地質(zhì)體中檢出的類胡蘿卜素衍生物的命名, 也應(yīng)符合有關(guān)類胡蘿卜素的命名規(guī)則。在此, 筆者主要基于地質(zhì)體中常見的類胡蘿卜素衍生物的結(jié)構(gòu)特征, 將相關(guān)半系統(tǒng)命名規(guī)則簡述如下。

2.1 母體名稱及碳架編號

圖1 β-胡蘿卜烷和β-胡蘿卜素的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structures of β-carotane and β-carotene

類胡蘿卜素分子結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是由8個(gè)異戊二烯單位組成, 其中間為尾-尾不規(guī)則的類異戊二烯連接, 分子中具有11個(gè)連續(xù)的共軛雙鍵。所有類胡蘿卜素形式上均可由其母體(番茄紅素 lycopene)結(jié)構(gòu)(圖 2a)衍生而來。所有特定類胡蘿卜素的命名都以母體名“胡蘿卜素”(carotene)為基礎(chǔ)。類胡蘿卜素母體分子具對稱性, 其碳骨架編號由帶“′”號和不帶“′”號的阿拉伯?dāng)?shù)字分別從分子右端和左端向中間排序編號(圖2)。類胡蘿卜素碳骨架編號明顯不同于傳統(tǒng)的有機(jī)化合物的系統(tǒng)命名編號規(guī)則。

盡管生物界類胡蘿卜素種類眾多, 但是大多類胡蘿卜素官能團(tuán)經(jīng)成巖演化后難以保留。不飽和的類異戊二烯雙鍵常發(fā)生了氫化作用; 不飽和的末端基團(tuán)常發(fā)生氫化、脂環(huán)化或芳環(huán)化作用。因此, 地質(zhì)類胡蘿卜素衍生物大多具有飽和的類異戊二烯長鏈及末端脂環(huán)或芳環(huán)結(jié)構(gòu)(圖 2b); 這也是類胡蘿卜素與地質(zhì)類胡蘿卜素衍生物在分子結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別之一。具有飽和類異戊二烯長鏈特征的胡蘿卜素衍生物母體名則被稱之為“胡蘿卜烷”(carotane)。

2.2 末端基團(tuán)名稱

不同類胡蘿卜素常表現(xiàn)出不同的末端基團(tuán)結(jié)構(gòu)。不同的末端基團(tuán)結(jié)構(gòu)常用不同希臘字母表示。圖3所示為主要末端基團(tuán)結(jié)構(gòu)、相關(guān)希臘字母及碳原子編號。其類胡蘿卜素的命名是在母體名“胡蘿卜素”前加上兩個(gè)希臘字母表示末端基團(tuán)構(gòu)成, 兩希臘字母間用逗號隔開, 第二個(gè)字母用短線與母體名相連; 如異海綿烯(0)Ⅱ的系統(tǒng)命名為φ,φ-胡蘿卜素(φ,φ-carotene)。如果兩末端基團(tuán)不同, 則左邊基團(tuán)名在前, 右邊基團(tuán)名在后; 如: 海綿烯(0)Ⅰ的系統(tǒng)命名為 χ,φ-胡蘿卜素(χ,φ-carotene)。

對于衍生的末端基團(tuán), 采用結(jié)構(gòu)特征最相近的母體末端基團(tuán)命名。如果一個(gè)衍生的末端基團(tuán)(圖4),可能由一個(gè)以上的母體末端基團(tuán)(β ε γ)衍生而來,則此衍生末端基團(tuán)命名為順序靠前的母體末端基團(tuán)名稱(β)。

類胡蘿卜素半系統(tǒng)命名的主要特點(diǎn)體現(xiàn)在其母體名稱、末端基團(tuán)結(jié)構(gòu)及其特殊的骨架編號。有關(guān)其他注意事項(xiàng), 與傳統(tǒng)有機(jī)化合物的系統(tǒng)命名規(guī)則基本一致, 在此不多述。

圖2 類胡蘿卜素及其地質(zhì)衍生物母體結(jié)構(gòu)特征及碳原子編號Fig.2 Parent structures and numbering of carbon atoms of carotenoids and its geological derivatives

圖3 末端基團(tuán)結(jié)構(gòu)Fig.3 Terminal structures of carotenoids

圖4 衍生末端基團(tuán)Fig.4 Terminal structure of carotenoid derivatives

對于常見的芳香類胡蘿卜素地質(zhì)衍生物(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、)Ⅶ而言, 與其對應(yīng)的生物先質(zhì)(0Ⅰ、0Ⅱ、0Ⅲ、0Ⅳ、0Ⅴ、0Ⅵ、0)Ⅶ分子結(jié)構(gòu)上的主要差異在于具有飽和的類異戊二烯長鏈(見附錄)。因此, 相應(yīng)的半系統(tǒng)命名的母體則稱之為“胡蘿卜烷”。據(jù)此, 常見的芳基類胡蘿卜素衍生物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ的半系統(tǒng)命名則分別應(yīng)為: χ,φ-胡蘿卜烷、φ,φ-胡蘿卜烷、χ,χ-胡蘿卜烷、φ,ψ-胡蘿卜烷、χ,ψ-胡蘿卜烷、φ,β-胡蘿卜烷、χ,β-胡蘿卜烷(見附錄)。此外, 常見于沉積體系中的 β-胡蘿卜烷和γ-胡蘿卜烷的半系統(tǒng)命名則分別為β,β-胡蘿卜烷和β,ψ-胡蘿卜烷; 而無環(huán)的類胡蘿卜素地質(zhì)衍生物番茄紅烷的半系統(tǒng)命名則為 ψ,ψ-胡蘿卜烷(見附錄)。

3 短鏈芳基類異戊二烯烴

沉積體系中業(yè)已檢出的短鏈芳基類異戊二烯烴類化合物常見有兩大系列(圖5a和5b), 其碳數(shù)大多分布于C13～C31, 主要源于其先質(zhì)(C40)類異戊二烯鏈的斷裂降解作用。生物界也存在降解類胡蘿卜素的分布, 常為失去一個(gè)末端或兩個(gè)末端基團(tuán); 其產(chǎn)物被命名為阿樸-類胡蘿卜素(Apo-carotene)或雙阿樸-類胡蘿卜素(Diapo-carotene)[19]。降解的類胡蘿卜素的命名規(guī)則, 顯然不適合圖 5所示的碳數(shù)低于 C20的芳基類異戊二烯烴類衍生物。

圖5 短鏈芳基類異戊二烯烴的命名Fig.5 Structures and names of two short-chain aryl isoprenoids

因此, 短鏈芳基類異戊二烯烴常采用傳統(tǒng)有機(jī)化合物的系統(tǒng)命名方法。此類化合物命名存在兩種選擇: (1) 如果以類異戊二烯鏈作為主體命名, 圖5a和 5b分別命名為 2,3,6-和 2,3,4-三甲基芳基類異戊二烯烴; (2)如果以苯作為主體命名, 圖5a和5b則分別應(yīng)為 1,2,4-三甲基-3-烷基苯和 1,2,3-三甲基-4-烷基苯(有機(jī)化學(xué)命名原則, 1980); 不過, 在英文學(xué)術(shù)刊物中, 圖5a所示化合物常被命名為2-烷基-1,3,4-三甲基苯, 而在早期文獻(xiàn)中被命名為 1-烷基-2,3,6-三甲基苯。由此可見, 如果以苯作為主體命名, 尚存在諸多的不一致性。盡管這些命名上的差別并不影響對其化合物結(jié)構(gòu)的確認(rèn), 但筆者建議以類異戊二烯鏈作為命名主體, 這樣芳環(huán)碳位編號則可固定,不同取代芳基特征便于對比。

4 結(jié) 語

芳基類異戊二烯烴類生物標(biāo)志化合物的地球化學(xué)研究業(yè)已成為國際學(xué)術(shù)界研究熱點(diǎn)之一; 國內(nèi)研究相對較弱, 因此造成芳基異戊二烯烴類生物標(biāo)志化合物的命名在國內(nèi)學(xué)術(shù)界尚未達(dá)成共識的局面。筆者基于國內(nèi)外對芳香類胡蘿卜素及其地質(zhì)衍生物的相關(guān)研究, 對其半系統(tǒng)命名進(jìn)行了相關(guān)說明, 對其習(xí)慣命名作出了合理推薦, 以期求得共識。

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