Витамин С

1.3.3  Инфракрасная спектроскопия

В ИК-спектре L-аскорбиновой кислоты имеется ряд интересных

максимумов поглощения.(рис.3.9)

 

 

          Особенный интерес представляет область валентных колебаний

О—Н от 4000 до 2000 см ^-1 (рис.3.10). 

          Так как длины водородных связей (и соответственно прочность) в кристалле известны, можно провести корреляцию этих максимумов поглощения и характеристических валентных колебаний ОН-групп, участвующих в образовании водородных связей. Очевидно, что четыре отчетливых пика в высокочастотном

крыле спектра соответствуют спиртовым ОН-группам при С-5 и С-6 боковой цепи (табл. 3.3).

Енольные гидроксилы при С-2 и  С-3 участвуют в образовании более  прочных водородных связей с укороченным  расстоянием О-О  (0,261-0,267 нм), что выражается в виде сложной серии уширенных полос в области 3100-2200см ^-1, соответствующих молекулам А и В. Несомненно, пик с максимумом поглощения 2915 см ^-1 вблизи высокочастотного крыла спектра является следствием наложения сигналов валентных колебаний С-Н. Что касается низкочастотных сигналов, сильное поглощение при 1754 см ^-1 было отнесено за счет валентных колебаний группы С=О пятичленного лактонного кольца, а интенсивный дублет при 1675 и 1660 см ^-1 — за счет валентных колебаний группы С=С (на которые накладываются колебания вдоль всей сопряженной системы). Сигнал при        1460 см ^-1 приписан ножничным колебаниям группы СН₂ .

Несмотря на сложность  области характеристических колебаний, были сделаны попытки провести их корреляции, например:

полоса при 1320 см ^-1 приписана деформации С-2-ОН, полоса при 1275 см ^-1 — колебаниям С-2—О, полоса при 1140 см ^-1 — колебаниям С-5—О и полосы при 1025/990 см ^-1 — деформации лактонного кольца.

 

1.3.4  Спектроскопия ядерного магнитного резонанса

 

В спектре ¹³С ЯМР L-аскорбиновой кислоты при полном подавлении спин-спинового взаимодействия с протонами, как и ожидалось, появились шесть

сигналов, которые были соотнесены с конкретными атомами  молекулы (рис. 3.11).

Неполное подавление спин-спинового взаимодействия с  протонами приводит к ожидаемому расщеплению сигналов, т. е. С-1, С-2 и С-3 (синглеты), С-4 и С-5 (дуплеты) и С-6 (триплет). Сигналы С-4 и С-5 удалось дифференцировать после того, как был получен спектр при полном подавлении спин-спинового взаимодействия с протонами производного, дейтерированного по положению 4, где сигнал при 77δ м. д. стал триплетом вследствие спин-спинового

взаимодействия с дейтерием. Сигнал С-3 был идентифицирован благодаря  его большому (19δ м. д.) слабопольному сдвигу при изменении рН от 2 до 7, что приводит к депротонированию С-3—ОН. Особенно интересен спектр ¹Н ЯМР L-аскорбиновой кислоты, так как его тщательный анализ позволяет определить конформацию молекулы в водном растворе. При снятии спектра в D2O четыре протона ОН-групп замещаются на дейтерий и не проявляются в виде сигналов. Остальные четыре протона (Н-6, Н-6', Н-5 и Н-4) образуют систему АВМХ, причем протоны при С-6 неэквивалентны из-за хиральности атома С-5.

Тонкая структура этих сигналов не проявляется в низких магмагнитных полях (60 или 100 МГц), но выше 300 МГц обнаруживается спин-спиновое взаимодействие, не являющееся взаимодействием первого порядка. Это расщепление особенно заметно в спектре ¹Н ЯМР аскорбата натрия (рис. 3.12).

Значения констант спин-спинового  взаимодействия J, полученные из таких спектров, позволяют определить преимущественную конформацию L-аскорбиновой кислоты в водном растворе. Например, найдено, что J_h4,_H5 составляет 1,8 Гц. Это соответствует предсказанному значению для конформации, изображенной на рис. 3.13. Таким образом, преимущественная конформация вокруг связи С-4—С-5 в водном растворе такая же, как и в кристалле (рис. 3.8).

В равной степени информативна корреляция констант спин-спинового взаимодействия с конформацией вокруг связи С-5—С-6.

 

 

 

 

 

Возможные стабильные конформеры представлены на рис. 3.14. Предположив, что наблюдаемые константы спин-спинового взаимодействия являются весовым усреднением теоретических величин для трех конформеров, можно вычислить их населенность (табл. 3.4). И снова предпочтительная конформация вокруг связи С-5—С-6 в растворе идентична обнаруженной в кристалле. Сходство преимущественных конформации боковых цепей в кристаллической решетке и в растворе объясняется, возможно, отсутствием в обоих случаях внутримолекулярных водородных связей. Но, конечно, прочные межмолекулярные водородные связи образуются между соседними молекулами аскорбиновой кислоты в кристалле и с молекулами воды в водном окружении.

 

1.3.5  Масс-спектрометрия

 

 В масс-спектре  L-аскорбиновой кислоты, зафиксированном  при ионизации молекулы под действием электронного удара, имеется интенсивный пик с m/е 116 наряду с пиком молекулярного иона (m/е 176) (рис. 3.15). Было высказано предположение, что фрагментация происходит за счет отщепления боковой цепи с последующим разрушением кольца, что соответствует наличию наиболее интенсивных сигналов (рис. 3.16).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     2     ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА L-АСКОРБИНОВОЙ КИСЛОТЫ

 

          Некоторые превращения L-аскорбиновой кислоты уже упоминались в разделе, посвященном установлению структуры молекулы.

          Эти и другие реакции будут подробно рассмотрены в последующих разделах.

 

2.1  Алкилирование и ацилирование

         Как и у многих углеводов, первичный гидроксил при С-6 L-аскорбиновой кислоты легко подвергается трифенилметилированию (тритилированию) под действием трифенилхлорметана в пиридине (рис. 4.8).

         Метилирование L-аскорбиновой кислоты диазометаном проливает свет на таутомерную природу витамина. Повышенная кислотность гидроксила при С-3 позволяет оттитровать его диазометаном в эфире; при этом образуется

3-О-метиласкорбиновая кислота.  Реакция сопровождается образованием небольших количеств 1-метил-ψ-L-аскорбиновой кислоты вследствие присутствия минорных количеств таутомера. Оба соединения подвергаются дальнейшему етилированию диазометаном,давая 2,3-ди-О-метил-L-аскорбиновую и 1,2-ди-O-метил- ψ-L-аскорбиновую кислоту соответственно (рис. 4.9)

        Под действием щелочи с последующим подкислением 2,3-ди-О-метильное производное претерпевает интересную цепь превращений. Образуется не простой моноциклический лактон, а бициклическое производное с единственным свободным гидроксилом — 2,3-изодиметил-L-аскорбиновая кислота. Кислотный гидролиз этого продукта приводит к 3-О-метил-L-аскорбиновой кислоте, которая

также получается при стоянии на холоду водного раствора 1,2-ди- O-метил- ψ-L- аскорбиновой кислоты, что сопровождается потерей лабильного метильного остатка при С-1. Как и следовало ожидать, 3-O-метил-L-аскорбиновая кислота легко метилируется под действием диазометана в эфире, образуя 2,3-ди-О-метилированное производное. Описанные превращения суммированы на рис. .10.

      

2,3-Ди-О-метил-L-аскорбиновая кислота может быть подвергнута дальнейшему метилированию иодметаном в присутствии оксида серебра с образованием 2,3,5,6-тетра-О-метилированного продукта, а также тритилированию первичной спиртовой группы при С-6. Метилирование с последующим снятием тритильной защитной группировки в кислой среде приводит к 2,3,5-три-О-метильному производному (рис. 4.11), которое, как было показано, участвует в цепи превращений, идентичных приведенным на рис. 4.10, и превращается в бициклическое 2,3,5-изотриметильное производное.

      

 

        Катализируемая кислотами этерификация аскорбиновой кислоты, например ацетилирование, первоначально приводит к образованию О-6-ацильного производного, а в более жестких условиях — к 5,6-диэфиру. Кристаллический 5,6-диацетат хорошо известен; получение 2,3,4,6-тетраацетата требует еще более жестких условий.

         В щелочных условиях электрофильная атака алкилирующих и ацилирующих агентов зависит от кислотности и стерической доступности гидроксильных групп при С-2, С-3, С-5 и С-6. Наиболее кислым является атом водорода гидроксила при С-3 (рКа = 4,25), но делокализация отрицательного заряда в соответствующем

анионе снижает его  реакционную способность и приводит к возникновению двойственной природы, которая выражается в том, что  алкилироваться может не только положение О-3, но и положение С-2. В результате селективная модификация положения О-3 затруднена, и добиться ее можно только с помощью таких сильных алкилирующих и ацилирующих агентов, как диазометан и хлоран-

гидриды.

         Потеря второго протона гидроксилом при С-2 (рКа = 11,79) приводит к образованию дианиона, который селективно алкилируется и ацилируется по тому положению (рис. 4.12).

 

         Подобный подход можно использовать при синтезе 2-О-неорганических эфиров, например 2-О-сульфата. Если защищены оба гидроксила при С-2 и С-3, то в присутствии основания модифицируется более доступная стерически первичная спиртовая группа при С-6 и последнюю очередь — при С-5 (рис. 4.13).

 

2.2  Образование ацеталей и кеталей

 

         Катализируемое кислотами образование ацеталей и кеталей аскорбиновой кислоты применяется для специфической защиты одновременно двух гидроксильных групп в процессе структурной модификации. Такие 5,6-О-производные, как изопропилиденкеталь и бензилиденацеталь, хорошо известны, а недавно появилась возможность селективно защищать гидроксильные группы при

С-2 и С-3 с помощью реакционноспособных  альдегидов (рис. 4.14).

 

 

           Эти новые реакции открыли путь к селективному модифицированию как первичных, так и вторичных спиртовых групп молекулы аскорбиновой кислоты.

 

2.3  Окисление

 

          L-Аскорбиновая кислота является сильным восстановителем в водном растворе, однако в безводной среде это не так очевидно. Первая стадия окисления легко обратима и приводит к образованию дегидроаскорбиновой кислоты, структура и свойства которой будут рассмотрены в следующем разделе. Дегидроаскорбиновая кислота также способна быть восстановителем особенно в щелочных условиях и при окислении гипоиодит-ионом или молекулярным

кислородом распадается на L-треонин  и щавелевую кислоту. Эта реакция  фрагментации оказалась очень полезной при установлении структуры витамина С. Аналогичная фрагментация происходит также при обработке пероксидом водорода в щелочной среде или перманганатом калия в кислой или щелочной среде, причем кроме вышеназванных продуктов детектируется еще и ряд других.

         Скорость аэробного окисления аскорбиновой кислоты зависит от рН раствора, достигал максимума при рН 5 и 11,5. Однако наиболее быстро и полно фрагментация протекает в щелочной среде. Окислительное расщепление происходит и в анаэробных условиях, хотя и медленнее.

         Ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение инициируют фотохимическое окисление аскорбиновой кислоты в водных растворах по свободнорадикальному механизму как в аэробных, так и в анаэробных условиях.

Окисление первичной и вторичной  спиртовых групп аскорбиновой кислоты  при С-5 и С-6 может теоретически приводить к образованию ряда побочных продуктов. Получение таких  производных непосредственно из L-аскорбиновой кислоты требует селективной  защиты гидроксилов при С-2 и С-3. На рис. 4.15 приведены примеры соединений такого типа, которые удалось выделить.

 

4. Дезоксисоединения

 

         Производные L-аскорбиновой кислоты, у которых один или более гидроксилов при С-2, С-3, С-5 или С-6 замещены на атом водорода, известны как дезоксисоединения. Нестабильность витамина С подогревает интерес к его более стабильным аналогам при условии сохранения ими антискорбутного действия.

         Известно, что 6-дезокси-L-аскорбиновая и L-рамноаскорбиновая кислоты (рис. 4.16) сохраняют соответственно 30 и 20% антискорбутной активности витамина С. В последние годы были синтезированы еще некоторые соединения такого типа (рис. 4.17). Обнадеживает, что 6-хлор-6-дезоксипроизводное обладает повышенной термической стабильностью по сравнению с витамином С и в то же время обладает заметной антицинготной активностью.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. БИОХИМИЯ ВИТАМИНА С

 

          Эффективность витамина в заживлении ран и способность ускорять рост связаны с его участием в синтезе волокнистых соединительных тканей, особенно в ускорении посттрансляционного гидроксилирования остатков пролина и лизина коллагена — наиболее распространенного белка животного мира. Этот процесс, все еще далекий от того, чтобы быть полностью понятным, в ходе которого, как это ни парадоксально, восстановительные свойства аскорбиновой кислоты необходимы для окисления пролина и лизина, будет главной темой настоящего раздела. Хотя, конечно, этим роль аскорбиновой кислоты отнюдь не ограничивается. Начиная с первых лет становления биохимии витамина С, ознаменовавшихся спорами вокруг его открытия, а также вокруг роли в метаболизме аминокислот, сфера влияния этого соединения все более расширялась, охватывая различные аспекты иммунологии, онкологии, процессов пищеварения и всасывания, эндокринологии, нейрологии, детоксикации и профилактики катаракты.