Кинетика и механизм взаимодействия L-аскорбиновой кислоты с азотосодержащими органическими соединениями

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИНЕТИКА И МЕХАНИЗМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ L-АСКОРБИНОВОЙ КИСЛОТЫ С АЗОТОСОДЕРЖАЩИМИ ОРГАНИЧЕСКИМИ СОЕДИНЕНИЯМИ

кислота аскорбиновый никотинамид аминокислота

Сарыбаева Бактыгуль Дуулатбековна

преподаватель, кафедра химии, Таласский государственный университет, г. Талас, Кыргызская Республика

Пищугин Федор Васильевич

доктор химических наук, профессор, Институт химии и химической технологии, член-корреспондент Национальной Академии Наук Кыргызской Республики, г. Бишкек, Кыргызская Республика

Тулебердиев Игорь Темерканович

кандидат химических наук, Институт химии и химической технологии, Национальная Академия Наук Кыргызской Республики, г. Бишкек, Кыргызская Республика

Аннотация: Изучена кинетика и механизм взаимодействия L-аскорбиновой и L-дегидроаскорбиновых кислот с никотинамидом, аминокислотами. Разработаны методы синтеза продуктов взаимодействия и конденсации L-аскорбиновой кислоты с никотинамидом, аминокислотами, аминами, установлены их структуры современными физико-химическими методами (элементный анализ, УФ-, ИК-спектроскопии, ТСХ, поляриметрия). Результаты проведенных исследований могут быть использованы в качестве моделей в биохимических процессах с участием витаминов С, в качестве новых биологически активных лекарственных и витаминных препаратов в медицине, в ветеринарии, сельском хозяйстве.

Библиографическое описание статьи для цитирования: Сарыбаева Б. Д. Кинетика и механизм взаимодействия L-аскорбиновой кислоты с азотосодержащими органическими соединениями [Электронный ресурс] / Б. Д. Сарыбаева, Ф. В. Пищугин, И. Т. Тулебердиев // Научное обозрение : электрон. журнал. - 2017. - № 3. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). - Систем. требования: Pentium III, процессор с тактовой частотой 800 МГц ; 128 Мб ; 10 Мб ; Windows XP/Vista/7/8/10 ; Acrobat 6 х.

Основная биохимическая роль аскорбиновой кислоты в настоящее время сводится к окислительно-восстановительным биохимическим процессам. Однако, биохимическая роль витамина С, по-видимому, более многообразна. Так, например, сравнительно недавно в ряде исследований было обнаружено, что витамин С вместе с Fe (II) и О2 служит мощным не ферментативным гидроксилирующим реагентом для ароматических соединений. Как и гидролазы, этот реагент участвует в процессе превращения фенилаланина в тирозин. Имеется ряд работ по взаимодействию L-аскорбиновой кислоты с ароматическими аминами, фенилгидразином, никотинамидом [1]. Их можно отнести преимущественно к синтетическому профилю.

Представленное исследование посвящено изучению кинетики и механизма взаимодействия L- аскорбиновой и L-дегидроаскорбиновой кислот с никотинамидом, различными по структуре аминокислотами и ароматическими аминами. В литературе имеется большое количество трудов, посвященных изучению биохимической роли витаминов С и ее производных. Подавляющая часть работ занимается изучением их окислительно-восстановительных свойств при взаимодействии с различными химическими и биохимическими реагентами [2, 3]. Имеется небольшое количество научных исследований по синтезу продуктов взаимодействия L- аскорбиновой и L-дегидроаскорбиновой кислот с аминами, аминокислотами, йодом, диазометаном и другими реагентами, с целью установления структуры полученных продуктов [4, 5]. Витамины С, как показали наши исследования, имеют несколько реакционных центров в нуклеофильных реакциях, которые, как правило, протекают одновременно с образованием большого количества промежуточных и конечных продуктов. Выделение, очистка, установление их структуры представляют огромные трудности из-за низких выходов конечных продуктов и сложностью их разделения. Решение этих проблем можно осуществить только путем изучения кинетики и механизма этих реакций, расчетом их скорости и определения направления их протекания, определения энергетических, геометрических параметров исходных, промежуточных и конечных продуктов, выделения и идентификация их современными физико-химическими методами.

При недостатке витамина РР у детей развивается пеллагра, основными признаками которой является диарея (приводящая к истощению), деменция (нарушение психики и мышления) и в более тяжелых случаях - дерматит. Для профилактики гиповитаминоза витамин РР назначают детям, страдающим ахилией, энтеритами, колитами, аскоридозом, лямблиозом, язвенной болезнью, при которых нарушено всасывание витамина. С лечебной целью никотиновую кислоту или ее амид применяют для устранения авитаминоза и признаков гиповитаминоза; для ликвидации явлений гипоксии и ацидоза у детей с пневмониями, шоком, различными токсикозами, для стимуляции анаболических процессов при лечении гипотрофий, заболеваний печени [6].

Большой теоретический и практический интерес представляли синтез и изучение кинетики и механизма взаимодействия L-аскорбиновой кислоты с никотинамидом.

Для изучения взаимодействия L-аскорбиновой кислоты с аминокислотами использовалась аминокислоты (глицин, Д, L-б-аланин, в-аланин, L-лизин) производства венгерской фирмы «Reanal», а также отечественные препараты марки «х.ч.». За начало реакции был принят момент смешивания исходных растворов.

Методика эксперимента

Изучение кинетики и механизма конденсации L-аскорбиновой кислоты с аминами и аминокислотами показало, что скорости реакций их взаимодействия зависят от нескольких факторов: кето-ендиольного равновесия L-аскорбиновой кислоты, от основности и структуры нуклеофильного агента, катализатора и от условий проведения эксперимента.

Согласно данным [7], наибольшей реакционной способностью в L-аскорбиновой кислоте в реакциях нуклеофильного присоединения обладает С1-углеродный атом, поэтому присоединение нуклеофильного реагента протекает, прежде всего, по этому реакционному центру. Из двух таутомеров (енол- и кето-формы) наибольшей вероятностью присоединения аминов и аминокислот обладает дегидро-L-аскорбиновая кислота. Поэтому скорость присоединения аминов и аминокислот зависит от концентрации кето-формы, которая, в свою очередь, зависит от скорости перехода L-аскорбиновой кислоты в дегидро-L-аскорбиновую кислоту.

Скорость конденсации в целом складывается из скорости перехода L-аскорбиновой кислоты в дегидро-L-аскорбиновую кислоту (V1) и скорости взаимодействия дегидро-L-аскорбиновой кислоты с аминами и аминокислотами (V2):

Vконд=V1+V2

Как показали предварительные опыты при сливании растворов в результате взаимодействия компонентов появляется в начале розовая, а затем красная окраска, интенсивность которой со временем возрастает с появлением новых (нехарактерных для исходных веществ) максимумов поглощения в области 360 нм и 510 нм. Интенсивность их со временем увеличивается. Эквимолярные растворы L-аскорбиновой кислоты и аминокислот (глицин, Д, L-б-аланин, в-аланин, L-лизин) смешивались и выдерживались в течение 24 часов, при этом смеси окрашивались в интенсивно красный цвет. Растворы подвергались выпариванию при комнатной температуре. Выпавшие красные осадки перекристаллизовывались из пропанола.

Кинетика взаимодействия L-аскорбиновой кислоты с никотинамидом

В качестве объектов исследования были взяты L-аскорбиновая кислота и никотинамид марки «х.ч.». В качестве растворителя применялись водно-спиртовые буферные растворы, приготовленные по методике.

За начало реакции был принят момент смешивания растворов витамина С и никотинамида. Как показали предварительные опыты, при сливании термостатированных растворов в результате взаимодействия компонентов появляется желтая окраска и новый максимум поглощения в области 360 нм.

Рис.1. Зависимость константы скорости реакции от %-ного содержания спирта в водно-спиртовых буферных растворах (Т=200С)

Рис.2. Кинетика взаимодействия L-аскорбиновой кислоты с никотинамидом при различных температурах в 70% буферном растворе (л 360 нм, 1-200С, 2-300С, 3-400С)

Кинетика взаимодействия L-аскорбиновой кислоты с никотинамидом при различных температурах в 70% буферном растворе при л 360 нм, показала, что энергия активации равна: Еакт=105,7 Дж/моль.

Таким образом, реакция взаимодействия L-аскорбиновой кислоты с аминокислотами, аминами и никотинамидом является в целом эндотермическим процессом [8].

Результаты изучения кинетики и механизма взаимодействия L-аскорбиновой кислоты с аминокислотами, аминами и никотинамидом показали, что процесс складывается из двух стадий:

1. Стадии перехода L-аскорбиновой кислоты в дегидро-L-аскорбиновую кислоту.

2. Стадии конденсации дегидро-L-аскорбиновой кислоты с аминокислотами, аминами и никотинамидом по С1-углеродному атому с образованием оснований Шиффа.

Рис.3. Продукт взаимодействия L-аскорбиновой кислоты с никотинамидом в хиноидной структуре.

Кинетика реакции взаимодействия аскорбиновой кислоты с аминокислотами

Взаимодействие L-аскорбиновой кислоты с аминокислотами имеет сложный характер из-за наличия в ней нескольких функциональных центров. L-аскорбиновая кислота характеризуется как довольно сильная кислота из-за наличия в ендиольной группировке двух ОН--групп при С2 и С3 углеродных атомах. Причем, согласно литературным и нашим квантово-химическим расчетным данным, кислотные свойства ОН--групп при С3 более сильные, чем кислотные свойства при С2 [9]. Поэтому при взаимодействии L-аскорбиновой кислоты с аминокислотами их аммонийные соединения, образующиеся за счет протонирования атома азота, имеющего свободную электронную пару, более предпочтительны за счет ОН--группы при С3 по сравнению с ОН--группой при С2. Эта реакция, по-видимому, протекает быстро. Однако здесь нужно учитывать, что в зависимости от структуры атакующего реагента и условий проведения реакций эти группы могут проявлять восстановительные свойства, если это возможно. На наш взгляд, было удивительно не учитывать реакционную способность карбонильной группы при С1 L-аскорбиновой кислоты. L-аскорбиновую кислоту общепризнанно относят к классу углеводов, в которых ОН--группа при С1 является наиболее реакционно способной по сравнению с другими ОН--группами в реакциях нуклеофильного замещения. По-видимому, многообразие и уникальность химии и биохимии этих витаминов объясняется их возможностью реагировать с различными реагентами по нескольким реакционным центрам и условиям их взаимодействия.

Как показали предварительные опыты при сливании растворов в результате взаимодействия компонентов появляется в начале розовая, а затем красная окраска, интенсивность которой со временем возрастает с появлением новых (нехарактерных для исходных веществ) максимумов поглощения в области 360 нм и 510 нм, интенсивность которых со временем увеличивается. Эквимолярные растворы L-аскорбиновой кислоты и аминокислот (глицин, Д, L-б-аланин, в-аланин, L-лизин) смешивались и выдерживались в течение 24 часов, при этом смеси окрашивались в интенсивно красный цвет. Растворы выпаривались при комнатной температуре. Выпавшие красные осадки перекристаллизовывались из пропанола [10].

Как показали наши исследования, взаимодействие L-аскорбиновой кислоты в отсутствии в реакционных растворах кислорода воздуха или окислителей с аминокислотами преимущественно протекает по С1 -углеродному атому, имеющему большой положительный заряд на этом реакционном центре с образованием бесцветных оснований. Схема этих химических превращений оснований Шиффа представлена на рис. 4.

Рис.4. Взаимодействие L-аскорбиновой кислоты с аминокислотами

Рис.5. Окисление оснований Шиффа кислородом воздуха или окислителями

Обсуждение результатов: Квантово-химическая оценка реакционной способности витаминов С с азотосодержащими органическими соединениями

Анализ данных, полученных из научной литературы, показал, что L-аскорбиновая и дегидро- L-аскорбиновая кислоты, обладая несколькими реакционными центрами, могут взаимодействовать с большим числом азот-, серо-, кислородсодержащими соединениями. Скорость и направления путей взаимодействия этих реакций зависят от многих факторов:

1) структуры витаминов L-аскорбиновой и дегидро-L-аскорбиновой кислот; 2) энергетических и геометрических параметров реагирующих молекул; 3) величин зарядов на реакционных центрах витаминов С и атакующих реагентов; 4) пространственных факторов субстратов и реагентов; 5) внешних условий (температура, растворитель, рН-среды).

Для целенаправленного синтеза продуктов взаимодействия витаминов С с различными веществами, увеличения чистоты и выхода конечных продуктов необходимо методами кинетики провести изучение влияния каждого из этих факторов на скорость и направление протекания реакций. С помощью компьютерной программы ChyperChem методом ММДОЗ нами определены энергетические и геометрические параметры, заряды на узловых реакционных центрах витаминов С, и реагентов, а также продуктов возможных их химических превращений.

Рис.6. L-аскорбиновая и дегидро-L-аскорбиновая кислоты

Структуры полученных соединений доказаны методами элементного анализа. Однако эти работы были проведены без учета современных представлений и возможностей использования современных физико-химических и компьютерных методов. Нами была произведена критическая оценка взаимодействия обеих форм витамина С с нуклеофильными реагентами. Рассмотрим влияние каждого из условий на вероятность и пути протекания реакций нуклеофильного присоединения и замещения, с учетом определения энергетических, геометрических параметров, величин зарядов на узловых реакционных центрах:

1. По энергетике и геометрическим параметрам, представленных в таблице оба витамина близки друг другу.

2. а) Величины зарядов на возможных реакционных центрах (С1, С2 и С3) резко отличаются друг от друга.

Наибольшей вероятностью к нуклеофильной атаке имеют С1 (0,788 в L-аскорбиновой кислоте и 0,723 в дегидро-L-аскорбиновой кислоте), т.е. по реакционной способности три атома углерода располагаются в ряд С1>С3>С2. По кислотным свойствам гидроксилы при С3 -ОН Н (0,265) более кислые их по сравнению с С2-ОН Н (0,247), поэтому вероятность солеобразования с азотсодержащими реагентами у атома водорода при С3 будет несколько больше по сравнению с атомом водорода при С2. Это подтверждается и величинами положительных зарядов на С3 (0,403) и С2 (0,312) атомах углерода. Вероятность нуклеофильной атаки в дегидро-L-аскорбиновой кислоте по С3 и С2-углеродным, атомам, будет выше по сравнению с C2 и С3 L-аскорбиновой кислоты. б) Чем больше отрицательный заряд (рКа реагента), тем большая вероятность протекания реакций взаимодействия двух форм витамина С с азотсодержащими реагентами.

3. Влияние пространственных факторов играет большую роль на скорость и направление протекания химических процессов. Анализ рассмотрения структур двух форм L-аскорбиновой кислоты на компьютерных и модельных образцах показал, что реакционный центр при С1 обладает более благоприятными пространственными возможностями для его нуклеофильной атаки по сравнению с С3 и С2. У L-аскорбиновой кислоты ОН-группа при С5 препятствует присоединению нуклеофила по С3, а в дегидро-L-аскорбиновой кислоте возникает препятствие со стороны кето-группы при С2 и ОН-группы при С5.

4. Условия проведения реакций (рН-среды, температура, растворитель) нуклеофильного присоединения и замещения оказывают в ряде случае огромное влияние на скорости, механизм и направление протекания реакций. Результаты проведенных нами кинетических измерений показали [11,12], что в слабокислых и нейтральных средах в отсутствии кислорода воздуха и окислителей реакции взаимодействия L-аскорбиновой кислоты с азотсодержащими нуклеофильными реагентами протекает по С1 -реакционному центру с образованием оснований Шиффа. В присутствии кислорода воздуха или следов окислителя происходит окисление гидроксильных групп L-аскорбиновой кислоты с образованием системы сопряженных связей, при этом растворы окрашиваются в красный цвет с лмах 350 и 510 нм. Щелочные среды и повышенные температуры способствуют разрушению витаминов С с образованием многих промежуточных и конечных продуктов.

Таким образом, для целенаправленного получения новых соединений взаимодействия L-аскорбиновой и дегидро-L-аскорбиновой кислот c азотсодержащими реагентами, для снижения затрат, времени, увеличения чистоты и выхода конечных продуктов необходимо учитывать все представленные в работе параметры проведения реакций.

Список использованных источников

1. Wenner W. The reaction of L-ascorbic and D-isoascorbic acid with nicotinic acid and its amide / W. Wenner // J. Org. Chem. - 1949. - V.14. - P. 22-25.

2. Baile C. W. A Study of the Binary System Nicotinamide - Ascorbic Acid / C. W. Baile, I. R. Bricht, I. I. Iasper // J. Am. Chem. Soc. - 1945. - V. 67. - P. 1184.

3. Романчук П. С. Стабилизирующее действие магния на аскорбиновую кислоту / П. С. Романчук // Доклады АН СССР. - 1957. - T.117. - С. 665-

4. Khadem H. Studies On Dehydro-L-Ascorbic Acid Arylozasones / Н. Khadem, S. Ashry // J. Am. Chem. Soc. - 1968. - P. 2247-

5. Синтез и превращения фосфитов 5,6-О-изопропилиден-L-аскорбиновой кислоты / Д. А. Предводителев, М. А. Маленковская, А. Р. Беккер, Л. К. Васянина, Э. Е. Нифантьев // Журнал органической химии. - 1991. -Т. 27. -В. 8. - С. 1655-

6. Штамм Е. В. Катализ окисления аскорбиновой кислоты ионами Си2+ / Е. В. Штамм, А. П. Пурмаль, Ю. И. Скурлатов // Журнал физической химии. - 1974. - № 9. - С. 2233-

7. Березовский В. М. Химия витаминов / В. М. Березовский. - М. : Пищевая промышленность, - С. 19-57.

8. Пищугин Ф. В. Влияние среды на скорости взаимодействия L-аскорбиновой кислоты с аминокислотами / Ф. В. Пищугин, Б. Д. Сарыбаева // Наука и новые технологии. - 2006. -№1. - С. 149-152.

9. Пищугин Ф. В. Влияние среды на скорости гидролиза продукта конденсации L-аскорбиновой кислоты с аминокислотами / Ф. В. Пищугин, Б. Д. Сарыбаева // Вестник КНУ им. Ж. Баласагына. - 2007. -Т.1, сер.5, вып.1. -С. 284-287.

10. Иванов В. Г. Практикум по органической химии / В. Г. Иванов, О. Н. Гева, Ю. Г. Таверова. - М. : Академа, 2002. - 18 с.

11. Сарыбаева Б. Д. Биологическая роль модифицированных витаминов С, РР, Н1 / Б. Д. Сарыбаева, Ф. В. Пищугин // Сб. статей по материалам 59 междунар. науч.-практ. конф. «Инновации в науке». -2016. - №2 (51). - С. 207-212.

12. Сарыбаева Б. Д. Окислительно-восстановительные превращения продуктов взаимодействия аскорбиновой кислоты с азотсодержащими органическими соединениями / Б. Д. Сарыбаева, Ф. В. Пищугин // Символ науки. - 2016. - №3/2016. - Ч.4. - С. 49-53.

Размещено на Allbest.ru