Введение
Молекулярные аспекты аскорбиновой кислоты
Аскорбиновая кислота – это органическое соединение с формулой, первоначально называемое гексуроновой кислотой. Это белое твердое вещество, однако примеси могут придавать ему желтоватый оттенок. Она легко растворяется в воде, образуя слабокислые растворы. Аскорбиновая кислота является мягким восстановителем. Аскорбиновая кислота существует в виде двух энантиомеров (зеркальных изомеров), обычно обозначаемых как "" (для "лево") и "" (для "право"). Изомер наиболее распространен: он содержится в природе во многих продуктах питания и является одной из форм ("витамером") витамина С – незаменимого питательного вещества для человека и многих животных. Дефицит витамина С вызывает цингу, которая ранее была серьезным заболеванием среди моряков во время длительных морских путешествий. Она используется в качестве пищевой добавки и диетической добавки благодаря своим антиоксидантным свойствам. Форму "" можно получить путем химического синтеза, но она не имеет значимой биологической роли.
История
Антискорбутические свойства некоторых продуктов были продемонстрированы в 18 веке Джеймсом Линдом. В 1907 году Аксель Холст и Теодор Фройлих обнаружили, что антискорбутический фактор — это водорастворимое химическое вещество, отличное от вещества, предотвращающего берибери. Между 1928 и 1932 годами Альберт Сент-Дьёрдьи выделил кандидата на роль этого вещества, которое он назвал «гексуроновой кислотой», сначала из растений, а затем из надпочечников животных. В 1932 году Чарльз Глен Кинг подтвердил, что это действительно антискорбутический фактор. В 1933 году химик-сахарохимик Уолтер Норман Хоуорт, работая с образцами «гексуроновой кислоты», которые Сент-Дьёрдьи выделил из паприки и прислал ему в предыдущем году, установил правильную структуру и оптическую изомерную природу соединения и в 1934 году сообщил о его первом синтезе. В связи с антискорбутическими свойствами соединения Хоуорт и Сент-Дьёрдьи предложили переименовать его в «скорбиновую кислоту», а позднее — конкретно в аскорбиновую кислоту. За свою работу в 1937 году Хоуорту и Сент-Дьёрдьи были присуждены две Нобелевские премии: по химии и по физиологии или медицине, соответственно.
Кислота
Аскорбиновая кислота — это лактон на основе фурана 2-кетоглюконовой кислоты. Она содержит смежный энедиол, примыкающий к карбонильной группе. Эта структурная группа −C(OH)=C(OH)−C(=O)− характерна для редуктонов и повышает кислотность одной из энольных гидроксильных групп. Депротонированным сопряженным основанием является анион аскорбата, который стабилизируется за счет делокализации электронов, возникающей в результате резонанса между двумя формами:
По этой причине аскорбиновая кислота гораздо более кислотна, чем можно было бы ожидать, если бы соединение содержало только изолированные гидроксильные группы.
Соли
Анион аскорбата образует соли, такие как аскорбат натрия, аскорбат кальция и аскорбат калия.
Эфиры
Аскорбиновая кислота также может реагировать с органическими кислотами, действуя как спирт, образуя сложные эфиры, такие как аскорбилпальмитат и аскорбилстеарат.
Другие реакции
При смешивании с глюкозой и аминокислотами при 90 °C образуются летучие соединения. Он является кофактором в окислении тирозина.
Пищевая добавка
Основное применение аскорбиновой кислоты и ее солей — в качестве пищевых добавок, главным образом для предотвращения окисления. Она одобрена для этой цели в ЕС под номером E300, в США, Австралии и Новой Зеландии.
Диетическая добавка
Еще одно важное применение аскорбиновой кислоты — в качестве диетической добавки. Она входит в Список основных лекарственных средств Всемирной организации здравоохранения.
Ниша, непищевое использование
Аскорбиновая кислота легко окисляется и поэтому используется в качестве восстановителя в фотопроявителях (и других) и в качестве консерванта. В флуоресцентной микроскопии и связанных с ней методах, аскорбиновая кислота может использоваться как антиоксидант для увеличения флуоресцентного сигнала и химического замедления фотовыцветания красителей. Она также обычно используется для удаления растворенных металлических пятен, таких как железо, с поверхностей бассейнов из стекловолокна. В производстве пластмасс аскорбиновая кислота может использоваться для более быстрой сборки молекулярных цепей и с меньшим количеством отходов, чем при традиционных методах синтеза. Известно, что потребители героина используют аскорбиновую кислоту для преобразования героиновой основы в водорастворимую соль, чтобы её можно было вводить инъекционно. Обосновано её реакцией с йодом, она используется для нейтрализации действия таблеток йода при очистке воды. Она реагирует со стерилизованной водой, устраняя вкус, цвет и запах йода. Именно поэтому она часто продается в большинстве магазинов спортивных товаров вторым набором таблеток под названием "Таблетки для нейтрализации питьевой воды", вместе с таблетками йодида калия. Внутривенное введение высоких доз аскорбата используется в качестве химиотерапевтического средства и модификатора биологического ответа. В настоящее время проводятся клинические испытания. Иногда она используется в качестве подкислителя мочи для усиления антисептического эффекта метенaмина.
Синтез
Естественный биосинтез витамина С происходит у многих растений и животных посредством разнообразных процессов.
Промышленная подготовка
70% мирового запаса аскорбиновой кислоты производится в Китае. Более совершенный биотехнологический процесс, впервые разработанный в Китае в 1960-х годах, но усовершенствованный в 1990-х, позволяет избежать использования защитных групп ацетона. Второй генетически модифицированный вид микроорганизмов, например, мутантная Erwinia и другие, окисляет сорбозу в 2-кетоглюконовую кислоту (2 KGA), которая затем подвергается лактонизации с замыканием кольца посредством дегидратации. Этот метод используется в преобладающем процессе, применяемом китайской промышленностью аскорбиновой кислоты, обеспечивающей 70% мирового производства. Исследователи изучают возможности осуществления ферментации в одну стадию.
Определение
Традиционный способ анализа содержания аскорбиновой кислоты – это титрование окислителем, и разработано несколько методик. Распространенный йодометрический метод использует йод в присутствии крахмального индикатора. Аскорбиновая кислота восстанавливает йод, и когда вся аскорбиновая кислота прореагирует, йод оказывается в избытке, образуя сине-черный комплекс с крахмальным индикатором. Это указывает на точку окончания титрования. В качестве альтернативы, аскорбиновую кислоту можно обработать избытком йода, а затем провести обратное титрование тиосульфатом натрия с использованием крахмала в качестве индикатора. Этот йодометрический метод был усовершенствован для использования реакции аскорбиновой кислоты с йодатом и йодидом в кислой среде. Электролиз раствора йодида калия генерирует йод, который реагирует с аскорбиновой кислотой. Окончание процесса определяется потенциометрическим титрованием, аналогичным титрованию по Карлу Фишеру. Количество аскорбиновой кислоты можно рассчитать по закону Фарадея. Другой вариант предполагает использование N-бромосукцинимида (NBS) в качестве окислителя в присутствии йодида калия и крахмала. NBS сначала окисляет аскорбиновую кислоту; когда она полностью израсходована, NBS высвобождает йод из йодида калия, который затем образует сине-черный комплекс с крахмалом.