CC BY
40
УДК 577.1+547.9
АМИНО-КАРБОНИЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ УГЛЕВОДОВ С ЗАМЕЩЕННЫМИ АРОМАТИЧЕСКИМИ АМИНАМИ
1 ЧЕРЕПАНОВ И. С., 2ТРУБАЧЕВ А. В., 1АБДУЛЛИНА Г. М.
1Удмуртский государственный университет, 426034, г. Ижевск, ул. Университетская, 1 Удмуртский научный центр УрО РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34
АННОТАЦИЯ. Выполнены синтезы азотсодержащих продуктов амино-карбонильных реакций О-глюкозы с замещенными ароматическими аминами, содержащими донорные и акцепторные функциональные группы, проанализирована сравнительная активность аминов и аминоконъюгатов на разных стадиях реакции Майлларда. Подтверждена корреляция основности аминов с их реакционной способностью, отмечено отсутствие возможности получения прямым синтезом продуктов перегруппировки Амадори с приемлемым выходом в случаях гликозиламинов со слабоосновными карбоксифенильными агликонами. Методом спектрофотометрии дана оценка относительной лабильности К-гликозиламинов в реакциях меланоидинообразования.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: амино-карбонильные взаимодействия, ароматические амины, углеводы, перегруппировка Амадори, реакция Майлларда.
ВВЕДЕНИЕ
Амино-карбонильные реакции, предполагающие конденсацию альдегидов или кетонов с реагентами, содержащими активную аминогруппу, являются одними из наиболее важных процессов в живой природе. Особое место среди них занимает реакция Майлларда, субстратами которой являются восстанавливающие углеводы, активно реагирующие с органическими аминами, при этом последовательно образуются К-гликозиламины, дезоксиаминокетозы, ряд других побочных продуктов и в конечном итоге высокомолекулярные окрашенные вещества - меланоидины, биологический потенциал которых активно изучается, но закономерности образования в реакциях выяснены еще в незначительной степени.
К настоящему времени выполнены синтезы большого числа К-гликозидов различного функционального назначения на основе моносахаридов, получен ряд продуктов их кислотно-каталитических перегруппировок, изучены механизмы и кинетика превращений в различных средах [1], проанализировано влияние различных факторов на протекание реакции Майлларда, предложен ряд веществ, способных катализировать или ингибировать последнюю, изложены гипотезы строения интенсивно окрашенных продуктов сахараминных реакций - меланоидинов, при этом большинство выводов относится к водным средам различного уровня кислотности, в то время как для неводных растворов данных относительно закономерностей протекания реакций меланоидинообразования получено сравнительно немного. Имеющийся определенный прогресс в изучении амино-карбонильных реакций не до конца раскрывает химию красящих веществ [2], практически отсутствуют данные о механизмах их образования из ариламиноконъюгатов.
Реакция Майлларда в классическом варианте предполагает конденсацию ряда углеводов с различными аминокислотами, в то время как процессы взаимодействия восстанавливающих сахаров с аминами изучены в меньшей степени, при этом, например, для продуктов, образующихся в реакциях с участием ариламинов, отмечается антикоагуляционная активность гепариноподобного действия [3]. В связи с этим в данной работе изучены реакции О-глюкозы с ароматическми аминами, содержащими донорные (и-толуидин) и акцепторные (м- и и-аминобензойные кислоты) заместители, корреляция активности в изучаемых процессах которых обеспечивается о„, см и о„"-константами соотвественно.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Для синтеза веществ использовали реактивы марки «чда», электронные спектры регистрировали на спектрофотометре СФ-2000, инфракрасные спектры снимали в таблетках КВг на ИК-Фурье спектрометре ФСМ 1201, измерение температур плавления проводили в открытых капиллярах на установке Кьельдаля.
Синтез соединений осуществляли прямой конденсацией О-глюкозы (1) с замещенными ароматическими аминами в 96%-ном этаноле в эквимолярном соотношении углевода и амина, продукты реакций - соответствующие К-гликозиламины (2) - выделяли, очищали, высушивали и идентифицировали. Для синтеза К-и-карбоксифенил-Р-О-глюкопиранозиламина (и-КФГПА) в качестве катализатора использовали уксусную кислоту, реакцию проводили при 75 °С в течение 70 мин. После перекристаллизации из спиртово-эфирной смеси и промывания диэтиловым эфиром продукты были выделены в чистом виде с выходом 70 %. Для синтеза К-ж-карбоксифенил-Р-О-глюкопиранозиламина (ж-КФГПА) и К-и-толил-Р-О-глюкопиранозиламина (и-ТГПА) добавления катализатора не требовалось, реакция проводилась при 60 и 40 °С соответственно в течение 2 часов, после промывания диэтиловым эфиром и высушивания соединения выделены с выходом 75 %.
О
\Х
' + НО-
'ОН
И
НОН О
Н
ОН
X
ОН
Н+
\ -— И
Н ОН
X
1
X = и-СООН, ж-СООН, и-Ме.
и-ТГПА также получили перемешиванием в течение 5 часов при комнатной температуре в присутствии уксусной кислоты с выходом 61 %, в случае аминобензойных кислот в аналогичных условиях продукты конденсации практически не образуются. Синтезированные К-гликозиламины представляют собой белые кристаллические вещества, умеренно растворимые в воде, незначительно растворимые в этаноле, практически нерастворимые в эфире.
Электронные спектры продуктов синтеза имеют максимумы поглощения в области X = 300 - 330 нм, что отвечает батохромному сдвигу 5-полосы бензольного кольца при его функционализации и усилении донорных свойств аминогруппы при гликозировании. Чистота синтезированных гликозиламинов подтверждается узкими интервалами температур плавления, отнесение частот в ИК-спектрах позволяет подтвердить структуру целевых продуктов (таблица).
В ряду и-толуидин - ж-аминобензойная кислота - и-аминобензойная кислота реакционная способность, оцениваемая продолжительностью гликозирования, закономерно снижается симбатно изменению нуклеофильности аминов, которая в данном случае прямо коррелирует с их основностью (значения рКь составляют 8,9; 10,9 и 11,4 соответственно); та же закономерность, как будет показано далее, справедлива и для последующих стадий.
2
3
Таблица
Характеристики синтезированных ]]-гликозиламинов
Соединение и-КФГПА м-КФГПА и-ТГПА
Т 0 С Т пл С 125-127 96-98 (разл.) 117-119
^шах, нм 300 330 310
Данные ИК-спектроскопии (V, см-1)
у(ОЫ, КН) 3400-3200 3380-3200 3400-3325
v(C=O) 1680 1675 -
v(C=C) 1660 1660 1660
5(КН) 1600 1605 1590
V(C-К), 5(ОЫ) 1370 1370 1370
v(CO, ОН) 1320 1320 1320
v(C-O-C) 1060-1000 1060-1000 1050-1000
5(CНar) 810 770 800
Вторым этапом работы являлось изучение поведения синтезированных аминоконъюгатов на следующей стадии реакции Майлларда, а именно образования продуктов перегруппировки Амадори (ППА); последняя представляет собой кислотно-каталитическую изомеризацию К-гликозиламинов (3) через стадию образования енолов (4) в дезоксиаминокетозы (5):
Н —N
НО НО
ОН 3
X
Н
ОН 4
X
5
Синтез ППА может быть реализован как из исходных углевода и амина, в том числе с применением защиты функциональных групп [1], так и из промежуточно выделенных К-гликозидов. Реакции проводили при более высоких температурах, во всех трех системах в качестве катализатора использовали уксусную кислоту: полученные в результате первых синтезов К-гликозиламины нагревали при 80 °С в течение 0,5 - 1 ч в спиртовом растворе в присутствии кислотного катализатора, после чего охлаждали и добавляли избыток эфира. В кристаллическом состоянии нами выделен и идентифицирован на основании измерения температуры плавления и данных ИК-спектроскопии известный ранее [1] продукт перегруппировки и-ТГПА - 1-дезокси-1-и-толуидино-О-фруктоза. Продукты изомеризации К-гликозиламинов с карбоксифенильными агликонами в аналогичных условиях в свободном виде из этанольных растворов практически не выделяются, что, вероятно, также объясняется слабой способностью ариламиногрупп к протонированию: равновесие глюкопиранозиламин (2) - гликозиламмоний (3) практически полностью смещено влево. Подтверждением может служить близость констант основности м- и и-аминобензойных кислот значениям соответствующих величин 4,6-диаминопиримидина и м-нитроанилина (рКь равны 10,8 и 11,5 соответственно), гликозиламины которых, как известно, перегруппировку Амадори не претерпевают [4,5]. Умеренное нагревание (до 65 °С) системы О-глюкоза - и-аминобензойная кислота с уксуснокислым катализатором в течение 5 часов дает продукт, идентифицируемый
как п-КФГПА, повышение температуры реакции до 90 °С уже через час переводит реакционную смесь в вязко-текучее состояние, кристаллизация ППА из которого при охлаждении не наблюдается. Вполне вероятно, что образование ППА возможно и для аминобензойных кислот, поскольку существуют природные аналоги соответствующих дезоксиаминокетоз [4], но получить их с приемлемыми выходами прямым синтезом крайне затруднительно.
Известным фактом является существенное увеличение скорости деградации первичных аминоконъюгатов при переходе к неводным растворителям [1], в связи с чем для всех трех аминов отмечено образование окрашенных продуктов при интенсивном нагревании с ^-глюкозой в спиртовых растворах в условиях кислотного катализа, при этом активность в реакциях, оцениваемая спектрофотометрически по интенсивности окрашивания, также максимальная для п-толуидина, что вновь можно связать с его более высокой основностью, облегчающей ряд стадий образования меланоидинов [1]. Появление окрашивания в реакционных системах с аминобензойными кислотами может быть связано с наличием альтернативных промежуточных продуктов, в основе образования которых лежит расщепление углеродной цепи [1] и трансформация функциональных групп гликона [2], причем для протекания процессов меланоидинообразования с их участием необходимы более жесткие условия [3].
Для оценки сравнительной устойчивости аминоконъюгатов и их способности к меланоидинообразованию были сняты электронные спектры в области длин волн 300 - 400 нм. Реакционные углевод-аминные смеси эквимолярного состава в присутствии уксусной кислоты интенсивно нагревали в этаноле в течение заданного времени при 85 °С, при этом исходные вещества полностью растворялись, далее отбирали пробы, разбавляли этанолом и снимали спектры поглощения (рисунок). Максимумы поглощения соответствуют значениям ^ах гликозиламинов, различную интенсивность поглощения можно связать с их лабильностью в условиях измерений, предполагая отсутствие структурных изменений гликона конъюгата на начальных этапах гликозирования.
1,8
1,6
/
1,4
/
\
— п-АБК
м-АБК
п-толуидин
295
315
335
355
к, нм
375
395
415
Рис. Электронные спектры поглощения продуктов кислотно-катализируемого взаимодействия ,0-глюкозы с и-толуидином, м- и и-аминобензойными кислотами (м-АБК, и-АБК)
Отсутствие поглощения в видимой области для систем с аминобензойными кислотами подтверждает затруднения реализации кислотно-каталитической перегруппировки, происходит накопление сравнительно устойчивых в условиях реакции
карбоксифенилгликозиламинов в соответствии со скоростями их образования, и заметного меланоидинообразования в данных условиях не наблюдается. В противоположность слабоосновным конъюгатам значительного накопления и-ТГПА не происходит, он интенсивно образуется в реакционной системе, далее перегруппировывается, после чего происходит постепенная деструкция ППА с образованием окрашенных соединений, обнаруживающих поглощение в видимой области в форме характерного для меланоидинов нечеткого пика, переходящего в плато [6].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Yaylayan V. A., Huyghues-Despoentes A. Chemistry of Amadori rearrangement products: Analysis, synthesis, kinetics, reactions, and spectroscopic properties // Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 1994, vol. 34, no. 4, pp. 321-369.
2. Руденко В. Н., Бобровник Л. Д., Федорченко С. С. Образование красящих веществ при взаимодействии моносахаридов с аминокислотами // Известия вузов. Пищевая технология. 1994. № 5-6. С. 16-18.
3. Давидянц С. Б., Стороженко В. В., Костюк Ю. Н., Душенко Ю. Е. Способ получения меланоидинов, проявляющих антикоагулянтную активность // Авторское свидетельство № 538712, 1976.
4. Степаненко Б. Н. Химия и биохимия углеводов. Моносахариды. М. : Химия, 1977. 224 с.
5. Гетероциклические соединения. Том 6 / под ред. Р. Эльдерфилда. М. : Изд-во Иностранной литературы, 1960. 612 с.
6. MacDougall D., Granov M. Relationship of ultraviolet and visible spectra in Maillard reactions to CIELAB colour space and visual appearance // In book: «The Maillard reaction in food and medicine». Edit. by J. O'Brien, H. Nursten. Cambridge: Woodhead Publishing Limited, 2005, pp. 160-165.
AMINO-CARBONYL CARBOHYDRATES INTERACTIONS WITH SUBSTITUTED AROMATIC AMINES.
:Cherepanov I. S.,2 Trubachev A. V., 1Abdullina G. M. :Udmurt State University, Izhevsk, Russia,
2Udmurt Scientific Center, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia
SUMMARY. The syntheses of the amino-carbonyl reaction nitrogenous products of ^-glucose with substituted aromatic amines, containing functional donor and acceptor functional groups: p-toluidine, m- and p-aminobenzoic acids are submitted, comparative amines and amino-conjugates activity at the different stages of the Maillard reaction is analyzed. Synthesis was carried out direct condensation of compounds D-glucose with substituted aromatic amines in non-absolute ethanol in an equimolar ratio carbohydrate and amine reaction products was isolated, purified, dried, and characterized. The N-glycosylamines synthesized are white crystalline solids, sparingly soluble in water, slightly soluble in ethanol, practically nonproliferation-soluble in ether. Correlation of amines basicity with their reactivity on the different glycosylation reaction stages is confirmed, inability to obtain acceptable yield of Amadori rearrangement products in the cases of weakly basic carboxyphenyl aglicones glycosylamines is marked. Only the previously known p-TGPA-rearrangement product (1-deoxy-1-p-toluidino-D-fructose) was isolated in the crystalline state and identified based on the measurement data of melting points and IR-spectra. Valuation of the relative lability of N-glycosylamines to melanoidines formation is given by spectrophotometry. Formation of colored products during intense heating with D-glucose in alcohol solution under conditions of acid catalysis is mentioned for all amines; the activity in the reactions, estimated by spectrophotometry, also maximal for p-toluidine, which can be associated again with its higher basicity, which facilitates the formation of a number of stages melanoidins. To estimate the relative amino-conjugates stability and their ability to melanoidines formation electronic spectra of the reaction mixtures were taken in the wavelength range of 300-400 nm. No absorption in the visible region for systems with aminobenzoic acids confirms implementation difficulties acid-catalyzed rearrangement accumulates relatively stable in the reaction conditions carboxyphenylglycosylamines in accordance with the velocities of their formation, and an appreciable melanoidins in these conditions is observed. In contrast, weak base conjugates significant accumulation of p-TGPA does not occur, it is formed intensively in the reaction system, followed by rearrangement, followed by a gradual degradation of the Amadori rearrangement products to form colored compounds, exhibiting absorption in the visible region in the form of characteristic for melanoidins absorption peak as a plateau.
KEYWORDS: amino-carbonyl interactions, aromatic amines, carbohydrates, Amadori rearrangement, Maillard reaction.
REFERENCES
1. Yaylayan V. A., Huyghues-Despoentes A. Chemistry of Amadori rearrangement products: Analysis, synthesis, kinetics, reactions, and spectroscopic properties. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 1994, vol. 34, no. 4, pp. 321-369.
2. Rudenko V. N., Bobrovnik L. D., Fedorchenko S. S. Obrazovanie krasyashchikh veshchestv pri vzaimodeystvii monosakharidov s aminokislotami [Education dyes by reacting sugars with amino acids]. Izvestiya vuzov. Pishchevaya tekhnologiya [Proceedings of the universities. Food technology], 1994, no. 5-6, pp. 16-18.
3. Davidyants S. B., Storozhenko V. V., Kostyuk Yu. N., Dushenko Yu. E. Sposob polucheniya melanoidinov, proyavlyayushchikh antikoagulyantnuyu aktivnost' [A method for producing melanoidins exhibiting anticoagulant activity]. Avtorskoe svidetel'stvo [Copyright certificate], no. 538712, 1976.
4. Stepanenko B. N. Khimiya i biokhimiya uglevodov. Monosakharidy [Chemistry and biochemistry of carbohydrates. Monosaccharides]. Moscow: Khimiya Publ., 1977. 224 p.
5. Geterotsiklicheskie soedineniya. Tom 6, pod red. R. El'derfilda [Heterocyclic compounds. Volume 6]. Moscow: Inostrannaya litaratura Publ., 1960. 612 p.
6. MacDougall D., Granov M. Relationship of ultraviolet and visible spectra in Maillard reactions to CIELAB colour space and visual appearance. The Maillard reaction in food and medicine. Edit. by J. O'Brien, H. Nursten. Cambridge: Woodhead Publishing Limited, 2005, pp. 160-165.
Черепанов Игорь Сергеевич, кандидат химических наук, доцент кафедры фундаментальной и прикладной химии УдГУ, тел. 8(3412)916-434, e-mail: cherchem@mail.ru
Трубачев Алексей Владиславович, кандидат химических наук, доцент, главный ученый секретарь УдНЦ УрО РАН, тел. 8(3412)508-810. e-mail: udnc@udman.ru
Абдуллина Гулямза Миннулловна, студентка 3 курса бакалавриата направления подготовки «Химия» УдГУ, тел. 8(3412)916-434, e-mail: guliamza91@mail. ru
