ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ И РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ ВИТАМИНА B3

АННОТАЦИЯ

Витамин B3 – входит в класс водорастворимых важных витаминов для организма, также под названиями: никотиновая кислота, ниацин, или PP - «витамин РР» — от начальных букв двух латинских слов «preventive pellagra», или «предупреждающий пеллагру», является производным пиридина. Она широко используется при лечении многих заболеваний.

Витамин В3 был объектом исследования многих ученых экспериментаторов, которые изучали свойства, химические превращения и метаболизм данного объекта в организме человека [1]. Несмотря на эти сведения, теоретические исследования этого объекта остаются актуальной для объяснении его реакционной способности, механизма, пути реакции и метаболизма в организме. Поэтому нами в данной работе проведен квантово-химический расчет выбранного объекта. Данные, полученные нами представлены в табличном, схематическом видах; сделаны выводы о геометрии, электронном строении, оценены потенциальные центры для электрофильных реагентов, пути возможных реакций, которые могут быть полезнымы для глубокого изучения процесса метаболизма в организме человека.

ABSTRACT

Vitamin B3 - is part of the class of water-soluble important vitamins for the body, also called: nicotinic acid, niacin, or PP - “vitamin PP” - from the initial letters of two Latin words “preventive pellagra”, or “preventing pellagra”, is a derivative of pyridine. It is widely used in the treatment of many diseases.

Vitamin B3 has been the object of study by many experimental scientists who studied the properties, chemical transformations and metabolism of this object in the human body [1]. Despite this information, theoretical studies of this object remain relevant to explain its reactivity, mechanism, reaction pathway and metabolism in the body. Therefore, in this work we carried out a quantum chemical calculation of the selected object. The data we obtained is presented in tabular and schematic forms; conclusions were made about the geometry, electronic structure, potential centers for electrophilic reagents, and possible reaction paths were assessed, which could be useful for an in-depth study of the metabolic process in the human body.

Ключевые слова: витамин В₃, никотиновая кислота, ниоцин, витамин РР, водорастворимый, кристалл, квантово-химический расчет, метод Хартри-Фока, электронное строение, реакционная способность, биологическая активность, метаболизм.

Keywords: vitamin B3, nicotinic acid, niocin, vitamin PP, water-soluble, crystal, quantum chemical calculation, Hartree-Fock method, electronic structure, reactivity, biological activity, metabolism.

Введение. Витамин В3 (с брутто формулой C₆H₅NO₂) представляет собой кристаллический порошок без запаха, белого цвета, слабокислого вкуса, температура плавления 236–237°С. Трудно растворяется в воде, мало растворима в этаноле, плохо растворима в эфире. В щелочной, так и в кислой средах очень устойчива, сохраняет стойкость в сухом виде, не гигроскопична. Никотиновая кислота проявляет амфотерные свойства: проявляет свойства основания из-за наличия атома N в пиридиновом цикле; и свойства кислоты из-за наличия подвижного атома H в группе COOH, поэтому она может растворяться в растворах кислот и щелочей. Никотиновую кислоту (витамин В3) назначают для стимулирования кровообращения, мозговой деятельности, обмена аминокислот, жиров, углеводов, белков для профилактики сердечно-сосудистых заболеваний, способствует снижению уровня холестерина. Никотиновая кислота содержится во многих продуктах: − животного и растительного происхождения. При недостатке витаминов В, ухудшается здоровье человека и нарушается функции органов живого организма [2].

Никотиновую кислоту 2 синтезируют окислением β-пиколина 1a (3-метилпиридина) или окислением хинолина 1b до пиридин-2,3-дикарбоновой кислоты 1c с последующим её декарбоксилированием [3, 4]:

Рисунок 1. Получение витамина В3 синтетическими методами

В печени происходит биосинтез ниацина из аминокислоты триптофана: пятичленный ароматический гетероцикл триптофана расщепляется и перестраивается с аминогруппой триптофана в шестичленный гетероцикл ниацина. Он также может образовываться в организме из аминокислоты триптофана. Именно витамин В3 является биологически активным веществом в процессах жизненно важных окислительно-восстановительных реакциях, тканевом дыхании, распаде гликогена, в метаболизме белков, жиров и углеводов, пуриновом обмене; снижает содержание опасных липидов в крови, расширяет мелкие кровеносные сосуды и улучшает микроциркуляцию [5].

Методика расчета. Нами проведен квантово-химический расчет методом Hartree-Fock базисным набором 3-21G по программе Gaussian 98 [6], с полной оптимизацией геометрических параметров, удачно применяемой ранее, в наших исследованиях [7]. Для удобства атомы молекулы Витамина В3 пронумерованы условно (Рис. 2), что позволяет упростить процесс анализа полученных данных.

Рисунок 2. Нумерация (2a) и заряды на атомах (2b) витамина В3

Витамин В3 (ниацин) был объектом многочисленных экспериментальных работ по изучению физико-химических свойств. Однако, теоретические исследования объекта по сей день продолжаются [8, 9], в связи уникальностью данного соединения. Ниже приведены результаты квантово-химических расчетов в табличной форме. Расчитанная полная энергия системы равна Еп=-270977,78 кКал/моль, а дипольный момент µ=0,98Дб.

Таблица

Заряды атомов, длина связей, валентные и торсионные углы молекулы

Обсуждение результатов. Геометрия молекулы. В ароматическом кольце длина межатомных связей: N1-C2, С3-С4, С5-С6 равны 1.48Å, 1.53Å, 1.54Å и длинее относительно межатомных связей цикла C2-C3, С4-С5, С6-N1, равные 1.36Å,1.35Å, 1.30Å; при этом длина связи C3-C7 равна 1.54Å; а в карбоксильной группе длина карбонильной связи С7=О8 равна 1.26Å, тогда как длина связи С7-С9 равна 1.43Å. Удлинение последней сопровождается с накоплением на атоме О9 максимального отрицательного заряда в молекуле, равной q=-0.701е, за счет соседнего подвижного пртона. Валентные углы у пиридинового кольца N1-C2-C3, С5-С6-N1, C2-C3-C7 чуть завышены от нормы ароматичности и равны 120.48^о, 120.47^о, 120.27^о; тогда как углы C2-C3-C4 и C3-C4-C5 занижены на фоне влияния эффекта заместителей и равны 119.45^о и 118.82^о. У периферийных заместителей углы близки к соответствующим значениям, согласно их гибридизации: C3-C7-O8, С3-С7-O9 и C7-O9-H9 равны 119.96^о, 120.01^о и 109.47^о. Значения торсионных углов N1-C2-C3-C4, C4-C5-C6-N1, N1-C2-C3-C7, C2-C3-C7-O8, и C2-C3-C7-O9 очень близки к значениям ароматичности и равны 0.00^о, 0.00^о, 180.00^о, -179.23^о и -0.77^о.

Рисуок 3. Вид граничных орбиталей: ВЗМО (3а); НСМО (3b); энергия ГО (3c)

Заряды на атомах. Согласно табличным данным, обе атома кислорода карбоксильной группы несут максимальные отрицательные заряды, что могут стать потенциальными центрами для электрофильных реагентов в реакциях контролирующие зарядами. Согласно значениям орбитальной картины, представленной в рис 3, разнесение энергии граничных орбиталей (ГО) равно ΔЕ_ГО=-0,44536эВ, что дает возможность для легкой активации молекулы в реакциях с участием электрофильных реагентов.

Выводы. Согласно данным полученные теоретического расчета в пиридиновом кольце заряды симметрично расположены относительно положения N1. Несмотря на скопления отрицательного заряда на атоме азота, все-таки, для пиридина характерны реакции ароматического нуклеофильного замещения, протекающие преимущественно по мета-положениям кольца. Такая низкая реакционная способность свидетельствует о электроннодефицитной природе пиридинового кольца, что приводит к выводу, что основным реакционным центром в дальнейших процессах метаболизма в организме, является атом О19 карбоксильной группы.

Список литературы:

1. Олейникова. И.Ю. Никотиновая кислота как объект фармацевтической химии. // Молодой ученый. - 2017. - № 26 (160). - С. 62-64.
2. Kumar M. A Handbook of Bioorg. Chem.: Globus Press. 2014.- 272 p.
3. Ниацин или витамин В3: [Электронный ресурс]. Режим доступа: URL: https://toitumine.ee/ru/energiya-i-potrebnost-v-pitatelnyh-veshhestvah/ vitaminy/niatsin-ili-vitamin-b3 (Дата обращения 15.05.2024 г.).
4. Никотиновая_кислота: [Электронный ресурс]. Режим доступа: URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Никотиновая_кислота (Дата обращения 15.05.2024 г.).
5. Ferrell M.A., etc. Terminal metabolite of niacin promotes vascular inflammation and contributes to cardiovascular disease risk // Nature Medicine. 2024.-V. 30. - P. 424–434.
6. Frisch M.J.F and etc. Gaussian 98. Revision A. 5. Gaussian Inc. – Pittsburgh (PA). 1998.
7. Мамарахмонов М.Х. [и др.]. Квантово-химическое исследование электронного строения витамина В2 // Universum: химия и биология: электрон. научн. журн. - 2024. - 6(120). [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/17472 (Дата обращения: 15.05.2024).
8. T. Sivaranajani, etc. Vibrational spectra and quantum chemical investigations on nicotinium nitrate monohydrate single crystal for anti bacterial studies // Chemical Physics Impact. – 2023. Vol. 6. June P. 10020. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL: https://doi.org/10.1016/j.chphi.2023.100200. (Дата обращения: 15.05.2024).
9. Mohamed J. Saadh. Exploring Impacts of Oil and Water Environments on Structural and Electronic Features of Vitamin B3 along with DFT Calculations. // Journal of Medicinal and Chemical Sciences. 2023. Vol. 6. P. 2419-2431. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL: (Дата обращения: 15.05.2024).