アスコルビン酸の化学

アスコルビン酸は、2-ケトグルコン酸のフラン骨格を持つラクトンです。カルボニル基に隣接するエネジオール基を有しています。この−C(OH)=C(OH)−C(=O)−構造パターンは還元性化合物に特徴的なものであり、エノールヒドロキシル基の一方の酸性度を高めます。脱プロトン化された共役塩基はアスコルビン酸アニオンであり、これは2つの形態間の共鳴によって生じる電子非局在化によって安定化されます。

このため、アスコルビン酸は、化合物が孤立したヒドロキシル基のみを含む場合に予想されるよりもはるかに強い酸性を示す。

アスコルビン酸アニオンは、アスコルビン酸ナトリウム、アスコルビン酸カルシウム、アスコルビン酸リチウム、アスコルビン酸カリウムなどの塩を形成する。

アスコルビン酸は、アルコールとして有機酸と反応して、パルミチン酸アスコルビルやステアリン酸アスコルビルなどのエステルを形成することもあります。

アスコルビン酸がプロトンに求核攻撃すると、1,3-ジケトンが生成する。

デヒドロアスコルビン酸

アスコルビン酸イオンは、一般的な生体内pH値において最も優勢なイオン種である。これは穏やかな還元剤および抗酸化物質であり、通常はヒドロキシルラジカルなどの活性酸素種の酸化剤と反応する。

活性酸素種は、核酸、タンパク質、脂質との相互作用により、分子レベルで動物や植物に損傷を与える可能性があります。これらのラジカルは連鎖反応を引き起こすこともあります。アスコルビン酸は電子移動によってこれらの連鎖ラジカル反応を終結させることができます。アスコルビン酸の酸化型は比較的反応性が低く、細胞損傷を引き起こしません。

アスコルビン酸とそのナトリウム、カリウム、カルシウム塩は、一般的に抗酸化食品添加物として使用されています。これらの化合物は水溶性であるため、脂肪の酸化を防ぐことはできません。そのため、アスコルビン酸と長鎖脂肪酸の脂溶性エステル（アスコルビルパルミテートおよびアスコルビルステアレート）が抗酸化食品添加物として使用できます。ナトリウム依存性能動輸送プロセスにより、アスコルビン酸は腸から吸収されます。^{[ 10 ]}

アスコルビン酸は容易に水素原子をフリーラジカルに供与し、共鳴安定化セミトリオンであるラジカルアニオンセミデヒドロアスコルビン酸（モノデヒドロアスコルビン酸とも呼ばれる）を形成する：^{[ 11 ]}

C ₆ H ₇ O − 6 + L• → C ₆ H ₆ O ₆ ^{• −} + LH

セミデヒドロアスコルビン酸から電子が失われて1,2,3-トリカルボニルプソイドデヒドロアスコルビン酸が生成されることは熱力学的に不利であり、自動酸化などのフリーラジカル連鎖反応の伝播を防ぐのに役立ちます: ^{[ 11 ]}

C ₆ H ₆ O ₆ ^{• −} + O ₂${\displaystyle \not \rightarrow }$C ₆ H ₆ O ₆ + O ₂ ^{• −}

しかし、アスコルビン酸は優れた電子供与体であるため、遊離金属イオンが存在する状況下では、過剰なアスコルビン酸はフリーラジカル反応を促進するだけでなく、自らも開始させる可能性があり、特定の代謝状況下では潜在的に危険な酸化促進化合物となる可能性がある。

セミデヒドロアスコルビン酸の酸化は水和と同時に起こり、二環式ヘミケタールデヒドロアスコルビン酸を生成する。特に、セミデヒドロアスコルビン酸はアスコルビン酸とデヒドロアスコルビン酸に不均化する。^{[ 11 ]}

C ₆ H ₆ O ₆ ^{• −} + L• + H ₂ O + H ⁺ → C ₆ H ₈ O ₇ + LH

2 C ₆ H ₆ O ₆ ^{• −} + H ₂ O + H ⁺ → C ₆ H ₈ O ₇ + C ₆ H ₇ O − 6

デヒドロアスコルビン酸の水溶液は不安定で、 37 ℃（99 °F） で5～15分の半減期で加水分解を起こす。分解生成物には、ジケトグルロン酸、キシロン酸、トレオン酸、シュウ酸が含まれる。^{[ 12 ] [ 13 ]： 14}  

90 ℃でグルコースやアミノ酸と混合すると揮発性化合物を生成する。 ^{[ 14 ]} 

これはチロシン酸化の補因子ですが、動物の肝臓の粗抽出物が使用されているため、どの酵素によって触媒されるどの反応がここで助けられているかは不明です。^{[ 15 ]}酵素反応における既知の役割については、ビタミンC§ 薬力学を参照してください。

鉄(III)を還元し、鉄イオンをキレートするため、非ヘム鉄の経口吸収を促進する。^{[ 16 ]}この性質は、その鏡像異性体にも当てはまる。^{[ 17 ]}

L-アスコルビン酸とその塩の主な用途は食品添加物であり、主に酸化を抑制し、保管中の製品の変色を防ぐことです。^{[ 25 ]} この用途は、EUではE番号E300、^{[ 26 ]}米国、^{[ 27 ]}オーストラリア、ニュージーランドで承認されています。^{[ 28 ]}

「d」エナンチオマー（エリソルビン酸）は、より一般的なlエナンチオマーとすべての非生物学的化学的特性を共有しています。その結果、食品抗酸化剤として同等の効果を発揮し、加工食品にも使用が承認されています。^{[ 29 ]}

L-アスコルビン酸のもう1つの主な用途は、栄養補助食品としてです。世界保健機関の必須医薬品リストに掲載されています。^{[ 30 ] [ 31 ]}長期間欠乏すると、疲労、結合組織の広範囲にわたる衰弱、毛細血管の脆弱性を特徴とする壊血病を引き起こす可能性があります。^{[ 32 ]}結合組織合成の生化学反応における役割により、複数の臓器系に影響を及ぼします。^{[ 33 ]}アスコルビン酸欠乏は、体内のコラーゲン合成能力を阻害し、その結果、関節痛、衰弱、血管破裂などの身体の劣化を引き起こします。^{[ 3 ]}

• アスコルビン酸は酸化されやすいため、写真現像液（その他）の還元剤として、また防腐剤として使用されます。
• 蛍光顕微鏡法および関連する蛍光ベースの技術では、アスコルビン酸は抗酸化剤として蛍光シグナルを増加させ、色素の光退色を化学的に遅らせるために使用できます。^{[ 34 ]}
• また、鉄などの溶解した金属の汚れをグラスファイバー製のプール表面から除去するためにもよく使用されます。
• プラスチック製造において、アスコルビン酸は従来の合成方法よりも迅速かつ廃棄物の少ない方法で分子鎖を組み立てるために使用できる。^{[ 35 ]}
• ヘロイン使用者は、ヘロイン塩基を水溶性塩に変換して注射できるようにする手段としてアスコルビン酸を使用することが知られている。^{[ 36 ]}
• ヨウ素との反応性から、浄水におけるヨウ素錠の効果を打ち消すために使用されます。殺菌された水と反応し、ヨウ素の味、色、臭いを取り除きます。そのため、多くのスポーツ用品店では、ヨウ化カリウム錠と並んで「飲料水中和錠」として販売されていることが多いのです。
• 静脈内投与の高用量アスコルビン酸は、化学療法剤および生物学的応答修飾剤として使用されている。^{[ 37 ]}臨床試験が進行中である。^{[ 38 ]}
• メテナミンの消毒効果を高めるために尿酸性化剤として使用されることもある。^{[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]}

世界のアスコルビン酸供給量の70%は中国で生産されている。^{[ 42 ]}アスコルビン酸は、歴史的なライヒシュタイン法に基づく方法で、工業的にグルコースから製造される。5段階のプロセスの最初の段階では、グルコースは触媒的に水素化されてソルビトールとなり、次に微生物Acetobacter suboxydansによって酸化されてソルボースとなる。この酵素反応では、6つのヒドロキシ基のうち1つだけが酸化される。ここから、2つの経路が利用可能である。生成物を酸触媒の存在下でアセトンで処理すると、残りの4つのヒドロキシ基がアセタールに変換される。保護されていないヒドロキシ基は、触媒酸化剤TEMPO（次亜塩素酸ナトリウム（漂白液）で再生）との反応によってカルボン酸に酸化される。歴史的に、ライヒシュタイン法による工業的製造では、漂白液として過マンガ​​ン酸カリウムが使用されていた。この生成物の酸触媒加水分解は、2つのアセタール基の除去と環化ラクトン化という二重の機能を果たします。このステップでアスコルビン酸が得られます。5つのステップのそれぞれで90%以上の収率が得られます。^{[ 43 ]} 

1960年代に中国で初めて開発され、1990年代にさらに発展したバイオテクノロジープロセスは、アセトン保護基を回避します。変異エルウィニアなどの遺伝子組み換え微生物種は、ソルボースを2-ケトグルコン酸（2-KGA）に酸化し、その後、脱水による環化ラクトン化を受けることができます。この方法は、アスコルビン酸産業で主に使用されているプロセスで使用されています。^{[ 42 ]}研究者たちは、ワンステップ発酵の方法を模索しています。^{[ 44 ] [ 45 ]}

アスコルビン酸含有量を分析する従来の方法は、酸化剤を用いた滴定であり、いくつかの手順が開発されている。

一般的なヨウ素滴定法では、デンプン指示薬の存在下でヨウ素を使用します。ヨウ素はアスコルビン酸によって還元され、すべてのアスコルビン酸が反応し尽くすと、ヨウ素が過剰になり、デンプン指示薬と青黒色の錯体を形成します。これが滴定の終点を示します。

代替法として、アスコルビン酸を過剰量のヨウ素で処理し、続いてデンプンを指示薬としてチオ硫酸ナトリウムで逆滴定することができる。^{[ 46 ]}

このヨウ素滴定法は、酸性溶液中におけるアスコルビン酸とヨウ素酸塩およびヨウ化物との反応を利用するように改良された。ヨウ化カリウム溶液を電気分解するとヨウ素が生成され、これがアスコルビン酸と反応する。反応の終点は、カールフィッシャー滴定のような電位差滴定によって決定される。アスコルビン酸の量はファラデーの法則を用いて計算できる。

別の方法として、ヨウ化カリウムとデンプンの存在下で、N-ブロモスクシンイミド（NBS）を酸化剤として用いる方法がある。NBSはまずアスコルビン酸を酸化し、アスコルビン酸が消費されると、ヨウ化カリウムからヨウ素を遊離させ、遊離したヨウ素はデンプンと青黒色の錯体を形成する。