Wat is vitamine B1?
Thiaminechloridehydrochloride, ook bekend als vitamine B1, is een kristallijne witte substantie die kleurloze monokliene naalden vormt en een licht bittere smaak en karakteristieke geur heeft.
De systematische naam voor thiamine is 3-[(4-amino-2-methylpyrimidin-5-yl)methyl]-5-(2-hydroxyethyl)-4-methylthiazoliumchloride. Het bevat een thiazoolring en een pyrimidinering als basisskelet. Terwijl de IUPAC-IUB-naam thiamine is, wordt de term thiamine vaak gebruikt in officiële en commerciële documenten.
Thiamine wordt voornamelijk gebruikt in de vorm van chloridehydrochloride en nitraat. In dierlijk weefsel bestaat het voornamelijk in gefosforyleerde vormen, met name als pyrofosfaat, en is het gebonden aan een enzym als een eiwitcomplex.
Organen zoals de lever, het hart, de nieren en de hersenen hebben een hoge concentratie thiamine, ongeveer 100 mg/100 g. Aan de andere kant bevat normaal menselijk bloed ongeveer 90 ng thiamine per liter, met aanzienlijke variaties tussen individuen.
Vrije thiamine is de meest voorkomende vorm van thiamine die wordt aangetroffen in plantaardige producten, met name in het pericarp en zaden van granen, gist, rijst, gedroogde groenten en aardappelen. Oliën, vetten en sterk bewerkte voedingsmiddelen, zoals geraffineerde suikers, bevatten vrijwel geen thiamine.
Inhoudsopgave
1. Productie van vitamine B1
Er zijn verschillende syntheses van thiamine gepubliceerd en in principe zijn er in de loop der jaren twee algemene methoden ontwikkeld.
1.1. Condensatie van de pyrimidine- en thiazoolringen
Het initiële proces, bekend als de convergente benadering, omvat afzonderlijke syntheses van 4-amino-5-bromomethyl-2-methylpyrimidinehydrobromide en de thiazoolgroep of het acetaat ervan.
De combinatie van de twee intermediaire heterocyclische verbindingen resulteert in thiaminebromidehydrobromide, dat kan worden omgezet in thiaminechloridehydrochloride door zilverchloride te gebruiken in methanol of een ionenwisselaarhars.
De eerste commerciële productie van vitamine B1 werd opgezet door Merck-Rahway in de Verenigde Staten.
1.2. Constructie van de thiazoolring op een voorgevormd pyrimidinegedeelte
De tweede methode voor het synthetiseren van thiamine, de lineaire benadering genoemd, omvat de opeenvolgende vorming van de thiazoolring op een voorgevormd pyrimidine-intermediair, de Grewe-diamine.
Hoffmann-La Roche industrialiseerde deze benadering kort na het Merck-Rahway-proces.
Momenteel volgt alle commerciële productie van vitamine B1 de lineaire benadering via Grewe-diamine tot thiothiamine.
1.2.1. Pyrimidine-deel
De belangrijkste bouwsteen, Grewe-diamine, is opgebouwd uit acrylonitril of malononitril.
Acrylonitril wordt geproduceerd door ammonoxidatie van propeen, terwijl malononitril wordt vervaardigd met behulp van een continu proces met hoge temperaturen waarbij acetonitril en cyanogeenchloride reageren in een buisreactor boven 700 °C.
Andere processen gebruiken β-aminopropionitril verkregen door ammoniak toe te voegen aan acrylonitril, dat vervolgens wordt onderworpen aan oxidatieve dehydrogenering in de gasfase bij hoge temperatuur en in aanwezigheid van moleculaire zuurstof en een metaalkatalysator.
Malononitril wordt omgezet in de overeenkomstige C4-eenheid door een carbonylgroep toe te voegen en verder met ammoniak of alcoholen tot 2-(aminomethyleen)propaandinitril. De vereiste C2-bouwsteen acetimino-ether wordt gemaakt van acetonitril door derivatisering met HCl en methanol voor condensatie met enamine wat leidt tot 5-cyanopyrimidine.
Grewe-diamine wordt verkregen door verdere hydrogenering over metaalkatalysatoren.
1.2.2. Thiaminesynthese
Na het verkrijgen van Grewe-diamine zijn drie chemische stappen vereist om thiamine (vitamine B1) te verkrijgen: verlenging van de aminomethyl-zijketen op de 5-positie, cyclisatie naar de thiazoolring en omzetting in thiamine.
Vergelijkbare benaderingen met 3-chloor-5-hydroxypentan-2-on of 3-chloor-4-oxopentylacetaat als de belangrijkste bouwsteen voor ketenverlenging worden door alle concurrenten gebruikt.
2. Chemische reacties van vitamine B1
2.1. Thiaminehydrolyse
Thiamine kan worden omgezet in de thiolvorm onder licht alkalische waterige omstandigheden, specifiek bij pH 7,0 of hoger. De snelheidsbeperkende stap lijkt de ringopening te zijn.
Onder normale omstandigheden is een waterige oplossing van thiamine stabiel onder pH 5,5, zelfs bij oxidatie. Wanneer het echter in een afgesloten buis wordt verhit tot 140 °C, ontleedt het in (4-amino-2-methyl-5-pyrimidinyl)methanol en 4-methyl-5-(2-hydroxyethyl)thiazool.
Door thiaminechloride te behandelen met sulfiet in zwak zure oplossingen, splitst het zich in het methaansulfonaatderivaat en de thiazoolverbinding.
Thiaminechloride kan worden omgezet in oxythiamine, dat geen vitamineactiviteit heeft, onder sterk zure omstandigheden.
2.2. Intramoleculaire aminolyse
Onder sterk basische maar watervrije omstandigheden (met behulp van 2 mol natriumethoxide in ethanol) kan de 4′-aminogroep van thiamine zich toevoegen aan de thiazoolring, wat leidt tot tricyclisch dihydrothiochroom, dat vervolgens een thiolaation elimineert om het natriumzout van de gele vorm van thiamine te geven.
De toevoeging van zuur kan het omzetten in de thermodynamisch stabielere thiolvorm.
2.3. Oxidatie
In aanwezigheid van een oxidant wordt thiolaat onomkeerbaar omgezet in thiochroom, een gele kristallijne verbinding die uit gist is geïsoleerd maar geen fysiologisch belang heeft.
In oplossing vertoont het een sterke blauwe fluorescentie die kan worden gebruikt om thiamine kwantitatief te bepalen. Reductie van thiochroom kan het terug omzetten in thiamine.
2.4. Ylidevorming
Bij abstractie van het waterstofatoom van de 2-positie van de thiazoolring wordt het ylide van thiamine gevormd, dat een centrale rol speelt in zowel de co-enzymatische reactie van vitamine B1 als in niet-enzymatische reacties zoals de acyloïnecondensatie.
Het vermogen van thiamine om een ylide te vormen kan worden gerationaliseerd in termen van moleculaire orbitaaltheorie en resonantiestructuren.
Er is echter nog steeds wijdverbreid meningsverschil over de vraag of de 4′-aminogroep fungeert als een intramoleculair zuur of base in de chemie of de enzymologie van ylidevorming uit thiamine.
2.5. Reductie
Thiamine kan reductie van de thiazoolring ondergaan door verschillende reductiemiddelen, zoals lithiumaluminiumhydride, natriumboorhydride, om tetrahydrothiamine te produceren via het intermediaire dihydrothiamine.
3. Biochemische functies van vitamine B1
Thiamine is een onmisbare voedingsstof met verschillende vitale metabolische functies, en de ontoereikendheid ervan is gekoppeld aan verstoringen in het koolhydraatmetabolisme, wat leidt tot schadelijke effecten op zenuwfuncties.
In biologische systemen is thiaminepyrofosfaat, ook bekend als TPP of cocarboxylase, de enige bekende biologisch actieve vorm van thiamine. Deze verbinding wordt gegenereerd door de reactie tussen thiamine en ATP in levercellen.
Als co-enzym voor enzymen die betrokken zijn bij intermediair metabolisme, neemt TPP deel aan de decarboxylering van α-ketozuren (pyruvaat en α-ketoglutaraat dehydrogenase complex) en aan de reversibele α-ketol overdrachtsreacties gekatalyseerd door transketolase in de pentosefosfaatcyclus.
Thiamine zou kunnen dienen als een actief bestanddeel in het zenuwstelsel. Er is geopperd dat thiamine, vermoedelijk als thiaminetrifosfaat, een cruciale functie zou kunnen spelen bij het stimuleren van perifere zenuwen.
Referentie
- Vitamin, 6. Vitamin B1 (Thiamin); Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.o27_o09.pub2
