химический каталог




Химия протеолиза

Автор В.К.Антонов

а (VI) довольно легко дегидратируются в (IX), а в сильнокислой среде образуют соли соответствующих карбокатионов (X):

О.

IX

I

<

о.

II

о

©

N.

X

X

е

Исследование обмена кислорода в амидах и других производных карбоновых кислот дает количественную характеристику устойчивости промежуточных тетра-эдрических соединений. Такой обмен наблюдается в случаях, когда скорость распада тетраэдрического промежуточного соединения в направлении продуктов гидролиза сравнима со скоростью его распада в направлении исходного вещества [1480,1485,14861:

О О" к О*

* R-C-X —^ R-C-

R-C-X + Н*0

"ОН

"ОН.

При этом наблюдаемая скорость гидролиза

а скорость обмена кислорода в субстрате К

к = -

1

2(1+ft3/ft2)

18

Исследуя скорость включения 180 из Н280 в субстрат (или скорость потери О метки в меченом субстрате), можно получить величины ft1 = 2ке + kh и от-

ношение ft2/ft3 = а

2й /К

Оказалось, что у первичных амидов ft2/fc3>1, т.е. тетраэдрическое промежуточное соединение быстрее превращается в исходное, тогда как в случае сложных эфиров наблюдается противоположная картина (табл.27). В случае третичных амидов величина й2/&3<1.

При кислотном гидролизе амидов продукт присоединения воды имеет строение (XI):

ОН

R-C-NHR1 *0Hi

+он„

XI

R-C-NHR1 *0Н XII

Для того, чтобы произошел обмен кислорода, необходимо депротонировать присоединившуюся молекулу воды и присоединить протон к гидроксильной группе (Х1)-»(ХП). Однако гидроксил - более слабое основание, чем группа NHR, и протонирование должно быть в основном направлено на эту группу. Таким обра-

3.3. Механизм

113

Таблица 27. Гидролиз и 180-обмен амидов и сложных эфиров

ft .105, ft .105, Й1 , Литера-

Соединение t, °c n — 1 —1 —1 —1 — i a=ft2/ft3 турный

M 7c 1 M лс 1 M с источник

C,HcC0NHo 40,7 4 76 1 ,92 10" А 4,22 11485]

HC0N(Me)CH2Ph 27 12 3,97 1 ,99 10" А 0,66 [1487]

CD3CON(Me)CH2Ph 40 0,893 0,0862 1 ,06 10" 5 0,19 [1487]

CH3CD2 CON(Me)CHgPh 70 2,91 0,767 4,44 10" 5 *э 0,52 И487]

c6h5cooc2h5 25 840 7,4 9.70 10" о 0,18 [1485]

зом, при кислотном гидролизе амидов отношение ft2/ft3, по-видимому, очень мало и обмен кислорода в субстрате не наблюдается [1480]. Однако при высоких концентрациях Н30+ такой обмен удается обнаружить [1488].

3.3.3. Перенос протона и образование продуктов

Образование промежуточного тетраэдрического соединения и его распад до продуктов реакции сопровождается переносом протонов. Этот процесс является эк-зоэргическим в том случае, когда он происходит от более слабого основания к более сильному, т.е. когда рйа донора ниже, чем рйа акцептора [14891- В такой ситуации скорость переноса протона контролируется диффузией. Прямое измерение скорости диффузионного переноса протона методом лазериндуцируемого протонного сдвига [14901 дает значения константы скорости порядка 2-И6-1010 М"1с~1. В случае колизионного переноса протона (прямое столкновение двух молекул) эта величина составляет 108-Ю9 М_1с-1.

При обратном соотношении основностей: рКа(донор) : рКа(акцептор), скорость переноса протона можно оценить по уравнению

lgft = lgfeo - [рйа(донор) - рКа(акцептор)!, (14)

где ftQ - константа скорости диффузионного переноса протона, принимаемая обычно равной 1010 М_1с~"1.

Именно такое положение существует при кислотном гидролизе амидов. Как уже отмечалось, вода - слишком слабый нуклеофил, чтобы в заметной концентрации могло образоваться соединение типа (XI). В то же время отрыв протона от атакующей молекулы воды - термодинамически невыгодный процесс, его скорость должна характеризоваться константой порядка Ю-7 М-1 с-1, т.е. отрыв протона на предстационарной стадии может не обеспечивать наблюдаемые скорости гидролиза. В этом случае должен происходить согласованный процесс атаки и отрыва протона:

он

R—С—NHR1 -*- R—С—NHR1

С*К Н30+ он

Н20: Н ^Н хш

При согласованном механизме образование связи С-0 приводит к увеличению положительного заряда на атоме кислорода воды, т.е. уменьшает рК& сопряжен-

8. В.К. Антонов

114 Глава третья. Нефериентативныи гидролиз. Модели

ной кислоты. При константе скорости гидролиза порядка 1СГ4 М-1с-1 перенос протона от воды перестанет лимитировать скорость всего процесса, если рйа атакующей молекулы понизится с 15,74 до 12-13.

Переносу протона должно предшествовать образование водородной связи. Геометрия системы водородных связей во многом определяет легкость перемещения протона от одного атома к другому [1491-14931. Эта геометрия определяет также структуру переходного состояния. В кислотно-катализируемых реакциях гидролиза производных карбоновых кислот переходное состояние было исследовано теоретически и экспериментально [1494-14981, причем были предложены как линейные (XIV), так и циклические (XV) структуры:

r .EL М

нч (Г ^

)о-и—о-с—о-нон r (: ;

W | |: И

Н X. --от"

I

XIV XV н

Распаду тетраэдрического промежуточного соединения типа (XIII) должно предшествовать протонирование уходящей аминогруппы и депротонирование гид-роксильной группы. Последний процесс связан с тем, что равновесие в реакции

ОН +0Н

R-C-NH„R1 R-C-

Н XVI

сдвинуто влево из-за низких значений рКа сопряженной кислоты (XVI). В ряде случаев [14991 превращение нейтрального тетраэдрического соединения (XIII) в цвитерионное может быть лимитирующей стадией всего процесса.

При образовании тетраэдрического промежуточного соединения сильно увеличивается рйа аминогруппы, которое в конечном счете приобретает значение порядка 5-7 [1499,15001. Таким образом, протонирование этой группы должно проходить с диффузионно-контролируемыми скоростями практически во всем используемом для гидролиза интервале рН. Более того, возможно [15011, что в некоторых случаях протонирование и уход аминогруппы происходят еще до завершения образования тетраэдрического промежуточного соединения, т.е. реакция идет в значительной степени по -механизму.

Сложнее ситуация при гидролизе эфиров. В этом случае рКа группы C-0R весьма низкое (около -6) и ее протонирование может стать стадией, лимитирующей скорость. В том случае, когда группа R - сильный акцептор электронов, рйа соответствующего алкоголят-иона R-0~ становится низким [1502], и эта группа может уходить в виде аниона. В случае алкильных заместителей отщепление группы OR и ее протонирование происходят, по-видимому, по согласованному механизму.

Участие переноса протона в стадии, лимитирующей скорость всего процесса, можно установить, исследуя реакцию в тяжелой воде и измеряя отношение &н 0/&Е 0 [1503]. Обычно для таких реакций это отношение близко к трем. Был

3.3. Механизм

115

предложен метод [1504], позволяющий оценить число протонов, переносимых на лимитирующей стадии. Он заключается в измерении скорости реакции в смесях HgO-DgO с различным содержанием тяжелой воды. При этом константа скорости связана с мольной долей DgO (п) и долей изотопного замещения в переходном состоянии kn = bo П (1- п + (15)

где й - константа скорости реакции в HgO; t - число переносимых протонов. Для 1=1 график в координатах й^-m линеен, а при других значениях проявляется отклонение от линейности (см., например: [1505,1506]).

Следует отметить, что теоретические ггредпосылки кинетических изотопных эффектов растворителя основаны на изменении энтальпии процесса при изотопном замещении, однако было показано [1507], что отношение йд 0/йд может

определяться изменением трансляционной энтропии в основном за счет сольватации в переходном состоянии, т.е. это отношение не обязательно характеризует скорость переноса протона. Кроме того, перенос протона является довольно сложным процессом, включающим стадии диффузии, реорганизации растворителя, ориентации и т.п., поэтому собственно перемещение протона лишь в редких случаях может быть наиболее медленной стадией всего процесса [1508, 1509]. Исследование кинетических лзотопных эффектов многостадийных реакций описано в работе [151O], а связь кинетических изотопных эффектов со свободной энергией реакции - в работе [1511].

Наконец, перенос протона может происходить путем туннельного эффекта. Соответствующая квантово-механическая теория кинетики переноса протона была развита Догонадзе с соавт. [1512].

Изучение распада тетраэдрических промежуточных соединений проводится с использованием модельных веществ типа ацеталей (см., например: [1513,1514]) путем анализа влияния основности нуклеофила и уходящих групп на скорость реакции, а также по данным о влиянии изотопного замещения на скорость процесса [1515-1517]. Величина изотопного эффекта, вносимого зэмрной 1б0 на 180 или 14N на 15N, может быть рассчитана на основании нулевых уровней энергии связи по ИК-спектрам соответствующих соединений. Общий вывод из этих исследований заключается в том, что при щелочном гидролизе эфиров лимитирующей стадией, как правило, является образование тетраэдрического промежуточного соединения, а при гидролизе амидов - его распад.

Экспериментальные и теоретические исследования [1470-1472,1518-1521] показывают, что распад тетраэдрических промежуточных соединений зависит от их конформации, т.е. подвержен стереоэлектронному контролю (см., однако: [1522]). Преимущественно разрывается та связь, у которой перекрывание орбиталей свободных электронных пар с орбиталями других атомов минимально. Минимальное перекрывание орбиталей достигается тогда, когда они расположены относительно друг друга антиперипланарно.

Как видно из рис.35, в конформации (а) диоксиаминометана все три связи равноценны по числу антиперипланарных орбиталей; в конформации (б) свободная пара N-атома имеет две антиперипланарные к-ней орбитали 0-атомов, а в конформации (6) аналогичная ситуация реализуется для свободных пар атома 0g. Поэтому отщепление группы NHg будет происходить преимущественно в кон-

116 Глава третья. Неферментативный гидролиз. Модели

Рис.35. Три конформации (а, б, 6) тетраэдрических промежуточных соединений

Связь С—N (а) С-0 (а)л С-0_ far C-N (б) С-0 (б) С—N (в) С-0 re;1 С-0 ее;2

Антиперипланарные свободные пары о Длина связи, А °1 1 ,440 °2 1 ,414 N 1,417 о,.о2 1 ,485 1 ,406 1 ,430 °г 1 ,427 о1 ,N 1,447

формации (б), а отщепление группы ОН - в конформации (6).

Как показали исследования гидролиза и кислородного обмена в третичных амидах типа RCONH(MeJCHgPh, конформационные переходы в соответствующих тетраэдрических промежуточных соединениях могут иметь активационный барьер порядка 5,5-8 ккал/моль [14871.

3.4. Катализ

Реакции гидролиза амидов и других производных карбоновых кислот ускоряются в присутствии различного типа катализаторов. Ниже будут рассмотрены основные закономерности гомогенного катализа гидролитических реакций.

3.4.1. Классификация

По типу каталитического действия гомогенный катализ может быть разделен на кислотно-основной и нуклеофильно-электрофильный. При кислотно-основном катализе катализатор - кислота или основание - способствует присоединению или отщеплению протона. В случае нуклеофильного или электрофильного катализа катализатор образует с субстратом ковалентное промежуточное соединение.

Кислотно-основной катализ в свою очередь подразделяют на специфический и общий. При специфическом катализе катализатор полностью акцептирует (основание) или отдает (кислота) протон на стадии, определяющей скорость процесса. Таким образом, катализатор не входит в переходное состояние превращаемого субстрата или если и входит, то превращение субстрата не является лимитирующей стадией:

медленно , быстро АН + S «——А + SH, SH (БНГ -> продукты.

При общем катализе катализатор всегда входит в переходное состояние субстрата и распад его является стадией, лтшитирующей скорость всего процесса:

3.4. Катализ

117

быстро

(B^H-rwS)*

медленно

В + HS

продукты + ВН,

быстро

(A^H-^S)*

медленно

АН + S

продукты + А .

В соответствии с этим катализ гидроксоний-ионом всегда является специфическим, тогда как катализ гидроксил-ионом может быть специфическим (поскольку в водном растворе нет более сильного основания, чем ОН_-ион) или нуклео-фильным.

При нуклеофильном (и электрофильном) как и при общем катализе катализатор входит в переходное состояние субстрата. Различие между этими видами катализа заключается в том, что атака нуклеофильного катализатора направлена на атом углерода карбонильной группы производного карбоновой кислоты, а атака общего основного катализатора - на атом водорода (или в случае общего кислотного катализа - на гетероатом).

Кроме этих видов катализа различают также меж- и внутримолекулярный, мо-но- и полифункциональный катализ в зависимости от молекулярное™ и числа каталитических групп, участвующих в реакции.

Таким образом, при наличии в среде основания с рКа, близким к рН раствора, выражение для наблюдаемой константы скорости гидролиза будет иметь вид:

й* = ид 0 + fejj[H30+] + йш[ОН~] + йц[В] + йвн1ВН].

Следует отметить, что некоторые случаи кислотно-основного катализа нельзя различить в силу принципа кинетической эквивалентности. Так, например, реакции

А + Hg0 + S -> продукты и АН + ОН- + S -» продукты

кинетически эквивалентны, поскольку [А-], [АН] и [ОН-] связаны отношением [А-1] = [НА] [ОН-]К /К , где К - константа ионизации кислоты; К - ионное

a w a w

произведение воды.

Общий кислотно-основной катализ может в принципе происходить по согласованному

В НХ )с-0 ВН+ Х-С-О"

механизмам. Дженкс [1523] сформулировал правила, по которым согласованный кислотно-основной катализ в водном растворе может быть направлен только на группу, претерпевающую большое изменение рйа в ходе реакции, и будет происходить, если это изменение превращает термодинамически невыгодный перенос протона в выгодный (см. также: [1524,15251).

3.4.2. Каталитическая эффективность

Эффективность кислот и оснований как катализаторов гидролитических реакций зависит от их значений рК . Бренстед и Педерсен [1526] предложили простую

и по ступенчатому

НХ

118

Глава третья. Неферментативный гидролиз. Модели

зависимость между констажтами скорости катализируемой реакции и значением рКа кислоты или основания:

lgkA = орКа + С и lgftB = fipKa + С,

где и &в - соответственно константы скорости катализируемой кислотой или основанием реакции, а а, (3 и С - константы. Существование таких корреляций (рис.36) вполне понятно, так как при кислотно-основном катализе действие

? Г- СС13СН(0Н)СГ

2- С(СН20Н)3СН20";

3- CH3C0NHCH(СН2 О")C0NH2;

4- F3CCH20~; 5- C6H50~; 6- С13ССН20~; 7- F2CHCF2CH20"; в- CH=CCH20"; 9- С1СН2СН20"; Ю- СН30~; 11- ОН"; 12- п-С1СбН40~;

15 1В, 13- п-СН„ОС,Н,0-.

рка 364 Рис.36. Бренстедовская зависимость для реакции кислородсодержащих нуклеофи-лов с n-нитрофенилацетатом (Н20, 25-30°С) [1401, с.115]

катализатора связано с присоединением или отщеплением протона, а рКа является мерой сродс

страница 18
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88

Скачать книгу "Химия протеолиза" (8.49Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [прайс-листы]  [форум]  [обратная связь]

 

 

Реклама
rockwool 50мм цена
http://www.prokatmedia.ru/proektor.html
купить кроссовки асикс патриот интернет магазине недорого
стоимость машин на свадьбу

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(20.08.2017)