химический каталог




Химия протеолиза

Автор В.К.Антонов

тва вещества к протону. Уравнение Бренстеда является примером линейной зависимости свободной энергии и аналогично уравнениям Гаммета, Тафта и др., о которых говорилось в разд.3.2.1.

Физический смысл уравнения Бренстеда можно пояснить на следующем примере [1423, с.247]. Рассмотрим реакцию переноса протона

В: + HS ==» S~ + ВН,

где SH - субстрат и В - катализатор. Изменение потенциальной энергии в зависимости от расстояния между HS и В можно представить кривой I (рис.37). Аналогично изменение потенциальной энергии в реакции S- + ВН будет описываться кривой II. Если теперь основание В заменить более слабым основанием В', то соответствующая кривая сместится до II'.хЛегко видеть, что изменение энергии активации («Е) в этом случае связано с изменением свободной энергии реакции выражением

еЕ = -бе = 66е ,

Vs2 °

где S и S - наклоны соответствующих кривых в точке пересечения (предполагается, что S2=S2,). Полученное выражение - другая форма записи уравнения Бренстеда, из которой ясно, что величина р (и соответственно а) является мерой изменения энергии системы в зависимости от положения протона между атомами субстрата и катализатора в переходном состоянии реакции.

Линейная зависимость между дрХа и lgfe выполняется лишь в определенном интервале различий между рКа донора и рйа акцептора протона [14891. Этот интервал соответствует механизмам общего основного или кислотного катализа.

3.4. Катализ

119

Если эти различия очень малы, то а-»1 (|3-»0) и наблюдается специфический кислотный (или основной) катализ. Если же различия очень велики (т.е. перенос идет от слабого основания к сильному с диффузионно контролируемой скоростью), то скорость катализируемой реакции не будет зависеть от рйа катализатора. Таким образом, определяя зависимость скорости реакции от рйа катализаторов, можно составить суждение о типе катализа.

РИС.37. Интерпретация зависимости Бренстеда [1423, с.247]. Описание см. в тексте

3.4.3. Катализ гидроксильной группой

Гидроксильная группа в виде свободного аниона или в составе воды, спиртов и фенолов может катализировать гидролиз амидов и других производных карбоновых кислот по механизмам специфического (ион ОН-), общего основного и нук-леофильного катализа.

Гидроксилсодержащие соединения являются очень слабыми кислотами, но их сопряженные основания имеют высокие значения рк [1171:

К

R-0H

а(1 )

к

R-0~ + Н+ и R-OH + If

а (2)

R-OH+

R екап, РКа(2, R **а(1, рК(2)

Н 15,74 -1,74 С2Н5 16,0 -2,0

сн3 15,0 - СбН5 10,0 -6,7

Поэтому гидроксил-ион в случае специфического катализа, а алкоголяты при общем основном катализе выступают в качестве акцепторов протонов. При специфическом основном катализе гидроксил-ионами скорость реакции прямо пропорциональна рН среды. В принципе ион ОН- может генерироваться в растворе любым основанием. Однако перенос протона на более слабое основание, чем гидроксил, происходит с относительно низкой скоростью (см. разд.3.3.3). Если основание участвует в реакции, генерируя гидроксил-ион, то скорость процесса все равно не зависит от концентрации основания. При специфическом катализе существует равновесие

В + н2о

ВН + ОН

(16)

и, кроме того, быстро устанавливается равновесие К

В + HS

* S" + ВН

(17)

Депротонированный субстрат медленно превращается в продукты реакции й

S -> продукты. (18)

120

Глава третья. Неферментативный гидролиз. Модели

Скорость реакции определяется скоростью этого превращения v klS'i.

[S_][BH+] jnSHHBl

Так как К =--, то [S ] = --т—, но согласно (16) [В1/ЕВН ] =

[SH1[В] [ВН+1

[0Н~]/К . Следовательно, v = feKCSH][0H~]/Kb, т.е. скорость реакции не зависит от концентрации основания В.

Примеров "чистого" специфического катализа гидроксилсодержащими соединениями реакций гидролиза производных карбоновых кислот довольно мало [142ь, 1527,1528). В качестве такового можно рассматривать щелочной гидролиз ани-лидов алифатических кислот [1529], скорость которого пропорциональна как первой, так и второй степени концентрации гидроксил-ионов (19):

к' й^ЛОН ] I ftI;t([0H"])2. (19)

Второй член в этом уравнении, по-видимому, отражает катализ гидроксил-ионом депротонирования тетраэдрического промежуточного соединения 'XVI]) ¦см., однако: И530]):

lj йх[он"] 9 й1х[он"] 9

К fi-N(R1 )С =- R-C-N(R1 )С,Н_ ы. R-C-N(R1 )СЛН«.

х б 5 65 | о 5

XVII продукты XVIII

Чаще всего гидроксил-ион и ионы алкоголятов выступают в гидролитическиг реакциях как нуклеофильные катализаторы, образуя нестойкие промежуточные продукты присоединения к карбонильному атому углерода.

Способность нуклеофильных реагентов присоединяться к карбонильному атому углерода в целом пропорциональна их основности ((3=0,66), что видно, например, из сопоставления рКа этих реагентов и их реактивности по отношению к п-нитрофенилацетату (см. рис.36). Однако сильноосновные окси-анионы отклоняются от линейной зависимости Бренстеда, по-видимому, вследствие сольвата-ционных эффектов, а также в силу того, что для высокореакционных соединений переходное состояние может достигаться на более ранних фазах процесса (постулат Хеммонда) [15311.

Нуклеофильный катализ гидроксил-ионом, строго говоря, не является истинным катализом, поскольку гидроксил-ион расходуется в процессе гидролиза. Такая реакция нуклеофильно-промотируемый гидролиз. То же самое относится и к реакциям алкоголиза амидов. Однако алкоголиз эфиров является истинным катализом, так как алкоксид-ион, образующийся при реакции, находится в равновесии с алкоксид-ионом, атакующим субстрат.

Истинный катализ алкоголиза амидов наблюдается в тех случаях, когда образующийся сложный эфир гидролизуется до кислоты со скоростью большей, чем скорость образования эфира:

О о 11 медленно |

R-C-NHR + ~0R - R-C-OR2 + NHgR ,

3.4. Катализ

121

R-ft-OR2 + "ОН - бЫСТР° - R-C-OH + "OR2.

Однако алкоголиз амидов происходит очень медленно, и эта реакция была подробно исследована в противоположном направлении - как аминолиз сложных эфиров [1532,15331-

Эффективность нуклеофильного катализа гидроксил-ионом видна из сравнения скорости щелочного гидролиза (см. табл.24) N-метилацетамида со скоростью некатализируемого (катализируемого водой) гидролиза этого соединения. Каталитическая эффективность ионов ОН" в концентрации 1 М составляет около 1-109 (при 25°С).

Окси-анионы могут осуществлять свое каталитическое действие по механизму общего основного катализа [1401]. Аналогично сопряженные им кислоты (спирты, фенолы и т.д.) будут функционировать по механизму общего кислотного катализа. При этом возможно несколько механизмов и соответствующих им кинетических схем.

Так, медленная стадия может включать образование тетраэдрического промежуточного соединения и сопровождаться переносом протона:

О О"

НХ + R--C-Y ^ Б - R-C-Y - продукты.

Возможно также быстрое образование тетраэдрического соединения с последующим переносом протона и распадом тетраэдра:.

О ОН 0~

НХ + R-C-Y ^-- R-C-Y ^ Б - R-C-Y - продукты.

1 1

Для общего кислотного катализа возможны механизмы

0 ОН

1 . вн+ I

R-C-Y + X R-C-Y-» продукты,

X

О О"" О" О

II | быстро БН+

-C-Y + ХН —* R-C-Y ^ R-C-X * R-C-

R-C-Y + ХН R-C-Y ^ R-C-X R-C-X ч YH.

+k i

Тип катализа определяется соотношением констант скоростей индивидуальных стадий

fti

SH + В - S" + вн+.

ft-i ;ftz

продукты

Если k^*>k_ и fe2»ft_1, т.е. наблюдаемая константа скорости к'=к^, то мы имеем дело с общим катализом. Если же к^«к_: и fe «й_1, тс k'=k^k2/R ^, и это случай специфического катализа.

Кроме того, механизмы общего катализа кинетически трудно отличить от ме-

122 Глава третья. Неферментативный гидролиз. Модели

ханизмов нуклеофильного катализа, поскольку в выражение для скорости во всех случаях входят как концентрация субстрата, так и концентрация катализатора:

v = ftCSHHBK (20)

Более того, возможны случаи, когда механизм общего основного катализа кинетически эквивалентен механизму нуклеофильного катализа с участием сопряженной кислоты катализатора в качестве общего кислотного катализатора (принцип кинетической эквивалентности; см. разд.3.4.1), например:

О} ffO-HB*

R-Ay-X и R-Lx

о—н'Пв -он н

Так как существует прототропное равновесие

В + н2о —. ВН+ + ОН",

кинетическое уравнение (20) эквивалентно уравнению

v = 2гГВН+П0Н~]. (21)

Отличить общий катализ от нуклеофильного можно, проводя реакцию в тяжелой воде (D20). Так как при общем катализе стадией, лимитирующей скорость, является стадия, включающая перенос протона, то должно наблюдаться заметное (^ g/ftp Q«3) различие в скорости реакции в D20 по сравнению со скоростью в

Н20. Как уже отмечалось, интерпретация кинетического изотопного эффекта растворителя встречается с определенными трудностями (см. разд.3.3.3.).

Описано довольно много примеров общего основного и общего кислотного катализа гидролитических реакций эфиров и амидов [1534-1536], а также реакций аминолиза эфиров и тиоэфиров [1537-15391. В большинстве случаев катализаторами служили относительно слабые окси-анионы и другие основания. Что касается сильных оснований, то они, как правило, функционируют по механизмам нуклеофильного или специфического (гидроксил- и гидроксоний-ионы) катализа.

3.4.4. Тиоловач группа

Тиоловая груша по сравнению со спиртовой имеет значительно более низкое рКа<«7-9. Однако нуклеофильность тиолат-иона в реакциях присоединения к карбонильному углероду почти такая же, как и окси-аниона. Это обусловлено отк-

Таблица 28. Тиолиз амидов 2,2,2-трифторэтанолом и алкоголиз амидов рг-нитрофенолом [1533]

Амид рКа уходящей группы

сн3сомюн CH3C0NHNH2 CHACON 0 3 \_/ 8,2.10"7 4,5-Ю~8 6,0.10"10 5.7- Ю-10 2.8- -10-1 1 8,0.Ю-13 6,17 8,20 8,87

3.4. Катализ

123

лонением алифатических окси-анионов и гидроксил-иона от обычной зависимости Бренстеда (см. разд.3.4.3). Тиолат-ионы обладают более высокой нуклеофиль-ностью, чем сравнимые с ними по основности окси-анионы. Так, дианион о-мер-каптобензойной кислоты в 10-100 раз быстрее реагирует с тг-нитрофенилацета-том, чем фенолят-ион (15411.

Нуклеофильный катализ тиолат-ионами подчиняется зависимости Бренстеда, однако значение р для этих анионов (0,38) заметно ниже, чем для окси-анионов (0,66). Нуклеофильная атака тиолат-иона на карбонильный углерод производных карбоновых кислот приводит к образованию тиоэфиров (15421: О О

R-I-X + R1S"-- R-I-SR1 + X".

Константы скорости щелочного гидролиза тиоэфиров близки соответствующим константам для кислородных эфиров (см. табл.24). Поэтому каталитическая эффективность нуклеофильного катализа тиолат-ионом гидролиза сложных эфиров невелика.

В кислой среде тиоловые эфиры гидролизуются довольно медленно, и в этих условиях (рН<7) их удается идентифицировать спектрофотометрически (15431.

Реакции тиолиза амидов идут также весьма медленно, и их прямое изучение практически невозможно. Реакция гидросульфид-аниона с формамидом была исследована методами квантовой химии и молекулярной механики [15441 и сопоставлена с аналогичной реакцией 0Н~-иона [14571, причем отмечены существенные различия как в газовой фазе, так и в растворе. Экспериментальные сведения о реакциях тиолиза можно получить путем изучения обратных реакций ами-нолиза тиоэфиров. Зная константу равновесия обратимой реакции

RC0NHR1 + R2SH «-- RCOSR2 + NH2R1

и скорость аминолиза тиоэфира, можно вычислить скорость прямой реакции.

Как видно из данных, приведенных в табл.28, при почти одинаковых рКа ти-ола (7,3) и нитрофенола (7,1) первый примерно на три порядка более реакци-онноспособен, чем второй. Скорость тиолиза линейно коррелирует с основностью уходящей группы амида с р=+0,4. Значение коэффициентов Бренстеда для тиолиза амидов составляет -0,9, что свидетельствует об отсутствии общего основного катализа при атаке тиола на карбонильный углерод амида [15331.

Все это показывает, что механизм тиолиза амидов заключается в атаке на карбонильный атом углерода тиолат-аниона, а не протонированной тиоловой группы. В слабокислой среде реакция, по-видимому, идет по механизму [1544, 15451:

О + +0Н ОН

R-C-NHR1 J-^— R-C-NHR1 + R2S - R-C-NHR1

-I

0 OH OH

R-C-SR2 <СЫСТР° R-C+ R-C-NH2R1.

SR2 SR2

124 Глава третья. Неферментативный гидролиз. Модели

3.4.5. Карбоксильная группа

Из-за низкой основности карбоксилат-ионов (рКа 3-5) их нуклеофильность также оказывается весьма низкой. Скорость катализируемого ацетат-анионом гидролиза п-нитрофенилацетета примерно в 1,7-106 раз ниже, чем скорость той же реакции, катализируемой гидроксил-ионом (см. рис.36). Поэтому маловероятно, чтобы катализ карбоксилат-ионом проходил по нуклеофильному механизму. Такой тип катализа возможен только при наличии в гидролизуемом соединении очень хорошей уходящей группы, имеющей значение рйа ниже, чем рКа катализатора.

Действительно, было показано t15471, что катализируемый ацетат-ионом гидролиз 2,4-динитрофенилбензоата происходит с промежуточным образованием ангидрида, а образующаяся бензойная кислота включает до 75 атомных процентов изотопа 180, если гидролиз проводить в присутствии меченной 180 уксусной кислоты:

О

6 5

OC6H3(N02)2 + СН3-

С6Н5

ho-l

СН3 + H0C6H3(N02)2

н2о

О т *0

С6Н5

1-*№ + СН„-С

!-0Н

В апротонных растворителях карбоксилат-ион также способен вытеснять ациль-ную группу из нитрофениловых эфиров, образуя ангидрид (15471. Нуклеофильный механизм катализа карбоксилат-ионом наблюдается при внутримолекулярных реакциях переноса ацильных групп (см разд.3.4.8).

Однако уже в водных растворах гидролиз гс-нитрофенилацетата идет, по-видимому, по механизму общего основного катализа карбоксилат-ионом (15481:

Q О

О

CHgC—О

н-

-0

I

н

ЧС—0CBH4N0,

II

сна—с—он

+ С—О + (

I

сн,

I

сн,

ОС6Н4Щ

Общий основной и общий кислотный катализ карбоксильной группой зависят как от основности катализатора, так и от чувствительности данной реакции к такому типу катализа, т.е. значений а или р в уравнении Бренстеда. Хотя кар-боксилат-ионы - слабые основания, их каталитическое влияние на скорость реакции при данном значении рН может превышать влияние ионов ОН- или Н30+, поскольку концентрация общего катализатора может быть существенно выше, чем концентрация специфических ионов (см. табл.29).

Таблица 29. Доля общего катализа (%) при разных значениях а для системы 0,1 М уксусная кислота-0,1 М ацетат-ион [1546]

а н3о+ сн3соон н2о

0,1 0,002 2 98

0,5 3,6 96,4 0,01

1 ,о 99,8 0,2 5-10-12

3.4. Катализ

125

Как видно из данных табл.29, в указанной системе при значении сс=0,5 будет наблюдаться почти исключительно общий кислотный катализ уксусной кислотой.

Следует отметить, что эффективность общего кислотно-основного катализа карбоксильной группой должна зависеть от направления отщепления или присоединения протона [1550]. Поскольку сим- и анти-конформации карбоксильной группы довольно значительно различаются по энергии (около 3,5 ккал/моль в пользу сим-конформации [15511), из схе

страница 19
< 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
обучение туристическим специальностям с трудоустройством
купить fissler intensa в москве
что такое муниципальное жилье
курсы мезотерапии без медицинского образования в москве

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
(08.12.2016)