мы:

RCOO° + НО ©

где Ка = Ка/К, ясно, что К'& должно быть примерно в 104 раза выше, чем К . Это может особенно эффективно проявляться при внутримолекулярном катализе (см. ниже).

Выявление механизма каталитического участия карбоксильных групп в гидролитических реакциях - довольно сложная задача. Так, исследование гидролиза N-бутилацетамида в ацетатном буферном растворе [1552] показало, что реакция имеет первый порядок по концентрации уксусной кислоты и нулевой порядок по концентрации ацетат-иона. Этим результатам соответствуют два кинетических выражения:

v = МНАПАмид] и v = к' [А-] [амиДН+1,

т.е. катализатор может функционировать по согласованному общему кислотному и нуклеофильному механизму (XIX), по механизму нуклеофильной атаки карбок-силат-иона на протонированный амид (XX) или по механизму общего кислотного катализа с нуклеофильной атакой водой (XXI):

,H-rOv

сн.

(о ^с—сн3 /он+ о уо—н — о

NHR NHR NHR

XIX XX XXI

Различить эти механизмы на основании величины кинетического изотопного эффекта D20 (k^ ^к^ Q=2) не удается [ 1401, с. 1231. Константы скорости катализируемого ацетат-ионом гидролиза фенилацетата и гс-нитрофенилацетата укладываются в бренстедовскую зависимость от рКа уходящей группы с р«-0,25 [1546]. Это указывает на довольно низкую степень переноса протона в переходном состоянии катализируемого ацетат-ионом гидролиза. Значительно больше

126 Глава третья. Неферментативный гидролиз. Модели

данных имеется по катализируемым карбоксильной группой внутримолекулярным реакциям. Эти сведения будут рассмотрены в разд.3.4.8.

3.4.6. Катализ ионами металлов

Ионы металлов несут положительный заряд и поэтому могут имитировать действие протона в реакциях гидролиза произюдных карбоновых кислот, т.е. функционировать как "суперкислоты". При этом они могут непосредственно взаимодействовать с карбонильной группой субстрата или же изменять состояние ионизации связанной с ними воды.

Было показано t1553,15541, что ионы двухвалентных металлов эффективно катализируют гидролиз эфиров аминокислот (табл.30). При этом металл координируется со свободной аминогруппой эфира и атомом кислорода карбонильной группы, что приводит к сильной поляризации последней:

/NH2.

R—СН

НО ^_у»| X

Как видно из данных табл.30, эффективность катализа ионами металлов в 10-100 раз превышает эффективность катализа ионами ОН- и на 5-6 порядков эффективнее катализа ионами гидроксония.

То обстоятельство, что катализ ионами металлов обусловлен непосредственным взаимодействием катализатора с реакционным центром, а не является просто следствием появления положительного заряда на аминогруппе эфира, следует из сравнения приведенных в табл. 30 констант скоростей с константой скорос-

Таблица 30. Катализ ионами металлов, гидроксил- и гидроксоний-ионами гидролиза эфиров аминокислот (25°С)

Субстрат Катализатор pH Гастворитель к\ с"1 \, М 1с 1 Литературный источник

HGlyOMe Cu2+ 7,3 Вода 42,5-Ю"3 2,65 [1553]

HPheOEt Cu2+ 7,3 •• 2,67-10-3 , 0,17 [1554]

HGlyOMe Co2+ 7,4 fl 15,6-Ю"3 0,975 [1553]

HGlyOMe Mn2+ 7,9 II 3,51 -Ю-3 0,22 [1553]

HPheOEt OH 7,3 85$-ный 5,8-Ю-9 2,9•10-2 [1428]

етанол

HPheOEt h3o+ 7,3 70%-ный 1.46.10"14 6.10"6 [1555]

диоксан

*ky~k'/[Ue).

ти гидролиза эфира бетаина [15561 Me3NCH2CH2C00R, которая на три порядка ниже, чем наблюдаемая в присутствии иона меди.

Ионы металлов, очевидно, стабилизируют тетраэдрическое промежуточное соединение в гидролитических реакциях. То, что такое соединение образуется, следует из данных по кислородному обмену в эфирах, меченных по карбонилу 180 [15541:

3.4. Катализ

127

NH2 0"

R-CH-C-OEt.

ОН

Катализ гидролиза амидов при нейтральных рН, когда лимитирующей скорость стадией является распад тетраэдрического промежуточного соединения, по-видимому, происходит путем координации металла с алкоксидным кислородом (XXII), что облегчает протонирование уходящей группы и разрыв C-N связи [15571:

%

R-C-NHR'

ОН XXII

Как известно [1558,15591, ионы металлов образуют комплексы с ионами гид-нроксила при нейтральных значениях рН. Поэтому возможен механизм, связанный с повышением концентрации гидроксил-ионов в условиях реакции. Впервые подобный механизм был предложен [15541 для гидролиза моноэфиров дикарбоновых кислот, катализируемого ионами металлов:

OEt

о=сСт. I м

^о

Выло показано [1558,15591, что рКа комплексов металлов с водой близки к 7. Так, рКа комплекса (NH3)5Co3+0H2 равно 6,6, а рКа гпг+0Н2-комплекса -около'7.

Известно много примеров катализа ионами металлов [1560-1564]. Один из наиболее впечатляющих примеров катализа такого типа - это гидролиз глицил-глицина в присутствии комплекса этилендиамина с кобальтом [15651:

4NH2. \

^NH / Н NHCH2C00H

В этой реакции дипептид гидролизуется в 1010 раз быстрее, чем под действием гидроксил-иона.

Значительные ускорения наблюдались в комплексах двухвалентных металлов типа (XXIII) [1553,15661 и других комплексах металлов с хелатирующими агентами [1567-15691:

V v 11 -j

128

Глава третья. Неферментативный гидролиз. Модели

Расщепление лактамного цикла в (XXIII) в присутствии Cu2+ ускорялось в 1,6-106, а в присутствии Zn2+ - в 1,9-105 раз по сравнению со скоростью в отсутствии ионов металлов.

Следует отметить, что в отличие от сложных эфиров в случае амидов каталитический эффект некоординированных ионов металлов обычно бывает неболь^ шим. Так, гидролиз глицинамида в присутствии 0,02 М Cu2+ лишь в 20 раз быстрее, чем спонтанная реакция (1570), несмотря на то, что медь эффективнее связывается глицинамидом, чем соответствующим эфиром. Это объясняется прочным связыванием в основном состоянии в отсутствие стабилизации переходного состояния реакции, что должно приводить к понижению, а не повышению скорости.

3.4.7. Катализ имидазолом

Ммидазол и содержащая эту группу аминокислота - гистидин - являются уникальными кислотно-основными катализаторами, поскольку в физиологических условиях (рН 7) они существуют как в форме кислоты, так и основания:

HN^N "*-HN^NH

Поэтому имидазол может функционировать в качестве общего основного или общего кислотного катализатора. Кроме того, нуклеофильность имидазольного N-атома достаточно велика, чтобы он мог атаковать атом углерода карбонильной группы, выступая в качестве нуклеофильного катализатора.

Типичным примером общего основного катализа имидазолом является реакция гидролиза ацетилимидазола в имидазоловом буфере. Как оказалось [15711, скорость этой реакции увеличивается при увеличении концентрации буфера при постоянном значении рН. Этот результат нельзя объяснить присоединением ими-дазола к карбонильной группе, поскольку в этом случае распад тетраэдрического соединения

О"

будет приводить к регенерации ацетилимидазола.

3.4. Катализ

129

Очевидно, что имидазол способствует отщеплению протона от молекулы воды: HN^lV^h—о^с— n"^N HN.©,nh + но—A—N^J

н CHg CHg

Однако катализируемый имидазолом гидролиз гг-нитрофенилацетата происходит, в основном, по механизму нуклеофильного катализа [1572-15743. Это следует из спектрофотометрических наблюдений и непосредственного выделения промежуточного соединения - ацетилимидазола [15751:

о

Снз_ЬО)-^)_ш2 сн3^о

но—(OV-no, +

а ^ ¦ а

ft

I!-NH

Н20, быстро.

CHgCOOH

Тип катализа имидазолом зависит от характера уходящей группы. Соединения, содержащие слабоосновные ("хорошие") уходящие группы, гидролизуются в присутствии имидазола в основном по механизму нуклеофильного катализа. В случае сильноосновных уходящих групп реализуется общий основной катализ имидазолом и общий кислотный катализ имидазолий-ионом.

Катализ непротонированными формами замещенных имидазолов подчиняется линейному соотношению Бренстеда [15761:

lgfe = 0,8рКа - 4,3.

Однако низкоосновные имидазолы (например, 4-нитроимидазол, рКа 1,5) выпадают из такой корреляции. Это связано с тем, что низкоосновные имидазолы при щелочных значениях рН частично находятся в анионной форме:

R-|-1 KL R-p—| R- H, pKa 14,6 П5771,

" * N.©^ R= NO.,, pV 9,1 [15761.

Известны примеры [15781, когда имидазол одновременно функционирует в качестве как нуклеофильного, так и общего основного катализатора. Например, гидролиз крезилацетата описывается уравнением, содержащим член, пропорциональный квадрату концентрации имидазола. При этом кинетический изотопный эффект реакции равен 2,2. Это объясняется механизмом [15791:

о)

—с——о

N^NH

ft

Общее выражение для скорости катализируемого имидазолом гидролиза эфиров

9. В К. Антонов

130

Глава третья. Неферментативный гидролиз. Модели

РИС.38. Зависимость скорости гидролиза эфиров, катализируемого имидазолом, от скорости щелочного гидролиза (|а=1,0;

25°С) [1580]

J— реакции нуклеофильного замещения ацетатов; .11- общий основной катализ гидролиза ацетатов; III- общий основной катализ гидролиза метиловых и етиловых ефи-;ров. В случае трифторетилацетата скорость гидролиза измерялась в присутствии N-^ме тилимидазо ла

(СН3С0)г0; 2-CH-GOOCJEL; 4-

о о о

ch3cooc6h3(no2)2-2,4; сн соос н n0 -д;

СН„CON (Me)ОСОСН ; б- СН„С00СсН,С1-тг;

о о о о 4

СН,С00СсНс;

о о о

СН,С00С,Н„СН,-п;

1 о 4 о

9- СН_С00СсН„0СН,-тг; 10-»»- СР3СН20С0СН3; 12-13- СН_С00С-Нс

О со

СН3С00СН3(СгН5); H0NC0CH3;

можно представить следующим образом:

v = [RC0_R'](fe„[Im] + к' [Im] + ft [Im]2 + ft.tlnT]),

2 4 H oo oo A

где fog, ftgQ, ftoo характеризуют нуклеофильный и общий основной катализ, а &д - катализ имидазолил-анионом. Относительный вклад членов к^ и к^о иллюстрируется зависимостью констант скорости реакций, катализируемых имидазолом (lgft ), от скорости щелочного гидролиза (lgft ) (рис.38).

Протонированная форма имидазола - имидазолий-катион - может функционировать как общий кислотный катализатор [1581,1582], способствуя, например, распаду тетраэдрических соединений: ОН

R—С— NHR1

N. (© N-Н

3.4.8. Внутримолекулярный и полифункциональный катализ

Гидролитическая реакция,'катализируемая амидгидролазами, происходит в комплексе фермент-субстрат, т.е. внутримолекулярно. Моделями такой ситуации являются примеры внутримолекулярного моно-'и полифункционального катализа в органических соединениях. Примеров такого катализа очень много, и большая часть их суммирована в ряде обзоров [1401,1402,1583-1585]. Здесь мы приведем лишь несколько наиболее иллюстративных случаев с целью последующего сравнения эффективности меж- и внутримолекулярного катализа.

Примером внутримолекулярного участия гидроксильной группы является гидролиз эфиров и амидов салициловой кислоты [1586,1587]. рН-Зависимость скорости гидролиза n-нитрофенилового эфира 5-нитросалициловой кислоты характеризуется тремя участками (рис.39): 1) плато при рН 6-10, соответствующим

3.4. Катализ

131

РИС.39. Зависимость от рН константы скорости гидролиза п-нитрофенилового эфира 5-нитросали-циловой кислоты [1586]

катализируемому водой гидролизу нейтральной молекулы; 2) подъемом и плато в области от слабокислых до нейтральных значений рН, соответствующим реакции анионной формы молекулы; 3) подъемом в области щелочных рН, соответствующим специфическому катализу гидроксил-ионом.

Реакцию в области рН 6-10 можно рассматривать либо как взаимодействие аниона салициловой кислоты с молекулой воды (XXIV), либо как реакцию нейтральной формы субстрата с гидроксил-ионом (XXV):

ось

w XXIV 0Н XXV

Эти два механизма кинетически эквивалентны. Однако скорость гидролиза соответствующего метокси-аниона в 2000 раз ниже, чем оксисоединения. Если в качестве нуклеофилов использовать имидазол или ион N~, то скорости превращения метокси- и оксисоединений становятся примерно одинаковыми. Отсюда следует, что реакция производных салициловой кислоты идет по механизму общего основного катализа (механизм XXIV) [15861.

Гидроксильная группа может участвовать в реакциях ацильного переноса и как нуклеофил. Так, было показано [15881, что имидазол катализирует реакцию

О О II °х /НВ II

С L 2

Эта реакция может рассматриваться как пример одновременного внутри- и межмолекулярного катализа, причем имидазол, по-видимому, участвует на стадии распада тетраэдрического промежуточного соединения.

Сходный тип внутри- и межмолекулярного катализа реализуется Иг,8'?] при действии на нитрсфенилацетат соединения (XXVD:

СН3С00Н

132

Глава третья, неферыентативный гидролиз. Модели

Интересно, что в этом примере тиольная группа выступает как нуклеофильный катализатор, а имидазол - и как общий основной и как нуклеофильный. Скорость" этой реакции лишь в 4-5 раз ниже, чем скорость соответствующей реакции, катализируемой а-химотрипсином.

Наиболее изученным примером внутримолекулярного катализа карбоксильной группой является гидролиз аспирина [1590,15911:

юГ

ОССНд /ОН

Q j + сн3соон

-COO ^ ТОО

Эта реакция одно время рассматривалась как пример нуклеофильного участия карбоксилат-иона в гидролизе на том основании, что при проведении реакции в Hg80 наблюдалось включение изотопа кислорода в карбоксильную группу салициловой кислоты [15901. Однако впоследствии [15911 эти данные были опровергнуты. Изучение [15921 гидролиза замещенных аспиринов позволило выявить эффекты заместителей на свойства карбоксильной и эфирной групп в отдельности (Ркарб =-0,52 и ps^ =0,96). Эти исследования привели к выводу, что участие

карбоксильной группы заключается в общем основном катализе карбоксилат-ионом:

В случае гидролиза метилового эфира 2,6-дикарбоксибензойной кислоты характер каталитического участия карбоксильных групп зависит от состояния их ионизации [15931- В моноанионе этого соединения одна группа (ионизованная) участвует как нуклеофильный катализатор, а другая - как общая кислота:

и т.д.

Известен еще ряд примеров внутримолекулярного катализа карбоксильной группой, где эта группа участвует как нуклеофильный катализатор И 594-15981. Особенно эффективным является гидролиз 2,3-диметилмалеамовых кислот (XXVIIa) [1583,15971. При рН 3 эти соединения гидролизуются в 108-109 раз быстрее, чем N-метилацетамид, и в 16 ООО раз быстрее, чем соединение, не содержащее метильных групп (XXVII6). Однако амид циклопентен-1,2-дикарбоно-вой кислоты (XXVIII) гидролизуется медленнее, чем соединение (XXVII6):

3.4. Катализ

133

R СООН

XT

R/ NdONHR1 XXVII

/^/COOH

ONHR XXVIII

a: R=CH3; 6: R=H.

Интересным примером нуклеофильного катализа является гидролиз амида (XXIX):

СООН

соон

XXIX

В этом соединении карбоксильный кислород расположен над плоскостью амид-

о

ной связи на расстоянии 2,8 А, причем одна из групп способствует отщеплению протона. Эффективная молярность в этой реакции (см. ниже) превышает 1014 М [15991. Каталитическая роль карбоксилат-иона может быть связана с электростатической стабилизацией участвующего в реакции катиона, например имидазо-

ЛИЯ [16001.

Особенность катализа карбоксильной группой заключается в отмеченном выше различии основности сш- и акш-конформаций.