химический каталог




Химия протеолиза

Автор В.К.Антонов

-5 ккал/моль. Эта разница возникает вследствие отталкивающих невалентных взаимодействий в цис-амидах [36,57]. Цис-амидная связь превалирует в лактамах с числом атомов в цикле, не превышающем 11-12, и наблюдается в линейных амидах, когда заместителем при карбонильном С-атоме является атом водорода или атом азота имеет третичный характер [50,58,59].

1.2.2. Электронная структура

Атомы, составляющие амидную группу, располагают гибридными электронными атомными орбиталями, образующими о- и тс-связи. Кроме того, гетероатомы N и О имеют соответственно одну и две неподеленные пары электронов. Особенностью амидной группы является то, что неподеленная пара электронов атома азота способна взаимодействовать с валентной р-орбитой атома углерода, придавая C-N-связи характер частично двойной связи (рис.4). Это и может быть представленно резонансными формулами (I) и (II) [14].

Многочисленные расчеты полуэмпирическими и неэмпирическими методами

1.2. Амидная группа

17

Рис.4. Электронные конфигурации атомов пептидной группы

квантовой химии [12,38,55,60-63] позволяют оценить величины зарядов на каждом атоме и порядки связей в амидной группе. Хотя получающиеся величины зависят от метода расчета, общая характеристика распределения электронной плотности оказывается весьма сходной (табл.4). Исследования колебательных спектров амидов [61,66] позволяют найти силовые постоянные и порядки связей. Полученные данные в целом согласуются с резонансной структурой амидной связи, а также с экспериментально найденными характеристиками, однако имеются и некоторые особенности, на которые необходимо обратить внимание. Для

Таблица 4. Распределение зарядов, порядки связей и силовые постоянные амидов

Заряды тс-Порядок Силовые постоянные, о Литера-

Соединение мдин/А турный источник

0 С N с=0 C=N КСО KCN Формамид -0,403 +0,389 -0,608 - - - - [60]

- - - 1,1 0,6 12,08 8,14 [643

-0,473 +0,247 -0,063 - - - - [65]

-0,377 +0,258 -0,758 - - - - [12]

-0,62 +0,53 -0,88 - - - - [63]

Формамид (кристалл) - — 0,85 0,85 10,18 9,22 [61]

Ацетамид -0,63 +0,72 -0,91 ' ,о 0,6 11 ,45 8,14 [63,64]

N-метил-ацетамид -0,64 +0,73 -0,85 и, 98 0,65 11,32 ' 8,27 [63,64]

Ацетон -0,316 +0,132 - 1 ,0 - 11 ,45 - [611

Метиламин - -0,688 - - - 4,96 [61]

изолированной амидной молекулы порядок связи С=0 близок к таковому в ацетоне, причем тс-порядки связей C-N и С-0 сильно отличаются. Однако расчет %-порядков связей из данных по МК-спектрам кристаллов N-метилацетамида и из величин межатомных расстояний в кристалле этого соединения дает значения,

2. В.К. Антонов

18

Глава первая. Субстраты

практически одинаковые для связей C-N и С-0 [61]. Таким образом, в изолированной молекуле амида как расстояния С=0, так и порядок этой связи не согласуются с простой резонансной моделью.

По-видимому, в изолированной амидной группе состояние гибридизации 0-атома является промежуточным между sp2 и sp3, вследствие чего орбитали п-электронов 0-атома и тс-электронов группы С=0 неортогональны и взаимодействуют между собой. Подобное взаимодействие нарушается в кристаллах или растворах за счет образования связей с соседними молекулами растворителя [61]. Это представление согласуется со значениями n-тс*-переходов в спектрах поглощения амидов, которые сдвинуты до 200-220 нм, в то время как для кетонов этот переход лежит при 270-300 нм. Таким образом, орбитали неподеленных пар электронов атома кислорода в амидах имеют, по-видимому, частично связывающий характер.

Другое объяснение независимости расстояния С=0 от состояния гибридизации амидной группы [19] заключается в том, что перенос заряда с атома азота происходит не на атом кислорода,-а на карбонильный углерод.

Так или иначе, электронная структура амидной связи характеризуется весьма высокой лабильностью и вместе с тем она обеспечивает прочность этой связи.

1.2.3. Свойства амидной группы

Описанная выше структура амидной группы определяет большинство ее физико-химических свойств [64]. Так, частичные отрицательные заряды на атомах кислорода и азота (см. табл.4) определяют способность амидов присоединять протон, выступая как слабое основание:

Протонирование амидов происходит преимущественно по атому кислорода [65], что обусловлено, во-первых, величиной зарядов на О- и N-атомах и, во-вторых, значительно меньшей потерей энергии резонансной стабилизации при протонировании кислорода, чем при присоединении протона к единственной свободной паре электронов N-атома.

В протонированных амидах сохраняется барьер вращения вокруг связи C-N, что видно из расщепления сигналов протона при N-атоме в спектрах ЯМР при низкой температуре [67]. Таким образом, в ггротонированном амиде сохраняется резонанс:

1 и , R—С—NHR

В протонированном амиде барьер вращения вокруг связи C-N несколько увеличивается. Так, величины, измеренные одним и тем же методом для жидкого

,1.2. Амидная группа

19

диметилформашда и того же амида в 100%-ной серной кислоте, дали соответственно значения дС 17,84, дЯ* 8,9 ккал/моль; lS* -30 э.е. и дС 18,55, дЯ* 12 ккал/моль; aS* -22 э.е. [683. Протонирование также, по-видимому, несколько затрудняет внеплоскостную деформацию амидной группы [343.

Амиды - очень слабые основания. Значения рКа некоторых амидов приведены ниже [64З:

R1CONHR2 + Н+ ,—*¦ R1C(0H+)NHR2.

Соединение -р*а Соединение -рйа

Ацетамид 0,35 N-Бутирилглицин 1 -73

Пропионамид 0,57 N-Ацетилглицин 2,1

N-Метилацетамид 1,0 п-Нитробензамид 2,22

N,N-Диметилбензамид 1,2 Глицинамид 3,1

N-Метилбензамид 1,5 Бутиролактам 0,4

Бензамид 1,54 Валеролактам -0,6

Заместители в амидной группе оказывают влияние на их основность за счет индуктивных, резонансных и стериче.ских эффектов. Так, в ряду алкилзамещен-ных ацетамидов наблюдается хорошая корреляция lg#a и константы о* Тафта с р* = -1,2 [693. Для замещенных в кольце ароматических амидов наблюдается корреляция основности с о-константами Гаммета [703.

Амиды могут выступать и как слабые кислоты:

о Я

R1—И—NHR2 = R1—(У^Ш2

Значения р#а кислотной диссоциации ряда амидов в изопропиловом спирте, содержащем изопропилат натрия, приведены ниже [713:

Соединение рКа Соединение рКа

Формамид 17,2 Ацетамид 17,6 Бензамид >19,0 N-Метилбензамид >19,0 п-Нитробензамид 19,85 Бенз анилид 16,5

Характерным свойством амидной группы является способность к образованию водородной связи [72 3. При этом она может выступать в качестве донора и в качестве акцептора такой связи. Акцептором, в согласии с данными по прото-нированию амидов и с ИК-спектрами [643, является атом кислорода. Способность амидов образовывать Н-связь коррелирует со способностью к протониро-ванию, т.е. с их основностью. Однако энтальпия водородной связи в 6-7 раз ниже, чем энтальпия протонирования [733.

Исследования водородных связей в кристаллах [743 дают следующие значения длин водородных связей в амидах и пептидах (приведены средние значения для 46 соединений):

20 Глава первая. Субстраты

N-H...X

X— С00 -с=о С-0 Н?0 Щимидазол) С1~

I он

гы-х 2'97±0,1 2,99±0,11 2,97±0,11 2,90 3.0 3,26

Как видно, расстояния г*ы_х мало зависят от природы акцептора, однако существует довольно сильная зависимость этого расстояния от природы донора водородной связи. Об этом свидетельствуют как экспериментальные [75-78], так и расчетные [62,63,79-811 данные. Основной вклад в свободную энергию водородной связи вносит энтальпия (табл.5).

Таблица 5. Термодинамические параметры водородных связей амидов с фенолом

Акцептор Н-связи -tc0. ккал/моль -АН , о ккал/моль -as , э.е. о Литературный источник

N,N-Диметилформамид 2,49 6,1 12,7 [82]

N-Метилацетамид 2,87 4,0 - [75]

N,N-Диметилацетамид 2,94 6,4 11,7 [82]

Н,К-Дифенилацетамид 2,35 5,2 9,7 [76]

М,Н-Диметилхлорацетамид 2,18 4,7 8,5 [82]

N,N-Диметилтрихлорацетамид 2,08 3,8 5,5 [82]

N-Бензоилпиперидин 2,21 4,2 6,9 [76]

е-Валеролактам* 2,90 5,3 8,2 [83]

е-Капролактам* * 2,92 5,2 7,8 [83]

*В СС1. при 25°С. ** Близкие значения получены

для самоассоциации [84]-

Расчетные и экспериментальные данные показывают, что водородная связь амида с амидом примерно на 3 ккал/моль прочнее, чем связь амида с водой и с альдегидом [77-791.

Важной характеристикой водородной связи является ее направление. Водородная связь направлена к свободной паре электронов атома-акцептора [851. Оптимальными являются почти линейные связи (угол N-H...0>150°). Расчет двугранных углов N-H...0=C дает значение 6и60°^[791 -

Поскольку образование Н-связи может стабилизировать разделение зарядов в амидной группе, барьер внутреннего вращения вокруг связи C-N может при этом повышаться. Действительно, было показано, что в диметилформамиде при образовании Н-связи свободная энергия активации цис-тракс-перехода увеличивается на 1,2 ккал/моль [861. Однако исследование корреляционных зависимостей свободных энергий активации цис-трзнс-переходов приводит к противоположному выводу о понижении энергии активации при образовании водородной связи [531.

Атом кислорода карбонильной группы амидов может акцептировать две Н-связи ("трехцентровая" связь). В большинстве случаев это происходит тогда, ко-

1.2. Амидная группа

21

гда атом-донор протона несет формальный положительный заряд [87].

Способность амидов быть донорами и акцепторами водородных связей опреде -ляет способность их к гидратации в водных растворах [88], а также ассоциацию в неполярных растворителях. Свободная энергия ассоциации двух молекул N-метилацетамида в хлороформе достигает -3,5 ккал/моль [891.

Еще один тип водородных связей, обнаруженный сравнительно недавно [90], -это связь амидного протона (и других доноров) с центром ароматического кольца. Она возникает за счет слабого отрицательного заряда, создаваемого

о

тс-электронами. Энтальпия такой связи «3 ккал/моль, а расстояние - 3,4 А. Образование амидами водородных связей является лишь одним, хотя и очень важным примером способности амидной группы к образованию комплексов. Другим примером являются комплексы амидов с металлами, исследование которых важно с точки зрения понимания структуры и функции многочисленных металлсодержащих ферментов (см.: обзор [91])-

Амиды образуют комплексы с самыми разными металлами [92]. При этом, как правило, наблюдается сдвиг в область низких частот полосы амид I, что свидетельствует в пользу участия- в комплексообразовании карбонильной группы амида. Металлы переходной группы способны использовать максимум координационных связей при образовании комплексов с амидами. Так, никель (II) и хром (III) образуют октаэдрические комплексы типа: L

L,J-^.L

I

L

где L - амид или лактам [931. Некоторые одновалентные ионы дают комплексы с амидами, присоединяясь по атому азота. Так, ион серебра связывается с диме-тилацетамидом, образуя комплекс типа (943:

Ад___О

CV I

>-С-СН^

снз

Интересно отметить, что барьер внутреннего вращения вокруг связи C-N в комплексах с металлами понижается [94,953. Так, в комплексе с серебром свободная энергия активации цис-транс-перехода понижается с 21 ккал/моль (для свободного амида) до 19 ккал/моль [941. Квантовохимические исследования литиевых комплексов амидов показали, что металл способен давать мостиковый комплекс типа [953:

Нк © ..-н

LiO

Именно образование таких комплексов объясняет понижение барьера внутреннего вращения, так как их структура близка к структуре переходного состояния при цис-трамс-изомеризации.

Образование комплексов амидов с металлами приводит к изменению геометрии

о

амидной группы. Так, гс=0 уменьшается на «0,02 А и наблюдаются хотя и не-

22

Глава первая. Субстраты

большие, но вполне реальные отклонения от плоской конфигурации амидной группы [92,96].

Еще один тип комплексов, которые способны образовывать амиды,- это ти-комплексы. Обстоятельное исследование ЯМР-спектров диметилформамида в различных ароматических растворителях [97] показало, что амид образует с ними комплексы, которым было приписано строение:

Наконец, представление о структуре амидной группы как резонансного гибрида нейтральной и ионной форм приводит к еще нескольким следствиям. Во-первых, амидная группа должна обладать диамагнитной анизотропией. Действительно, было показано [98], что полипептиды, не содержащие ароматических групп, все же обладают заметной диамагнитной анизотропией. Была предложена теория этого явления, основанная на подвижности электронов в амидной группе, и вычислена константа молярной диамагнитной анизотропии амидной группы, равная -5.36.10-6 см.г-эл.ед. [99]. Во-вторых, частично двойной характер связи C-N в амидах должен приводить к возможности передачи через амидную группу электронных эффектов заместителей. Вначале [100,101] были получены противоречивые данные в отношении возможности передачи электронного эффекта через амидную связь. В дальнейшем обстоятельное исследование зтого вопроса [102] показало, что такая передача существует, причем индуктивный эффект заместителя передается слабее от карбонильной части амидной связи, чем от ее аминной части.

Следует отметить,, что представления о наличии амидимидольной таутомерии в линейных амидах И 03] не получили подтверждения при дальнейших исследованиях [1041.

1.3. Необычные (непептидные) амидные связи и другие связи производных карбоновых кислот

В этом разделе будут рассмотрены два типа связей, расщепляемых амидгидрола-зами,- р-лактамные и сложноэфирные.

1.3.1. (З-Лактамы

р-Лактамное кольцо входит в состав антибиотиков группы пенициллинов (III) и цефаллоспоринов (IV) и расщепляется р-лактамазами:

з

соон

III

IV

1.3. Необычные (непептидные) анидные связи

23

Амидная группа, входящая в состав р-лактамов, обладает необычными свойствами, в частности ее гидролиз в отсутствие ферментов обусловливает неустойчивость пенициллинов в водных растворах. Это связано с пониженным резонансом в амидной группе р-лактамов И05,1 об]. Показано, что атом азота в

о

пенициллинах расположен вне плоскости заместителей (дм=0,4 А) [108]. Анало гичная ситуация имеет место у цефаллоспоринов И055.

Рентгеноструктурные исследования пенициллинов [107,109] показывают, что р-лактамный цикл сильно напряжен. В табл.6 приведены межатомные расстояния

Таблица 6. Межатомные расстояния и углы в натриевой соли бензилпенициллина [ 107]

Связь 0 г, А Угол т, град. Связь 0 г, А Угол 1, град.

1,39 С5М1С2 95 1 ,49 СЛС5 86

V°3 1,29 92 C5"N1 1 ,38 N1C03 134

СДС5И1 87

и углы р-лактамного цикла в пенициллинах. Таким образом, р-лактамный цикл -почти плоский прямоугольник. Характерно, что связь С-0 в р-лактамном цикле существенно длиннее, чем такая

страница 3
< 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
лучшие курсы по продажам в москве
стоимость установки парктроника
где покупать моноколесо
хранение вещей боксы для хранения

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)