химический каталог




Катализ в химии и энзимологии

Автор В.Дженкс

овой скоростью. Это, а также тот факт, что в большинстве-реакции переноса с участием ацетилимидазола нуклеофильный реагент атакует протонированный ацетилимидазол, указывают на то, что активным промежуточным продуктом является ацетилимидазолиевый ион. Непрото-нированный ацетилимидазол обычно не выступает в качестве реакционно-способного промежуточного продукта.

На примере реакций с переносом ацила, катализируемых имидазолом, удобно пояснить три главных требования, обеспечивающих эффективность нуклеофильного катализа:

1. В условиях эксперимента катализатор должен обладать большей нуклеофильной реакционной способностью, чем конечный акцептор ацильной группы.

2. Промежуточный продукт, образующийся в реакции субстрата с катализатором, должен быть более реакционным, чем субстрат.

3. Промежуточный продукт (чтобы он не накапливался в системе) должен быть термодинамически менее устойчивым, чем конечный продукт.

Всем этим требованиям катализатор удовлетворяет редко, поскольку для этого необходимо, чтобы он обладал совершенно особыми свойствами. Структурные изменения в молекуле катализатора, благоприятствующие первому требованию, должны в общем противодействовать второму требованию, и наоборот. Так, присоединение электронодонорного заместителя к амину или фенолят-иону увеличивает их нуклеофильную реакционную способность, но в то же время уменьшает реакционную способность промежуточного ацилированного соединения. Эффективными нуклеофильными

КОВАЛЕНТНЫЙ КАТАЛИЗ

катализаторами являются имидазол и N-метилимидазол, что обусловлено их особыми свойствами. Это амины, обладающие с учетом их основности большей реакционной способностью, чем ион гидроксила. Более того, это третичные амины, которым присуща более высокая нуклеофильность, чем первичным или вторичным аминам. Повышенная реакционная способность третичных аминов снижается возросшими стерическими препятствиями. Однако роль заместителей при атоме азота в производных имидазола выполняет пятичленное ароматическое кольцо, которое почти не вызывает стери-ческих затруднений. Значение рКа имидазола равно приблизительно 7,. и, следовательно, имидазол— это наиболее сильное основание, которое может существовать в свободном виде при нейтральных значениях рН. Более слабое основание должно обладать меньшей нуклеофильной способностью, в то время как более сильное основание (хотя оно реакционноспособнее в форме свободного основания) при нейтральном значении рН частично протонировано и поэтому при той же общей концентрации амина должно реагировать менее эффективно.

Промежуточный ацетилимидазол чрезвычайно восприимчив к атаке-нуклеофильными реагентами. Это обусловлено тем, что он легко протони-руется с образованием реакционного ацетилимидазолиевого иона, у которого энергия стабилизации за счет резонанса меньше, чем у обычных амидов. Значение рКа ацетилимидазолиевого иона составляет 3,6, в то время как у обычных амидов эта величина близка к нулю. Одна из причин высокой основности ацетилимидазола заключается в том, что протонирование может-происходить у другого атома азота, к которому не присоединена ацильная группа, без существенного нарушения резонансной стабилизации (I)

О _1 (О "О

CH3C-N:-> N CHjC-N^ -—> CH3C = N^

±н+

он он

CH3C-N:^NH CHjC-Ni- т=* CH3C=NX

I Я

Протонирование обычных амидов затрагивает атом кислорода, так как протонирование атома азота сопровождается существенной потерей резонансной стабилизации (II). При протонировании кислорода, хотя оно и облегчает атаку нуклеофильным реагентом, окончательное вытеснение амина и завершение реакции могут произойти только после переноса протона с кислорода на азот. Протонирование азота непосредственно активирует уходящий амин. Однако главной причиной высокой реакционной способности ацетилимидазола и ацетилимидазолиевого иона является прежде всего упомянутая вышеотносительно небольшая резонансная стабилизация этих соединений по сравнению с обычными амидами. Неподеленная пара электронов на атоме азота, которая в обычных амидах взаимодействует с карбонильной группой (II), в ацетилимидазоле в значительной мере недоступна для подобного резонанса, поскольку она принимает участие в я-электронной системе ароматического цикла (I).

И наконец, промежуточный ацетилимидазол, хотя он и быстро образуется из подходящих доноров ацила, по сравнению с другими амидами, сложными эфирами и эфирами тиоловой кислоты термодинамически неустойчив [28]. Свободная энергия гидролиза ацетилимидазола при рН 7 равна —13 ккал/моль (54,5 кДж/моль), а для ацетилимидазолиевого иона она еще более отрицательна.

64

ГЛАВА 2

Учитывая все это, можно ожидать, что имидазольные группы остатков гистидина проявляют свойства нуклеофильных катализаторов в активных центрах ферментов. Действительно, обнаружение каталитических реакций с участием имидазола, а также то, что проявление ферментативной активности химотрипсином и родственными ему ферментами обусловлено наличием свободной имидазольной группы, позволили предположить, что имида-зол на самом деле выполняет именно эту роль в ферментативном катализе. Однако оказалось, что нуклеофильный катализ химотрипсином и родственными ему ферментами протекает с промежуточным образованием сложного эфира из ацильной группы субстрата и гидроксильной группы остатка серина. К настоящему времени нет никаких убедительных данных, подтверждающих, что имидазол выступает в качестве нуклеофильного катализатора в какой-либо ферментативной реакции переноса ацильной группы. На первый взгляд это может показаться удивительным, однако вопрос становится понятным, если вспомнить, что имидазол — это эффективный нуклеофильный катализатор лишь в случае реакций с участием высокоактивированных ацильных групп, позволяющих образоваться промежуточному ацилимида-золу. В большинстве биологических реакций переноса ацильной группы принимают участие менее активированные ацилпроизводные. В неферментативных реакциях с участием таких соединений (в том числе в реакциях с участием О-ацетилсерина, который представляет собой модель ацилфермента) имидазол выступает как общеосновной, а не нуклеофильный катализатор. По-видимому, имидазол является общеосновным катализатором также и в ферментативных реакциях [29, 30].

Имеются некоторые сведения, что имидазол действует в качестве нуклеофильного катализатора в ферментах, которые катализируют перенос фосфатной группы. После инкубации донора фосфорильной группы с сукцинил-тиокиназой или с ферментом, который катализирует перенос фосфатной группы от фосфоенолпирувата к гексозе, из раствора удалось выделить фосфорилимидазольные производные [31]. Однако в неферментативных процессах имидазол не является уже очень хорошим нуклеофилом по отношению к монозамещенным фосфатам. Кроме того, фосфорилимидазолы по сравнению с другими фосфорзамещенными амидами не представляют собой слишком реакционноспособные соединения. Причина заключается, по-видимому, в том, что резонансная стабилизация с участием атома азота является намного менее существенной в фосфатах (III), чем в ацилпроизвод-лых [32, 33].

О -О -О

Н / I I +/

-О-Р—IT -<--*¦ -0—+Р—N t-->--0 —P = N/

4 4 -А 4 4 4

III

2. НУКЛЕОШИЛЬНЫЕ ГРУППЫ В ФЕРМЕНТАХ

В ряде случаев было показано, что функциональные группы, которые удалось идентифицировать в качестве действующих нуклеофильных агентов в ферментативных реакциях, действительно обладают свойствами, необходимыми для этой роли. Так, гидроксильная группа N-ацетилсеринамида (модель гидроксильной группы серина в ферменте) реагирует с ацилпроиз-водными примерно на три порядка быстрее, чем вода (в реакциях, катализируемых основанием, вблизи нейтрального значения рН) [29]. Столь высокая реакционная способность обусловлена тем, что в отличие от воды (р-ЙГа 15,7) [34] данная гидроксильная группа легко ионизируется (ъ>Ка 1о>°), образуя реакционноспособный кислородсодержащий анион, тогда как гидроксиль-

КОВАЛЕНТНЫЙ КАТАЛИЗ

65

ный ион и другие сильно основные алкоксильные анионы обладают необычайно низкой нуклеофильной способностью [35]. Последнее обстоятельство не получило до сих пор удовлетворительного объяснения. Алкоксильный ион серина, по-видимому, удовлетворяет всем требованиям своей роли в активном центре фермента. Он является более сильным основанием, чем имидазол, и поэтому легче образует промежуточное ацилированное соединение даже с неактивированными ацилпроизводными. В результате образуется О-ацилсерин—сложный эфир средней реакционной способности, обладающий той реакционной способностью, которую и следует ожидать для сложного эфира, содержащего в спиртовом остатке электронооттягивающие заместители [29]. В частности, с аминами он реагирует значительно быстрее этилацетата, причем его реакции с аминами и с водой в присутствии имидазола протекают по типу общеосновного катализа. По-видимому, этот механизм отражает роль имидазольной группы и в ферментативных реакциях. Интересно отметить, что имидазол не является общеосновным катализатором в случае атаки гидроксильной группой N-ацетилсеринамида ацильных производных. Модельные реакции серина и производных О-ацилсерина протекают на много порядков медленнее ферментативных реакций, и поэтому для объяснения каталитической активности фермента необходимо привлечь другие факторы. Если под действием 8 М раствора мочевины развернуть молекулу ацилхимотрипсина, то реакционная способность его обратимо понизится до уровня модельных соединений; фактически это является одним из доказательств того, что ацилфермент представляет собой ацилпроизводное серина [6, 29].

Тиоловая группа — активный нуклеофильный реагент в папаине и родственных ему ферментах — обладает высокой собственной реакционной способностью, которая обусловлена, во-первых, ее относительно высокой кислотностью (уКа ~ 9), что облегчает ионизацию с образованием реакционной анионной формы, и, во-вторых, высокой нуклеофильной реакционной способностью самого аниона, которая на один-два порядка превышает реакционную способность «обычных» кислород- или азотсодержащих соединений, обладающих сравнимой основностью [36, 37]. В качестве ацилиро-ванного промежуточного соединения образуется эфир тиоловой кислоты, который своей реакционной способностью по отношению к гидроксильному иону во многом близок к кислородным сложным эфирам; однако в реакции катализируемого кислотой гидролиза он проявляет меньшую реакционную способность [38]. Примечательно, что тиоловые сложные эфиры легко реагируют со слабоосновными нуклеофильными реагентами, такими, как амины, в условиях, когда обычные кислородсодержащие сложные эфиры в реакцию не вступают [39, 40].

3. РЕАКЦИИ ПЕРЕНОСА КАРБОНИЛЬНОЙ ГРУППЫ

Примером нуклеофильного катализа в реакции с участием карбонильной группы является катализ анилином образования семикарбазона из бензаль-дегида {уравнение (28)} [41].

Н

rc=0 + h2nnhconh;

¦2

rc= nnhconh:

2

h

NHjOH

HjNNHCONHj h

(28)

rc = nc6h5

rc = noh

5-0500

66

ГЛАВА 2

Реакция протекает через промежуточное образование основания Шиффа из анилина и бензальдегида, что является скорость определяющей стадией. На это указывает равенство скоростей образования семикарбазона и оксима в присутствии анилина и семикарбазида или гидроксиламина. Катализ этих реакций обусловлен тем, что образование основания Шиффа с анилином является кинетически быстрым, однако термодинамически невыгодным, и поэтому промежуточный продукт в реакции не накапливается, а быстро реагирует с акцептором карбонильной группы, образуя конечный продукт. Следует ожидать, что на относительную стабильность промежуточного и конечного соединений должно влиять резонансное взаимодействие свободной электронной пары азота с фенильной группой анилина в основании Шиффа и резонансное взаимодействие соседней электронодонорной группы в оксиме или семикарбазоне (IV). Повышенная реакционная способность

*Л р. RC= N-X-

Н

RC — N = X -I

Н

Ж

промежуточного основания Шиффа по отношению к нуклеофильной атаке акцептором карбонильной группы является в значительной степени отражением легкости протонизации основания Шиффа {оКа которого обычно на 2— 3 единицы меньше исходного амина) по сравнению с исходным альдегидом (рКа которого около—7). И хотя протонированный альдегид, несомненно, более реакционноспособен, чем соответствующее протонированное основание Шиффа, легкость, с которой оно протонируется, вполне компенсирует различие в их реакционной способности.

На первой стадии ферментативных реакций аминокислот, протекающих с участием пиридоксальфосфата в качестве кофермента, происходит конденсация аминокислоты и кофермента с образованием основания Шиффа. Если скорость этой стадии приблизительно такая же, как и скорости последующих, то это значит, что на этой стадии должен происходить катализ ферментом, так же как и на более трудных стадиях расщепления С — С и С — Н-связей [42]. Следовательно, тот факт, что пиридоксальфосфат существует обычно в виде основания Шиффа с аминогруппой остатка лизина, входящего в активный центр фермента, является выгодным, поскольку следует ожидать, что основание Шиффа реагирует с аминокислотой в реакции трансимини-рования («трансшиффизации») быстрее, чем реагировал бы свободный пиридоксальфосфат. То, что амины действительно способны катализировать реакцию переноса карбонильной группы, было показано на примере неферментативной реакции пиридоксальфосфата с семикарбазидом. Особенно эффективными катализаторами являются вторичные амины типа морфолина и пролина, которые образуют в качестве промежуточного соединения высокореакционный катион-имин {схема (29)} [42].

Н Н Н

I ? _^ J. + / H'NH2 1 / (29)

rc=o+hn/ ^ rc=n/--*¦ rc=nr'+hn/ к '

Реакция пипероналя с нитрометаном, катализируемая ацетатом к-бу-тиламмония [схемы (30) и (31)], представляет собой пример катализа амином реакции С — С-конденсации [43]. Скорости реакций (30) и (31) были измерены раздельно и на их основании можно объяснить значение суммарной скорости каталитической реакции. Скорость аналогичной реакции конденсации ванилина с нитрометаном, катализируемой ацетатом аммония, уменьшается при добавлении кислоты или основания в условиях, когда скорость

КОВАЛЕНТНЫЙ КАТАЛИЗ

67

т V

rc=0 + h2nr' rc = nr' + н20

н н н

I I I <-) <*uo

rc = nr' + ch3N02 rc = nr' + ch2^n^ (-)

(30)

"s-

][

О

h h _

rc = CHN02 + h2nr' rc-ch^nt (-)

(\ ^0 h2n+-r'

реакции определяет преимущественно вторая стадия [схема (31)]. Последнее позволяет предположить, что переходное состояние этой стадии имеет нулевой суммарный заряд и возникает, по-видимому, либо в результате атаки протонированного основания Шиффа анионом нитрометана, либо в результате деаминирования продукта присоединения через промежуточный цвит-тер-ион [44].

4. Д//С-7/МЯС-ИЗОМЕРИЗАЦИЯ

tyuc-торакс-Изомеризация часто происходит по механизму нуклеофильного катализа. Так, катализ аминами и спиртами изомеризации этил-г^ис-а-циано-р-о-метоксифенилакрилата включает присоединение катализатора к двойной связи с образованием насыщенного промежуточного соединения, котор

страница 11
< 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

Скачать книгу "Катализ в химии и энзимологии" (4.04Mb)


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

 

 

Реклама
effecta
участки с пмж в подмосковье с коммуникациями новая рига
инсталляция geberit цена
Компания Ренессанс лестницы раскладные купить - надежно и доступно!

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
(06.12.2016)