химический каталог




Катализ в химии и энзимологии

Автор В.Дженкс

ционная способность, мягких поляризуемых молекул по отношению к карбонильным соединениям

5 -

-5

СН300'

„ВНА АНА°

SA0 МА СЮ" о о

INAAO INA СМЕ.

HjNNHj0 EDAy'

о АО

NH2OH о

о S03: NHPo olm (CH3)2NOH°CARO GGj GEE

N3 о EDAo/ о

'CH

0NH3 _

OH_°

H,N N*-0"

w - u

CH3ONHj° N

(CH3)jNNH?

Tpuc HAsO«1-oHPO/-

-O

0(CH3)3NO-CHjCOO"

H,0

8

PKCL

12

Рис. 11. Реакционная способность широкого ряда различных нуклеофилов по отношению к ге-нитрофенилацетату при 25°С как функция их основности.

BHA — бутирогидроксамат; AHA — ацетогидроксамат; INA — изонитрозоацетон; SA— еалицилаль-доксим; МА — меркаптоацетат; ME — меркаптоэтанол; АО — ацетоксим; GLY — глицин; INAA — изонитрозоацетилацетон; EDA — этилендиамин (свободное основание или монокатион); NHP — N-оксифталимид; IM — имидазол; СН — анион хлоральгидрата (30 °С); CAR — карнозин; GQ —гли-цилглицин; GEE - этиловый эфир глицина; ( -ВА — mpem-бутиламин [36].

в общем случае мала (вследствие относительно слабой основности этих молекул), тем не менее переходные состояния реакций с участием карбониль-

80

ГЛАВА 2

яой группы в некоторой степени чувствительны к мягкости атакующего реагента. Так, отклонения, наблюдаемые для некоторых реакций от простой линейной зависимости между нуклеофильностью и основностью, часто можно объяснить мягкостью или поляризуемостью нуклеофила. На рис. 11 приведена в качестве функции основности нуклеофильная реакционная способность ряда соединений по отношению к тг-нитрофенилацетату. Эта зависимость не столь четкая, как на рис. 6, поскольку сюда включены нуклеофильные реагенты, сильно различающиеся по структуре. На рисунке прямая линия с углом наклона 0,8 проведена через точки, соответствующие простым первичным аминам, которые вполне удовлетворительно соответствуют этой зависимости. Положительные отклонения от этой линии (наблюдаемые также и в случае аналогичных корреляций для других реакций с участием анионов тиолов, гидроперекисей и азидов, а также стерически незатрудненных третичных аминов) можно приписать, по крайней мере частично, «мягкости» или поляризуемости этих реагентов; наоборот, отрицательные отклонения, наблюдаемые для кислородсодержащих анионов, таких, как фосфат, карбонат и ацетат, отчасти могут отражать относительную «жесткость» этих нук-леофилов.

3. СОЛЬВАТАЦИЯ

Совсем другим фактором, который, однако, в некоторой степени связан с предыдущими, является сольватация. Сольватация может оказывать исключительно сильное влияние на нуклеофильную реакционную способность [62].

Таблица 7

Скорости реакций замещения в молекуле метилиодида [63]

Нуклеофил Константа скорости реакции в воде в диметилформамиде

Lil 1,6-10-5

LiBr 0,18-10-5 0,11

LiCl 0,010-10-5 0,13

KF 0,007-10-5 >0,1

Порядок нуклеофильной реакционной способности для реакции Sjy2-замещения метилиодида в воде является следующим: I" >Вг" >С1~ >F~, однако в апротонном растворителе диметилформамиде различия становятся слабыми и появляется даже тенденция к обратной последовательности (табл. 7) [63]. Более того, абсолютное значение скорости реакции с участием иона С1" становится в диметилформамиде в 1,3-10е раз больше, чем в воде. Еще более сильное влияние растворителя на скорость реакции было обнаружено в катализируемом метоксильными ионами процессе обмена протонов, расположенных в молекуле рядом с активирующей циано-группой, сложно-эфирной или амидной группой. В этом случае в апротонном растворителе диметилсульфоксиде скорость возрастает в 10е раз по сравнению с метанолом [64].

Энергия сольватации ионов при переходе из газовой фазы в воду (от —60 до —120 ккал/моль для галоген-анионов [65]) превышает на несколько порядков те относительно небольшие различия в свободной энергии активации, которые следуют из наблюдаемых скоростей реакций. Если же анион действует как нуклеофил, который замещает уходящую группу или отрывает

КОВАЛЕНТНЫЙ КАТАЛИЗ

81

протон, то он должен потерять большую часть заряда и сольватной оболочки не только при образовании продукта реакции, но также в значительной степени и в переходном состоянии. Это объясняется тем, что взаимодействие с субстратом возможно лишь при удалении молекул растворителя. Примеры, которые были приведены выше, показывают, что эти различия в сольватации могут быть достаточно большими, чтобы оказать решающее влияние на скорость нуклеофильной реакции. Анион небольшого размера с высокой плотностью заряда (например, F" или СН30~) значительно менее стабилен в апротонном растворителе, чем в воде, где его заряд может быть делокализован в результате образования водородных связей с растворителем. Следовательно, по сравнению с большим ионом, для которого влияние сольватации менее существенно, ион небольшого размера охотнее будет присоединять протон или входить в переходное состояние именно в апротонном растворителе. Это проявляется и в увеличении его основности и нуклеофильности. По тем же причинам природа растворителя оказывает сильное влияние на ряд других свойств ионов, в том числе и на их растворимость, основность и спектральные свойства [66].

Различия в сольватации основных состояний ионов простейшим образом можно оценить при исследовании равновесия, приведенного в виде уравнения (45), где сравниваются относительные способности различных галоге-нид-ионов вытеснять бромид из стандартного субстрата. Константы равновесия для реакции

X- + RCH2Br ^ RCH2X + Br- (45)

приведены в табл. 8. Из этих данных следует, что оба растворителя (вода и нитробензол) ведут себя по-разному, причем вода сглаживает различия между ионами. Это можно объяснить относительно большей дестабилизацией меньших по размеру анионов в нитробензоле по сравнению с водой [67].

Таблица 8

Константы равновесия реакции Х- + RCH2Br 5± RCH2X + Br", протекающей в нитробензоле и в воде [67]

X- С4Н11ВГ в нитробензоле СНзВг в воде

С1- 1,5-102 10

Вг- 1 1

I- 2-10-2 13

Разницу в свободных энергиях основных состояний ионов в разных растворителях можно получить из некоторых последних работ и обзоров; эти различия являются столь большими, что они могут привести к разнице в константах скорости или равновесия в 1017 раз, если принять, что эти различия полностью исчезают в переходном состоянии или при образовании продукта реакции [68]. Особенно значительны эти различия в случае малых анионов, которые плохо сольватированы в апротонных растворителях. Тем не менее различия между катионами также являются существенными, и, кроме того, имеются данные, которые указывают, что даже очень большие ионы специфически взаимодействуют как с апротонными, так и протонными растворителями [68, 69].

Трудно четко разграничить эффект сольватации от тех свойств, которые объединяет термин «мягкость». Так, большие мягкие ионы отличаются тем, что легко теряют сольватную оболочку и вступают в реакцию. Поэтому с достаточной очевидностью можно лишь утверждать, что, во-первых, соль-

6—0500

82

ГЛАВА 2

ватация основного состояния имеет большое значение для определения нуклеофильной реакционной способности, во-вторых, сольватация — это-не единственный фактор, определяющий нуклеофильную реакционную способность. Большие различия в относительной нуклеофильной реакционной способности разных соединений по отношению к многим субстратам нельзя объяснить разницей в сольватации нуклеофила. В тех корреляциях, которые-существуют между нуклеофильной реакционной способностью и основностью, сольватационные эффекты, по всей видимости, существенно скомпенсированы,, поскольку анион должен терять сольватную оболочку как при присоединении протона, так и при образовании переходного состояния реакции. Положительные отклонения от таких зависимостей, наблюдаемые для незаряженных нуклеофилов и анионов тиолов, гидроперекисей и азидов, свидетельствуют о том, что наряду с основностью на реакционную способность оказывает влияние также и поляризуемость или мягкость. Такие отклонения чаще всего обнаруживаются в реакциях карбонильных соединений, например в реакции с участием тг-нитрофенилацетата [76], которые очень чувствительны к основности нуклеофила. Еще большие отклонения имеют место-при атаке насыщенного атома углерода. Тот факт, что порядок увеличения основности является обратным возрастанию нуклеофильной реакционной способности анионов F-, О-, Вг~ и 1~ по отношению к насыщенному атому углерода в воде (хотя сольватация аниона должна оказывать одинаковое влияние на оба эти свойства), означает, что, помимо сольватации, на протекание реакции оказывают влияние и другие важные факторы.

Природа растворителя оказывает большее влияние на скорость реакции, чем на константы равновесия при взаимодействии анионов с ионами карбо-ния. Это значит, что протекание этих реакций определяют специфические-взаимодействия растворителя с переходным состоянием, отличные от взаимодействий, которые происходят в основном состоянии. Исходя из этого, можно также предположить, что перестройка сольватной оболочки вносит непосредственный вклад в свободную энергию активации этих процессов [70].

При данной основности нуклеофильная реакционная способность аминов изменяется, как правило, следующим образом: третичный амин > вторичный амин >¦ первичный амин >NH3, однако этот порядок часто искажается стерическими препятствиями, которые возрастают со степенью замещенности амина [71]. В случае реакции хлорамина с образованием замещенных гидразинов, которая характеризуется относительно малыми стерическими затруднениями, относительные скорости реакции с участием триметиламина, диме-тиламина, метиламина и аммиака являются следующими: 1550 : 700 : : 120 : 1 [72]. В то же время реакционная способность N-метилимидазола по отношению к тг-нирофенилацетату всего лишь в два раза превышает реакционную способность аммиака, хотя аммиак является в 100 раз более основным нуклеофилом.

Сильная сольватация сопряженных кислот некоторых нуклеофилов часто может служить причиной нарушения корреляции нуклеофильности с основностью. По-видимому, это является одной из причин относительно низкой реакционной способности первичных аминов и аммиака по сравнению со вторичными и третичными аминами. Можно полагать, что в этом случае увеличение силы основания, обусловленное сольватацией катиона,, опережает увеличение реакционной способности, обусловленное частичной сольватацией положительного заряда, образующегося в переходном состоянии (более подробно см. гл. 3). Если коэффициент р достаточно велик, то это будет приводить к отрицательному отклонению на графике зависимости основности от нуклеофильности. Следовательно, отклонения, наблюдаемые для этих соединений, более целесообразно приписать их аномальной основности, чем их аномальной нуклеофильной реакционной способности (рис. 6, гл. 3).

КОВАЛЕНТНЫЙ КАТАЛИЗ

83

Если заряженная группа, например карбоксилат-анион, находится в гидрофобной области активного центра фермента и поэтому плохо сольва-тирована, то ее нуклеофильная реакционная способность будет увеличенной. Однако соответственно с этим возрастает также и основность такой группы, поскольку дестабилизация аниона, обусловленная плохой сольватацией, должна способствовать любому процессу, который понижает заряд на анионе. Этот эффект объясняет, по-видимому, высокие значения (вплоть до 7 и более) для «замаскированных» карбоксильных групп в ферментах и других белках [73], и, хотя данный эффект способствует увеличению нуклеофиль-ности этих групп, соотношение нуклеофильности и основности остается практически неизменным. Следовательно, на основании этого эффекта вряд ли можно ожидать больших ускорений, если только нуклеофил не защищен от протонирования под действием растворителя и в то же время сохраняет свободу для атаки субстрата. Это возможно в том случае, когда присоединение субстрата к ферменту вызывает конформационное изменение, в результате которого нуклеофил становится доступным и атакует субстрат в гидрофобной среде. Это может служить еще одним примером, когда силы связывания между ферментом и субстратом используются для продвижения системы вдоль координаты реакции, что облегчает каталитический процесс при одновременном уменьшении наблюдаемой свободной энергии связывания (более подробно этот вопрос будет рассмотрен в гл. 5 в рамках теории индуцированного напряжения). В общем случае, когда увеличение скорости обусловлено изменением природы «растворителя», окружающего субстрат в активном центре фермента, причиной этому всегда должно быть специфическое взаимодействие, использующее энергию связывания фермента с субстратом. Так, скорость реакции двух противоположно заряженных реагентов будет больше в гидрофобной среде активного центра фермента (по сравнению с реакцией в воде), поскольку в неполярном окружении заряженные реагенты дестабилизированы и в то же время дестабилизация менее заряженного переходного состояния будет не столь значительной [схема (46)].

О - О -1_1 — iQQi ^ 1©@1 т

Б Е Е

Источником энергии, необходимой для сближения реагентов с образованием этого реакционноспособного нестабильного состояния, должна служить энергия связывания на ферменте тех групп в молекуле субстрата, которые не вступают в реакцию.

4. ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ЗАТРУДНЕНИЯ

Пространственные затруднения уменьшают, как правило, скорость нуклеофильных реакций, и поэтому нет необходимости обсуждать их здесь подробно. Нуклеофильные реакции более чувствительны к пространственным затруднениям, чем реакции общеосновного катализа. Это может служить полезным эмпирическим критерием, который позволяет практически различать эти два механизма катализа. Так, 2,6-диметилпиридины являются более основными, чем пиридин, однако в нуклезфильных реакциях их реакционная способность на несколько порядков меньше. В реакциях общеосновного катализа они могут оказаться как более, так и менее реакционноспособными, чем пиридин, в зависимости от чувствительности реакции к основности и пространственным затруднениям; однако наблюдаемые различия значительно меньше, чем в случае нуклеофильных реакций [74] (см. также литературу к работам [30, 33]). Атом азота в трех- и четырехчленных циклах азиридина и азетидина менее чувствителен к стерический условиям. Этим

6*

84

ГЛАВА 2

можно в значительной мере объяснить, по-видимому, то, что такие соединения обладают примерно в 100 раз большей реакционной способностью по отношению к фенилацетату, чем другие амины, обладающие сравнимой основностью [75].

б. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ

Электростатические эффекты в водном растворе являются малыми и изменчивыми, поскольку вода обладает исключительной способностью сольватировать заряды. Проанализируем качественно следующие результаты. Гидролиз сложных эфиров фосфорной кислоты протекает лишь при продолжительном кипячении их в концентрированной щелочи, а ацильная группа дианиона ацетилфосфата значительно более стойка по отношению к атаке анионом тиола, чем другие ацильные группы. На этом основании можно полагать, что отрицательные заряды ионизированных фосфатов затрудняют атаку анионными нуклеофильными агентами [76, 49]. Монокатион тетраметиленди

страница 14
< 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
нгде заказать розу остина оригинал?
Рекомендуем фирму Ренесанс - лестница из нержавейки в бассейн - надежно и доступно!
престиж самба кресло
Рекомендуем в КНС Нева dell xps 2720 предоставив доставку по Санкт-Петербургу

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
(10.12.2016)