химический каталог




Катализ в химии и энзимологии

Автор В.Дженкс

могут служить протоны, поступающие из растворителя или от обобщенной кислоты, ионы металла, а также органические молекулы, содержащие группы, способные принимать электроны. Катализ протоном в ферментативных реакциях протекает обычно по механизму общекислотного катализа, и его обсуждение приведено в гл. 3. Катализ ионами металлов здесь обсуждаться подробно не будет. Наиболее важный простой механизм ковалентного электрофильного катализа в ферментативных реакциях заключается в том, что присоединение субстрата к катализатору дает соединение, в котором атом азота с положительным зарядом действует как ловушка электронов, или незаряженный азот выступает в качестве донора электронной пары, как это происходит в реакциях с участием енаминов (XXXIX,'XL). Несмотря на то что сам азот не обладает

О. (** Y-C=N

I

хххж

большой электроотрицательностью, тем не менее в таких реакциях он может действовать как эффективная ловушка электронов благодаря тому, что он легко протонируется и легко образует катионные ненасыщенные продукты присоединения. Легкость образования этих заряженных соединений намного перекрывает низкую электроотрицательность азота, и поэтому азот действует как ловушка электронов более эффективно, чем кислород, который хотя и более электроотрицателен, но образует при нейтральных значениях рН катион настолько трудно, что в таком механизме реакции он фактически неактивен как акцептор электрона. Наоборот, легкость, с которой азот может отдавать электронную пару, позволяет ему действовать как своего рода малоактивный карбанион; енамин легко может отдавать электроны с образованием новой связи к углеродному атому (XL), в то время как образование истинного карбаниона (XLI) — это процесс, характеризующийся значительно более высокой энергией.

1. АТФ И МЕТАЛЛЫ

Катализ реакции переноса фосфата от АТФ (аденозинтрифосфат) к воде или к другим акцепторам — это интересный пример электрофильного катализа металлами [106]. Ион металла в реакциях такого рода может вести себя по-разному: 1) экранировать (гасить) отрицательные заряды на фосфатной группе, которые в противном случае стремились бы препятствовать атаке электронной пары нуклеофила, особенно в случае анионного нуклеофила: 2) увеличивать реакционную способность атакуемого атома, оттягивая на себя электроны; 3) способствовать улучшению свойств уходящей группы; 4) служить связующим звеном между нуклеофилом и субстратом; 5) изменять pisT и реакционную способность нуклеофила; 6) изменять, по-видимому, геометрию молекулы субстрата таким образом, чтобы облегчить протекание реакции. Катализ ионами металлов является важным для многих ферментативных процессов и включает, по-видимому, эти же факторы. Кроме того, ион металла может участвовать и в связывании субстрата на ферменте в правильном положении. Применение методов ЭПР и ЯМР к исследованию непосредственного окружения иона металла позволило различить эти возможные механизмы как в ферментативных, так и неферментативных реакциях [107, 108].

Активация АТФ под действием металлов представляет особый интерес, так как в результате становится возможным как гидролиз, так и неферментативное фосфорилирование анионных акцепторов, таких, как фосфат (с обра-

XL

С I

XLI

ГЛАВА 2

зованием пирофосфата) или ацетат (с образованием ацетилфосфата, который можно уловить при помощи гидроксиламина в виде гидроксамовой кислоты). Ионы металлов сильно различаются по эффективности действия, что проявляется в разной растворимости их комплексов, в различающемся сродстве металлов по отношению к АТФ и фосфатам (присоединение металла к фосфату уменьшает, как правило, его нуклеофильную реакционную способность), а также в том, что в случае разных металлов в равновесии присутствуют различные относительные количества металлохелатов с разной структурой и реакционной способностью. Собственная каталитическая эффективность связанного металла также зависит от его природы. Скорость реакции увеличивается быстрее, чем возрастает концентрация иона металла. Кроме того, реакция в присутствии двухвалентных металлов ускоряется также однозарядными катионами, например катионами калия и в меньшей степени натрия. Поэтому можно полагать, что наблюдаемый катализ обусловлен главным образом образованием реакционноспособного комплекса, который содержит два иона металла и в котором заряд АТФ почти полностью экранирован. рН-Зависимость скорости реакции гидролиза, катализируемой ионами двухвалентной меди, обнаруживает резкий максимум вблизи рН 5. Катализ другими ионами металлов также обнаруживает характерные, но менее заметные изменения скорости реакции с изменением рН.

Сущность рН-зависимостей и механизмы этих интересных реакций до конца еще не раскрыты. Повышенная каталитическая активность «мягких» металлов, например иона двухвалентной меди, которые обладают сильным сродством к азоту, позволяет предположить, что происходит образование хелатной связи с участием атома азота адениновой группы и возникает металлофосфатный комплекс с особой реакционной способностью. Что это взаимодействие с адениновым основанием действительно важно для катализа, свидетельствует тот факт, что гидролиз АТФ, катализируемый ионами двухвалентной меди, протекает примерно в 20 раз быстрее, чем гидролиз у-фенилпропилтрифосфата, где такое взаимодействие исключено. Более жесткие металлы, например ионы магния или кальция, также катализируют

"О 1 1 "о- 1

-Р-0 ii 1 -р- ii 1 О-Р- II

ii О ii О II О

XLII

... М 2-+

"О 'СГ о-

Дденин-ри6~оза -О — Р — О — Р— О — Р — О" II II II

ООО

XLIII

°xD^0 О

0 I -о-р-о^ „о

2+мГ о и"|-Р-о °Ч "? то" "о

Цденин-puSb,* -0-Р-0/ 0 Дденин:™ ~°-*Г°

6 \ . .0

риооза

XLIV

XLV

КОВАЛЕНТНЫЙ КАТАЛИЗ

97

реакции гидролиза и переноса фосфатной группы с участием "у-фенилпропил-трифосфата и АТФ, однако скорости этих процессов почти не различаются. Это указывает, что при катализе более жесткими металлами взаимодействие с циклом не существенно для реакции [109]. Комплексы металл-АТФ могут иметь разное строение (XLII—XLV), причем следует учесть, что те комплексы, которые преобладают в растворе, не обязательно должны быть реакционноспособными и, кроме того, разные структуры могут оказаться наиболее реакционноспособными в разных реакциях, протекающих по разным механизмам. Связывание иона металла с концевой фосфатной группой (как это показано на схемах XLII, XLIV и XLV) способствует нуклеофильной атаке, направленной именно на эту группу. С другой стороны, отщеплению уходящей группы должно в наибольшей степени благоприятствовать образование структуры, где металл связан с внутренними фосфатными группами, как это показано на схемах XLIII и XLIV. Значительное число данных указывает на то, что при гидролизе монозамещенных фосфатов в качестве начального продукта отщепляется моноанион метафосфата, который затем быстро гидратируется с образованием неорганического фосфата {уравнение (53)} [110]. Такому механизму реакции должно способствовать связывание

V

RO^-P-O" -> RO-II О

0***0

о-

Н,0 I

— но-р-он (53) о

иона металла с внутренними фосфатными группами (XLIII), в то время как связывание металла с концевой фосфатной группой АТФ (XLII и XLV) должно тормозить реакцию. В случае ферментативных реакций вклад фермента в ускорение реакции и в ее специфичность может заключаться просто в том, что фермент обеспечивает связывание металла с АТФ в виде структуры, наиболее благоприятной для данной катализируемой реакции.

Катализ ионами металлов особенно распространен в реакциях гидролиза и переноса с участием ацилпроизводных, где происходит, по-видимому, активация карбонильной группы по отношению к нуклеофильной атаке и связывание металла с уходящей группой, облегчающее ее отщепление. Первый тип активации получил прямое подтверждение на примере реакций комплексов Со(Ш), которые очень медленно обменивают лиганды [111]. Группа Со(триэтилентетрамин)3+, которая катализирует быструю реакцию конденсации двух молей этилового эфира глицина с образованием этилового эфира глицилглицина, выступает в роли как активирующей, тай и защитной группы. Продуктом реакции является соединение глицилглицина XLVII,

n 2+ n 3+

nJ--^nh2ch2cor nJ-^nh.

С1 О. /СН2

^conhr'chr"cor'" 1;r

,?cW + rh (54)

о^с/СН2

^nr'am'-coR"' XLVR

7 - 0500

i2

98

ГЛАВА 2

в котором как амино-, так и карбонильная группы связанно кобальтом. Соединение XLVI, в котором происходит активация карбонильной группы при ее взаимодействии с металлом, реагирует с этиловым эфиром глицина, давая менее чем за 1 мин при 20 °С соединение XLVII. На основании этих результатов можно полагать, что последовательность реакций схемы (54) объясняет механизм катализа не только этого, но и родственных процессов.

2. ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ р-КЕТОКИСЛОТ

Механизм реакции декарбоксилирования требует наличия в молекуле субстрата электрофильного центра, способного принять электронную пару, поставляемую карбоксильной группой (в анионной форме), что должно приводить к образованию карбаниона или-соединения, подобного ему. В случае Р-кетокислот (например, в ацетоацетате) роль электрофильного центра может выполнять Р-карбонильная группа, которая действует как ловушка электронов и образует в качестве продукта анион енолята [схема (55)]. Протеканию

(О ~

-с-с-сГ

-со.

-со,

i:

ii

11 Вг,

ч

он 1

- с = с^

о III

-сен

(55)

О

III

ССВг

tOH

Ml Ал >о~ -c-'c-сГ

I чо

реакции способствует протонирование карбонильной группы, которая становится при этом более эффективной ловушкой электронов, образуя в качестве продукта свободный енол, несмотря на то что этот реакционный путь характеризуется высоким энергетическим барьером вследствие низкой основности карбонильной группы. Переходное состояние реакции, протекающей по механизму кислотного катализа, не содержит суммарного заряда, и поэтому наблюдаемая скорость реакции должна быть в соответствии с этим механизмом пропорциональна концентрации незаряженной ацетоуксусной кислоты [уравнение (56)]. Слабая зависимость скорости реакции от полярности

~~ О

НО+

II I

сн3сссоо-

СНзСССООН

I

(56)

растворителя соответствует представлению о согласованном механизме, в котором протон для карбонильной группы предоставляет карбоксильная группа (XLVIII) [112]

-Сф.с-0

хиш

Следует, однако, обратить внимание на то, что обнаруживаемое на опыте слабое влияние растворителя отражает только лишь разницу в полярности исходного и переходного состояний. Поэтому тот факт, что влияние растворителя оказывается слабым, сам по себе не исключает возможность образования промежуточного цвиттер-иона, а свидетельствует лишь о том, что исходное и переходное состояния реакции обладают близкой полярностью. Значительный дейтериевый изотопный эффект, наблюдаемый в случае неко-

КОВАЛЕНТНЫЙ КАТАЛИЗ

99

торых р-кетокислот, указывает на справедливость согласованного механизма катализа. Однако величина изотопного эффекта зависит от природы исследуемых соединений и растворителя, и, кроме того, следует ожидать, что константы равновесия при образовании диполярного промежуточного соединения также могут обнаруживать заметный изотопный эффект [113].

Наиболее подробно изучен механизм превращения а, а-диметилацето-уксусной кислоты, так как в этой реакции нет осложнений, связанных с енолизацией исходного реагента. Скорость декарбоксилирования этого соединения в присутствии брома равна скорости образования бромирован-ного кетона, причем скорость не зависит от концентрации брома. Это свидетельствует о том, что промежуточный енольный продукт можно улавливать при помощи быстрой реакции с бромом {схема (55)} [114].

Амины оказывают каталитическое влияние на декарбоксилирование а,а-диметилацетоацетата; эффективность их действия уменьшается в последовательности: первичные ;> вторичные ;> третичные. Несмотря на то что-выражение для скорости реакций, катализируемых анилином и о-хлорани-лином, содержит несколько членов (причем некоторые из них не получили до сих пор достаточного объяснения), зависимость обеих реакций от рН имеет максимум, наличие которого связано лишь с членом, в который входят концентрации свободного амина, карбоксилат-аниона и ионов водорода [уравнение (57)].

" RNH

y=fc[RNH2]

О

1!1

-сссоо-

[Н+] = *'

I

I

-соо-

(57)

Эту зависимость можно разумно объяснить на основании механизма, который состоит из следующих стадий: образования основания Шиффа из амина и р-карбонильной группы, протонирования относительно основного атома азота в основании Шиффа (в результате чего образуется эффективная ловушка электронов) и декарбоксилирования {схема (58), к2 и &4} [114].

О

II I

-с-с-с:

.0" А,

+

hn;

I

он

! I

-с-с-с:

-nh

-CO,

\ А\ Со'

-+n^ I ^0

I

-со.

он I

-с=с

;nh

Ж

N.

о н

II I -с-с:

^n

(58)

Альтернативный механизм предусматривает декарбоксилирование уже на стадии образования протонированного карбиноламина (продукта присоединения), которое происходит с одновременным отщеплением амина [схема (58), к3]. Некоторые кинетические данные позволяют отдать предпочтение второму механизму в случае катализированного анилином декарбоксилирования оксалоацетата в воде [115]; сходный механизм наблюдается при декарбокси-лировании дибромидов коричной кислоты в неводных растворителях, которое протекает как согласованное ягранс-отщепление (XLIX) [116]

О

_ II г\ Br >

XLIX

7*

100

ГЛАВА 2

Однако механизм реакции, по-видимому, может меняться при изменении условий и для разных субстратов. Превращение дибромида коричной кислоты в воде протекает в значительной степени постадийно по механизму с участием иона карбония, поскольку эта среда благоприятствует ионному механизму {схема (59)} [116].

О О II II ^

Декарбоксилирование щавелевоуксусной кислоты в этаноле в присутствии амина протекает с той же скоростью, что и образование основания Шиффа из этилового эфира этой кислоты [115]; кроме того, скорость катализируемого цианометиламином декарбоксилирования ацетоацетата в водном растворе совпадает со скоростью реакции этилового эфира ацетоуксусной кислоты с цианометиламином с образованием основания Шиффа и енамина [117]. Если, как это кажется вероятным, стадией, лимитирующей скорость этих реакций, считать дегидратирование промежуточного карбиноламина [уравнение (58), к2], то равенство скоростей декарбоксилирования исходной кислоты и образования продукта присоединения в случае эфиров указывает на то, что скорость определяющей стадией этих реакций декарбоксилирования является образование основания Шиффа. Третичные амины также должны были бы реагировать по механизму согласованного декарбоксилирования карбиноламина — продукта присоединения; поэтому отсутствие каталитической активности третичных аминов (при условии, что можно исключить стерические факторы) служит еще одним доводом, опровергающим наличие сопряженного механизма в рассматриваемых случаях.

Были получены убедительные данные, подтверждающие, что реакция ферментативного декарбоксилирования ацетоацетата протекает чере

страница 17
< 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
аренда телевизора на выставку
Рекомендуем фирму Ренесанс - деревянные лестницы на металлическом каркасе - продажа, доставка, монтаж.
стул посетителей изо
Предлагаем приобрести в КНС Нева купить компьютер в кредит - офис: Санкт Петербург, ул. Рузовская, д.11, - есть стоянка для клиентов.

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
(11.12.2016)