химический каталог




Катализ в химии и энзимологии

Автор В.Дженкс

з промежуточное образование основания Шиффа по механизму, который имеет много общего с механизмом неферментативной реакции, катализируемой аминами {схема (58)} [118]. В присутствии субстрата в результате восстановления боргидридом происходит необратимое ингибирование фермента, по-видимому, вследствие того, что промежуточное основание Шиффа восстанавливается до нереакционноспособного амина [схема (60)]. Из продуктов гидролиза инактивированного фермента можно выделить N-изопропилпро-изводное лизина

Н

ЧС = гУ+ВНг-+ -C-N7 (60) / \ | \

Это значит, что восстановлению подвергается основание Шиффа (или енамин), которое возникло из остатка ацетона и е-амино-группы остатка лизина, относящегося к ферменту; стадия декарбоксилирования протекает, очевидно, быстро и заканчивается до восстановления. Если пометить ацетоацетат в карбонильной группе тяжелым кислородом, то оказывается, что ацетон— продукт ферментативной реакции не содержит 180. Этот результат доказывает, что меченый атом кислорода не содержится уже в промежуточном соединении, как и следовало ожидать, если реакция протекает по механизму с образованием основания Шиффа. С другой стороны, эти данные противоречат альтернативному механизму реакции, который заключается в согласованном отщеплении амина из промежуточного карбиноламина [схема (58), к3] и не должен приводить к потере атома кислорода. И наконец, в присутствии субстрата фермент теряет активность под действием цианида, который присоединяется к основанию Шиффа с образованием стабильного продукта

КОВАЛЕНТНЫЙ КАТАЛИЗ

101

присоединения [схема (61)].

+ / J. /

= N 4-CN--»- —С —N

^C = N^ + CN- -C-N^ (61) CN

На декарбоксилирование диметилоксалоацетата оказывают каталитическое действие ионы металлов, например А13+ и Си2+, которые могут образовать комплекс с анионом карбоксильной группы и кетонной группой, и действуют как ловушка электронов при декарбоксилировании; эти металлы могут также стабилизировать образовавшийся енолятный ион {схема (62)} [119].

М2+ Х+ о

_ ~%-1< ¦ \ <62>

Х-С ь s х |

о 'о ° о

В случае моноэтилового эфира или в случае ацетоацетата такой механизм катализа не реализуется, поскольку эти соединения не могут образовать такой хелатный комплекс. Большинство ферментов, которые катализируют декарбоксилирование оксалоацетата, для проявления каталитической активности нуждается в ионах металлов. Поэтому можно полагать, что рассмотренная реакция до известной степени моделирует ферментативный процесс. Механизм других ферментативных реакций декарбоксилирования оксалоацетата, протекающих в отсутствие прямого взаимодействия этого субстрата с металлом, включает подачу электронов на электрофильный центр, которым в данном случае является энергетически богатая пирофосфатная связь пирофосфата или нуклеозидтрифосфата, связанного с ионом металла; в результате образуется фосфоенольная форма пировиноградной кислоты [схема (63)]

0 = С=0

О О НСН о О

0-P-0-P-OR ;= С-О-Р-О" "0-P-OR (63) II II I

о:.. ?...сг coo- о- м2+ о-

3. АЛЬДОЛЬНАЯ КОНДЕНСАЦИЯ

В альдольную конденсацию входят две существенно затрудненные стадии, на которые и должно быть направлено действие катализатора, чтобы увеличить скорость реакции. Они заключаются в следующем. Во-первых, активированный атом углерода, который должен атаковать карбонильную группу, вначале должен потерять протон с образованием енолят-иона (или эквивалентного ему соединения), и, во-вторых, енол (или енолят) должен образовать новую углерод-углердоную связь с карбонильной группой акцептора [схема (64)].

^с=?о ^с = о ^С=0

-fc- ^ -с- — -с- /64>

Св а он

Поскольку кинетический порядок по карбонильному соединению у этих стадий/,различен (первый и второй), то в зависимости от условий любая

102

ГЛАВА 2

из этих стадий может определять скорость реакции. Действительно, в реакции самоконденсации ацетальдегида, протекающей при высокой концентрации ацетальдегида и низкой концентрации основания, скорость процесса определяется скоростью енолизации, и, наоборот, при низкой концентрации ацетальдегида и высокой концентрации основания стадией, лимитирующей скорость реакции, становится конденсация [120].

Ферментативный катализ альдольной конденсации также можно условно разделить на составляющие стадии. Нативная альдолаза катализирует стереоспецифическое отщепление протона от фосфата диоксиацето-на, причем было найдено, что скорость этой реакции, измеренная по обмену трития с растворителем, намного выше, чем общая скорость реакции, катализируемой альдолазой. Иными словами, скорость реакции определяет преимущественно стадия конденсации [схема (64)]. Если фермент модифицировать действием карбоксипептидазы, то происходит специфическое уменьшение ферментативной активности на стадии отщепления протона и скорость определяющим процессом становится именно эта стадия. Обмен трития при этом становится незначительным, а при использовании диоксиацетона, содержащего дейтерий в положении, где идет отщепление протона, скорость общей реакции начинает зависеть от дейтериевого изотопного эффекта. С этим же модифицированным ферментом наблюдается быстрая реакция обмена карбонильного компонента реакции глицераль-дегид-3-фосфата на гексозодифосфат {схема (64), стадия 2, быстрая} [121].

Эффективность аминов в качестве катализаторов реакции деальдоли-зации диацетонового спирта [которая представляет собой реакцию, обратную альдольной конденсации, протекающей по схеме (64)] соответствует ряду первичные>вторичные>»третичные амины [122] и аналогична последовательности для реакции декарбоксилирования, катализируемой амина-нами. Характер рН-зависимости этой реакции указывает на то, что скорость реакции пропорциональна концентрации свободного амина и свободного диацетонового спирта, т. е. можно полагать, что суммарный заряд переходного состояния, возникшего из диацетонового спирта и амина, равен нулю. Поскольку скорость определяющей стадией в реакции, протекающей в разбавленном растворе, является скорее всего расщепление связи углерод — углерод, то можно считать, что каталитическая реакция протекает по механизму, представленному схемой (65), путь А. В сответствии с этим механизмом

ОН ОН ГО (°

I i N У

-с- -с- А -С- /сх

I + HNR2 I ?==± Л _. г

-С- -С- +С- '— fC-

C=0 HO-C-NR2 С ==NR2 c~

1 II ' ^

¦II

NR2 ±H +

I V| (65)

-C-

4- _ -(с- чсн

v»i ^H — II H I +

HOC —NR2 HOC—NR2 C= NR2

I + I

4 /*

HNRj

CH I

,C=0

КОВАЛЕНТНЫЙ КАТАЛИЗ

103

первичные и вторичные амины реагируют с карбонильной группой субстрата с образованием катионного основания Шиффа, азот которого принимает электроны от депротонизованной спиртовой группы, что способствует реакции расщепления. В соответствии с этим механизмом переходное состояние реакции не имеет суммарного заряда, как этого и требует наблюдаемая на опыте рН-зависимость реакции [уравнение (66)]

v = k

НО — с-с-

0 "

[R2NH] =

Г I 1

-к' -о—С—С—(

L I I

= NR,

(66)

На протекание реакции не оказывает заметного влияния природа растворителя, что подтверждает приведенный механизм,так как это свидетельствует о сходстве полярности переходного состояния и полярности исходных реагентов. Нельзя, однако, исключить наличие в реакции диполярного промежуточного соединения. Так же, как и в случае катализируемой аминами реакции декарбоксилирования, возможно, что реакция протекает через превращение карбиноламина по механизму согласованного отщепления протонированного амина {схема (65), путь Б} [123]. Однако третичные амины и здесь не обнаруживают каталитической активности, что противоречит данному механизму реакции (если только отсутствие каталитической активности не вызвано стерическими причинами). При протекании реакции в обратном направлении этот механизм и аналогичный механизм катализируемого аминами декарбоксилирования потребовали бы наличия сопряженной тримолекулярной атаки амина на енол и енола на С = 0-группу.

Катализируемая аминами альдольная конденсация протекает, по-видимому, по такому же механизму, как и реакция деальдолизации, только в обратном направлении [124]. В направлении реакции конденсации катализатор способствует образованию енамина, который по существу представляет собой легко возникающий карбанион, так как электронная пара атома азота служит движущей силой атаки карбонильной группы. В результате образуется новая углерод-углеродная связь [уравнение (65), путь А, обратная реакция]. Детальный механизм этой реакции еще не ясен; не исключено, например, что при некоторых условиях скорость определяющей стадией может стать одна из стадий образования основания Шиффа.

Другой важной стадией в реакции альдольной конденсации, а также в большинстве реакций карбоксилирование — декарбоксилирование является перенос протона, в котором принимает участие атом углерода, реагирующий в виде карбаниона или в форме, подобной карбаниону. Перенос протона, направленный к этому атому углерода или от него, происходит обычно путем кето-енольной таутомеризации [схема (64), стадия 1], но при содействии аминов он может идти по энергетически более выгодному пути имин-енаминной таутомеризации [схема (67)]. За этой стадией, катализируемой аминами, можно удобно следить, измеряя скорость обмена дейтерия или трития или же скорость иодирования образующихся енола или енамина. Катализируемая аминами енолизация ацетона и изомасляного альдегида протекает по обычному пути общеосновного катализа отщепления протона от карбонильных соединений; однако в случае первичных и вторичных аминов и аммиака идет также быстрая каталитическая реакция, скорость которой пропорциональна концентрации протонированного амина и которая протекает по крайней мере в 10е раз быстрее, чем реакция, катализируемая карбоновыми кислотами сравнимой кислотности [125]. Тот факт, что скорость реакции пропорциональна концентрациям карбонильного соединения и протонированного амина, означает, что переходное

104

ГЛАВА 2

состояние реакции положительно заряжено. В этом случае механизм реакции можно представить в виде схемы (67), в соответствии с которой скорость реакции запишется в виде уравнения (68). На справедливость

Н*

I

•С-I + C=NR,

Н*

I

-С- ч I

.0 = 0

HNR,

Н I

— С— + HNR2 П = 0

Н I

-с-I +

.C=NR,

±н->

±Н +

I:

, С <:.(+)

NR2

(67)

+ 1,

I

-С-

I +

,C=NR,

I

С- + HNR, I 2 С = 0

этого механизма указывают также

г

v — k

н—С—С—

* Г 11+1

[H2NR2] = к' Н-С —C = NR2 L I J

(68)

следующие факты. При некоторых благоприятных условиях можно непосредственно наблюдать накапливание промежуточного имина. Катализируемая реакция может быть дополнительно ускорена путем использования обычных общеосновных катализаторов, поскольку выражение для скорости процесса содержит член, в который входят концентрации основания и катиона имина, как это показано в уравнении (69). Этот член явно отражает общеосновной катализ стадии отщепления протона от промежуточного катионного основания Шиффа с образованием енамина [схема \70)]

Г | | ¦/!

v = k H-C-C=NV I [В]

В-Н *C = C-N

(69) (70)

Сд'учетом этого выражение для скорости реакции, записанное в виде уравнения (68), представляет собой лишь частный случай уравнения (69), где основание В — вода. В реакции, записанной в виде схемы (67), катион имина действует как ловушка электронов, облегчая отщепление протона, т. е. он ведет себя так же, как и при отщеплении двуокиси углерода или карбонильного соединения в реакциях декарбоксилирования и деальдо-лизации соответственно.

Имеются веские доводы, утверждающие, что этот же тип катализа аминами наблюдается в некоторых ферментативных реакциях альдольной конденсации [126, 127]. Восстановление фермента боргидридом в присут-

КОВАЛЕНТНЫЙ КАТАЛИЗ

105

ствии кетона, участвующего в реакции енолизации, вызывает необратимую инактивацию фермента. При этом иэ кетона и лизинового остатка фермента образуется стабильный вторичный амин, по-видимому в результате восстановления промежуточных имина [схема (60)] или енамина, аналогично тому, как это происходит в случае ацетоеацетатдекарбоксилазы. Альдолаэу можно также заингибировать цианидом в присутстви диоксиацетонфосфата, по-видимому, за счет присоединения цианида к промежуточному имину [схема (61)] [128]. И наконец, при расщеплении 2-кето-3-дезокси-6-фосфо-глюконата под действием его специфической альдолазы происходит обмен атома кислорода кетонной группы на кислород растворителя, как этого и следует ожидать, если в качестве промежуточного соединения образуется имин [129].

Синтез замещенного пиррола из двух молекул fi-аминолевулиновой-кислоты протекает, по-видимому, через промежуточное образование основания Шиффа иэ одной молекулы субстрата и фермента (кстати говоря, это промежуточное соединение также можно улавливать, восстанавливая его боргидридом). Затем промежуточный енамин атакует карбонильную группу второй молекулы субстрата, после чего происходит дегидратация продукта присоединения и, наконец, тракс-иминирование («.транс-шжф-физация») и депротонирование с образованием пиррола [схема (71)] [130].

соо" соо-сн2 с'нг сн2 снг

e-nh3 + C = 0 — e-+n = c e-n^-c

сн2 н сн

»2

NH3 nh3+

coo- соо-

соо- сн2 соо" сн2

I I I I

н2с снг н2с сн2

(л — П тт _( г * П ¦

„ с = с н-^-с^-с-он пл\

-n^c^hch _ e-+n1c. } сн* н сн2

соо" соо-

! I

соо" сн2 соо" снг

II II н2с^ сн2 н2с снг

с=с \-с

с^н(Ан + е —nh3 — сх >н

гн n+ /и n

сн2 н+ сн2 н

nh3+ nh3+

106

ГЛАВА 2

Катализируемое аминами отщепление протона может вызывать целую серию реакций, которые хорошо иллюстрирует весьма сложная схема ферментативного превращения 2-кето-З-дезокси- ь-арабината в полуальдегид а-кетоглутарата {схема (72)] [131]. Наличие стадий 1 и 2, протекающих с образованием и распадом промежуточного фермент-субстратного имина, подтверждается тем, что в присутствии субстрата и при действии боргидрида натрия происходит необратимая инактивация фермента, сопровождающаяся ковалентным присоединением 1 моля субстрата к ферменту. Кроме того, фермент катализирует обмен атомов водорода, находясь сог- cI I Г>+ I п.

С=0 _ _ C±=N-Enz C-*-N-Enz

сн2 . ' h^ch ±^ Ген

I 1 I 2 r\\

hoch hoch ho-ch

ch2oh ch2oh сн20Н

4

(*CH

co2- cor C02"

C=0 C = N-Enz C-N-Enz

I -Enz—NH? I H н,о II H

нсн* «—-—г нсн* *zzL- сн

l 6 i 5 I

H*CH H*CH CH

I I II

C = 0 C = 0 сон

н H H

C =N-Enz H

CH 'I

cc

H

H-^-COH

(72)

щихся в а-положении по отношению к карбонильной группе в молекуле аналогов субстрата. За образованием енамина (стадия 2) следует дегидрок-силирование (стадия 3) и затем потеря второго атома водорода (стадия 4). Наконец, промежуточное соединение стереоспецифически прибоединяет 2 протона (в положения 3 и 4), принимая их от растворителя. При этом образуется иминальдегид (стадия 5), который гидроли

страница 18
< 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
Хорошее предложение в KNS на APCRBC141 - офис на Дубровке с собственной парковкой.
склад домашних вещей
сковородка гриль купить
круглые ультратонкие светодиодные панели в подольске

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
(28.04.2017)