химический каталог




Катализ в химии и энзимологии

Автор В.Дженкс

зуется с образованием продукта (стадия 6).

Так как реакции, катализируемые аминами, имеют очень много сходных черт, то можно предположить, что если фермент катализирует одну из них, то он способен катализировать и другие. Для альдолазы, расщепляющей 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконат до пировиноградной кислоты и глицеральдегид-3-фосфата, было найдено, что это действительно так [127]. Помимо катализа альдольной конденсации, этот фермент катализирует енолизацию производных пировиноградной кислоты (на что указывает быстрый обмен водорода в метильной группе субстрата), а также декарбоксилирование оксалоацетата, которое протекает лишь в 200 раз медленнее, чем суммарная реакция. Кроме того, интересно отметить, что этот фермент подвергается необратимому ингибированию под действием бромзамещен-ного пирувата. Этот ингибитор присоединяется, по-видимому, к ферменту так же, как и пируват, однако затем он инактивирует фермент, алкилируя некоторую основную группу активного центра. Не исключено, что эта основная группа участвует в механизме ферментативного действия при

КОВАЛЕНТНЫЙ КАТАЛИЗ

107

отщеплении протона от молекулы пирувата {схема (73)} [132].

НВ

Лиз

Лиз

Лиз

(73)

"ООС

4н"

в

-оос

+NH

Н

С-С

в

Лиз

Лиз

НеактиВный фермент

4. ТИАМИНПИРОФОСФАТ *

Несмотря на то что многие реакции, катализируемые тиаминпирофос-фатными ферментами, уже были воспроизведены на модельных системах, механизмы этих интересных реакций удалось объяснить лишь после того, как Бреслоу было показано, что тиазолиевые соли претерпевают под действием растворителя катализируемый основаниями быстрый обмен атома водорода в положении 2. Это наблюдение свидетельствует, что данное положение в молекуле тиазолиевой соли является сильно кислотным и благодаря этому легко образуется карбанион или илид (L) [134]. Для данной модельной реакции проведено мало детальных кинетических исследований,

и, более того, в большинстве случаев не удалось однозначно доказать, что синтетические промежуточные соединения участвуют также и в ферментативных системах. Это связано с тем, что ассоциация и диссоциация комплексов тиаминпирофосфата и его производных с ферментом протекают обычно медленно по сравнению со скоростью самой ферментативной реакции. Тем не менее промежуточные соединения обнаруживают все-таки активность в присутствии ферментов, а механизмы, которые были предложены для объяснения этих реакций, являются настолько изящными и разумными, что трудно усомниться в их справедливости, по крайней мере в том, что касается их существа.

Для реакций, катализируемых тиаминпирофосфатом, трудно представить себе лучший катализатор, чем этот кофермент. Носителем каталитической активности в его молекуле служит положительно заряженный атом азота, присоединенный двойной связью к атому углерода в положении 2. Благодаря близости к этому атому положительно заряженный азот электростатически стабилизирует карбанион или илид (L) и тем самым

* Современный подробный обзор каталитических реакций с участием тиамина и пиридоксаля дан в работе [133].

Н-С

+ НО"

+ НОН

Т-

108

ГЛАВА 2

способствует отщеплению протона, карбонильной или ацильной группы, присоединенных в этом положении. Наряду с этим можно было бы указать и на другие свойства тиазолиевого цикла (в том числе на sp2- гибридизацию атома углерода), способствующие ионизации. Однако наиболее интересная особенность, которую проявляет молекула тиаминпирофосфата, заключается в том, что сам положительно заряженный иминный атом азота может выступать в качестве ловушки электронов и стабилизовать тем самым возникновение отрицательного заряда на соседнем атоме углерода, занимающем положение 2 в цикле (LI).

Именно благодаря этой стабилизации, которая происходит путем резонансного взаимодействия через двойную связь к атому азота, становятся возможными декарбоксилирование, альдольная конденсация и расщепление, дегидратация и окисление — процессы, для протекания которых необходимо образование отрицательного заряда в этом положении.

На первой стадии реакций, катализируемых тиаминпирофосфатом, происходит обычно ионизация тиамина с образованием карбаниона L, который присоединяется затем к карбонильной группе пирувата или окси-кетона [схема (74), стадии 1 и 3]

"О.

О

(74)

N.

LI

6

LII

КОВАЛЕНТНЫЙ КАТАЛИЗ

109

Благодаря взаимодействию с циклом тиамина появляется возможность образования отрицательного заряда на том атоме углерода субстрата, который вначале входил в карбонильную группу, что и обусловливает легкость декарбоксилирования или деальдолизации (стадии 2 и 4). В|ка-честве промежуточного соединения образуется енамин (LI), который после протонизации дает замещенное оксиметильное производное тиамина (LII). Последнее соединение представляет собой одно из тех ключевых промежуточных соединений, которые одно время считали настолько нестабильны-ными, что их невозможно было синтезировать или выделить. Однако позднее оказалось, как это обычно и бывает в случае таких промежуточных соединений, что при подходящих условиях некоторые из них не только достаточно стабильны для выделения, но и могут быть легко синтезированы. Реакция синтеза идет, например, в концентрированном водном растворе альдегида просто в результате спонтанного присоединения тиазолиевого соединения к альдегиду. Более того, тиаминпирофосфат существует in vivo большей частью именно в этой форме. Было показано, что синтетические промежуточные соединения этого типа обнаруживают активность в большинстве ферментативных реакций, катализируемых тиаминпирофосфатом. Однако, как уже было отмечено выше, вследствие медленной ассоциации и диссоциации комплексов этих производных кофермента с ферментом, а также, возможно, из-за малой скорости ионизации этих соединений образование продукта в реакциях с этими синтетическими промежуточными соединениями происходит значительно медленнее, чем в нормальной •ферментативной реакции. На то, что присоединение к тиазолиевому циклу действительно приводит к активации, указывает тот факт, что в диапазоне рН 8—9 протон этого замещенного оксиметилированного продукта присоединения обменивается с протонами среды благодаря обратимой стадии 5 [135]. Однако этот обмен идет медленно, по крайней мере в отсутствие фермента, и поэтому представляется вероятным, что в некоторых случаях промежуточный карбанион енамина (LI) реагирует далее непосредственно без протонирования.

Атом углерода промежуточного карбаниона енамина LI реагирует с электрофильными акцепторами в качестве нуклеофила. В результате атаки протона этим нуклеофильный центром образуется стабильное промежуточное соединение LII, расщепление которого приводит к альдегиду; по этому механизму из пирувата образуется ацетальдегид (стадии 5 и 6). Реакция карбонильной группы с соединением LI [схема (75)], которая представляет собой фактически обратную реакцию процесса деальдолизации [схема (74), стадии 3 и 4], дает в качестве продукта оксикетон. По этому механизму протекают реакции, катализируемые транскетолазой. В результате атаки промежуточного соединения LI окислителем [уравнение (76)] теряется электронная пара и образуется ацилтиамин, который в свою очередь может отдать ацильную группу молекуле воды (с образованием свободной кислоты) или другим акцепторам (например, фосфату или тиолу), что дает в качестве продукта ацилфосфат или сложный эфир тиола, и сохраняется, таким образом, энергетически богатый характер связи ацилтиамина. Сочетание этих двух процессов эквивалентно суммарной реакции оксиэтилтиаминпирофосфата с окисленной липоевой кислотой, в результате чего образуется энергетически богатый тиоловый эфир восстановленной липоевой кислоты; пока еще неизвестно, протекает ли данная реакция в одну стадию, как это показано в виде схемы (77), или в две отдельные стадии. И наконец, если рядом с анионным атомом углерода находится гидроксильная группа, она может отщепляться с образованием енола, который в результате перегруппировки дает ацилтиамин. При наличии неорганического фосфата в итоге образуется ацетилфосфат [схема (78)]. В целом этот процесс представляет собой внутреннюю реакцию

110

ГЛАВА 2

окисление — восстановление оксикетона до ацетата, катализируемую ферментом фосфокетолазой.

/С\ I о о

С +N _<1_ +1 _1_ ,

R s A W A V

+ox

X"

R - ? 'S=- ( V

R-C-X + c' J (76) s—

Y4)

I - s s

J с _ o = c + < ^

К R b

H-°fcJ - »-o-c-< J - H-C-C-^ H-O^C- s^ " W I r' \

0

I II

H-C-C-X + с

(78)

По аналогии с механизмом, предложенным для описания реакции фосфокетолазы, можно представить и механизм катализируемого цианидом образования этилацетата из альдегида LIII в этаноле [136]. В результате присоединения цианида образуется циангидрин, который, подобно соответствующим тиазолиевым продуктам присоединения, может дать стабилизированный анион LIV [схема (79)].

КОВАЛЕНТНЫЙ КАТАЛИЗ

Hi

Н

(EtOOC)2C- СНг- СНО

LIE

HCN

Н

(EtOOC)2C-CH2-

Н

I

-с-ОН

I

CN

It

Н

(EtOOO.C"

ОН I

CH2=CCN

(ЕЮОС)2СН2

(EtOOC)2C^CH2-C-

¦I С

(-> N

LIV

о II

CH3CCN

-ОН

(79)

EtOH

О

II

CH3COEt

В этом анионе происходит отщепление аниона диэтилмалоната с образованием енола ацилцианида, который после кетонизации реагирует далее с растворителем с образованием этилацетата.

Ацилтиазолий (LV) — это еще одно промежуточное соединение,

О

R-C-C

+ N.

LV

которое считали исключительно нестабильным; оказалось, однако, что оно стабильно даже в воде при низкой концентрации ионов гидроксила [137, 138]. Свойства этого соединения служат особо наглядной иллюстрацией тех факторов, от которых зависит протекание реакции переноса ацильной группы. Вода, тиолы и фосфаты — все эти соединения в водном растворе присоединяются к карбонильной группе 2-ацетил-3,4-диметил-тиазолиевого иона, образуя при этом вполне ощутимые количества тетра-эдрических соединений присоединения, которые считают обычно промежуточными соединениями реакций переноса ацильной группы к этим нуклеофильный реагентам [схемы (80) и (81)]

(1

О

r-C-C

В^Н-О I

н

ч

+ n r-cA*

О

II

-с-ОН +

\

s

н

r'-s"

r

Однако дальнейшему превращению в водном растворе подвергается лишь продукт присоединения воды. При присоединении не очень основных анионов тиола и фосфата вместо вытеснения илида тиазола с образованием про-

112

ГЛАВА 2

дуктов происходит, как правило, обратное отщепление этих относительно хороших уходящих групп с образованием исходных реагентов. Достаточно эффективное отщепление илида тиазола с образованием продуктов реакции происходит лишь в результате присоединения иона гидроксила, так как в этом случае движущей силой реакции может стать нагнетание электронов от обоих атомов кислорода [137].

Реакция переноса ацильной группы к тиолам протекает в растворителях с низким содержанием воды, где отсутствует заметная конкуренция этой реакции со стороны гидролиза [139]. Этот же тип реакции должен иметь место и в тех ферментативных реакциях, где после окисления замещенных оксиметилтиаминов до соответствующих ацилтиаминов вместо продуктов гидролиза образуются сложные эфиры тиолов и ацилфосфаты.

б. ПИРИДОКСАЛЬ*

На первой стадии превращений аминокислот (катализируемых пири-доксалем или родственными ему соединениями) как в химических, так и ферментативных системах происходит присоединение аминокислоты к карбонильной группе катализатора с образованием основания Шиффа, которое можно обнаружить по характерной для него желтой окраске, соответствующей второму из двух максимумов поглощения вблизи 330 и 410 нм. Обычно полагают, что строение этого промежуточного соединения соответствует структуре LVI, и в таком виде ее до сих пор часто приводят. Реакция аминов с З-оксипиридин-4-альдегидом приводит к продуктам, которые также имеют желтую окраску, и их спектр поглощения похож на спектры соединений пиридоксаля с аминокислотами. Однако если атом водорода фенола заместить на метальную группу, то желтая окраска и соответственно полоса поглощения вблизи 410 нм исчезают, в то время как полоса поглощения вблизи 330 нм усиливается [140]. Инфракрасные спектры поглощения этих соединений более похожи на спектры амидов, чем на спекры простых иминов [141]

LVII

Кроме того, известно, что в полярных растворителях протон в соединении LVIII находится большей частью на атоме азота, а не кислорода (расщеп-

сС_н

о.

C = NCH

I

СН,

з

Пг°" Гг'

C=NCH3 I

СН3 А

Н

C-NCH3

I

сн,

LVIII

Современный подробный обзор катализа с участием пиридоксаля дан в работе [133].

КОВАЛЕНТНЫЙ КАТАЛИЗ

113

ление на 16N в спектрах ЯМР [142]). Эти факты вместе взятые дают убедительное доказательство, что в водных растворах эти соединения существуют частично в форме LVII, которая имеет желтую окраску, частично в форме LVI, которой соответствует полоса поглощения при 330 нм. Можно полагать, что структура LVII представляет собой резонансный гибрид двух форм — биполярный катион имина (LVII, структура А), который более стабилен в полярных растворителях, и амидохиноидный продукт (LVII, Б). Структура LVII отличается от LVI лишь тем, что протон, связанный водородной связью, перенесен от кислорода к азоту. Может показаться, что в структуре LVII, Б отсутствует резонанс ароматического кольца. Однако он, несомненно, поддерживается за счет вклада структуры LVII, А, и стабильность структуры LVII становится совсем очевидной, если принять во внимание, что эта структура есть не что иное, как виниловый аналог амида, в котором карбонильная и азотная функциональные группы разделены двойной связью и сохраняется типичный амидный резонанс (LIX). Моноимины 6-дикетонов существуют, как правило, в форме

л «— | н

1 I UX

подобного енамина, соответствующего енольной форме исходного кетона и значительно стабилизированного за счет резонанса. Тот факт, что пирид-оксалевые основания Шиффа имеют две раздельные полосы поглощения, соответствующие структурам LVI и LVII, означает, что эти соединения существуют в виде смеси двух таутомерных форм, а не как резонансный гибрид LX, в котором атом водорода находится в одной потенциальной яме между атомами азота и кислорода и является участником своеобразной

R

LX

полуароматической резонирующей системы [143]. Доля продукта, находящегося в форме LVII, уменьшается,если к амину присоединить элек-троноттягивающую группу, которая уменьшит его основность. Для оксима можно наблюдать только коротковолновую полосу поглощения, соответствующую форме LVI.

Несмотря на то что не следует забывать, что продукты взаимодействия пиридоксаля с аминами существуют в виде двух структурных форм, рассмотренных выше, тем не менее выводы о механизме действия пиридоксаля не слишком отличаются для двух этих структурных форм. При рассмотрении классической структуры передачу электронной плотности в цикл

8-0500

114

ГЛАВА 2

можно записать в виде схемы LXI. С другой стороны, если учесть, что

LXI LXE

структура хиноидного амина LVI, Б обладает свойствами неполной двойной связи, сдвиг электронов по тому же пути можно представить в виде структу

страница 19
< 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 колонок усилителя
Компания Ренессанс купить модульную лестницу на второй этаж недорого в москве - продажа, доставка, монтаж.
стул kf 1 купить
KNSneva.ru - предлагает медиаплеер купить - от товаров до интеграции в Санкт-Петербурге!

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
(09.12.2016)