химический каталог




Катализ в химии и энзимологии

Автор В.Дженкс

ализ серин-трансоксиметилазой реакции медленного трансами-нирования D-изомера аланина с образованием пирувата и пиридоксамин-фосфата представляет собой несколько иной пример этих каталитических механизмов [156]. Еще одним примером является сопряженное декарбоксилирование и трансаминирование а-диалкиламинокислот бактериальными ферментами {схема (91)} [157].

СН3 Н RCH2-C = 0 + C02 + CH3C —соо- (91) +NH8

В этой реакции анионоподобное промежуточное соединение должно возникать непосредственно в результате декарбоксилирования, так же как и в аналогичной неферментативной полуреакции [158]. Вполне возможно, что специфичность пиридоксалевых ферментов по отношению к каждому типу катализируемых реакций зависит от стереоспецифичности ¦связывания субстрата на ферменте. Благодаря этому в сферу действия активного центра вовлекается та связь, которая подвергается разрыву с образованием анионоподобного промежуточного соединения [159].

СН3 О

RCH2-C-COO- + CH3CCOO-I

+NH3

6. ДРУГИЕ ПРИМЕРЫ

Заслуживают внимания также и некоторые другие реакции, в которых промотирование отщепления одной из групп субстрата обусловлено кова-лентным присоединением электрофильного активатора, отличающегося от протона. Распад N-окиси триметиламина в водном растворе происходит в присутствии двуокиси серы через образование продукта присоединения, в котором атом кислорода N-окиси приобретает свойства хорошей уходящей группы. В этом продукте присоединения может произойти отщепление протона от метильной группы с образованием катиона имина, который быстро гидролизуется до формальдегида и диметиламина {схема (92)} [160].

•н СН, о

I .1 3 II

H-C-^N-O" + S I I II Н СН3 О

(92)

H2C=NC 3 + S03z" НСНО + HN(CH.)2 + Hsor СН3

Поскольку в определенных условиях отщепление воды от сульфита регенерирует двуокись серы, то эту реакцию можно, по крайней мере в принципе, считать истинным катализом под действием S02-

Выражение для скорости реакции бромирования анизола содержит член второго порядка по концентрации брома [161]. Это указывает на каталитическое действие второй молекулы брома, которая может содействовать вытеснению иона брома на начальной стадии процесса [схема (93), стадия 1] или, возможно, в промежуточном продукте присоединения [схема (93), •стадия 2]. В любом случае каталитическое действие обусловлено стабильностью иона Br,, при последующем распаде которого регенерируется Вг2.

Н СН3

;=i B^H-^-C^N-O-S "

| I О" Н СН,

[

КОВАЛЕНТНЫЙ КАТАЛИЗ

123

(93)

Скорость гидролиза амидофосфата заметно возрастает в присутствии формальдегида, который присоединяется к аминогруппе субстрата с образованием моно- или диоксиметилированных продуктов присоединения 1162]. Зависимость скорости процесса от концентрации реагентов содержит члены первого и второго порядка по концентрации формальдегида. Кинетическое исследование показало также, что в большинстве экспериментальных условий переходное состояние катализируемой реакции содержит заряд —1. На этом основании механизм реакции можно представить в виде схемы (94):

Н2 Н

+ |+ +HCHO |

*-03PNH3-|-HCHO ~t a-o3PNCH2OH-ZZZZl 2-03PN+(CH2OH)2

2-O3POH + H8NCH2OH 2-о3рОН + H2N(CH2OH)2

Дополнительное ускорение реакции происходит в присутствии аминов или аммиака, которые могут присоединяться к формальдегиду и амидо-фосфату с образованием продукта присоединения, содержащего два положительных заряда в уходящей группе [схема (95)}. Наличие каталитических путей в этой реакции весьма знаменательно

+ Н3

+ + 2-o3PNH3 1+ +

HOCH3NHaR ^ H3C = NHR--*- 2-03PNCH2NH3R (95)

2-03РОН + H2NCH3NH3R^

так как моно замещенные фосфаты обнаруживают очень высокую чувствительность к природе уходящей группы. Усиление реакционной способности аминогруппы амидофосфата в реакции отщепления, которое происходит в результате ее взаимодействия с формальдегидом или продуктом присоединения формальдегида к амину, приводит к ускорению реакции даже в том случае, если протонированный продукт присоединения присутствует лишь в небольшой концентрации. Реакция представляет собой истинный катализ, поскольку продукты реакции могут распадаться с регенерацией формальдегида, и, кроме того, они сами обнаруживают каталитическую активность.

Подобный механизм катализа имеет место, по-видимому, в ферментативных реакциях дезаминирования гистидина [163] и восстановления D-пролина [164]. Имеются данные, свидетельствующие, что в обеих этих реакциях аминогруппа субстрата соединяется с карбонильной группой фермента. В результате этого амин становится лучшей уходящей группой либо за счет протонирования, либо при дегидратации до катиона основания Шиффа. В реакции, катализируемой гистидазой, происходит образование

124

ГЛАВА 2

промежуточного соединения фермент-амин, которое значительно быстрее, чем протекает его гидролиз, может вступать в реакцию обмена с ненасыщенным продуктом урокановой кислотой, образуя при этом меченый гисти-дин {схема (96)} [165]

Н

I +11 i Jo i /-К

Е—С= О + H3N —С-С-Н Е —С—N —С —С —Н^В

НО Н

S \

E-C-NH* ^С = С^ Н-В I w 1 Л „ „

Н

ОН

II If

I

e-c = 0+NH.» ^=t E-C = N ^.С=сС H-B

I

Н

При восстановлении гэ-пролина взаимодействие с карбонильной группой приводит к тому, что аминогруппа становится более восприимчивой к восстановлению или замещению. Это иллюстрирует схема (97), где представлен механизм раскрытия цикла под действием гидрид-иона. Карбонильная группа пролинредуктазы представляет собой кето-группу молекулы пиру-

Е-С=0 + N^-CH ;=± Е-С-ьДс^Г^Н- вОССПК

. \ | i рн

Hi coo но н соо"

11

e-c-n^ch, е—с =+n^c н - Восст.

Ill I Н (97)

но н соо* соо-

1 1

е-с=0 + h3n снг <- e-c = n сн2

i I соо" соо"

вата, ковалентно связанной с ферментом. Под действием боргидрида натрия, а также реагентов, модифицирующих карбонильную группу, происходит инактивация фермента [164].

Ацилирование или фосфорилирование настолько эффективно усиливает реакционную способность гидроксильной группы или аниона кислорода, что становится возможным их замещение. Обычно такой механизм активации не является истинным катализом, а представляет собой процесс, который требует энергетических затрат. Однако в условиях, когда гидро-ксилсодержащее соединение находится в равновесии с ацилирующим или фосфорилирующим агентом, такая активация может, по крайней мере

КОВАЛЕНТНЫЙ КАТАЛИЗ

125

в принципе, рассматриваться как каталитический процесс. Так, трифтор-перуксусная кислота, которая обратимо образуется из трифторуксусной .кислоты и перекиси водорода, представляет собой эффективный окислитель не только для гидроксилирования двойных связей [схема (98)], но и для

н

о

C^O-0-CCF3

•с-о-н I

- |>

-С-ОН НОС-

(98)

окисления анилина до нитробензола в условиях, когда сама перекись водорода не реагирует [166]. Среди множества примеров такой активации, происходящей в ферментативных реакциях, укажем на фосфорилирование гидроксильной группы пирофосфата мевалоновой кислоты под действием АТФ, что на последующей стадии декарбоксилирования обеспечивает возникновение хорошей уходящей группы {схема (99)} [167]. Другим

примером является ацилирование гидроксильной группы гомосерина,пред шествующее ее отщеплению в реакции конденсации гомосерина с цистеи-ном, катализируемой пиридоксальфосфатом и приводящей к образованию цистатионина [168]. Особенно трудно поддаются катализу простые реакции замещения при насыщенном атоме углерода. В связи с этим интересно отметить, что во многих ферментативных реакциях такого типа (например, конденсации изопреноидов с образованием предшественников холестерина или сложных углеводородов, синтезе S-аденозилметионина из метионина и АТФ и, наконец, синтезе витамина Bia из кобамида и АТФ) уходящая гидроксильная группа включается в пиро- или трифосфатную группировку. По-видимому, полифосфаты по своей природе являются лучшими уходящими группами, чем неорганический фосфат, и, кроме того, они структурно хорошо приспособлены для присоединения иона металла и введения напряжения в молекулу, которое дополнительно может облегчить протекание реакции замещения

Ё. ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ КАТАЛИЗ

В общем смысле окисление можно определить как процесс удаления электронов из молекулы или атома. Реакционный центр, который претерпевает окисление, будет становиться, таким образом, все более электро-фильным, и поэтому реакции, которые промотируются недостатком электронов на реакционном центре, должны ускоряться под действием окислителей, так же как при катализе брёнстедовскими и льюисовскими

126

ГЛАВА 2

кислотами [схема (100) и (101)]

X—Sy~*H+- X—S—Н (100)

X— S'S^ окислитель ^ > X—S + восстановитель (Ю1)

Существует много примеров такого рода активации, которая вызывается окислением, но лишь в немногих случаях активация является каталитической, хотя обратимый окислительно-восстановительный процесс представляется весьма вероятным механизмом, обеспечивающим временное значительное изменение электронной плотности на реакционном центре без большой затраты энергии или локального увеличения эффективной кислотности.

Гидролиз амидофосфата, вызываемый гипохлоритом, является примером неферментативной реакции, в которой наблюдается катализ за счет обратимого окислительного процесса [162]. В разбавленном растворе гипо-хлорита при нейтральных или слабокислых значениях рН время полупревращения в реакции гидролиза амидофосфата сокращается от нескольких часов (без гипохлорита) до нескольких секунд. Реакция протекает череа хлорирование субстрата, сперва с образованием стабильного при высоких значениях рН монохлорпроизводного и затем дихлорпроизводного [схема (102)]

«го

z-o3pnh2 + Hoci —> 2-o3pnhci o-p-Qsrci2

о

(102)

+ HNC12 Н2РО+"

Дихлорамин является лучшей уходящей группой по сравнению с аммиаком, и дихлорированное соединение немедленно превращается в дихлорамин и неорганический фосфат, возможно, через образование промежуточного мономерного метафосфатного моноаниона. Процесс является каталитическим, поскольку продукт реакции хлорамин может, хотя и с меньшей, скоростью, чем гипохлорит, хлорировать исходное соединение, вызывая дальнейший гидролиз.

Обратимое окисление — восстановление как механизм, обеспечивающий низкоэнергетический путь каталитической реакции, наблюдается в некоторых ферментативных реакциях, однако при этом обычно не происходит непосредственной активации уходящей группы. Ярким примером является реакция, катализируемая уридиндифосфатгалактозо-4-эпимера-зой[169]. Этот фермент содержит прочно связанную молекулу никотинамид-адениндинуклеотида (НАД+). После прибавления к ферменту субстрата появляется полоса поглощения при 345 нм, характерная для восстановленного кофермента. Эпимеризация, по всей вероятности, включает окисление-положения 4, за которым следует восстановление карбонильной группы с противоположной стороны [схема (103)]

НАЛ^нХс-^ОН^В ?=± HA?H^~^C=To^ НВ НАД+ Н'С-ОН (ЮЗ)»

КОВАЛЕНТНЫЙ КАТАЛИЗ

127

Некоторые структурные изменения в молекулах Сахаров катализируются ферментами, которые требуют для проявления своей активности присутствия НАД+, хотя в конечном итоге это не приводит к окислению субстрата. Несмотря на то что ни в одном случае механизм реакции не был установлен, можно думать, что эти родственные реакции включают обратимое окисление гидроксильной группы до кетонной, что существенно облегчает удаление протона от соседнего атома углерода и делает возможным отщепление или альдольную конденсацию. Одной из таких реакций является циклизация глюкозо-6-фосфата в лшо-инозитол-1-фосфат [170], в которой окисление спиртовой группы в положении 5 до кетонной должно способствовать конденсации шестого атома углерода с карбонильной группой в положении 1, приводя к замыканию кольца по механизму альдольной конденсации [схема (104)]

СНгОРОз2" -ОН

Н НАД+

С = 0

2_0,Р0\ НАДН,

(104)

Перегруппировка и замыкание кольца, которые имеют место при синтезе 5-дегидрохината, могут быть объяснены в соответствии со схемой (105) окислением гидроксила в положении 5 до кетона, за которым следует потеря протона в положении 6 и элиминирование фосфата из положения 7, что приводит к образованию енола, который может легко присоединиться

I

оос-с-он

I

сн2

носн

I

неон I

НС-

I

НАД*

С = 0

СНгОР032

Н-СОН

I

Н2СОР032-

"ООС-С = 0

носн

^ с = о

ri-OH Н2С А>Р032

н,с

(105)

но. ^соо

но. хоо-

к карбонильной группе в положении 2 с замыканием цикла [171]. Аналогичным способом могут быть объяснены перегруппировки многих нуклео-

.128

глава 2

зидгексозодифосфатов в 4-кето-6-дезокси-производные [172, 173], (схема <106)}

r

I

4 НСОН

I

5 НСОН

I

6 нгсон

над;

r I

с =

о

неон

I

Н2СОН

R

I

с = о

I

ГСОН -

1 п

Н^С-ОН

R

I

с=о

r I

С-О"

I НАДН. II

сон —с-он

н2с

R

I

с=о I

НСОН

сн.

(106)

I

сн3

Окисление гидроксила в положении 4 до кетона делает возможным отщепление воды из положений 5—6, за которым следует восстановление в положении 6 и кетонизация конечного енола. Меченый водород из положения 4 субстрата переносится в положение 6 молекулы продукта реакции, и, кроме того, наблюдается включение меченого водорода растворителя в положение 5 молекулы продукта, что и должно следовать из этого механизма [173].

Обратимое окисление — восстановление представляет собой настолько привлекательный механизм, обеспечивающий низкоэнергетический путь катализа, что автор не может не надеяться, что будут найдены другие •ферментативные реакции, которые протекают по этому механизму.

Ж. ОКИСЛИТЕЛЬНАЯ АКТИВАЦИЯ

Окисление альдегида требует удаления атома водорода и двух электронов от атома * углерода, который уже имеет частичный положительный заряд вследствие полярности карбонильной группы [уравнение (107).] Такое окисление может быть облегчено присоединением к карбонильной группе нуклеофильного реагента

«"О

окислитель

х-

I? % (107)

-С-(Шокис- ;=± -С"^ "® восстановитель (*1 литель X

Это облегчает перенос электронов к окисляющему агенту и, кроме того, приводит к образованию ацилированного нуклеофила как первичного промежуточного продукта. Такой результат имеет огромное значение для живых систем, поскольку образование ацилированного нуклеофила позволяет сохранить часть свободной энергии окислительного процесса в форме макроэргической связи продукта реакции. Энергия процесса терялась бы

* Окисление альдегида до кислоты требует, вообще говоря, удаления лишь одного электрона. Поскольку автор не оговаривает конечную степень окисления атома углерода, вопрос о количестве удаляемых электронов остается открытым.— Прим. ред.

КОВАЛЕНТНЫЙ КАТАЛИЗ

129

полностью при окислении альдегида непосредственно в «низкоэнергетический» карбоксилат-ион. Более того, сохранение ацильной группы в форме активированного соединения облегчает процесс ее восстановления при обратной реакции [схема (107)]; неактивированный карбоксилат-ион восстанавливается с большим трудом.

Если реакция проводится в присутствии подходящего нуклеофильного реагента, то указ

страница 21
< 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

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
(21.02.2017)