химический каталог




Катализ в химии и энзимологии

Автор В.Дженкс

ер

Это фактически механизм «одного столкновения», который уже обсуждался для реакции гидратации ацетальдегида. Если механизм такого рода имеет место, то вполне возможно, что кинетически значимой является лишь одна из его стадий, и в таком случае приведенный выше анализ применим для идентификации и характеристики этой стадии.

3 ЛИЗОЦИМ

Катализируемый лизоцимом гидролиз глюкозидов является наглядным примером того, как трудно четко разграничить различные типы механизмов реакции и механизмов катализа. Рентгеноструктурный анализ лизоцима и другие экспериментальные данные указывают на то, что гексозное кольцо, в котором происходит расщепление связи, находится в конформации полукресла в непосредственной близости от кислотной карбоксильной группы и карбоксилат-иона активного центра этого фермента [91, 92]. Вопрос заключается в том, каким образом взаимодействия с этими группами ведут к увеличению скорости гидролиза глюкозидной связи.

Глюкозиды и другие ацетали дают классический пример гидролиза по механизму А1, в соответствии с которым на первой стадии происходит быстрое равновесное присоединение протона, после чего следует скорость определяющая стадия отщепления спирта с образованием циклического оксонийкарбониевого иона и быстрое присоединение воды {схема (85)} [731.

н н

I м н

/-<{ ^OR ±н\ /-0} ;ШмедлвнтГ-%. м 0R н,о /-Ц, /ОН (85) \_/С>- быстро \_уС^ " \_уС бышро\_уС^

Существует большое число экспериментальных данных, которые подтверждают, что этот механизм справедлив для подавляющего большинства таких реакций, однако для некоторых соединений наблюдается постепенный пере-

ОБЩИЙ КИСЛОТНО-ОСНОВНОЙ КАТАЛИЗ

183

ход механизма в другую категорию, что не является редкостью и для других классов реакционных механизмов. Некоторые сахара, особенно имеющие хорошие уходящие группы, такие, как галогениды или замещенные фено-лятные анионы, претерпевают внутримолекулярное замещение гидроксиль-ными, алкоксильными или амидными группами, входящими в состав молекулы сахара, или претерпевают межмолекулярное замещение в присутствии сильных нуклеофилов, таких, как тиоловые анионы [92—95]. Некоторые из этих реакций, по-видимому, протекают как прямое замещение по механизму SN2, другие могут быть отнесены либо к механизму SN2, либо к механизму, в котором образование иона карбония облегчается отрицательным зарядом и электронами определенным образом локализованной группы без заметного возникновения ковалентных структур в переходном состоянии.

Аналогичная трудность возникает при интерпретации механизма кислотного катализа. Было показано, что гидролиз многих ацеталей и глюко-зидов включает скорее специфический, а не общекислотный катализ, однако скорость гидролиза возрастает в присутствии соседней карбоксильной группы 196]; кроме того, слабый общий катализ муравьиной кислотой был обнаружен для гидролиза замещенных 2-фенил-4,4,5,5-тетраметил-1,3-диоксоланов (IX) 197]

Ж

Интерпретация увеличения скорости, которое вызывается присутствием соседней карбоксильной группы как результат общекислотного катализа, является сомнительной, поскольку повышенные скорости некоторых реакций такого типа удовлетворительно объясняются обычным Al-механизмом с учетом индукционного эффекта соседнего карбоксилат-иона [98]. Эти два механизма описываются кинетически неразличимыми уравнениями скорости

СООН чС-0-С-

I I

(

СОО"

н

С—О-С-

I I

(86)

В связи с этим возникает вопрос, в чем существо различий между реакцией, катализируемой по общекислотному механизму, в которой карбоновая кислота передает протон, облегчая образование иона карбония, и специфически кислотно катализируемой реакцией, в которой карбоксилат-ион обеспечивает стабилизацию протона по существу в том же положении на уходящей группе [схема (87)]

I

н

-О A-R

-с:

0 н

!(+> .0—R

^0

н

-Ov ^0+-R

^cf

(87)

1

продукты

184

ГЛАВА 3

Переходные состояния для обоих этих механизмов очень похожи, если не идентичны, поэтому требуется более детальное толкование механизмов кислотного катализа, чтобы провести четкое разграничение между этими механизмами.

Оба зтих пограничных механизма пригодны для объяснения катализа лизоцимом. Группа карбоновой кислоты в активном центре фермента, по-видимому, передает протон уходящему атому кислорода. Это можно рассматривать либо как общекислотный катализ, либо как стабилизацию протонированной уходящей группы карбоксилатным ионом. Карбоксилатная группа в активном центре может ускорять реакцию или обеспечивая электростатическую стабилизацию образующегося иона карбония, или помогая замещать уходящую группу [92]. Первое предположение кажется более предпочтительным, поскольку организация атомов на активной поверхности фермента препятствует обычному Зк2-замещению с линейным переходным состоянием, в то время как перевод субстрата в конформацию полукресла обеспечивает дополнительную стабилизацию образующегося иона карбония. Тем не менее трудно провести четкое разграничение между ионом карбония, стабилизированным соседней карбоксилатной группой [Ха, схема {88)], и напряженной связью между атомом углерода 1 и карбоксильной группой (Хб)

О 0 0

II ^ + II (-..(+) II .

RCO С- RCO-^C- f=± RCO^C- (88)

Ха X6~

Возможно, каталитическая активность фермента отражает тонкий баланс между зтими двумя экстремальными случаями. Свободный промежуточный ион карбония должен был бы иметь слишком высокую энергию, и это ограничивало бы протекание катализируемой реакции с необходимой скоростью, в то время как образование полной ковалентной связи с карбоксильной группой приводило бы к образованию промежуточного соединения, слишком стабильного, чтобы претерпевать быстрый завершающий гидролиз. Регулируя с высокой точностью расстояние и ориентацию между этой карбоксилатной группой и связанным субстратом, фермент реализует сразу две цели — ставит в тупик любого ученого, который хотел бы разложить механизмы всех реакций по четким категориям и достигает строгого баланса между активацией и стабилизацией, который необходим для эффективного катализа.

Е. МЕХАНИЗМ ОБЩЕГО КИСЛОТНО-ОСНОВНОГО КАТАЛИЗА

Каково существо процесса ускорения реакции по общекислотному или общеосновному механизму? На какой стадии и какими путями переносится протон такими катализаторами? На эти вопросы относительно легко можно ответить в общих чертах, но трудно ответить детально с четкими экспериментальными доказательствами.

Прежде всего важно еще раз провести различие между реакциями, в которых перенос протона сам определяет основной энергетический барьер реакции, и реакциями, в которых перенос протона хотя и имеет место, но основной энергетический барьер связан с некоторой другой стадией реакции. Наиболее обычным примером первого класса реакций как в химии, так и в биохимии является процесс удаления протона от углеродной кислоты (карбокислоты), например енолизация кетона. Наиболее известными примерами второго класса являются реакции карбонильной или иминной группы,

ОБЩИЙ КИСЛОТНО-ОСНОВНОЙ КАТАЛИЗ

185

которые включают присоединение воды и азотистых оснований к карбонильным соединениям, эфирам, амидам, а также многие реакции присоединения к основаниям Шиффа.

1. ПЕРЕНОС ПРОТОНА К АТОМУ И ОТ АТОМА УГЛЕРОДА

Первый класс реакций, в которых перенос протона сам обеспечивает основной энергетический барьер, во многих отношениях понять легче. Общепринято, что основной катализ зтих реакций включает непосредственное удаление протона от атома углерода [схема (89)], и весьма вероятно, что общекислотный катализ включает общеосновной катализ удаления протона от сопряженной кислоты субстрата, а не кинетически эквивалентный простой

в^-»н-с-с

(89)

общекислотный катализ [уравнение (90) и (91)].

В^Н-С^-С

(90)

v = ?[Н+В][Н3СС = О] = fc'[B][H3CC = ОН] (91)

\ \

Белл с сотрудниками показал, что с уменьшением кислотности карбокислоты и с увеличением трудности удаления протона реакция обнаруживает повышенную чувствительность к основности катализатора, т. е. с уменьшением, кислотности карбокислоты увеличивается коэффициент Бренстеда Р (табл. 5).

Таблица 5

Влияние кислотности карбокислоты иа чувствительность к общеосновному катализу а

Карбокиелота log kA б рК8 Э

СН3СОСН3 -8,56 20,0 0t88

СН3СОСН2СН2СОСН3 -7,85 18,7 0,89

СН3СОСН2С1 -5,29 16,5 0,82

СН3СОСН2Вг -5,03 16,1 0,82

СН3СОСНС12 -3,78 14,9 0,82

СН2СОСНС02С2Н5

-1,76 13,1 0,64

СН3СОСН2С02С2Н5 -1,06 10,5 0,59

СН2СОСНС02С2Н5 0,58

-0,60 10,0

СН3СОСН2СОС6Н5 -0,45 9,7 0,52

СН3СОСН2СОСН3 -0,24 9,3 0,48

СН3СОСНВгСОСНз +0,26 8,3 0,42

а [1, стр. 172].

б Для основания с рК 4,0 л/моль-с.

186

ГЛАВА 3

Этот результат можно было бы предвидеть из обсуждения кривых потенциальной энергии для реакции. В соответствии с постулатом Хаммонда переходное состояние для более трудно протекающей реакции достигается дальше вдоль координаты реакции, так что происходит относительно глубокое разрушение связи углерод — водород и образование связи с основанием {рис 12). Более полное образование связи с основанием предполагает, что энергия переходного состояния будет высокочувствительна к основности основания, что приводит к большим значениям В.

Кислый Н

•Н — В

Слабокислый Н

Координата реакции

Координата реакции

Рис. 12. Переходное состояние реакции удаления протона от слабой карбокислоты возникает дальше вдоль координаты реакции, чем для реакции удаления протона от более

сильной карбокислоты.

Константы скорости удаления протона от ацетилацетона обнаруживают уменьшение В с увеличением силы основания [16]. Это существенно отличается от реакций переноса протона между атомами кислорода, азота и серы, энергетические барьеры которых много ниже и которые в широком диапазоне основности имеют значения 6 = 0 или 1,0, ожидаемые для простой диффузионно контролируемой реакции. Это также отличается от реакций второго класса, обсуждаемых ниже, которые часто обнаруживают малые изменения а или р в широком диапазоне кислотности или основности.

-2. РЕАКЦИИ ПЕРЕНОСА ПРОТОНА К АТОМАМ И ОТ АТОМОВ КИСЛОРОДА, АЗОТА И СЕРЫ

Трудности в интерпретации детального механизма реакций второго класса возникают вследствие того, что основной энергетический барьер реакции связан с взаимодействием атомов, отличных от тех, которые непосредственно участвуют в переносе протона, так что при полном описании поверхности потенциальной энергии реакции, такой, как катализируемое кислотой присоединение нуклеофила к карбонильной группе [схема (92)],

H-X~C=QhIa (92)

необходимо учитывать почти одновременное движение пяти или более атомов и, кроме того, изменения в окружающих молекулах растворителя. Физико-химики обычно пасуют перед возникающими трудностями, когда они сталкиваются с такой проблемой, и любое детальное обсуждение механизма этого важного класса реакций в настоящее время является упрощенным и качественным. При обсуждении этой проблемы постоянно возникает вопрос, каково то время, которое требуется для достижения переходного состояния энергетически самой трудной стадии реакции, и достаточно ли оно, чтобы протоны и молекулы растворителя достигли низкознергетических равновес-

ОБЩИЙ КИСЛОТНО-ОСНОВНОЙ КАТАЛИЗ

187

ных состояний. Ответить на зто помог бы другой, в основном семантический и часто повторяемый вопрос: в какой степени зти реакции являются «согласованными»? Однако в настоящее время однозначного ответа, по-видимому, нет.

Вопрос о том, сколько времени необходимо реагирующей молекуле или молекулярной паре для образования переходного состояния, можно поставить следующим образом: что вероятнее то, что переходное состояние будет достигаться небольшим энергетическим скачком, претерпеваемым одной из немногих реагирующих частиц, которые уже почти достигли энергии переходного состояния, или то, что переходное состояние достигается очень редким большим энергетическим скачком одной из многих реагирующих частиц, которые находятся на низком энергетическом уровне (рис. 13)? Если переходное состояние достигается серией малых энергетических скачков, структура промежуточных состояний будет отличаться от структуры основного состояния, и весьма вероятно, что перенос протона будет происходить в системе, которая близка к равновесному состоянию. Если переходное состояние достигается быстро, может оказаться, что для переноса протона недостаточно времени, если только этот перенос не произойдет согласованно с перемещением всех составных частей активированного комплекса (включая сольватирующие молекулы). Скорость, с которой перенос протона может происходить внутри реагирующего комплекса, точно неизвестна, но она определенно выше, чем скорость диффузии, и лежит, вероятно, в интервале 10~и...10~13 с. Скорость реорганизации молекул растворителя, обеспечивающих оптимальную сольватацию, по-видимому, несколько меньше, чем скорость переноса протона. Из-за отсутствия четких ответов на эти вопросы в настоящее время можно только наметить все возможные варианты. Уто удобно сделать на примере конкретной реакции, в качестве которой выберем присоединение нуклеофильного реагента к карбонильной группе, катализируемое по общекислотному механизму [схема (92)].

а) Первая возможность заключается в том, что скорость определяющей стадией является перенос протона и реакция не является согласованной. Для этого случая необходимо, чтобы константа скорости k_t схемы (93) была бы больше, чем &2[НА], т. е. продукт первой стадии должен быть в равновесии с исходными вешествами. В некотором смысле аналогичная ситуация

Ч + I ЫНА] + | -

нх+ чс=о — нх-с-о---*- нх—с-он 93)

/ | медленно i

Координата реакции

Рис. 13. Более ли вероятно, что переходное состояние образуется большим энергетическим скачком одной из многих молекул реагирующих веществ в низкоэнергетическом состоянии или малым энергетическим скачком одной из очень немногих реагирующих молекул в высокоэнергетическом состоянии?

постулируется для гидролиза моноанионов фосфорных зфиров с очень хорошими уходящими группами {схема (94)} [99]

0 +Н OJ

1 ^медленно I I RO-P-0 ^ " RO — Р — О

II "d II

О О

ROH +

Н,0

НгР04"

(94)

188

ГЛАВА 3

Механизм такого типа требует, чтобы перенос протона происходил со скоростью, которая меньше, чем скорость образования и разрушения ковалент-ной связи между двумя более тяжелыми атомами. Эта ситуация не так маловероятна, как может показаться с первого взгляда, поскольку, несмотря на то что константы скорости для таких реакций переноса протона обычно равны диффузионно контролируемому пределу, скорость в данном экспериментальном случае может быть относительно низкой вследствие низкой концентрации одной из реагирующих частиц или неблагоприятной равновесной стадии, предшествующей переносу протона.

Существуют два экспериментальных критерия для распознавания механизма такого рода. Во-первых, константа скорости скорость определяющей стадии реакции в том или другом направлении должна быть равна диффузионно контролируемому пределу 1010 л/мол

страница 32
< 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 плазмы на мероприятие
Рекомендуем фирму Ренесанс - мир лестниц.ру - качественно и быстро!
кресло 781
сервис хранение вещей

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)