химический каталог




Катализ в химии и энзимологии

Автор В.Дженкс

на активном центре фермента [25].

активном центре фермента, присутствующего в растворе (рис. 1), то оказывается, что эффект локального концентрирования может вызвать лишь весьма небольшое ускорение реакции. Это связано в основном с тем, что концентрация фермента и соответственно активных центров в растворе является, как правило, столь малой, что локальное увеличение концентрации реагентов не может привести к очень большому увеличению суммарной •скорости реакции. Предельные значения скоростей реакций, катализируемых гексокиназой и фосфорилазой, приведены в табл. 2, где V0 — верхний

Таблица 2

Сравнение наблюдаемых скоростей реакций, катализируемых ферментами, с данными, вычисленными из теории столкновений [24]

Фермент Субстрат Концентрация фермента, экв/л Наблюдаемая скорость реакции, моль-л-!-мин-1 ve'vo (теоретически) (ve'voh«cn (VE'VoKeoP

V0 ve Гексокиназа -Фосфорилаза Глюкоза (0,003 М), АТФ (0,002 М) Глюкозо-1-фосфат (0,016 М) Гликоген (10~5М) ю-' 6-10-8 < Ю-" <5-10-15 1,3-Ю-з 1,6-Ю-з 1,8 2,5 > 7-10» > 1,4-ЮН

24

ГЛАВА 1

предел возможной скорости неэнзиматической реакции (оценка этого значения основана на том, что неэнзиматическую реакцию так и не удалось обнаружить в течение определенного периода времени) и VE — наблюдаемая скорость ферментативной реакции. Как видно из таблицы, между наблюдаемыми скоростями и величинами, вычисленными в предположении концентрационного эффекта, имеется расхождение в 109—1011 раз. Это расхождение отражает нижний предел величины ускорения, источник которого является иным, чем простой концентрационный эффект.

Если допустить, что реакция возможна лишь при определенном взаимном расположении реагирующих молекул и что при связывании на активном центре фермента реализуется именно эта благоприятная для реакции взаимная ориентация, то ускорение ферментативной реакции может быть несколько большим [25]. Однако, как уже было отмечено выше, для большинства реакций на основании и этого ориентационного эффекта следует ожидать лишь относительно небольшого увеличения скорости.

По мере увеличения числа молекул, которые должны сблизиться, чтобы обеспечить протекание реакции, возрастает также и ускорение, обусловленное эффектом сближения. Реакция с участием двух молекул субстратов и трех молекул катализаторов является процессом пятого порядка и ее скорость определяется уравнением (10):

скорость = k[Si ] [S2] [ KaTj] [ Кат2] [ Кат3], (10)

где S — субстрат и Кат — катализатор. Если все пять молекул связать ориентированно на активном центре фермента, то можно ожидать ускорения процесса порядка 1013—1017 раз [25]. Это значительное ускорение; однако следует помнить, что неферментативная реакция пятого порядка является, как правило, столь медленной, что ее совсем нельзя обнаружить экспериментально. Поэтому даже при таком большом ускорении реакция не обязательно должна стать наблюдаемой. При любом сравнении констант скоростей реакций, проводимом подобным образом, необходимо учитывать отличия в порядках реакций так, как это было показано выше для бимолекулярных и мономолекулярных реакций.

Концентрированием и ориентацией реагентов на активном центре фермента особенно трудно объяснить Ускорения мономолекулярных реакций или реакций с участием воды в качестве нуклеофильного агента. Концентрация воды не может быть значительно больше той, которая существует в растворе, и, кроме того, трудно представить себе очень жесткие ориентационные требования по отношению к атакующей молекуле воды.

Значительный вклад в ускорение как внутримолекулярных, так и ферментативных реакций могут вносить изменения в сольватации. Так, для образования переходного состояния при атаке карбоксилат-ионом сложного эфира необходимо, чтобы молекулы воды, сольватирующие заряд карбокси-лат-иона, были удалены. Рассмотрение молекулярных моделей показывает, что карбоксильная группа сложного эфира VII (табл. 1) не может быть соль-ватирована водой с той стороны, где происходит атака сложноэфирной группы. Поэтому для данной внутримолекулярной реакции нет дополнительных требований к потере сольватирующей воды в этом положении. Можно полагать, что исходные состояния быстро и медленно реагирующих сложных эфиров не слишком отличаются по суммарной свободной энергии сольватации, поскольку разница в значениях является небольшой. Однако увеличение р.К моноэфира глутаровой кислоты на 0,5 единицы, наблюдаемое [10J в результате г&и-замещения объемными заместителями в положении 3, указывает, по-видимому, что при этом возникают затруднения по отношению к сольватации карбоксилатной группы.

Наконец, отметим, что в исходных состояниях соединений, подвергающихся быстрому внутримолекулярному превращению, или также в фермент-

КАТАЛИЗ СБЛИЖЕНИЕМ

25-

&.F

разбавленныйt раствор

А + В

субстратных комплексах могут иметь место эффекты, способствующие преодолению сил отталкивания (сил Ван-дер-Ваалъса) или приводящие к благоприятным изменениям в электронных взаимодействиях. На основании больших величин ускорений, наблюдаемых во внутримолекулярных реакциях, можно полагать, что именно эти эффекты являются причиной высоких скоростей как внутримолекулярных, так и ферментативных реакций. Значительная величина ускорений внутримолекулярных реакций указывает на то, что эффекты такого рода ответственны за высокие скорости внутримолекулярных и энзиматических процессов. Вообще говоря, трудно найти строгую границу между эффектами и явлениями, рассмотренными выше. Эти эффекты можно классифицировать как проявления «напряжений или возмущений», и они будут рассмотрены в гл. 5.

Экспериментально установленное ускорение внутримолекулярных и ферментативных реакций можно представить в виде диаграммы, приведенной на рис. 2. Наблюдаемое понижение свободной энергии активации можно интерпретировать как продвижение реагентов вдоль координаты реакции в направлении переходного состояния. Этот сдвиг может быть

вызван либо действием фермента, либо его может осуществить сам экспериментатор, если он химически свяжет реагирующие молекулы в одну частицу. Детальная интерпретация таких диаграмм требует, однако, большой осторожности. Общее»уменыпение свободной энергии активации обусловлено сближением реагентов при их удалении из разбавленного раствора (этот эффект включает произвольный энтропийный член, который зависит от концентрации раствора), ориентацией реагентов и их десольватацией, а также преодоленным энергетическим барьером реакции. Следует отметить, что наряду со специфическими каталитическими эффектами движущей силой этого-процесса являются силы связывания, действующие между ферментом и субстратом.

Координата реакции

Рис. 2. Энергетический профиль реакции, на котором показано, насколько реагирующие молекулы сдвинуты вдоль координаты реакции, будучи химически связаны между собой (как в случае внутримолекулярной реакции) или при связывании их на активном центре фермента.

3. ЭНТАЛЬПИЯ И ЭНТРОПИЯ

Умозрительно вклад концентрационного и ориентационного эффектов в ускорение внутримолекулярной реакции можно было бы отделить от того вклада, который обусловлен частичным преодолением энергетического барьера реагентами уже в исходном состоянии реакции. Следует полагать, что первый вклад приводит к более благоприятной энтропии активации, а второй обусловливает понижение энтальпии активации внутримолекулярной реакции. Однако, как уже было отмечено выше, высокая скорость внутримолекулярного аминолиза фениловых эфиров обусловлена разностью в энтропии активации, в то время как высокая скорость гидролиза полуани-лида тетраметилзамещенной янтарной кислоты, протекающего с внутримолекулярным участием карбоксильной группы, характеризуется неблаго-

26

ГЛАВА 1

приятным изменением энтропии и значительным понижением энтальпии активации по сравнению с реакцией незамещенного соединения. Укажем ¦еще несколько аналогичных примеров. Увеличение скорости лактонизации 2-оксиметилбензойных кислот, наблюдаемое в результате оргпо-замещения, можно объяснить тем, что при введении в молекулу ор/тго-заместителей происходит образование конформации, в которой реагирующие группы благоприятно взаимно ориентированы. Однако наблюдаемое увеличение скорости лак-тонизации связано всецело с энтальпией, но не с энтропией активации [26]. Равновесие гексан — циклогексан в газовой фазе смещается в сторону циклического соединения при введении в молекулу метильных групп. Этот эффект носит как энтропийный, так и энталышйный характер. Изменение энтальпии этого равновесия объясняют тем, что в случае замещенного гек-•сана при образовании цикла происходит небольшое увеличение числа гош-конформаций по сравнению с незамещенным гексаном [27]. Янтарный ангидрид образуется легче, чем уксусный ангидрид, и это обусловлено также более благоприятной энтальпией активации. Очевидно, переход от меж-к внутримолекулярной реакции не сопровождается специфическим изменением одной лишь энтропии или энтальпии активации.

Оценка ожидаемого изменения энтропии, соответствующего взаимному сближению реагирующих молекул, также не приводит к однозначному результату. В качестве модели процесса сближения молекулы воды с ациль-ным или карбонильным реагентом в переходном состоянии реакции можно рассмотреть равновесную гидратацию альдегидов. Энтропия данного равновесия равна приблизительно —18 энтр. ед. [23]. Найденное значение является более отрицательным, чем можно было бы ожидать. Это указывает на то, что в молекуле гидрата альдегида и в его сольватной оболочке свободное движение больше ограничено, чем в исходных соединениях. Брюс и Бенкович показали, что энтропия активации ряда нуклеофильных реакций с участием •фениловых эфиров весьма просто зависит от кинетического порядка реакции, а именно увеличение порядка реакции на единицу приводит к уменьшению члена TAS=t= приблизительно на 5 ккал/моль (20,9 кДж/моль) [28]. Среди примеров, рассмотренных этими авторами, имеется сравнение внутри-и межмолекулярной реакций аминолиза фениловых эфиров глутаровой кислоты, а также сравнение реакций, включающих общеосновной или кислотный катализ, с «некатализируемыми» реакциями. Эти результаты, однако, трудно интерпретировать детально. Так, значение АНФ для гидразинолиза ¦фенилацетата, катализируемого ионом гидразония (реакция третьего порядка), составляет приблизительно 1 ккал/моль (4,2 кДж/моль). Это меньше, чем величина АН^= для диффузии в воде, равная 3—4 ккал/моль (12,5— 16,7 кДж/моль). Поэтому можно предположить, что существует некоторый компенсирующий процесс, искажающий собственную энтальпию активации вторичным эффектом (например, сольватационным), который приводит к компенсации энтальпийного и энтропийного изменений.

Таким образом, хотя увеличение скорости или благоприятное смещение равновесия внутримолекулярных реакций и сопровождается часто благоприятным изменением энтропии по сравнению с соответствующей межмолекулярной реакцией, нельзя, по-видимому, использовать термодинамические ¦активационные параметры для того, чтобы провести четкую классификацию возможных механизмов, объясняющих наблюдаемые изменения свободной энергии активации в соответствующих реакциях. Это нельзя считать неожиданным, поскольку измеренные экспериментально термодинамические активационные параметры не отражают прямым образом разности потенциальной энергии и энтропии исходных реагентов и переходного состояния. На эти параметры оказывают большое влияние структурные изменения растворителя (сольватационные эффекты), особенно в водном растворе, сопровождающиеся иногда лишь незначительными изменениями свободной энергии.

КАТАЛИЗ СБЛИЖЕНИЕМ

27

На этом основании можно полагать, что свободная энергия является часто наиболее разумным критерием, позволяющим судить о свойствах переходного состояния реакции. Вопрос об интерпретации термодинамических параметров обсуждается более широко в гл. 5, разд. Е.

4. ДРУГИЕ ВНУТРИМОЛЕКУЛЯРНЫЕ РЕАКЦИИ

Исчерпывающие обзоры по внутримолекулярным реакциям можно найти в литературе [1]. Поэтому здесь будет рассмотрено лишь несколько особенно интересных примеров.

Енолизация кетона, а именно о-изобутирилбензойной кислоты, протекает, по-видимому, по механизму (11) с внутримолекулярным участием

Ml

-О"

•СН3 СН,

0"

I

^ ОС

^^с-он

сн3

СН3

(И)

о

карбоксилат-аниона. Скорость этой реакции примерно такая же, какая была бы в случае межмолекулярной реакции, протекающей в присутствии 50 М карбоксилат-аниона [29]. Это ускорение несколько больше, чем наблюдаемое в случае аналогичной реакции енолизации производного пировиноград-ной кислоты [30].

Амидные и пептидные группы выступают как активные нуклеофильные агенты (с участием как атомов кислорода, так и азота) лишь во внутримолекулярных реакциях, в то время как в межмолекулярных реакциях они почти не обнаруживают никакой активности [31—33]. Реакция с участием атома азота — это, как правило, промотированная специфическим основным катализом атака сопряженным основанием амида с образованием имида, претерпевающего дальнейший гидролиз с константой скорости, которая может быть как меньше, так и больше константы скорости его образования [уравнение (12)]. Расщепление некоторых р-бензиловых эфиров

О II

ОССН3

С-NH8

II

О

о

г) II

^Ч-NH II О

О"

ОН"

продукты CNHCCH3 V1^ II II О О

аспарагиновых пептидов, приводящее к образованию имида, протекает более чем в миллион раз быстрее, чем реакция гидролиза аналогичных соединений, не содержащих амидной группы. Константа скорости первого порядка реакции образования имида из О-ацетилсалициламида [уравнение (12)] более чем в 60 ООО раз превосходит константу скорости бимолекулярной реакции амида с фенилацетатом при тех же условиях [31, 33].

Часто бывает трудно различить кинетически эквивалентные альтернативные механизмы внутримолекулярной реакции. Так, гидролиз анионов фенил- и и-нитрофенилсалицилатов может протекать либо по механизму атаки ионом гидроксила при участии соседней гидроксильной группы в качестве общекислотного катализатора (VIII), либо под действием воды при участии соседнего фенолят-аниона (IX) как общеосновного катализатора [34, 35]. Скорости реакций, протекающих в соответствии с этими двумя механизмами, можно записать в виде равноценных уравнений (13) и (14),

28

ГЛАВА 1

НО" ч

' ,ос6н5

сс

ЗЩ ж *

поскольку их можно превратить одно в другое, используя соответствующие выражения для описания равновесия ионизации реагентов:

скорость = А;[сложный эфир —ОН][ОН-], (13) скорость = к'[сложный эфир —0_][НОН]. (14) Очевидно, механизмы VIII и IX нельзя различить кинетически, так как стехиометрический состав и заряд переходных состояний в обоих механизмах тождественны. Механизмы общекислотного и общеосновного катализа реакции распада анионной и соответственно нейтральной форм тетраэдрического продукта присоединения X и XI также приводят к одинаковому выражению для скорости реакции.

70 ОН (О

С-О-Н /vC^OC8hb ^.о-с-с6н5

^о-свне ГУ <ч> Г Т (о-н

о^н ^^очА Ч^о%н

X ж ж

Чтобы сделать выбор между этими механизмами, следует изучить данную реакцию, используя в качес

страница 4
< 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
входная дверь техно-5
http://taxiru.ru/shashki-dlya-taxi-all/shashki-do-45-sm/
подставки для колонок купить
Супермаркет техники KNSneva.ru предлагает материнская плата MSI - 10 лет надежной работы! Санкт Петербург, ул. Рузовская, д.11.

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
(24.06.2017)