химический каталог




Катализ в химии и энзимологии

Автор В.Дженкс

тве нуклеофила соединение, участие ионной формы которого в реакции было бы не таким неопределенным, как в случае воды, которая может реагировать либо в виде Н20, либо как ОН-. С использованием этого подхода было установлено, что реакции имидазола, иона азида и сульфит-иона с и-нитрофенилсалицилатом не слишком быстрые. Более того, реакция имидазола с фенилсалицилатом протекает не быстрее, чем реакция с участием фенилового эфира о-метоксибензойной кислоты. На этом основании можно полагать, что как атака нуклеофила (VIII), так и отщепление уходящей фенольной группы (X) не включают общекислотного катализа, поскольку этот механизм должен был бы приводить к ускорению нуклеофильных реакций в такой же степени, как и в случае гидролиза. Следовательно, наиболее приемлемые механизмы — это основной катализ атаки протонированным нуклеофилом (IX) или распад промежуточного продукта присоединения (XI). Ускорение гидролиза и-нитрофенилсалици-лата является лишь девятикратным по сравнению с реакцией и-нитрофенил-ацетата. Однако в случае фенилсалицилат-аниона реакция протекает в 50 раз скорее по сравнению с фениловым эфиром о-метоксибензойной кислоты. Моноэфир катехина и бензойной кислоты (XII), который может претерпевать гидролиз по аналогичному механизму, реагирует в несколько сот раз-быстрее, чем о-метоксифенилбензоат.

Подобный же прием был использован для установления, какая из ионных форм аспирина (XIII) участвует в реакции с нуклеофилами, промотированной соседней карбоксильной группой [36]

О О

I II ^11 + Н+

VN:-oh ^/чч:-о-

XIII

о

КАТАЛИЗ СБЛИЖЕНИЕМ

29

В случае слабоосновных третичных аминов и в случае других соединений, которые должны реагировать в основной форме (N), скорость данной реакции подчиняется уравнению (15):

скорость = An [Асп—COOH][N]+/c2[Acn-COO-][N], (15)

где член, описывающий участие карбоксильной группы (ki), несколько превышает вклад члена, характеризующего реакцию с участием аниона (к2).

нго

Log к0

Рис. 3. Сравнение констант скоростей второго порядка для реакции ряда нуклеофильных реагентов с фенилацетатом (fc0) с аналогичными данными для реакции тех же соединений с анионом n-карбоксифенилацетата (О) и анионом аспирина (•). Пунктирная прямая соответствует зависимости к = к0.

Член с к2 становится существенным лишь в случае слабоосновных нуклеофи-лов, содержащих атом водорода, связанный с атакующим атомом азота или кислорода. Наблюдаемое увеличение скорости реакции, обусловленное содействием карбоксильной группы (&4), недостаточно большое, чтобы можно было на его основании объяснить известную высокую скорость гидролиза аниона аспирина [37] (рис. 12, гл. 11), полагая справедливым кинетически эквивалентный механизм катализа ионом гидроксила реакции гидролиза свободной кислоты. Увеличение скорости реакции гидролиза аниона аспирина на два порядка по сравнению со скоростью гидролиза аниона n-карбоксифенилацетата находится в диапазоне значений, который можно предсказать исходя из аналогичных данных, наблюдаемых в реакциях с участием слабоосновных нуклеофилов, содержащих протон, связанный с атакующим атомом (рис. 3). Реакции фенилацетата с водой и семикарбази-дом подчиняются механизму межмолекулярного общеосновного катализа ацетат-ионом. «Эффективная концентрация» карбоксилат-иона в аспирине, которая проявляется в реакциях, катализируемых этими нуклеофилами, составляет 23—28 М (после поправки на различие в основностях карбокси-

30

ГЛАВА 1

латных групп ацетата и аспирина). Реакции обеих ионных форм аспирина с нуклеофилами протекают, по-видимому, по механизмам внутримолекулярного общеосновного и общекислотного катализа в соответствии со схемами XIV и XV или XVI.

гх

Л со осе

и ii ii

О О о

~ш ж zn

Установленная ранее взаимосвязь между строением и реакционной способностью замещенных аспиринов, а также значения констант скоростей реакций аспирина с кислородсодержащими анионами подтверждают эти механизмы [38].

Если бы гидролиз аспирина протекал по механизму прямой нуклео-фильной атаки фенилэфирной группы карбоксилат-анионом с образованием промежуточного ангидрида, то следовало бы ожидать, что при проведении реакции в меченой воде (180) некоторая часть меченого кислорода в результате гидролиза промежуточного ангидрида будет включаться в карбоксильную группу образующейся салициловой кислоты {уравнение (16)} [39],

О

ii. О

аСОН || + СН3СОН он

О О О

Как было показано, при гидролизе самого аспирина процесс включения не происходит. Это свидетельствует об отсутствии нуклеофильного механизма реакции в случае незамещенного соединения. Меченый кислород,, однако, в значительной степени включается в карбоксильную группу в случае 3,5-динитроаспирина, и, следовательно, гидролиз этого соединения протекает через образование ангидрида. Вероятность расщепления связи кислорода с ароматической карбонильной группой достигает при этом 39% {путь 1, уравнение (16)} [38]. Таким образом, гидролиз аспирина подобен межмолекулярной реакции фенилацетатов в том смысле, что карбоксилат-анион катализирует гидролиз сложных эфиров с «хорошей» уходящей группой по механизму прямой нуклеофильной атаки, в то время как реакция гидролиза сложных эфиров с «плохой» уходящей группой, слишком основной, чтобы ее можно было непосредственно удалить под действием карбоксилат-аниона, включает механизм общекислотного катализа нуклеофильной атаки молекулы воды [11].

КАТАЛИЗ СБЛИЖЕНИЕМ

31

Дианионы салицилфосфата или других о-карбоксиарилфосфатов гидро-лизуются со скоростью, значительно превосходящей скорость гидролиза, пара-замещенных соединений, что указывает на ускоряющее влияние орто-карбоксильной группы. Механизм этого ускорения может включать либо-внутримолекулярную нуклеофильную атаку с образованием ацилфосфата,. который затем гидролизуется [уравнение (17)],

либо внутримолекулярный общий кислотно-основной катализ по схеме

Справедливость механизма нуклеофильного катализа [уравнение (17)] можно проверить, проводя реакцию в присутствии соединения, способного активно реагировать с образующимся промежуточным ацилфосфатом. Ацилфосфаты, в том числе салицилфосфат *, быстро взаимодействуют с гидроксиламином с образованием ацилгидроксамовой кислоты; однако при гидролизе салицилфосфата, протекающем в присутствии гидроксиламина, гидроксамовая кислота не образуется [40]. Следовательно, участие в реакции карбоксильной группы сводится к механизму общего кислотно-основного катализа [уравнение (18)] аналогично тому, как это происходит в реакциях кислой формы аспирина. Гидролиз салицилсульфата протекает, по-видимому, по тому же механизму [41].

Вода — это эффективный кислотный и основной катализатор, а также в определенном смысле и хороший растворитель для реакций, протекающих с образованием полярных переходных состояний. Следовательно, ускорения реакции, обусловленные внутримолекулярным общим кислотно-основным

* Смешанный ангидрид салициловой и фосфорной кислот.— Прим. ред.

32

ГЛАВА 1

катализом или внутримолекулярной сольватацией переходного состояния, не должны быть столь значительными в воде, как в других растворителях. Особенно эффективно переходное состояние реакции может быть стабилизировано за счет такого катализа в растворителях, не содержащих гидроксиль-ных групп. В литературе по синтетической органической химии описан ряд примеров катализа подобного рода, однако практически ни один из них не изучен количественно. В этой связи можно указать на реакцию, которая включает, по-видимому, как общекислотный, так и общеосновной катализ. Это реакция сольволиза жесткой молекулы алициклического 1,3-диаксиаль-ного оксимоноацетата в метаноле, которая ускоряется при наличии соседней как амино-, так и гидроксильной групп [42]. В результате сравнения скоростей метанолиза соединений, близких в структурном отношении, но не содержащих соседних окси- и амино-групп, можно заключить, что гидроксильная группа приводит к 40-кратному ускорению, а амино-группа дает добавочное 25-кратное ускорение реакции. При этом можно предположить, что эти ускорения реакции обусловлены некоторого рода общекислотным или соответственно общеосновным катализом.

Гидролиз замещенных фениловых эфиров под действием поли-5-(6)-винил-бензимидазола в нейтральном и щелочном растворах протекает со скоростью, которая примерно в 10 раз превышает скорость гидролиза, катализируемого мономерами бензимидазола при тех же условиях. Это позволяет предположить *, что бензимидазольные группы в полимере взаимно увеличивают реакционную способность, взаимодействуя, по-видимому, по механизму полифункционального катализа [43].

Б. ВЫНУЖДЕННОЕ СБЛИЖЕНИЕ

На активном центре фермента происходит сближение реагирующих молекул за счет слабых сил связывания. Поэтому интересно рассмотреть •модельные системы, в которых реагирующие молекулы сближаются подобным образом.

Одним из наиболее ярких примеров являются реакции производных боратов, поскольку бораты могут обратимо образовать ковалентные продукты присоединения с гидроксилсодержащими соединениями и скорость этого взаимодействия значительно превышает скорости многих других реакций. В присутствии борной кислоты фенол реагирует с формальдегидом в бензоле, образуя исключительно о-оксиметилфенол; в отсутствие борной кислоты при прочих равных условиях образования opme-замещенного продукта практически не происходит [44]. Эта реакция должна включать быстрое и обратимое образование комплекса фенола, бората и формальдегида и протекать, возможно, по механизму, соответствующему схеме (19), или (посколь-

ку реакции с участием карбонильных соединений почти всегда протекают через присоединение к свободному карбонильному соединению, а не через

Не исключено, что повышенная реакционная способность бензимидазольной группы в полимере обусловлена экстракцией субстратов из водного раствора в среду полимерной молекулы, как это происходит в реакциях с участием нуклеофила, сорбированного мицеллами детергентов, см. Yatsimirski А. К., Martinek К., Berezin I. V., Tetrahedron, 27, 2855 (1971).— Прим. ред. . .

КАТАЛИЗ СБЛИЖЕНИЕМ

33

замещение при насыщенном атоме углерода) по механизму, аналогичному схеме (20).

Реакцию оксиметилирования в opmo-положение специфически катализируют также гидроокиси металлов, например Си(ОН)2, которые, по-видимому, могут образовать комплексы, аналогичные по своей структуре боратным комплексам. В воде катализ не идет, и это обусловлено, вероятно, тем, что вода смещает равновесие комплексообразования в неблагоприятную сторону

Борсодержащее соединение XVII действует во влажном диметилформ-амиде как специфический катализатор реакции гидролиза хлорэтанола до этиленгликоля. В отсутствие этого катализатора идет циклизация с образованием окиси этилена по реакции, специфически катализируемой основаниями [45]. В опытах с использованием ряда хлорзамещенных спиртов было установлено, что атом хлора и гидроксильная группа должны находиться в траке-положении и что вытеснение хлор-иона протекает с обращением конфигурации. Это значит, что продукт реакции образуется в результате прямой атаки углерода кислородом. Механизм с двойным замещением, в котором за реакцией вытеснения под действием азота происходит замещение водой (и, таким образом, осуществляется второе обращение конфигурации), следует отвергнуть. Так же, как и в реакции, рассмотренной выше, можно предполагать, что образуется промежуточный комплекс и реакция протекает по механизму, подобному схеме (21)

+ НОСНгСН2С1

но-в..

чон

Н0-Г-°1сн,

0-СН2 ^С1

Н0СН2СН20Н +2Ж

(21)

Гидролиз фенилсалицилата в водном растворе, катализируемый боратами, протекает более чем в 100 раз быстрее реакции гидролиза о-метокси-бензоата. Известно, что борат образует комплекс с салициловой, а также с ацетоуксусной кислотами. В последнем случае происходит сдвиг равновесия в сторону енольной формы, связанной в комплекс (XVIII) [46]. Это позволяет предположить, что реакция гидролиза фенилсалицилата протекает по механизму (22), где борат стабилизирует переходное состояние, подобное тетраэдрическому промежуточному продукту присоединения.

3-0500

34

ГЛАВА 1

ОН

I

о"% I I

Hjc-^c-^o н

±0Н"

тут

жк_ .он о о

I

н

Характер зависимости реакции от рН указывает на то, что бораты катализируют реакцию как с участием молекулы воды, так и с ионом гидроксила

Н-0-"Л^ОСвН6 i

ОН

НО^ /*ОС6Нб

О.::

О-В-ОН

I

он

а

но

I

с*

о

о—в-он

I

он

(22)

[35, 47]. С другой стороны, борат после присоединения к оксигруппе фенола может выступать в роли внутримолекулярного нуклеофильного катализатора (уравнение (23)} [48].

Один из возможных механизмов участия ионов металлов в ферментативных реакциях заключается, как часто полагают, в том, что эти ионы могут поддерживать молекулы субстратов и реакционные группы активного центра фермента в необходимом взаимном пространственном расположении. Реакцию комплекса цинка и пиридин-2-альдоксима (XIX) с ацетоксихинолин-сульфокислотой (XX) можно рассматривать, по-видимому, как пример неферментативной реакции с переносом ацильной группы в водном растворе, протекание которой облегчается образованием комплекса реагентов с катионом металла [49]. Сложный эфир XX ацилирует комплекс XIX (р/Га 6,5) примерно с той же скоростью, с какой он ацилирует более основной незакомплексованный анион оксима с pi?0 ~ 10. В то же время ге-нитрофенилацетат ацилирует комплекс XIX со скоростью, в семь раз меньшей скорости ацилирования незакомплексованного аниона оксима. Повышенную реакционную способность хинолинацетата по отношению к комплексу пиридин-2-альдокси-ма с цинком следует приписать образованию смешанного комплекса XIX с XX, который стабилизируется взаимодействием иона металла с атомом азота хинолинацетата [уравнение (24)].

КАТАЛИЗ СБЛИЖЕНИЕМ

35

а ¦

: 2+ Н

Zn- -Nv

с-сн3

(24)

Фермент карбоангидраза катализирует реакцию гидратации альдегидов, сложных эфиров, а также и двуокиси углерода. Для проявления ее ферментативной активности необходимо присутствие иона металла, например цинка. Реакцию гидратации пиридин-2-альдегида, катализируемую ионами цинка, можно считать моделью действия этого фермента. Константа скорости второго порядка этой реакции в 6,5 40е раз превышает константу скорости реакции с участием только воды [50]. Такое увеличение скорости реакции лишь в 10 раз уступает ускорению ферментативного процесса. Механизм модельной реакции включает, по-видимому, сближение цинка с реагирующим центром, поскольку реакцию гидратации пиридина-альдегида цинк катализирует в 280 раз менее эффективно. Реакция представляет собой, вероятно, атаку альдегида молекулой воды, входящей в гидратную оболочку иона цинка, или же ускорение реакции обусловлено поляризацией карбонильной группы ионом металла (как это показано, например, механизмами XXI и XXII)

н

I л

"С = 0 I • I

XXL

-Zn

УХТГ

Бензальдегид (10~3—10~4 М) является эффективным катализатором реакции гидролиза га-нитрофенилового эфира лейцина (по активности превышает даже имидазол) [51]. Поскольку молекула слабоосновного бензальде-гида — плохой нуклеофил, то кажется ве

страница 5
< 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
взять в аренду экран для проектора москва
Фирма Ренессанс: лестницы на второй этаж в частном доме п-образные - надежно и доступно!
кресло персонала престиж
москва сдать вещи на хранение

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
(11.12.2016)