химический каталог




Катализ в химии и энзимологии

Автор В.Дженкс

одобные явления наблюдаются при ускорении щелочного гидролиза метилнафтоата большими катионами, такими, как ион тетрабутиламмония, который, по-видимому, взаимодействует с субстратом и облегчает его атаку гидроксил-ионом; добавление больших анионов, таких, как тетрафенилборат, приводит к понижению скорости. Это взамодействие авторы объяснили дисперсионными силами Ван-дер-Ваальса — Лондона между ионом и субстратом [14].

Более значительное увеличение скорости, вызываемое гидрофобным взаимодействием, было найдено при сравнении аминолиза ?г-нитрофениловых эфиров уксусной и декановой кислот этиламином и дециламином [15]. После поправки на гидролиз и на 30-кратное уменьшение реакционной способности эфира с более длинной цепью по сравнению с ацетатом (что следует из сравнения скоростей реакций с этиламином и, по-видимому, вызвано стерическими препятствиями) найдено увеличение скорости приблизительно в 100 раз в реакции дециламина с эфиром декановой кислоты по сравнению с ацетатом. Это ускорение можно объяснить сближением реагентов за счет гидрофобного взаимодействия углеводородных цепей. Увеличение скорости не является результатом мицеллообразования, потому что скорость имеет первый порядок по концентрации амина и ускорение наблюдается при его концентрациях значительно ниже критической концентрации мицеллообразования.

Гораздо чаще связывание добавляемых молекул приводит к понижению скорости. Ингибирование гидролиза бензокаина [этил-и-аминобензоата (II)] кофеином (III) — один из наиболее известных примеров

Эфир и ингибитор ассоциируют в воде с константой связывания приблизительно 60 л/моль, и уменьшение скорости гидролиза в присутствии кофеина пропорционально убыли концентрации свободного эфира, откуда следует, что скорость гидролиза комплекса мала по сравнению со скоростью гидролиза свободного эфира [16].

4. ОЦЕНКА ВЕЛИЧИНЫ ГИДРОФОБНЫХ СИЛ

Простейшей и наиболее непосредственной моделью гидрофобного связывания является перенос соединения из водного раствора в другую фазу, которой может быть как само изучаемое соединение в жидком состоянии, так и любая другая неводная фаза. Свободная энергия этого переноса, вычисленная из коэффициентов распределения между двумя фазами или в случае жидкого соединения, по данным растворимости дает грубую оценку свободной энергии, ожидаемой для гидрофобного взаимодействия с участием этого соединения. Так, связывание ряда углеводородов с сывороточным альбумином и ряда углеводородных ингибиторов с активным центром химотрипсина в каждом случае обратно пропорционально растворимости этих углеводородов в воде [17, 18]. Зависимость логарифма растворимости от энергии связывания свидетельствует о том, что изменения в структуре углеводорода влияют на его энергию связывания с сывороточным альбумином приблизительно вдвое слабее, чем на растворимость, в то время как в случае ингибиторов химотрипсина влияние на ингибирующую способность и растворимость почти

СН

II

О N N

СН;

III

20*

308

ГЛАВА 8

одинаково. На этом основании можно создать довольно ориентировочно следующую картину процесса связывания: в случае альбумина половина связанной молекулы переходит из водного окружения в неполярное, а другая половина продолжает контактировать с водой; в случае же химотрипсина происходит перенос всей молекулы ингибитора в неводную «фазу».

Имеется множество данных по свободным энергиям переноса малых молекул из воды в неводные растворители, такие, как изобутанол, гексан, эфир и бензол [19]. Параметр гидрофобности л, который служит мерой возможной энергии гидрофобного связывания для данного соединения, был определен из коэффициентов распределения между водой и октанолом [20]. По физико-химическому смыслу л аналогичен параметру а для полярных эффектов. Наклон зависимости логарифмов констант связывания от л для ряда соединений является мерой того, в какой степени процесс связывания близок переносу из воды в октанол; например, наклон такой зависимости для связывания с гемоглобином равен 0,7.

Из различных измерений следует, что в среднем свободная энергия —AF, которую можно получить при переносе неразветвленной углеводородной цепи из воды в неполярный растворитель, возрастает приблизительно на 0,8 ккал/моль (3,36-103 Дж/моль) на каждую дополнительную метиленовую группу. Эта величина основана на данных по растворимости в воде спиртов, углеводородов и жирных кислот, образованию неионных мицелл и димериза-ции анионов жирных кислот. Следует отметить, что она мало зависит от длины цепи вплоть до 12 и в некоторых случаях до 16 атомов углерода [21—23]. (Из недавних исследований растворимости алифатических углеводородов следует, однако, что инкремент для длинной цепи у этих соединений непостоянен [24].) Для молекулы бензола свободная энергия переноса из воды в бензол составляет около —5 ккал/моль (—21-103 Дж/моль). Эта же величина пригодна для оценки энергии переноса бензольной группы из воды в углеводородную область белка.

Данные подобного рода можно также использовать для оценки вклада гидрофобных сил в энергию стабилизации макромолекулы. Полагая, что внутренняя часть белковой глобулы менее гидрофобна, чем чистый углеводород или высший алифатический спирт, и в среднем соответствует гидрофобности этанола, Тенфорд использовал свободные энергии переноса боковых цепей аминокислот из этанола в воду для оценки вклада гидрофобных сил в энергию стабилизации белковой глобулы [25]. На основании этой модели свободная энергия связывания возрастает примерно на 0,7 ккал/моль (2,9-103 Дж/моль) на каждую дополнительную метиленовую группу и на 2 ккал/моль (8,4 •lO3 Дж/моль) на каждое бензольное или индольное кольцо.

Повышение растворимости одного соединения при добавлении к растворителю другого соединения можно объяснить как неспецифическим влиянием па коэффициент активности, так и образованием комплекса между двумя соединениями. Систематизация констант равновесия комплексообразования (большинство из которых было получено по данным о солюбилизации при достаточно низких концентрациях, когда большие изменения коэффициентов активности маловероятны) может стать ценным источником для определения величин энергий взаимодействия, которые можно ожидать у соединений разных классов [26].

Связывание ряда простых ароматических молекул с поливинилпирроли-доном (IV) — растворимым в воде полимером с углеводородным остовом

—CHjCH^—

ж

ГИДРОФОБНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

309

и циклическими третичными амидными группами в боковых цепях — один из примеров связывания простых молекул в водном растворе полимерами известной структуры [27] (табл. 2).

Таблица 2

Связывание малых молекул с поливинилпирролидоном в воде при 30° [27]

Соединение assoc л/моль ккал/моль AS, энтр. ед. дн, ккал/моль

Бензол 3,5 -1,1 18 2,4

Бензойная кислота 3,0 -2,1 12 -1,0

Фенол 14,5 -1,6 15 0,5

2-Нафтол 120 -2,9 12 -1,7

Этот процесс моделирует связывание малых молекул белками. Зависимость степени связывания от концентрации свидетельствует о том, что существует один связующий центр на приблизительно каждые 10 остатков пирро-лидона и свободная энергия связывания составляет от —1 до —2 ккал/моль (от —4,2 до —8,4-103 Дж/моль) на одно ароматическое кольцо, причем связывание несколько возрастает при введении полярных заместителей. Взаимодействие малой молекулы с полимером в основном осуществляется за счет положительного изменения энтропии, которого достаточно для того, чтобы скомпенсировать невыгодные изменения — положительное изменение энтальпии, наблюдавшееся для некоторых соединений, и отрицательное изменение энтропии, которым должны сопровождаться сжатие полимера и ассоциация. То, что полимер подвергается сжатию при связывании незаряженных малых молекул, следует из измерений светорассеяния и понижения вязкости. Это явление моделирует конформационные изменения в белках, происходящие при связывании малых молекул.

б. МИЦЕЛЛЫ

Мицеллы — это наиболее хорошо известный и наиболее интенсивно изучаемый пример действия гидрофобных сил в водном растворе. Многие современные работы, посвященные природе этих сил, тесно связаны с ранними исследованиями в области коллоидной химии мицелл [28]. При образовании мицелл углеводородные цепи дифильных молекул поверхностноактив-ных веществ ассоциируют таким образом, чтобы иметь минимальную площадь поверхности соприкосновения с водой. Гидрофильные группы, которые могут быть как ионогенными, так и неионогенными, стремятся при этом сохранить контакт с растворителем и остаются на поверхности мицеллы. Добавление таких веществ, как спирты, которые увеличивают растворимость неполярных соединений в воде, приводит к разрушению мицелл, делая контакт гидрофобной области с растворителем энергетически более благоприятным. Это проявляется в возрастании критической концентрации мицел-лообразования в присутствии таких веществ. Их добавление главным образом в случае ионных мицелл понижает высокую плотность заряда на поверхности мицеллы, что также способствует разрушению мицелл. Вследствие сложного влияния заряженных групп на свойства мицелл легче сделать определенные выводы, исследуя скорее поведение неионных, чем ионных детергентов.

Удивительно полная аналогия обнаруживается при сравнении структуры и свойств мицелл и глобулярных белков, включая ферменты. Рентгенографические исследования показали, что в глобулярных белках гидрофобные боковые цепи аминокислот обращены внутрь глобулы, в то время как заряженные и другие гидрофильные группы локализуются на поверхности,

310

ГЛАВА 8

сохраняя контакт с растворителем [29]. Добавление органического вещества к раствору белка, так же как и в случае мицелл, делает более благоприятным контакт гидрофобных групп с растворителем. Таким образом, понижается свободная энергия переноса группы к растворителю, что вносит основной вклад в изменение свободной энергии при денатурации белка спиртами, ацетоном и другими подобными соединениями. Температурная зависимость и термодинамические параметры денатурации рибонуклеазы в водно-этанольных смесях такие же, как и при процессах растворения неполярных молекул [30]. (Интересно, что при низкой температуре и низкой концентрации спирта происходит стабилизация белка, что можно сопоставить с понижением растворимости аргона в тех же условиях; это может отражать конкуренцию между молекулами этанола и неполярными группами за ограниченное число пустот в растворителе.)

В гл. 6 было отмечено, что денатурация белка мочевиной и гидрохлоридом гуанидина заключается в энергетически благоприятном взаимодействии этих соединений с амидными и пептидными группами. Энергия этого взаимодействия понижается при замещении атомов водорода в молекулах денатурирующих агентов алкильными группами. Однако мочевина и гидрохлорид гуанидина также способствуют денатурации белков по «гидрофобному» механизму, облегчая контакт неполярных групп с растворителем [31]. Это доказывается их солюбилизирующим действием на углеводороды и на гидрофобные боковые цепи аминокислот, а также дестабилизирующим влиянием мочевины на ионные и неионные мицеллы [32, 33]. Упомянутые два разных механизма действия обеспечивают высокую эффективность этих соединений как денатурирующих агентов на различные типы макромолекул. Их можно различить при исследовании влияния алкилирования на денатурирующую способность мочевин и гуанидинов, так как алкилирование увеличивает эффективность этих соединений при солюбилизации неполярных молекул и оснований нуклеиновых кислот [8, 34, 35].

Можно продолжить аналогию между мицеллами и белками на том основании, что в определенных реакциях мицеллы обнаруживают каталитическую активность, причем воспроизводят ряд характерных черт ферментативного катализа. В большинстве случаев катализатором является мицелла ионного детергента, которая концентрирует субстрат на поверхности и вызывает ускорение, если переходное состояние реакции имеет заряд, противоположный заряду мицеллы [36, 37]. Если переходное состояние заряжено одноименно или вообще на заряжено, обычно наблюдают уменьшение скорости, так как концентрирование реагентов в мицелле уменьшает их доступность для молекул воды. Следовательно, реакции, в которых вода является реагентом или участвует в сольватации полярного переходного состояния, должны замедляться. Диэлектрическая проницаемость в поверхностном слое мицеллы иодида додецилпиридиния равна примерно 36 по оценке ее из максимума полосы поглощения комплекса переноса заряда между иоди-дом и пиридинием [38].

0 0,001 Q002 0.003 0.O0U 0,005 0,006'моль/я БЦТЯ

Рис. 2. Увеличение скорости гидролиза ге-нитрофениловых эфиров уксусной (о) и капроновой (#) кислот в присутствии катионного детергента бромистого цетилтриметиламмония (БЦТА) при рН 10,07 и 25 °С [37].

ГИДРОФОБНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

зи

Яркий пример такого типа катализа — ускорение щелочного гидролиза ге-нитрофениловых эфиров уксусной и капроновой кислот бромистым цетил-триметиламмонием (рис. 2) [37]. При постоянном значении рН 10,07 скорости гидролиза обоих субстратов возрастают, но для эфира с более длинной углеводородной цепью, который сильнее взаимодействует с мицеллой детергента, это ускорение значительно больше. При возрастании концентрации катализатора происходит «насыщение» каталитической активности, т. е. скорость реакции не зависит от концентрации катализатора при его избытке. Подобное «насыщение» наблюдается при возрастании концентраций субстрата при постоянной концентрации катализатора. Аналогичные ускорения наблюдались для реакций эфиров с анионами аминокислот в присутствии бромида цетилтриметиламмония. Ускорения, обнаруживаемые в таких системах, в общем невелики; максимальное увеличение скорости кислотно-катализируемого гидролиза метилортобензоата в присутствии додецилсульфата натрия при рН 4,76 равно 85 [37].

(CH3)3N V- CH2NH(CH2)9CHS

V

О

-03Sу~ ОС(СН2)вСН3

\чо2

VI

Примером ускорения, при котором оба реагента включаются в мицеллу под действием гидрофобных сил, служит ацилирование производного бензил-амина V эфиром VI. Резкое увеличение скорости происходит, когда концентрация V превышает его критическую концентрацию мицеллообразова-ния [39].

Высокая плотность положительного заряда на поверхности мицеллы бромида цетилтриметиламмония должна стабилизировать отрицательно заряженные ионы и переходные комплексы, так что в этих случаях наблюдаемое ускорение реакций можно рассматривать как результат возрастания локальной концентрации ионов гидроксила вблизи субстрата, адсорбированного на поверхности мицеллы. Активность иона гидроксила должна быть постоянной для системы в целом, так что понижение коэффициента активности вблизи мицеллы должно приводить к возрастанию концентрации ионов гидроксила в этой области. Ускорение можно описать более непосредственно как следствие понижения коэффициента активности переходного комплекса реакции на поверхности мицеллы по сравнению с коэффициентами активности реагентов в объеме раствора. Это понижение вызывается гидрофобным взаимодействием с неполярными компонентами и электростатическим с заряженными компонентами переходного состо

страница 57
< 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
графические программы курсы
Выгодное предложение от интернет-магазина KNSneva.ru на дешёвые мониторы для компьютера купить - более 10 лет на рынке, Санкт-Петербург, Пушкинская, ул. Рузовская, д.11.
ножи касуми
клапан кпу -1н

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
(02.12.2016)