Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Г.Дюга, К.Пенни

С— OEt + OH

тетразсрический интермеЗиат

HN^NH

Гидроксил-ионы и имндазол — акцепторы протонов; они мо| гут принимать участие на стадии, определяющей скорость реакции гидролиза эфиров путем общеосновного катализа.

Почему при участии основания скорость реакции возрастает! Можно указать много причин. В основном это происходит благодаря тому, что основание (имндазол) связывает в переходном состоянии (ПС) протон атакующей молекулы воды, так что на атоме кислорода в составе последней сосредоточена повышенная электронная плотность. Таким образом, этот атом кислорода воды становится более отрицательно заряженным и возрастает его способность передавать электронную пару карбонильной группе. Суммарный результат — понижение свободной энергии активации в присутствии основания. В отсутствие катализатора протон акцептирует вторая молекула воды, которая обладает меньшей основностью и, следовательно, является менее эффективным катализатором.

Важный вопрос при изучении механизма катализа состой! в следующем: каким образом можно отличить общеосновной механизм катализа от нуклеофильного?

Как видно из вышеприведенных реакций, переходное состоя! ние включает молекулу воды. Таким образом, имеет смысл проводить реакцию в 2Н20. Связь 2Н—О прочнее, чем связь Н—О, так что энергия перехода дейтериевого иона выше. При основном механизме катализа реакция в 2Н20 идет со скоростью в 2—3 раза меньшей, чем в Н20.

В то же время при нуклеофильном катализе скорости реакци! в обоих растворителях одинаковы, например гидролиз ангидря

Химия ферментов

197

дов в присутствии формиат-ионов. Формиат-ион проявляет менее основные свойства, чем ацетат, но представляет собой лучший нуклеофил. Кроме того, при нуклеофильном катализе образуется нестабильное промежуточное ацилыюе производное, которое при избытке нуклеофила накапливается.

В менее полярных растворителях (вода плюс спирт) соединения менее сольватнрованы, и их активные группы охотнее взаимодействуют друг с другом. Такой пример относится к полифункциональному катализу, при котором одновременное присутствие кислоты и основания может оказывать больший (кооперативный) эффект, чем просто сумма отдельных эффектов. Однако, для того чтобы такой кооперативный механизм имел место, необходимо, чтобы четыре частицы — субстрат, нуклеофил, общекислотная и общеосновная группа — выстроились в определенном порядке. Вероятность такой ситуации гораздо ниже, чем столкновение трех молекул при реализации общеосновного или общекислотного катализа.

Взаимодействие четырех частиц для осуществления кооперативного эффекта возможно в нативном центре фермента, в котором одновременно присутствует несколько типов каталитических групп. Это частично объясняет эффективность ферментов в роли катализаторов.

В том случае, когда нуклеофил находится в составе той же молекулы, говорят о внутримолекулярном катализе. Поясним это, показав участие аминогрупп в гидролизе эфиров. Катализ может проходить по четырем механизмам:

I) внутримолекулярный нуклеофильный катализ

сминоэфир

если амин первичный или вторичный^ то лактам устойчив

2) внутримолекулярный общеосновной катализ

I

198

Глава 4

3) внутримолекулярный общекпслотно-общеосновной (специфический) катализ е or

ОН\|

'С—О участвуют противоположно заряженные частицы

Т

4) электростатическое взаимодействие

е or

ноМ

С

"с=о воинственный механизм

с участием четвертичного N.....r'" амина

r' r"

Первые три механизма кинетически неразличимы, однако второй и третий можно, вероятно, отличить от первого с помощью изотопного эффекта в дептерпйсодержащем растворителе. Третий механизм должен быть чувствителен к влиянию ионной силы, и таким образом его можно отличить от второго, поскольку второй механизм не предполагает участия электрически заряженных частиц. Два последних механизма сходны между собой, однако третий предпочтительнее. При наличии хорошей уходящей группы, вероятнее всего, реализуется первый механизм [53].

До сих пор обсуждался только гомогенный катализ, при котором все реагирующие соединения и катализатор находятся в одной фазе (в растворе). При гетерогенном катализе в реакционной смеси присутствуют по крайней мере две фазы. Как уже упоминалось выше, более обычны системы, в которых твердый катализатор находится в контакте с субстратами в газовой или водной фазе [356, 368].

Можно провести много аналогий между гетерогенным катализом при полимеризации олефинов и тем способом, которым осуществляется катализ природных химических реакций, в частности ферментативный катализ. Действительно, гетерогенный катализ во многих отношениях напоминает ферментативный. Молекула субстрата сталкивается с активным центром на поверхности твердого катализатора, образуя адсорбционный комплекс. Адсорбированный субстрат реагирует в одну или несколько ста' дий под влиянием каталитических групп активного центра. И т конец продукт десорбируется (или удаляется) из активного центра. Таким образом, и для ферментативного, и для гетерогенного катализа говорят об активном центре и образовании комплекса субстрата с активным центром. Осмысление этих понятий помогает сопоставить неферментативный и ферментативный катализ, Тем не менее существует п принципиальное различие, поскольку большинство ферментов несут только один активный центр на молекулу, тогда как в гетерогенных катализаторах на одну ча-

Химия ферментов

199

¦ищу приходится много активных центров. Кроме того, в гете-Ьгенных катализаторах эти центры ие обязательно идентичны. I Важное значение имеет также представление об упорядочений геометрии каталитического центра; именно благодаря такой Ёометрии л-комплексы металлов и олефпнов дают упорядоченные структуры. Например, модель ннкельциклододека-триена показывает, что атом никеля находится точно в центре кольца: «ключ» подходит к «замку» очень точно —вот еще одна аналогия с фермептсубстратпым комплексом.

I Гетерогенные катализаторы весьма широко распространены в нефтехимнче-ской промышленности и в синтезе пластических масс. Хорошо известен катализа-тор Циглера — Натта для полимеризации олефинов разработанный в 50-х гг. Он образован парой TiCl4-AIEt3. Переходный металл Ti(IV) представляет собой координирующий центр; металлорганическая часть молекулы выполняет роль ак-Виватора (восстановителя), алкилируя активный центр (ион титана) и вытесняя один ли андныи атом хлора:

Инициация:

о

С2Н5^

.vC2H,

,*С1

Cl—Тг-С1 + Al(Et)3

CI

CI

C2H5-A1

I ,*ci

CI—Ti-CI

-CI

cr

Cl—Ti<3 + Al(Et)2Cl

cr I

CI

1

CH2

I ,*ci

CHTicO +

1 cr I

1шшиеный центр

СН,

Продолжение реакции:

he. с^н

- -> CI—Ti-..............II

•связь

СГ I Cl

H

л-комплекс

H

CH3

V

CH2^

CH2

,,C1

LCl

(осстаноаление щксЗиого активного

'СН,

активный центр (с- связь)

\

ci-Ti':.........."II

ci

Н н

перехоЭное состояние

Рис. 4.2. Структура поверхность решетки трнхлорнда титана, а — ион титана активном центре со свободным координационным местом; б — молекула пропалена, связанная в комплекс с_ионом титана в активном центре. Черный кружо» изображает растущую цепь полимера [54], © 1962 by the Chemical Society.

Химия ферментов

201

Собственно катализатор — это титан: алюминий лишь инициирует реакцию путем алкилнрования. Алкнлированный комплекс на поверхности титана, образованный таким образом, обладает свободным «местом» для лиганда (свободной орбиталью), ориентированным в направлении олефина (рис. 4.2.).

Далее, нон титана обладает именно такой электронной структурой, которая позволяет ему образовать прочную ковалентную связь с алкильной цепью, причем эта последняя становится лабильной только в присутствии олефнна, образующего я-связь, что и приводит к облегченной миграции лиганда. Этот переходный комплекс затем образует новую Co-связь между Ti и олефином; дальнейший рост цепи происходит путем миграции цепи и присоединения следующего олефина к первоначальному центру связывания.

Реакция стереоспецифична, поскольку каждый новый непредельный мономер всегда вступает в реакцию, находясь в качестве лиганда в одной и той же позиции относительно активного центра титана. Образуется стереорегулярный по-лиолефин, все заместители которого ориентированы в одном направлении. Это изотопический полимер. Если группы последовательно меняют направление ориентации, то это синдиотактический полимер. Если ориентация заместителей случайна, говорят, что соединение атактическое.

иютпактичесАий полипропилен

синЗиотактпически. полипропилен

атактическии полипропилен

Такнм образом, под влиянием металлических катализаторов полимеризация олефинов может протекать с высокой степенью специфичности с образованием кристаллических полимеров, в которых все мономерные единицы расположены одинаковым образом. Для этого в процессе синтеза полимера необходимы регно-к стереоспецифические взаимодействия между растущей цепью полимера, катализатором и реагирующим мономером.

Этот уникальный пример катализа на твердой поверхности имеет много общего с ферментативной реакцией. В частности, в определенной области на поверхности металла находится активный центр, в котором происходит превращение «субстрата», и реакция всегда стереоспецифична.

4.2. Ферменты. Общие понятия

В самом широком смысле фермент — это белок, обладающий каталитической активностью. Более точно его можно определить как полипептидную цепь или совокупность полипептидных цепей, обладающих в нативной форме каталитической активностью. Это сложный сополимер, состоящий из мономеров — аминокислот, находящихся в одинаковой конфигурации. Катализ происходит в специфической области фермента, которую называют каталитическим центром или каталитической щелью. Активный центр состоит из остатков аминокислот, которые участвуют в узнавании и связывании субстрата, а в каталитический центр входят только остатки аминокислот, прямо участвующих в процессе катализа. Согласно существующему представлению об активном центре, лишь некоторые группы в составе ферментов вызывают его высокую каталитическую активность, о

страница 34
< 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 87 88 89

Скачать книгу "Биоорганическая химия" (8.62Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(21.07.2017)