01 - (2005.2) (1125800), страница 46
Текст из файла (страница 46)
В этой реакции осуществляется внутримолекулярньтй общий кислотный и основной катализ двухстадийного переноса ацильной (В.— С вЂ” )-группы,— сначала от субстрата к оксиметильной группе !! О серина, а затем при гидролизе ацилсерина. Третичная структура фермента такова, что три аминокислоты остатка (всего их 245), а именно аспарагиновой кислоты (№ 102 в цепи), гистидина (№ 57) и серина (№ 195), идеально расположены в пространстве для переноса протона: 1а7с, = а 1я К,(АН)+ сопз1, !К/сн = — 131аКа(ВН')+сопз1, где lса и /с, — константы скорости реакций, катализируемых кислотами и основаниями соответственно; Ка(АН) и К. (ВН ) — константы диссоциации катализаторов; се и 13 — коэффициенты Бренстеда, не зависящие от природы АН или ВН+, а зависящие только от типа реакции и условий ее проведения.
Поскольку 1яКа = — рКа, 1д /с, = — орК,(АН) -~ сопя~, 1я7са = 13рКа(ВН')+сопзн (3.23) (3.24) Другими словами, изменение свободной энергии Ь6' при кислотно-основном равновесии пропорционально изменению свободной энергии активации дкО' (раздел 3.3.7.г) при переходе от реагентов к переходному состоянию переноса протона. Для кислот к.<лн> АН+ Б (растворитель) — - А + БН, Ь6' = ЯТрК (АН); К(Реагент)+АН вЂ” е К...Н...А, Ьбг= — ЯТ(пйа; переходное состояйне переноса протона отАНка ЬЙг пропорционально дкб'. Для оснований В+БН (растворитель) = ВН +Я, Ьгя = — ЯТрКа(ВН); КН (реагент)+  — К... Н...
В, пк6~ = — КТ)п 1с,; переходное состояннс переноса протона анкв ЬО' пропорционально ЬО~. Уравнение Бренстеда является одним из соотношений линейности свободных энергий (так как Ь(Т пропорционально ЬОг) и тесно связано с уравнением Гаммета (разд. 3.4.5). 263 В;) как кислота (или основание), тем оно эффективнее как общий кислотный (основной) катализатор. Это означает, что поведение кислот и оснований при ионизацни (обмен протона с растворителем) тесно связано с их поведением как общих кислотных и основных катализаторов.
Соотношение между силой кислоты или основания и скоростью катализируемых ими реакций называется каталитическим законом Бренстеди. Этот закон записывается следующим образом: 3.3.7.а. ВЕЛИЧИНА И СМЫСЛ КОЭФФИЦИЕНТОВ БРЕНСТЕДА Общий кислотный и общий основной катализ с медленным переносом протона В типичном случае общего кислотного или общего основного катализа перенос протона от АН к К или от КН к В является самой медленной стадией общего многостадийного процесса (разд. 3.3.6.в).
Рассмотрим, например, энергетический профиль реакции для общего основного катализа, когда скорость реакции контролируется переносом протона от реагента КН к катализатору Во (рис. 3.11,а). Энергетический профиль можно представить как результат наложения друг на друга отдельных параболических кривых потенциальной энергии для КН и ВоН', соответствующих растяжению связи К вЂ” Н при переходе от (КН+ Во) к переходному состоянию (К...Н...Во) и растяжению связи Во — Н при переходе от (ВоН +К ) к этому же переходному состоянию (последний процесс происходит в обратной реакции, рис. 3.11,б).
«оороакати реакции Рис. 3.)!. Реакции переноса протона (а), ее моделирование двумя кривыми растязкения связей (о) и вывод соотноеце1зия Бренстеда (а) Теперь изменим катализатор Во на немного более слабое основание Вн Энергия сопряженной кислоты В;Н будет немного выше энергии ВоН, а если В; и Во не очень отличаются по типу и строению (например, В; и Во — два замешенных в кольце анилина, однако нельзя брать случаи, коща, например, В = анилин, а Во =СН30 ), то форма двух кривых ВН' будет одинакова и просто одна парабола будет вертикально сдвинута относительно другой без изменения (рис. 3.11,в).
Разность свободных энергий активации ЛАХОР для двух реакций КН+Во и КН '-В, в таком случае будет приблизительно пропорциональна разности стандартных свободных энергий ЬЬО' для равновесной диссоциации ВоН' и В;Н+. Если представить ветви парабол в области пересечения 264 параллельными прямыми, то из рис. 3.11,в следует: ) 2),оу= "б~ 2) Ла' 1КЕ)+1й 3 т. е.
1й(7га(1)/1Г„(0)) = 1я(Ке(Ю)/К,(0)1 )я О 100+1дд = — /3(рк.(вн') — рк.(в,н )). Таким образом, величина коэффициента Бренстеда Д (и, аналогично, для кислотного катализа величина гт) зависит от наклонов кривых для КН и ВН+ в точке их пересечения. Как показано на рис. 3.12, величина коэффициента Бренстеда должна лежать в пределах от 0 до 1, т. е. 0 </3 < 1 для реакции КН+В К~+ВН~ и 0< а< 1 для реакции К+АН- КНФ+Ае".
Если кривьзе пересекаются в вершине параболы КН, то Д = 0 (рис. 3.12,а) и перенос протона происходит без затраты энергии. Такую реакцию практически реализовать очень трудно, так как при больших скоростях переноса протона лимитирующей стадией может стать процесс образования комплекса соударения КН с В и наблюдаемая величина Д = 0 практически будет следствием диффузионного контроля, а не характера пересечения энергетических кривых. Следовательно, сг — О, Д -ч О, если скорость переноса Рис. 3.) 2. Физический смысл коэффициента Бренстеда.
а — ~КΠ— ~ О; по энергии и структуре переходное состояние (К... Н... В) очень близко к реагснтам (КН ч В). 6 в обычная реакция. и — гереходное состояние очень близко к продуктам реакции (н- -вн'), ~ав-О 265 протона контролируется диффузией реагентов. Если кривые пересекаются в вершине параболы ВН, то 13 = 1 !рис. 3.12„в). В этом случае реагенты переходят в продукт путем постепенного подъема по склону энергетической поверхности и «яма» на кривой ВН+ фактически является высшей точкой поверхности.
Очевидно, что а — 1 1!3 — 1) характерны для очень медленных процессов переноса протона (реакция очень слабых кислот с очень слабыми основаниями). Наиболее часто в практике встречаются случаи, когда О < о(!3) < 1 (рис. 3.12,б). Таким образом, величина коэффициента Бренстеда проливает свет на структуру переходного состояния.
Если гт!!3) малы по величине, то структура переходного состояния близка к структуре реагентов, активационного барьера почти нет и лимитирующей стадией может быть диффузия реагентов друг к другу. Если се(!3) приближаются к единице, то структура переходного состояния близка к структуре продуктов реакции. Общий кислотный и общий основной катализ с быстрым переносом протона Если перенос протона между катализатором и субстратом происходит быстро и при этом вначале устанавливается кислотно- основное равновесие с образованием сопряженной кислоты (или сопряженного основания) субстрата, которая дальше превращается в продукты (енолизация ацетальдегида; разд.
3.3.б.в), то смысл коэффициента Бренстеда будет немного иной. Для общего кислотного катализа К+НзО+ . КН++НзО, быстро КН++А = — К+НА медленно на основании уравнения (3.22) можно написать Анабл КатАН) 'А! !гз или 1оо!гнабл =1ооАа+1ЯА! +1оокз ° Применяя уравнение Бренстеда (3.24) для основного катализа на второй стадии, получим !д/сз = — !31я Кн(АН) "- сопз!. 266 Следовательно, 1яЕиаби =(1 — (3)1яК,(АН)+1яК1сопзк К1 не зависит от природы катализатора АН, и поэтому полученное соотношение будет нормальным уравнением Бренстеда для кислотного катализа с коэффициентом (3.25) Это тоже очень важное соотношение.
Когда серия кислот АН реагирует с одним и тем же основанием В, сумма коэффициентов для прямой реакции АН+  — "— и+ ВН" + А и обратной реакции ВН +А — "- АН+В равна единице, поскольку 1КК=1й~дн — 1ЕК~ = РКа(АН)+РКа(ВН )1 где К =/сдн/1гд — константа равновесия АН+ В = ВН +А . Подставляя уравнение (3.23), получаем 1й/сд- =(1 — а), рКа(АН)+1й/са(ВН )+сопзь Таким образом, коэффициент (3 для обратной реакции равен (1 — о), где а — коэффициент для прямой реакции (спд.
3.3.7.б. АНОМАЛЬНЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ БРЕНСТЕДА а(д) < О и а()3) ) 1 Кислоты Бренстеда состоят из протона и его переносчика (сопряженного основания). В переходном состоянии переноса протона протон лежит посередине между старым основанием, отдающим его, и новым основанием, которое его забирает.
В продукте реакции протон целиком принадлежит новому основанию. Чем более полно в переходном состоянии протон переносится к новому основанию, т.е. чем ближе переходное состояние к продукту, тем больше влияние структурных изменений (введения заместителей в молекулу кислоты или основания) на константу скорости должно походить на влияние этих же структурных изменений на константу равновесия.
В соответствии с рис. 3.12, чем ближе величина В к единице, тем больше степень переноса протона к основанию, а чем меньше р', тем меныпе степень образования связи протона с основанием 2б7 в переходном состоянии. Аналогично высокие и низкие значения а связаны соответственно со значительным и незначительным переносом протона от кислоты в переходном состоянии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
