Э. Фёршт - Структура и механизм действия ферментов (1128692), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Таким образом, Ь~ —— (ЬТ/Ь) ехр(ГхЯ*/хт) ехр( — ЬН (ГГТ). (2.7) (При более строгом подходе в это выражение входит множи- тель, известный под названием трансмиссионного коэффициента, однако обычно он близок к 1, и им можно пренебречь.) ' Лля простых кинетических экспериментов и опытов по связыванию наиболее полезны два термодинамических уравнения: а) соотношение между изменением энергии Гиббса и константой равновесия реакции ао — нтък; б) соотношение между изменением энергии Гиббса и изменениями эи.
тальпии н энтропии АО =он — тля, Частота распада переходного комплекса совпадает с частотой колебаний ч разрываемой связи. Эта частота получена из равенства энергий возбужденного осциллятора, рассчитанных на основе квантовой теории (Е = Ьч) и классической физики (Е = ЬТ) т = Ьт~й, (2.2) химическип клтАлиз 49 1, Значение теории переходного состояния и ее применение Ценность теории переходного состояния заключается в том, что оиа связывает скорость реакции с разностью энергий Гиббса для переходного и основного состояний.
Это особенно важно при рассмотрении относительной реакционной способности субстратов или при сравнении скорости данной реакции в различных условиях. Иногда удается рассчитать отношениескоростей или в более общем случае качественно определить характер изменения реакционной способности. Например, щелочной гидролиз такого эфира, как фенилацетат, включает атаку нейтрального реагента в основном состоянии отрицательно заряженным гидроксилионом. Это означает, что переходный комплекс должен нести некоторый отрицательный заряд, перенесенный на эфир. Можно ожидать, что п-нитрофенилацетат является более реакционно- способным соединением, чем фенилацетат, поскольку нитрогруппа оттягивает на себя электрон и стабилизирует отрицательно заряженное переходное состояние.
Рассмотрим спонтанное разложение трет-бутилбромида на ион трет-бутилкарбония и бромид-ион. Переходное состояние этой реакции должно иметь биполярный характер, поэтому полярный растворитель (например, вода) будет стабилизировать его, а неполярный (например, диэтиловый эфир) — дестабилизировать. В гл. 1О и !1 мы рассмотрим применение теории переходного состояния для количественного анализа ферментативных реакций — выявления зависимости реакционной способности испецифичностиот структуры при дискретном изменении структуры субстрата.
2. Постулат Хэммонда Щ Для применения теории переходного состояния, а также при анализе данных по зависимости реакционной способности реагентов от структуры весьма полезен постулат Хэммонда. Постулат утверждает, что если в ходе реакции образуется нестабильное промежуточное соединение, то переходный комплекс будет близок к нему по структуре. Связано это с тем, что нестабильному промежуточному соединению отвечает неглубокий минимум на диаграмме изменения энергии системы вдоль координаты реакции, расположенный вблизи максимума кривой.
Постулат Хэммонда позволяет предсказать структуру переходного состояния и способ его стабилизации. Например, промежуточным соединением в реакции, катализируемой лизоцимом, является карбоксоний-ион (рис. 2.2). Поскольку это нестабильное высокоэнергетическое соединение, есть основания считать, что переходное состояние имеет структуру карбоксоний-иона. бо ГЛАВА а К бимолекулярным реакциям постулат Хэммонда неприменим. В этих реакциях участвуют две молекулы, при столкновении которых образуется один переходный комплекс, и изменение энергии Гиббса обусловлено в основном уменьшением энтропии (равд. Б.4), Постулат Хэммонда справедлив главным образом по отношению к разностям энергий, и его применение наиболее эффективно в случае мономолекулярных реакций. Иногда он Рис.
2.2. Переходное состояние для реакции расщепления ацеталя по своей структуре близко к промежуточному соединениго — карбоннй-иону,которому соответствует небольшой минимум вблизи максимума на кривой зависимости энергии от ко- ординаты реакции. выполняется и в такой ситуации, когда разность энергий реа. гентов и продуктов достаточно велика. Если продукты очень нестабильны, то переходное состояние по своей структуре близко к ним. Если же нестабильны исходные реагенты, переходное состояние имеет структуру, аналогичную структуре этих реагентов (правда, в этом последнем случае постулат выполняется менее строго). Б.
Принципы катализа 1. В каких случаях и почему необходим катализ Чтобы показать, насколько велика роль катализа, рассмотрим некатализируемые реакции, которые в принципе ускоряются химотрипсином и лизоцимом. Атака эфира водой в отсутствие катализа приводит к образованию переходного состояния, в котором атакуюшая молекула ГЛАВА 3 На приведенной ниже схеме роль общего кислотного катализа.
тора играет уксусная кислота. ( ) оь (2.11) Н, О ССНз /~ О О ССН, l~ О ЕИСГПРС СН СО~ 4 Ф~ +ХН Рассмотренный кислотно-оснбвный катализ называется общим, с тем чтобы отличать его от специфического кислотного или оснбвного катализа, в котором катализатором является протон или гидроксил-ион. Положительный и отрицательный заряды можно стабилизировать и с помощью электростатического катализа. Так, положительно заряженный карбоний-ион не удается стабилизировать путем общего оснбвного катализа, поскольку он не ионизируется, однако его можно стабилизировать электрическим полем отрицательно заряженного карбоксилат-иона. Отрицательный заряд на оксианионе также может быть стабилизирован с помощью таких положительно заряженных ионов металлов, как 2п'.Г или Мйе+.
Стабилизация отрицательного заряда, т.е.электрона, называется электрофильным катализом. Рассмотренные выше типы катализа основаны на стабилизации переходного состояния реакции без изменения ее механизма. Но каталитический процесс может изменитьпуть протекания реакций. Типичный пример такого рода — нуклеофильный катализ переноса ацила или реакции гидролиза. Гидролиз уксусного ангидрида существенно ускоряется в присутствии пиридина благодаря быстрому образованию высокореакционноспособного ацетилпиридиний-иона. химическии катализ зз Для эффективного нуклеофильного катализа необходимо, чтобы замещающее нуклеофильное соединение имело более сильно выраженный нуклеофильный характер, чем замещаемое, а промежуточное соединение было более реакционноспособным, чем исходное. Нуклеофильный катализ — это типичный случай ковалентного катализа: субстрат временно модифицируется путем образования ковалентной связи с катализатором, в результате чего образуется реакционноспособное промежуточное соединение.
Известно также множество примеров электрофильного катализа путем ковалентной модификации. Как мы увидим ниже, в реакциях, протекающих с участием пиридоксальфосфата и тиаминпирофосфата, и в реакциях образования шиффовых оснований электроны стабилизируются путем их делокализации. 2. Общий кислотно-основный катализ а. Обнаружение н количественный анализ Эффективность общего катализа реакции гидролиза эфира оценивается по возрастанию константы скорости реакции гидро- лиза при увеличении концентрации кислоты или основания. Обычно это делается при постоянном значении рН, что обеспечивает постоянство отношения кислых и оснбвных форм катализатора.
Важно, чтобы ионная сила реакционной смеси сохранялась постоянной, поскольку многие реакции чувствительны к изменению концентрации солей. Чтобы выяснить, какой формой катализатора — кислой или оснбвной — осуществляется катализ, необходимо провести измерения, меняя состав буфера. Скорость гидролиза эфира обычно пропорциональна концентрации оснбвного компонента буфера, т. е.
имеет место общий оснбвный катализ. Наклон прямой, представляющей собой зависимость константы скорости от концентрации основания, дает константу скорости второго порядка для общего оснбвного катализа (рис. 2.3). б. Эффективность кислотно-оснбвного катализа: уравнение Брйнстеда [6! Установлено, что эффективность общего оснбвного катализа в реакциях гидролиза эфира пропорциональна основности катализатора !7). Зависимость константы скорости этой реакции от концентрации основания определяется уравнением (2.1 3) ! д яз = А + бр К,. ГЛАВА Я 54 Выражение (2,13) представляет собой одно из уравнений Бренстеда.
[) — Коэффициент Бренстеда, который является мерой чувствительности реакции к рК. сопряженной основанию кислоты, А — константа, характерная для данной реакции. 4 гя ". у «« и йг а4 да йб (бснвзанизхм Рис. 2.3. Определение констант скорости гидролиза этилдихлорацет.ага, каталнзируемого по механизму общего оснбвного катализа (зевс(гз 'мг. Р., Саггшо!о )., Агвег. сьепх Зос., аа, !743 (1961).) На графике изображена зависимость констант скорости первого порядка от концентрации основания. Наклон прямых дает константы скорости реакций второго порядка для случая общего основного катализа (йг).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
