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A1. Allgemeine Säure- und Basenkatalyse - Biologie

A1. Allgemeine Säure- und Basenkatalyse - Biologie


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Reaktionen in Lösung, die nicht katalysiert werden, sind langsam, da Ladungsentwicklung und -trennung im Übergangszustand erfolgen. Beim Knüpfen oder Aufbrechen von Bindungen werden oft geladene Zwischenprodukte gebildet, deren Energie höher ist als die der Reaktanten. Da das Zwischenprodukt eine höhere Energie als die Reaktanten aufweist, wäre der Übergangszustand noch energiereicher und würde daher dem geladenen Zwischenprodukt stärker ähneln. Alles, was die Ladungen der Zwischenstufe und damit die sich entwickelnden Ladungen in den Übergangszuständen stabilisieren kann, senkt die Energie des Übergangszustands und katalysiert die Reaktion. In diesem Abschnitt werden wir den Mechanismus untersuchen, der der Katalyse chemischer Reaktionen durch kleine Moleküle zugrunde liegt. Vermutlich werden biologische makromolekulare Katalysatoren (wie Proteinenzyme) ähnliche Mechanismen in ihren katalytischen Wirkungen nutzen (die im nächsten Abschnitt diskutiert werden).

Katalysatoren, einschließlich Enzymen, können mindestens 5 verschiedene Wege nutzen, um Übergangszustände zu stabilisieren.

Die Ladungsentwicklung im TS kann verringert werden, indem entweder ein Proton von allgemeinen Säuren (wie Essigsäure oder ein protonierter Indolring) an ein Atom wie ein Carbonyl-O abgegeben wird, das im TS eine negative Teilladung entwickelt, wenn es durch a . gebunden wird Nukleophil. Protonenspende verringert das sich entwickelnde Negativ im TS. Alternativ kann ein Nukleophil wie Wasser, das im TS eine positive Teilladung entwickelt, wenn es beginnt, eine Bindung an ein elektrophiles C in einem Carbonyl zu bilden, durch die Anwesenheit einer allgemeinen Base (wie Acetat oder der deprotonierte Indolring) stabilisiert werden. . Protonenabstraktion verringert die sich entwickelnde positive Ladung

Abbildung: LADUNGSENTWICKLUNG IM ÜBERGANGSZUSTAND DER ESTERHYDROLYSE

Abbildung: MECHANISMUS DER ALLGEMEINEN SÄUREKATALYSE

Abbildung: MECHANISMUS DER ALLGEMEINEN BASISKATALYSE


A1. Allgemeine Säure- und Basenkatalyse - Biologie

Wie erreichen Enzyme unter moderaten pH-, Temperatur- und Druckbedingungen so hohe Geschwindigkeitssteigerungen?

Schauen wir uns einige der vielen Möglichkeiten an, auf denen Enzyme Katalyse durchführen.

Denken Sie daran, dass katalytische Mechanismen im Allgemeinen nicht beobachtet werden können, da Proteinstrukturen durch Röntgenkristallographie bestimmt werden können, sondern aus Kristallstrukturen und einer Vielzahl anderer Ansätze abgeleitet werden

1) Allgemeine Säurehydrolyse (Allgemeine Basenhydrolyse)

Wird von vielen Enzymen verwendet. Betrachten Sie die Esterhydrolyse, die entweder durch Säure oder Base katalysiert wird.

(In den unten gezeigten Reaktionen kommen Sie in den Unterricht, um einige Details zu erfahren.)

Allgemeine Säurehydrolyse bezieht sich auf einen teilweisen Protonentransfer von einem Protonendonor (einer allgemeinen Säure) auf ein Substrat, beispielsweise um den Übergangszustand zu stabilisieren. Die protonierten Formen von His, Asp und Glu können als allgemeine Säuren fungieren. Auch Tyr, Cys und Lys. Der Übergangszustand in dieser Reaktion wäre eine tetraedrische Form, ähnlich der oben gezeigten.

In ähnlicher Weise bezieht sich die allgemeine Basenkatalyse auf die partielle Protonenabstraktion durch einen Protonenakzeptor – unten gezeigt:

Eine allgemeine Basenkatalyse kann durch die unprotonierten Formen der oben aufgeführten Aminosäuren durchgeführt werden: Asp, Glu, His, Tyr, Cys, Lys.

Es ist möglich, dass ein einzelner Aminosäurerest an verschiedenen Punkten in einem einzelnen Enzymzyklus sowohl an der allgemeinen Säure- als auch der allgemeinen Basenkatalyse teilnimmt.

Während des Enzymzyklus wird eine kovalente Bindung zwischen dem Enzym und dem Substrat gebildet.

  • 1) nukleophiler Substratangriff durch eine Enzymgruppe (z. B. Aminogruppe)
  • 2) elektrophiler Elektronenentzug vom Substrat
  • 3) Blätter der nukleophilen Gruppe, die das ursprüngliche Enzym regenerieren

Beispiel ist im Text gezeigt: Abb. 11-9, für die Decarboxylierung von Acetoacetat, katalysiert durch ein Amin.

Typische Reste, die in der kovalenten Katalyse verwendet werden, sind Lys, His, Cys, Asp, Glu, Ser, auch einige Coenzyme

Die nukleophile Form dieser Reste ist die unprotonierte.

Metallionen werden in der Katalyse verwendet

  • a) Eng an Enzyme gebunden, z.B. Fe, Cu, Zn (Siehe FeS-Beispiel)
  • b) Locker gebunden, wie in transienten Komplexen von Mg-ATP
  • Orientierung der Substratbindung (über Ladung)
  • Oxidations-Reduktions-Reaktionen (Elektronenübertragung)
  • elektrostatische Stabilisierung negativer Ladung (im Substrat- oder Übergangszustand)

Beispiel Carboanhydrase

Zn 2+ benötigt 4 Liganden. Es hat 3 His-Liganden aus dem Protein und 1 Molekül Wasser in Form von OH-

Das Zn 2+ stabilisiert das Hydroxid, sodass es das CO . angreifen kann2.

OH - wird durch das Zn 2+ aus Wasser regeneriert

Weitere Informationen zu Carboanhydrase finden Sie in der interaktiven Übung von Abb. 11-11 auf der CD-ROM

4) Elektrostatische Katalyse

Dies bezieht sich auf die Verstärkung elektrostatischer Wechselwirkungen in der unpolaren Umgebung des Inneren von Enzymen.

h2O ist im Allgemeinen von aktiven Zentren ausgeschlossen, es sei denn, es wird katalytisch benötigt. Dies schafft eine Umgebung mit niedriger Dielektrizitätskonstante, in der elektrostatische Wechselwirkungen stärker sind.

Enzym-Übergangszustands-Wechselwirkungen, die eine Ladungsstabilisierung beinhalten, werden verstärkt.

5) Nähe und Orientierung

Diese verweisen auf die Bedeutung der genauen Anordnung der katalytischen Gruppen am aktiven Zentrum.

Die katalytischen Reste von Trypsin sind Ser und His, aber diese Seitenketten (Methanol und Imidazol) erhöhen die Geschwindigkeit der nicht-enzymatischen Proteolyse in Lösung nicht merklich.

Die Nähe ist wichtig, da das Enzym alle notwendigen Gruppen dem Substrat bereitstellt, wenn es an das aktive Zentrum bindet. Die "effektive Konzentration" wird erhöht. Auch die Orientierung ist wichtig. weil die Seitenketten in Proteinen relativ "fixiert" sind und geometrische Überlegungen bei der Katalyse wichtig sind.

Bevorzugte Übergangszustandsbindung

Dies bezieht sich auf Wechselwirkungen zwischen Enzym und Übergangszustand, die im Enzym-Substrat-Komplex nicht vorhanden sind

Dies hängt mit dem Konzept der "Beanspruchung" zusammen, dass das Enzym das Substrat verzerrt, um es dem Übergangszustand ähnlicher zu machen, z. geometrisch.

Um die Katalyse durch ein Enzym zu erhöhen, ist es absolut notwendig, die Enzym-Übergangszustand-Wechselwirkungen im Verhältnis zu den Enzym-Substrat-Wechselwirkungen zu erhöhen

Ein wirksames Enzym stabilisiert S ‡ mehr als S.

Das Enzym muss das Substrat mit der richtigen Orientierung binden, aber nicht unbedingt so fest.

Ein perfektes Enzym sieht wie folgt aus, bei dem alle Barrieren ungefähr gleich sind. Die Bindung des Substrats und die Freisetzung des Produkts erfolgen also nicht schneller als der Reaktionsschritt.

Eine Konsequenz der Übergangszustandstheorie ist, dass Übergangszustandsanaloga potente kompetitive Inhibitoren sein sollten.

Produkte sind in der Regel kompetitive Inhibitoren, da sie in gewisser Weise immer Substraten ähneln.

Diese Argumentation hat zur Produktion von katalytischen Antikörpern geführt.

Antikörper sind vom Immunsystem synthetisierte Proteine, die eine spezifische, hochaffine Bindung an andere Moleküle aufweisen.

Wenn ein Antikörper fest an ein Analog des Übergangszustands bindet, könnte er auch als Enzym für diese spezielle Reaktion fungieren.

Basierend auf dieser Strategie wurden viele katalytische Antikörper für eine Vielzahl von Reaktionen hergestellt.

Man muss ein geeignetes Übergangszustandsanalogon synthetisieren, es einem Kaninchen injizieren und den Antikörper in wenigen Monaten ernten.

Siehe Link zu Antigenbindung durch Antikörper.

pH-Abhängigkeit der Enzymkinetik:

Viele Enzyme weisen Raten auf, die mit dem pH-Wert variieren. Dies spiegelt wider, dass die Ladung oder der Protonierungszustand einer oder mehrerer Gruppen die Katalyse beeinflussen kann.

1) Das aktive Zentrum des Enzyms enthält eine Gruppe, die protoniert oder nicht protoniert werden muss. Dies kann sowohl katalytische als auch Bindungsschritte beeinflussen.

2) Im Enzym kann aufgrund von Protonierung/Deprotonierung eine Konformationsänderung auftreten, und ein Zustand ist weniger aktiv oder inaktiv. Dies könnte ein Verlust eines Ionenpaares sein.

3) Das Substrat kann eine Gruppe enthalten, deren Protonierungszustand die Bindung an das Enzym beeinflusst.

Unten sind 3 typische Typen der pH-Abhängigkeit der Enzymaktivität dargestellt.

Was können wir aus solchen Plots lernen?

Wenn der Plot ein Plateau hat, ist der pKein Der Wert wird als Mittelpunkt des Übergangs angezeigt (als Punkt angezeigt).

Von der pKein Wert können wir die beteiligte Aminosäure erraten, wenn auch nicht mit Sicherheit.

Zum Beispiel pKein 3-5 schlagen Asp oder Glu vor

Diese pKein Werte von Asp oder Glu könnten verschoben werden, wie zuvor erklärt:

In einem Ionenpaar ist der pKein der Säure wird nach unten verschoben, weil es schwieriger ist, die Säure zu protonieren (und die notwendige Ladung zu verlieren)

In einer unpolaren Umgebung ist der pKein der Säure wird nach oben verschoben, da es schwieriger wird, die Säure zu deprotonieren, wodurch eine ungünstige Ladung entsteht.

Aus der pH-Abhängigkeit können wir leicht feststellen, ob die protonierte oder die unprotonierte Form der aktive Zustand ist. Tritt bei hohem pH-Wert eine hohe Aktivität auf, dann ist die unprotonierte Form der aktive Zustand.


  • Hier protoniert oder deprotoniert das Enzym das Substrat, um die freie Energie des Übergangszustands zu senken.
    • Das Enzym kann entweder als Säure oder Base wirken
    • Beispiele für Säure/Base-Katalyse
      • RNAase A
        • Eine Hydrolase, die Phosphodiesterbindungen in RNA hydrolysiert
        • Aktive Seiten haben zwei Histidine
        • Beinhaltet ein 2’3’ zyklisches Nukleotid-Zwischenprodukt
        • Meist Beta-Sheet
        • His 12 wirkt als allgemeine Base und His 119 als allgemeine Säure, um den nukleophilen Angriff und die Bindungsspaltung zu fördern.
        • Ein katalytischer Mechanismus, an dem ein kovalentes Zwischenprodukt aus Enzym und Substrat beteiligt ist
        • Die vorübergehende Bildung des Komplexes erhöht die Reaktionsgeschwindigkeiten
        • Das Enzym greift das Substrat nukleophil an (auch nukleophile Katalyse genannt)
        • Reversibel

        Abstrakt

        Histondeacetylasen (HDACs) regulieren zelluläre Prozesse wie Differenzierung und Apoptose und werden von Krebstherapeutika in der Entwicklung und in der Klinik gezielt eingesetzt. HDAC8 ist ein metallabhängiger Klasse-I-HDAC und soll ein allgemeines Säure-Base-Katalysatorpaar im Mechanismus der Hydrolyse von Amidbindungen verwenden. Hier berichten wir über ortsgerichtete Mutagenese und enzymologische Messungen, um den katalytischen Mechanismus von HDAC8 aufzuklären. Insbesondere konzentrieren wir uns auf die katalytische Funktion von Y306 und den Histidin-Aspartat-Dyaden H142-D176 und H143-D183. Darüber hinaus berichten wir über Röntgenkristallstrukturen von vier repräsentativen HDAC8-Mutanten: D176N, D176N/Y306F, D176A/Y306F und H142A/Y306F. Diese Strukturen bieten einen nützlichen Rahmen für das Verständnis enzymologischer Messungen. Die pH-Abhängigkeit von kKatze/Km für Wildtyp-Co(II)-HDAC8 ist glockenförmig mit zwei pKein Werte von 7,4 und 10,0. Das obere pKein spiegelt die Ionisierung des metallgebundenen Wassermoleküls wider und verschiebt sich in Zn(II)-HDAC8 zu 9.1. Die H142A-Mutante hat eine 230-fach geringere Aktivität als die von Wildtyp-HDAC8, aber der pKa1 Wert wird nicht verändert. Y306F HDAC8 ist 150-mal weniger aktiv als das Wildtyp-Enzym Kristallstrukturen zeigen, dass Y306 Wasserstoffbrücken mit dem zinkgebundenen Substrat-Carbonyl bildet, bereit für die Stabilisierung des Übergangszustands. Die H143A- und H142A/H143A-Mutanten weisen eine Aktivität auf, die >80000-fach niedriger ist als die von Wildtyp-HDAC8. Diese enzymologischen und strukturellen Studien deuten stark darauf hin, dass H143 als einzelner allgemeiner Base-allgemeiner Säure-Katalysator fungiert, während H142 positiv geladen bleibt und als elektrostatischer Katalysator zur Stabilisierung des Übergangszustands dient.


        Wert der allgemeinen Säure-Basen-Katalyse für Ribonuklease A

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        SCHLUSSFOLGERUNGEN

        Die Ergebnisse dieser Studie liefern überzeugende biochemische Beweise dafür, dass HDAC8 einen katalytischen Mechanismus verwendet, bei dem H143 ein einzelner allgemeiner allgemeiner Säurekatalysator ist, während H142 ein elektrostatischer Katalysator ist, der auch bei der richtigen Positionierung von H143 durch sterische Wechselwirkungen helfen kann. Ein überarbeiteter HDAC8-Mechanismus basierend auf diesen Ergebnissen ist in Abbildung 8 dargestellt. Dieser Mechanismus unterscheidet sich von dem ursprünglich vorgeschlagenen, basierend auf der Kristallstruktur des Histondeacetylase-ähnlichen Proteins aus Aquifex aeolicus, in dem H142 als allgemeiner basischer Katalysator dient und H143 als allgemeiner saurer Katalysator dient. 31 Wichtig ist, dass der revidierte Mechanismus andere Protonierungszustände von H142 und H143 im nativen Enzym vorhersagt als ursprünglich vorgeschlagen, auf die wirksame HDAC-Inhibitoren abzielen könnten. Der überarbeitete Mechanismus stimmt mit den Ergebnissen von QM/MM-Studien überein, die von Zhang und Kollegen berichtet wurden, die darauf hindeuten, dass H143 als allgemeine Säure im Allgemeinen dient, 60,61, steht jedoch im Gegensatz zu den Schlussfolgerungen von QM/MM-Studien, die von Wiest und Kollegen berichtet wurden dass H142 als allgemeine Base dient und H143 als allgemeine Säure dient. 62 Zukünftige Studien werden die Details der Säure-Base-Chemie für die Katalyse und die Bindung von Inhibitoren an HDAC8 sowie an andere Mitglieder der HDAC-Enzymfamilie untersuchen und weiter klären.

        Die hier berichteten Daten stützen einen neuen Mechanismus, bei dem H143 sowohl der allgemeine Basen- als auch der allgemeine Säurekatalysator ist und H142 protoniert ist und als elektrostatischer Katalysator dient. Das katalytische Metallion und Y306 orientieren das Substratcarbonyl und stabilisieren das tetraedrische Intermediat und seine flankierenden Übergangszustände.


        Homogene Katalyse

        Liegen der Katalysator und die reagierenden Stoffe gemeinsam in einem Aggregatzustand vor, meist gasförmig oder flüssig, so ist es üblich, die Reaktionen als homogene Katalyse zu klassifizieren. Stickstoffoxide dienen als Katalysatoren für die Oxidation von Schwefeldioxid im Bleikammerprozess zur Herstellung von Schwefelsäure, einer homogenen Katalyse, bei der Katalysator und Reaktionspartner Gase sind. Spuren von Wasserdampf katalysieren einige Gasreaktionen – zum Beispiel die Wechselwirkung von Kohlenmonoxid und Sauerstoff, die unter trockenen Bedingungen nur langsam abläuft. Schwefelsäure als Katalysator für die Bildung von Diethylether aus Ethylalkohol ist ein Beispiel für eine homogene Katalyse in flüssiger Phase (bei der die Produkte Wasser und Ether kontinuierlich destillativ entfernt werden). mit einer einzigen Ladung Schwefelsäure in Ether umgewandelt. Auch die Inversion von Rohrzucker und die Hydrolyse von Estern durch saure Lösungen sind Beispiele für homogene Katalyse in flüssiger Phase.

        Die Oxidation von Natriumsulfitlösungen durch gelösten Sauerstoff wird durch winzige Spuren von Kupferionen im homogenen Flüssigkeitssystem stark beschleunigt. Dieses System ist von besonderem Interesse, da gezeigt wurde, dass es sich bei dem Prozess um eine Kettenreaktion handelt. In diesem Fall können viele tausend Moleküle von Natriumsulfit zu Sulfat oxidiert werden, wenn der anfängliche Aktivierungsprozess durch Absorption einer begrenzten Anzahl von Lichtquanten (diskrete Energiemaße) erzeugt wird. Das beste Beispiel für eine durch Licht ausgelöste Kettenreaktion ist die Photokombination von Wasserstoff (H2) und Chlor (Cl2) bis zu einer Million Chlorwasserstoffmoleküle können durch Absorption eines einzelnen Lichtquants (bezeichnet als h). Hier ist die Reaktionsfolge

        wobei die Reaktionen 2 und 3 immer wieder wiederholt werden. Es ist von Interesse anzumerken, dass solche Kettenreaktionen durch die Anwesenheit von negativen Katalysatoren, die häufiger als Inhibitoren bezeichnet werden, verzögert werden können. Dies sind Stoffe, die die Gesamtreaktion verlangsamen, indem sie die Reaktionsketten verkürzen, im Allgemeinen indem sie mit einer der chemischen Komponenten, die die Kette aufrechterhalten, eine Nicht-Kettenreaktion eingehen. Als Inhibitoren der Oxidation von Sulfitlösungen wurde eine Vielzahl von Substanzen gefunden, darunter Alkohole, Zucker und Phenole.

        Eine verallgemeinerte Behandlung der homogenen Katalyse durch Säuren und Basen wurde von dem dänischen Physikochemiker J.N. Brønsted Mitte der 1920er Jahre auf der Grundlage seines Konzepts von Säuren und Basen. Nach Brønsted ist eine Säure ein Molekül, das ein Proton liefern kann, und eine Base ist ein Molekül, das ein Proton aufnimmt. Unter dieser Annahme umfasst die Palette der Säuren so unterschiedliche Materialien wie Bisulfat-Ion, HSO4 − Essigsäure, CH3COOH-Wasser, H2O Hydroniumion, H3O + und Ammoniumion, NH4 + . Die entsprechenden Basen sind Sulfationen, SO4 2− Acetation, CH3COO − Hydroxidion, OH − Wasser, H2O und Ammoniak, NH3 (diese Substanzen nehmen Protonen auf, um die aufgeführten Säuren zu ergeben). Brønsted untersuchte eine Reihe von säure- und basenkatalysierten Reaktionen, darunter (1) die säurekatalysierte Hydrolyse eines Esters, Ethylorthoacetat, (2) die basische Katalyse der Nitramidzersetzung (H2N–NEIN2→ H2O + N2O) und (3) die Säure-Base-Katalyse der Umwandlung (Mutarotation) von Glucose in eine eng verwandte Form. In jedem Fall beobachtete er einen direkten Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit der katalysierten Reaktion und der Konzentration der katalysierenden Substanz.

        Teilweise basierend auf den Ideen von Brønsted, ein allgemeines Schema für einen Stoffwechsel EIN zu einer anderen Substanz B durch ein Material katalysiert C lässt sich so formulieren:

        Die Bezeichnung Z bezieht sich auf eine Zwischenstufe, die mit einer durch angegebenen Geschwindigkeit gebildet wird k1 Z kann entweder verschwinden, um sich zu reformieren EIN + C, mit einer Geschwindigkeit k2, oder es kann sich auf dem Weg 2 mit der Geschwindigkeit zersetzen k3, um das Produkt zu geben B und regenerieren den Katalysator C. Wenn k3 ist viel größer als k2, die Zwischenstufe Z wird fast so schnell aufgebraucht, wie es gebildet wird. Das Produkt wird dann mit einer Geschwindigkeit gebildet, die durch den Ausdruck bestimmt wird k1[EIN][C], wobei die eckigen Klammern die Konzentrationen von Edukt und Katalysator angeben. Wenn k2 ist viel größer als k3, jedoch ist der geschwindigkeitsbestimmende Prozess die Zerlegung von Z, wobei die Bildungsgeschwindigkeit des Produkts durch den Ausdruck k3[Z], in welchem ​​[Z] ist die Konzentration des Zwischenprodukts. Beispiele für beide Arten von Veränderungen wurden untersucht.

        In bestimmten Fällen erzeugen zwei oder mehr Katalysatoren, die gleichzeitig vorhanden sind, stärkere Wirkungen, als sie beide allein erzeugen würden. Es ist dann üblich, von einer Promoter-Aktion zu sprechen. Somit verstärken Eisenionen in Lösung die Wirkung von Kupferionen beim Katalysieren einer Reaktion zwischen Wasserstoffperoxid und Jod. Es wird angenommen, dass jeder Katalysator nur einen der Reaktanten aktiviert.

        Die wichtigsten modernen Beispiele für homogene Katalysen finden sich in der petrochemischen Industrie.Die Oxo-Reaktion ist ein solcher Prozess: Kohlenmonoxid und Wasserstoff werden Olefinen (ungesättigten Kohlenwasserstoffen) bei etwa 150 °C (300 °F) und 200 Atmosphären Druck zugesetzt, um Aldehyde und Alkohole, sauerstoffhaltige organische Verbindungen, zu bilden. Ein Kobalt-Carbonyl-Katalysator Co2(CO)8 wird dieser kohlenwasserstofflösliche Katalysator verwendet, von dem angenommen wird, dass er Wasserstoff durch Bildung von HCo(CO) aktiviert4, das dann mit dem Olefin reagiert. Diese Reaktion hat zu einer Reihe von Studien der metallorganischen Chemie geführt. Kupfer-, Silber- und Quecksilberkationen (positiv geladene Ionen) und Permanganatanionen (negative Ionen) wirken ebenfalls als homogene Katalysatoren für die Wasserstoffaktivierung. Palladiumchlorid wird industriell bei der katalytischen Oxidation von Ethylen zu Acetaldehyd in Gegenwart von Kupferchlorid eingesetzt. Es wird angenommen, dass das Palladium wiederholt vom Salz in das freie Metall umgewandelt wird, wobei die Funktion des Kupferchlorids darin besteht, an der Rückbildung des Palladiumsalzes aus dem Metall teilzunehmen.

        Phosphor-, Schwefel-, Sulfon- und Bromwasserstoffsäure sind wichtige Agenzien in den industriellen Prozessen der Isomerisierung, Polymerisation, Hydratation und Dehydratisierung sowie in den klassischen Veresterungsreaktionen. Auch freie Radikale (Molekülfragmente mit ungepaarten Elektronen), die bei der Zersetzung von Peroxiden oder Metallalkylen entstehen, initiieren homogenkatalytische Prozesse.


        Biologische Katalysatoren: die Enzyme

        Enzyme sind in biologischen Systemen vorkommende Substanzen, die als Katalysatoren für bestimmte biochemische Prozesse dienen. Obwohl bereits früher Enzyme entdeckt worden waren, wurde ihre Bedeutung in lebenden Systemen 1897 durch den deutschen Chemiker Eduard Buchner signifikant bestätigt, der zeigte, dass die gefilterte zellfreie Flüssigkeit aus zerkleinerten Hefezellen die Umwandlung von Zucker in Kohlendioxid. Seit dieser Zeit sind mehr als 1.000 Enzyme bekannt, jedes spezifisch für eine bestimmte chemische Reaktion, die in lebenden Systemen abläuft. Mehr als 100 davon wurden in relativ reiner Form isoliert, darunter eine Reihe von kristallisierten Enzymen. Die ersten Enzyme, die kristallisiert wurden, waren Urease, die aus der Jackbohne isoliert und 1926 von James Batcheller Sumner kristallisiert wurde, und Pepsin, 1930 von John Howard Northrop kristallisiert, die beide für ihre Arbeit den Nobelpreis für Chemie erhielten. Es wurde gezeigt, dass es sich bei diesen gereinigten Materialien um Proteine ​​handelt – Kettenverbindungen aus etwa 20 natürlichen Aminosäuren RCH(NH2)COOH, vom einfachsten Glycin, in dem R Wasserstoff ist, bis zu Tryptophan, in dem R . ist

        Nicht nur Methoden zur Bestimmung der in einem Enzym vorkommenden Aminosäuren sind ausgearbeitet, auch die Abfolge von Aminosäuren in einem Enzym kann durch eine vom englischen Biochemiker Frederick Sanger entwickelte Methode zur Strukturbestimmung des Proteinhormons Insulin aufgeklärt werden. Das erste Enzym, dessen vollständige Aminosäuresequenz auf diese Weise bestimmt wurde, war die Rinderpankreas-Ribonuklease mit 124 Aminosäuren in ihrer Kette und einem Molekulargewicht von etwa 14.000 das Enzym katalysiert den Abbau von Ribonukleinsäure, einer in der Proteinsynthese aktiven Substanz Lebende Zellen. Im Januar 1969 wurde von zwei verschiedenen Laboratorien über die Synthese desselben Enzyms berichtet. Die Aktivität eines Enzyms hängt von einer dreidimensionalen oder tertiären Struktur ab, aber diese scheint wiederum allein von der linearen Sequenz der Aminosäuren abzuhängen. Der Syntheseerfolg eines Enzyms kann durch den Test seiner enzymatischen Aktivität eindeutig überprüft werden.

        Enzyme sind extrem reaktiv, wie man an einer ganz einfachen Reaktion – der Spaltung von Wasserstoffperoxid zu Wasser und Sauerstoff – zeigen kann, die durch kolloidale Metalle und das Enzym Katalase bewirkt wird. Es hat sich gezeigt, dass ein Molekül des letzteren mehrere Millionen Peroxidmoleküle pro Minute zersetzt, eine Geschwindigkeit, die mit der vergleichbar ist, die mit den besten kolloidalen Präparaten erreicht wird. Diese Geschwindigkeit des Katalaseabbaus ist wahrscheinlich ein Maximum für Enzyme. Langsamer wirkende Enzyme reagieren normalerweise mit Geschwindigkeiten von Hunderten von Reaktionen pro Minute. Die Reaktionsgeschwindigkeit wird oft durch eine Gleichung ausgedrückt, die von L. Michaelis und M.L. Menten des Formulars

        in welchem V und K sind Konstanten für den jeweiligen enzymatischen Prozess, K als Michaelis-Konstante bezeichnet und [S] bezeichnet als die Konzentration des sich ändernden Reaktanten. Bei niedrigen Konzentrationen von S der preis ist V[S]/K oder proportional zur Substratkonzentration [S], während bei hohen Substratkonzentrationen die [S]-Terme heben sich auf und die Reaktion ist im Wesentlichen unabhängig von der Substratkonzentration.

        Ein zweites Merkmal von Enzymen ist ihre extreme Spezifität. Es wurde vorgeschlagen, dass jeder biochemische Prozess sein eigenes spezifisches Enzym hat. Die durch Enzyme induzierten biochemischen Prozesse lassen sich in breite Klassifikationen einteilen, wie Hydrolyse, Zersetzung (oder „Aufspaltung“), Synthese und Hydrierung-Dehydrierung, da bei Katalysatoren im Allgemeinen Enzyme sowohl für Vorwärts- als auch für Rückwärtsreaktionen aktiv sind.

        Enzyme haben wie die Laborkatalysatoren häufig Aktivatoren – Coenzyme, die prosthetische Gruppen (fest an das Enzym selbst gebunden) und anorganische Ionen sein können. Adenosintriphosphat (ATP) ist ein wichtiges Coenzym, das an energieerzeugenden Prozessen und der Passage durch die Zellmembranen beteiligt ist. Coenzyme enthalten oft Vitamine als Teil ihrer Struktur. Calcium- und Magnesiumionen sind wichtige Enzymaktivatoren. Es gibt auch viele Substanzen, die Enzyme hemmen oder vergiften. Cyanid-Ionen sind ein starker Inhibitor vieler enzymatischer Prozesse, ebenso wie Nervengase und Insektizide.


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        4.4 Einige Eigenschaften der Phosphatgruppe (allgemeine Konzepte)

        Für ein besseres Verständnis der Eigenschaften von Nukleotiden, die auf das Vorhandensein einer Phosphatgruppe in ihren Molekülen zurückzuführen sind, müssen wir zunächst die derzeit angenommenen Konzepte zur Struktur der Phosphatgruppe überprüfen und auch anhand so einfacher Analoga von Nukleotiden wie Alkylphosphate und ähnliche Verbindungen als Beispiele, der Mechanismus der nukleophilen Substitution am Phosphoratom als eine für Phosphate typische Reaktion. Dadurch werden nicht nur gewisse Regelmäßigkeiten in den Eigenschaften von Nukleotiden besser aufgeklärt, sondern auch die besonderen Eigenschaften, die das Nukleosid der Phosphatgruppe verleiht, aufgeklärt. In diesem Abschnitt werden die Struktur und die Eigenschaften der Phosphatgruppe, wo nötig, mit denen ihres formalen Analogs - der Carboxylgruppe - verglichen, was uns erlaubt, das besondere Verhalten organischer Phosphorsäurederivate hervorzuheben.

        Darüber hinaus werden an Alkylphosphaten exemplarisch die für die Chemie der Nukleotide und Nukleinsäuren von entscheidender Bedeutung wichtigen Umwandlungen, nämlich Hydrolyse und Reaktionen benachbarter Gruppen, veranschaulicht.

        4.4.1 Struktur der Phosphatgruppe und Mechanismus von Nucleophile Substitution am Phosphoratom

        Die Elektronenkonfiguration von Phosphor ist bekanntlich 1S2 2S2 2P6 3S2 3P3 . Seine Wertigkeit wird durch die Struktur der äußersten Schale bestimmt, die charakteristischerweise nicht nur 3s und 3P aber auch 3D Orbitale (Abb. 4-2).

        Phosphorsäure und ihre Ester gehören zu Verbindungen mit einem vierfach koordinierten Phosphoratom. Solche Moleküle sind tetraedrisch. Die vier s -Bindungen mit sp 3 Hybridisierungen der Elektronenorbitale sind auf die Spitzen des Tetraeders gerichtet:

        Somit unterscheidet sich die Struktur der Phosphatgruppe stark von der der Carboxylgruppe in Carbonsäuren. Es ist bekannt, dass die letztere Gruppe eine zweidimensionale Struktur hat: Die Bildung der drei s-Bindungen in ihr beinhaltet die sp2 -Hybrid-Orbitale des Kohlenstoffatoms (sie liegen in derselben Ebene und bilden 120°-Winkel), während die vierte, p-Bindung durch Überlappung der p-Orbitale der Kohlenstoff- und Sauerstoffatome im rechten Winkel zu dieser Ebene entsteht. Die p-Bindung ist wegen der ausgeprägten Elektronegativität des Sauerstoffatoms polarisiert, im Vergleich zum Kohlenstoff, wobei der Polarisationsgrad von der induktiven Wirkung und der Mesomerie der Substituenten am Carbonylkohlenstoff abhängt.

        Derzeit besteht kein Konsens über die Art der Bindung in Verbindungen mit einem tetraedrischen Phosphoratom. Dennoch basieren alle diesbezüglichen Annahmen auf den allgemeinen Konzepten zu Struktur und Eigenschaften von P und D Orbitale. Es wurde spekuliert, dass die p-Bindung in der Phosphorylgruppe (P=O) freie 3D orbital. Da es fünf solcher Orbitale gibt (siehe Abb. 4-2) und jedes von ihnen im Prinzip das fünfte Elektron aufnehmen kann, kann das Phosphoratom auf verschiedene Weise mit dem des Sauerstoffs wechselwirken, um eine p-Bindung in der Phosphorylgruppe zu bilden. Durch teilweise Überlappung der 3D und P Orbitalen aller vier Sauerstoffatome in der Phosphatgruppe ist die Doppelbindung nicht in der Phosphorylgruppe lokalisiert, sondern verteilt sich, wenn auch ungleichmäßig, auf alle Sauerstoffatome der Phosphatgruppe. Zum Beispiel hat die Kenntnis der Länge der PO-Bindungen (Röntgenstrukturdaten) in Dibenzylphosphat (C6H5CH2O)2P(O)OH zu dem Schluss geführt, dass jede der einfachen PO-Bindungen 10 % der Doppelbindungen ausmacht und die P=O-Bindung in der Phosphorylgruppe macht 70 % aus. Der Unterschied zwischen Doppelbindungen in den C = O- und P = O-Gruppen liegt außerdem darin, dass die letztere Bindung viel stärker polarisiert ist (das Phosphoratom verliert leicht Elektronen aus den d-Orbitalen und ist wahrscheinlich deshalb weniger elektronegativ als Kohlenstoff). Solche Strukturmerkmale der Phosphatgruppe äußern sich in der größeren Nukleophilie des Phosphorylsauerstoffs und der Elektrophilie des Phosphoratoms. Die Übertragung elektronischer Effekte der Substituenten, insbesondere des Konjugationseffekts unter Beteiligung der Phosphorylgruppe, ist bei Phosphatestern und deren Derivaten viel geringer ausgeprägt als bei Carbonsäurederivaten, da die Substituenten nicht in derselben Ebene liegen.

        Gleichzeitig haben die Phosphat- und Carboxylgruppen ein gemeinsames Merkmal, nämlich dass ihr Zentralatom eine positive Teilladung trägt und daher von nukleophilen Agenzien angegriffen werden kann. Bei einem solchen Angriff auf das Phosphoratom kann in Phosphorsäurederivaten eine nukleophile Substitution eines der Liganden (wie die Substituenten am Phosphoratom üblicherweise genannt werden) erfolgen.

        Dieser Prozess kann auf einem der beiden Mechanismen beruhen: assoziativ (A) und dissoziativ (B). Im ersteren Fall wird das Substrat in dem die Reaktionsgeschwindigkeit bestimmenden Schritt mit dem Nukleophil koordiniert. Die resultierende Assoziation ist ziemlich stabil und kann als Zwischenprodukt angesehen werden. Dieser Vorgang wird normalerweise durch das Symbol S . dargestelltn2. Der dissoziative Mechanismus ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt zur Bestimmung der Substitutionsrate

        Abgang eines der Substituenten und Bildung einer aktiven Phosphorverbindung mit einer geringeren Zahl von Substituenten am Zentralatom. Diese Art der Transformation wird durch das Symbol SN1 repräsentiert. In einigen Fällen ist das Substitutionsereignis jedoch ein synchroner biomolekularer Prozess und es wird keine Zwischenverbindung gebildet, im Gegensatz zur SN2-Substitution am Kohlenstoffatom. Der Mechanismus solcher Reaktionen wird als Zwischenprodukt bezeichnet und als I . bezeichnetein( Sni) ("Quoten" zeigt an, dass der Substitutionsprozess im Wesentlichen immer noch assoziativ ist). Die ersten beiden Mechanismen werden im Folgenden hier in diesem Abschnitt diskutiert Mechanismus Iein wird im Abschnitt über die Eigenschaften der Phosphorsäureamide behandelt, deren Umwandlungen zu ihrer Entdeckung geführt haben.

        Mechanismus Sn2 der nukleophilen Substitution am tetraedrischen Phosphoratom wurde durch zahlreiche kinetische Experimente mit Hydrolyse und Alkoholyse von Halogenphosphaten bestätigt. Es wurde spekuliert, dass die Reaktion formal sehr ähnlich verläuft wie die nukleophile Substitution am gesättigten Kohlenstoff: Das Nukleophil Nu greift die Reaktionsstelle von "hinten" in Bezug auf die Abgangsgruppe X an.

        Nach Wegfall des Substituenten X wird die Konfiguration umgestülpt. Eine Walden-Inversion während der nukleophilen Substitution am tetraedrischen Phosphoratom wurde in vielen Experimenten zur Aufklärung der Reaktivität optisch aktiver phosphorhaltiger Verbindungen nachgewiesen.

        Es wird angenommen, dass die wahrscheinlichste Struktur der Zwischenverbindung eine trigonale Bipyramide ist, in der die eintretenden und austretenden (substituierten) Gruppen (Nu bzw. X in Fig. 4-3A) eine axiale Position einnehmen.

        Geometrisch erinnert diese Struktur an den Übergangszustand, der während einer S,2-Reaktion am gesättigten Kohlenstoffatom entsteht (Abb. 4-3B). Im letzteren Fall unterscheiden sich die fünf Bindungen jedoch deutlich in ihrer Stärke: Die drei Bindungen an der Basis der Bipyramide sind ziemlich stark, während die beiden anderen (C-X und C-Nu) nahe an ionischen Bindungen sind. Gleichzeitig wird aufgrund der Fähigkeit des Phosphoratoms, Elektronen am freien 3D Orbitale (siehe Abb. 4-2), kann es Verbindungen mit fünf kovalenten Bindungen vergleichbarer, wenn nicht sogar gleicher Stärke bilden. In intermediären Verbindungen des Typs A (siehe Abb. 4-3) beispielsweise bilden sich die drei Bindungen an der Basis der Bipyramide (äquatoriale Bindungen) unter Beteiligung von sp2-Hybridorbitale, sind stärker. Die beiden anderen (axialen) Bindungen mit pd-Hybridorbitale sind schwächer.

        Folglich haben wir es hier mit einer wichtigen einzigartigen Eigenschaft des Phosphoratoms zu tun, nämlich seiner Fähigkeit, zusätzliche Bindungen mit seinem freien 3d Orbitale. In diesem Fall wird die Oktettregel normalerweise nicht eingehalten, und das Phosphoratom kann in ähnlichen Strukturen von einer Hülle aus zehn Elektronen umgeben sein.

        Der Mechanismus der nukleophilen Substitution am Phosphoratom, der im Zusammenhang mit der Phosphatgruppe beschrieben wird, unterscheidet sich wesentlich von dem der nukleophilen Substitution am Carbonylkohlenstoff in Carbonsäurederivaten, bei denen die Bildung der Zwischenstruktur durch das Aufbrechen der doppelten C= O Bindung.

        Der nukleophile Angriff des Kohlenstoffs in der Carbonylgruppe verläuft im rechten Winkel zu der das RCOX-Molekül aufnehmenden Ebene. Die nach dem Bruch der C=0-Bindung entstehende Struktur ist gekennzeichnet durch sp 3 Hybridisierung der Elektronenorbitale im Kohlenstoffatom (wobei die vier s-Bindungen auf die Tetraederspitzen gerichtet sind).

        Die Rate der nukleophilen Substitution am tetraedrischen Phosphoratom wird durch die folgenden drei Hauptfaktoren bestimmt: (1) Substituentenspezies, (2) Spezies der Abgangsgruppe und (3) Spezies des nukleophilen Mittels.

        Substituenten. Die Leichtigkeit der nukleophilen Substitution am tetraedrischen Phosphoratom kann sowohl von den Donor-Akzeptor-Eigenschaften der Substituenten als auch von ihrer dreidimensionalen Struktur abhängen.

        Die Diskussion der Wirkung von Alkoxygruppen in Phosphaten sollte durch den Vergleich mit analogen Carbonsäurederivaten eingeleitet werden. Es ist eine wohlbekannte Tatsache, dass Alkoxygruppen negative induktive und positive mesomere Wirkungen auf die assoziierten Atome oder Atomgruppen erzeugen können. In Fällen, in denen eine Konjugation möglich ist, ist der positive mesomere Effekt viel stärker ausgeprägt als der negative induktive.

        Es wurde bereits oben erwähnt, dass carbonylhaltige Verbindungen eine zweidimensionale Struktur aufweisen. Aus diesem Grund wechselwirken die einsamen Elektronenpaare einiger Atome, die der Carbonylgruppe benachbart sind, ziemlich stark mit ihr (in Konjugation):

        Eine ähnliche Konjugation in Phosphaten mit tetraedrischer Konfiguration ist nicht so offensichtlich (für Strukturmerkmale der Phosphorylgruppe siehe oben). Dennoch können sie aufgrund der freien 3 .-Atome auch eine Konjugation der Sauerstoff- und Phosphoratome aufweisenD Orbitale der letzteren (sog.) P p-dp-Konjugation). Die freien Elektronenpaare des Sauerstoffs in der Alkoxygruppe können auf die 3 . übertragen werdenD Orbitale des Phosphoratoms, was wiederum zu weiteren Hindernissen für die Wechselwirkung zwischen Phosphor und Nukleophil führen muss. Das Vorhandensein und der Grad einer solchen Konjugation werden durch die Ergebnisse der Hydrolyse von Carbon- und Phosphorchloriden bestätigt:

        In einer Carbonylverbindung verlangsamt der Substituent mit p-Donor-Eigenschaften den nukleophilen Angriff drastisch. Beispielsweise wird Ethylchlorcarbonat (1) mit einer 10 4 mal langsameren Geschwindigkeit hydrolysiert als Acetylchlorid (2). Die Wirkung eines solchen Substituenten wird auch in einer Phosphorylverbindung beobachtet, jedoch in viel geringerem Maße. Die Hydrolyse des Methoxyphosphoryl-Derivats (3) ist beispielsweise nur 15-mal langsamer als die seines Alkylanalogons (4).

        Die Tatsache, dass die pp-dp-Konjugation von Substituenten mit dem Phosphoratom die Aktivität des letzteren in nukleophilen Substitutionsreaktionen beeinflusst, wird durch bekannte Beispiele abnehmender Reaktivität bestätigt, da Alkylreste in Verbindungen ähnlicher Struktur durch Alkoxy- oder Amidgruppen substituiert werden . Es wurde festgestellt, dass die Reaktivität während der alkalischen Hydrolyse in der folgenden Reihenfolge merklich abnimmt: (C2H5)2POCl > CH3O(C2H5)POCI > (CH3O)2POCI. Die bei der Hydrolyse dieser Verbindungen auftretenden sterischen Hindernisse sind mehr oder weniger gleich. Wie im vorherigen Fall werden die Reaktivitätsänderungen darauf zurückgeführt, dass die freien Elektronenpaare des Sauerstoffs in der Alkoxygruppe zu den 3d Orbitale des Phosphoratoms. Seit der 3d Orbitale des Phosphoratoms sind infolge einer solchen Konjugation ziemlich voll besetzt, was auch zu einer Abnahme seiner positiven Überschussladung führt, Einbau der freien Elektronenpaare des nukleophilen Agens in die 3d Orbitale des Phosphoratoms werden im Übergangszustand deutlich behindert, mit einer damit verbundenen Abnahme der nukleophilen Substitutionsgeschwindigkeit.

        Eine noch ausgeprägtere Hemmwirkung auf die nukleophile Substitution am Phosphoratom wird von einer Alkylamid- (oder Dialkylamid-)Gruppe ausgeübt. So verläuft die alkalische Hydrolyse des Diamids [(CH3)2N]2P(O)F um einen Faktor zehntausend langsamer als im Fall des Methylmethoxyderivats CH3O(CH3)P(O)F. Dieser Einfluss der Aminogruppe in Phosphamiden wird darauf zurückgeführt, dass sie aufgrund ihres im Vergleich zur Alkoxygruppe stärker ausgeprägten positiven mesomeren und weniger ausgeprägten negativen induktiven Effekts die elektrophilen Eigenschaften des zugehörigen Phosphoratoms stark schwächt höheren Grades (aufgrund der p p -d p Konjugation).

        In Halogenphosphaten (RO)2P(O)X können die Halogene (X = F und Cl) auch in p p -d p Konjugation mit dem Phosphoratom. Experimentelle Beweise bezeugen eine geringere Beteiligung des Chloratoms an einer solchen Konjugation im Vergleich zu Fluor, trotz der größeren Elektronegativität des letzteren (Säurechloride sind viel reaktiver als Säurefluoride).Somit scheint der Konjugationsgrad nicht nur von der Elektronegativität, sondern auch von der Struktur der äußersten Schale des mit Phosphor assoziierten Atoms abzuhängen.

        Eine ähnliche Beziehung wurde auch bei trisubstituierten Phosphaten und Thiophosphaten (RO)2P(O)OR' und (RO)2P(O)SR' beobachtet, die sich in der Struktur eines Substituenten unterscheiden. Dialkylthiophosphate sind zehntausendmal reaktiver als Trialkylphosphate.

        Der genaue Verlauf der nukleophilen Substitution am tetraedrischen Phosphoratom wird nicht nur stark von der Konjugationsfähigkeit der Substituenten, sondern auch von ihrer Größe beeinflusst. Dabei sind sterische Hinderungen stärker einflussreich als in der Reihe der Carboxylverbindungen mit planarer Struktur an der Carboxylgruppe. Bei Estern vom Typ (CH3O)2P(O)X führt der Ersatz der Methylgruppe durch eine tert-Butylgruppe zu einem ziemlich starken Abfall der alkalischen Hydrolysegeschwindigkeit.

        Gruppe verlassen. Dieser Faktor ist bei nukleophilen Substitutionsreaktionen ebenso wichtig wie die Elektrophilie des Phosphoratoms. Die Wirkung der Abgangsgruppe ist ziemlich einfach. Je leichter seine Bindung an die Reaktionsstelle aufgebrochen wird, desto reaktiver ist die Substanz. Da die Abgangsgruppe ihr Elektronenpaar mitnimmt, erleichtern in der Regel alle Faktoren, die zu ihrer höheren Elektronegativität führen, den Reaktionsverlauf. In Verbindungen vom Typ (RO)2P(O)X ist X immer dann die Abgangsgruppe, wenn es mit dem Phosphoratom über eine "schwächere" Bindung verbunden ist als die, die die Alkoxygruppe mit letzterem verbindet. Wir haben bereits Beispiele gesehen, in denen die X-Gruppe durch ein Chloratom, RS und andere Gruppen repräsentiert wurde. Wenn die Funktion der Abgangsgruppe von einem Phosphorsäureanion übernommen wird, endet der Angriff beispielsweise bei der nukleophilen Substitution in Pyrophosphaten mit der Freisetzung eines stabileren Anions, also des Anions einer stärkeren Säure. So reagiert asymmetrisches Dibenzyldiphenylpyrophosphat mit Alkoholen ausschließlich zu Dibenzylphosphaten (Diphenylphosphorsäure ist stärker als die Dibenzylphosphorsäure).

        Nukleophiler Wirkstoff. Im Zuge der nukleophilen Substitution. das Nukleophil verdrängt die zu substituierte Gruppe aus dem Molekül des Substrats (in unserem Fall Phosphat). Wie bereits erwähnt, hängt die Leichtigkeit der Anlagerung der nukleophilen Substanz an das als Reaktionszentrum fungierende Phosphoratom von mehreren Faktoren ab. Einer von ihnen ist Nukleophilie oder, mit anderen Worten, die Fähigkeit eines Reagens, sein Elektronenpaar zur Kombination mit der Reaktionsstelle aufzugeben. Die Nukleophilie wird durch die Mobilität der Elektronen im nukleophilen Partikel, seine Polarisierbarkeit und sterische Faktoren bestimmt. Die leicht mit dem tetraedrischen Phosphoratom reagierenden nukleophilen Agenzien können wie folgt angeordnet werden [bezüglich Chlorphosphinaten vom R2P(O)Cl-Typ]: HO- > C6H5O- > C2H5OH > C2H5S-, CH3COO-. Eine deutlich ausgeprägtere Nukleophilie zeigen Hydroxylamin und Hydroxamsäuren. Die erhöhte Aktivität dieser Verbindungen rührt von der Tatsache her, dass das am nukleophilen Angriff beteiligte Atom neben einem anderen mit einsamen Elektronenpaaren gefunden wird ("ein-Effekt"). Dies scheint eine größere Polarisierbarkeit des nukleophilen Mittels sicherzustellen. Natürlich, je nachdem, wie voll die 3d Orbitale des Phosphoratoms sind besetzt als Folge von P P -D p , Konjugation mit den Substituenten. Basizität und Polarisierbarkeit von Nucleophilen können die Reaktionsgeschwindigkeit unterschiedlich beeinflussen. Es hat sich gezeigt, dass je stärker die Konjugation von Substituenten, z. B. Alkoxy- und Dialkylamidgruppen mit 3d Orbitale, desto weniger signifikant ist der Einfluss der Basizität des Nucleophils auf die Reaktionsgeschwindigkeit und desto wichtiger ist die Polarisierbarkeit.

        Es wurde bereits erwähnt, dass bei der Substitution basierend auf dem Sn2 Mechanismus im Übergangszustand unterscheiden sich die Bindungen des gesättigten Kohlenstoffatoms (siehe Abb. 4-3B) stark in ihrer Stärke, und der Übergangszustand wird wahrscheinlich nicht mehr oder weniger lange bestehen. Gleichzeitig zeichnet sich der entsprechende Zustand für das Phosphoratom in Phosphaten (siehe Abb. 4-3A) durch einen deutlich geringeren Unterschied in der Bindungsstärke aus und ist vergleichsweise stabiler. Es sind diese spezifischen Merkmale, die eine Restrukturierung des Übergangszustands (Typ A in Abb. 4-3) möglich machen, die letztendlich das Endergebnis der Substitution beeinflussen kann. Eine solche Umstrukturierung wird nicht von einer Spaltung der Phosphor-Substituenten-Bindungen begleitet und läuft auf Änderungen der Bindungswinkel und -längen in einem ausreichend persistenten Übergangszustand hinaus, wie er durch die trigonale Bipyramide dargestellt wird. Diese Art der Restrukturierung ist im Folgenden schematisch dargestellt.

        Lassen Sie die Substituenten E1, E2 und E3 in der trigonalen Ausgangsbipyramide äquatoriale Positionen einnehmen, während die Substituenten Al und A2 axial sind.

        Zu einem bestimmten Zeitpunkt beginnen sich die Substituenten A1 und A2 in der Blattebene aufeinander zuzubewegen. Gleichzeitig bewegen sich die Substituenten E2 und E3 in einer zur Seite senkrechten Ebene, so dass sich E3 von der Seite nach oben bewegt, während sich E2 in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Dadurch entsteht ein Zustand (6), in dem die Substituenten A1, A2 und E3 die Basis einer tetragonalen Bipyramide mit Spitze E1 bilden. Die nachfolgenden Winkeländerungen in gleicher Richtung führen zu einem Zustand (7), in dem die Substituenten E3 und E2 auf derselben Geraden liegen, während El, A1 und A2 in der Blattebene unter einem Winkel . angeordnet sind von 120 0 . In der resultierenden trigonalen Bipyramide werden nun die axialen Positionen von den Substituenten E3 und E2 und die äquatorialen Positionen von El, A1 und A2 besetzt. Eine solche Restrukturierung des Übergangszustandes (5) (7), die natürlich reversibel ist, wird Pseudorotation genannt. Die Linie, die das Zentralatom mit dem Substituenten El verbindet, wird als Rotationsachse bezeichnet. Das Pseudorotationsphänomen wird in solchen Verbindungen beobachtet, bei denen die Energien der Phosphor-Substituenten-Bindungen ziemlich nahe beieinander liegen. Im Zustand (6) sind die Bindungslängen praktisch ausgeglichen (Rehybridisierung der drei sp2 äquatorial und zwei pd axiale Orbitale, die zu fünf sp3D Hybridorbitale) und die Funktion der Rotationsachse kann von praktisch jeder Phosphor-Substituenten-Bindung übernommen werden, sofern sie sich nicht wesentlich von anderen unterscheidet. Einige Beispiele für Pseudorotation werden weiter unten in Abschnitt 4.4.4 behandelt, der sich mit zyklischen Phosphaten befasst.

        Mechanismus SN1. Es wird angenommen, dass einige Reaktionen der nukleophilen Substitution an einem tetraedrischen Phosphoratom einen anderen Mechanismus als den oben beschriebenen SN2 beinhalten. Die Reaktion verläuft in diesem Fall offenbar in zwei Schritten: Zunächst wird einer der Substituenten (X) in der Phosphatgruppe unter Zwischenbildung des entsprechenden Metaphosphats abgespalten, dann wird daran das nukleophile Agens (Y - ) angelagert:

        Dies ist der sogenannte Mechanismus Sn1 der Phosphorsubstitution. Allerdings kann der vorhandene Beweis für letzteres noch nicht als überzeugend genug angesehen werden. Folgen Sie nun Beispielen von Reaktionen, von denen angenommen wird, dass sie auf diesem Mechanismus beruhen.

        Salicylphosphat (8) wird viel schneller hydrolysiert als unsubstituiertes Phenylphosphat oder para-Carboxyphenylphosphat (die Hydrolysegeschwindigkeit ist bei pH 5 maximal). Früher wurde angenommen, dass eine nukleophile Katalyse stattfindet und Salicyloylphosphat (9) hydrolysiert wird. Wie später festgestellt wurde. die Reaktion verläuft anders: Salicylphosphat (8) wird schneller hydrolysiert als Salicylphosphat (9) und ist im Wesentlichen eine Zwischenverbindung, die bei deren Hydrolyse entsteht:

        Der Grund für die schnellere Reaktionsgeschwindigkeit beim Übergang von (9) nach (8) scheint die intramolekulare Säurekatalyse zu sein, die zur Bildung von Metaphosphat [PO3 - ]:

        1,8-Dihydroxynaphthalinmonophosphat wird auf ähnliche Weise hydrolysiert:

        Die Hydrolyse von Acylphosphaten und Pyrophosphaten scheint ebenfalls den SN1-Mechanismus zu involvieren:

        Weitere substanzielle Beweise für die SnEin Substitutionsmechanismus am Phosphoratom wurde in Studien zur Tetraethylpyrophosphat-Hydrolyse bereitgestellt. Die Reaktion verläuft bei pH-Werten über 9 schnell und wird durch Phosphationen katalysiert. Ist der Katalysator ein Phosphation mit dem Sauerstoffisotop 18 O , wird die Markierung im Molekül des entstehenden Diethylphosphats nachgewiesen. Dies ist ein Hinweis auf die intermediäre Bildung eines Metaphosphat-Anions in dieser Reaktion.

        Diese Schlussfolgerung wird durch die Bildung von Methylphosphat (11) bei der Durchführung der Reaktion in Methanol und auch von Trimetaphosphat (10) in einer konzentrierten wässrigen Lösung bestätigt.

        4.4.2 Katalyse der nukleophilen Substitution am Phosphoratom

        Nucleophile Katalyse (Erhöhung der Reaktivität des Phosphoratoms). Es wurde festgestellt, dass viele Reaktionen unter Beteiligung von Phosphatderivaten eine nukleophile Katalyse durch tertiäre Amine beinhalten. Die Alkoholyse von Tetrabenzylpyrophosphat wird beispielsweise durch Imidazol beschleunigt:

        Ein ähnlicher Effekt wird durch Pyridin erzeugt, jedoch katalysieren sterisch gehinderte Amine wie 2,6-Lutidin solche Reaktionen nicht.

        Die Katalyse mit einem nukleophilen Agens beruht darauf, dass die Substitution der Abgangsgruppe unter Bildung einer Zwischenverbindung und der anschließende Austausch des Katalysators durch das Nukleophil, dessen Eintritt dadurch erleichtert wird, viel schneller abläuft als bei einer nicht katalysierten Reaktion. Dies hat folgende Erklärung: tertiäres Amin ist ein stärkeres Nucleophil als Alkohol, und das sich bildende Zwischenprodukt mit einer Ammoniumgruppe am Phosphoratom ist reaktiver als Pyrophosphat, da die pp -dp-Konjugation zwischen dem Phosphor und dem den Ammoniumstickstoff enthaltenden Substituenten vollständig ist verärgert und letzteres übt einen starken negativen Induktionseffekt aus. Ein Beispiel für instabile Verbindungen dieser Kategorie sind Pyridinium-Derivate von Alkylphosphaten:

        Allgemeine Basiskatalyse. Was diese Art der Katalyse von der nukleophilen unterscheidet, ist der Deuteriumisotopeneffekt. Es ist bekannt, dass Reaktionen, deren Geschwindigkeit durch die Spaltung der durch Deuteriumatome gebildeten Bindungen bestimmt wird, fünf- bis achtmal langsamer ablaufen als die entsprechenden Reaktionen mit Protiumatomen (anstelle von Deuterium). Die Alkoholyse von Pyrophosphaten in Gegenwart von Basen wird von ROH zu ROD verlangsamt. Dies deutet darauf hin, dass der Alkohol während des Schrittes vor dem nukleophilen Angriff am Phosphoratom durch die Base aktiviert wird, wobei die Aktivierung auf die "Entfernung" des Protons hinausläuft:

        Da in diesem Fall die als Katalysator dienende Base nicht am nukleophilen Angriff am Phosphoratom teilnimmt, beeinflussen ihre sterischen Eigenschaften die Reaktionsgeschwindigkeit nicht wesentlich. Beispielsweise wird die Phosphorylierung von Alkoholen mit Pyrophosphaten (siehe oben) durch tertiäre Amine katalysiert, einschließlich solcher sterisch gehinderter Amine wie beispielsweise 2,6-Lutidin.

        Allgemeine Säurekatalyse. Ein gutes Beispiel für die Säurekatalyse der nukleophilen Substitution am Phosphoratom liefern Reaktionen zwischen Sarin (Isopropylmethylphosphonofluoridat) mit Phenolen. Beispielsweise reagiert das Brenzkatechinmonoanion mit Sarin viel schneller als das Phenolat-Ion.

        Ein möglicher Grund sind Wasserstoffbrückenbindungen zwischen der nicht dissoziierten Hydroxylgruppe von Brenzkatechin und den Phosphorylsauerstoff- oder Sarinfluoratomen, die die Sauerstoff-Phosphor-Konjugation stören, mit dem Ergebnis, dass das Phosphoratom leichter vom Nukleophil, genauer gesagt Phenoxyion, angegriffen wird. Eine ähnliche Katalyse scheint wahrscheinlich für Reaktionen zu sein, bei denen die Funktion der katalytisch aktiven Gruppe von der wasserstoffhaltigen Ammoniumgruppe übernommen wird.

        Die außergewöhnlich hohe Säurehydrolyserate eines Sarin-Analogons mit einer Trialkylaminogruppe kann der intramolekularen Katalyse zugeschrieben werden.

        An der allgemeinen Säurekatalyse können nichtdissoziierte Carboxylgruppen beteiligt sein. Diethylphenylphosphonat, das eine Carboxylgruppe im . enthält ortho Position wird beim Erhitzen mit Wasser leicht zu einem freien Phosphat hydrolysiert:

        Die Hydrolysestabilität des Natriumsalzes (12) und der Alkylester (13) derselben Säure sowie des entsprechenden Paraisomers (14) unter denselben Bedingungen liefert einen zusätzlichen Beweis für die Unterstützung einer intramolekularen Säurekatalyse unter Beteiligung eines ortho-Carboxyl Gruppe.

        Elektrophile Katalyse. Viele Beispiele können verwendet werden, um die Katalyse der Phosphathydrolyse durch Metallionen zu veranschaulichen. Ein typisches Beispiel ist die Alkoholyse von Tetrabenzylpyrophosphat mit einem Gemisch aus Propylalkohol und tertiärem Amin, deren Geschwindigkeit in Gegenwart von Lithium- oder Calciumionen erheblich ansteigt.

        Dieser Effekt scheint auch eine Folge der verbesserten elektrophilen Eigenschaften des Phosphoratoms nach dem Ziehen von Elektronen aus dem Phosphorylsauerstoff zu sein. Daher ist der Katalysemechanismus in diesem Fall dem sauren sehr ähnlich, mit dem Unterschied, dass die Rolle des Protons vom Metallion übernommen wird. In ähnlicher Weise werden Diisopropylfluorphosphat und verwandte Verbindungen in Gegenwart von Komplexen aus zweiwertigem Kupfer und a,a '-Dipyridyl schnell hydrolysiert:

        4.4.3 Hydrolyse von Alkylphosphaten

        Da Nukleotide und Polynukleotide lange Zeit relativ wenig bekannte Verbindungen blieben, beruhten die meisten Rückschlüsse auf die Mechanismen ihrer mit der Phosphatgruppe assoziierten Transformationen mehr als nicht auf Analogien zu den entsprechenden Reaktionen mit Alkylphosphaten. In den frühen 50er Jahren wurden beispielsweise durch die Mechanismen der Hydrolyse von Mono- und Dialkylphosphaten sowie Phosphaten einfacher Polyole Hinweise auf die unterschiedliche Hydrolysestabilität zwischen RNA und DNA geliefert. Die gleichen Erkenntnisse ermöglichten es, viele Eigenschaften von Nukleotidderivaten aus der Struktur des assoziierten Nukleosids und der Position der Phosphatgruppe in letzterem vorherzusagen und zu erklären. Für eine detaillierte Analyse der Mechanismen vieler Reaktionen mit Nukleotiden und ihren Derivaten, insbesondere enzymatischer Reaktionen unter Beteiligung der Phosphatgruppe, reichen die bisher gesammelten Fakten noch nicht aus. Es besteht jedoch kein Zweifel, dass die gründlich untersuchten Reaktionen, an denen Nukleotidanaloga wie Alkylphosphate und Phosphate von Polyolen beteiligt sind, einen wichtigen Beitrag zur Untersuchung dieser Prozesse leisten werden. Dementsprechend beschäftigt sich dieser Abschnitt mit Reaktionen von Mono-, Di- und Trialkylphosphaten sowie solchen von Polyolen. Die hier diskutierten Reaktionen sind von großer Bedeutung in der Chemie der Nukleotide und ihrer Derivate. Besonderes Augenmerk gilt dabei Prozessen unter Beteiligung der Nachbargruppen – also begleitet von intramolekularer Katalyse. Die meisten der in diesem Abschnitt behandelten Reaktionen basieren auf dem Mechanismus der nukleophilen Substitution am tetraedrischen Phosphoratom. Je nachdem, in welcher Form die Phosphatgruppe an der Reaktion teilnimmt (Anion, neutrales Molekül), kann diese aber auch einen anderen Verlauf nehmen. Die allgemeinen Konzepte in Bezug auf solche Reaktionen werden ebenfalls diskutiert.

        Hydrolyse von Monoalkylphosphaten. Die Hydrolysegeschwindigkeit der meisten einfachen Monoalkylphosphate durchläuft ein Maximum im pH-Bereich von 3 bis 5. Eine typische Kurve, die die Hydrolysegeschwindigkeit von Alkylphosphat gegen den pH-Wert des Mediums zeigt, ist in Abbildung 4-4 ​​gezeigt.

        Bei alkalischen pH-Werten fällt die Hydrolysegeschwindigkeit stark ab. Bei sauren pH-Werten wird ein Minimum beobachtet (bei pH 1), dann steigt die Hydrolysegeschwindigkeit mit der Acidität des Mediums wieder an. Da die pKa-Werte für den ersten und zweiten Dissoziationsschritt von Methylphosphat 1,54 bzw. 6,31 betragen, kann davon ausgegangen werden, dass das Hydrolysegeschwindigkeitsmaximum bei pH 4 der höchsten Monoanionenkonzentration in der Lösung entspricht. Die abnehmende Hydrolysegeschwindigkeit in alkalischem Medium deutet darauf hin, dass das Dianion nicht aktiv ist (anscheinend weil die elektrostatische Abstoßung den Angriff des Dianions durch das Hydroxylion behindert). Eine nicht dissoziierte Säure ist weniger aktiv als ihr Monoanion. Bei pH < 1 kann man eine säurekatalysierte Hydrolyse unter Bildung einer konjugierten Säure beobachten:

        Der Mechanismus der Hydrolyse des Methylphosphatmonoanions stand im Zentrum langwieriger Debatten, die in der Ablehnung der bimolekularen Substitutionshypothese (SN2) endeten. Die Hydrolysegeschwindigkeit des Methylphosphatmonoanions ist viel höher als die des Dimethylphosphatmonoanions (siehe unten). Dies hat zu Spekulationen geführt, dass in einem substituierten Phosphat ein nichtdissoziiertes Hydroxyl mit einem negativ geladenen Sauerstoffatom koexistieren muss, damit ein Molekül irgendeine Art von "besonderer" Reaktivität zeigt. Zwei sehr ähnliche S,1-Mechanismen der allgemeinen intramolekularen Säurekatalyse unter Beteiligung der nichtdissoziierten Hydroxylgruppe am Monoanion wurden diskutiert. Es wurde angenommen, dass das Proton entweder unter Beteiligung von Wasser durch die Entstehung eines sechsgliedrigen cyclischen Übergangszustands oder ohne solche Beteiligung durch intramolekulare Wanderung auf die Abgangsgruppe übertragen werden kann:

        Beide Mechanismen umfassen die Bildung eines hypothetischen Metaphosphats. Es gibt keinen direkten Beweis für die Metaphosphatbildung bei der Hydrolyse von Monoalkylphosphaten bei pH

        4, jedoch wird die Hypothese durch einige indirekte Beweise gestützt. Die Stabilität von Monophosphat-Dianionen, wenn angenommen wird, dass ihre Hydrolyse auf einem ähnlichen Sn1-Mechanismus, scheint von der Tatsache herzurühren, dass viele Alkoxygruppen jedoch nur schwer eliminiert werden und sich nur dann "abspalten" können, wenn sie vorher protoniert werden, wie dies bei Monoanionen der Fall ist. Eine Dissoziation im alkalischen Milieu unter Bildung eines RO - Anions tritt nur bei Estern mit starken Elektronenakzeptorgruppen auf, zum Beispiel:

        Trotz der vielen Schwierigkeiten, die bei der Untersuchung der Hydrolyse der neutralen Form von Monoalkylphosphaten, ROPO3H2, auftraten, wurde gefunden, dass sie von einem Bruch der Sauerstoff-Kohlenstoff-Bindung im R-Radikal begleitet wird. Somit wirkt in diesem Fall das Monophosphat ebenso wie Alkylsulfate als Alkylierungsmittel. Die Substitution verläuft als Sn2-Typ-Reaktion am gesättigten Kohlenstoffatom:

        In Bezug auf tert-Butylphosphat und ein -D-Glucose-1-phosphat, deren neutrale Formen 10 5 mal schneller hydrolysiert werden als Methylphosphat, aber auch unter Spaltung der C-O-Bindung, ihre Hydrolyse basiert vermutlich auf dem Sn1 Mechanismus.

        Der Hydrolysemechanismus solcher Ester scheint durch die leichte Bildung des intermediären Carbokations bestimmt zu sein.

        Die Hydrolyse von Monophosphaten primärer Alkohole bei pH 1 basiert auf einem bimolekularen Mechanismus. Experimente mit H2 18 0 haben gezeigt, dass zwei parallele Prozesse ablaufen. Im ersten Prozess wird die C-0-Bindung gespalten (73 %), während im zweiten Prozess die P-O-Bindung gebrochen wird (27 %):

        Aus sekundären und tertiären Alkoholen gebildete Monophosphate werden im sauren Medium nach einem monomolekularen Mechanismus unter ausschließlicher Spaltung der C-O-Bindung hydrolysiert, zum Beispiel:

        Tabelle 4-2 ist eine kurze Zusammenfassung des Einflusses der Molekülstruktur von Monoalkylphosphaten auf ihr Verhalten während der Hydrolyse.

        Abb. 4-5. Hydrolysegeschwindigkeit von Dimethylphosphat gegen den pH-Wert des Mediums bei 100 0 C

        Tabelle 4-2.Einfluss der Molekülstruktur von Monoalkylphosphaten auf ihr Verhalten während der Hydrolyse.

        Hydrolyse von Dialkylphosphaten. Dialkylphosphate gehören zu den am wenigsten reaktiven Estern. Die Kurve, die ihre Hydrolysegeschwindigkeitskonstante als Funktion des pH darstellt, weist kein Maximum auf (Abb. 4-5), was auf die extrem langsame Hydrolyse des Dialkylphosphatmonoanions hinweist.

        Die Hydrolyse des Diesters in seiner neutralen Form verläuft überwiegend (70-80%) unter Spaltung der CO-Bindung [Gleichung (1)], während das PO nur in 20 bis 30 Prozent der Fälle gespalten wird [Gleichung (2)] .

        Wenn das Medium saurer wird, nimmt die Hydrolysegeschwindigkeit des Dialkylphosphats mit der Säurekonzentration zu. Die protonierte Form des Diesters wird primär an der C-O-Bindung (bis zu 90 %) hydrolysiert, ebenso wie die neutrale Form, wobei die P-O-Bindung unwesentlich (10 %) beeinflusst wird:

        So wird bei der monoanionischen Form der größte Unterschied in der Hydrolysegeschwindigkeit von Di- und Monophosphaten beobachtet. Die Unterschiede in den Hydrolysegeschwindigkeiten anderer ionischer Formen sind nicht so ausgeprägt.

        Hydrolyse von Trialkylphosphaten. Triphosphate werden sowohl in sauren als auch in alkalischen Medien hydrolysiert. Bei alkalischen pH-Werten ist der Reaktionsmechanismus bimolekular und beinhaltet einen nukleophilen Angriff des tetraedrischen Phosphoratoms durch ein Hydroxylion (Versuche mit H2 18 O haben gezeigt, dass die P-O-Bindung in diesem Fall meist gebrochen ist):

        Die geometrische Struktur des Übergangszustands ist eine trigonale Bipyramide, in der die ankommenden und abgehenden Gruppen axiale Positionen einnehmen. Dies wird dadurch bestätigt, dass die alkalische Hydrolyse optisch aktiver Triphosphate meist mit einer Inversion einhergeht. Die Bildung des Übergangszustandes beinhaltet die Polarisation von Bindungen - das Nueleophil (Anion) gibt Elektronen an das Phosphoratom ab. Beim Ausscheiden des Substituenten in anionischer Form verliert der Phosphor diese Elektronen und geht in den Ausgangszustand über. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit der Konjugation gegenüber Umladung ist sie im Übergangszustand stärker ausgeprägt als im Grundzustand. In Gegenwart einer RO-Gruppe mit negativer induktiver Wirkung im Triester-Molekül werden zwei Effekte mit entgegengesetztem Vorzeichen beobachtet, nämlich: induktiver Effekt, der zur Verschiebung eines Elektrons vom Phosphoratom entlang der PO-Bindung (in der POR-Gruppe) führt , und eine Zunahme der pp -dp , -Konjugation mit Verschiebung der einsamen Elektronenpaare des Sauerstoffs in der RO-Gruppe zum 3d Orbitale des Phosphoratoms. Wenn die Elektronendonoreigenschaft der Radikale (R) im Triphosphat stärker wird, nimmt die positive Mesomerie der RO-Gruppen zu, was zu kürzeren P-O-Bindungen in den P-O-R-Gruppen und einer viel langsameren alkalischen Hydrolyse führt.

        In neutralen und sauren Lösungen ist die Hydrolysegeschwindigkeit für Triphosphate schwach von der Protonenkonzentration abhängig, was darauf hindeutet, dass die nicht protonierte Form des Phosphats schneller hydrolysiert wird. Experimente mit H2 18 0 haben gezeigt, dass im sauren Milieu überwiegend die C-O-Bindung gebrochen wird:

        Hydrolyse von cyclischen Phosphaten. Im Gegensatz zu einfachen Dialkylphosphaten sind fünfgliedrige cyclische Diphosphate extrem reaktiv. Ethylenphosphat beispielsweise wird im Extremfall sowohl in sauren als auch in alkalischen Medien hydrolysiert. Unter solchen Bedingungen ist die Hydrolysegeschwindigkeit dieser Verbindung etwa 10 7 oder 10 8 mal schneller als die von Dimethylphosphat (siehe oben), und nur die P-O-Bindung wird gebrochen.

        Die hohe Reaktivität cyclischer Phosphate im Vergleich zu nichtcyclischen kann durch die Ringspannung erklärt werden. Die Spannung scheint nur bei fünfgliedrigen cyclischen Phosphaten aufzutreten, da die Reaktivität von Verbindungen mit einem größeren (sechs- und siebengliedrigen) Ring der von Dimethylphosphat entspricht oder sogar noch geringer ist. Die genaue Art der Konjugation in fünfgliedrigen cyclischen Phosphaten muss noch aufgeklärt werden, jedoch legt die leichtere Hydrolyse im Vergleich zu acyclischen Derivaten nahe, dass die Bildung des Übergangszustands mit der Eliminierung des gespannten Zustands einhergeht . Diese Hypothese wird durch die Tatsache gestützt, dass die Behandlung von Ethylenphosphat mit 18 O-markiertem Wasser im sauren Medium zusammen mit dem Einbau des Isotops in die Phosphatgruppe durch Hydrolyse auch zu einem Sauerstoffaustausch ohne Ringbruch führt, letztere Reaktion verläuft mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Hydrolyse (khydr/kaustauschen =5).

        Folglich wurde für beide Reaktionen die Entstehung eines Übergangszustands postuliert, der die Struktur einer trigonalen Bipyramide (15) hat (siehe unten), in der die P-O-Bindungen des Fünfrings eine axiale und eine äquatoriale Position einnehmen. In diesem nichtplanaren Ring beträgt der O-P-O-Winkel 90 0 , im Gegensatz zu 99 0 im cyclischen Ausgangsphosphat.

        Berechnungen der Winkeldehnung haben gezeigt, dass der Energiegewinn. resultierend aus der Eliminierung des Spannungszustandes während der Entstehung des Übergangszustands (15), liegt im Bereich von 12 bis 25 kJ/mol (3-6 kcal/mol). Entsprechend den Regeln der nukleophilen Substitution am tetraedrischen Phosphoratom besetzen die ein- und austretenden Gruppen axiale Positionen. Folglich muss die Hydrolyse von cyclischem Ethylenphosphat von einer Spaltung der P-O-Bindung in axialer Position sowie von der Bildung von Hydroxyethylenphosphat mit einem Sauerstoffisotop in der Phosphatgruppe begleitet werden:

        Andererseits muss auch im Ethylenphosphat ein Sauerstoffaustausch bei intaktem Fünfring nach der allgemeinen Regel erfolgen, dh die zu substituierte Gruppe (hier Hydroxyl) von der axialen Position abzuweichen. Daher können im Übergangszustand vom Typ (15), der durch nukleophile Substitution im Ethylenphosphatmolekül entsteht, die axialen Positionen nicht nur von -O-CH2-Gruppen, sondern auch von Hydroxylgruppen mit markierten und unmarkierten Sauerstoffatomen besetzt sein. Dies kann auch durch eine Umstrukturierung des Übergangszustandes, die sogenannte Pseudorotation, erfolgen. Im betrachteten Fall kann die entsprechende Transformation wie folgt geschrieben werden:

        Es ist ersichtlich, dass der Sauerstoffaustausch ohne Öffnung des Rings erfolgen kann. Die Wahrscheinlichkeit einer weiteren möglichen Restrukturierung der trigonalen Ausgangsbipyramide, bei der sich die O-P-O-Gruppe in äquatorialer Position befindet, ist gering, da in einem solchen Fall der O-P-O-Winkel gleich 120 0 wäre und das System dadurch viel stärker belastet würde.

        Ein ähnlicher Mechanismus scheint auch an der Hydrolyse von cyclischem Methylethylenphosphat beteiligt zu sein, das nicht nur eine Unterbrechung des Kreislaufs und Sauerstoffaustausch, sondern auch eine schnelle Hydrolyse der exocyclischen Gruppe mit intaktem Ring eingeht.

        Reaktionen, die von der Bildung zyklischer Strukturen begleitet werden, einschließlich einer Phosphatgruppe. Es ist bekannt, dass die Phosphatgruppe in N-phosphorylierten Hydroxyaminosäuren in einem sauren Medium eine N 0-Wanderung erfährt. Zum Beispiel:

        In diesem Fall könnte man erwarten, dass ein Übergangszustand entsteht, der einen Fünfring enthält:

        Die drei konstituierenden Atome des resultierenden Fünfrings müssen jedoch auf derselben Geraden liegen (die Austrittsgruppe X und die Eintrittsgruppe Y müssen axial positioniert sein oder anders ausgedrückt, der XPY-Winkel muss 180 0 betragen), was unmöglich ist. Da eine solche Wanderung die Abspaltung beider Isopropylgruppen verursacht, ist eher eine Abfolge von Schritten zu erwarten, die Hydrolyse und Cyclisierung mit Abgang der Isopropoxygruppen und Öffnung des Rings umfasst:

        Eine ähnliche Migration der Phosphatgruppe wurde während der alkalischen Behandlung von Glycero-1-methylphosphat beobachtet (16):

        Die Bildung gleicher Mengen an Glycerin I- und 2-Phosphaten beruht auf der Entstehung eines fünfgliedrigen cyclischen Phosphats als Folge des nukleophilen Angriffs auf das Phosphoratom durch das benachbarte Hydroxyl. Wie bereits erwähnt, sind solche Verbindungen sehr instabil und hydrolysieren auf beiden möglichen Wegen (a) und (b) praktisch gleich schnell.

        Methyl( b -hydroxyethyl)phosphat wird auf ähnliche Weise vollständig in Hydroxyethylphosphat umgewandelt:

        Unter den gleichen Bedingungen wird Methyl(b-methoxyethyl)phosphat, das nicht in eine cyclische Struktur umgewandelt werden kann, nicht hydrolysiert. Die obigen Befunde legen nahe, dass die Hydrolyse von Diphosphaten, die im alkalischen Milieu relativ stabil sind (siehe oben), in Fällen, in denen sich cyclische Phosphate als Zwischenprodukte der Hydrolyse bilden können, wesentlich erleichtert wird.

        Die Tatsache, dass die alkalische Hydrolyse von Glycero-1-methylphosphat nicht zur Bildung von Glycero-2-methylphosphat führt, wobei der Hauptprozess die Eliminierung der Methoxygruppe ist, um das entsprechende cyclische Phosphat zu ergeben, weist auf einen möglichen Mechanismus dieser Umwandlung hin. Der Übergangszustand scheint dadurch zu entstehen, dass das Phosphoratom von der 2-Hydroxylgruppe des Glycerins angegriffen wird. Neben der ankommenden Gruppe befindet sich auch die Methoxylgruppe in axialer Position. Die Reaktion endet in Abkehr von der letztgenannten Gruppe.

        Wäre die Zwischenstruktur (17) einer Pseudorotation unterzogen worden [Bildung von Struktur (18)], hätten die Reaktionsprodukte Glycero-2-methylphosphat enthalten, dessen Abwesenheit zeigt an, dass in diesem Fall keine Pseudorotation stattfindet (dieses Phänomen wird unter größere Länge im Folgenden).

        Bei nicht alkylierten Glykolmonophosphaten kann es zu einer Migration der Phosphatgruppe kommen:

        Dieser Prozess ist nur in saurem Medium möglich, was gut mit dem oben beschriebenen Mechanismus der nukleophilen Substitution am tetraedrischen Phosphoratom übereinstimmt (es ist das Wassermolekül, das in einem sauren Medium die Abgangsgruppe ist).

        Glycero-1- und Glycero-2-Phosphate können in alkalischen Medien nicht ineinander umgewandelt werden. Folglich wird in diesem Fall kein cyclisches Phosphat gebildet. Der Grund ist das Fehlen einer geeigneten Abgangsgruppe. Es ist sehr wahrscheinlich, dass zwar eine cyclische Struktur gebildet wird, die der im Übergangszustand entstehenden ähnlich ist, diese jedoch nicht in der Lage ist, Pseudorotationen einzugehen, was auch die Möglichkeit einer Isomerisierung ausschließt.

        4.4.5 b -Eliminationsreaktionen

        Alkylphosphate, die solche elektronegativen Substituenten wie C=-N, COOH, COOR und andere an der b-Position in der Alkylgruppe enthalten, gehen in einem alkalischen Medium leicht eine b-Eliminierung der Phosphatgruppe ein. Wenn Ethylphosphat während der milden alkalischen Hydrolyse praktisch nicht zerfällt, tun dies b-Cyanethylphosphat und seine Ester unter den gleichen Bedingungen leicht.

        b -Eliminierung der Phosphatgruppe geht immer mit Spaltung der C-O-Bindung und Bildung der entsprechenden ungesättigten Verbindung einher. Letztere erfährt in einigen Fällen nachfolgende Transformationen. Beispielsweise wird bei der b-Eliminierung der Phosphatgruppe Serinphosphat in Brenztraubensäure umgewandelt:


        AP Sample Lab 2 Katalyse 2

        Enzyme sind Proteine, die von lebenden Zellen produziert werden. Sie sind biochemische Katalysatoren, was bedeutet, dass sie die Aktivierungsenergie senken, die für eine biochemische Reaktion erforderlich ist. Aufgrund der Enzymaktivität können Zellen bei relativ niedrigen Temperaturen komplexe chemische Aktivitäten ausführen. Das Substrat ist die Substanz, auf die bei einer enzymkatalysierten Reaktion einwirkt, und es kann reversibel an das aktive Zentrum des Enzyms binden. Das aktive Zentrum ist der Teil des Enzyms, der mit dem Substrat interagiert, so dass jedes Substrat, das die aktive Stelle blockiert oder die Form des aktiven Zentrums verändert, die Aktivität des Enzyms beeinflusst. Das Ergebnis dieser vorübergehenden Vereinigung ist eine Verringerung der Energiemenge, die erforderlich ist, um die Reaktion des Substratmoleküls zu aktivieren, so dass Produkte gebildet werden. Die folgende Gleichung demonstriert diesen Vorgang: E ​​+ S ↔ ES E + P Enzyme folgen dem Gesetz der Massenreaktion. Daher wird das Enzym bei der Reaktion nicht verändert und kann recycelt werden, um zusätzliche Substratmoleküle abzubauen.

        Mehrere Faktoren können die Wirkung eines Enzyms beeinflussen: Salzkonzentration, pH-Wert der Umgebung, Temperatur, Aktivierungen und Inhibitoren. Bei einer Salzkonzentration nahe Null ziehen sich die veränderten Aminosäureseitenketten der Enzymmoleküle an. Das Enzym denaturiert dann und bildet einen inaktiven Niederschlag. Denaturierung tritt auf, wenn überschüssige Wärme die Tertiärstruktur von Proteinen zerstört. Dies geschieht normalerweise bei 40 bis 50 Grad Celsius. Bei hoher Salzkonzentration wird die normale Wechselwirkung geladener Gruppen blockiert. Eine mittlere Salzkonzentration ist normalerweise das Optimum für die Enzymaktivität. Die Salzkonzentration von Blut und Zytoplasma sind gute Beispiele für Zwischenkonzentrationen. Die pH-Skala ist eine logarithmische Skala, die den Säuregehalt oder die H+-Konzentration in einer Lösung misst und von 0 bis 14 reicht, wobei 0 der höchste Säuregehalt und 14 der niedrigste ist. Aminosäureseitenketten enthalten Gruppen wie –COOH, die leicht H+-Ionen aufnehmen oder abgeben. Wenn der pH-Wert gesenkt wird, neigt ein Enzym dazu, H+-Ionen aufzunehmen, wodurch die Form des Enzyms gestört wird. Wenn der pH-Wert erhöht wird, verliert das Enzym H+-Ionen und verliert schließlich seine aktive Form. Reaktionen verlaufen normalerweise optimal in neutralen Umgebungen. Chemische Reaktionen beschleunigen sich im Allgemeinen, wenn die Temperatur erhöht wird. Mehr der reagierenden Moleküle haben genug kinetische Energie, um die Reaktion mit steigender Temperatur zu durchlaufen. Steigt die Temperatur jedoch über das Temperaturoptimum, wird die Konformation der Enzymmoleküle gestört. Ein Aktivator ist ein Coenzym, das die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht und die Reaktionsgeschwindigkeit des Enzyms regulieren kann. Es macht auch das aktive Zentrum besser für das Substrat geeignet. Ein Inhibitor hat die gleiche Fähigkeit zur Aktivierung des Aktivators, verringert jedoch die Reaktionsgeschwindigkeit. Ein Inhibitor reduziert auch die Anzahl der S-S-Brücken und reagiert mit den Seitenketten in der Nähe der Aktivierungsstellen und blockiert sie.

        Das in diesem Labor verwendete Enzym ist Katalase. Es hat vier Polypeptidketten, die jeweils aus mehr als 500 Aminosäuren bestehen. Eine Katalasefunktion besteht darin, die Ansammlung toxischer Mengen von Wasserstoffperoxid zu verhindern, die als Nebenprodukt von Stoffwechselprozessen gebildet werden. Viele Oxidationsreaktionen, die in Zellen auftreten, beinhalten Katalase. Die folgende Hauptreaktion wird durch Katalase katalysiert, die Zersetzung von Wasserstoffperoxid zu Wasser und Sauerstoff:

        2 H2O2 → 2 H2O + O2 (Gas) Ohne Katalase läuft diese Reaktion spontan aber sehr langsam ab. Katalase beschleunigt die Reaktion merklich.

        Die Richtung einer enzymkatalysierten Reaktion hängt direkt von der Konzentration von Enzym, Substrat und Produkt ab. Beispielsweise ergibt viel Substrat mit wenig Produkt mehr Produkt. Ein weiteres Beispiel ist viel Produkt mit wenig Enzym bildet mehr Substrat. Man kann viel über Enzyme lernen, indem man die Kinetik der enzymkatalysierten Reaktion untersucht. Es ist möglich, die Menge des gebildeten Produkts oder die Menge des verwendeten Substrats von dem Moment an, in dem die Reaktanten zusammengebracht werden, bis die Reaktion beendet ist, zu messen.

        Enzymkatalase erhöht unter optimalen Bedingungen die Geschwindigkeit der Wasserstoffperoxidzersetzung merklich.

        Die für Übung 2A des Labors benötigten Materialien sind: 30 ml 1,5% (0,44 M) H2O2, ein 50-ml-Becherglas, 6 ml frisch zubereitete Katalaselösung, ein Reagenzglas, kochendes Wasserbad, 1 cm³ Leber, ein Mazerationsmesser, Papierhandtücher, Schutzbrille, Laborschürze, Bleistift, Radiergummi und Papier zum Aufzeichnen der Ergebnisse.

        Die für Übung 2B benötigten Materialien sind: 10 ml 1,5% H2O2, zwei saubere Bechergläser, 1 ml H2O, 10 ml H2SO4, ein weißes Blatt Papier, eine 5-ml-Spritze, ca. 5 ml KMnO4, Papier, Bleistift , Radiergummi, Schutzbrille und Laborschürzen.

        Die für die Übung 2C des Labors benötigten Materialien sind: 20 ml 1,5% H2O2, zwei Bechergläser, 1 ml H2O, 10 ml H2SO4, ein weißes Blatt Papier, eine 5-ml-Spritze, ca. 5 ml KMnO4, Papier , Bleistift, Radiergummi, Schutzbrille und Laborschürzen.

        Für diesen Teil des Experiments sind die benötigten Materialien 12 Tassen mit der Aufschrift 10, 30, 60, 120, 180 und 360 auf jeweils zwei, sechs Tassen mit der Aufschrift Säure, 60 ml 1,5% H2O2, ein sauberer 50-ml-Becher, 6 ml Katalase-Extrakt, zwei 5-ml-Spritzen, KMnO4, ein Timer, Papier, Bleistift, schwarzer Marker, Radiergummi, Schutzbrille und Laborschürzen.

        Übertragen Sie 10 ml 1,5% H2O2 in ein 50-ml-Becherglas und fügen Sie 1 ml frisch hergestellte Katalaselösung hinzu. Denken Sie daran, die Katalaselösung immer auf Eis zu halten. Notieren Sie die Ergebnisse. Geben Sie dann 5 ml gereinigten Katalase-Extrakt in ein Reagenzglas und stellen Sie es fünf Minuten lang in ein kochendes Wasserbad. Überführen Sie 10 ml 1,5% H2O2 in ein 50-ml-Becherglas und fügen Sie 1 ml der abgekühlten, gekochten Katalaselösung hinzu. Notieren Sie die Ergebnisse erneut. Um das Vorhandensein von Katalase in lebendem Gewebe nachzuweisen, schneiden Sie 1 cm Leber ab, mazerieren Sie und übertragen Sie sie in ein 50-ml-Becherglas mit 10 ml 1,5% H2O2. Notieren Sie diese Ergebnisse.

        Geben Sie 10 ml 1,5% H2O2 in ein sauberes Becherglas. Fügen Sie 1 ml H2O hinzu. Fügen Sie 10 ml H2SO4 (1,0 M) mit äußerster Vorsicht hinzu. Mischen Sie diese Lösung gut. Entnehmen Sie eine 5-ml-Probe und geben Sie sie in ein anderes Becherglas. Bestimmen Sie die H2O2-Menge wie folgt. Stellen Sie das Becherglas mit der Probe auf weißes Papier. Verwenden Sie eine 5-ml-Spritze, um KMnO4 tropfenweise in die Lösung zu geben, bis eine anhaltende rosa oder braune Farbe erhalten wird. Denken Sie daran, die Lösung nach dem Hinzufügen jedes Tropfens vorsichtig zu schwenken. Notieren Sie alle Ergebnisse. Erkundigen Sie sich bei einer anderen Gruppe, bevor Sie fortfahren, um festzustellen, ob die Ergebnisse ähnlich sind.

        Um die spontane Umwandlungsrate von H2O2 in H2O und O2 in einer unkatalysierten Reaktion zu bestimmen, geben Sie etwa 20 ml 1,5 % H2O2 in ein Becherglas. Unbedeckt bei Raumtemperatur etwa 24 Stunden lagern. Wiederholen Sie die Schritte aus Übung 2B unter Verwendung des unkatalysierten H2O2, um die proportionale Menge H2O2 zu bestimmen, die nach 24 Stunden verbleiben. Notieren Sie die Ergebnisse.

        Wenn seit der Durchführung von Übung B ein oder mehr Tage vergangen sind, ist es notwendig, die Grundlinie wiederherzustellen. Wiederholen Sie den Test und notieren Sie die Ergebnisse. Vergleichen Sie mit anderen Gruppen, um zu überprüfen, ob die Ergebnisse ähnlich sind. Um den Verlauf einer enzymatischen Reaktion zu bestimmen, muss gemessen werden, wie viel Substrat im Laufe der Zeit verschwindet. Stellen Sie zuerst die Tassen mit den Zeiten und dem Wort Acid Up auf. Geben Sie 10 ml H2SO4 in jeden der mit Säure gekennzeichneten Becher. Geben Sie dann 10 ml 1,5% H2O2 in den mit 10 Sek. markierten Becher. Gib 1 ml Katalase-Extrakt in diese Tasse. 10 Sekunden sanft wirbeln. (Berechnen Sie die Zeit mit dem Timer für die Genauigkeit.) Geben Sie nach 10 Sekunden den Inhalt eines der mit Säure gefüllten Becher hinzu. Entnehmen Sie 5 ml und geben Sie sie in die zweite Tasse, die mit 10 Sek. markiert ist. Testen Sie die 5-ml-Probe, indem Sie KMnO4 tropfenweise hinzufügen, bis die Lösung eine rosa oder braune Farbe annimmt. Wiederholen Sie die obigen Schritte, lassen Sie die Reaktionen jedoch 30, 60, 120, 180 bzw. 360 Sekunden ablaufen. Verwenden Sie die entsprechenden, markierten Tassen der Zeiten. Notieren Sie alle Ergebnisse und Beobachtungen.


        Schau das Video: En gul rødkål.! Fredagsfysik #15. Syre-Base kemi (Juni 2022).


Bemerkungen:

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