Приклад кількох каталітичних реакцій
3 Приклад кількох каталітичних реакцій. Принцип дії каталізатора
Щоб пройшла хімічна реакція, потрібно, щоб молекули зіткнулися. З кінетичної енергії таких зіткнень можна отримати енергію, необхідну для того, щоб розірвати або послабити хімічні зв'язки в молекулах реагентів. Внаслідок теплового руху за 1 с. відбуваються трильйони зіткнень молекул, лише рідкісні у тому числі призводять до хімічному перетворенню. Тобто реагують тільки ті молекули, які в момент зіткнення мають достатню сумарну енергію. Ця енергія, яка називається енергією активації (Еа), характеризує ту мінімальну енергію, якою повинна мати молекула (або молекули), щоб вступити в хімічну реакцію. Графічно ця величина відповідає величині бар'єру (утворення перехідного стану), який необхідно подолати для здійснення хімічної реакції. В результаті багато навіть термодинамічно дозволених (вигідних) реакцій практично не йдуть через занадто високу енергію активації.
Згадаймо реакцію окислення аміаку, який здатний горіти в чистому кисні (насилу на повітрі) з утворенням азоту і парів води. Реакція йде лише за високої температури. Додавання порошку оксиду хрому (CrO) призводить до "вогненного дощу" з цих частинок. Йде реакція (екзотермічна, тобто із теплотою), продукти якої містять NO і воду. Оксид хрому, що є в реакції каталізатором, не змінюється, але спрямовує реакцію енергетично більш вигідному шляху з меншою енергією активації, при нижчій температурі в даному випадку.
Важливо, що каталізатор не витрачається і змінює різниці вільних енергійпочаткового та кінцевого станів реакції, тобто не впливає на загальні термодинамічні характеристики реакції, зокрема не зміщує її рівновагу (змінюючи лише час виходу до рівноважного стану). Дія каталізатора полягає в зниженні енергії активації і означає, що велика частка молекул, що стикаються, буде мати достатню енергію для подолання бар'єру вільної енергії перехідного стану і протікання реакції.
За рахунок чого каталізатор може знижувати бар'єр вільну енергію (або вільну енергію перехідного стану)? Він може взаємодіяти з реагентами, даючи принципово інший перехідний стан або просто більш стабільний (і, отже, з більш низькою вільною енергією), ніж утворене некаталітичної реакції.
Розглянемо деякі основні механізми каталізу. Усі вони можуть бути виявлені щодо дії ферментів як каталізаторів. Приклад - реакція гідролізу складного ефіру:
R'COOR" + HO R'COOH + R"OH.
Ця реакція включає нуклеофільну атаку вільною парою електронів кисню води по вуглецевому залишку карбонілу (має частковий позитивний заряд d+ в результаті відтягування електронної щільності на кисневий атом), утворення перехідного стану і далі продуктів реакції.
У перехідному стані атакуюча молекула води набуває позитивного заряду, а кисень карбонільної групи - негативний. Такий перехідний стан вкрай невигідний, тобто його освіта потребує високої енергії активації. Це, своєю чергою, означає, що швидкість реакції буде дуже мала.
Використання каталізатора у разі може суттєво допомогти процесу. Яким чином?
1. Кислотно-основний каталіз (під дією Н+ або ОН-);
а) кислоти можутьтимчасово давати протон молекулі ефіру:
Протонована форма ефіру (реакційніша) потім атакується молекулою води аналогічно схемі без каталізатора з тією лише різницею, що перехідний стан недвозарядний (стабільніше, ніж попередній), отже, для такої реакції потрібна менша енергія активації.
б) основи (ХО-) можуть тимчасово акцептувати протон (Н+), допомагаючи стабілізувати двозарядний перехідний стан, наприклад:
2. Електростатичний каталіз. Перехідний стан можна стабілізувати електричним полем іона, наприклад, позитивно заряджений карбоній-іон (перехідний стан у разі каталізу ферментом - лізоцимом) стабілізується електричним полем негативно зарядженої карбоксильної групи залишку аспарагінової кислоти. Звичайно, енергія електростатичної взаємодії двох точкових зарядів залежить від властивостей середовища (діелектричного постійного), в якому ця взаємодія відбувається. У водному середовищі ця взаємодія слабка, проте в органічних розчинниках, а також в активних центрах ферментів вона може робити істотний внесок.
3. Ковалентний каталіз (електрофільний або нуклеофільний). Роль іонів міді у попередньому прикладі, що допомагають відтягнути електрони з реакційного центру, можна обговорювати як форму електрофільного каталізу.
Каталізатор нуклеофільної природи, наприклад, третинний амін, що має неподілену пару електронів на атомі азоту, здавалося б, нічим не відрізняється від вихідного реагенту некаталітичної реакції, в даному випадку молекули води.
Понад те, у разі ми бачимо і двухзарядное перехідний стан. Проте реакція у присутності каталізатора йде, а за відсутності його практично немає. Причина в тому, що каталізатор має більшесильно виражений нуклеофільний характер, ніж атакуюча група (а отже, діє швидше), а проміжне з'єднання більш реакційне, ніж вихідне. Ефект підвищення нуклеофільної здатності тих чи інших груп дуже яскраво проявляється у ферментативному каталізі. Більше того, фермент може одночасно використовувати декілька різних механізмів каталізу, підвищуючи ефективність хімічної реакції.
Дія ферментів, як та інших каталізаторів, як зазначалося, полягає у зниженні вільної енергії активації реакції. Однак картина протікання реакції у присутності ферменту (профіль зміни вільної енергії) виглядає складніше, ніж для звичайних каталізаторів.
Величезну роль каталізі ферментами грає те, що, власне, відбувається на початок хімічної реакції, саме утворення так званого фермент-субстратного комплексу Чому? Справа в тому, що в цьому випадку реагуючі частинки виявляються зближеними та зорієнтованими до початку власне хімічної реакції. Високий бар'єр вільної енергії розбивається на кілька менших, перший з яких характеризує неминучі енергетичні втрати при зближенні та орієнтації молекул, пов'язані із загальмовуванням їх поступального та обертального рухів. Тобто ферментативному каталізі здійснюється переведення реакції у внутрішньомолекулярний режим. Що дає такий переклад, відображає наведений як приклад гідроліз аспірину.
4. Внутрішньомолекулярний каталіз. Гідроліз ефірного зв'язку у разі аспірину пришвидшується за рахунок внутрішньомолекулярного загальноосновного каталізу.
Виявляється, що переведення реакції гідролізу ефірного зв'язку у внутрішньомолекулярний режим призводить до збільшення її швидкості в 100 разів. Як і за рахунок чого здійснюється такий переведення у ферментах?
Ферменти, як і всі білки, будуються з амінокислот, у просторі вони організовані (згорнуті) особливим чином (третинна та четвертинна структури білка). Висока каталітична активність ферментів забезпечується функціонуванням спеціальної ділянки - складноорганізованого активного центру, до складу якого входять амінокислотні залишки, часто віддалені один від одного в первинній поліпептидній послідовності.
Вище ми з'ясували, що для успішного нуклеофільного каталізу необхідно, щоб каталізатор був сильним нуклеофілом, принаймні сильнішим за вихідний реагент. У той самий час хімічні групи, формують активний центр ферменту, власними силами, зазвичай, є слабкими каталізаторами відповідних реакцій. Проте ферментативний каталіз за своєю ефективністю перевершує всі відомі каталізатори. Таким чином, дія ферменту являє собою добре налагоджену в просторі та часі систему.
Як зазначалося, переведення реакції у внутрішньомолекулярний режим призводить до її прискорення.
Слід зазначити також, що фермент, і зокрема його активний центр, - це застигла освіта. У ході взаємодії з субстратом та хімічною реакцією в молекулі ферменту можуть відбуватися структурні (конформаційні) зміни, які вдається в деяких випадках зафіксувати і які свідчать про деяке "настроювання" активного центру.
Таким чином, загальні принципи каталізу застосовуються і до дії ферментів. Однак різні фактори, що сприяють перебігу реакції, у ферментативному каталізі діють узгоджено, а у багатьох випадках є сумарним результатом низки причин. Найважливіші з них: 1) багатоточкова взаємодія з субстратом, що призводить до зближення та правильної орієнтаціїреагуючих груп; 2) переведення реакції у внутрішньомолекулярний режим; 3) стабілізація перехідного стану реакції.
1. Горєлов А.А. Концепція сучасного природознавства. М: Центр, 2003.
2. Діксон М., Вебб Е. Ферменти. М.: Світ, 1982. Т. 1-3.
3. Лавріненко В.М. Концепція сучасного природознавства. М.: ЮНІТІ-ДАНА, 2006.
4. Рузавін Г.І. Концепція сучасного природознавства. М: ЮНІТІ, 2001.
5. Фершт Е. Структура та механізм дії ферментів. М.: Світ, 1980. 432 з.