Химия протеолиза - Антонов В.К.
Скачать (прямая ссылка):
К* [А...В]*
А + В =$== (А...В) , где К* = ---------------.
[А1[В]
Соответствующее величине К* изменение стандартной свободной энергии Гиббса называется свободной энергией активации lG*. Частота распада активирс
ванного комплекса (А_____В)* павно частоте колебаний разрываемой связи, т.е.
v = кГ/h, где к - константа Больцмана; h - постоянная Планка; Т - абсолютная температура. При 25°С значение v = 6,2-1012 с-1. Так как
hG*
[А...В]* = [АПВ]е-ят , то
кТ дС*
v = vlk____ВЗ = [АПВ]-^ е ят ,
т.е. скорость реакции будет тем выше, чем ниже свободная энергия активации и чем выше "концентрация” активированного комплекса по отношению к концентрации молекул в исходном состоянии (см. рис. 32,а).
Существует корреляция меаду положением переходного состояния по координате реакции (%* - порядок образующейся связи), высотой энергетического барьера (дС*) и разницей в энергии исходных веществ и конечных продуктов (&G°), например [1466,1467]:
1
X* = -----------•
2-hG°/hG*
Переход от начального к конечному состоянию может происходить несколькими путями через разные переходные состояшп. На рис. 32,6 для реакции
RC0X + Y: RC0Y + X:
даны четыре пути [14683: два динамически сопряженных, т.е. характеризующихся одновременным изменением порядков связей С-Х и С-Y и являющихся кинетически сопряженными (проходящими через одно и то же переходное состояние), но имеющих в этих состояниях, различные колебательные координаты, и два динамически не сопряженных, проходящих через углы карты и включающих или образование промежуточного ацилиевого катиона (механизм S'^1), или образование промежуточного тетраэдрического соединения.
Ниже будет показано, что гидролиз амидов и большинства других производных карбоновых кислот идет через образование тетраэдрического промежуточного соединения.
3.3.1. Нуклеофильная атака
В зависимости от pH раствора нуклеофилом в реакциях гидролиза может выступать ион ОН- или молекула воды. Эти две частицы резко отличаются по свойствам, в частности по сродству к протону, т.е. по нуклеофильности. Значения рКа гидроксил-иона и молекулы воды составляют соответственно 15,74 и -1,74. Очевидно, что механизмы щелочного и кислотного гидролиза амидов должны быть разными.
В соответствии с распределением электронной плотности в амидной группе атака нуклеофила должна быть направлена на карбонильный атом углерода, несущий наибольший положительный заряд. Направление атаки должно быть таким, чтобы достигалось наибольшее перекрывание связывающих орбиталей реагирующих атомов. Первоначально считалось, что таким направлением является направление, перпендикулярное плоскости амидной группы. Последующие исследования [1469-1474] показали, однако, что это не совсем так. Рентгеноструктурное изучение серии аминокетонов [1469,1470], а также квантово-химические расчеты [1471-1475] позволили следующим образом описать взаимодействие нуклеофила с карбонильной группой. При приближении отрицательно заряженной частицы к карбонильному атому углерода происходит изменение плоской конфигурации амидной группы и атом углерода выходит из плоскости, образованной карбонильным кислородом, атомом азота и атомом а-С. Наблюдается "пирамидализа-ция” амидной группы (рис.33), которая тем больше, чем меньше расстояние меаду нуклеофилом и карбонильным 0-атомом. Для кетонов взаимосвязи степени пирамидализации (А) и расстояния между атомом углерода и нуклеофилом ) выражается эмпирической формулой
d1 = -0,851g(A/At)2 + 1,48 А,
где ht - величина пирамидализации в тетраэдрической структуре (At=0,44 А). Угол атаки нуклеофила остается постоянным на всем пути его приближения к карбонильному углероду и составляет 107°, т.е. очень близок к тетраэдрическому.
Аналогичные выводы были получены [1476] на основе концепции "стереоэлек-тронного контроля”, в соответствии с которой наибе пее прочной связью в тетраэдрическом соединении является та, которая имеет наименьшее число свободных. орбиталей, расположенных в антиперипланарной конформации к свободным оШ [талям других атомов. Эта концепция оказалась плодотворной при анализе распада тетраэдрических промежуточных соединений и будет подробнее рассмотрена ниже.
Пирамидализация амидной группы в ходе нуклеофильной атаки приводит, оче-
РИС.ЗЗ. Атака нуклеофильного атома азота (N) в циклических аминокетонах на карбонильный атом углерода [1469]
а - расстояния мезвду N и С' и углы С -С'-О в аминокетонах с различной величиной цикла (A-F); б - зависимость пирамидализации карбонильной группы (Л) от расстояния мезвду нуклеофилом и карбонильным С-атомом
О
о
3,0 йи А
видно, к нарушению резонансного взаимодействия¦свободной пары электронов атома азота с %-электронами карбонильной гружы, что, в свою очередь, способствует присоединению нуклеофила. Таким образом, в ходе образование связи происходит как бы взаимная подстройка реагирующих групп, способствующая более полному перекрыванию связш акшдах орби""элей.
