Download - Ex: baskatalyserad hydrolys av en ester – jmf substraten p - nitrofenylacetat och fenylacetat
Ex: baskatalyserad hydrolys av en ester – jmf substraten p-nitrofenylacetat och fenylacetat
Tetraedriskt intermediat
http://bama.ua.edu/~kshaughn/chem232/resources/mechanisms/mechanism.htm
R R
R R
R =
p-nitrofenyl fenyl
p-nitrofenylacetat kommer att vara mer reaktivt än fenylacetat eftersom nitro-gruppen drar åt sig elektroner och kan på så sätt stabilisera ett negativt laddat TS relativt till grundtillståndet.
CH3 CH3
CH3 CH3
OH- attackerar karbonylkolet → i TS kommer en negativ laddning att överföras till estern
R =
2. Transitions state theory – för att jämföra relativa reaktiviteten hos olika substrat
Ex: Nedbrytning av tetrabutylbromid– jmf lösningsmedlen vatten och dietyleter
Tetrabutylbromid
+
Tetrabutylkarbokatjon
TS för denna reaktion måste innefatta ett dipolärt tillstånd.
δ- δ+
Reaktionen går fortare i vatten eftersom ett polärt lösningsmedel - som vatten – kan stabilisera TS emedan ett med opolärt lösningsmedel kommer att destabilisera TS relativt till grundtillståndet.
2. Transitions state theory – jämföra reaktionshastigheten under olika betingelser
Ex: Lysozymkatalyserad hydrolys av peptidoglycan
Glykosyl-enzym-intermediat stabiliseras av Asp52
Hastighetsbegränsande steget
TS som liknar strukturen av en karbokatjon
3. The Hammond postulate” - om det finns ett instabilt intermediat under reaktionen, kommer transition state att likna strukturen av intermediatet.
Ett e- par plockar åt sig en proton
Vi får en uppfattning om strukturen på TS och kan prediktera hur detta tillstånd kan stabiliseras!
δ-δ+
3. ”The Hammond effect” - en liten ändring i strukturen hos substratet så att dess energi ökar (S blir mer instabilt) → TS sker tidigare i reaktionen → strukturen på TS blir mer lik S
LFER – ”linear free energy relationship”Det finns ett linjärt samband mellan förändringen i aktiveringsenergi och jämviktsenergin
Brǿnsted β värde = ΔΔG#/ΔΔG
β är i stort sett konstant vid små förändringar i ΔΔG – linjärt samband
β = 0 och 1 för enkla reaktioner
Denna förflyttning längst reaktionskoordinaten kallas för Hammond effekt
Enzymer påskyndar reaktioner genom att sänka aktiveringsenergin!
SP
G
Reaktionskoordinat
TS#
ΔG# Utan katalys
ΔG# Med katalys ΔG för reaktionen
När enzymet binder till substratet uppstår gynnsamma interaktioner som stabiliserar TS → sänkning av ΔG# → ökning av reaktionshastigheten
Olika katalyseringsstrategier hos enzymer Enzymet kan använda sig av en eller flera
• Allmän syra/bas katalys – Fråga 4, 5, 6
• Approximation (Proximitet av reaktanter) – Fråga 7 och 8
• Elektrostatisk katalys – Fråga 9
• Metalljonkatalys – Fråga 10
• Kovalent katalys – Fråga 11 och 12
• Konformationsförändring (Conformational distortion) – strukturförändring av enzymet, substratet eller båda för att föra systemet mot TS
Allmän syra/bas katalys
Specifik syra/bas katalys: Direkt jonisering mha H+/OH- före det hastighetsbegränsade steget
Allmän bas katalys: en bas stabiliserar en positiv laddad grupp i TS.
Allmän syra katalys: en syra stabiliserar en negativ laddad grupp i TS.
Exempel mutarotation av glykos
Visar det hastighetsbegränsande steget
4. Beskriv reaktionerna och skillnad mot specifik syra/bas katalys
7. Vad menas med den ”effektiva koncentrationen” vid en intra-molekylär katalyserad reaktion
Proximitet av reaktanter
Elektrostatisk katalys
9. Förklara varför protonering av ”hydrazine” (i vattenmiljö) till en dikatjon kostar betydligt mindre i energi (53.3 kJ/mol) än vad man skulle beräkna enligt Coloumbs lag (920 kJ/mol)
Metaljon katalys
Elektrofil katalys – koordinerad metalljon som stabiliserar en bildande negativ laddning
Koordinerad Zn2+ polariserar en amid vilket underlättar för en nukleofil attack och stabiliserar intermediatet
CH2
NH2
CO2-
+Nukleofil attack EtOH
Exempel baskatalyserad hydrolys av glycinetylester
Med metall* 2 X 106
fortare
Utan metall
10. Förklara och ge ett exempel på hur en metall kan fungera som en elektrofil katalysator i ett metalloenzym
Ex. hydrolys av amid
Metaljon katalys
Källa till hydroxyljoner vid neutralt pH - Koordinerande metalljon som binder vatten och underlättar deprotonisering till hydroxyljon vid neutralt pH. Hydroxyljonen kan sedan reagera med substratet via en nukleofil attack
http://maptest.rutgers.edu/drupal/?q=node/24
Exempel karbanhydras
Kovalent katalys
11. Ge ett exempel och förklara reaktionsmekanismen för:
Elektrofil katalys – ny katalysväg med bildandet av en bättre elektrofil än ursprungselektrofilen (ex bildandet av Schiff bas, e- stabiliseras genom delokalisering)
Schiff bas bildas genom kondensation mellan en amin och en karbonylgrupp
Protonering vid neutralt pH
Aktiverat för en nukleofil attack
Omlagring - tautomerisering
Stabilisering av negativ laddning på Cα Metylenkol aktiverad som nukleofil
Kovalent katalys
Elektrofil katalys – Pyridoxalfosfat (ett koenzym)
Pyridoxalfosfat
+ NH2 – CH – COOH
R
Sciff base
Avlägsning av H a) Racemicering b) Transaminering c) β-dekarboxyleringd) ommöblering av sidokedjor
α - dekarboxylering
Aminosyra
H2O
Pyridoxal
RCH2NH2
+Amin
Kovalent katalys
Elektrofil katalys – Thiaminpyrofosfat
Ett koenzym som binder kovalent till substrat och stabiliserar negativa leddningar
Nukleofil
Exempel dekarboxylering av pyruvat till acetaldehyd
Pyruvat
Acetaldehyd
Kovalent katalys
11. Ge ett exempel och förklara reaktionsmekanismen för:
Nukleofil katalys – ny katalysväg med en bättre nukleofil än ursprungsnukleofilen och där intermediären är mer reaktivt än vad substratet är
Nukleofil attack med pyridin som är en bättre nukleofil än H2O
Exempelvis hydrolys av acetic anhydrid underlättas av pyridin
Det bildas ett intermediat som är mer reaktivt än ursprungssubstratet
Kovalent katalys
Mät förändringar i reaktivitet med förändringar i strukturen hos reagensen
12. Diskutera vilka faktorer som är av betydelse för reaktionshastighet hos en nukleofil katalys vid hydrolys av en ester?
Hastigheten för en hydrolys av en ester ökar då:
i) Karbonylkolet är kopplat till elektrondragande grupper i acylpositionen (CHCl2CO2Et > CH3CO2Et)
ii) elektrondragande grupp i lämnande gruppen
iii) ökad basisk styrka hos nukleofilen
Elektrondragande grupp i acylpositionen
Ökad basisk styrka hos nukleofilen Elektrondragande grupp i lämnande gruppen
Kovalent katalys nukleofil katalys vid hydrolys av en ester
Tillämpa transitions state teorin - reaktionshastigheten beror på energiskillnaden mellan TS och grundtillståndet → så kan vi dra slutsatsen att:
1. Reaktionen involverar en ökning av negativ laddning på substratet (eftersom reaktionshastigheten ökar med elektrondragande grupp)
2. Reaktionen måste involvera en minskning i laddning hos nukleofilen (eftersom hastigheten ökar vid elektrondonation)
Detta är förenligt med båda reaktionsmekanismerna nedan
Det hastighetsbegränsande steget är formation av ett tetraedriskt intermediat
Det hastighetsbegränsande steget är nedbrytning av ett tetraedriskt intermediat
Kovalent katalys nukleofil katalys vid hydrolys av en ester
A Bronsted plot för nukleofil attack av primära och sekundära aminer på p-nitrofenylacetat
Brønsted β värde för en nukleofil katalys fås genom att plotta logk2 mot pKa för olika nukleofiler
Linjärt samband mellan logk och pKa
ΔG# för formation av bindning mellan den nukleofila gruppen och karbonylkolet är proportionellt mot ΔG för överföring av en proton till nukleofilen
Brønsted β är inte strikt mellan 0 och 1 - kan vara större än 1 om den reaktiva gruppen är mer elektrondragande än en proton .
Kovalent katalys nukleofil katalys vid hydrolys av en ester
I detta fall liknar TS strukturen den bildade produkten
Det hastighetsbegränsande steget är nedbrytning av ett tetraedriskt intermediat
• β för nukleofil attack av tertiära aminer på estrar med starka basiska alkoholer är:
+ 1.5 för variation av nukleofilens pKa (hastigheten ökar med stigande basstyrka)- 1.5 för variationen av alkoholens pKa (hastigheten minskar med stigande basstyrka)
β-värdet indikerar laddningsfördelningen i TS
Kovalent katalys nukleofil katalys vid hydrolys av en ester
•β för reaktion med basiska nukleofiler och estrar som innehållen en aktiverad lämnande grupp är:
+ 0.1 till 0.2 för variation av nukleofilens pKa (marginell ökning av hastigheten med stigande basstyrka)- 0.1 till 0.2 för variationen av den lämnande gruppens pKa (marginell minskar av hastigheten med stigande basstyrka)
I ett annat extremt fall
I detta fall liknar TS strukturen startmaterialet
Det hastighetsbegränsande steget är formation av ett tetraedriskt intermediat