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

Konformationsförändring

”Induced fit” ”Induced strain”

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

5. Vad kan man utläsa från Bronsted β värde vid syra/bas katalys?

och

6. Beskriv och diskutera tabellerna 2.2 och 2.3

Tabell 2.2

6. Beskriv och diskutera tabellerna 2.2 och 2.3

Tabell 2.3

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

Ex aldolkondensation

Sciff base

Enamin

Aldehyd

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

Nukleofil katalys -

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

13. Vad innebär principen för mikroskopisk reversibilitet

14. Diskutera konsekvenserna av kinetisk ekvivalens

Baskatalyserad hydrolys av ester

• Reaktionshastigheten varierar med [A-] •TS innehåller antingen A- eller HA och OH-

• Vi kan inte avgöra detta eftersom båda fallen har samma hastighetsuttryck