12.9.1: Металокаталізований гідроліз

Last updated
Save as PDF

Page ID: 33490

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Іони перехідних металів (але не іони лужних металів) діють як кислоти Льюїса у взаємодіях метал-ліганд. Внаслідок взаємодії іона металу з лігандом електронна структура ліганда змінюється. У деяких випадках взаємодія метал-ліганд викликає зміни сили і реактивності інших зв'язків всередині самого ліганду. Наприклад, коли ліганд має кислий протон, взаємодія з іоном металу зробить цей кислий протон більш кислим. Іншими словами, взаємодія з іоном металу може викликати зниження ліганда\(pK_a\). Сам комплекс метал-ліганд може виступати більш сильною бронстед кислотою (що виділяє протон) в порівнянні з «вільним» лігандом. Ми можемо побачити цей тип змін у воді, коли вона «вільна» порівняно з тим, коли вона пов'язана з іоном металу.\(pK_a\)

Приклад: Вода зустрічається з іоном перехідного металу ¹

У біології розчинником є вода. Вода також є лігандом, який зв'язується з іонами металів, згідно з рівнянням, показаним нижче.

\[\ce{nH2O + M^{x+} <=>> [M(H2O)_{n}]^{x+}} \nonumber \]

У біологічних системах багато води. Отже, реакція, показана вище, зміщується далеко вправо (у напрямку до комплексу акво металів\(\ce{[M(H2O)_{n}]^{x+}}\)) у водному розчині. Отже, при розчиненні металів у водному розчині «вільного» іона не існує, а скоріше метал знаходиться в комплексі з водою. Це, як правило, вірно, якщо немає інших лігандів, які мають більш сильну спорідненість до іона металу.

Розглянемо дві реакції рівноваги, показані нижче. Автоіонізація води показана зліва. Ця реакція має дуже малу постійну рівноваги (\(K_W = 10^{-14}\)) і, таким чином,\(pK_a\) для дисоціації протона від води є\(pK_a = 14\). Зліва - дисоціація протона від молекули води, пов'язаної з\(\ce{Zn^2+}\) іоном (інші водні ліганди не намальовані для простоти). Зв'язок між\(\ce{H2O}\) і\(\ce{Zn}\) вважається ковалентною.

\[\ce{H2O <=> H^+ + OH^-} \quad \quad \text{vs.} \quad \quad \ce{[Zn(H2O)]^2+ <=> H^+ + [Zn(OH)]^+} \nonumber \]

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Передбачте, яка реакція вище більш сприятлива. Іншими словами, в якому випадку вода краща кислота; коли вода «вільна», або коли вона пов'язана з іоном перехідного металу, як Zn ² ⁺? Захистіть свій прогноз. ¹

Підказка

Розглянемо ці дві речі:

(1) У якому випадку гідроксидний іон є більш стабільним: коли це вільний іон або коли він пов'язаний з Zn? Як це вплине на один випадок щодо іншого?

(2) Розглянемо поділ заряду в кожній рівновазі. Чи є локалізація позитивного і негативного заряду більш енергетично сприятливою в реагентах або в продуктах в кожному конкретному випадку? Як це вплине на один випадок щодо іншого?

Відповідь: Вода є кращою кислотою, коли вона має ковалентний зв'язок з іоном металу. Взаємодія метал-ліганд послаблює зв'язок H-O і стабілізує сполучену основу, яка утворюється після депротонації.

Вправа\(\PageIndex{2}\)

Вода має\(pK_a\) 14. При зв'язуванні води з іоном Zn ² ⁺ у водному розчині її\(pK_a\) знижують до 10. Розрахуйте рН чистої води і рН розчину 0,1 М ZnSO ₄.

Підказка: Вам знадобляться хімічні рівняння вище, і вам потрібно буде згадати визначення\(K_a\) і\(pK_a\), а також\(pH\) виконати це завдання. Нагадаємо, що\(pK_a = - \log K_a\) і\(pH = - \log [H^+]\). The\(K_a\) - постійна рівноваги для хімічного рівняння. Використовуйте таблицю ICE для розрахунку кількості іона водню при рівновазі.

Відповідь: Показник рН чистої води дорівнює 7. РН 0,1 М\(\ce{ZnSO4}\) залежить тільки від концентрації комплексу Zn aquo, який утворюється після дисоціації\(\ce{ZnSO4}\) до\(\ce{Zn^2+}\) і\(\ce{SO4^2-}\). Ми можемо використовувати метод I.C.E, щоб визначити, що концентрація іона водню в рівновазі приблизно\(3.2 \times 10^{-6}\) після того, як 0,1 М спочатку\(\ce{Zn^2+}\) додається до води. Це дає приблизно\(pH = 5.5\).

Вправа\(\PageIndex{3}\)

Перехідні метали різко знижують рН розчину в порівнянні з чистою водою. З іншого боку, лужні метали істотно не впливають на рН.

а) Виходячи з цієї інформації, що можна зробити висновок про відносну ковалентну природу взаємодії води з перехідними металами порівняно з лужними металами?

б) Раціоналізувати це на основі положення елемента на періодичній таблиці та їх послідовних електронних конфігурацій.

Відповідь

а) перехідні метали утворюють більше ковалентних зв'язків з водою, тоді як взаємодії лужних металів мають більш електростатичний характер.

б) перехідні метали мають частково заповнені d підоболонки, тоді як лужні метали мають електронні конфігурації нобелівських газів. Можливо, нобелівська газова електронна конфігурація робить ковалентний зв'язок несприятливим, тоді як частково заповнені d-орбіталі забезпечують продуктивну взаємодію зв'язку з лігандами.

Вправа\(\PageIndex{4}\)

Коли перехідний метал зв'язується з бічним ланцюгом Cys, він зазвичай зв'язується з тіолатної аніонної формою цього бічного ланцюга. Поясніть, чому Cys втрачає свій протон, коли іон металу зв'язується. Використовуйте креслення, щоб описати, що відбувається\(pK_a\) з тіоловим воднем.

Підказка: Бічний ланцюг цистеїна має тиольну (R-SH) групу. Нагадаємо, що тіоли поводяться аналогічно спиртам, але тіоли більш кислі, ніж спирти.

Відповідь: З'єднання цистеїну S з іоном металу послабить зв'язок S-H і збільшить кислотність цього протона (це pKA зменшиться). У біологічних умовах, поблизу нейтрального рН, це з'єднання може зменшити pKA тіольної групи настільки, що Н втрачається, щоб дати сполучений базовий тіолат, пов'язаний з металом.

Біологічний гідроліз ²

Вище ви дізналися, як метали можуть діяти як кислоти Льюїса для підвищення кислотності зв'язаної молекули води (або іншого ліганду). Ця модуляція води\(pK_a\) може бути дійсно корисною для каталізації реакцій, в яких гідроксид-іон є реагентом. Фермент карбоангідрази (CA) є яскравим прикладом того, як біологія використовує цю властивість для каталізації важливої реакції біологічної кислоти/основи. СА - фермент, який дуже швидко\(\ce{CO2}\) перетворюється в бікарбонат (\(\ce{HCO3^-}\)). Це важливо в крові, щоб дістатися\(\ce{CO2}\) до легенів, щоб видихнути. Перетворення\(\ce{CO2}\) в бікарбонат також має важливе значення у виробництві водної рідини очей та інших виділень; А СА є важливою мішенню препарату для лікування глаукоми.

Знімок екрана 2019-10-24 в 11.52.45 AM.png — Малюнок\(\PageIndex{4}\): Утворення вугільної кислоти з вуглекислого газу, каталізованого вуглекислим ангідразом людини IV. Структура протеїну та активної ділянки були створені з PDB 1znc. (CC-BY-SA; Кетрін Хаас)

На малюнку показана структура людської карбоангідрази IV (від PDB 1znc), з вибухом активної ділянки Zn, де Zn пов'язаний з 3 гістидиновими бічними ланцюгами (His). Механізм цього ферменту показаний в хімічних рівняннях, що обертають структуру на рис\(\PageIndex{4}\). Як ми обговорювали вище, зв'язування води з іоном металу може змінити його\(pK_a\), і зробити її протони більш кислими, стабілізуючи гідроксид-іон. Коли гідроксид необхідний для проведення реакцій гідролізу, кислі іони металів, як Zn ² ⁺, часто використовуються для стабілізації гідроксиду нуклеофіла з метою каталізації реакції (зниження енергії активації). У\(pK_a\) «вільної» води 14. Для води в [Zn (H ₂ O) ₆] ²⁺ у водному розчині\(pK_a\) це 10. Але, в активній ділянці карбоангідрази, вода знижується ще більше, до 7, білковим середовищем навколо активної ділянки Zn.\(pK_a\) Активна ділянка цього білка має «силу» знижувати рКа води ще більше, ніж у випадку з водним Zn в якості гідності гідрофобної кишені активного сайту, що робить поділ заряду більш нестабільним порівняно з насипною водою, де заряди можуть бути краще солюбілізуватися насипною водою.

Уважно подивіться на каталітичний цикл, показаний на малюнку,\(\PageIndex{4}\) і визначте етап, на якому вода втрачає протон (крок з позначкою «депротонація води». Цей крок був би майже неможливим в біологічних умовах при рН 7,4. Іншими словами, це траплялося б занадто нечасто, щоб бути корисним у біологічних системах. Але, коли рК знижується до 7, що нижче рН, цей крок стає настільки сприятливим, що це станеться спонтанно в розчині.

Карбоангідрази є лише одним із прикладів того, як іони металів можуть бути корисними для каталізації реакцій гідролізу. Є ще кілька прикладів каталітичних ферментів і малих молекулярних металевих комплексів, які використовують метали (Cu, Co, Ni, Mn, Ca і Mg) для каталізації гідролізу складних ефірів (наприклад, гідроліз жирів), аміди (наприклад, гідроліз пептидних зв'язків з водою), фосфатні ефіри (наприклад, гідроліз ДНК і РНК) з використанням механізмів аналогічних до показаного вище для гідролізу вуглекислого газу.

Джерела

1. Натхненний або взятий безпосередньо з металів в хімії кислотної основи, в класі діяльності, створеної Шейла Сміт, Мічиганський університет - Дірборн (sheilars@umd.umich.edu) і розміщений на Viper (www.ionicviper.org) жовтня 17, 2009. Авторське право Шейла Сміт 2009. Цей твір ліцензовано на умовах Ліцензіїї Creative Commons Зазначення Авторства Некомерційна Частка Щоб переглянути копію цієї ліцензії, відвідайте http://creativecommons.org/about/license/.

2. З металів в біологічних системах - Хто? Як? і чому? , 5 слайдів про навчальний об'єкт, створений Адамом Р. Джонсон, Коледж Харві Мадд (adam_johnson@hmc.edu), Хіларі Епплі, Університет Депо (), і Шейла Сміт, Мічиганський університет - Дірборн (sheilars@umd.umich.edu) і розміщені на Viper (www.ionicviper.org) 20 січня, 2010. Авторське право Шейла Сміт 2009. Цей твір ліцензовано на умовах Ліцензіїї Creative Commons Зазначення Авторства Некомерційна Частка Щоб переглянути копію цієї ліцензії, відвідайте http://creativecommons.org/about/license/.

Приклад: Вода зустрічається з іоном перехідного металу 1