Transcript Nukleofil katalys

2. Transitions state theory – för att jämföra relativa reaktiviteten hos olika substrat
Ex: baskatalyserad hydrolys av en ester – jmf substraten p-nitrofenylacetat och fenylacetat
OH- attackerar karbonylkolet → i TS kommer en negativ laddning att överföras till estern
R
CH3
R
CH3
Tetraedriskt intermediat
R
CH3
R
CH3
http://bama.ua.edu/~kshaughn/chem232/resources/mechanisms/mechanism.htm
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.
R=
p-nitrofenyl
R=
fenyl
2. Transitions state theory – jämföra reaktionshastigheten under olika betingelser
Ex: Nedbrytning av tetrabutylbromid– jmf lösningsmedlen vatten och dietyleter
TS för denna reaktion måste innefatta ett dipolärt tillstånd.
δ- δ+
+
Tetrabutylbromid
Tetrabutylkarbokatjon
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.
3. The Hammond postulate” - om det finns ett instabilt intermediat under reaktionen,
kommer transition state att likna strukturen av intermediatet.
Ex: Lysozymkatalyserad
hydrolys av
peptidoglycan
TS som liknar strukturen av en karbokatjon
Vi får en uppfattning om
strukturen på TS och kan
prediktera hur detta
tillstånd kan stabiliseras!
Ett e- par plockar
åt sig en proton
δ+ δ
Hastighetsbegränsande
steget
Glykosyl-enzymintermediat
stabiliseras av
Asp52
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
Denna förflyttning längst reaktionskoordinaten kallas för Hammond effekt
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
Enzymer påskyndar reaktioner genom att sänka aktiveringsenergin!
TS#
G
ΔG#
S
Utan katalys
ΔG#
Med
katalys
P
ΔG
för reaktionen
Reaktionskoordinat
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
4. Beskriv reaktionerna och skillnad mot specifik syra/bas katalys
Exempel mutarotation av glykos
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.
Visar det hastighetsbegränsande steget
Allmän syra katalys: en syra
stabiliserar en negativ laddad
grupp i TS.
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
Proximitet av reaktanter
7. Vad menas med den ”effektiva koncentrationen” vid en intra-molekylär katalyserad reaktion
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
10. Förklara och ge ett exempel på hur en metall kan fungera som en elektrofil
katalysator i ett metalloenzym
Elektrofil katalys – koordinerad metalljon som stabiliserar en bildande negativ laddning
Ex. hydrolys av amid
Koordinerad Zn2+ polariserar en amid
vilket underlättar för en nukleofil attack
och stabiliserar intermediatet
Exempel baskatalyserad hydrolys av glycinetylester
Med metall
* 2 X 106
fortare
Utan metall
NH2
Nukleofil attack
CH2
CO2-
+ EtOH
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
Exempel karbanhydras
http://maptest.rutgers.edu/drupal/?q=node/24
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
Stabilisering av negativ laddning på Cα
Omlagring - tautomerisering
Metylenkol aktiverad
som nukleofil
Kovalent katalys
Ex aldolkondensation
Sciff base
Enamin
Aldehyd
Kovalent katalys
Elektrofil katalys – Pyridoxalfosfat (ett koenzym)
R
+
NH2 – CH – COOH
Aminosyra
Pyridoxalfosfat
Avlägsning av H
a) Racemicering
b) Transaminering
c) β-dekarboxylering
d) ommöblering av sidokedjor
α - dekarboxylering
Sciff base
Pyridoxal
+
Amin RCH2NH2
H2O
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
Exempelvis hydrolys av acetic anhydrid underlättas av pyridin
Nukleofil attack med
pyridin som är en bättre
nukleofil än H2O
Det bildas ett intermediat som är mer
reaktivt än ursprungssubstratet
Kovalent katalys
Nukleofil katalys -
Kovalent katalys
12. Diskutera vilka faktorer som är av betydelse för reaktionshastighet hos en
nukleofil katalys vid hydrolys av en ester?
Mät förändringar i reaktivitet med förändringar i strukturen hos reagensen
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
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
A Bronsted plot för nukleofil attack av primära och
sekundära aminer på p-nitrofenylacetat
Kovalent katalys
nukleofil katalys vid hydrolys av en ester
Brønsted β är inte strikt mellan 0 och 1 - kan vara större än 1 om den reaktiva gruppen är
mer elektrondragande än en proton .
β-värdet indikerar laddningsfördelningen i TS
• 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)
I detta fall liknar TS strukturen den bildade produkten
Det hastighetsbegränsande steget är
nedbrytning av ett tetraedriskt intermediat
Kovalent katalys
nukleofil katalys vid hydrolys av en ester
I ett annat extremt fall
•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 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