Значення рН деяких рідких систем організму.
Нормальне функціонування живих організмів можливе лише в умовах певного сталості рН та інших параметрів їх внутрішнього середовища. Це сталість підтримується відповідними буферними системами.
Більшість органічних реакцій включає кілька по-отже (елементарних) стадій. Детальний опис со-сукупності цих стадій називається механізмом. Механізм реакції - гіпотеза, запропонована для пояснення експериментальних-тальних даних. Він може уточнюватися і навіть змінюватися з появою нових фактів і поглибленням знань.
Загальна швидкість складної хімічної реакції визначається (лімітується) швидкістю її найбільш повільної стадії, а швидкість складових елементарних реакцій - їх енергією акти-вації Еа. Остання необхідна для здійснення ефективної-ного зіткнення молекул, що приводить до взаємодії. Її можна визначити також як енергію, необхідну для досягнень-вання системою перехідного стану, інакше званого акти-вати комплексом, перетворення якого в продукти реакції відбувається вже мимовільно. Чим менше величина енергії активації реакції, тим вище її швидкість.
Використання каталізатора суттєво знижує швидкість реакції за рахунок зниження енергії активації через утворення активованого проміжного комплексу. В живих організмах роль високоспецифічних каталізаторів виконують ферменти.
Фермент карбоангидраза каталізує біохімічні реакції гідратації альдегідів, складних ефірів, а також діоксиду вугле- роду. Життєва важливість цього ферменту залежить від того, що він регу-лирует кислотність крові, а за допомогою цього (звичайно, поряд з іншими факторами) - інтенсивність дихального процесу. Конкретна реакція, яку каталізує карбоангидраза, являє собою рівноважний перетворення води і діоксиду вуглецю в вугільну кислоту.
Саме ця реакція використовується організмом для видалення з клітин вуглекислого газу, що утворився в них в результаті життєдіяльності. Некаталізіруемая гідратація СО2 протікає дуже повільно, щоб забезпечувати його ефективний транспорт від тканин до легким. Активність же карбоангідрази вражає уяву: одна молекула ферменту ката-лізує кожну хвилину гидратацию »3,6 × 10 7 молекул діоксиду вуглецю.
Принципова схема роботи карбоангідрази полягає в слідую-щем. Карбоангидраза є білок, що складається з фрагментів 260 амінокислот. Молекула води втрачає протон на активній ділянці фер-мента, який виступає як підстава. При цьому утворюється пов'язаний-ве підставу - гідроксид-іон, який приєднується до молекули Діоко-сіда вуглецю точно так же, як це відбувається в реакціях гідроксид-іона з іншими карбонільних сполуками. По суті, це приєднання є кислотно-основну реакцію Льюїса.
Кислотність води, однак, не настільки висока, щоб протон від неї легко було б відірвати. Тому карбоангидраза потребує допомоги. Цю по-міць їй надає кофактор - один з мікроелементів, присутніх в організмі, а саме іон Zn 2+. Як кислота Льюїса він координується по атому кисню молекули води і суттєво полегшує тим самим від-рив протона активною ділянкою карбоангідрази. На модельних реакціях було визначено вплив іона цинку як кофактора. Цей іон увеличива-ет швидкість реакції гідратації карбонильного з'єднання більш ніж в 6 млн. Разів у порівнянні з некаталізіруемой реакцією.
Реакційна здатність завжди повинна розглядатися тільки по відношенню до реакційного партнеру. Сама речовина при цьому називають субстратом, а чинне на нього з'єднання (реакційну частку) - реагентом. Субстратом, як правило, називають то речовина, в якому у атома вуглецю відбувається розрив старої і утворення нової зв'язку. У біохімічних процесах реагентами вважають ферменти, а речовини, що піддаються їх дії, субстратами. В ході хімічного перетворення зазвичай зачіпається не вся молекула, а тільки її частину - реакційний центр.
Типи реакцій в органічній хімії
Різноманіття органічних реакцій призводить до доцільності їх класифікації за такими ознаками:
1. Електронною природі реагентів (нуклеофільниє, електрофільні, вільнорадикальні реакції).
Нуклеофільниє реагенти - це одно- або багатоатомні аніони або молекули, які мають центри з підвищеною електронною щільністю. До них відносяться такі аніони і молекули, як HO -. RO -. Cl -. Br -. RCOO -. CN -. R -. NH3. C2 H5 OH і т.д.
Електрофільні реагенти - це катіони, прості або складні молі-кули, які самі по собі або ж у присутності каталізатора мають підвищеною спорідненістю до електронної пари або негативно зарядженим центрам молекул. До них відносяться катіони H +. Cl +. + NO2. + SO3 H, R + і молекули з вільними орбиталями AlCl3. ZnCl2 і т.п.
Вільні радикали - це електронейтральні частинки, що мають неспарених електронів, наприклад: Cl ·. · NO2.
2. За зміною числа частинок в ході реакції (заміщення, приєднання, відщеплення, розкладання, ОВР і ін.).
У разі реакцій заміщення в молекулі один атом (або група атомів) заміщується іншим атомом (або групою атомів), в результаті чого утворюються нові сполуки:
При протіканні реакцій приєднання з двох (або декількох) молекул утворюється одне нове речовина:
В результаті реакції відщеплення утворюється нове органічна речовина, що містить кратну зв'язок:
Реакції розкладу призводять до утворення з одного речовини двох або більше речовин більш простого будови:
3. За приватним ознаками (гідратація і дегідратація, гідрування і дегідрування, нітрування, сульфування, галогенування, ацилювання, алкілування, карбоксилирование і декарбоксилювання, енолізація, замикання і розмикання циклів, ізомеризація, окислювальна деструкція, піроліз, полімеризація, конденсація та ін.).
4. За механізмів елементарних стадій реакцій (нуклеофільне заміщення SN. Електрофільне заміщення SE. Свободнорадикальное заміщення SR. Парне відщеплення, або елімінування Е, нуклеофільне або електрофільне приєднання AdE і AdN і т. Д.).
Розглянемо кілька прикладів.
Приклад 1. При дії на організм великих доз гідразину або його похідних спостерігаються нервові розлади. Яка химиче-ська основа дії гідразину, якщо відомо, що він реагує з коферментом пиридоксальфосфатом?
Рішення. Піридоксальфосфат - гетероциклическое з'єднань-ня, що містить в циклі поряд з іншими заступниками Альде-гіднимі групу. Гідразин NH2 -NH2 як нуклеофільний реагент взаємодіє з карбонільним атомом вуглецю. Поляризована p-зв'язок карбонільної групи легко розривається, і між карбонільним атомом вуглецю і атомом азоту виникає ковалентний зв'язок донорно-акцепторного типу за рахунок пари електронів атома азоту молекули гідразину.
Утворений диполярного іон в результаті переходу протона від позитивно зарядженого атома азоту (кислотний центр) до аниону (основний центр) перетворюється в нейтральне з'єднань-ня. У цьому з'єднанні у атома вуглецю містяться одночасно дві електроноакцепторні групи, тому воно хитке і пе-реходит в більш стабільний стан шляхом відщеплення молекулами-ли води. Кінцевим продуктом описаної реакції приєднатися-ня-відщеплення є гідразон пиридоксальфосфата.
Освіта гідразону призводить до блокування альдегідної групи пиридоксальфосфата, що порушує його взаємодія як коферменту з аминогруппой глутамінової кислоти. Ця реак-ція є одним з етапів перетворення в організмі глута-нової кислоти в g-аміномасляна. Блокування ж коферменту гидразином призводить до нестачі g-аміномасляної кислоти, яка гальмує проведення нервових імпульсів.
Приклад 2. У процесі метаболізму в живих організмах фумарова кислота перетворюється в яблучну. Яким шляхом можна отримати яблучну кислоту з фумарової в умовах in vitro?
Рішення. Фумарова кислота - ненасичена двухосновная кислота, яку можна розглядати як заміщений алкен. Яблучна кислота належить до наси-щенним двохосновні гідроксикислоти.
Перехід від фумаровой кислоти до яблучної здійснюють пу-тем приєднання води по кратному зв'язку, т. Е. З допомогою реакції гідратації. Гідратацію алкенов проводять в розбавленому водному розчині сильної кислоти, наприклад сірчаної. Кислота служить джерелом електрофільної частки - протона Н +.
Електронна щільність вуглець-вуглецевої p-зв'язку в молекулі фумарової кислоти зменшена внаслідок електроноакцепторні дії двох карбоксильних груп. Тому гідратацію фумарової кислоти здійснюють в порівняно жорстких умовах (нагрівання з розведеним водним розчином кислоти при температурі 150-200 ° С).
Гідратація фумаровой кислоти протікає за звичайним для ал-Кенів механізму електрофільного приєднання АЕ. Протон взаємодіє з кратною зв'язком в молекулі фумарової кислоти. Утворився карбокатіон атакується нуклеофільних реаг-те - молекулою води. Алкілоксоніевий іон, будучи сильною кислотою, отщепляет протон (повернення каталізатора). В результаті утворюється продукт реакції - яблучна кислота.
Гідратація фумаровой кислоти in vitro призводить до освітньої-ня рацемату - суміші рівних кількостей двох енантіомерів яб-лочной кислоти. В організмі ця реакція каталізується фермен-том фумарази, для якого характерна сувора просторова специфічність, що веде до утворення тільки L-яблучної киць-лоти. Це приклад селективного (виборчого) протікання реакції.
Напрямок хімічної реакції визначається сукупністю багатьох факторів.
Статичні фактори. Реакційна здатність сполук істотно залежить від розподілу в їх молекулах електронної щільності, яке в свою чергу визначається електронними ефектами заступників і наявністю пов'язаних і ароматичних фрагментів. Характерна для більшості з'єднань нерівномірність в розподілі електронної щільності є причиною появи в молекулі реакційних центрів, які зумовлюють напрямок атаки тих чи інших реагентом (електронний фактор).
Просторова будова молекули визначає просторовий фактор, коли через відносно великого просторового об'єму заступників, оточуючих реакційний центр, до нього може бути утруднений підхід атакуючої частки. При цьому реакція або не буде здійснюватися зовсім, або буде йти по іншому напрямку за участю іншого, більш доступного реакційного центру, якщо він є в молекулі.
Динамічні чинники. Багатостадійні процеси зазвичай включають стадії проміжного освіти нестабільних интермедиатов, що володіють високою реакційною здатністю. Часто можна припустити утворення не одного, а декількох интермедиатов. Реакція переважно буде проходити через стадію утворення щодо більш устої-чівого интермедиата. Відносна стійкість інтермедіатів, зокрема часто виступають в якості високореакційних проміжних частинок карбокатіонів, карбаніони і вільних радикалів, визначається можливістю делокализации в цих частинках електронної щільності.