2. Transitions state theory för att jämföra relativa reaktiviteten hos olika substrat

Transkript

1 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 CH R 3 CH 3 R Tetraedriskt intermediat CH R 3 CH 3 R R = p-nitrofenyl 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 = fenyl

2 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 opolärtlösningsmedel kommer att destabilisera TS relativt till grundtillståndet.

3 3. The Hammond postulate -om det finns ett instabilt intermediatunder reaktionen, kommer transitionstateatt likna strukturen av intermediatet. Ex: Lysozymkatalyserad hydrolys av peptidoglycan Ett e - par plockar åt sig en proton TS som liknar strukturen av en karbokatjon Vi får en uppfattning om strukturen på TS och kan prediktera hur detta tillstånd kan stabiliseras! δ + δ - Hastighetsbegränsande steget Glykosyl-enzymintermediat stabiliseras av Asp52

4 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 Brǿnstedβ värde = ΔΔG # /ΔΔG βär i stort sett konstant vid små förändringar i ΔΔG linjärt samband β = 0 och 1 för enkla reaktioner

5 Enzymer påskyndar reaktioner genom att sänka aktiveringsenergin! G TS # ΔG # Utan katalys S 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

6 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 (Conformationaldistortion) strukturförändring av enzymet, substratet eller båda för att föra systemet mot TS

7 Konformationsförändring Induced fit Induced strain

8 Allmän syra/bas katalys 4. Beskriv reaktionerna och skillnad mot specifik syra/bas katalys Exempel mutarotation av glykos Specifik syra/bas katalys: Direkt jonisering mhah + /OH - före det hastighetsbegränsade steget Visar det hastighetsbegränsande 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.

9 5. Vad kan man utläsa från Bronstedβ värde vid syra/bas katalys? och

10 6. Beskriv och diskutera tabellerna 2.2 och 2.3 Tabell 2.2

11 6. Beskriv och diskutera tabellerna 2.2 och 2.3 Tabell 2.3

12 Proximitet av reaktanter 7. Vad menas med den effektiva koncentrationen vid en intra-molekylärkatalyserad reaktion

13 Elektrostatisk katalys 9. Förklara varför protoneringav hydrazine (i vattenmiljö) till en dikatjonkostar betydligt mindre i energi (53.3 kj/mol) än vad man skulle beräkna enligt Coloumbs lag (920 kj/mol)

14 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 Zn 2+ polariserar en amid vilket underlättar för en nukleofilattack och stabiliserar intermediatet Exempel baskatalyserad hydrolys av glycinetylester Med metall * 2 X 10 6 fortare Nukleofil attack NH 2 CH 2 + EtOH Utan metall CO 2 -

15 Metaljon katalys Källa till hydroxyljonervid neutralt ph -Koordinerande metalljon som binder vatten och underlättar deprotoniseringtill hydroxyljonvid neutralt ph. Hydroxyljonenkan sedan reagera med substratet via en nukleofil attack Exempel karbanhydras

16 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 Schiffbas, 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 Metylenkol aktiverad som nukleofil Omlagring - tautomerisering

17 Kovalent katalys Ex aldolkondensation Sciff base Enamin Aldehyd

18 Kovalent katalys Elektrofil katalys Pyridoxalfosfat(ett koenzym) R Pyridoxalfosfat + NH 2 CH COOH Aminosyra Amin Pyridoxal + RCH 2 NH 2 Avlägsning av H a) Racemicering b) Transaminering c) β-dekarboxylering d) ommöblering av sidokedjor H 2 O α- dekarboxylering Sciff base

19 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

20 Kovalent katalys 11. Ge ett exempel och förklara reaktionsmekanismen för: Nukleofilkatalys ny katalysväg med en bättre nukleofilän ursprungsnukleofilenoch där intermediären är mer reaktivt än vad substratet är Exempelvis hydrolys av acetic anhydrid underlättas av pyridin Nukleofilattack med pyridin som är en bättre nukleofilän H 2 O Det bildas ett intermediatsom är mer reaktivt än ursprungssubstratet

21 Nukleofil katalys- Kovalent katalys

22 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 (CHCl 2 CO 2 Et > CH3CO 2 Et) 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

23 Kovalent katalys nukleofil katalys vid hydrolys av en ester Tillämpa transitionsstateteorin -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

24 Kovalent katalys nukleofil katalys vid hydrolys av en ester Brønsted β värde för en nukleofilkatalys fås genom att plotta logk 2 mot pk a för olika nukleofiler Linjärt samband mellan logk och pka ΔG # för formation av bindning mellan den nukleofilagruppen och karbonylkoletär proportionellt mot ΔG för överföring av en proton till nukleofilen A Bronstedplotför nukleofilattack av primära och sekundära aminer på p-nitrofenylacetat

25 Kovalent katalys nukleofil katalys vid hydrolys av en ester Brønstedβ 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: för variation av nukleofilens pka(hastigheten ökar med stigande basstyrka) 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

26 Kovalent katalys nukleofil katalys vid hydrolys av en ester I ett annat extremt fall βför reaktion med basiska nukleofileroch estrar som innehållen en aktiverad lämnande grupp är: till 0.2 för variation av nukleofilenspka(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

27 13. Vad innebär principen för mikroskopisk reversibilitet

28 14. Diskutera konsekvenserna av kinetisk ekvivalens Baskatalyserad hydrolys av ester Reaktionshastighetenvarierarmed [A - ] TS innehållerantingena - ellerha ochoh - Vi kan inte avgöra detta eftersom båda fallen har samma hastighetsuttryck