Механизмы гомогенного катализа

Каталитические реакции протекают по циклическому маршруту, т. е. по маршруту, состоящему из нескольких последовательных или последовательно-параллельных стадий, в результате которых один из компонентов — катализатор, расходуемый в первой стадии, вновь регенерируется в последней стадии. Остальные компоненты исходной реакционной смеси — субстраты каталитической реак­ции — в результате этого циклического маршрута превращаются в продукты реакции. Например, окисление тиосульфат иона перекисью водорода, ко­торое катализируется нонами I, протекает по схеме:

(вторая и третья стадии, по-видимому, не являются элементар­ными). Эта схема представляет собой циклический маршрут с итоговым уравнением

в двух первых стадиях которого катализатор расходуется, а в по­следней снова регенерируется.

В качестве второго примера можно привести реакцию хлорангидридов карбоновых

кислот с ароматическими аминами.

Она может быть существенно ускорена добавлением диметиламинопиридина. Это ускорение связано с возникновением циклического маршрута, приводящего к превращению субстратов в продукт реакции — амид — и к регенерации диметиламинопиридина

Общим в приведенных примерах является то, что в первой части маршрута один из субстратов реагирует с катализатором Е с образованием продукта превращения катализатора Е, а во второй части маршрута продукт превращения катализатора взаимодей­ствует со вторым субстратом, превращая его в продукт реакции, с одновременной регенерацией катализатора.

Такой механизм катализа часто встречается в окислительно-восстановительных реакциях, и роль катализатора в этом случае сводится к созданию нового, более эффективного пути переноса электрона от восстановителя к окислителю.

Наиболее отчетливо это видно на примере катализа реакций переноса электронов между ионами. Например, реакция идет очень медленно, так как требует одновременного участия трех ионов. Добавление ионов Мn²⁺ резко ускоряет процесс в результате возникновения маршрута, состоящего только из бимолекулярных Реакция с диметиламинпиридином представляет собой нуклеофильное замещение при карбонильном атоме С. В данном случае более сильный, чем ароматический амин, нуклеофил — диметиламинопиридин — обес­печивает быстрое превращение хлорангидрида в ацилдиметиламнно-лиридиний-катион, который благодаря наличию положительного заряда обладает высокой электрофильностью и легко атакуется амином. Такой тип катализа известен как нуклеофильный катализ.

Второй, наиболее распространенный механизм действия катали­заторов включает в качестве первой стадии обратимое взаимодей­ствие одного или нескольких субстратов с катализатором с обра­зованием комплекса катализатор — субстрат. Так протекает катализ химических превращений ионами металлов и их координационными соединениями и катализ ферментами. К этому же типу можно от­нести катализ кислотами, поскольку он включает, как правило, присоединение протона к одному из субстратов, что можно рассмат­ривать как образование комплекса протон—субстрат.

Комплексообразование может приводить к нескольким различ­ным эффектам, обеспечивающим ускорение реакции.

1. В комплексе с катализатором может происходить существен­ное перераспределение электронной плотности в молекуле субстра­та, приводящее к изменению его реакционной способности. Напри­мер, присоединение к субстрату протона или образование субстра­том координационной связи с ионом металла повышает электрофильность субстрата, делая возможным взаимодействие его с отно­сительно слабыми нуклеофильными реагентами. Так, ионы Сu²⁺ являются эффективными катализаторами гидролиза эфиров амино­кислот. Это прежде всего связано с тем, что последние образуют хелатный комплекс с ионом Сu²⁺, в котором положительный заряд иона Сu²⁺ поляризует связь С=О и облегчает нуклеофильную атаку молекулы воды на электрофильный атом углерода:

Поскольку ион металла при образовании координационной связи выступает как электрофильный компонент, этот тип катализа полу­чил название электрофильного катализа.

2. Если в образовании комплекса участвуют две молекулы суб­страта, катализатор обеспечивает их пространственное сближение, благоприятное для протекания реакции. Например, ионы меди катализируют реакцию между нитрилом изоникотиновой кислоты и трис(оксиметил)-аминометаном (трисом), описываемую стехиометрическим уравнением.

Основными факторами при этом являются поляризация связи С=N в нитриле, облегчающая нуклеофильную атаку на атом (в результате этого ионы Сu⁺ являются катализаторами щелочного гидролиза нитрила), и одновременная координация обоих субстра­тов, обеспечивающая в лимитирующей стадии процесса атаку ОН-группы триса на поляризованный атом С нитрила (замыкание цикла с отщеплением аммиака происходит, по-видимому, в последующих стадиях, возможно, уже вне комплекса; стрелкой показано направление атаки атома О триса на атом С нитрила).

3. Помимо чисто пространственного эффекта сближения реаги­рующих групп, образование комплекса с катализатором может облегчить синхронное протекание разрыва и образования несколь­ких новых связей, необходимое для превращения молекул субстра­тов в молекулы продуктов. Например, это имеет место, когда для протекания реакции необходимо синхронное каталитическое уча­стие и кислотной и основной групп. Так, превращение циклической формы 2,3,4,6-тетраметилглюкозы в открытую форму включает протонирование атома кислорода в цикле, расщепление связи С —О, синхронную передачу протона какому-либо основанию и образова­ние двойной связи С=О. Обращение процесса может привести к изме­нению конфигурации при атоме С₂ циклической формы (реакция мутаротации):

Реакция катализируется эквимолярной смесью фенола (кислота НА) и пиридина (основание В). Учитывая, что образовавшийся в комплексе катион пиридиния (ВH⁺) должен передать протон фе­нолят-иону (А^-), легко видеть, что в этой реакции разрываются четыре связи и образуются четыре новые связи.

Гораздо более эффективным катализатором реакции мутаротации является α-оксипиридин, несмотря на то, что ОН-группа в этом соединении, выполняющая роль донора H⁺, менее кислая, чем ОН-группа фенола, а атом азота в α-оксипиридине, выполняющий роль акцептора протона, менее основен, чем в пиридине. Это слу­чай бифункционального катализа. Протонирование атома кисло­рода циклической формы тетраметилглюкозы, разрыв связи С—О и отщепление протона от гидроксильной группы при атоме С с об­разованием двойной связи протекают синхронно в восьмицентровом циклическом активированном комплексе:

Наиболее полно и совершенно все перечисленные факторы, обес­печивающие воздействие катализатора на субстраты, используются в биологических катализаторах — ферментах. В настоящее время в результате успешного развития рентгеноструктурного анализа белков установлена полная пространственная структура ряда фер­ментов и их комплексов с субстратами. В качестве примера на рис. 1 приведена схема взаимодействия фермента карбоксипептидазы с субстратом.

Карбэксипептидаза катализирует отщепление С-кониевой амино­кислоты от пептидной цепи, причем наиболее эффективно отщеп­ляются кислоты, содержащие гидрофобные ароматические остатки:

На рис. 1 изображен концевой фрагмент расщепляемой поли­пептидной цепи и функциональные группы фермента, принимаю­щие то или иное участие в каталитическом процессе. Два имидазольных кольца (остатки аминокислоты гистидина) и карбоксиль­ная группа остатка глутаминовой кислоты координированы с ионом цинка, заряд которого тем самым наполовину нейтрализован. Протонированная гуанидиновая группа (остаток аминокислоты арги­нина) взаимодействует с ионизованной концевой карбоксильной группой субстрата. Этот же концевой аминокислотный остаток связан своим ароматическим кольцом с тремя гидрофобными ради­калами фермента (остатки аминокислот изолейцина, тирозина и глутамина).

Рис. 1. Схема активного центра фермента карбоксипептидазы (по данным Липс-комба, Рика, Хартсака, Кешо и Бетджа):

Показаны фрагменты пептидном цепи с функциональными боковыми группами. Цифры обозначают порядковые номера остатков аминокислот, которым принадлежат эти функ­циональные группы. Молекула субстрата изображена с утолщенными связями. В шести-членном активированном комплексе штрихами показаны образующиеся связи, л сплош­ными линиями — разрывающиеся связи

В результате этих взаимодействий, которые закрепляют в двух точках С-концевой остаток субстрата, пептидная связь в случае, если С-концевая аминокислота представляет собой L-изомер, ока­зывается направленной на каталитический центр фермента, пред­ставленный ионом цинка и оксигруппой тирозина. Поляризация связи С=О ионом цинка облегчает нуклеофильную атаку молекулы воды на электрофильный атом С. Участие оксигруппы тирозина обеспечивает синхронное протекание разрыва трех связей и обра­зования трех новых связей в циклическом шести центровом активи­рованном комплексе.

На этом примере видны некоторые важнейшие черты, свойствен­ные большому числу ферментов. Во-первых, катализатор имеет как бы два центра — связывающий (контактный) и собственно каталитический. Один из них, представленный в рассмотренном случае протонированной гуанидиновой группой и тремя гидрофоб­ными радикалами, обеспечивает образование комплекса фермент — субстрат (связывание субстрата ферментом), в результате чего рас­щепляемая связь направляется на каталитический центр. Собствен­но каталитический центр представлен в рассмотренном случае ионом цинка и оксигруппой тирозина.

Во-вторых, на этом примере видны структурные основы высо­кой специфичности ферментов, в частности стереоспецифичности. Так, если бы С-концевая аминокислота была о-изомером, то в рас­сматриваемом случае в сторону каталитического центра оказался бы направленным атом Н, а не группа — NН—СО—, и каталити­ческий процесс не смог бы произойти.

Из изложенного ясно также, почему фермент катализирует разрыв пептидной связи именно С-концевой аминокислоты и имеет преимущественное сродство к остаткам ароматических аминокислот. Действительно, именно взаимодействие заряда концевой карбоксиль­ной группы и наличие гидрофобного ароматического остатка обес­печивает взаимодействие субстрата с контактным центром фермента, которое обеспечивает нужную ориентацию гидролизуемой связи относительно каталитического центра.