コア コンセプト
この記事では、背景の化学と力学を含む加水分解の基礎を学びます。また、生体分子を使用した例だけでなく、いくつかの最も重要なメカニズムの段階的なメカニズムも学びます。
水の反応性
私たちは、水 (H2O) を退屈で、単純で、圧倒されるものと考えがちです。結局、味さえありません！ときどき発生する洪水、津波、または激流を除けば、水は生物学や地質学にとって非常に基本的なものであるにもかかわらず、不活性で脅威のない液体のように見えます。
しかし、化学を理解すると、水の刺激的な力が解き放たれます。特定の化合物と接触すると、水は酸性または塩基性の溶液を形成し、金属を腐食させ、肉を化学的に燃やす可能性があります.特定の金属陽イオンと接触すると、水が配位子として機能し、鮮やかな色の塩錯体を生成します。今日のトピックにより関連することですが、水は塩や有機化合物の構造を根本的に変えることもでき、有機合成や生化学システムにおける重要な試薬になります。
水の有用性は、その最も基本的な特性である極性構造に由来します。この極性により、水は有機反応において求核試薬として機能し、二次的に求電子試薬としても機能します。求核試薬として水を使用する有機反応の最も重要なクラスは、「加水分解」という名前で呼ばれます。加水分解の定義は、水との反応による化学結合の切断です。重要なのは、イオン結合と極性の高い結合のみが「加水分解」できることです。つまり、水で分解されます。
加水分解のメカニズムを詳しく見てみましょう。
加水分解とは?
塩加水分解
加水分解の最も基本的なメカニズムには、水素結合のみが含まれます。通常、このメカニズムは、塩などのイオン結合のみを切断します。重要なのは、食卓塩 NaCl が液体の水に投入されるときに発生するのは、このメカニズムです。塩のイオン結合は、正イオンと負イオンが水の極性領域に対してそれ自体よりも高い静電引力を持っている場合、壊れる可能性があります.したがって、イオン結合が弱い塩は、より「溶ける」傾向があり、水の溶媒でより簡単に分解される傾向があります.
有機加水分解
有機化合物の加水分解のメカニズムはもう少し複雑です。加水分解は、酸触媒または塩基触媒の条件下で発生する可能性がありますが、メカニズムはそれぞれ少し異なります.一般に、加水分解はアミドとエステルでのみ発生します。これは、これらの官能基のみが十分な極性を持つためです。アミノ基とカルボキシ基は、それぞれ電気陰性の脱離基として機能します。
有機加水分解は、次の基本的な反応式に従います:
CE + H2 O → COH + HE
E:電気陰性の脱離基、多くの場合アミノまたはカルボキシ
C:陽性基、多くの場合カルボニル
酸触媒加水分解
酸触媒メカニズムでは、最初のステップで、水または一般的な酸がカルボニル基と脱離基をプロトン化し、両方が正になります。
第二に、水が炭素を攻撃し、求核剤として作用します。これにより、カルボニルに含まれるパイ結合の電子が隣接する酸素に押し付けられ、正電荷が中和されます。第三に、攻撃する水基は、水または何らかの一般的な塩基によって脱プロトン化され、ジオール (2 アルコール) 種を生成します。
第 4 に、ジオールの 1 つがカルボニルに変換されます。これには、脱離基を押し出す、炭素との二重結合を形成する酸素上の自由電子対が含まれます。第 5 に、新しく形成されたカルボニルが脱プロトン化され、中性電荷のカルボン酸が生成されます。
塩基触媒による加水分解
塩基触媒メカニズムでは、最初のステップで水または一部の水酸化物が炭素を攻撃し、電子対をカルボニル酸素に押し付けます。水が攻撃種として機能する場合、すぐに脱プロトン化されます。次に、オキシド基がカルボニルに再形成され、脱離基が押し出され、中性電荷のカルボン酸が生成されます。
生体分子の加水分解
生物では、生体分子は一般に、酸および塩基触媒による加水分解のメカニズムに従います。生物では、加水分解酵素と呼ばれる重要な酵素がこれらの加水分解反応を触媒します。重要なことに、加水分解は大きなポリマー分子を分解する主要な手段として機能します。このように、多くの人は加水分解を、縮合反応によるポリマーの構築を含む脱水合成の反対と考えています。生体分子の加水分解の最も重要な例を見てみましょう。
H 炭水化物の加水分解
2 つの単糖モノマーを分離するには、加水分解反応を起こしてグリコシド結合を切断する必要があります。重要なことに、これらの結合はカルボニル基を含まないため、代わりに以前のメカニズムの修正版が行われます。
酸触媒加水分解と塩基触媒加水分解の両方を行うことができます。酸触媒炭水化物加水分解では、グリコシド結合の酸素がプロトン化されます。次に、水が求核剤として作用し、炭素の 1 つを攻撃して、炭水化物間の結合を切断します。その後、攻撃水は脱プロトン化され、酸触媒作用が完了します。
塩基触媒メカニズムはいくぶん似ています。水酸化物は炭素を攻撃し、グリコシド結合を破壊します。残りの酸化物はプロトン化されます。
H 脂質の加水分解
トリグリセリドまたはリン脂質を分解するために、生物は加水分解反応を実行して、脂肪酸とグリセロールの間の結合を破壊します。これらの結合にはエステル基が関与しているため、前に取り上げた酸および塩基触媒メカニズムは、これらの加水分解がどのように起こるかを完全に説明しています.
H タンパク質の加水分解
タンパク質を分解するには、加水分解反応を起こしてアミノ酸間のペプチド結合を切断する必要があります。脂質と同様に、ペプチド結合にはアミド基が関与しているため、これらの反応は以前のメカニズムでうまく説明できます。
H ATPの加水分解
ATP のリン酸塩の加水分解は、好ましくない生化学反応にエネルギーを供給する重要な役割を果たします。他の加水分解の例とは異なり、ATP には炭素が関与しないメカニズムが含まれます。代わりに、切断される極性結合は、酸素とリンの間のホスホジエステル結合です。酸および塩基触媒メカニズムは依然として広く行われていますが、リンは完全に炭素に取って代わります.
