Ex: baskatalyserad hydrolys av en ester – jmf substraten p - nitrofenylacetat och fenylacetat

1. 2. Transitionsstatetheory – för att jämföra relativa reaktiviteten hos olika substrat Ex: baskatalyserad hydrolys av en ester – jmf substraten p-nitrofenylacetatochfenylacetat OH- attackerar karbonylkolet → i TS kommer en negativ laddning att överföras till estern R R CH3 CH3 Tetraedriskt intermediat R R CH3 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 = R = p-nitrofenyl fenyl

2. 2. Transitionsstatetheory – 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. 3. The Hammond postulate” - om det finns ett instabilt intermediat under reaktionen, kommer transitionstate 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- Glykosyl-enzym-intermediat stabiliseras av Asp52 Hastighetsbegränsande steget

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 – ”linearfreeenergyrelationship” • 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

5. Enzymer påskyndar reaktioner genom att sänka aktiveringsenergin! TS# G ΔG# Utan katalys S ΔG# Med katalys P ΔGför 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 ”Inducedfit” ”Inducedstrain”

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 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.

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

10. 6. Beskrivochdiskuteratabellerna 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-molekylär katalyserad reaktion

13. Elektrostatiskkatalys • 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)

14. Metaljonkatalys 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 NH2 Med metall * 2 X 106 fortare Nukleofil attack CH2 EtOH + CO2- Utan metall

15. Metaljonkatalys 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

16. Kovalentkatalys • 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 Metylenkol aktiverad som nukleofil Stabilisering av negativ laddning på Cα Omlagring - tautomerisering

17. Kovalentkatalys Ex aldolkondensation Sciffbase Enamin Aldehyd

18. Kovalentkatalys Elektrofil katalys – Pyridoxalfosfat (ett koenzym) R NH2 – CH – COOH + Pyridoxal + Aminosyra Amin RCH2NH2 Pyridoxalfosfat Avlägsning av H Racemicering Transaminering β-dekarboxylering ommöblering av sidokedjor α - dekarboxylering H2O Sciffbase

19. Kovalentkatalys Elektrofil katalys – Thiaminpyrofosfat Ett koenzym som binder kovalent till substrat och stabiliserar negativa leddningar Nukleofil Exempel dekarboxylering av pyruvat till acetaldehyd Pyruvat Acetaldehyd

20. Kovalentkatalys • 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

21. Kovalentkatalys Nukleofilkatalys -

22. Kovalentkatalys • 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: • 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 Elektrondragande grupp i lämnande gruppen Ökad basisk styrka hos nukleofilen

23. Kovalentkatalys nukleofilkatalysvidhydrolysav en ester Tillämpa transitionsstate teorin - reaktionshastigheten beror på energiskillnaden mellan TS och grundtillståndet → så kan vi dra slutsatsen att: Reaktionen involverar en ökning av negativ laddning på substratet (eftersom reaktionshastigheten ökar med elektrondragande grupp) 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. Kovalentkatalys nukleofilkatalysvidhydrolysav 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 Bronstedplot för nukleofil attack av primära och sekundära aminer på p-nitrofenylacetat

25. Kovalentkatalys nukleofilkatalysvidhydrolysav 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 nukleofilenspKa (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

26. Kovalentkatalys nukleofilkatalysvidhydrolysav 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 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. Vadinnebärprincipenförmikroskopiskreversibilitet

28. 14. Diskuterakonsekvensernaavkinetiskekvivalens • Baskatalyseradhydrolysav ester • Reaktionshastighetenvarierar med [A-] • TS innehållerantingenA-eller HA och OH- • Vi kan inte avgöra detta eftersom båda fallen har samma hastighetsuttryck