Каталитические реакции в биологической системе

    Приведенные примеры покалывают, что в каждой реакции в качестве оптимального катализатора выступает определенное комплексное соединение, отличающееся от других или центральным иолом, или лигандами, или тем и другим. Природа лиганда и растворителя нередко в значительной степени определяет активность и селективность катализатора, выступая в качестве модификаторов и промоторов. 

3.  Ферментативный катализ

 

    Ферменты  или энзимы – это природные  катализаторы, регулирующие биохимические процессы в живой клетке. Они участвуют в процессах энергообмена, расщеплении питательных веществ, реакциях биосинтеза. Без них не могут протекать многие сложные органические реакции. Ферменты функционируют при обычных температуре и давлении, обладают очень высокой селективностью и способны увеличивать скорость реакций на восемь порядков. Несмотря на эти преимущества, лишь около 20 из 15 000 известных ферментов применяются в широких масштабах.

    Человек тысячелетиями использовал ферменты при выпечке хлеба, получении алкогольных напитков, сыра и уксуса. Сейчас ферменты применяются и в промышленности: при переработке сахара, получении синтетических антибиотиков, аминокислот и белков. Протеолитические ферменты, ускоряющие процессы гидролиза, добавляют в детергенты.

    С помощью бактерий Clostridium acetobutylicum Х.Вейцман осуществил ферментативное превращение крахмала в ацетон и бутиловый спирт. Этот способ получения ацетона широко использовался в Англии во время Первой мировой войны, а во время Второй мировой войны с его помощью в СССР изготавливали бутадиеновый каучук.

    Исключительно большую роль сыграло применение ферментов, продуцируемых микроорганизмами, для синтеза пенициллина, а также  стрептомицина и витамина B₁₂.

    Этиловый  спирт, получаемый ферментативным путем, широко используют в качестве автомобильного топлива. В Бразилии более трети из примерно 10 млн. автомобилей работают на 96%-ном этиловом спирте, получаемом из сахарного тростника, а остальные – на смеси бензина и этилового спирта (20%). Хорошо отработана технология производства топлива, представляющего собой смесь бензина и спирта, в США. В 1987 из зерен кукурузы было получено ок. 4 млрд. л спирта, из них примерно 3,2 млрд. л было использовано в качестве топлива. Разнообразное применение находят и т.н. иммобилизованные ферменты. Эти ферменты связаны с твердым носителем, например силикагелем, над которым пропускают реагенты. Преимущество этого метода состоит в том, что он обеспечивает эффективное контактирование субстратов с ферментом, разделение продуктов и сохранение фермента. Один из примеров промышленного использования иммобилизованных ферментов – изомеризация D-глюкозы во фруктозу.

    Строение  ферментов. Рассмотрим основные структурные элементы ферментов, обеспечивающие их высокую активность и селективность.

    Белки, входящие в состав ферментов, состоят из закономерно расположенных аминокислотных остатков, соединенных пептидными связями, их молекулярная масса равна 10⁴—10⁶. Порядок следования аминокислот друг за другом в макромолекуле белка определяет ее первичную структуру. Вследствие взаимодействия групп аминокислот – NH – и – CO – макромолекула белка свертывается в спираль. Это    вторичная структура белка фермента. Третичная структура характеризует пространственную укладку частично скрученных пептидных цепей в отдельные пространственные структурные единицы, которые объединяются в глобулу Взаимное расположение и взаимодействие структурных единиц, приводящие к объединению нескольких глобул, называется четвертичной структурой белка.

    Каталитическое действие ферментов связано с наличием в белковых макромолекулах некоторых участков, играющих роль каталитических центров. В состав каталитического центра фермента могут входить несколько кислотных и основных групп, таких, как имидазол гистидина, флавины, карбоксильные группы аспарагиновой и глутаминовых кислот, спиртовая группа серина или оксигруппа тирозина и др. В состав каталитических центров ферментов нередко входят ионы металлов, которые образуют комплексные соединения с кислотными или основными группами белковой молекулы, например имидазолом или карбоксильной группой. Иногда ионы металлов связаны с ферментом в составе простетической группы, которая представляет собой молекулу небелковой природы. Так, фермент, катализирующий реакции переноса кислорода, содержит в качестве простетической группы гемжелезопорфириновый  комплекс,  который,  собственно,  и обусловливает каталитическую активность фермента (рис. 3). 

    

    

 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Рисунок 3. структура простетической группы гемпорфиринового комплекса. 

    Кроме каталитических центров в ферменте имеются адсорбционные центры, в состав которых могут входить как полярные (первичные или вторичные амины), так и неполярные (углеводородные радикалы) группы. Взаимодействие молекул реагента с адсорбционным центром осуществляется как за счет ион-дипольного или донорно-акцепторного взаимодействия, так и дисперсионного взаимодействия неполярных групп. За счет такого рода взаимодействий в адсорбционном центре молекула реагента ориентируется относительно каталитического центра.

    Каталитические и адсорбционные центры входят в состав активного центра фермента. Последний можно представить в форме "щели'' или ''полости", образованной макромолекулой белка. В этой полости в определенном порядке располагаются каталитические адсорбционные центры.  "Щель'' или ''полость" не является жестким шаблоном, напротив, — это подвижная структурная единица, которая может изменяться под действием молекулы реагента, среды или температуры. 

4.  Автокатализ, ингибированне в периодические каталитические реакции

 

    Своеобразные кинетические закономерности наблюдаются для реакций, в которых каталитическим действием обладает какой-либо из продуктов реакции. Ускорение реакции под действием продукта превращения называется автокатализом. Так как концентрация катализатора в процессе химического превращения непрерывно возрастает, скорость реакции, очень низкая вначале, резко увеличивается и лишь на заключительном этапе за счет снижения концентрации реагирующих веществ начинает уменьшаться. Автокаталитическая реакция может начаться в том случае, если возможно некаталитическое превращение, или если в исходной реакционной смеси имеется ничтожное количество продукта реакции.

    Примером автокаталитической реакции может служить омыление сложных эфиров в отсутствие в реакционной смеси кислоты. Поскольку продуктом омыления является органическая кислота, то по мере ее накопления в растворе скорость реакции будет постепенно возрастать. Автокатализ наблюдается и для окислительно-восстановительных реакций. Так, окисление щавелевой кислоты перманганатом ускоряется продуктом реакции Mn²⁺. Первой стадией реакции является взаимодействие перманганат-ионя с Mn²⁺:

    MnO₄^- + Mn²⁺ → MnO^2-₄ + Mn³⁺

    Эта стадия протекает медленно и является лимитирующей. Далее Mn³⁺ реагирует с щавелевой кислотой с образованием СО₂ и Mn²⁺:

    Н₂С₂0₄ + Mn³⁺ → 2 Mn²⁺ + Н₂ + 2С0₂

    Эта реакция включает несколько стадий и протекает быстро.

    В присутствии некоторых веществ скорость реакции может не возрастать, а, напротив, уменьшаться. Такое явление получило название ингибирование , а вещества, вызывающие замедление реакции, — ингибаторов. Сущность явления ингибирования заключается в том, что ингибитор вступает в химическое взаимодействие с реагентом или чаще с промежуточными веществами с образованием устойчивых соединений, обладающих очень низкой реакционной способностью. Тем самым исключается протекание быстрых стадий и общая скорость реакции снижается. Ингибирование широко используется на практике для подавления или снижения скорости нежелательных реакций. Например, ингибиторы применяются для снижения деструкции полимерных материалов, протекающей под действием теплоты и УФ-излучения. Поскольку деструкция является совокупностью различных цепных реакций, то действие ингибитора в данном случае заключается в том, что он образует со свободными радикалами химически инертные частицы. Тем самым резко увеличивается вероятность обрыва цепи, что ведет к снижению скорости цепной реакции.

    Вещества, вызывающие торможение ферментативной реакции, называются имибиторами ферментов. Ингибирование ферментативных реакций заключается в том, что ингибитор образует с ферментом малоактивное соединение, не способное к каталитическому превращению. Концентрация активной формы фермента при этом снижается, что приводит к значительному снижению скорости реакции. Поэтому понятие ингибирование тождественно термину отравление катализатора.  Последний термин преимущественно используется в гетерогенном катализе. Если ингибирование фермента происходит за счет продукта реакции, то возникает явление, как бы противоположное автокатализу, - автоингибирование реакции. Обычно ингибитор связывается с ферментом обратимо, поэтому вывод его из реакционного объёма приводит к разрушению неактивного комплекса фермент-ингибитор с образованием свободного фермента, что приводит к увеличению скорости реакции. Явление ингибирования ферментов лежит в основе регулирования скорости ферментативных реакций в живых организмах.  

    Периодические каталитические (осциллирующие) реакции, если некоторые стадии сложной каталитической реакции являются автокаталитическими или ингибируются продуктами реакции, то в реакционной системе может наблюдаться периодическое изменение концентраций промежуточных веществ, через которые протекает данная реакция. Естественно, что при этом наблюдается и периодическое изменение ее скорости. Такие реакции называются периодическими или осциллирующими.

    Н конце 50-х годов Б. П.Белоусовым было обнаружено периодическое изменение концентраций промежуточных веществ в реакции окислеиия малоновой кислоты бромат-ионом в присутствии ионов церия, протекающей в растворе серной кислоты. А.М.Жаботинский подробно исследовал эту реакцию и показал, что автоколебания концентраций и скорости обусловлены сложным химизмом этой реакции, которая теперь известна как реакция Белоусова—Жаботинского. Механизм реакции Белоусова—Жаботинекого можно понять на основании трех обобщенных стадий этой сложной реакции:

    BrO₃^- + 2Br^- + 3CH₂(COOH)_{2 +} 3H⁺ → 3BrCH(COOH)₂ + 3H₂O      (I)

    4Ce^III + BrO₃^- + 5H⁺ +  CH₂(COOH)₂ → 4Ce^IV +  3H₂O + BrCH(COOH)₂  (II)

    BrCH(COOH)₂ + 4Ce^IV + 2H₂O → Br^- + 4Ce^III + HCOOH + 2CO₂ +5H⁺         (III)

    Реакция начинается с некоторого индукционного периода, а затем концентрации Br^-, Ce^III и Ce^IV в растворе изменяются периодически. Наличие автоколебаний в системе обусловлено кинетическими особенностями стадии (II), которая является автокаталитической и в то же время ингибируется ионами Вг^-. Стадия (II) являетсяся сложной реакцией и включает несколько элементарных стадий, однако детальный механизм автокатализа и ингибирования этой реакции здесь не рассматривается. Стадия (II) заключается в окислении Се^III до Се^IV, при этом малоновая кислота превращается в броммалоновую. Последняя, реагируя с Се^IV  по реакции (III), превращается НСООН, СО₂ и Вr^-. За счет протекания реакции (III) концентрация Вг^- возрастает. Появление ионов Вr^- в растворе ингибирует протекание реакции (II), что приводит к снижению концентрации Се^IV и накоплению ионов Се^IV за счет реакции (III). В то же время возрастание концентрации Вr^- приводит к увеличению скорости стадии (I). Так как Вr является исходным веществом в этой реакции, то по мере ее протекания концентрация Вr^- снижается.  Это приводит к уменьшению торможения стадии (II), скорость ее возрастает и вследствие этого происходит быстрое снижение концентрации Се^III  и накопление

ионов Се^III в растворе. Повышение концентрации Се^IV приводит к увеличению скорости реакции (III), и все начинается сначала.

    В настоящее время изучено несколько десятков различных гомогенных и гетерогенных каталитических реакций, в которых наблюдаются автоколебания. Исследование кинетических моделей периодических реакций позволило сформулировать условия, необходимые для возникновения устойчивых автоколебаний скорости реакции и концентраций промежуточных веществ: 1) устойчивые автоколебания могут возникнуть только в открытых системах, так чтобы концентрации исходных веществ и продуктов реакции могли поддерживаться постоянными; 2) сложная реакция должна включать автокаталитические стадии, ингибируемые продуктами реакции; 3) механизм реакции должен включать стадии, порядок которых был бы выше первого. Перечисленные выше условия являются необходимыми, но недостаточными. Автоколебания могут возникнуть только при определенных соотношениях констант скоростей стадий и концентрациях исходных реагентов. Выполнение всех требований реализуется довольно редко, и периодические реакции — явление весьма экзотическое. Тем не менее изучение таких реакций имеет большое значение для понимания сущности явления катализа, законов периодических процессов, протекающих в живых организмах (биологические ритмы), а также для использования периодических реакций в химической технонологии и других отраслях науки и техники в недалеком будущем. 

5.  Применение в промышленности и перспективы развития гомогенного катализа

 

    Гомогенный катализ широко используется в промышленности органического синтеза, нефтеперерабатывающей, пищевой и фармацевтической промышленности. Обладая высокой активностью и исключительно высокой селективностью, гомогенные катализаторы позволяют создавать высокоэффективные ресурсо- и энергосберегающие технологии получения ценных органических полупродуктов, стереоизомеров, биологически активных веществ.

    Особенно расширилась сфера применения гомогенного катализа в промышленности после того, как были синтезированы металлокомплексные катализаторы гидрирования, полимеризации и гидроформилирования.

    В настоящее время в промышленном масштабе осуществлено более 40 процессов, основанных на применении металлокомплексных катализаторов, чему в немалой степени способствовало развитие интереса к таким источникам сырья, как уголь, природный газ, моно- и диоксид углерода.