Гидролиз

Общая реакция гидролиза. (Символ двухстороннего выхода указывает на химическое равновесие , в котором гидролиз и конденсация обратимы.)

Гидролиз ( / h aɪ ˈ d r ɒ l ɪ s ɪ s / ; от древнегреческой гидроэназычной воды и лизиса «до расселения»)- это любая химическая реакция, в которой молекула воды разбивает одну или несколько химических связей. Термин широко используется для реакций замещения , элиминации и сольватации , в которых вода является нуклеофилом . ^{[ 1 ]}

Биологический гидролиз - это расщепление биомолекул , в которых потребляется молекула воды, чтобы повлиять на разделение более крупной молекулы на компонентные части. Когда углеводы разбиваются на его компонентные молекулы сахара путем гидролиза (например, сахароза разбивается на глюкозу и фруктозу ), это признается как осахарирование . ^{[ 2 ]}

Реакции гидролиза могут быть обратной реакцией конденсации , в которой две молекулы соединяются в большую и выбросив молекулу воды. Таким образом, гидролиз добавляет воду для разрушения, тогда как конденсация накапливается, удаляя воду. ^{[ 3 ]}

Типы

Обычно гидролиз - это химический процесс, в котором к веществу добавляется молекула воды. Иногда это дополнение приводит к тому, что как вещество, так и молекула воды расщепляются на две части. В таких реакциях один фрагмент молекулы -мишени (или родительской молекулы) получает ион водорода . Он нарушает химическую связь в соединении.

Соли

Распространенный вид гидролиза происходит, когда соль или слабой кислоты слабого основания (или обоих) растворяется в воде. Вода спонтанно ионизируется в гидроксидные анионы и катион гидрония . Соль также диссоциирует в своих составляющих анионах и катионах. Например, ацетат натрия диссоциации в воде на натрия и ацетата ионы . Ионы натрия очень мало реагируют с гидроксидными ионами, тогда как ионы ацетата в сочетании с ионами гидрония для получения уксусной кислоты . В этом случае чистым результатом является относительный избыток гидроксидных ионов, что дает основное решение .

Сильные кислоты также подвергаются гидролизу. Например, растворение серной кислоты ( H ₂ SO ₄ ) в воде сопровождается гидролизом с получением гидронии и бисульфата серной кислоты , конъюгатного основания . Более техническое обсуждение того, что происходит во время такого гидролиза, см. Теорию Brønsted -Lowry Acid -Base .

Эфиры и амиды

Кислотные гидролизы очень распространены; Одним из примеров является гидролиз амидов или эфиров . Их гидролиз происходит, когда нуклеофил (агент, ищущий ядра, например, вода или гидроксиловый) атакует углерод карбонильной группы сложного эфира или амида . В водном основании гидроксильные ионы являются лучшими нуклеофилами, чем полярные молекулы, такие как вода. В кислотах карбонильная группа становится протонированной, и это приводит к гораздо более легкой нуклеофильной атаке. Продукты для обоих гидролизов представляют собой соединения с группами карбоновой кислоты .

Возможно, самым старым коммерчески практичным примером гидролиза сложного эфира является омывание (образование мыла). Это гидролиз триглицерида ( жира) с водным основанием, таким как гидроксид натрия (NAOH). Во время процесса глицерин образуется , а жирные кислоты реагируют с основанием, превращая их в соли. Эти соли называются мылом, обычно используемые в домохозяйствах.

Кроме того, в живых системах большинство биохимических реакций (включая гидролиз АТФ) происходят во время катализа ферментов . Каталитическое действие ферментов позволяет гидролиз белков , жиров, масла и углеводов . Например, можно рассмотреть протеазы (ферменты, которые помогают расщеплять , вызывая гидролиз пептидных связей в белках ). Они катализируют гидролиз внутренних пептидных связей в пептидных цепях, в отличие от экзопептидаз (еще один класс ферментов, которые катализируют гидролиз терминальных пептидных связей, освобождая одну свободную аминокислоту одновременно).

Однако протеазы не катализируют гидролиз всех видов белков. Их действие стереоселективное: только белки с определенной третичной структурой нацелены, поскольку необходима какая-то ориентированная сила для размещения амидной группы в надлежащее положение для катализа. Необходимые контакты между ферментом и его субстратами (белки) создаются потому, что фермент складывается таким образом, чтобы образовать расщелину, в которую подходит субстрат; CREVIE также содержит каталитические группы. Следовательно, белки, которые не вписываются в щель, не будут подвергаться гидролизу. Эта специфичность сохраняет целостность других белков, таких как гормоны , и, следовательно, биологическая система продолжает работать нормально.

Механизм катализируемого кислотом гидролиза амида.

После гидролиза амид превращается в карбоновую кислоту и амин или аммиак (который в присутствии кислоты немедленно превращается в соли аммония). Одна из двух кислородных групп на карбоновой кислоте получена из молекулы воды, а амин (или аммиак) получает ион водорода. Гидролиз пептидов дает аминокислоты .

Многие полиамидные полимеры, такие как нейлон 6,6 гидролиз в присутствии сильных кислот. Процесс приводит к деполимеризации . По этой причине нейлоновые продукты терпят неудачу при разрушении при воздействии небольшого количества кислой воды. Полиэфиры также подвержены сходным реакциям деградации полимеров . Проблема известна как трещина на стрессе окружающей среды .

АТП

Гидролиз связан с энергетическим метаболизмом и хранением. Все живые клетки требуют постоянного снабжения энергии для двух основных целей: биосинтез микро и макромолекул, а также активный транспорт ионов и молекул в клеточных мембранах. Энергия, полученная из окисления питательных веществ, используется не напрямую, а посредством сложной и длинной последовательности реакций, она направляется в специальную молекулу хранения энергии, аденозин трифосфат (АТФ). Молекула АТФ содержит пирофосфатные связи (связи, образующиеся, когда объединяются два фосфатных блока), которые при необходимости высвобождают энергию. АТФ может подвергаться гидролизу двумя способами: во -первых, удаление терминального фосфата с образованием аденозинфосфата (ADP) и неорганического фосфата, с реакцией:

{\ce {ATP + H2O -> ADP + P_{i}}}

Во -вторых, удаление терминального дифосфата с получением аденозин -монофосфата (AMP) и пирофосфата . Последние обычно подвергаются дальнейшему расщеплению в два составляющих фосфаты. Это приводит к реакциям биосинтеза, которые обычно встречаются в цепях, которые могут быть приведены в направлении синтеза, когда фосфатные связи подвергаются гидролизу.

Полисахариды

Сахароза. Гликозидная связь представлена центральным атомом кислорода, который содержит два моносахаридных единица вместе.

Моносахариды могут быть связаны вместе гликозидными связями , которые могут быть расщеплены гидролизом. Таким образом, два, три, несколько или много моносахаридов связали, образуют дисахариды , трисахариды , олигосахариды или полисахариды соответственно. Ферменты, которые гидролизуют гликозидные связи, называются « гликозидными гидролазами » или «гликозидазами».

Самым известным дисахаридом является сахароза (табличный сахар). Гидролиз сахарозы дает глюкозу и фруктозу . Инвертаза представляет собой сахазу, используемая в промышленности для гидролиза сахарозы для так называемого инвертного сахара . Лактаза необходима для пищеварительного гидролиза лактозы в молоке; Многие взрослые люди не производят лактазу и не могут переваривать лактозу в молоке.

Гидролиз полисахаридов в растворимые сахара может быть признан осахарификацией . ^{[ 2 ]} Солодо из ячменя используется в качестве источника β-амилазы для разбивания крахмала в дисахаридную мальтозу , которую дрожжи могут использовать для производства пива . Другие ферменты амилазы могут преобразовать крахмал в глюкозу или в олигосахариды. Целлюлоза сначала гидролизуется в целлобиозу целлюлазой , а затем целлобиоза дополнительно гидролизуется до глюкозы бета -глюкозидазой . Журнатели, такие как коровы, способны гидролизуйте целлюлозу в целлобиозу, а затем глюкозу из -за симбиотических бактерий, которые продуцируют целлюлазы.

ДНК

Гидролиз ДНК происходит со значительной скоростью in vivo. ^{[ 4 ]} Например, подсчитано, что в каждой клетке человека от 2000 до 10 000 демо -пуриновых оснований переворачиваются каждый день из -за гидролитического депонирования, и что это в значительной степени противодействует конкретным процессам быстрого восстановления ДНК . ^{[ 4 ]} Гидролитические повреждения ДНК, которые не могут быть точно отремонтированы, могут способствовать канцерогенезу и старению . ^{[ 4 ]}

Металлические аква -ионы

Ионы металлов - это кислоты Льюиса , а в водном растворе они образуют металлические комплексы аковинов общей формулы М (ч ₂ о) _n^{M +}. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} Аква -ионы подвергаются гидролизу в большей или меньшей степени. Первый этап гидролиза дается в целом как

{\ce {M(H2O)_{\mathit {n}}^{{\mathit {m}}+}{}+H2O<=>M(H2O)_{{\mathit {n}}-1}(OH)^{({\mathit {m}}-1){}+}{}+H3O+}}

Таким образом, катионные катионы ведут себя как кислоты с точки зрения теории Brønsted -Lowry -Base . Этот эффект легко объясняется, учитывая индуктивный эффект положительно заряженного иона металлов, который ослабляет O -H связь прикрепленной молекулы воды, что делает освобождение протона относительно простым.

Константа диссоциации , PK _A , для этой реакции более или менее линейно связана с соотношением заряда к размеру иона металла. ^{[ 7 ]} Ионы с низкими зарядами, такими как НА ⁺ очень слабые кислоты с практически незаметным гидролизом. Крупные двухвалентные ионы, такие как Что ²⁺, Zn ²⁺, С ²⁺ и Пб ²⁺ иметь PK _A из 6 или более, и они обычно не будут классифицироваться как кислоты, но небольшие двухвалентные ионы, такие как Быть ²⁺ подвергаться обширному гидролизу. Тривалентные ионы любят Ал ³⁺ и Фей ³⁺ являются слабыми кислотами, PK _A сопоставимо с уксусной кислотой . Решения солей, таких как Becl ₂ или Al (№ ₃ ) ₃ в воде заметно кислые ; Гидролиз может быть подавлен путем добавления кислоты, такой как азотная кислота , что делает раствор более кислым.

Гидролиз может выходить за рамки первого этапа, часто с образованием полинуклеарных видов посредством процесса олитации . ^{[ 7 ]} Некоторые «экзотические» виды, такие как Sn ₃ (OH) 2+ 4 ^{[ 8 ]} хорошо охарактеризованы. Гидролиз имеет тенденцию двигаться, поскольку PH поднимается во многих случаях, к осадру гидроксида, такого как Al (OH) ₃ или Ало (Ох) . Эти вещества, основные компоненты боксита , известны как латериты и образуются путем выщелачивания из пород большинства ионов, кроме алюминия и железа, и последующего гидролиза оставшегося алюминия и железа.

Стратегии механизма

Ацеталы , имины и эманы могут быть преобразованы обратно в кетоны путем обработки избыточной водой в кислотно-катализируемых условиях: Ro · or - h ₃ O -O ; Нет · H ₃ O -O ; Rnrdia ₃ o -oo . ^{[ 9 ]}

Катализ

Кислотный гидролиз

Кислотный катализ может быть применен к гидролизу. ^{[ 10 ]} Например, при преобразовании целлюлозы или крахмала в глюкозу . ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}^{[ 13 ]} Карбоновые кислоты могут быть получены из кислотного гидролиза сложных эфиров. ^{[ 14 ]}

Кислоты катализируют гидролиз нитрилов к амидам. Кислотный гидролиз обычно не относится к кислотному катализируемому добавлению элементов воды к двойным или тройным связям путем электрофильного добавления , которое может возникнуть из реакции гидратации . Кислотный гидролиз используется для приготовления моносахарида с помощью минеральных кислот, муравьиная кислота и трифторуксусная кислота . но использовалась ^{[ 15 ]}

Кислотный гидролиз может быть использован в предварительной обработке целлюлозного материала, чтобы сократить межполучие связи в гемицеллюлозе и целлюлозе. ^{[ 16 ]}

Щелочный гидролиз

Щелочный гидролиз обычно относится к типам нуклеофильных реакций замещения , в которых атакующий нуклеофил представляет собой гидроксид -ион . Самым известным типом является опонирование : расщепление сложных эфиров в карбоксилатов соли и спиртов . В эфирном гидролизе гидроксид -нуклеофил атакует карбонильный углерод. Этот механизм подтверждается экспериментами по маркировке изотопа . Например, когда этил-пропионат с цифровой этикси-группой с кислородом-18 обрабатывается гидроксидом натрия (NAOH), кислород-18 полностью отсутствует в продукте пропионата натрия и обнаруживается исключительно в образованном этаноле . ^{[ 17 ]}

Реакция часто используется для солюбилизации твердого органического вещества. Химические уборщики предоставляют этот метод, чтобы растворить волосы и жир в трубах. Реакция также используется для утилизации человеческого и другого животного остается в качестве альтернативы традиционным захоронениям или кремации.

Смотрите также

Ссылки

^ Iupac , сборник химической терминологии , 2 -е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн -исправленная версия: (2006–) « Гидролиз ». doi : 10.1351/goldbook.h02902 Iupac , сборник химической терминологии , 2 -е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн -исправленная версия: (2006–) « Солволиз ». doi : 10.1351/goldbook.s05762
^ Jump up to: ^а ^{беременный} «Определение осахарификации» . Мерриам-Уэбстер . Архивировано из оригинала 7 января 2021 года . Получено 8 сентября 2020 года .
^ Стейн, Ричард. «Конденсация и гидролиз» . www.biotopics.co.uk . Архивировано из оригинала 2020-11-27 . Получено 2020-11-13 .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в Линдаль Т. Нестабильность и разложение первичной структуры ДНК. Природа. 1993 апрель 22; 362 (6422): 709-15. doi: 10.1038/362709a0. PMID 8469282
^ Берджесс, Джон (1978). Ионы металлов в растворе . Чичестер: Эллис Хорвуд. ISBN 978-0853120278 .
^ Richens, DT (1997). Химия аква -ионов: синтез, структура и реактивность: тур по периодической таблице элементов . Уайли. ISBN 0-471-97058-1 .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Baes, Charles F.; Месмер, Роберт Э. (1976). Гидролиз катионов . Нью -Йорк: Уайли. ISBN 9780471039853 .
^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2 -е изд.). Баттерворт-Хейнеманн . п. 384. ISBN 978-0-08-037941-8 .
^ Кляйн, Дэвид (2012). Органическая химия . Уайли. ISBN 978-0-471-75614-9 .
^ Спейт, Джеймс Г. (2 ноября 2016 г.). Гидролиз . С. 143–144. ISBN 9780128006689 Полем в Speight, James G. (2017). «Промышленная органическая химия». Экологическая органическая химия для инженеров . С. 87–151. doi : 10.1016/b978-0-12-804492-6.00003-4 . ISBN 978-0-12-804492-6 .
^ Гольдштейн, Ирвинг С. (1983). «Гидролиз целлюлозы кислотами». Использование биомассы . С. 559–566. doi : 10.1007/978-1-4757-0833-2_30 . ISBN 978-1-4757-0835-6 .
^ US 5726046 , Фароне, Уильям А. и Кузенс, Джон Э., «Метод производства сахаров с использованием сильного кислотного гидролиза», опубликовано 1998-03-10, назначенный Arkenol Inc.
^ Вон, HL; Роббинс, доктор медицины (апрель 1975 г.). «Быстрая процедура гидролиза амидов к кислотам». Журнал органической химии . 40 (8): 1187–1189. doi : 10.1021/jo00896a050 .
^ «5.4: реакции гидролиза» . Химия Либретлекты . 2021-08-04 . Получено 2023-10-07 .
^ Чен, Хонжжэн (2015). Lignocellulose Biorefinery Engineering . Woodhead Publishing. ISBN 978-0-08-100135-6 .
^ Пандей; Типа; Рик; ДУССАП; Gnansounou (2011). Процессы Академическая пресса. ISBN 978-0-12-385099-7 .
^ МакМерри, Джон (1996). Органическая химия (4 -е изд.). Pacific Grove, CA: Brooks/Cole Publishing Company. С. 820–821 . ISBN 0534238327 .

[1] Iupac , сборник химической терминологии , 2 -е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн -исправленная версия: (2006–) « Гидролиз ». doi : 10.1351/goldbook.h02902 Iupac , сборник химической терминологии , 2 -е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн -исправленная версия: (2006–) « Солволиз ». doi : 10.1351/goldbook.s05762

[saccharification-2] Jump up to: ^а ^{беременный} «Определение осахарификации» . Мерриам-Уэбстер . Архивировано из оригинала 7 января 2021 года . Получено 8 сентября 2020 года .

[3] Стейн, Ричард. «Конденсация и гидролиз» . www.biotopics.co.uk . Архивировано из оригинала 2020-11-27 . Получено 2020-11-13 .

[Lindahl1993-4] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в Линдаль Т. Нестабильность и разложение первичной структуры ДНК. Природа. 1993 апрель 22; 362 (6422): 709-15. doi: 10.1038/362709a0. PMID 8469282

[5] Берджесс, Джон (1978). Ионы металлов в растворе . Чичестер: Эллис Хорвуд. ISBN 978-0853120278 .

[6] Richens, DT (1997). Химия аква -ионов: синтез, структура и реактивность: тур по периодической таблице элементов . Уайли. ISBN 0-471-97058-1 .

[bm-7] Jump up to: ^а ^{беременный} Baes, Charles F.; Месмер, Роберт Э. (1976). Гидролиз катионов . Нью -Йорк: Уайли. ISBN 9780471039853 .

[8] Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2 -е изд.). Баттерворт-Хейнеманн . п. 384. ISBN 978-0-08-037941-8 .

[9] Кляйн, Дэвид (2012). Органическая химия . Уайли. ISBN 978-0-471-75614-9 .

[10] Спейт, Джеймс Г. (2 ноября 2016 г.). Гидролиз . С. 143–144. ISBN 9780128006689 Полем в Speight, James G. (2017). «Промышленная органическая химия». Экологическая органическая химия для инженеров . С. 87–151. doi : 10.1016/b978-0-12-804492-6.00003-4 . ISBN 978-0-12-804492-6 .

[11] Гольдштейн, Ирвинг С. (1983). «Гидролиз целлюлозы кислотами». Использование биомассы . С. 559–566. doi : 10.1007/978-1-4757-0833-2_30 . ISBN 978-1-4757-0835-6 .

[12] US 5726046 , Фароне, Уильям А. и Кузенс, Джон Э., «Метод производства сахаров с использованием сильного кислотного гидролиза», опубликовано 1998-03-10, назначенный Arkenol Inc.

[13] Вон, HL; Роббинс, доктор медицины (апрель 1975 г.). «Быстрая процедура гидролиза амидов к кислотам». Журнал органической химии . 40 (8): 1187–1189. doi : 10.1021/jo00896a050 .

[14] «5.4: реакции гидролиза» . Химия Либретлекты . 2021-08-04 . Получено 2023-10-07 .

[15] Чен, Хонжжэн (2015). Lignocellulose Biorefinery Engineering . Woodhead Publishing. ISBN 978-0-08-100135-6 .

[16] Пандей; Типа; Рик; ДУССАП; Gnansounou (2011). Процессы Академическая пресса. ISBN 978-0-12-385099-7 .

[mcmurry-17] МакМерри, Джон (1996). Органическая химия (4 -е изд.). Pacific Grove, CA: Brooks/Cole Publishing Company. С. 820–821 . ISBN 0534238327 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]