Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Химиялық байланыстарды су қосып үзу
Cleavage of chemical bonds by the addition of water
Гидролиз (/h//aɪ/'/d//r//ɒ//l//ɪ//s//ɪ//s/; көне грекше hydro – "су") – су молекуласының бір немесе бірнеше химиялық байланыстарды үзу қатысатын кез келген химиялық реакция. Бұл термин су нуклеофил болатын, жай ауыстыру, тоқтату және еріту реакциялары үшін кеңінен қолданылады. Биологиялық гидролиз – биомолекулалардың ыдырауы, онда су молекуласы үлкен молекуланы құрамдас бөліктерге ажырату үшін жұмсалады. Көмірсулар гидролиз арқылы құрамына кіретін қант молекулаларына ажыратылғанда (мысалы, сахароза глюкоза мен фруктозаға ажыратылғанда), бұл сахарификация деп аталады. Гидролиз реакциясы екі молекуланың бірігіп үлкен молекула құратын және су молекуласын бөліп шығаратын конденсация реакциясының кері процесі болуы мүмкін. Осылайша, гидролиз ыдырату үшін су қосады, ал конденсация суды алып тастау арқылы құрылым жасайды.
Hydrolysis (/h//aɪ/'/d//r//ɒ//l//ɪ//s//ɪ//s/; from Ancient Greek hydro 'water') is any chemical reaction in which a molecule of water breaks one or more chemical bonds. The term is used broadly for substitution, elimination, and solvation reactions in which water is the nucleophile. Biological hydrolysis is the cleavage of biomolecules where a water molecule is consumed to effect the separation of a larger molecule into component parts. When a carbohydrate is broken into its component sugar molecules by hydrolysis (e. g., sucrose being broken down into glucose and fructose), this is recognized as saccharification. Hydrolysis reactions can be the reverse of a condensation reaction in which two molecules join into a larger one and eject a water molecule. Thus hydrolysis adds water to break down, whereas condensation builds up by removing water.
Түрлері
Гидролиз - әдетте, бір су молекуласының қандай да бір затқа қосылуы. Кейде бұл қосылу нәтижесінде, сол заттың да, су молекуласының да екіге бөлінуі мүмкін. Мұндай реакцияларда, мақсатты (немесе бастапқы) молекуланың бір бөлігі сутегі ионын қабылдайды. Бұл қосылыстағы химиялық байланысты үзеді.
Usually hydrolysis is a chemical process in which a molecule of water is added to a substance. Sometimes this addition causes both the substance and water molecule to split into two parts. In such reactions, one fragment of the target molecule (or parent molecule) gains a hydrogen ion. It breaks a chemical bond in the compound.
Тұздары
Гидролиздің кең таралған түрі әлсіз қышқыл немесе әлсіз негіздің (немесе екеуінің де) тұзы суда еріген кезде жүзеге асады. Су өздігінен гидроксид аниондары мен гидроний катиондарына иондалады. Тұз да өз құрамындағы аниондар мен катиондарға ыдырайды. Мысалы, натрий ацетаты суда натрий және ацетат иондарына ажыратылады. Натрий иондары гидроксид иондарымен өте аз реакцияға түседі, ал ацетат иондары гидроний иондарымен бірігіп сірке қышқылын түзетін болады. Бұл жағдайда, гидроксид иондарының салыстырмалы артық болуы нәтижесінде негіздік ерітінді пайда болады. Күшті қышқылдар да гидролизге түседі. Мысалы, күкірт қышқылын (H2SO4) суда еріту гидролиз процесімен бірге гидроний мен бисульфатты, күкірт қышқылының конугат негізін құрайды. Мұндай гидролиз кезінде қандай өзгерістер болатыны туралы толыққанды техникалық ақпарат алу үшін Брёнстед-Лоури қышқыл-негіз теориясын қараңыз.
A common kind of hydrolysis occurs when a salt of a weak acid or weak base (or both) is dissolved in water. Water spontaneously ionizes into hydroxide anions and hydronium cations. The salt also dissociates into its constituent anions and cations. For example, sodium acetate dissociates in water into sodium and acetate ions. Sodium ions react very little with the hydroxide ions whereas the acetate ions combine with hydronium ions to produce acetic acid. In this case the net result is a relative excess of hydroxide ions, yielding a basic solution. Strong acids also undergo hydrolysis. For example, dissolving sulfuric acid (|H2SO4) in water is accompanied by hydrolysis to give hydronium and bisulfate, the sulfuric acid's conjugate base. For a more technical discussion of what occurs during such a hydrolysis, see Brønsted–Lowry acid–base theory.
Эстерлер мен амидтер
Қышқыл-негіздік катализделген гидролиздер өте көп кездеседі; мысалы, амидтер мен эстерлердің гидролизі. Олардың гидролизі нуклеофилдің (ядро іздейтін агент, мысалы, су немесе гидроксил ионы) эстердің немесе амидтің карбонил тобының көміртегіне шабуыл жасағанда жүзеге асады. Сулы негізде гидроксил иондары су сияқты полярлы молекулалардан гөрі жақсы нуклеофилдер болып табылады. Қышқылдарда карбонил тобы протонды болады, бұл нуклеофилдік шабуылды жеңілдетеді. Екі гидролиздің де өнімдері карбоксил тобы бар қосылыстар болып табылады. Эстер гидролизінің ең ерте коммерциялық мысалы – сапундау (сабынның түзілуі). Бұл триглицеридтің (майдың) натрий гидроксиді (NaOH) сияқты сулы негізбен гидролизі. Процесс барысында глицерин түзіледі, ал май қышқылдары негізбен әрекеттесіп, тұздарға айналады. Бұл тұздар сабындар деп аталады, олар шаруашылықта кеңінен қолданылады. Сонымен қатар, тірі жүйелерде көптеген биохимиялық реакциялар (АТФ гидролизі сияқты) ферменттердің катализі арқылы өтеді. Ферменттердің катализдік әрекеті ақуыздардың, майлардың, майлардың және көмірсулардың гидролизіне мүмкіндік береді. Мысалы, протеазаларды (ақуыздағы пептидтік байланыстардың гидролизіне себеп болып, ас қорытуға көмектесетін ферменттер) қарастыруға болады. Олар экзопептидазаларға (бір уақытта бір бос амин қышқылын бөліп, терминалды пептидтік байланыстардың гидролизін катализдейтін ферменттердің басқа класы) қарама-қарсы, пептидтік тізбектегі ішкі пептидтік байланыстардың гидролизін катализдейді. Дегенмен, протеазалар барлық түрдегі ақуыздардың гидролизін катализдей бермейді. Олардың әрекеті стереоселективті: белгілі бір үшіншілік құрылымы бар ақуыздар ғана таңдалады, өйткені катализ үшін дұрыс орналасу үшін белгілі бір бағыттау күші қажет. Фермент пен оның субстраттары (ақуыздар) арасындағы қажетті байланыстар ферменттің субстрат кіретін ойыққа дейін бүгілуі арқылы жасалады; ойықта катализдік топтар да бар. Сондықтан ойыққа сыймайтын ақуыздар гидролизден өтпейді. Бұл ерекшелік гормондар сияқты басқа ақуыздардың тұтастығын сақтайды, сондықтан биологиялық жүйе қалыпты жұмыс істеуін жалғастырады. Гидролиз кезінде амид карбоксил қышқылына және аминге немесе аммиакқа айналады (қышқыл ортада олар бірден аммоний тұздарына айналады). Карбоксил қышқылының екі оттек тобының бірі су молекуласынан алынады, ал амин (немесе аммиак) сутегі ионын қосады. Пептидтердің гидролизі амин қышқылдарын береді. Көптеген полиамид полимерлері, мысалы, нейлон 6,6, күшті қышқылдардың қатысуымен гидролизденеді. Бұл процесс деполимеризацияға әкеледі. Осы себепті нейлон өнімдері аз мөлшерде қышқыл суға түскенде сынып қалады. Полиэстерлер де осыған ұқсас полимерлік ыдырау реакцияларына ұшырайды. Бұл мәселе қоршаған ортаның стрестік жарылуы деп аталады.
Acid–base catalysed hydrolyses are very common; one example is the hydrolysis of amides or esters. Their hydrolysis occurs when the nucleophile (a nucleus seeking agent, e. g., water or hydroxyl ion) attacks the carbon of the carbonyl group of the ester or amide. In an aqueous base, hydroxyl ions are better nucleophiles than polar molecules such as water. In acids, the carbonyl group becomes protonated, and this leads to a much easier nucleophilic attack. The products for both hydrolyses are compounds with carboxylic acid groups. Perhaps the oldest commercially practiced example of ester hydrolysis is saponification (formation of soap). It is the hydrolysis of a triglyceride (fat) with an aqueous base such as sodium hydroxide (NaOH). During the process, glycerol is formed, and the fatty acids react with the base, converting them to salts. These salts are called soaps, commonly used in households. In addition, in living systems, most biochemical reactions (including ATP hydrolysis) take place during the catalysis of enzymes. The catalytic action of enzymes allows the hydrolysis of proteins, fats, oils, and carbohydrates. As an example, one may consider proteases (enzymes that aid digestion by causing hydrolysis of peptide bonds in proteins). They catalyze the hydrolysis of interior peptide bonds in peptide chains, as opposed to exopeptidases (another class of enzymes, that catalyze the hydrolysis of terminal peptide bonds, liberating one free amino acid at a time). However, proteases do not catalyze the hydrolysis of all kinds of proteins. Their action is stereo selective: Only proteins with a certain tertiary structure are targeted as some kind of orienting force is needed to place the amide group in the proper position for catalysis. The necessary contacts between an enzyme and its substrates (proteins) are created because the enzyme folds in such a way as to form a crevice into which the substrate fits; the crevice also contains the catalytic groups. Therefore, proteins that do not fit into the crevice will not undergo hydrolysis. This specificity preserves the integrity of other proteins such as hormones, and therefore the biological system continues to function normally. Upon hydrolysis, an amide converts into a carboxylic acid and an amine or ammonia (which in the presence of acid are immediately converted to ammonium salts). One of the two oxygen groups on the carboxylic acid are derived from a water molecule and the amine (or ammonia) gains the hydrogen ion. The hydrolysis of peptides gives amino acids. Many polyamide polymers such as nylon 6,6 hydrolyze in the presence of strong acids. The process leads to depolymerization. For this reason nylon products fail by fracturing when exposed to small amounts of acidic water. Polyesters are also susceptible to similar polymer degradation reactions. The problem is known as environmental stress cracking.
Механизмнің стратегиясы
Ацетальдар, иминдер және энаминдер қышқыл катализделген жағдайда артық сумен өңделгенде кетондарға қайта айналуы мүмкін: |RO*OR\sH3O\sO; |NR*H3O\sO; |RNR\sH3O\sO.
Acetals, imines, and enamines can be converted back into ketones by treatment with excess water under acid catalyzed conditions: |RO*OR\sH3O\sO; |NR*H3O\sO; |RNR\sH3O\sO.
Қышқылдық гидролиз
Қышқыл катализі гидролиздерге қолданылуы мүмкін. Мысалы, целлюлоза немесе крахмалдың глюкозаға айналуы. Эстерлер мен амидтердің гидролизі жағдайында, бұл қышқылмен катализделген нуклеофильдік ацил алмастыру реакциясы ретінде анықталады. Эстерлердің қышқылдық гидролизінен карбон қышқылдарын алуға болады. Қышқылдар нитрилдердің амидтерге гидролизін катализдейді. Қышқылдық гидролиз әдетте су молекулаларының қышқылмен катализделген қосылуын, екі немесе үш байланысқа электрофильді қосылу арқылы жатқызылмайды, себебі бұл сулы реакциядан туындауы мүмкін. Қышқыл гидролизі минералды қышқылдардың көмегімен моносахаридтерді дайындау үшін қолданылады, бірақ күміс қышқылы мен трифторацетил қышқылы да қолданылған. Қышқыл гидролизі целлюлозалық материалды алдын ала өңдеу үшін пайдаланылуы мүмкін, яғни гемицеллюлоза мен целлюлозадағы тізбектер аралық байланыстарын үзу үшін.
Acid catalysis can be applied to hydrolyses. For example, in the conversion of cellulose or starch to glucose. For the case of ester hydrolysis and amides, it can be defined as an acid catalyzed nucleophilic acyl substitution reaction. Carboxylic acids can be produced from acid hydrolysis of esters. Acids catalyze hydrolysis of nitriles to amides. Acid hydrolysis does not usually refer to the acid catalyzed addition of the elements of water to double or triple bonds by electrophilic addition as may originate from a hydration reaction. Acid hydrolysis is used to prepare monosaccharide with the help of mineral acids but formic acid and trifluoroacetic acid have been used. Acid hydrolysis can be utilized in the pretreatment of cellulosic material, so as to cut the interchain linkages in hemicellulose and cellulose.
Сілтілік гидролиз
Алкальды гидролиз, әдетте, нуклеофильдік алмастыру реакцияларының типтерін білдіреді, онда шабуылдайтын нуклеофил гидроксид ионы болып табылады. Ең белгілі түрі – саптау: эфирлерді карбоксилат тұздары мен спирттерге ыдырату. Эстер гидролизі мен амид гидролизі кезінде гидроксид ионы нуклеофилі нуклеофильді ацил алмастыру реакциясында карбонил көміртегіне шабуыл жасайды. Бұл механизм изотоптық белгілеу эксперименттерімен дәлелденген. Мысалы, оттегі-18 изотопымен белгіленген этил пропионаты натрий гидроксидімен (NaOH) өңделгенде, этил пропионаттың өнімінде оттегі-18 мүлдем табылмаса, ол тек қана пайда болған этанолда ғана кездеседі. Бұл реакция көбінесе қатты органикалық заттарды еріту үшін қолданылады. Химиялық кәріз тазалағыштар осы әдіс арқылы құбырлардағы шашты және майды ерітеді. Реакция сондай-ақ дәстүрлі жерлеу немесе кремацияға балама ретінде адам және басқа жануарлардың дене қалдықтарын жою үшін де пайдаланылады.
Alkaline hydrolysis usually refers to types of nucleophilic substitution reactions in which the attacking nucleophile is a hydroxide ion. The best known type is saponification: cleaving esters into carboxylate salts and alcohols. In ester hydrolysis and amide hydrolysis the hydroxide ion nucleophile attacks the carbonyl carbon in a nucleophilic acyl substitution reaction. This mechanism is supported by isotope labeling experiments. For example, when ethyl propionate with an oxygen 18 labeled ethoxy group is treated with sodium hydroxide (NaOH), the oxygen 18 is completely absent from the sodium propionate product and is found exclusively in the ethanol formed. The reaction is often used to solubilize solid organic matter. Chemical drain cleaners take advantage of this method to dissolve hair and fat in pipes. The reaction is also used to dispose of human and other animal remains as an alternative to traditional burial or cremation.