Эффект сближения реагирующих групп

Одна из главных особенностей ферментативного катализа заключается в эффекте сближения реагирующих групп. В результате взаимодействия субстрата с его окружением в активном центре реагирующие группы оказываются в наиболее благоприятном для протекания реакции положении. Этот эффект наблюдается и в обычной органической химии. Так, например, реакция гидролиза п ‑бромфениловых эфиров карбоновых кислот катализируется карбоксилатными ионами:

Если скорость гидролиза п -бромфенилацетата в присутствии эквивалентного количества ацетата натрия принять за единицу, то соль моно- п -бромфенилового эфира глутаровой кислоты гидролизуется примерно в 1000 раз быстрее, в 2,2×10⁵ раза быстрее гидролизуется соль соответствующего моноэфира янтарной кислоты:

Для моно- п -бромфенилового эфира малеиновой кислоты скорость гидролиза возрастает в 10⁷ раз. Интересно, что для солей моно- п -бромфениловых эфиров некоторых 2,2‑дизамещенных глутаровых кислот скорость гидролиза может увеличиваться в 3×10¹⁸ раз. Это связано с уменьшением степеней свободы при вращении молекул, что обеспечивает оптимальное расположение катализирующей гидролиз анионной карбоксилатной группы около сложноэфирной группы.

Еще один пример рассматриваемого эффекта представлен реакцией гидролиза гликозидов 2-гидроксибензойной кислоты (салициловой) и 4-гидроксибензойной кислоты. Скорость гидролиза первого соединения на 4 порядка выше, чем второго:

Здесь очевидна каталитическая роль кислотной группы, которая у производного салициловой кислоты находится непосредственно у аномерного (гликозидного) атома кислорода.

И последний пример: известно, что прямая реакция этерификации фенола карбоновыми кислотами идет крайне медленно, но в то же время 2‑гидроксикоричная кислота циклизуется в лактон (кумарин) даже в щелочной среде:

Дестабилизация связей

Известно, что изменение геометрии связей приводит к их дестабилизации. В качестве примера можно привести гидролиз циклического и ациклического фосфитов: константа скорости гидролиза этиленфосфита на семь порядков больше константы скорости гидролиза диметилфосфита:

и

,

что связано с разной геометрией связей в этих двух соединениях. К этой же группе возможных влияний относится и изменение характера сольватации промежуточных продуктов или переходных состояний. Этот эффект иллюстрируется реакцией декарбоксилирования продукта присоединения пировиноградной кислоты к соли диметилтиазолия, имитирующей in vitro тиаминпирофосфат – кофермент пируватдекарбоксилазы:

В воде продукт присоединения пирувата достаточно устойчив, в спирте скорость декарбоксилирования возрастает на 4–5 порядков, а в полярном апротонном диметилсульфоксиде скорость декарбоксилирования не удается измерить, так как уже при растворении в нем продукта присоединения происходит вспенивание от выделяющегося диоксида углерода.