J. Vohlídal, Chemická kinetíka 6. Katalýza a inhibice chemických reakcí 6 KATALÝZA A INHIBICE CHEMICKÝCH REAKCÍ Katalýza a inhibice jsou známé především jako účinné nástroje kontroly a řízení chemických reakcí využívané chemií a chemickou technologií k laboratorním syntézám a průmyslové produkci látek. Ještě významnější je však jejich „výkonná" role při uskutečňování a regulaci chemických dějů v živé i neživé přírodě. V obou těchto oblastech bývá výsledný efekt dosažen kombinací katalýzy žádoucích dějů a inhibice nežádoucích dějů, které jsou v dané soustavě za aktuálních podmínek termodynamicky uskutečnitelné. 6.1 PRINCIPY FUNKCE A KLASIFIKACE KATALYZÁTORU A INHIBITORU 6.1.1 PRINCIPY KATALÝZY Katalyzátor je látka, která i při nízké koncentraci v reakční směsi výrazně urychluje žádanou reakci a přitom v důsledku uskutečňování pouze této reakce nezaniká - úhrnné látkové množství všech forem katalyzátoru (volny katalyzátor a jeho komplexy s reaktanty, meziprodukty a produkty, popř. s inhibitorem') se během reakce nemění. Když katalyzátor při reakci zaniká, děje se tak vedlejšími reakcemi Katalýza je (i) proces ovlivňování chemických reakcí katalyzátory; (ii) oblast chemie zabývající se vývojem katalyzátorů a poznáváním jejich struktury a mechanismů působení. Funkce katalyzátoru na molekulární úrovni Přidáme-li do reakční soustavy katalyzátor, otevře se v ní vedle pomalejší nekatalyzované reakce, probíhající v přítomnosti i v nepřítomnosti katalyzátoru, nová reakční cesta přeměny reaktantů na produkty, která je sice delší, neboť má složitější mechanismus, avšak rychlejší, neboť aktivační Gibbsovy energie všech jejích dílčích kroků jsou nižší než AG# nekatalyzované reakce. Navíc, na konci každého reakčního obratu katalyzované reakce se částice katalyzátoru regeneruje - uzavírá se katalytický cyklus. Proto katalyzátor danou reakcí nezaniká, ačkoliv se podílí na všech jejích klíčových dílčích krocích. Celková rychlost katalyzované reakce, v. je obecně rovna součtu rychlostí nekataly-zo váného a katalýzo váného děje: V = V0 + l^cat, (6-1) kde rychlost nekatalyzovaného děje, bývá prakticky nulová nebo zanedbatelná vůči rychlosti děje katalyzovaného, i^t. Z uvedeného dále vyplývá, že: • katalyzované reakce jsou reakcemi s cyklickými sekvencemi elementárních kroků: • katalyzátor nefiguruje ve stechiometrii celkové reakce, ačkoliv se reakce zúčastňuje. 127 J. Vohlídal, Chemická kinetika 6. Katalýza a inhibice chemických reakcí S + X-^P nekátalyzovaná reakce probíhající jistou rychlostí v0, a to v nepřítomnosti i v přítomnosti katalyzátoru; stejná výsledná reakce katalyzovaná katalyzátorem K, sestávající ze tří dílčích elementárních kroků: S + K -» KS tvorba komplexu kátalyzátor-substrát, KS KS + X -> KP přeměna KS na komplex kat.-produkt, KP KP -» P + K regenerace katalyzátoru - uzavření katalytického cyklu, která probíhá mnohem vyšší celkovou rychlostí, i^. Obr* 6.1. Princip fonkce katalyzátoru; katalytický cyklus. G (AM* /i Aď A+B p prôbéhrcokce — prôbfch reakce —— a) nekatalyzovaná elementární reakce b) stejná reakce katalyzovaná katalyzátorem K Obr. 6.2. Změny Gibbsovy energie reakční soustavy při průběhu reakce: A + B -> P 6.1.2 KATALÝZA, KATALYZÁTORY-KLASIFIKACE ^> Klasifikace podle fázového charakteru reakční směsi. homogenní katalýza - katalyzátor i reaktant(y) jsou v jedné společné fázi, přičemž reakční produktfy) mohou případně vytvářet samostatné fáze -mohou z reakční směsi unikat jako plyn(v) nebo se z ní mohou vydělovat jako sraženina, samostatná kapalná fáze nemísitelná 128 J. Vohlídal, Chemická kinetika 6. Katalýza a inhibice chemických reakcí s reakční fází apod. Příslušné katalyzátory nazývame homogen- ní katalyzátory. heterogenní katalýza - katalyzátor tvoří samostatnou, obvykle tuhou fázi reakční směsi; takové katalyzátory nazýváme I heterogenní katalyzátory. Je-li heterogenní katalyzátor připraven zakotvením původně homogenního katalyzátoru na vhodném nosiči, např. na silikagelu, aíumině, sesíťovaném polymeru apod., jedná se o heterogeni- zovaný katalyzátor. mezifázová katalýza katalyzátor je rozpuštěn v jedné fázi reakční směsi a alespoň jeden z reaktantů je obsažen v jiné její fázi; katalyzovaná reakce pak probíhá ve fázovém rozhraní na styku těchto fází. Příkladem jsou reakce probíhající v disperzi dvou nemísitelných kapalin, z nichž v jedné je rozpuštěn katalyzátor a v druhé reak-tanty. Klasifikace podle chemické podstaty katalyzátoru je prakticky neomezená. Násle- dující přehled proto obsahuje jen hlavní typy katalýzy dle tohoto kritéria. acidobazická katalýza — katalyzátorem je Brónstedova kyselina nebo báze; - kyselá katalýza - katalyzátorem je kyselina nebo kyselé skupiny heterogenního katalyzátoru nebo iontoměniče; katalyzátorem je báze nebo bazické skupiny heterogenního katalyzátoru nebo iontoměniče; - bazická katalýza koordinační katalýza enzymová katalýza biokatalýza redoxní katalýza katalyzátorem je koordinační sloučenina (komplex kovu); sem patří i katalýza Lewisovými kyselinami; katalyzátorem je enzym, ať uvnitř organismu (in vivó), nebo mimo něj (i» vitro); — katalyzátorem je biosystém (kvasnice, buňky, buněčné organe- iy); - katalyzátorem je redukčně - oxidační systém, např. Fe /Fe . Dalšími termíny tohoto typu jsou např. katalýza kovy, oxidy kovů, kovovými ionty atd., které rovněž souvisejí s chemickou podstatou katalyzátoru. Klasifikace v případech, kdy katalyzátorem je reaktant nebo produkt. katalýza substrátem - katalyzátorem je reaktant katalyzované reakce, takže katalytický efekt klesá s rostoucí konverzí; autokatalýza - katalyzátorem je produkt katalyzované reakce, takže katalytický efekt vzrůstá s rostoucí konverzí - "sigmoidální" konverzní křiv-ky; Příklad. Esterifíkaci karboxylové kyseliny i hydrolýzu jejího esteru lze katalyzovat silnou kyselinou (mechanismus, viz kap. 6.2 Acidobazická katalýza). Není-li tato přítomna, přebírá její funkci karboxylová kyselina, která je při esterifíkaci reaktantem - dochází ke katalýze substrátem, avšak při hydrolýze produktem - dochází k autokatalýze: 129 J. Vohlídal, Chemická kinetika 6. Kataiýza a inhibice chemických reakcí R-COOH + HO-R* katalýza substrátem (R-COOH) ^ autokatalýza (produktem: R-COOH) R-COO-R' + ILO Klasifikace podle rozlišení při výběru substrátu a cílového produktu. V této sou- vislosti se používají adjektiva selektivní (přednostní, preferenční, výběrový) a specifický (s významem: unikátní, výlučný). selektivní katalyzátor -přednostně katalyzuje přeměnu pouze jednoho z přítomných sub- strátů, tehdy vykazuje substrátovou selektivitu, nebo přednostně katalyzuje přeměnu daného reaktantu na jeden z možných produktů, tehdy vykazuje pro-duktovou selektivitu, nebo vykazuje preferenci při obou těchto výběrech, tj. substrátovou i produktovou selektivitu. specifický katalyzátor - katalyzuje přeměnu pouze jediného z přítomných substrátů (vykazuje substrátovou specificitu), nebo výlučně katalyzuje přeměnu daného reaktantu na jediný z možných produktů (vykazuje produktovou specificitu), nebo vykazuje 100 %-ní rozlišení při obou těchto výběrech, tj. substrátovou i produktovou specificitu. Je to vlastně 100 %-ně selektivní katalyzátor. SUBSTRAT(Y) + -► KATALYZÁTOR « substrátová selektivita (<100 %) produktová selektivita (substrátová specifícita) (100%) (produktová specificita) (stupeň rozlišení) PRODUKT (Y) Týká-li se selektivita (specificita) nikoli jen jedné látky, al 5 jisté) definované skupiny látek, jedná se o skupinovou selektivitu (skupinovou specificitu!. Příklad. Syntézní plyn lze zpracovat různými katalyzátory na rů^aié produkty: syntézní plyn směs CO + H2 1:2 až 1:3 (CuO + ZnO na A\£)£ (CuO + ZnO + Cr203) Fe nebo Fe + Co _ Rh(CO)x me hanol (99,9 %) alkany (Fischerova poryory a alkeny Cx až ca C30 -Tropschova syntéza) Katalyzátory na bázi CuO + ZnO jsou vysoce selektivní až specifické pro jeho přeměnu na methanol; železné katalyzátory vykazují skupinovou selektivitu pro přeměnu syntézního plynu na nearomatické uhlovodíky, zatímco karbonyly Rh vykazují skupinovou selektivitu pro jeho přeměnu na polyoly. Klasifikace podle rozlišení při výběru polohových izomerů. Týká-li se selektivita nebo specificita polohových izomerů, hovoříme o regioselektivitě, výjimečně o regiospe-cifítě reakce nebo katalyzátoru; (region - oblast). Regioselektivní až regiospecifické jsou 130 J. Vohlídal, Chemická kinetika 6. Katalýza a iiihibice chemických reakcí např. eiektrofilní adice, které se řídí Markovnikovovým pravidlem (viz schéma). Vysokou regioselektivitu vykazují zejména enzymy. CH H, \ + HC1 2-methyIpropen (isobutylen) CH3 I 3 CH3—C—CH3 Cl 2-chlor-2-methylpropan CH, I 3 C1-CH2-CH-CH3 1 -chlor-2-methylpropan Obr. 6-3. Typická regioselektivní reakce - eiektrofilní adice chlorovodíku na 2 methylpropen Klasifikace podle rozlišení při výběru stereoizomerů. Týká-li se selektivita nebo specificita stereoizomerů, jedná se o stereoselektivitu nebo stereospecificitu. Tyto vlastnosti jsou zcela běžné pro enzymy a patří k žádaným charakteristikám stále většího počtu nově vyvíjených syntetických katalyzátorů. ,H CH, .CH, + i?-methyloxiran směs stereoizomerů monomeru S-methyloxiran CH, H H CH, poly(i?-oxypropylen) ataktický poly(oxypropylen) nestereoregulární polymer i CH3 H -in poly(racemo-oxypropylen) polyCS-oxypropylen) i?~isotaktický poly(oxyproi>yten) 5-isotaktický poly(oxypropylen) syndiotaktický poly(oxypropylen) stereoregulární polymery Obr. 6-4, Stereoselektivita - možné způsoby polymerizace methyloxiranu Příklad. Methyloxiran (methyloxacyklopropan. 1.2-epoxvpropan, propylenoxid) má dva stereo-izomery: R- a S-. Při polymerizaci, kterou lze indukovat např. hydroxidy alkalických kovů nebo organozinečnatými katalyzátory, se cyklické molekuly methyloxiranu 131 J. Vohlída!, Chemická kinetika 6. Katalýza a inhibice chemických reakcí otevírají a mění na lineární segmenty makromolekul s chirámími uhlíky. Konfigurace chirálních uhlíku podél molekul poly(oxypropylen)u může být nepravidelná - nestereore-gulární (ataktický) polymer, nebo pravidelná - stereoregulární (taktické) polymery (viz schéma). Při polymerizaci jednoho z izomerů methyloxiranu, nebo jeho racemické směsi (izoméry R- a S- v poměru, 1:1), mohou nastat např. následující případy: monomer nezreagovaný polymerní typ katalýzy (polymerizace) _isomer_molekuly__ Ä-Ä-S- R- S-racemát racemát racemát racemát racemát 100 % R-100 % R- 85 %R-15 % S~ racemát 100 % S- i?~izotaktické S-izotaktické z 80 % tf-izotaktické z 20 % ataktické z 95 % Ä-izotaktické z 5 % ataktické ataktické syndiotaktické ataktické •S-izotaktické z 90 % S-izotaktické z 10 % ataktické 15 % S-izotaktických a 85 % i?-izotaktických ataktické a) stereospecifická, se záchov, konfigurace stereospecifická, s inverzí konfigurace stereoselektivní, s inverzi konfigurace stereoselektivní, se záchov, konfigurace neselektivní produktově stereospecifická substrátově asi také, ale není to jisté neselektivní substrátově i produktově stereospecifická substrátově stereospecifická a současně produktově stereoselektivní, zach. konfig. substrátově stereoselektivní a současně produktově stereospecifická s inverzí konfig. substrátově stereospecifická, avšak produktově neselektivní a) směs makromolekul i?-izotaktického a S-izotaktického poly(oxypropylen)u H HO-SO,-Ph-CH, 0-S02-Ph-CH3 Ph H STEREO-selektivita cw-2-fenylcyklohexyltosylát (reaguje rychle) Ph - HO-SOrPh-CH3 1 -fenylcyklohexen (vzniká) I—Ph 0-S02-Ph-CH3 /ra«Ä-2-fenylcyklohexyltosy]át (reaguje pomalu) H 3 -fenylcyklohexen (nevzniká) REGIO-selektivita (specificita) Obr. 6-5. Příklad substrátově stereoselektivní a zároveň produktově regiospecifické reakce 132 J. Vohlídal, Chemická kinetika 6. Katalýza a inhibíce chemických reakcí Při některých reakcích se může současně uplatňovat stereoselektivita i regioselekti-vita. Např. eliminace /?-toluensulfonové kyseliny z 2-fenylcyklohexyl-^-toluensulfonátu (p-tosylátu, viz schéma v obr. 6-5) je vysoce regioselektivm (prakticky regiospecifícká) vzhledem k produktu a zároveň stereoselektivní vzhledem k reaktantu. Další termíny z oblastí katalýzy Aktivátor je látka, která buď indukuje nebo zvyšuje aktivitu nebo substrátovou se- lektivitu (tu může i změnit) enzymu (katalyzátoru), aniž by jakkoli participovala na samotném katalytickém ději. Typickými aktivátory jsou kationty kovů s atomovým číslem od 11 do 55, zejména Na+, K+, Rb+, Mg*", Ca2+, Mn2+, Zn2+, Fe2+, Co2+, Ni2+, NH4+ a Mo3+ (ionty těžších kovů naopak působí jako inhibitory) a též některé ánionty; např. Cl" a Br~ aktivují a-amylasu. Funkce aktivátoru spočívá v tom, že se reverzibilné váže na enzym. Čímž indukuje takové jeho konformačni změny, že se oblast jeho aktivního místa stéricky optimali- zuje pro adici příslušného substrátu (viz teorie "zámku a klíče"). 1 Promotor je látka, která zvyšuje aktivitu, selektivitu nebo životnost katalyzátoru, aniž by se sama zúčastnila vlastního katalytického děje. Promotor funguje buď tak, že zvyšuje aktivitu katalyzátoru v žádaném směru, nebo tak, že inhibuie nežádoucí vedlejší kata-lytické reakce a reakce vedoucí ke ztrátě aktivity katalyzátoru. Částice promotoru vhodně koordinovaná ke katalytickému centru může: (i) vytvořit lepší stérické podmínky pro průběh žádoucí katalytické reakce, (ii) bránit asociaci katalytických center vedoucí k jejich deaktivaci, (iii) bránit adici látek vstupujících do vedlejších reakcí nebo indukujících zánik katalytických center apod. CL xClv ^CH2CH3 Tu' ^Al ar xh2 xch,ch + 0^=0^ ch2\ x01^ / -- S- y CH9 / CH2CH3 CH, Cl CH; ! CH, \ CH2CH3 cl ,CU /CHjCHj /"\ ' \ -*" at(i- -*" polyethylen cr vch2'" nch2ch3 ch2 ch3ch/ Obr. 6-6. Polymerizace ethenu Zieglerovým-Nattovym katalyzátorem Kokatalyzátor je látka, která, obvykle in situ, reaguje s prekursorem katalyzátoru a indukuje jeho přeměnu na katalytická centra. Např. v proslulém Zieglerově-Nattově ka-talytickém systému pro polymerizaci ethenu, TiCWAlEtj, je chlorid titaničitý prekursorem katalyzátoru a triethylaluminium kokatalyzátorem. Při „zrání" katalytického systému se Ti^ redukuje na Ti111 a s další molekulou AlEt3 vytváří dvojjaderný můstkový komplex -katalytické centrum, v němž Ti je atomem, ke kterému se koordinuje ethen, který se pak včleňuje (inzeruje) do rostoucího řetězce (obr. 6-6). 133 J. Vohlídai, Chemická kinetika 6. Katalýza a inhibice chemických reakcí V případě Zieglerova-Nattova katalyzátoru se obě složky katalytického systému podílejí na stavbě aktivních center. V jiných systémech tomu tak není a kokatalyzátor se podílí pouze na generaci aktivních center, zatímco produkty jeho přeměny na samotném katalytickém procesu prakticky neparticipují. Příkladem je metathesní katalytický systém WCl6/2Sn(CH3)4, jehož složky spolu reagují za vzniku karbenových katalytických center Cl4W=CH2: + 2 SnŕCH } ^^**^^3 WC1* 2 SnC (CH ^ CUW\ ~rTT CllW=CH2 - z í>nunvrÍ3./3 CH " 4 Obr. 6-7. Funkce kokatalyzátoru při přeměně WC^ na metathesní karbenová centra. na kterých pak probíhá např. metathese alkenu nebo vinylické sloučeniny CH2=CHR podle úhrnné stechiometrické rovnice 2 RCH=CH2 -»CH2=CH2 + RCH=CHR: RCH=CHR CÍ4W=CH2 RCH=CH, C14W-CH2 RCH-CHR Cl.W-CI^ RCH-CHj RCH-CHj Ci4W I! RCH CH2=CH2 Obr. 6-8. Katalytický cyklus při metathesi 1-aUcenu na wolfram-karbenových centrech. Katalytický systém (vícesložkový katalyzátor) je soustava dvou a více látek, která vykazuje katalytický efekt. Katalytickými systémy jsou již uvedené soustavy katalyzátor-kokatalyzátor nebo soustavy katalyzátor-promotor, katalyzátor-kokatalyzátor-promotor atd. Jiným typem katalytických systémů jsou soustavy, v nichž při uskutečňování výsledného děje kooperují dva a více katalytických center. Příkladem je katalytický systém H[PdCl2(OH)]/ CuCl2, používaný k průmyslové oxidaci ethenu na acetaldehyd. Reakce probíhá na částicích palladia, které se při oxidaci ethenu redukují. Proto po každém katalytickém cyklu musí být oxidovány zpět na Pd2+, což obstarává redoxní systém Cu2+/Cu+. Ionty Cu+jsou pak vzdušným kyslíkem v přítomnosti HC1 oxidovány zpět na Cu2+. Úhrnnou reakci popisuje stechiometrická rovnice 2 CH2=CH2 + 02 -> 2 CH3CH=0. Na této reakci jsou pozoruhodné minimálně dvě skutečnosti: • samotnou reakcí nevznikají vedlejší reakční produkty; • oxidace probíhá nepřímo: kyslíkem se oxidují ionty Cu+, ty oxidují Pd° na Pd2+ a teprve komplex Pd^ oxiduje ethen na acetaldehyd; odpadá tedy přímá reakce kys-líku s ethenem, která by probíhala s malou produktovou selektivitou. 134 J. Vohlídal, Chemická kinetika 6. Katalýza a inhibice chemických reakcí Obr. 6-9. Katalytický cyklus při oxidaci ethenu na acetaldehyd systémem Pd / Cu +. 6.1.3 PRINCIPY INHIBICE Inhibice je děj vedoucí ke zpomalení až praktickému zastavetiíjnežádoucích) chemických reakcí, jehož podstatou mohou být reverzibilní i ireverzibilní děje. Z hlediska výsledného efektu lze inhibici považovat za protiklad katalýzy, z hlediska mechanismu dosažení tohoto efektu, nikoliv. Pozn. Ve volnějším pojetí se termín inhibice (udržování nebo vracení zpět) používá i pro zpomalování výsledné chemické reakce v důsledku uplatnění protisměrných reakcí; příkladem je reakce H' + HBr -> Br*+ H2 při syntéze bromovodíku z prvků, viz oddíl 2.4.2. Inhibitor je látka, která i při nízkých koncentracích v reakční soustavě výrazně zpomaluje danou chemickou reakci nebo prakticky znemožňuje její průběh. (Proto jsou inhi-bitory široce používány v praxi jako aditiva - stabilizátory, které brání korozi a degradaci různých materiálů, potravin, kosmetických výrobků, léčiv apod.). Molekulární mechanismus funkce inhibitoru je zcela jiný než mechanismus funk- ce katalyzátoru. To, že inhibitor funguje i při nízkých koncentracích v reakční směsi, indikuje, že zastavuje reakce, k jejichž průběhu postačují nízké koncentrace reakčních center, tj., řetězové a katalytické reakce, a že mechanismus jeho funkce spočívá v deaktivaci těchto reakčních center. Děje se tak reakcemi s otevřenými sekvencemi elementárních kroků (viz obr. 6-10), které mohou být vratné - tehdy se jedná o reverzibilní inhibici, nebo prakticky nevratné - pak se jedná o ireverzibilní inhibici. 135 J. Vohlídal, Chemická kinetika 6. Katalýza a inhibice chemických reakcí katalyzovaná (iniciovaná) reakce S—\ . C-í neaktivní komplex ŕ * sfP' reverzibilní inhibice*) T X(+Y + .) produkty zániku C* a I ireverzibilní inhibice akce inhibitoru a) Je-li zpětná reakce prakticky zanedbatelná, jedná se též o ireverzibilní ŕnhibici. Obr. 6-10. Mechanismus funkce inhibitoru I; C* je aktivní centrum reakce s cyklickou sekvencí elementárních kroků. 6.1.4 INHIBICE, INHIBITORY-KLASIFIKACE inhibit=zabránit (eng. RgvTERZIBILNI (vratná) nekompetitivní + 1 -I kompetitivní co m pete=ucházet se (eng. mim + i ± KSI antikompetítivní IREVERZIBILNÍ (nevratná) Inhibitor: a) tvoří velmi stabilní komplex s některou z aktivních forem katalyzátoru; b) chemicky modifikuje katalyzátor na katalyticky neaktivní látku; c) indukuje rozklad katalyzátoru; d) "vychytává" aktivní centra řetězové reakce. Reverzibilní inhibice se uplatňuje především při regulaci katalytických dějů, zejména dějů, které jsou součástí metabolických procesů. Jejími zákiadmmi typy jsou: kompetitivní inhibice nekompetitivní inhibice^ inhibitor soutěží se substrátem o stejné koordinační místo katalytické částice; - inhibitor obsazuje jiné koordinační místo katalytické Částice než substrát a aduje se jak na volný katalyzátor tak i na komplex substrát-katalyzátor; 136 J. Vohlída!, Chemická kinetika 6. Katalýza a inhibice chemických reakcí antikompetitivní inhibice - inhibitor obsazuje jiné koordinační místo katalytické častice než substrát, ale aduje se pouze na komplex substrát-kataly-zátor: jeho typickou funkcí je blokovaní katalytické premeny "nesprávného" substrátu. Podrobněji se s těmito typy inhibice seznámíme v kapitole věnované enzymově katalyzo-vaným reakcím. Reverzibilní inhibice kompetitivního typu je využívána i k regulaci řetězových reak- cí, např. radikálových polymerizací. Ty jsou doprovázeny bimolekulární terminací: R/ + R/ -» P(x+y) (nebo ?x + Py) (kde x a v jsou počty monomerních jednotek zabudovaných do daného rostoucího radikálu R*, nebo hotového polymerního řetězce P), viz. kap. 2.4.2, která znemožňuje získaní polymerů s úzkou distribucí relativních molekulových hmotností, tj. s malým rozptylem délek polymemích molekul. Spontánní ireverzibilní terminaci radikálů lze inhibovat jejich přeměnou na neterminující a zároveň nepropagující částice, která je reverzibilní: neaktivní částice se mohou na velmi krátkou dobu, jež však postačuje k významnému prodloužení molekulového řetězce, periodicky měnit zpět na propagující radikály - tj. aktivovat se. Důležité je, aby přeměna rostoucího makroradikálu na "spící" řetězec, tj. reverzibilní deaktivace radikálu, byla řádově rychlejší než jeho ireverzibilní termi-nace. K tomuto účelu se jako reverzibilní inhibitory využívají komplexy přechodových kovů schopných měnit své oxidační číslo (metoda známá jako ATRP - Atom Transfer Radical Polymerization) nebo látky tvořící stéricky bráněné radikály, které spolu nemohou bimolekulárně terminovat (metoda RAFT - Reversible Addition-Fragmentation chain Transfer). Obr. 6-11. Schéma k výkladu inhibice terminace rostoucích radikálů metodou ATRP (Atom Transfer Radical Polymerization). Při metodě ATRP je vznikající makromolekula po naprostou většinu doby polymeri-zace v reakční směsi přítomná v neaktivní ("spící") formě a-chlorderivátu R^Cl, který se občas na okamžik přemění na volný radikál Rx*, ke kterému se připojí molekuly monomeru přítomné v solvátovém obalu a takto prodloužený makroradikál (hodnota x se zvýší) se vrátí zpět do spícího stavu. Pozitivní roli zde nepochybně hraje klečový efekt, neboť diťus-ní koeficienty bis(bipyridyl)měďného kationtu i konce makroradikálu nejsou velké. Proto 137 J. VohJídal, Chemická kinetika 6. Katalýza a inhibice chemických reakcí pravděpodobnost střetu dvou volných makroradikálů je při tomto průběhu polymerizace velmi nízká, takže terminace se stává zanedbatelnou. Za povšimnutí stojí i to, že přeměna RjCl na Kx je vlastně iniciací radikálové polymerizace a zpětná přeměna její dočasnou -reverzibilní terminací. ATRP polymerizace proto nevyžadují použití klasických radikálových iniciátorů. Reakce je zahájena po smíšení nízkomolelailárního chlorderivátu RC1 s komplexem [CuI(bipy)2J+ v roztoku monomeru, např. styrenu. Všechny rostoucí řetězce pak mají stejné podmínky pro svůj růst od samého počátku polymerizace a výsledkem je získání polymeru s úzkou distribucí relativních molekulových hmotností. velmi rychle velmi pomalu O- S=C-S-R, 4 » R^-S-C-S-R, < » R,-S-C=S Rv* velmi pomalu JL velmi rychle + M dithiobenzoát neaktivní radikál neterminující +M propagace ze stérických důvodů propagace Obr. 6-12. Inhibice terminace radikálové polymerizace reverzibilní adicí radikálu na dithioester; konkrétní příklad metody RAFT (Reversible Addition-Fragmentation Transfer). Při metodě RAFT se do reakční směsi pridá látka schopná adovat volné radikály za vzniku nereaktivních radikálů, např. dithiobenzoát. Rostoucí makromolekuly jsou pak po většinu doby vázány v těchto neaktivních radikálech, z nichž jsou občas uvolněny, a to jen na krátkou dobu, během níž se prodlouží o několik monomerních jednotek, aby se posléze vrátily zpět do neaktivního stavu. Na rozdíl od ATRP je při RAFT polymerizacích nutno na počátku pokud možno rychle generovat potřebné množství radikálů některou z klasických iniciačních metod. Při ireverzibilní inhibici s^ převážně jedná o zpomalování řetězových reakcí látkami, které ničí jejich aktivní centra (nejčastěji radikály), nebo o ničení aktivních center ka-talyzovaných reakcí různými katalytickými jedy. Ireverzibilní inhibitory lze rozdělit do dvou hlavních skupin: katalytické jedy - které prakticky nevratně likvidují aktivní centra katalytických reakcí; - katalytickými jedy enzymů jsou např. ionty těžkých kovů, které s enzymy vytvářejí pevné neaktivní komplexy; - katalytickými jedy průmyslových hydrogenačních katalyzátorů jsou různé sirné sloučeniny, které na površích katalyzátorů vytvářejí neaktivní ^vŤ^^rš^EaSEvu^ stabilizátory - které deaktivují centra řetězových reakcí nebo brání jejich vzniku; stabilizátory obvykle klasifikujeme podle typu procesů, které blokují. Rozlišujeme: fotostabilizátory, které působí jako světelné filtry (absorpce světla) nebo jako zháseče excitovaných stavů molekul; antioxidanty, které brání tvorbě volných radikálů (např. rozkladem peroxidů na neradi-kálové produkty nebo komplexací kationtů kovů katalyzujících rozklad 138 J. Vohlídal, Chemická kinetika 6. Katalýza a inhibice chemických reakcí peroxidů) nebo přerušují kinetické řetězce radikálových oxidací organických látek; antiozonanty, které indukují neradikálové rozklady ozonu; retardéry hoření (zhášeče), které zpomalují hoření organických látek buď tím, že radikálové meziprodukty vysokoteplotní oxidace: H* HO*, R*, RO* a další, převádějí na méně reaktivní bromové radikály Br* (vícenásobně brómované uhlovodíky) nebo tím, že snižují teplotu chráněného materiálu svým silně endotermickým rozkladem (např. vápence). Klasifikace v případech, kdy inhibitor je reaktant nebo produkt. inhibice substrátem^- inhibitorem je reaktant inhibované reakce; uplatňuje se např. při heterogenní katalýze, kdy spolu reagují adsorbované molekuly dvou různých reaktantů A a B a molekuly A se adsorbují podstatně více než molekuly B - při vysokém pokrytí povrchu katalyzátoru molekulami A pak není pro reakci k dispozici dostatek adsorbovaných molekul B. autoinhibice - inhibitorem je produkt inhibované reakce, který se neochotně uvolňuje z katalytických center; 6.2 ACIDOBAZICKÁ KATALÝZA. Podstatou acidobazické katalýzy je aktivace substrátu nebo činidla reverzibilní pro-tolytickou reakcí (přenosem protonu) s katalyzující kyselinou HA, nebo s katalyzující zásadou B. katalýza protonizací substrátu katalýza protonizací činidla Obr. 6-13. Obecné mechanismy kyselé katalýzy: S - substrát, HS+ - protonizovaný substrát, X - činidlo, HX* - protonizované činidlo, A~anion katalyzující kyseliny. Příkladem kysele katalyzované reakce probíhající mechanismem protonizace substrátu je esterifíkace karboxylové kyseliny RCOOH alkoholem RrOH, což je z hlediska organicko-chemické klasifikace chemických reakcí nukleofilní substituce na karbonylo-vém uhlíku. Katalyzující kyselina protonizuje karbonylový kyslík karboxylu, který se mění na alkyl(aryI)dihydroxykarbeniový kation, který snadno akceptuje molekulu činidla - alkoholu: 139 J. Vohlídal, Chemická kinetika 6. Katalýza a inhibice chemických reakcí katalýza deprotonizací substrátu katalýza deprotonízací činidla Obr. 6-14. Obecné mechanismy bazické katalýzy: HS - substrát, S - deprotonizovaný substrát, HX - činidlo, X~ - deprotonizované činidlo, HB+ - protonizovaná forma katalyzující báze. r-c OH V + HA činidlo OH + /OH _ + r._oh . | +/H + A--R-C—ď + A" "O kataT substrát R-C \ OH alkyldihydroxykarbenium +/OR' ho * R-c + A alkylalkoxyhydroxykarbemum R* OH dialkyloxoniový ion + HA Obr. 6-15. Průběh kysele katalyzované esterifikace karboxylové kyseliny Příkladem kysele katalyzované reakce probíhající mechanismem protonizace činidla je kondenzace formaldehydu, CHř=Q, s fenolem Ph-OH. při stechiometrickém nadbytku fenolu. Z hlediska organochemické klasifikace chemických reakcí je to elektrofilní substituce na aromatickém uhlíku. Katalyzující kyselina protonizuje kyslík formaldehydu -činidla, který se mění na hydroxykarbeniový kation, jenž se snadno aduje na molekulu fenolu - substrátu. Reakce pokračuje dalším kysele katalyzovaným krokem: protonizací meziproduktu, o- nebo /?-hydroxymethylfenolu, eliminací molekuly vody ze vzniklého oxoniového iontu a kondenzací hydroxyfenylkarbenia s další molekulou fenolu: Příkladem bazicky katalyzované reakce probíhající mechanismem deprotonizace substrátu je kondenzace formaldehydu s fenolem v alkalickém prostředí. V tomto případě katalyzující báze odnímá molekule fenolu kyselý vodík a vzniká fenolátový anion, jehož aromatické jádro má hustotu elektronů dostatečně vysokou na to, aby na něm mohla proběhnout elektrofilní substituce i neprotonizovaným formaldehydem. Při potřebném nadbytku formaldehydu vzniká trisubstituovaný fenol, který je meziproduktem výroby fenoplastů (fenolformaldehydových pryskyřic) typu resolů: 140 J. Vohlídal, Chemická kinetika 6. Katalýza a inhibice chemických reakcí pochopit mechanismus OH -A- + CH,=0 + HA < * CH.OH --- ^ 2 substrát činidlo katal hydroxykarbenium H + |NCH2OH areniový katión +A- OH ■Q o-hydroxymethyjfenol (vzniká i /7-izomer) + HA OH -A- OH CH2OH2 -H,(\ + CH, +\ /, H + A- + HA protonizace meziproduktu 2-hydroxyfenylkarbenium (nové elektrofilní činidlo) bis(2-hydroxyfenyl)methan (vznikají i 2,4'-dihydroxyfenyÍmethan a bis(4-hydroxyfenyl)methan) Obr. 6-16. Kysele katalyzovaná kondenzace formaldehydu s nadbytkem fenolu: příklad kysele katalyzované reakce probíhající mechanismem protonizace činidla. 2-hydroxymethylfenoiát 2,4~bis(hydroxymethyí)fenolát 2,4,6-tris(hydroxymethyl)fenol Obr. 6-17. Kondenzace fenolu s nadbytkem formaldehydu v bazickém prostředí: příklad bazicky katalyzované reakce probíhající mechanismem deprotonizace substrátu. Bází B mohou být např. i hydroxidové anionty HO~; tehdy je protonizovanou bází voda, H20. Příkladem bazicky katalyzované reakce probíhající mechanismem deprotonizace činidla je transesterifíkace methylesterů výše-vroucími alkoholy. Při této reakci katalyzují-cí báze, např. hydroxidový anion, odnímá proton molekule alkoholu, která se mění na al-koholátový anion, jenž atakuje karbonylový uhlík molekuly esteru: 141 J. Vohlída), Chemická kinetika 6. Katalýza a inhibice chemických reakcí c8h15-oh + b oktanol + =*: c8h15-0- + hb+ oktanolátový anion OCH, O methylbenzoát (substrát) o-c8h15 c—o óch3 \ ^0-c8h15 oktylbenzoát o + ch30- ( ch3o- + hbh methanolátový anion CH3OH + b) methanol Obr. 6-18. Transesterifikace methylbenzoátu oktanolem - příklad bazicky katalyzované reakce probíhající mechanismem deprotonizace činidla (oktanolu). 6.2.1 KINETIKA KYSELE KATALYZOVANÝCH REAKCÍ Kysele katalyzované reakce probíhající mechanismem protonízace substrátu lze popsat následujícím obecným schématem: S + HA 5i=feHS+ + A"-► P + Q + HA + X viz numerické řešení (6-2) kde S je substrát, X činidlo a P a Q produkty. Toto schéma lze řešit buď exaktně (viz. kap. 2.3), nebo jednodušeji, s použitím aproximace stacionárního stavu: 1. Definujeme reakční rychlost: v = d[P]/dí = d[Q]/dř 2. Napíšeme základní rychlosmí rovnici: i;=^2[X][HS+]st (6-3) 3. Z podmínky stacionárního stavu (úhrnná rychlost zániku meziproduktu - protonizova-ného substrátu HS+, je rovna úhrnné rychlosti jeho tvorby), tj.: ^![A-][HS+]st + *2[X][HS+]st - *i[HA][S] vypočteme stacionární koncentraci meziproduktu, [HS+]st ^tHA][S] fc,[A"] + ^[X] (6-4) 4. Vztah pro [HS+]st dosadíme do rychlostní rovnice (6-3), čímž získáme obecnou rychlostní rovnici pro tento typ kysele katalyzovaných reakcí: * Transesterifikace je prakticky atermieká reakce (AHT -> 0), takže její hnací silou je růst entropie reakční soustavy {-TAST < 0). Entropie soustavy roste v důsledku zvýšení počtu přítomných složek o uvolněný alkohol (zde methanol) a nově vzniklý ester (zde oktylbenzoát). V uzavřené soustavě proto bývá konečný stupeň konverze kolem 50 %. V otevřené soustavě lze však dosáhnout prakticky 100 %-ní konverze kontinuálním oddestilováváním alkoholu s nižším bodem varu. 142 J. Vohlídal, Chemická kinetika 6. Katalýza a inhibice chemických reakcí v = £2[X][HS+]st = ^ife2[HA]tX][S] 5. Diskutujeme limitní případy (neboť v rovnici je obsažen součet dvou členů). a;pro£_i[A-J « k2[X] je w = fe[HA][S] (6-6) obecná kyselá katalýza b) pro ti[A~] » fcpq je y-Aexp[H30+][X][S] (6-7) specifická kyselá katalýza kde £exp - feÄľi/ÄTHA, ^i - a £ha = [H30+][A~]/[HA] je disociační konstanta kyseliny HA. Vztah (6-7) získáme úpravou rovnice (6-5) po zanedbám členu £2[X]: v _ ^fc2[HA][X][S] CHA][X][S] _kK [H3Q+][X][S] *-j[A-] 2 ' [A"] 2 ' Kha Při obecné kyselé katalýze je přeměna protonizovaného substrátu na produkty velmi rychlá, takže o rychlosti katalyzované reakce rozhoduje rychlost relativně pomalé protoni-zace substrátu S katalyzující kyselinou HA. Rychlost přenosu protonu z HA na S je funkcí chemické stavby HA a její "kompatibility" se substrátem. Empirické poznatky ukazují, že logaritmus rychlostní konstanty přenosu protonu z kyseliny na substrát je přímo úměrný logaritmu disociační konstanty kyseliny, tj. síle kyseliny (viz korelace struktura - reaktivita v kap. 7). Je-li v reakční směsi přítomno více kyselin, každá z nich, včetně iontů H30+, katalyzuje výslednou reakci nezávisle na ostatních: v = (fa [HAJ + £2[HA2] + £3[HA3] + AtfHAJ +.....)[S] (6-8) Při specifické kyselé katalýze je situace jiná: v soustavě se průběžně ustavuje pro daný okamžik rovnovážná koncentrace částic HS+, ([HS+]st s [HS+]r), které se pomalu mění na produkty. Tehdy o hodnotě [HS*],- rozhoduje celková kyselost reakčního prostředí, kterou charakterizuje hodnota jeho pH nebo Hammettovy funkce kyselosti H0. Z uvedeného vyplývá, že o katalytickém účinku kyselin rozhoduje: • kinetika protonizace substrátu při obecné kyselé katalýze; • termodynamika protonizace substrátu při specifické kyselé katalýze. Otázku, zda u dané reakce jde o obecnou nebo specifickou kyselou katalýzu, zodpovíme, když provedeme sérii reakcí při konstantním pH (v puťru) ale s různými koncentracemi katalyzující kyseliny HA. Tehdy, v prvním přiblížení, nabývá rovnice (6-8) tvar: v = (fe[H30+] + *fHA])[S] (6-9) kde £h+ Je rychlostní konstanta protonizace substrátu oxoniovými ionty H30+. Roste-li rychlost reakce s rostoucí koncentrací [HA] při konstanttúm pH, jedná se o obecnou kyselou katalýzu; v opačném případě se jedná o kyselou katalýzu specifickou. 143 J. Vohlídal, Chemická kinetika 6. Katalýza a inhibice chemických reakcí Kysele katalyzované reakce probíhající mechanismem protonizace činidla popisuje obecné reakční schéma: h h X + HA*=* HX^ + A"-> P+Q+HA (6-10) Jti + S jehož řešením metodou aproximace sl^ionárního stavu získáme rychlostní rovnici: 21 Jst ^[A-] + ^[S] která, pro limitní případy, dává vztahy: a) v = Jfr,[HA][X| pro Jti[A"] « fe[S] (6-12) b) v = £exp[H30+][X][S] (kde kexp = W^ha) pro ^,[A~] » fc[S] (6-13) Případ a) lze ve shodě s diskusí k reakcím probíhajícím mechanismem protonizace substrátu klasifikovat obecnou, zatímco případ b) jako specifickou kyselou katalýzu. Podobnost rovnic (6-5) a (6-11) dokumentuje, že z kinetického hlediska je podružné, zda kysele katalyzovaná reakce probíhá mechanismem protonizace substrátu nebo činidla. Důležité je to, že jeden z reaktantů je protonizován, a že koncentrace tohoto reaktantu pak figuruje ve jmenovateli výsledné rychlostní rovnice. Totéž platí i pro bazicky katalyzované reakce (viz následující oddíl). 6.2.2 KINETIKA BAZICKY KATALYZOVANÝCH REAKCÍ Bazicky katalyzované reakce probíhající mechanismem deprotonizace substrátu katalyzující bází B lze popsat obecným reakčním schématem: HS + B *=±S-+ HB+-► P + Q + B (6-14) ti +X kde HS je substrát, X činidlo a P a Q produkty. I toto schéma lze řešit buď exaktně (viz. kap. 2.3) nebo pomocí aproximace stacionárního stavu, která dává výsledek: v=k2 [X3[s~ ]st = -A^PM]Bí?L (6.15) Řešení pro limitní případy dávají výsledky: a) v = kl[B][m\ obecnáb.k. pro £_i[HB+] « fe[X] (6-16) 144 J. Vohlídal, Chemická kinetika 6. Katalýza a inhibice chemických reakcí b) v-AexpíHOlLXJLHS] specifická b. k. pro k.x[W?] » k2[X] (6-17) kde A^xp = krfC\IKa, K\ = k\lk.\ &Kb = [HO"][HB+]/[B] je disociační konstanta katalyzující báze. Bazicky katalyzované reakce probíhající mechanismem deprotonizace činidla HX lze popsat schématem: h h HX + B*=fc XT+ HB+-► P + Q + B (6-18) iti +S jehož řešení pomocí aproximace stacionárního stavu dává rychlostní rovnici: v^2[S][Xlst=^^™ (6-19) jejíž limitní řešení jsou: a) v = £i[B][HX] obecná b. k. pro fcilHB4] « MS] (6-20) b) v = fc«p[H01[HX][S] specifická b.k. pro £i[HB+] » fe[S] (6-21) kde fcexp = kJCjK^ K\ - k\lk.\ a Kb - [HO~][HB+]/[B] je disociační konstanta katalyzující báze. I v případě bazicky katalyzovaných reakcí lze obecně a specificky katalyzované reakce od sebe rozlišit na základě experimentů prováděných při konstantním pH reakčního prostředí s různými koncentracemi katalyzující báze. 6.3 ENZYMOVÁ KATALÝZA Většina chemických reakcí probíhajících v živých soustavách je katalyzována enzymy, což jsou vysoce substrátově i produktove selektivní katalyzátory biologického původu, které si organismy syntetizují pro zabezpečení svých vlastních metabolických procesů. Z chemického hlediska jsou enzymy globulámí bílkoviny s reakčními centry s přesnou prostorovou strukturou vyladěnou tak, že se na ně v oblasti reakčního centra mohou navázat jen určité, strukturně definované částice, které pak mohou být chemicky změněny; tehdy se jedná o substráty, nebo naopak mohou blokovat reakce, jež by na centru jinak mohly probíhat - tehdy se jedná o inhibitory. K reakčnímu centru enzymu se částice navazují obvykle alespoň ve třech bodech, a to jednak van der Waalsovskými interakcemi, především vodíkovými vazbami, a jednak labilními kovalentními vazbami, např. vazbami typu Schif-fových bází, -N-CH- (azomethinová skupina). Přesná topologie vazebných míst v okolí reakčního centra enzymu dala vzniknout názorné představě, že substrát je vůči vazebným místům enzymu v obdobném vztahu, jako klíč k zámku. Tato představa je v základních rysech správná; je však prokázáno, že při vazbě substrátu (nebo inhibitoru) na enzym dochází k určitým, mnohdy značným změnám 145