Скачать презентацию Лекция 10 Катализ и катализаторы План 10 Скачать презентацию Лекция 10 Катализ и катализаторы План 10

Общая химия.Лекция10.ppt

  • Количество слайдов: 68

Лекция 10 Катализ и катализаторы Лекция 10 Катализ и катализаторы

План 10. 1 Катализ и катализаторы. 10. 2 Кинетика ферментативных реакций. План 10. 1 Катализ и катализаторы. 10. 2 Кинетика ферментативных реакций.

10. 1 Катализ – это явление изменения скорости реакции под влиянием веществ, называемых катализаторами. 10. 1 Катализ – это явление изменения скорости реакции под влиянием веществ, называемых катализаторами.

Катализаторы – это вещества, изменяющие скорость химической реакции, но не изменяющиеся в ходе процесса Катализаторы – это вещества, изменяющие скорость химической реакции, но не изменяющиеся в ходе процесса ни качественно, ни количественно. Они не входят в состав продуктов реакции.

Небольшие количества катализаторов способны существенно изменить скорость взаимодействия большого количества реагирующих веществ. Небольшие количества катализаторов способны существенно изменить скорость взаимодействия большого количества реагирующих веществ.

Катализаторы гомогенные гетерогенные в одной фазе с реагирующими веществами в разных фазах с реагирующим Катализаторы гомогенные гетерогенные в одной фазе с реагирующими веществами в разных фазах с реагирующим и веществами

Пример гетерогенного катализа Пример гетерогенного катализа

Пример гомогенного катализа Пример гомогенного катализа

Катализаторы положительные отрицательные увеличивают скорость реакции уменьшают скорость реакции Катализаторы положительные отрицательные увеличивают скорость реакции уменьшают скорость реакции

Вещества, усиливающие действие катализаторов, называются промоторами, а ослабляющие - каталитическими ядами. Вещества, усиливающие действие катализаторов, называются промоторами, а ослабляющие - каталитическими ядами.

Ингибаторы – вещества, уменьшающие скорость реакции, но расходующиеся при этом сами. Ингибаторы – вещества, уменьшающие скорость реакции, но расходующиеся при этом сами.

С точки зрения теории активного комплекса механизм действия катализаторов в том, что они изменяют С точки зрения теории активного комплекса механизм действия катализаторов в том, что они изменяют высоту энергетического барьера химической реакции.

Без катализатора: А + В ↔ А. . . В → АВ В присутствии Без катализатора: А + В ↔ А. . . В → АВ В присутствии катализатора: А + В + К↔ А. . . К. . . В → → АВ + К

Положительный катализатор снижает энергетический барьер реакции Энергия, к. Дж/моль Без катализатора С положительным катализатором Положительный катализатор снижает энергетический барьер реакции Энергия, к. Дж/моль Без катализатора С положительным катализатором Координата реакции

Под воздействием положительного катализатора в реакционной смеси возрастает доля активных молекул при данной температуре. Под воздействием положительного катализатора в реакционной смеси возрастает доля активных молекул при данной температуре. Скорость реакции увеличивается.

Отрицательный катализатор повышает энергетический барьер реакции С отрица. Энергия, к. Дж/моль тельным катализатором Без Отрицательный катализатор повышает энергетический барьер реакции С отрица. Энергия, к. Дж/моль тельным катализатором Без катализатора Координата реакции

Под воздействием отрицательного катализатора в реакционной смеси снижается доля активных молекул при данной температуре. Под воздействием отрицательного катализатора в реакционной смеси снижается доля активных молекул при данной температуре. Скорость реакции уменьшается.

Реакция С 2 Н 4 +H 2→ →С 2 Н 6 Еак, к. Дж/моль Реакция С 2 Н 4 +H 2→ →С 2 Н 6 Еак, к. Дж/моль без катали- с катализазатора тором 180 Катализатор 750 Pt 8 2 H 2 O 2→ 2 H 2 O +O 2 40 Cu на угле 55 I 2 20 каталаза

Частным случаем катализа является автокатализ: катализатором служит один из продуктов реакции. Частным случаем катализа является автокатализ: катализатором служит один из продуктов реакции.

Пример автокаталитической реакции: 2 KMn. O 4 + 5 H 2 C 2 O Пример автокаталитической реакции: 2 KMn. O 4 + 5 H 2 C 2 O 4 + +3 H 2 SO 4 → 2 Mn. SO 4 + +10 CO 2 + K 2 SO 4 + 8 H 2 O 2+ Катализатор: Mn

Концентрация, моль/л Кинетическая кривая автокаталитической реакции время Концентрация, моль/л Кинетическая кривая автокаталитической реакции время

Катализаторы широко применяются в химической промышленности. В США рынок катализаторов составляет ~2 млрд. $. Катализаторы широко применяются в химической промышленности. В США рынок катализаторов составляет ~2 млрд. $.

Однако некоторые каталитические процессы в природе оказываются разрушительными для окружающей среды. Однако некоторые каталитические процессы в природе оказываются разрушительными для окружающей среды.

Разрушение озонового слоя Земли – пример гомогенного катализа, протекающего в атмосфере под воздействием фреонов. Разрушение озонового слоя Земли – пример гомогенного катализа, протекающего в атмосфере под воздействием фреонов.

Жизнь на Земле немыслима без озонового слоя, предохраняю щего все живое от вредного ультрафиолетового Жизнь на Земле немыслима без озонового слоя, предохраняю щего все живое от вредного ультрафиолетового излучения Солнца.

Исчезновение озоносферы привело бы к непредсказуемым последствиям - вспышке рака кожи, уничтожению планктона в Исчезновение озоносферы привело бы к непредсказуемым последствиям - вспышке рака кожи, уничтожению планктона в океане, мутациям растительного и животного мира.

В начале 80 -х ученые выяснили, что над Антарктикой непрерывно истощается слой атмосферного озона. В начале 80 -х ученые выяснили, что над Антарктикой непрерывно истощается слой атмосферного озона. Наземные и спутниковые измерения обнаружили озоновую "дыру", в которой озона было на 30 -50% меньше нормы. Позднее выяснилось, что озона в становится все меньше над Европой, США, Европейской частью России, Восточной Сибирью и Японией. Озоновая дыра над Антарктидой

Фреоны – это фторохлороуглеводороды (СF 2 Cl 2), применяемые как хладагенты. При обычных условиях Фреоны – это фторохлороуглеводороды (СF 2 Cl 2), применяемые как хладагенты. При обычных условиях они отличаются высокой устойчивостью к разложению.

В атмосфере происходит разложение фреонов под воздействием ультрафиолетового излучения солнца: • + Cl • В атмосфере происходит разложение фреонов под воздействием ультрафиолетового излучения солнца: • + Cl • CF 2 Cl 2 CF 2 Cl • - катализатор Cl разложения озона

Без катализатора процесс протекает по схеме: O 3 + O 2 O 2 Eак Без катализатора процесс протекает по схеме: O 3 + O 2 O 2 Eак = 17, 1 к. Дж/моль

В присутствии катализатора: В присутствии катализатора O 3 + Cl Cl. O + O В присутствии катализатора: В присутствии катализатора O 3 + Cl Cl. O + O 2 Eак= 2, 1 к. Дж/моль Cl. O + O Cl + O 2 Eак = 0, 4 к. Дж/моль Cl O 3 + O 2 O 2

Энергия, к. Дж/моль Присутствие катализатора существенно снижает энергетический барьер реакции, увеличивая скорость разложения озона. Энергия, к. Дж/моль Присутствие катализатора существенно снижает энергетический барьер реакции, увеличивая скорость разложения озона. О 3+ О 2 О 2 Координата реакции

1987 году в Монреале состоялась Международная конференция, посвященная угрозе озоновому слою. Промышленно развитые страны 1987 году в Монреале состоялась Международная конференция, посвященная угрозе озоновому слою. Промышленно развитые страны договорились о сокращении производства хлорированных и фторированных углеводородов.

К 1992 году замена этих веществ на безопасные проходила так успешно, что было принято К 1992 году замена этих веществ на безопасные проходила так успешно, что было принято решение о полном их уничтожении к 1996 году. Сегодня ученые верят, что лет через пятьдесят озоновый слой восстановится полностью.

10. 2 Практически все биохимические реакции являются ферментативными. 10. 2 Практически все биохимические реакции являются ферментативными.

Ферменты (биокатализаторы) – это вещества белковой природы, активированные катионами металлов. Ферменты (биокатализаторы) – это вещества белковой природы, активированные катионами металлов.

Известно около 2000 различных ферментов, ~150 из них выделены, причем некоторые используются в качестве Известно около 2000 различных ферментов, ~150 из них выделены, причем некоторые используются в качестве лекарственных препаратов.

Трипсин и химотрипсин – лечение бронхитов и пневмонии; пепсин – лечение гастрита; плазмин – Трипсин и химотрипсин – лечение бронхитов и пневмонии; пепсин – лечение гастрита; плазмин – лечение инфаркта; панкреатин – лечение поджелудочной железы.

Ферменты отличаются от обычных катализаторов: а) более высокой каталитической активностью; б) высокой специфичностью, т. Ферменты отличаются от обычных катализаторов: а) более высокой каталитической активностью; б) высокой специфичностью, т. е. избирательностью действия.

Механизм односубстратной ферментативной реакции можно представить схемой: KM k 2 P+ Лимитирующая стадия Механизм односубстратной ферментативной реакции можно представить схемой: KM k 2 P+ Лимитирующая стадия

Е – фермент, S – субстрат, ЕS – фермент субстратный комплекс, Р – продукт Е – фермент, S – субстрат, ЕS – фермент субстратный комплекс, Р – продукт

Характеристикой первой стадии ферментативной реакции является КМ – константа Михаэлиса. КМ является величиной, обратной Характеристикой первой стадии ферментативной реакции является КМ – константа Михаэлиса. КМ является величиной, обратной константе равновесия.

KM 5– 10‾ 3 моль/л KM = 10‾ KM 5– 10‾ 3 моль/л KM = 10‾

КМ характеризует устойчивость фермент -субстратного комплекса (ES). Чем меньше КМ, тем устойчивее комплекс. КМ характеризует устойчивость фермент -субстратного комплекса (ES). Чем меньше КМ, тем устойчивее комплекс.

Кинетическое уравнение: = k 2 [ES], (1) где k 2 – константа скорости, называемая Кинетическое уравнение: = k 2 [ES], (1) где k 2 – константа скорости, называемая числом оборотов или молекулярной активностью фермента.

k 2 равна числу молекул субстрата, претерпевающих превращения под воздействием одной молекулы фермента за k 2 равна числу молекул субстрата, претерпевающих превращения под воздействием одной молекулы фермента за 1 0 С минуту при 25 4 < k < 6· 106 мин‾ 1 1· 10 2

Для уреазы, ускоряющей гидролиз мочевины: 6 мин‾ 1 k 2 = 1, 85∙ 10 Для уреазы, ускоряющей гидролиз мочевины: 6 мин‾ 1 k 2 = 1, 85∙ 10 Для аденозинтрифосфатазы, ускоряющей гидролиз АТФ: k 2 = 6, 24∙ 106 мин‾ 1 Для каталазы, ускоряющей разложение Н 2 О 2: k 2 = 5∙ 106 мин‾ 1

Существенным недостатком уравнения (1) является невозможность экспериментального определения [ES]. Существенным недостатком уравнения (1) является невозможность экспериментального определения [ES].

Выразив [ES] через другие величины, получаем кинетическое уравнение ферментативных реакций, называемое уравнением Михаэлиса-Ментен (1913) Выразив [ES] через другие величины, получаем кинетическое уравнение ферментативных реакций, называемое уравнением Михаэлиса-Ментен (1913)

Уравнение Михаэлиса. Ментен = k 2 E общ S KM + S Уравнение Михаэлиса. Ментен = k 2 E общ S KM + S

Произведение k 2 E общ является величиной постоянной, которую обозначают max (максимальная скорость). Произведение k 2 E общ является величиной постоянной, которую обозначают max (максимальная скорость).

Соответственно: = max S KM + S Соответственно: = max S KM + S

1)При низкой концентрации субстрата KM >> S , 2)поэтому max S = KM Кинетическое 1)При низкой концентрации субстрата KM >> S , 2)поэтому max S = KM Кинетическое уравнение реакции 1 -го порядка

2) При высокой концентрации субстрата Км << [S], поэтому = max Кинетическое уравнение реакции 2) При высокой концентрации субстрата Км << [S], поэтому = max Кинетическое уравнение реакции 0 -го порядка

Кинетическая кривая ферментативной реакции Реакция нулевого порядка Реакция первого порядка [S ] Кинетическая кривая ферментативной реакции Реакция нулевого порядка Реакция первого порядка [S ]

3) Если [S] = КМ, то = max 2 , что позволяет графически определять 3) Если [S] = КМ, то = max 2 , что позволяет графически определять Км

Графическое определение константы Михаэлиса(KM) max 2 KM S Графическое определение константы Михаэлиса(KM) max 2 KM S

Ферменты, как правило, катализируют реакции с участием двух или нескольких субстратов. Для изображения двухсубстратных Ферменты, как правило, катализируют реакции с участием двух или нескольких субстратов. Для изображения двухсубстратных реакций используют схемы, в которых обозначены промежуточные стадии, а также стадии ввода субстратов и вывода продуктов.

Последовательный механизм ферментативных реакций A E P B EA EAB↔EPQ Q EQ E Последовательный механизм ферментативных реакций A E P B EA EAB↔EPQ Q EQ E

Пинг-понговый механизм ферментативной реакции A E P EA B E* Q E*B E Пинг-понговый механизм ферментативной реакции A E P EA B E* Q E*B E

На активность ферментов оказывают влияние: а) температура, б) кислотность среды, в) наличие ингибиторов На активность ферментов оказывают влияние: а) температура, б) кислотность среды, в) наличие ингибиторов

Влияние кислотности растворов на активность ферментов k 2 р. Нопт p. H Влияние кислотности растворов на активность ферментов k 2 р. Нопт p. H

Для большинства ферментов оптимальные значения р. Н совпадают с физиологическими значениями (7, 3 -7, Для большинства ферментов оптимальные значения р. Н совпадают с физиологическими значениями (7, 3 -7, 4).

Однако существуют ферменты, для нормального функционирования которых нужна сильнокислая (пепсин – 1, 5 -2, Однако существуют ферменты, для нормального функционирования которых нужна сильнокислая (пепсин – 1, 5 -2, 5) или достаточно щелочная среда (аргиназа – 9, 5 -9, 9).

Ингибиторы ферментов – это вещества, занимающие часть активных центров молекул фермента, в результате чего Ингибиторы ферментов – это вещества, занимающие часть активных центров молекул фермента, в результате чего скорость ферментативной реакции уменьшается.

В роли ингибиторов выступают катионы тяжелых металлов, органические кислоты и другие соединения. В роли ингибиторов выступают катионы тяжелых металлов, органические кислоты и другие соединения.

"Ключ к познанию ферментов лежит в изучении скоростей реакций". Дж. Холдейн

Благодарим за внимание!!! Благодарим за внимание!!!