Üblicherweise ist Hydrolyse ein chemischer Prozess, bei dem einem Stoff ein Molekül Wasser zugesetzt wird. Manchmal bewirkt diese Zugabe, dass sich sowohl Substanz als auch Wassermolekül in zwei Teile aufspalten. Bei solchen Reaktionen erhält ein Fragment des Zielmoleküls (oder Elternmoleküls) ein Wasserstoffion. Es bricht eine chemische Bindung in der Verbindung.
SaltsEdit
Eine übliche Art der Hydrolyse tritt auf, wenn ein Salz einer schwachen Säure oder einer schwachen Base (oder beider) in Wasser gelöst wird. Wasser ionisiert spontan in Hydroxidanionen und Hydroniumkationen. Das Salz zerfällt auch in seine Anionen und Kationen. Beispielsweise dissoziiert Natriumacetat in Wasser in Natrium- und Acetationen. Natriumionen reagieren sehr wenig mit den Hydroxidionen, während sich die Acetationen mit Hydroniumionen zu Essigsäure verbinden. In diesem Fall ist das Nettoergebnis ein relativer Überschuss an Hydroxidionen, wodurch eine basische Lösung erhalten wird.
Starke Säuren werden ebenfalls hydrolysiert. Zum Beispiel wird das Auflösen von Schwefelsäure (H2SO4) in Wasser von einer Hydrolyse begleitet, um Hydronium und Bisulfat, die konjugierte Base der Schwefelsäure, zu erhalten. Für eine technischere Diskussion dessen, was während einer solchen Hydrolyse auftritt, siehe Brønsted–Lowry–Säure-Base-Theorie.
Ester und Amide
Säure–Base-katalysierte Hydrolysen sind sehr verbreitet; ein Beispiel ist die Hydrolyse von Amiden oder Estern. Ihre Hydrolyse tritt auf, wenn das Nukleophil (ein Kernsuchmittel, z. B. Wasser oder Hydroxylion) den Kohlenstoff der Carbonylgruppe des Esters oder Amids angreift. In einer wässrigen Base sind Hydroxylionen bessere Nukleophile als polare Moleküle wie Wasser. In Säuren wird die Carbonylgruppe protoniert, was zu einem viel leichteren nukleophilen Angriff führt. Die Produkte für beide Hydrolysen sind Verbindungen mit Carbonsäuregruppen.
Das vielleicht älteste kommerziell praktizierte Beispiel der Esterhydrolyse ist die Verseifung (Seifenbildung). Es ist die Hydrolyse eines Triglycerids (Fett) mit einer wässrigen Base wie Natriumhydroxid (NaOH). Während des Prozesses wird Glycerin gebildet, und die Fettsäuren reagieren mit der Base und wandeln sie in Salze um. Diese Salze werden Seifen genannt, die üblicherweise in Haushalten verwendet werden.
Darüber hinaus finden in lebenden Systemen die meisten biochemischen Reaktionen (einschließlich ATP-Hydrolyse) während der Katalyse von Enzymen statt. Die katalytische Wirkung von Enzymen ermöglicht die Hydrolyse von Proteinen, Fetten, Ölen und Kohlenhydraten. Als Beispiel kann man Proteasen betrachten (Enzyme, die die Verdauung unterstützen, indem sie die Hydrolyse von Peptidbindungen in Proteinen verursachen). Sie katalysieren die Hydrolyse innerer Peptidbindungen in Peptidketten im Gegensatz zu Exopeptidasen (eine andere Klasse von Enzymen, die die Hydrolyse terminaler Peptidbindungen katalysieren und jeweils eine freie Aminosäure freisetzen).
Proteasen katalysieren jedoch nicht die Hydrolyse aller Arten von Proteinen. Ihre Wirkung ist stereoselektiv: Nur Proteine mit einer bestimmten Tertiärstruktur werden ins Visier genommen, da eine Art Orientierungskraft erforderlich ist, um die Amidgruppe in die richtige Position für die Katalyse zu bringen. Die notwendigen Kontakte zwischen einem Enzym und seinen Substraten (Proteinen) entstehen, weil sich das Enzym so faltet, dass ein Spalt entsteht, in den das Substrat passt; Der Spalt enthält auch die katalytischen Gruppen. Daher werden Proteine, die nicht in den Spalt passen, nicht hydrolysiert. Diese Spezifität bewahrt die Integrität anderer Proteine wie Hormone, und daher funktioniert das biologische System weiterhin normal.
Bei der Hydrolyse wandelt sich ein Amid in eine Carbonsäure und ein Amin oder Ammoniak um (die in Gegenwart von Säure sofort in Ammoniumsalze umgewandelt werden). Eine der beiden Sauerstoffgruppen an der Carbonsäure leitet sich von einem Wassermolekül ab und das Amin (oder Ammoniak) gewinnt das Wasserstoffion. Die Hydrolyse von Peptiden ergibt Aminosäuren.
Viele Polyamidpolymere wie Nylon 6,6 hydrolysieren in Gegenwart starker Säuren. Das Verfahren führt zur Depolymerisation. Aus diesem Grund versagen Nylonprodukte, indem sie brechen, wenn sie kleinen Mengen sauren Wassers ausgesetzt werden. Polyester sind auch anfällig für ähnliche Polymerabbaureaktionen. Das Problem ist bekannt als Umweltstressrissbildung.
ATPEdit
Hydrolyse steht im Zusammenhang mit dem Energiestoffwechsel und der Speicherung. Alle lebenden Zellen benötigen eine kontinuierliche Energieversorgung für zwei Hauptzwecke: die Biosynthese von Mikro- und Makromolekülen und der aktive Transport von Ionen und Molekülen durch Zellmembranen. Die aus der Oxidation von Nährstoffen gewonnene Energie wird nicht direkt genutzt, sondern durch eine komplexe und lange Reaktionsfolge in ein spezielles Energiespeichermolekül, Adenosintriphosphat (ATP), geleitet. Das ATP-Molekül enthält Pyrophosphatbindungen (Bindungen, die gebildet werden, wenn zwei Phosphateinheiten miteinander kombiniert werden), die bei Bedarf Energie freisetzen. ATP kann auf zwei Arten hydrolysiert werden: Erstens die Entfernung von terminalem Phosphat unter Bildung von Adenosindiphosphat (ADP) und anorganischem Phosphat mit der Reaktion:
ATP + H
2O → ADP + Pi
Zweitens die Entfernung eines terminalen Diphosphats unter Bildung von Adenosinmonophosphat (AMP) und Pyrophosphat. Letzteres wird üblicherweise weiter in seine beiden Phosphate gespalten. Dies führt zu Biosynthesereaktionen, die normalerweise in Ketten ablaufen und bei Hydrolyse der Phosphatbindungen in Syntheserichtung getrieben werden können.
Polysaccharidebearbeiten
Monosaccharide können durch glykosidische Bindungen miteinander verbunden werden, die durch Hydrolyse gespalten werden können. Zwei, drei, mehrere oder viele so verknüpfte Monosaccharide bilden Disaccharide, Trisaccharide, Oligosaccharide bzw. Polysaccharide. Enzyme, die glykosidische Bindungen hydrolysieren, werden „Glykosidhydrolasen“ oder „Glykosidasen“ genannt.
Das bekannteste Disaccharid ist Saccharose (Haushaltszucker). Hydrolyse von Saccharose ergibt Glucose und Fructose. Invertase ist eine Sucrase, die industriell zur Hydrolyse von Saccharose zu sogenanntem Invertzucker eingesetzt wird. Laktase ist essentiell für die Verdauungshydrolyse von Laktose in Milch; Viele erwachsene Menschen produzieren keine Laktase und können die Laktose in der Milch nicht verdauen.
Die Hydrolyse von Polysacchariden zu löslichen Zuckern kann als Verzuckerung erkannt werden. Malz aus Gerste wird als Quelle für β-Amylase verwendet, um Stärke in das Disaccharid Maltose abzubauen, das von Hefe zur Herstellung von Bier verwendet werden kann. Andere Amylaseenzyme können Stärke in Glucose oder Oligosaccharide umwandeln. Cellulose wird zuerst durch Cellulase zu Cellobiose hydrolysiert und dann wird Cellobiose durch Beta-Glucosidase weiter zu Glucose hydrolysiert. Wiederkäuer wie Kühe können Cellulose aufgrund symbiotischer Bakterien, die Cellulasen produzieren, zu Cellobiose und dann zu Glucose hydrolysieren.
Metall aqua Ionenbearbeiten
Metallionen sind Lewissäuren und bilden in wässriger Lösung Metall-Aquokomplexe der allgemeinen Formel M(H2O)nm+. Die Aqua-Ionen werden mehr oder weniger stark hydrolysiert. Der erste Hydrolyseschritt wird generisch als
M(H2O) nm+ + H2O ⇌ M(H2O) n−1(OH)(m−1)+ + H3O+
angegeben, so dass sich die Aquakationen im Sinne der Brønsted-Lowry-Säure-Base-Theorie wie Säuren verhalten. Dieser Effekt lässt sich leicht erklären, wenn man den induktiven Effekt des positiv geladenen Metallions berücksichtigt, der die O-H-Bindung eines angehängten Wassermoleküls schwächt und die Freisetzung eines Protons relativ einfach macht.
Die Dissoziationskonstante pKa für diese Reaktion hängt mehr oder weniger linear mit dem Verhältnis von Ladung zu Größe des Metallions zusammen. Ionen mit niedrigen Ladungen wie Na + sind sehr schwache Säuren mit fast unmerklicher Hydrolyse. Große zweiwertige Ionen wie Ca2 +, Zn2 +, Sn2 + und Pb2 + haben eine pKa von 6 oder mehr und würden normalerweise nicht als Säuren eingestuft, aber kleine zweiwertige Ionen wie Be2 + durchlaufen eine umfangreiche Hydrolyse. Dreiwertige Ionen wie Al3 + und Fe3+ sind schwache Säuren, deren pKa mit der von Essigsäure vergleichbar ist. Lösungen von Salzen wie BeCl2 oder Al (NO3) 3 in Wasser sind merklich sauer; Die Hydrolyse kann durch Zugabe einer Säure wie Salpetersäure unterdrückt werden, wodurch die Lösung saurer wird.
Die Hydrolyse kann über den ersten Schritt hinausgehen, oft mit der Bildung von mehrkernigen Spezies über den Prozess der Olation. Einige „exotische“ Arten wie Sn3 (OH) 42+ sind gut charakterisiert. Die Hydrolyse verläuft tendenziell mit steigendem pH-Wert, was in vielen Fällen zur Ausfällung eines Hydroxids wie Al (OH) 3 oder AlO (OH) führt. Diese Substanzen, Hauptbestandteile von Bauxit, sind als Laterite bekannt und werden durch Auslaugen der meisten anderen Ionen als Aluminium und Eisen aus Gesteinen und anschließende Hydrolyse des verbleibenden Aluminiums und Eisens gebildet.