Zwykle hydroliza jest procesem chemicznym, w którym cząsteczka wody jest dodawana do substancji. Czasami ten dodatek powoduje, że zarówno substancja, jak i cząsteczka wody dzielą się na dwie części. W takich reakcjach jeden fragment cząsteczki docelowej (lub cząsteczki macierzystej) otrzymuje jon wodorowy. Łamie wiązanie chemiczne w związku.
SaltsEdit
powszechny rodzaj hydrolizy występuje, gdy sól o słabym kwasie lub słabej zasadzie (lub obu) rozpuszcza się w wodzie. Woda spontanicznie jonizuje się do anionów wodorotlenowych i kationów hydroniowych. Sól dysocjuje również do swoich anionów i kationów składowych. Na przykład octan sodu dysocjuje w wodzie na jony sodu i octanu. Jony sodu reagują bardzo mało z jonami wodorotlenkowymi, podczas gdy jony octanowe łączą się z jonami hydroniowymi, tworząc kwas octowy. W tym przypadku wynikiem netto jest względny nadmiar jonów wodorotlenowych, dając roztwór zasadowy.
silne kwasy również ulegają hydrolizie. Na przykład rozpuszczaniu kwasu siarkowego (H2SO4) w wodzie towarzyszy hydroliza, w wyniku której otrzymuje się hydronium i wodorosiarczan, sprzężoną zasadę kwasu siarkowego. Aby uzyskać bardziej techniczną dyskusję na temat tego, co dzieje się podczas takiej hydrolizy, zobacz teorię kwasowo–zasadową Brønsteda–Lowry ’ ego.
estry i amidy
katalizowane kwasowo–zasadowo hydrolizy są bardzo powszechne; jednym z przykładów jest hydroliza amidów lub estrów. Ich hydroliza zachodzi, gdy nukleofil (czynnik poszukujący jądra, np. woda lub jon hydroksylowy) atakuje węgiel grupy karbonylowej estru lub amidu. W bazie wodnej jony hydroksylowe są lepszymi nukleofilami niż cząsteczki polarne, takie jak woda. W kwasach Grupa karbonylowa ulega protonacji, co prowadzi do znacznie łatwiejszego ataku nukleofilowego. Produktami obu hydrolizatów są związki z grupami kwasów karboksylowych.
prawdopodobnie najstarszym praktykowanym komercyjnie przykładem hydrolizy estrowej jest zmydlanie (tworzenie mydła). Jest to hydroliza trójglicerydów (tłuszczu) z wodną zasadą, taką jak wodorotlenek sodu (NaOH). Podczas procesu powstaje glicerol, a kwasy tłuszczowe reagują z zasadą, przekształcając je w sole. Sole te nazywane są mydłami, powszechnie stosowanymi w gospodarstwach domowych.
ponadto w układach żywych większość reakcji biochemicznych (w tym hydroliza ATP) zachodzi podczas katalizy enzymów. Katalityczne działanie enzymów umożliwia hydrolizę białek, tłuszczów, olejów i węglowodanów. Jako przykład można rozważyć proteazy (enzymy, które wspomagają trawienie, powodując hydrolizę wiązań peptydowych w białkach). Katalizują one hydrolizę wewnętrznych wiązań peptydowych w łańcuchach peptydowych, w przeciwieństwie do egzopeptydaz (inna klasa enzymów, które katalizują hydrolizę końcowych wiązań peptydowych, uwalniając jeden wolny aminokwas na raz).
jednak proteazy nie katalizują hydrolizy wszelkiego rodzaju białek. Ich działanie jest stereo-selektywne: tylko białka o określonej strukturze trzeciorzędowej są ukierunkowane, ponieważ potrzebna jest jakaś siła orientacyjna, aby umieścić grupę amidową we właściwej pozycji do katalizy. Niezbędne kontakty między enzymem a jego substratami (białkami) powstają, ponieważ enzym fałduje się w taki sposób, aby utworzyć szczelinę, do której pasuje substrat; szczelina zawiera również grupy katalityczne. Dlatego białka, które nie mieszczą się w szczelinie, nie ulegną hydrolizie. Specyficzność ta zachowuje integralność innych białek, takich jak hormony, a zatem układ biologiczny nadal funkcjonuje normalnie.
po hydrolizie amid przekształca się w kwas karboksylowy i aminę lub amoniak (które w obecności kwasu są natychmiast przekształcane w sole amonowe). Jedna z dwóch grup tlenu w kwasie karboksylowym pochodzi z cząsteczki wody, a Amina (lub amoniak) otrzymuje jon wodorowy. Hydroliza peptydów daje aminokwasy.
wiele polimerów poliamidowych, takich jak nylon 6,6, hydrolizuje w obecności silnych kwasów. Proces ten prowadzi do depolimeryzacji. Z tego powodu produkty nylonowe ulegają pękaniu pod wpływem niewielkiej ilości kwaśnej wody. Poliestry są również podatne na podobne reakcje degradacji polimerów. Problem jest znany jako pękanie naprężeniowe środowiska.
Atpedit
hydroliza jest związana z metabolizmem energetycznym i magazynowaniem. Wszystkie żywe komórki wymagają ciągłego dostarczania energii do dwóch głównych celów: biosynteza mikro i makrocząsteczek oraz aktywny transport jonów i cząsteczek przez błony komórkowe. Energia pochodząca z utleniania składników odżywczych nie jest wykorzystywana bezpośrednio, ale za pomocą złożonej i długiej sekwencji reakcji jest kierowana do specjalnej cząsteczki magazynującej energię, adenozynotrifosforanu (ATP). Cząsteczka ATP zawiera wiązania pirofosforanowe (wiązania utworzone, gdy dwie jednostki fosforanowe są połączone ze sobą), które uwalniają energię w razie potrzeby. ATP może ulegać hydrolizie na dwa sposoby: Po pierwsze, usunięcie końcowego fosforanu w celu utworzenia difosforanu adenozyny (ADP) i nieorganicznego fosforanu, z reakcją:
ATP + H
2o → ADP + Pi
po drugie, usunięcie końcowego difosforanu w celu uzyskania monofosforanu adenozyny (AMP) i pirofosforanu. Ten ostatni zwykle ulega dalszemu rozszczepianiu na dwa składowe fosforany. Powoduje to reakcje biosyntezy, które zwykle zachodzą w łańcuchach, które mogą być napędzane w kierunku syntezy, gdy wiązania fosforanowe zostały poddane hydrolizie.
Polisacharydyedytuj
monosacharydy mogą być połączone ze sobą wiązaniami glikozydowymi, które mogą być rozszczepione przez hydrolizę. Dwa, trzy, kilka lub wiele monosacharydów połączonych w ten sposób tworzą odpowiednio disacharydy, trisacharydy, oligosacharydy lub polisacharydy. Enzymy hydrolizujące wiązania glikozydowe nazywane są „hydrolazami glikozydowymi” lub „glikozydazami”.
najbardziej znanym disacharydem jest sacharoza (cukier stołowy). Hydroliza sacharozy daje glukozę i fruktozę. Inwertaza jest sukrazą stosowaną Przemysłowo do hydrolizy sacharozy do tzw. cukru inwertowanego. Laktaza jest niezbędna do hydrolizy trawiennej laktozy w mleku; wielu dorosłych ludzi nie produkuje laktazy i nie może trawić laktozy w mleku.
hydrolizę polisacharydów do rozpuszczalnych cukrów można uznać za scukrzanie. Słód wytwarzany z jęczmienia jest wykorzystywany jako źródło β-amylazy do rozkładu skrobi na disacharydową maltozę, którą drożdże mogą wykorzystać do produkcji piwa. Inne enzymy amylazy mogą przekształcać skrobię w glukozę lub oligosacharydy. Celuloza jest najpierw hydrolizowana do celobiozy przez celulazę, a następnie celobioza jest dalej hydrolizowana do glukozy przez beta-glukozydazę. Przeżuwacze, takie jak krowy, są w stanie hydrolizować celulozę do celobiozy, a następnie glukozy, z powodu symbiotycznych bakterii wytwarzających celulazę.
Metal aqua ionsEdit
jony metali są kwasami Lewisa, a w roztworze wodnym tworzą kompleksy metaliczne o ogólnym wzorze M (H2O) nm+. Jony wodne ulegają w większym lub mniejszym stopniu hydrolizie. Pierwszy etap hydrolizy podaje się ogólnie jako
M (H2O) nm+ + H2O ⇌ m (H2O) n−1(OH) (m−1)+ + H3O+
, zatem kationy wodne zachowują się jak kwasy w teorii kwasowo-zasadowej Brønsteda-Lowry ’ ego. Efekt ten można łatwo wyjaśnić rozważając efekt indukcyjny dodatnio naładowanego jonu metalu, który osłabia Wiązanie O-H przyłączonej cząsteczki wody, dzięki czemu wyzwolenie protonu jest stosunkowo łatwe.
stała dysocjacji, pKa, dla tej reakcji jest mniej lub bardziej liniowo związana ze stosunkiem ładunku do wielkości jonu metalu. Jony o niskich ładunkach, takie jak Na+, są bardzo słabymi kwasami o prawie niezauważalnej hydrolizie. Duże jony dwuwartościowe, takie jak Ca2+, Zn2+, Sn2+ i Pb2+, mają pKa wynoszący 6 lub więcej i normalnie nie byłyby klasyfikowane jako kwasy, ale małe jony dwuwartościowe, takie jak Be2+, ulegają intensywnej hydrolizie. Jony trójwartościowe, takie jak Al3+ i Fe3+, są słabymi kwasami, których pKa jest porównywalny z kwasem octowym. Roztwory soli takich jak BeCl2 lub Al(NO3)3 w wodzie są zauważalnie kwaśne; hydrolizę można stłumić przez dodanie kwasu takiego jak kwas azotowy, dzięki czemu roztwór jest bardziej kwaśny.
hydroliza może wykraczać poza pierwszy etap, często z tworzeniem gatunków wielojądrowych w procesie olacji. Niektóre „egzotyczne” gatunki, takie jak Sn3 (OH) 42+, są dobrze scharakteryzowane. Hydroliza przebiega wraz ze wzrostem pH, prowadząc w wielu przypadkach do wytrącenia wodorotlenku, takiego jak Al(OH)3 lub AlO(OH). Substancje te, główne składniki boksytu, są znane jako lateryty i powstają przez wymywanie ze skał większości jonów innych niż glin i żelazo, a następnie hydrolizę pozostałych glinu i żelaza.