藥學(xué)物化課件-溶液中的反應(yīng)

90％以上的單相反應(yīng)都是在溶液中進(jìn)行的。

溶液中每個分子的運(yùn)動都受到相鄰分子的阻礙，每個溶質(zhì)分子都可視為被周圍的溶劑分子包圍著，即被關(guān)在由周圍溶劑分子構(gòu)成的“籠子”中，偶然沖出一個籠子后又很快進(jìn)入別的籠子中。這種現(xiàn)象稱為“籠效應(yīng)”

，見圖。第十節(jié)溶液中的反應(yīng)

由于籠效應(yīng)的存在，減少了不同籠子中反應(yīng)物分子之間的碰撞機(jī)會。然而，當(dāng)兩個反應(yīng)物偶然進(jìn)入同一個籠子之后，則被關(guān)在籠中反復(fù)碰撞，即增加了同一個籠子中反應(yīng)物分子相互碰撞的機(jī)會。在水溶液中，一對無相互作用的分子被關(guān)在同一籠子中的持續(xù)時間約為10-12～10-11s，在此期間約進(jìn)行100～1000次碰撞。就單位時間單位體積內(nèi)反應(yīng)物分子之間的總碰撞次數(shù)而言，溶液中的反應(yīng)與氣相反應(yīng)大致相當(dāng)。反應(yīng)物分子穿過籠子所需的活化能(擴(kuò)散活化能)一般小于20kJ/mol，小于大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)的活化能(40~400kJ/m01)，故擴(kuò)散作用一般不影響反應(yīng)速率。

但對于活化能很小(速率很快)的反應(yīng)，例如溶液中的某些離子反應(yīng)、自由基復(fù)合反應(yīng)，則反應(yīng)速率取決于分子的擴(kuò)散速率。在更多的情況下，溶劑分子與反應(yīng)物分子之間存在著某種相互作用，例如溶劑化作用。此時溶液中的反應(yīng)與氣相反應(yīng)相比，其動力學(xué)參數(shù)常有顯著改變。以下簡述一些影響溶液中反應(yīng)速率的因素。

1、溶劑的極性

實驗表明，如果產(chǎn)物的極性大于反應(yīng)物的極性，則在極性溶劑中的反應(yīng)速率比在非極性溶劑中的大；反之，如果產(chǎn)物的極性小于反應(yīng)物的極性，則在極性溶劑中的反應(yīng)速率比在非極性溶劑中的小。溶劑化的影響:(2)產(chǎn)物的極性>反應(yīng)物的極性（如反應(yīng)1）活化絡(luò)合物溶劑化熱量，E2<E1,使反應(yīng)速率加快（1）若產(chǎn)物的極性<反應(yīng)物的極性（如反應(yīng)2）則反應(yīng)物溶劑化,放出熱量,E2>E1,使反應(yīng)速率減慢

反應(yīng)1反應(yīng)2

2、溶劑的介電常數(shù)對于離子或極性分子之間的反應(yīng)，溶劑的介電常數(shù)將影響離子或極性分子之間的引力或斥力，從而影響其反應(yīng)速率。溶劑的介電常數(shù)越大，溶液中離子之間的相互作用力就越小。因此，對同種電荷離子之間的反應(yīng)，溶劑的介電常數(shù)越大反應(yīng)速率也越大；反之，對異種電荷離子之間的反應(yīng)或?qū)﹄x子與極性分子之間的反應(yīng)，溶劑的介電常數(shù)越大反應(yīng)速率就越小。3、離子強(qiáng)度離子強(qiáng)度會影響有離子參加的反應(yīng)速率，會使速率變大或變小，這就是原鹽效應(yīng)。例如有反應(yīng)：可以證明在稀溶液中，離子反應(yīng)的速率與溶液離子強(qiáng)度之間的關(guān)系如下：式中zA、zB分別為反應(yīng)物A、B的離子電荷數(shù)，I為離子強(qiáng)度，k0為離子強(qiáng)度為零時的速率常數(shù)

A為與溶劑和溫度有關(guān)的常數(shù)，對25℃的水溶液而言，A=1.172。由上式可得如下規(guī)律:（1）>0，離子強(qiáng)度增大，k增大，正原鹽效應(yīng)。（2）<0，離子強(qiáng)度增大，k下降，負(fù)原鹽效應(yīng)。（3）=0，離子強(qiáng)度不影響k值，無原鹽效應(yīng)。

一種或多種少量的物質(zhì)，能使化學(xué)反應(yīng)的速率顯著增大，而這些物質(zhì)本身在反應(yīng)前后的數(shù)量及化學(xué)性質(zhì)都不改變。這種現(xiàn)象稱為催化作用。起催化作用的物質(zhì)稱為催化劑。催化劑可以是有意識加入反應(yīng)體系的也可以是在反應(yīng)過程中自發(fā)產(chǎn)生的。后者是一種(或幾種)反應(yīng)產(chǎn)物或中間產(chǎn)物，稱為自催化劑。這種現(xiàn)象稱為自催化作用。第十一節(jié)催化作用的基本概念例如KMnO4與草酸反應(yīng)時生成的Mn2+離子就是該反應(yīng)的自催化劑。有時反應(yīng)體系中一些偶然的雜質(zhì)、塵?；蚍磻?yīng)容器壁等，也具有催化作用。例如在200℃，玻璃容器中進(jìn)行的溴與乙烯的氣相加成反應(yīng)中，玻璃容器壁就具有催化作用。世界上85％的化學(xué)制品都依靠催化反應(yīng)獲得。研制新的催化劑，已成為化學(xué)領(lǐng)域中的一個重要的課題。

※催化劑的基本特征：

(1)催化劑參與了化學(xué)反應(yīng)，但在反應(yīng)前后的數(shù)量及化學(xué)性質(zhì)不變。催化劑的物理性質(zhì)在反應(yīng)前后可發(fā)生變化，例如外觀、晶形改變等。

(2)催化劑只能縮短反應(yīng)達(dá)平衡的時間,不能改變平衡狀態(tài)。也不能改變體系的狀態(tài)函數(shù)，故不能使熱力學(xué)中不可能的反應(yīng)(ΔrGm>0)發(fā)生。據(jù)

ΔrG0m=-RT

ln

K

因為催化劑的存在與否不會改變反應(yīng)體系的始終態(tài),則ΔrG0m不變,所以K

不變.

由催化劑不改變化學(xué)平衡這一特征，還可得出一個重要的推論，對于一個可逆反應(yīng):

據(jù)可逆反應(yīng)特征:

因為K不變,所以催化劑是以相同的倍數(shù)加速正、逆反應(yīng)的速度。催化劑在使正反應(yīng)加速的同時，也使逆反應(yīng)加速同樣的倍數(shù)。這就為尋找催化劑的實驗提供了很大的方便。例如合成氨反應(yīng)需要高溫高壓條件，而尋找合成氨反應(yīng)催化劑的實驗,可利用氨分解反應(yīng)在常壓下進(jìn)行。找到合適的催化劑后再以合成氨反應(yīng)驗證即可。K正=KABK正K逆K逆(3)催化劑有選擇性。例如不同的催化劑可以使乙醇進(jìn)行不同的反應(yīng)(如書上240頁所示)。各種催化劑都有選擇性，只是強(qiáng)弱不同而已。一般來說，酶催化劑的選擇性最強(qiáng)，絡(luò)合物催化劑次之，金屬催化劑及酸堿催化劑最弱。催化劑的選擇性是非?？少F的，工業(yè)中常用下式來表達(dá)催化劑的選擇性：(4)許多催化劑對雜質(zhì)很敏感。有時少量的雜質(zhì)就能顯著影響催化劑的效能。在這些物質(zhì)中，能使催化劑的活性、選擇性、穩(wěn)定性增強(qiáng)者稱為助催化劑或促進(jìn)劑，而能使催化劑的上述性質(zhì)減弱者稱為阻化劑或抑制劑。作用很強(qiáng)的阻化劑只要極微的量就能嚴(yán)重阻礙催化反應(yīng)的進(jìn)行，這些物質(zhì)稱為催化劑的毒物。例如在鉑催化反應(yīng)H2+1/2O2一H2O中，極少量的CO就可使鉑中毒，完全喪失催化活性。

(5)催化機(jī)理催化劑能改變反應(yīng)途徑，降低反應(yīng)的活化能Ea,從而加快反應(yīng)速度。

能量反應(yīng)物：A

催化劑降低反應(yīng)活化能示意圖產(chǎn)物：PEa反應(yīng)歷程無催化劑有催化劑

根據(jù)反應(yīng)物、產(chǎn)物和催化劑相態(tài)的異同，催化作用可分為單相(均相)催化和多相(非均相)催化兩類。前者指催化劑、反應(yīng)物和產(chǎn)物都為氣相或均勻的液相；后者多見于固相催化劑催化氣相或液相反應(yīng)。酶的大小約為10~100nm之間，酶催化反應(yīng)(反應(yīng)物和產(chǎn)物多為液相)可視為介于單相催化和多相催化之間。

溶液的酸堿性(pH值)對反應(yīng)速度影響很大,稱為酸堿催化反應(yīng)。酸堿催化反應(yīng)通常是離子型反應(yīng)，其本質(zhì)在于質(zhì)子的轉(zhuǎn)移。許多離子型有機(jī)反應(yīng)，例如酯的水解、醇醛縮合、脫水、水合、聚合、烷基化等反應(yīng)，大多可被酸或堿所催化。酸堿催化可分為專屬酸堿催化和廣義酸堿催化。前者特指以H+(在水溶液中為H3O+，在醇溶液中為ROH2+)離子或OH-離子為催化劑的反應(yīng)。第十二節(jié)酸堿催化

廣義酸堿催化是指以廣義酸堿為催化劑的催化反應(yīng)。根據(jù)Bronsted的廣義酸堿概念，凡能給出質(zhì)子的物質(zhì)稱為廣義酸，凡能接受質(zhì)子的物質(zhì)稱為廣義堿。它們可以是離子，也可以是中性分子。同一種物質(zhì)既可以是酸，也可以是堿。例如水在酸溶液中是堿，在堿溶液中是酸。在有些水溶液里進(jìn)行的反應(yīng)中，水也能成為催化劑。1.質(zhì)子酸堿理論

(1)

廣義酸催化反應(yīng):催化劑是酸，能給出質(zhì)子；反應(yīng)物是堿，能接受質(zhì)子。酸催化劑的催化能力取決于它給出質(zhì)子的能力，即酸性的強(qiáng)度。酸性越強(qiáng)，催化能力也越強(qiáng)。(2)廣義堿催化反應(yīng):

催化劑是堿，能接受質(zhì)子；反應(yīng)物是酸，能給出質(zhì)子。堿催化劑的催化能力取決于它接受質(zhì)子的能力，即堿性的強(qiáng)度。堿性越強(qiáng)，催化能力也越強(qiáng)。

通常，廣義酸催化反應(yīng)的機(jī)理可用以下通式表達(dá)2.質(zhì)子酸堿催化的一般特點S+HASH++A-P+HA式中S為反應(yīng)物，P為產(chǎn)物，HA為廣義酸催化劑。廣義堿催化反應(yīng)的機(jī)理通?？捎靡韵峦ㄊ奖磉_(dá)：HS+BS-+HB+P+B式中HS為反應(yīng)物，B為廣義堿催化劑。

質(zhì)子轉(zhuǎn)移是一個相當(dāng)快的過程。酸堿催化劑在反應(yīng)中起到了提供或接受質(zhì)子的作用，從而具有催化作用,其本質(zhì)在于質(zhì)子的轉(zhuǎn)移。

特點:

酸、堿催化反應(yīng)是靠質(zhì)子的轉(zhuǎn)移來實現(xiàn)的

有的反應(yīng)，例如許多藥物水解反應(yīng)，既可被酸催化，又可被堿催化。其反應(yīng)速率可表達(dá)為：

-dcs/dt=k0cs+kH+cH+cs+kOH-cOH-cs

式中k0表示在溶劑參與下反應(yīng)自身的速率常數(shù)，kH+和kOH-分別為被酸、堿催化的速率常數(shù)，稱為酸、堿催化系數(shù)，cs表示反應(yīng)物濃度，cH+和cOH-分別表示H+離子和OH-離子的濃度。

3.酸堿催化常數(shù)k與pH的關(guān)系令k為上述反應(yīng)的總速率常數(shù)；

(1)k=k0+kH+cH++kOH-

cOH-

在水溶液中，上式也可表達(dá)為：

(2)k=k0+kH+cH++kOH-

kW/cH+

水溶液中進(jìn)行的酸堿催化反應(yīng)，其反應(yīng)速率常數(shù)與溶液的pH密切相關(guān)。下圖為上述反應(yīng)的k~pH示意圖。kpHk≈kH+cH+k≈kOH-

cOH-k≈k0k=k0+kH+cH++kOH-

cOH-

當(dāng)溶液的pH較小時，反應(yīng)以酸催化為主，

k≈kH+cH+，形成圖中曲線的左段；當(dāng)pH較大時，反應(yīng)以堿催化為主，k≈kOH-

cOH-，形成曲線的右段；pH居中時，酸或堿催化作用都不大，k≈k0,形成曲線的中段。在圖中

pH較小、較大和居中處各取一點，即可分別求得kH+、kOH-和k0的近似值。4.反應(yīng)速率最慢時的(即藥物溶液穩(wěn)定的)pHm：將式(2)兩端對cH+微分，并令其為零：

dk/dcH+=kH+-kOH-

kW/cH+2=0

整理后可得使反應(yīng)速率最慢的(即藥物溶液穩(wěn)定的)pH，記為(pH)m：

(pH)m=(lgkH+-lgkOH-

-lgkW)/2

若以k(或lgk)對pH作圖，從圖中也可找出k最小時的pHm，如圖中曲線的最低點（見下圖）。

酸堿催化反應(yīng)中，酸或堿催化系數(shù)kH+、kOH-代表了催化劑的催化能力。它們與酸或堿的解離常數(shù)Ka或Kb有如下關(guān)系：

kH+=GaKaαkOH-=GbKbβ

式中Ga、Gb、α、β都是經(jīng)驗常數(shù)，與反應(yīng)種類、溶劑種類和反應(yīng)溫度有關(guān)。α和β的值在0～1之間。上述關(guān)系式稱為Bronsted酸堿催化規(guī)則，該規(guī)則普遍適用于單相酸堿催化反應(yīng)。5.酸堿催化常數(shù)與電離常數(shù)的關(guān)系第十三節(jié)酶催化

酶是由生物或微生物產(chǎn)生的一種具有催化能力的特殊蛋白質(zhì)。以酶為催化劑的反應(yīng)稱為酶催化反應(yīng)。幾乎所有在生物體內(nèi)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)都是在酶的催化下完成的?？梢哉J(rèn)為，沒有酶的催化作用就沒有生命現(xiàn)象。酶催化反應(yīng)在日常生活中和工業(yè)生產(chǎn)中都有廣泛的應(yīng)用，例如用淀粉發(fā)酵釀酒，用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)抗生素等。目前，約有150種類型的酶已經(jīng)以晶體的形式分離出來，還有許多酶有待鑒定。(一)酶催化反應(yīng)特點1.高選擇性－－它的選擇性超過了任何人造催化劑，例如脲酶它只能將尿素迅速轉(zhuǎn)化成氨和二氧化碳，而對其他反應(yīng)沒有任何活性。2.高效率－－它比人造催化劑的效率高出109至1015

倍。例如一個過氧化氫分解酶分子，在1秒鐘內(nèi)可以分解十萬個過氧化氫分子。3.反應(yīng)條件溫和－－一般在常溫、常壓下進(jìn)行。4.反應(yīng)歷程復(fù)雜－－受pH、溫度、離子強(qiáng)度影響較大。(二)酶促反應(yīng)速度方程式--Michaelis-Menten定律酶催化反應(yīng)的機(jī)理很復(fù)雜，一般認(rèn)為是通過生成某種中間產(chǎn)物的方式進(jìn)行的，其過程可表達(dá)為以下通式：

E+SESE+P式中E為酶，S為底物(反應(yīng)物)，ES為中間產(chǎn)物，P為產(chǎn)物。通常第二步反應(yīng)，即中間產(chǎn)物ES分解為產(chǎn)物P的速率很小，控制了總反應(yīng)速率。這一通式由Michaelis和Menten最早提出并以他們的名字命名K2K1K3慢由上述反應(yīng)機(jī)理可得酶催化反應(yīng)的速率方程:

r=dcP/dt=k3cES=k3cE,0cS/(KM+cS)(1)

式中cE,0為酶的初濃度，cS為底物濃度為,KM稱為Michaelis常數(shù)※當(dāng)?shù)孜餄舛群苄r,cS<<KM,上式可簡化為:

r=dcP/dt=k3cES=k3cE,0cS/KM對底物為一級反應(yīng)?！?dāng)?shù)孜餄舛群艽髸r，cS>>KM，則可簡化為：

r=dcP/dt=k3cES=k3cE,0即反應(yīng)速率與酶的總濃度成正比，與底物濃度無關(guān)，對底物為零級反應(yīng)。※當(dāng)cS

∞時，反應(yīng)速率趨于最大值rm=k3cE,0，此時所有的酶都與底物結(jié)合而生成中間產(chǎn)物。

將rm=k3cE,0代入式(1)，得：

r=rmcS/(KM+cS)

或

r/rm=cS/(KM+cS)

(2)※當(dāng)r=rm/2時，KM=cS。即當(dāng)反應(yīng)速率為最大速率的一半時，底物的濃度就等于Michaelis常數(shù)。下圖為反應(yīng)速率r與底物濃度cS的關(guān)系。cSr第十六節(jié)快速反應(yīng)研究技術(shù)

快速反應(yīng)沒有嚴(yán)格的定義，通常指半