Hydrolysereaktionen treten auf, wenn organische Verbindungen mit Wasser reagieren. Sie zeichnen sich durch die Aufspaltung eines Wassermoleküls in eine Wasserstoff- und eine Hydroxidgruppe aus, wobei eine oder beide an ein organisches Ausgangsprodukt gebunden werden. Die Hydrolyse erfordert normalerweise die Verwendung eines Säure- oder Basenkatalysators und wird bei der Synthese vieler nützlicher Verbindungen verwendet. Der Begriff "Hydrolyse" bedeutet wörtlich die Spaltung mit Wasser; der umgekehrte Vorgang, bei dem bei einer Reaktion Wasser entsteht, wird als Kondensation bezeichnet.
Der Hydrolysemechanismus
Die Hydrolyse von Carbonsäurederivaten ist eine Reaktionsart, die als Acylsubstitution bezeichnet wird. Eine Acylgruppe weist eine Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindung auf, an der ein kleiner, aber entscheidender Ladungsunterschied besteht. Reaktionen treten am Acyl auf, weil Reaktanten entweder vom elektrisch schwach positiven Kohlenstoffatom oder vom schwach elektronegativen Sauerstoffatom angezogen werden. Der allgemeine Reaktionsmechanismus für die Acylsubstitution ist: R-C(=O)-X + E-Y -> R-C(=O)-Y + E-X, wobei E eine elektrophile Gruppe ist, Das heißt, es wird von negativ geladenen Atomen angezogen, und Y ist eine nukleophile Gruppe und wird daher von positiv geladenen angezogen Atome. R bezeichnet eine funktionelle Gruppe, wie einen Kohlenwasserstoff, der nicht an der Reaktion teilnimmt. Beispiele für X umfassen Chlor oder Brom für ein Säurechlorid oder -bromid, ein -OR für einen Carbonsäureester oder ein -N(R)_2 von Amiden.
Seifenherstellung als Beispiel für basenkatalysierte Hydrolyse
Die Seifenherstellung, auch Verseifung genannt, ist eine der häufigsten Hydrolysereaktionen. Seife wurde zum ersten Mal vor mindestens 5.000 Jahren von den Sumerern hergestellt, mit ziemlicher Sicherheit durch Zufall. Die Sumerer und nachfolgende Völker entdeckten, dass das Mischen von Asche oder einer anderen alkalischen Substanz mit Öl oder Fett eine Substanz ergab, die hervorragend zum Entfernen von Schmutz von Haut und Kleidung geeignet war. Dies geschah, weil das Alkali mit den Ölen reagierte, um Seife zu produzieren. Das moderne Verfahren zur Herstellung von Seife umfasst das Umsetzen einer Fettsäure mit einer Base, wie beispielsweise Natriumhydroxid. Dabei entsteht ein Fettsäuresalz, das ansonsten nicht wasserlösliche Stoffe wie Öl und Fett auflöst. Die Verseifung ist ein Beispiel für eine basiskatalysierte Reaktion, bei der die Base sowohl als Ausgangsmaterial als auch als Katalysator fungiert.
Andere Hydrolysemechanismen
Säuren können auch als Katalysatoren verwendet werden, um Reaktionen an der Acylgruppe zu initiieren. Beim Ansäuern von Wasser entsteht ein reaktives Hydroniumion, das positiv geladen ist und daher stark vom Sauerstoff der Acylgruppe angezogen wird. Die beiden Gruppen verbinden sich zu einem Intermediat, in dem der Acylkohlenstoff elektronegativ und anziehend für ein Nukleophil wird, wie zum Beispiel die einsamen Elektronenpaare am Sauerstoff eines Wassermoleküls. Ein zweites Zwischenprodukt lagert sich um, um eine Kohlenstoff-Sauerstoff-Einfachbindung zu spalten, um eine Carbonsäure und Wasser zu erzeugen.
Hydrolyse von Proteinen
Da alle biologischen Systeme im Wasser existieren, ist es verständlich, dass Hydrolysereaktionen in lebenden Organismen üblich sind. Proteine werden gebildet, indem Aminosäuren in langen Ketten miteinander verbunden werden. Diese Aminosäuren werden durch die Reaktion einer Carboxylgruppe an einer Aminosäure mit einer Amingruppe an einer anderen unter Bildung von Wasser in einem als Kondensation bezeichneten Prozess verbunden. Der umgekehrte Prozess, die Hydrolyse, führt dazu, dass Proteine in ihre Aminosäuren aufgespalten werden. Dies ist sehr nützlich, um die Struktur von Proteinen in einem Prozess namens Aminosäureanalyse zu bestimmen.