촉매(catalyst)와 음과 양의 작용

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촉매(catalyst)와 음과 양의 작용

촉매(catalyst)란 반응과정에서 그자신은 소모되거나 변화하지않으면서 기질의 반응속도를 보다 빠르거나 또는 더욱 느리게 변화시키는 물질을 말합니다. 이러한 반응을 할때 필요한 활성화에너지를 변화시켜 반응속도를 변화시키게 됩니다.

​촉매의 역할에 따라 산화-환원 촉매, 산-염기 촉매, 금속 촉매 등으로 분류할 수 있습니다. 또한 촉매는 무기촉매와 생체촉매(효소)로 분류됩니다. 촉매가 반응속도를 변화시키는 메커니즘은 반응과정에서 물질 간의 반응경로를 변화시키는 것인데, 촉매에 의하여 변경된 경로는 정촉매의 경우일때 더욱 낮은 활성화 에너지를 갖게 되고 이로 인해 반응 속도는 더 빨라지게 됩니다.

포름산​의 탈수분해에 대한 화학반응식은 ​HCOOH → H2O + CO (Ea = 92.4kJ/mol)와 같습니다. 이러한 반응은 활성화에너지가 너무 커서 상온에서는 반응이 잘일어나지 않습니다. 하지만 정촉매인 양성자(H+)를 포함하는 수용액에 첨가하게되면 촉매인 양성자에 의해 탈수분해과정이 다음과 같이 3단계로 일어나게 됩니다.

● 1 단계: HCOOH + H+ → HCOOH2+ (빠른 반응)

● 2 단계: HCOOH2+ → HCO+ + H2O (느린 반응) (Ea = 75.6kJ/mol)

● 3 단계: HCO+ → CO + H+ (빠른 반응)

양성자(H+)는 반응전후에도 그 양이 일정합니다. 양성자는 포름산의 분해 반응에서 활성화 에너지를 낮추는 정촉매 역할을 합니다.

과산화수소에 이산화망간이 촉매제로 첨가되면 과산화수소는 산소와 물로 분리가 됩니다. 과산화수소는 알칼리금속원소나 이산화망간과 같은 무기물과 만나면 산소와 물로 쉽게 분해됩니다. 반면에 산성 조건에서는 안정해서 분해가 잘 안됩니다.

아마도 과산화수소가 극성이 강해 알칼리조건에서는 전자를 잘 내놓기 때문입니다. 이산화망간은 최외곽전자뿐만아니라 에너지가 낮은 궤도의 전자들이 뜰떠서 들뜬전자가되어 결합에 참여하여 확장된 옥텟규칙을 따르는 혼성오비탈을 가지고 있는 화합물입니다.

위와같은 양성자(수소)는 무기촉매의 예이고, 효소(enzyme)와 같은 촉매는 생체촉매의 역할을 합니다. 기본적으로 생물의 체온은 물질대사에 필요한 에너지를 생산하거나 물질을 합성할 수 있을만큼의 충분한 온도가 되지 못합니다. 따라서 생물체는 이를 보완하기 위하여 체내 화학반응의 촉매인 효소를 이용합니다.

효소는 단백질로 이루어져있고 기질적 특이성에 의해 특정한 기질과 선택적으로 반응합니다. 효소에 의한 생체촉매작용은 유기 또는 무기의 화학적촉매작용과 기본적인 원리가 유사합니다.

설탕이 상온에서 저절로 포도당과 과당으로 분해되지는 않습니다. 설탕과 물이 만나면 상온에서 포도당과 과당으로 분해되는데, 효소인 수크라제가 만나면 분해 반응이 더욱 빨라집니다.

1. 산-염기 촉매(Acid-Base Catalysis)

수소(양성자,H+)의 공여와 수용(donor and accept)을 통한 산과 염기의 작용입니다. 친핵성(-)과 친전자성(+) 그룹간의 상호작용입니다.

단백질인 히스티딘의 경우 pKa가 중성 pH에 가까워 양성자의 공여체와 수용체 역할을 모두 할 수 있습니다.

​세린-프로타제 촉매는 히스티딘이 세린 잔기에서 양성자 수용체로써 작용합니다. 세린은 친핵성(-)으로 기질의 아미드 결합을 공격합니다. 세린(a base, pKa 14)은 양성자(+)를 히스티딘(an acid, pKa 6)에게 공여(donation) 합니다.

​2. 공유결합 촉매(Covalent Catalysis)

​효소와 기질간의 공유결합 중간체 형성을 촉매하는 작용입니다.

<그림출처 : Covalent Catalysis - 위키북스>

아세틸​콜린 에스테라제와 물이 작용하여 아세틸콜린은 아세틱산과 콜린으로 분해됩니다. 아세틱산은 H+를 빼냈고, 받았고 콜린은 전자(-)를 받아 H+와 결합했습니다.

​3. 금속이온 촉매(Metal-Ion Catalysis)

금속이온은 양(+)이온이 많은데, 이러한 특성때문에 효소들은 촉매작용에 금속이온을 필요로 합니다.

<그림출처 : Metal Ion Catalysis - 위키북스>

Cu²⁺, Zn²⁺, Fe²⁺ 등과 같은 금속양이온들은 촉매작용을 통해 작용기들의 전기적인 작용을 안정하게 도와줍니다. 카르보닐기에 붙어있는 사면체형(tetrahedral) 산소음이온과 다른 산소들은 친핵형(-)으로서, 중간체인 금속양이온(+)과 조화를 이루어 안정화될 수 있습니다.

​<사면체형 혼성오비탈 화합물>

<그림출처 : ​http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/3081/3155729/blb0905.html>

​4. 정전기적인 촉매(Electrostatic Catalysis)

금속이온 촉매와 유사성이 많습니다. 카르복시펩티다아제의 경우 활성중심에 Zn²⁺ 금속이온이 있는 경우가 있습니다.

​카르복시펩티다이제 효소분해로 아연2가 양이온과 산소의 음전하를 통해 사면체형 화합물인 sp3 혼성오비탈구조의 사면체형 중간체는 안정해집니다.

​무기촉매/유기촉매와 생체촉매(효소)는 기본적으로 전기적인 음성(-)과 양성(+)의 상호작용에 의한다는 점에서 효소의 작용의 특징들은 크게 차이는 없습니다. 결국 촉매란 기질들간의 음(陰,-)과 양(陽,+)의 상보적인 결합을 도와주거나 방해하는 촉매제입니다.

<그림출처 : ​Catalytic cycle - 위키백과>

<참고문헌 및 출처 : 촉매 - 위키백과, Enzyme catalysis - 위키백과>

<관련자료 : 효소(enztme)의 음과 양의 상보적 결합>