加水分解

加水分解（/ h aɪ ˈ d r ɒ l ɪ s ɪ s / ;古代ギリシャ語の hydro-  「水」とlysis 「解く」に由来）は、水分子 が1つ以上の化学結合を切断する化学反応です。この用語は、水が求核剤である置換反応、脱離反応、溶媒和反応に広く使用されます。^[1]

生物学的加水分解は、水分子を消費して大きな分子を構成部分に分離する生体分子の切断です。炭水化物が加水分解によって構成糖分子に分解されると（例えば、ショ糖がグルコースとフルクトースに分解される）、これは糖化として認識されます。^[2]

加水分解反応は、2つの分子が結合して大きな分子になり、水分子を放出する縮合反応の逆になります。つまり、加水分解は分解するために水を加えますが、凝縮は水を除去することによって構築されます。^[3]

通常、加水分解は、水分子が物質に加えられる化学反応です。この添加によって、物質と水分子の両方が 2 つの部分に分かれることがあります。このような反応では、ターゲット分子 (または親分子) の 1 つの断片が水素イオンを獲得します。これにより、化合物の化学結合が切断されます。

一般的な加水分解は、弱酸または弱塩基（または両方）の塩が水に溶解したときに発生します。水は自然にイオン化して水酸化物アニオンとヒドロニウムカチオンになります。塩もその構成イオンとカチオンに解離します。たとえば、酢酸ナトリウムは水中でナトリウムイオンと酢酸イオンに解離します。ナトリウムイオンは水酸化物イオンとほとんど反応しませんが、酢酸イオンはヒドロニウムイオンと結合して酢酸を生成します。この場合、最終的な結果は相対的に水酸化物イオンが過剰となり、塩基性溶液が生成されます。

強酸も加水分解を受ける。例えば、硫酸（H ₂ SO ₄）を水に溶かすと加水分解が起こり、硫酸の共役塩基である硫酸水素塩と硫酸水素塩が生じる。このような加水分解中に何が起こるかについてのより技術的な議論については、ブレンステッド・ローリーの酸塩基理論を参照のこと。

酸塩基触媒加水分解は非常に一般的で、一例としてはアミドやエステルの加水分解が挙げられます。これらの加水分解は、求核剤（核を求める物質、例えば水や水酸化イオン）がエステルやアミドのカルボニル基の炭素を攻撃することで起こります。水性塩基では、水酸化イオンは水などの極性分子よりも求核剤として優れています。酸では、カルボニル基がプロトン化されるため、求核攻撃がはるかに容易になります。両方の加水分解の生成物は、カルボン酸基を持つ化合物です。

エステル加水分解の商業的に最も古くから行われている例は、鹸化（石鹸の形成）でしょう。これは、水酸化ナトリウム（NaOH）などの水性塩基によるトリグリセリド（脂肪）の加水分解です。このプロセス中に、グリセロールが形成され、脂肪酸が塩基と反応して塩に変換されます。これらの塩は石鹸と呼ばれ、家庭でよく使用されます。

さらに、生体システムでは、ほとんどの生化学反応（ATP加水分解を含む）は酵素の触媒作用によって起こります。酵素の触媒作用により、タンパク質、脂肪、油、炭水化物の加水分解が可能になります。例として、プロテアーゼ（タンパク質のペプチド結合を加水分解することで消化を助ける酵素）を考えてみましょう。プロテアーゼは、エキソペプチダーゼ（末端ペプチド結合の加水分解を触媒し、一度に1つの遊離アミノ酸を遊離させる別のクラスの酵素）とは対照的に、ペプチド鎖の内部ペプチド結合の加水分解を触媒します。

しかし、プロテアーゼはあらゆる種類のタンパク質の加水分解を触媒するわけではありません。その作用は立体選択的です。つまり、アミド基を触媒に適した位置に置くには、ある種の配向力が必要なため、特定の三次構造を持つタンパク質のみが標的となります。酵素とその基質（タンパク質）の間に必要な接触は、酵素が基質が収まる隙間を形成するように折り畳まれることで作られます。この隙間には触媒基も含まれています。したがって、隙間に収まらないタンパク質は加水分解されません。この特異性により、ホルモンなどの他のタンパク質の完全性が維持され、したがって生物系は正常に機能し続けます。

加水分解により、アミドはカルボン酸とアミンまたはアンモニア（酸の存在下ではすぐにアンモニウム塩に変換される）に変換されます。カルボン酸の 2 つの酸素基のうち 1 つは水分子から派生し、アミン（またはアンモニア）は水素イオンを獲得します。ペプチドの加水分解によりアミノ酸が生成されます。

ナイロン 6,6などの多くのポリアミドポリマーは、強酸の存在下で加水分解します。このプロセスにより、脱重合が起こります。このため、ナイロン製品は少量の酸性水にさらされると破損してしまいます。ポリエステルも同様のポリマー劣化反応の影響を受けます。この問題は、環境応力亀裂として知られています。

加水分解は、エネルギー代謝と貯蔵に関係しています。すべての生体細胞は、2 つの主な目的、すなわち、微小分子と巨大分子の生合成と、細胞膜を介したイオンと分子の能動輸送のために、継続的なエネルギー供給を必要とします。栄養素の酸化から得られるエネルギーは直接使用されるのではなく、複雑で長い一連の反応によって、特殊なエネルギー貯蔵分子であるアデノシン三リン酸(ATP) に送られます。ATP 分子には、必要に応じてエネルギーを放出するピロリン酸結合 (2 つのリン酸単位が結合して形成される結合) が含まれています。ATP は、2 つの方法で加水分解を受けることができます。まず、末端リン酸を除去してアデノシン二リン酸(ADP) と無機リン酸を形成します。反応は次のとおりです。

${\displaystyle {\ce {ATP + H2O -> ADP + P_{i}}}}$

第二に、末端の二リン酸を除去してアデノシン一リン酸(AMP) とピロリン酸を生成します。後者は通常、さらに 2 つの構成リン酸に分解されます。これにより、通常は連鎖的に起こる生合成反応が起こり、リン酸結合が加水分解されると合成の方向に駆動されます。

単糖類はグリコシド結合によって結合しており、加水分解によって切断されます。このように結合した 2 つ、3 つ、数個、または多数の単糖類は、それぞれ二糖類、三糖類、オリゴ糖類、または多糖類を形成します。グリコシド結合を加水分解する酵素は、「グリコシド加水分解酵素」または「グリコシダーゼ」と呼ばれます。

最もよく知られている二糖類はスクロース（砂糖）です。スクロースを加水分解すると、グルコースとフルクトースが生成されます。インベルターゼは、スクロースをいわゆる転化糖に加水分解するために工業的に使用されるスクラーゼです。ラクターゼは、牛乳中のラクトースを消化加水分解するために不可欠ですが、多くの成人はラクターゼを生成せず、牛乳中のラクトースを消化できません。

多糖類が可溶性糖に加水分解されることは糖化として認識できる。^[2]大麦から作られる麦芽は、デンプンを二糖類の麦芽糖に分解するβ-アミラーゼの供給源として使用され、酵母はこれを利用してビールを製造する。他のアミラーゼ酵素は、デンプンをグルコースまたはオリゴ糖に変換する場合がある。セルロースは最初にセルラーゼによってセロビオースに加水分解され、次にセロビオースはβ-グルコシダーゼによってさらにグルコースに加水分解される。牛などの反芻動物は、セルラーゼを生成する共生細菌のおかげで、セルロースをセロビオースに、そしてグルコースに加水分解することができる。

DNAの加水分解は生体内でかなりの割合で起こります。^[4]例えば、ヒト細胞1個あたり、加水分解による脱プリン化により毎日2,000～10,000個のDNAプリン塩基が入れ替わると推定されていますが、これは特定の迅速なDNA修復プロセスによって大部分が相殺されています。^[4]加水分解によるDNA損傷が正確に修復されないと、発がんや老化につながる可能性があります。^[4]

金属イオンはルイス酸であり、水溶液中では一般式M(H ₂ O) _n ^{m +}の金属アクア錯体を形成する。^{[5] [6]}アクアイオンは多かれ少なかれ加水分解を受ける。最初の加水分解段階は一般に次のように表される。

${\displaystyle {\ce {M(H2O)_{{\mathit {n}}^{{\mathit {m}}+}{}+H2O<=>M(H2O)_{{\mathit {n}}-1}(OH)^{({\mathit {m}}-1){}+}{}+H3O+}}}$

したがって、アクアカチオンは、ブレンステッド・ローリーの酸塩基理論によれば酸として振る舞います。この効果は、正に帯電した金属イオンの誘導効果を考慮することで簡単に説明できます。この効果は、付着した水分子のO−H結合を弱め、プロトンの解放を比較的容易にします。

この反応の解離定数pK a_は、金属イオンの電荷とサイズの比にほぼ直線的に関係している。^[7] Na ⁺などの電荷の低いイオンは非常に弱い酸であり、加水分解はほとんど感知できない。Ca ²⁺、Zn ²⁺、Sn ²⁺、Pb ²⁺などの大きな二価イオンはpK _{aが 6 以上で通常は酸}として分類されないが、 Be ²⁺などの小さな二価イオンは激しく加水分解される。Al ³⁺やFe ³⁺などの三価イオンは弱酸であり、その pK _{a は}酢酸の pK a に匹敵する。BeCl 2やAl(NO ₃ ) ₃などの塩の水溶液は著しく酸性であるが、硝酸などの酸を加えて溶液をより酸性にすること _で加水分解を抑えることができる。

加水分解は第一段階を超えて進行する可能性があり、多くの場合、オレーションのプロセスを経て多核種の形成を伴う。^[7] Sn ₃ (OH)などのいくつかの「エキゾチック」種2歳以上4^{[8]はよく特徴付けられています。加水分解は}pHが上昇するにつれて進行する傾向があり、多くの場合、 Al(OH) ₃やAlO(OH)などの水酸化物の沈殿につながります。ボーキサイトの主成分であるこれらの物質はラテライトとして知られており、アルミニウムと鉄以外のほとんどのイオンが岩石から浸出し、残りのアルミニウムと鉄が加水分解されて形成されます。

アセタール、イミン、エナミンは、酸触媒条件下で過剰の水で処理することでケトンに戻すことができる： RO·OR−H ₃ O−O ; NR·H ₃ O−O ; RNR−H ₃ O−O。^[9]

酸触媒は加水分解に応用できる。^{[10]例えば、}セルロースやデンプンからグルコースへの変換。^{[11] [12] [13]}カルボン酸はエステルの酸加水分解から生成できる。^[14]

酸はニトリルを加水分解してアミドにする触媒作用をします。酸加水分解は通常、水和反応から生じる可能性のある求電子付加による二重結合または三重結合への水の元素の酸触媒付加を指すものではありません。酸加水分解は鉱酸の助けを借りて単糖類を調製するために使用されますが、ギ酸とトリフルオロ酢酸が使用されています。^[15]

酸加水分解はセルロース材料の前処理に利用され、ヘミセルロースとセルロースの鎖間結合を切断することができる。^[16]

アルカリ加水分解は通常、攻撃する求核剤が水酸化物イオンであるタイプの求核置換反応を指します。最もよく知られているタイプは鹸化です。エステルをカルボン酸塩とアルコールに分解します。エステル加水分解では、水酸化物イオン求核剤がカルボニル炭素を攻撃します。このメカニズムは同位体標識実験によってサポートされています。たとえば、酸素18標識エトキシ基を持つプロピオン酸エチルを水酸化ナトリウム（NaOH）で処理すると、酸素18はプロピオン酸ナトリウム生成物にはまったく存在せず、生成されたエタノールにのみ存在します。^[17]

この反応は、固形有機物を溶解するためによく使用されます。化学排水管洗浄剤は、この方法を利用してパイプ内の髪の毛や脂肪を溶かします。この反応は、従来の埋葬や火葬の代わりとして、 人間や他の動物の遺体を処分するためにも使用されます。