加水分解

エステルおよびアミドの加水分解は、求核アシル置換反応によって起こり、水が求核剤（核を求める物質、例えば水または水酸化物イオン）として働き、エステルまたはアミドのカルボニル基の炭素を攻撃します。酸性条件下では、カルボニル基はプロトン化によって活性化され、水による直接的な求核攻撃が可能になります。^{[ 4 ]}水性塩基では、水酸化物イオンは酸素上に局在する負電荷のため、水などの極性分子よりも優れた求核剤であり^{[ 5 ]}、カルボニル基を直接攻撃します。^{[ 4 ]}

加水分解により、エステルはカルボン酸とアルコールに変換され、^{[ 4 ]}アミドはカルボン酸とアミンまたはアンモニアに変換されます（これらは酸の存在下ではすぐにアンモニウム塩に変換されます）。カルボン酸上の 2 つの酸素基のうちの 1 つは水分子に由来し、アミン/アンモニアまたはアルコールは水素イオンを獲得します。^{[ 4 ] [ 6 ]}

おそらく、エステル加水分解の最も古い商業的に実践されている例は、鹸化（石鹸の生成）です。これは、トリグリセリド（脂肪）を水酸化ナトリウム（NaOH）などの水性塩基で加水分解することです。この過程でグリセロールが生成され、脂肪酸は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、家庭で一般的に使用されています。^{[ 7 ]}生物学的条件下では、この反応は、油水界面に吸着したときに作用する脂肪の消化のためのリパーゼによって触媒されます。 ^{[ 4 ] [ 8 ]}他のエステラーゼは水中で機能し、さまざまな生物学的機能を果たします。

アミド加水分解の重要な生物学的応用は、タンパク質をアミノ酸に分解することです。プロテアーゼは、タンパク質中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であり、ペプチド鎖中のペプチド結合の加水分解を触媒し、^{[ 6 ]} 2～6個のアミノ酸からなるポリペプチド断片を放出します。これらの断片は、膵臓から分泌されるカルボキシペプチダーゼによって単一のアミノ酸に分解されます。^{[ 9 ]}

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。特定の三次構造を持つタンパク質のみが標的となり、アミド基を触媒作用に適した位置に配置するには、何らかの配向力が必要となります。酵素と基質（タンパク質）との必要な接触は、酵素が基質が収まるような溝を形成するように折り畳まれることによって生じます。この溝には触媒基も含まれています。したがって、溝に収まらないタンパク質は加水分解されません。この特異性によってホルモンなどの他のタンパク質の構造が維持され、生物系は正常に機能し続けることができます。

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を起こします。この過程により脱重合が起こります。そのため、ナイロン製品は少量の酸性水に触れると破断して破損します。ポリエステルも同様のポリマー劣化反応を起こしやすく、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。すべての生細胞は、主に2つの目的のために継続的なエネルギー供給を必要とします。それは、微小分子と高分子の生合成と、細胞膜を介したイオンと分子の能動輸送です。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、特別なエネルギー貯蔵分子であるアデノシン三リン酸（ATP）に蓄えられます。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されます。まず、末端リン酸を除去してアデノシン二リン酸（ADP）と無機リン酸を生成する反応です。

ATP + H₂O _→ ADP + _Pi

第二に、末端の二リン酸が除去されてアデノシン一リン酸（AMP）とピロリン酸が生成される。後者は通常、さらに分解されて2つの構成リン酸となる。これにより生合成反応が起こり、通常は連鎖的に進行するが、リン酸結合が加水分解されると合成方向へと促進される。

単糖類はグリコシド結合によって連結され、この結合は加水分解によって切断される。このように連結された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する。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」と呼ばれる。

最もよく知られている二糖類はショ糖（食卓砂糖）です。ショ糖の加水分解により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、ショ糖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、牛乳中の乳糖の消化加水分解に不可欠です。多くの成人はラクターゼを生成せず、牛乳中の乳糖を消化できません。^{[ 10 ]}

多糖類が加水分解されて可溶性糖になる過程は糖化として認識される。^{[ 2 ]}大麦から作られた麦芽は、β-アミラーゼの供給源として、デンプンを二糖類のマルトースに分解するために使用され、マルトースは酵母によってビールの製造に利用される。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可能性がある。セルロースはまずセルラーゼによってセロビオースに加水分解され、次にセロビオースが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、セルラーゼを産生する共生細菌のおかげで、セルロースをセロビオース、そしてグルコースに加水分解することができる。^{[ 11 ]}

DNAの加水分解は生体内でかなりの速度で起こります。^{[ 12 ]}例えば、ヒトの各細胞では、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おり、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。^{[ 12 ]}正確に修復されない加水分解によるDNA損傷は、発がんや老化の一因となる可能性があります。^{[ 12 ]}

金属イオンはルイス酸であり、水溶液中では一般式M(H₂O ₎ n _m⁺^で表される金属アクア錯体を形成する。^{[ 13 ] [ 14 ]}アクアイオンは、程度の差こそあれ加水分解を受ける。最初の加水分解段階は、一般的に次のように表される^。

M(H ₂ O) _n ^m+ + H ₂ O ⇌ M(H ₂ O) _n−1 (OH) ^(m−1)+ + H ₃ O ⁺

このように、アクアイオンはブレンステッド・ローリーの酸塩基理論において酸として振る舞う。この効果は、正に帯電した金属イオンの誘起効果を考慮することで容易に説明できる。誘起効果によって、結合した水分子のO-H結合が弱まり、プロトンの放出が比較的容易になる。

この反応の解離定数pK _aは、金属イオンの電荷対サイズ比にほぼ線形関係があります。^{[ 15 ]} Na ⁺のような低電荷のイオンは非常に弱い酸で、加水分解はほとんど知覚できません。Ca 2 ⁺、Zn ²⁺、Sn ²⁺、Pb ²⁺のような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ませんが、Be ²⁺のような小さな二価イオンは広範囲に加水分解されます。Al 3+ や Fe 3+ のような三価イオンは弱酸で^、 pK a は^酢酸_のそれと同程度です。BeCl 2やAl(NO ₃ ) ₃などの塩の水溶液は明らかに酸性です。硝酸などの酸を加えると加水分解が抑制され、溶液の酸性度が高くなります_。

加水分解は最初の段階を超えて進行し、多くの場合、オレーションの過程を経て多核種が形成される。^{[ 15 ]} Sn ₃ (OH) 2+ 4 ^{[ 16 ]}のような「エキゾチック」な種はよく特徴付けられている。加水分解はpHの上昇とともに進行する傾向があり、多くの場合、 Al(OH) ₃やAlO(OH)のような水酸化物の沈殿につながる。これらの物質はボーキサイトの主要成分であり、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され、その後、残りのアルミニウムと鉄が加水分解されて形成される。

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により、ケトンに再変換できます。RO · OR−H ₃ O−O ; NR · H ₃ O−O ; RNR−H ₃ O−O。^{[ 17 ]}

酸触媒は加水分解に適用できます。^{[ 18 ]}例えば、セルロースやデンプンをグルコースに変換する場合などです。^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}カルボン酸はエステルの酸加水分解によって生成できます。^{[ 22 ]}

酸はニトリルの加水分解を触媒してアミドを生成する。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ない。酸加水分解は鉱酸の助けを借りて単糖を調製するために使用されるが、ギ酸とトリフルオロ酢酸が使用されたことがある。^{[ 23 ]}

酸加水分解は、セルロース材料の前処理に利用でき、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。^{[ 24 ]}

アルカリ加水分解とは、通常、求核剤が水酸化物イオンである求核置換反応の一種を指します。最もよく知られているのは鹸化反応で、エステルをカルボン酸塩とアルコールに分解する反応です。エステル加水分解では、求核剤である水酸化物イオン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裏付けられています。例えば、酸素18で標識された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、プロピオン酸ナトリウム生成物には酸素18が全く存在せず、生成したエタノールにのみ存在します。^{[ 25 ]}

この反応は、固形有機物を溶解するためによく用いられる。化学薬品を使った排水管洗浄剤は、この方法を利用して配管内の毛髪や脂肪を溶解する。また、この反応は、従来の埋葬や火葬に代わる方法として、人間やその他の動物の遺体の処理にも利用されている。