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化学において、水酸化とは有機化合物に水酸基( −OH )を導入することを指します。水酸化により、非常に一般的な官能基であるアルコールとフェノールが生成されます。水酸化により、ある程度の水溶性が付与されます。炭化水素の水酸化は酸化であり、したがって分解のステップです。
生物学的水酸化
生化学では、ヒドロキシル化反応はヒドロキシラーゼと呼ばれる酵素によって促進されることが多い。これらの酵素はC−H結合に O 原子を挿入する。一般的な炭化水素のヒドロキシル化の典型的な化学量論は以下のとおりである。
- 2R 3 C−H + O 2 → 2 R 3 C−OH
- R 3 C−H + O 2 + 2e − + 2H + → R 3 C−OH + H 2 O
O2自体は反応が遅く非選択的な水酸化剤であるため、反応速度を速め選択性を導入するために触媒が必要である。[1]
ヒドロキシル化は、空気中の有機化合物の分解における最初のステップであることが多い。ヒドロキシル化は、親油性化合物を水溶性（親水性）生成物に変換し、腎臓や肝臓で容易に除去され、排泄されるため、解毒において重要である。一部の薬物（ステロイドなど）は、ヒドロキシル化によって活性化または不活性化される。[2]
自然界における主要な水酸化触媒はシトクロムP-450であり、その数百のバリエーションが知られています。[3]その他の水酸化剤には、フラビン、 α-ケトグルタル酸依存性水酸化酵素（2-オキソグルタル酸依存性ジオキシゲナーゼ）、およびいくつかの二鉄水酸化酵素が含まれます。 [4]
タンパク質の
タンパク質の水酸化は翻訳後修飾として起こり、2-オキソグルタル酸依存性ジオキシゲナーゼによって触媒されます。[5]水酸化はタンパク質の構造と機能に影響を与えるだけでなく、水溶性を向上させます。
ヒトのタンパク質中で最も頻繁に水酸化されるアミノ酸残基はプロリンである。これは、コラーゲンが体内のタンパク質の約25～35%を占め、そのアミノ酸配列のほぼ3残基ごとにヒドロキシプロリンを含んでいるためである。コラーゲンは、3-ヒドロキシプロリン残基と4-ヒドロキシプロリン残基の両方からなる。 [6]水酸化はγ-C原子で起こり、ヒドロキシプロリン（Hyp）を形成し、これが酸素の強い電気陰性効果によりコラーゲンの二次構造を安定化させる。[7]プロリンの水酸化は、低酸素誘導因子を介した低酸素反応の重要な要素でもある。場合によっては、プロリンはβ-C原子上で水酸化されることもある。これら3つの反応は、それぞれプロリル4-ヒドロキシラーゼ、プロリル3-ヒドロキシラーゼ、リジル5-ヒドロキシラーゼという大きな多サブユニット酵素によって触媒される。これらの酵素は鉄（および分子状酸素とα-ケトグルタル酸）を必要とする。これらの酵素は酸素（酸化剤）とアスコルビン酸（ビタミンC、還元剤）を消費する。アスコルビン酸が不足するとプロリン水酸化が欠乏し、コラーゲンの安定性が低下し、壊血病という病気として現れることがある。柑橘類にはビタミンCが豊富に含まれているため、イギリスの船員は長い航海の壊血病対策としてライムを与えられた。そのため、ライムは「ライム」と呼ばれていた。[8]
プロリン以外にも、リジン、アスパラギン、アスパラギン酸、ヒスチジンなど、いくつかのアミノ酸は水酸化されやすい。リジンはδ-C原子上で水酸化され、ヒドロキシリジン（Hyl）を形成する。[9]いくつかの内因性タンパク質にはヒドロキシフェニルアラニン残基とヒドロキシチロシン残基が含まれる。これらの残基は、フェニルアラニンとチロシンの水酸化によって形成され、水酸化によってフェニルアラニン残基がチロシン残基に変換されるプロセスである。[6]チロシンのC-3でのヒドロキシル化により、ホルモンの前駆体であり、ドーパミンに変換できる3,4-ジヒドロキシフェニルアラニン（DOPA）が得られる。
水酸化酵素
合成ヒドロキシル化
ヒドロキシル化はよく研究されているが、有機合成で実用化されることはまれである。 ペルオキシトリフルオロ酢酸は、いくつかのアレーンをフェノールに変換する。ペルオキシ二硫酸塩は、エルブス過硫酸塩酸化においてフェノールをキノールに変換する。硫酸第一鉄と過酸化水素の混合物であるフェントン試薬も同様の挙動を示す。[10]
有機化合物にヒドロキシル基を導入することは、生体模倣触媒、すなわちシトクロムP450などの酵素にヒントを得た触媒によって実現できる。[11]
多くのヒドロキシル化ではC−H結合にO原子が挿入されますが、いくつかの反応では不飽和基質にOH基が付加されます。シャープレスジヒドロキシル化はそのような反応の1つで、アルケンをジオールに変換します。ヒドロキシ基は過酸化水素によって供給され、アルケンの二重結合に付加されます。[12]
メタンの水酸化
メタンは天然ガスに豊富に含まれているため、最も研究されている水酸化基質の1つです。メタンは燃料として歓迎されていますが、メタノールに変換できればさらに価値が高まります。メタンの水酸化に関する研究は、合成アプローチと生物学的アプローチの両方に及びます。自然界ではメタンモノオキシゲナーゼと呼ばれる酵素が進化しており、これは効率的ですが商業用途には実用的ではありません。代わりに、合成触媒が大きな注目を集めていますが、これもまだ実用的な価値はありません。[13]
さらに読む
- Middleton, Elliott Jr; Kandaswami, Chithan ; Theoharides, Theoharis C. (2000). 「植物フラボノイドの哺乳類細胞に対する影響：炎症、心臓病、および癌への影響」。薬理学レビュー。52 (4): 673– 751。PMID 11121513 。
参考文献
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