加水分解

加水分解（ / haɪˈdrɒlɪsɪs / ;古代ギリシャ語の 水力' 水'から、および溶解'から結合解除'）は、水の分子が1 つまたは複数の化学結合を切断する化学反応です。この用語は、水が求核試薬である置換、脱離、および溶媒和反応に広く使用されます。^[1]

生物学的加水分解は、生体分子の開裂であり、水分子が消費されて、より大きな分子が構成要素に分離されます。炭水化物が加水分解によってその構成糖分子に分解されるとき（例えば、ショ糖がブドウ糖と果糖に分解されるとき）、これは糖化として認識されます。^[2]

加水分解反応は、2つの分子がより大きな分子に結合して水分子を放出する凝縮反応の逆である可能性があります。したがって、加水分解は水を加えて分解しますが、凝縮は水を取り除くことによって蓄積します。^[3]

タイプ

通常、加水分解は、水分子が物質に追加される化学プロセスです。この添加により、物質と水分子の両方が2つの部分に分割さ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つのフラグメントが水素イオンを獲得します。化合物の化学結合を切断します。

塩

一般的な種類の加水分解は、弱酸または弱塩基（あるいはその両方）の塩が水に溶解したときに発生します。水は自発的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。塩はまた、その構成要素である陰イオンと陽イオンに解離します。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、最終的な結果は水酸化物イオンが比較的過剰になり、塩基性溶液が生成されます。

強酸も加水分解されます。たとえば、硫酸（H ₂ SO ₄）を水に溶解すると、加水分解が起こり、硫酸の共役塩基であるヒドロニウムと重硫酸塩が生成されます。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-ローリー酸-塩基理論を参照してください。

エステルとアミド

酸塩基触媒による加水分解は非常に一般的です。一例は、アミドまたはエステルの加水分解です。それらの加水分解は、求核試薬（例えば、水またはヒドロキシルイオンなどの核探索剤）がエステルまたはアミドのカルボニル基の炭素を攻撃するときに起こります。水性塩基では、ヒドロキシルイオンは水などの極性分子よりも優れた求核試薬です。酸では、カルボニル基がプロトン化され、これにより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。

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（石鹸の形成）です。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。その過程でグリセリンが生成され、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、家庭で一般的に使用されています。

さらに、生体系では、ほとんどの生化学反応（ATP加水分解を含む）は酵素の触媒作用の間に起こります。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の加水分解を引き起こすことによって消化を助ける酵素）を考えることができます。それらは、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す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。

ただし、プロテアーゼはすべての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。それらの作用は立体選択的です：触媒作用のためにアミド基を適切な位置に置くためにある種の配向力が必要であるため、特定の三次構造を持つタンパク質のみが標的にされます。酵素とその基質（タンパク質）との間に必要な接触が生じるのは、酵素が、基質がはまる隙間を形成するように折りたたまれるためです。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を受けません。この特異性は、ホルモンなどの他のタンパク質の完全性を維持するため、生物学的システムは正常に機能し続けます。

加水分解すると、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（酸の存在下ではすぐにアンモニウム塩に変換されます）。カルボン酸の2つの酸素基の1つは水分子に由来し、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はアミノ酸を与えます。

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。このプロセスは解重合につながります。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砕して故障します。ポリエステルも同様のポリマー分解反応の影響を受けやすくなっています。この問題は、環境ストレスクラッキングとして知られています。

ATP

加水分解は、エネルギー代謝と貯蔵に関連しています。すべての生細胞は、2つの主な目的のために継続的なエネルギーの供給を必要とします。それは、微小分子と高分子の生合成、および細胞膜を通過するイオンと分子の能動輸送です。栄養素の酸化に由来するエネルギーは直接使用されませんが、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つのリン酸ユニットが組み合わされたときに形成される結合）が含まれています。ATPは2つの方法で加水分解を受ける可能性があります。1つは、末端リン酸を除去して形成することです。アデノシン二リン酸（ADP）と無機リン酸塩、反応：

ATP + H
₂O →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、その2つの構成リン酸塩へのさらなる切断を受けます。これにより、通常は鎖状に発生する生合成反応が起こり、リン酸結合が加水分解されたときに合成方向に駆動される可能性があります。

多糖類

単糖はグリコシド結合によって結合することができ、これは加水分解によって切断することができます。このように連結された２つ、３つ、いくつかまたは多くの単糖は、それぞれ、二糖、三糖、オリゴ糖、または多糖を形成する。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」と呼ばれます。

最もよく知られている二糖類はショ糖（テーブルシュガー）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、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、ミルク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、ミルク中 のラクトースを消化できません。

多糖類の可溶性糖への加水分解は、糖化として認識できます。^[2]大麦から作られた麦芽は、デンプンを二糖マルトースに分解するためのβ-アミラーゼの供給源として使用されます。これは、酵母がビールを製造するために使用できます。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ります。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ベータ-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ます。反芻動物牛などは、セルラーゼを生成する共生細菌 のために、セルロースをセロビオースに、次にグルコースに加水分解することができます。

金属アクアイオン

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します。^{[4] [5]}アクアイオンは、多かれ少なかれ加水分解を受けます。最初の加水分解ステップは、一般的に次のように与えられます。

M（H ₂ O）_n ^{m +} ₊ H2O⇌M （H ₂ O）_n-1（OH）^（m-1）+ + H ₃ O ⁺

したがって、ブレンステッド-ローリー酸-塩基理論の観点から、アクアカチオンは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。これは、付着した水分子のOH結合を弱め、プロトンの放出を比較的容易にします。

この反応の解離定数pKa_は、金属イオンの電荷とサイズの比率にほぼ直線的に関連しています。^{[6] Na +}などの低電荷の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ません。^{Ca 2 +}、Zn ^{2 +}、Sn2 ⁺およびPb2 ⁺などの大きな二価イオンは6以上のpKaを持ち、通常は酸として分類されませんが、Be2 +などの小さな二価イオン_は広範囲^に加水分解されます。Al3 +やFe3 +のような三価イオン^は弱酸^であり、その_pKaは酢酸。BeCl ₂やAl（NO ₃）₃などの塩の水溶液は著しく酸性です。硝酸などの酸を加えることで加水分解を抑制し、溶液をより酸性にします。

加水分解は最初のステップ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介して多核種が形成されます。^[6] _{Sn 3}（OH）₄ ^{2+ [7]}などのいくつかの「エキゾチック」種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）などの水酸化物が沈殿します。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の岩石からの浸出と、それに続く残りのアルミニウムと鉄の加水分解によって形成されます。

メカニズム戦略

アセタール、イミン、およびエナミンは、酸触媒条件下で過剰な水で処理することにより、ケトンに戻すことができます。RO・OR-H ₃ O-O; NR・H3 _O -O; RNR-H 3O- _O。^[8]

も参照してください

参考文献