Промежуточный продукт реакции
В химии , промежуточный продукт реакции или интермедиат , — это молекулярное образование , возникающее в ходе ступенчатой химической реакции . Он образуется как продукт реакции на элементарной стадии из реагентов и/или предшествующих промежуточных продуктов, но расходуется на более поздней стадии. Он не появляется в химическом уравнении общей реакции. [1]
Например, рассмотрим эту гипотетическую реакцию:
- А + Б → С + Г
Если эта общая реакция включает две элементарные стадии, то:
- А + Б → Х
- Икс → С + D
тогда X является промежуточным продуктом реакции.
Сама фраза « промежуточный продукт реакции » очень часто сокращается до одного слова «промежуточный» , и это . предпочтительная форма термина ИЮПАК [2] Но эта более короткая форма имеет и другие применения. Это часто относится к реактивным промежуточным соединениям . Он также более широко используется для химических веществ, таких как кумол , которые продаются в химической промышленности, но обычно не имеют ценности за ее пределами.
Определение ИЮПАК [ править ]
ИЮПАК Золотая книга определяет [3] соединение промежуточное как соединение, время жизни которого превышает молекулярную вибрацию , образуется (прямо или косвенно) из реагентов и вступает в дальнейшую реакцию с образованием (прямо или косвенно) продуктов химической реакции . Условие времени жизни отличает истинные химически различные промежуточные соединения как из колебательных состояний, так и из переходных состояний (которые по определению имеют время жизни, близкое к времени жизни молекулярных колебаний).
Различные стадии многостадийной реакции часто сильно различаются по скорости реакции . Если разница значительна, промежуточный продукт, потребляемый быстрее, чем другой, можно назвать относительным промежуточным продуктом. Реакционноспособным промежуточным продуктом является тот, который из-за своего короткого времени жизни не остается в смеси продуктов. Реактивные промежуточные соединения обычно высокоэнергетические, нестабильные и редко выделяются.
реакции Общие промежуточные продукты
Карбокатионы [ править ]
Катионы , часто карбокатионы , служат промежуточными продуктами в различных типах реакций синтеза новых соединений.
алкенов Промежуточные при присоединении карбокатионы
Карбокатионы образуются в двух основных алкенов реакциях присоединения . В реакции присоединения HX пи-связь алкена действует как нуклеофил и связывается с протоном молекулы HX, где X представляет собой галогена атом . При этом образуется промежуточный карбокатион, а затем X связывается с доступным положительным углеродом, как в следующей двухстадийной реакции. [4]
- СН 2 СН 2 + НХ → СН 2 СН + 3 + Х −
- СН 2 СН + 3 + Х − → СН 2 ХСН 3
Аналогично, в В реакции присоединения H 2 O пи-связь алкена действует как нуклеофил и связывается с протоном алкена. [ Н3О ] + молекула. При этом образуется промежуточный карбокатион (и атом H 2 O ); атом кислорода Затем H 2 O связывается с положительным углеродом промежуточного соединения. В конце концов кислород депротонируется с образованием конечного спиртового продукта следующим образом. [4]
- СН 2 СН 2 + [Н 3 О] + → СН 2 СН + 3 + Н 2 О
- СН 2 СН + 3 + Н 2 О → СН 2 ОН 2 СН + 3
- СН 2 ОН 2 СН + 3 + Н 2 О → СН 3 СН 2 ОН + [Н 3 О] +
Карбокатионные нуклеофильного замещения интермедиаты
Реакции нуклеофильного замещения происходят, когда нуклеофильная молекула атакует положительный или частично положительный электрофильный центр, разрывая и создавая новую связь. SN представляют 1 и SN собой 2 два разных механизма нуклеофильного замещения, а SN 1 включает промежуточный карбокатион. В S N 1 уходящая группа отрывается с образованием промежуточного продукта реакции карбокатиона. Затем нуклеофил атакует и образует новую связь с промежуточным карбокатионом с образованием конечного замещенного продукта, как показано в реакции 2-бром-2-метилпропана с образованием 2-метил-2-пропанола . [4]
- (СН 3 ) 3 CBr → (СН 3 ) 3 С +
- (СН 3 ) 3 С + + Н 2 О → (СН 3 ) 3 ОН + 2
- (СН 3 ) 3 ОН + 2 → (СН 3 ) 3 ОН + Н +
В этой реакции (СН 3 ) 3 С + представляет собой образовавшийся промежуточный карбокатион с образованием спиртового продукта.
в элиминирования реакциях Карбокатионные интермедиаты
β-элиминирования или Реакции элиминирования происходят за счет потери уходящей группы заместителя и потери протона с образованием пи-связи. E1 и E2 представляют собой два разных механизма реакций элиминирования, а E1 включает промежуточный карбокатион. В E1 уходящая группа отрывается от углерода с образованием промежуточного продукта реакции карбокатиона. Затем растворитель удаляет протон, но электроны, используемые для образования протонной связи, образуют пи-связь, как показано на изображении реакции справа. [4]
Карбанионы [ править ]
Карбанион — это органическая молекула, в которой атом углерода не имеет дефицита электронов, но содержит общий отрицательный заряд. Карбанионы являются сильными нуклеофилами, которые можно использовать для удлинения углеродной цепи алкена в реакции синтеза, показанной ниже. [5]
- C 2 H 2 с NaNH 2 в NH 3 (ж) → CHC −
- CHC − + БрСН 2 СН 3 → СН-СН 2 СН 3
Алкинкарбанион, CHC − , является промежуточным продуктом этой реакции. [4]
Радикалы [ править ]
Радикалы очень реакционноспособны и недолговечны, так как имеют неспаренный электрон, что делает их крайне нестабильными. Радикалы часто реагируют с атомами водорода, присоединенными к молекулам углерода, эффективно превращая углерод в радикал и одновременно стабилизируя первый радикал в процессе, называемом распространением. Образовавшийся продукт, углеродный радикал, может реагировать с нерадикальной молекулой для продолжения распространения или реагировать с другим радикалом с образованием новой стабильной молекулы, такой как более длинная углеродная цепь или алкилгалогенид. [4]
Приведенный ниже пример хлорирования метана показывает многостадийную реакцию с участием радикалов.
Хлорирование метана [ править ]
Хлорирование метана представляет собой цепную реакцию. Если анализируются только продукты и реагенты, результат будет:
- CH 4 + 4 Cl 2 → CCl 4 + 4 HCl
Однако в этой реакции есть 3 промежуточных реагента, которые образуются в ходе последовательности из 4 необратимых реакций второго порядка, пока мы не получим конечный продукт. Вот почему это называется цепной реакцией. Следуя только за углеродсодержащими видами последовательно:
- CH 4 → CH 3 Cl → CH 2 Cl 2 → CHCl 3 → CCl 4
Реагенты: СН 4 + 4 Cl 2
Продукты: CCl 4 + 4 HCl
Остальные виды являются промежуточными продуктами реакции: СН 3 Cl, СН 2 Cl 2 , CHCl 3
Это совокупность необратимых реакций второго порядка:
- СН 4 + Cl 2 → СН 3 Cl + HCl
- CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCl
- CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + HCl
- CHCl 3 + Cl 2 → CCl 4 + HCl
Концентрации этих промежуточных соединений можно рассчитать путем интегрирования системы кинетических уравнений. Полная реакция представляет собой реакцию распространения свободных радикалов, которая подробно описана ниже.
Инициирование : Эта реакция может происходить путем термолиза (нагревания) или фотолиза (поглощения света), что приводит к разрыву связи молекулярного хлора.
- Cl−Cl Cl• + Cl•
Когда связь разрывается, образуются два высокореакционноспособных атома хлора.
Распространение : на этой стадии есть два различных класса реакций. Первый — это отщепление водорода от углеродных частиц радикалами хлора. Это происходит потому, что сами по себе атомы хлора нестабильны, и эти атомы хлора реагируют с атомами водорода одной из разновидностей углерода. В результате образуется соляная кислота и новый радикал метильной группы.
- CH 3 −H + Cl• → CH 3 • + H−Cl
- CH 2 Cl−H + Cl• → CH 2 Cl• + H−Cl
- CHCl 2 −H + Cl• → CHCl 2 • + H−Cl
- CCl 3 −H + Cl• → CCl 3 • + H−Cl
Эти новые радикальные углеродсодержащие соединения теперь реагируют со второй CHCCl2 Молекула . Это регенерирует радикал хлора, и цикл продолжается. Эта реакция происходит потому, что, хотя радикальные метильные частицы более стабильны, чем радикальные хлоры, общая стабильность вновь образованных форм хлорметана более чем компенсирует разницу в энергии.
- CH 3 • + Cl−Cl → CH 3 Cl + Cl•
- CH 2 Cl• + Cl−Cl → CH 2 Cl 2 + Cl•
- CHCl 2 • + Cl−Cl → CHCl 3 + Cl•
- CCl 3 • + Cl−Cl → CCl 4 + Cl•
Во время распространения реакции существует несколько высокореактивных частиц, которые будут удалены и стабилизированы на стадии завершения.
Прекращение : этот вид реакции происходит при прямом взаимодействии радикальных частиц. Продукты реакций обрыва обычно имеют очень низкий выход по сравнению с основными продуктами или промежуточными продуктами, поскольку высокореакционноспособные радикалы находятся в относительно низкой концентрации по сравнению с остальной частью смеси. Этот тип реакции приводит к образованию стабильных побочных продуктов, реагентов или промежуточных продуктов и замедляет реакцию распространения за счет снижения количества радикалов, доступных для распространения цепной реакции.
Существует множество различных комбинаций завершения, вот некоторые примеры:
Объединение метильных радикалов по связи CC с образованием этана (побочный продукт).
- СН 3 • + СН 3 • → СН 3 −СН 3
Соединение одного метильного радикала с радикалом Cl с образованием хлорметана (еще одна реакция с образованием промежуточного продукта).
- СН 3 • + Cl• → СН 3 Cl
Союз двух радикалов Cl для реформирования газообразного хлора (реакция реформирования реагента).
- Cl• + Cl• → Cl 2
Приложения [ править ]
Биологические промежуточные продукты [ править ]
Промежуточные продукты реакции служат целям в различных биологических условиях. Примером этого является промежуточный продукт ферментативной реакции металло-β-лактамазы, который бактерии могут использовать для приобретения устойчивости к широко используемым антибиотикам, таким как пенициллин . Металло-β-лактамазы могут катализировать действие β-лактамов , семейства распространенных антибиотиков. Методы спектроскопии показали, что промежуточный продукт реакции металло-β-лактамазы использует цинк на пути устойчивости. [6]
Еще одним примером важности промежуточных продуктов реакции является ААА-АТФаза p97, белок, который используется в различных клеточных метаболических процессах. p97 также связан с дегенеративными заболеваниями и раком . В исследовании промежуточных продуктов реакции функции AAA-АТФазы p97 было обнаружено, что важный ADP.P i промежуточный нуклеотид играет важную роль в молекулярной работе p97. [7]
Дополнительный пример биологически значимых промежуточных продуктов реакции можно найти в ферментах RCL, которые катализируют гликозидные связи . При изучении метода метанолиза было обнаружено, что реакция требует образования промежуточного продукта реакции. [8]
Химическая перерабатывающая промышленность [ править ]
В химической промышленности термин «промежуточный продукт» может также относиться к (стабильному) продукту реакции, который сам по себе ценен только как химический предшественник для других отраслей промышленности. Типичным примером является кумол , который производится из бензола и пропилена и используется для получения ацетона и фенола в кумоловом процессе . Сам по себе кумол имеет относительно небольшую ценность и обычно покупается и продается только химическими компаниями. [9]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Мур, Джон В. (2015). Химия: молекулярная наука . Конрад Л. Станицки (Пятое изд.). Стэмфорд, Коннектикут. ISBN 978-1-285-19904-7 . OCLC 891494431 .
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Химия (ИЮПАК), Международный союз теоретической и прикладной химии. «ИЮПАК – промежуточный (I03096)» . goldbook.iupac.org . Проверено 22 сентября 2023 г.
- ^ Химия (ИЮПАК), Международный союз теоретической и прикладной химии. «ИЮПАК – промежуточный (I03096)» . goldbook.iupac.org . Проверено 17 ноября 2022 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и ж Браун, Уильям Генри (2018). Органическая химия . Брент Л. Айверсон, Эрик В. Анслин, Кристофер С. Фут (Восьмое изд.). Бостон, Массачусетс. ISBN 978-1-305-58035-0 . OCLC 974377227 .
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Уэллетт, Роберт Дж. (2014). Органическая химия: структура, механизм и синтез . Дж. Дэвид Рон. [Место публикации не указано]: Elsevier. ISBN 978-1-306-87645-2 . OCLC 881509857 .
- ^ Гаррити, Джеймс Д.; Беннетт, Брайан; Краудер, Майкл В. (1 января 2005 г.). «Прямое доказательство того, что промежуточный продукт реакции металло-β-лактамазы L1 связан с металлом» . Биохимия . 44 (3): 1078–1087. дои : 10.1021/bi048385b . ISSN 0006-2960 . ПМИД 15654764 . S2CID 10042904 .
- ^ Рыдзек, Саймон; Шеин, Михаил; Белицкий, Павел; Шютц, Энн К. (26 августа 2020 г.). «Наблюдение промежуточного продукта временной реакции проливает свет на механохимический цикл ААА-АТФазы p97» . Журнал Американского химического общества . 142 (34): 14472–14480. дои : 10.1021/jacs.0c03180 . ISSN 0002-7863 . S2CID 221123424 .
- ^ Доддапанени, Киран; Захуранчик, Уолтер; Хаушальтер, Адам; Юань, Чуньхуа; Джекман, Джейн; Ву, Чжэнжун (31 мая 2011 г.). «RCL гидролизует 2'-дезоксирибонуклеозид-5'-монофосфат посредством образования промежуточного продукта реакции» . Биохимия . 50 (21): 4712–4719. дои : 10.1021/bi101742z . ISSN 0006-2960 . ПМИД 21510673 .
- ^ Некоторые химические вещества, присутствующие в промышленных и потребительских товарах, продуктах питания и питьевой воде . Лион (Франция): Международное агентство по исследованию рака. 2013. ISBN 978-9283213246 .
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
