В химии промежуточный продукт реакции или интермедиат — это молекулярное образование , возникающее в ходе ступенчатой химической реакции . Он формируется как продукт реакции 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:
Если эта общая реакция включает две элементарные стадии, то:
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.
Золотая книга ИЮПАК определяет [3] промежуточное соединение как соединение, время жизни которого превышает молекулярную вибрацию , образуется (прямо или косвенно) из реагентов и в дальнейшем реагирует с образованием (прямо или косвенно) продуктов химического соединения . реакция . 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.
Катионы , часто карбокатионы , служат промежуточными продуктами в различных типах реакций синтеза новых соединений.
Карбокатионы образуются в двух основных реакциях присоединения алкенов . В реакции присоединения HX пи-связь алкена действует как нуклеофил и связывается с протоном молекулы HX, где X представляет собой атом галогена . При этом образуется промежуточный карбокатион, а затем X связывается с доступным положительным углеродом, как в следующей двухстадийной реакции. [4]
Аналогично в реакции присоединения H 2 O пи-связь алкена действует как нуклеофил и связывается с протоном молекулы H 3 O + . При этом образуется промежуточный карбокатион (и атом H 2 O); атом кислорода H 2 O затем связывается с положительным углеродом промежуточного соединения. В конце концов кислород депротонируется с образованием конечного спиртового продукта следующим образом. [4]
Реакции нуклеофильного замещения происходят, когда нуклеофильная молекула атакует положительный или частично положительный электрофильный центр, разрывая и создавая новую связь. SN 1 и SN 2 представляют собой 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]
В этой реакции (CH 3 ) 3 C + образуется промежуточный карбокатион с образованием спиртового продукта.
Реакции β-элиминирования или 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]
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]
Алкин-карбанион CHC - является промежуточным продуктом этой реакции. [4]
Радикалы очень реакционноспособны и недолговечны, так как имеют неспаренный электрон, что делает их крайне нестабильными. Радикалы часто вступают в реакцию с молекулами углерода, присоединенными к атому водорода, эффективно превращая углерод в радикал и одновременно стабилизируя предыдущий 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 представляет собой цепную реакцию. Если анализируются только продукты и реагенты, результат будет:
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:
Реагенты:
Продукты:
Остальные виды являются промежуточными продуктами реакции:
Это совокупность необратимых реакций второго порядка:
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.
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.
Эти новые радикалы, содержащие углерод, теперь реагируют со второй молекулой Cl 2 . 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.
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).
Соединение одного метильного радикала с радикалом Cl с образованием хлорметана (еще одна реакция с образованием промежуточного продукта).
Союз двух радикалов Cl для реформирования газообразного хлора (реакция реформирования реагента).
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 промежуточный нуклеотид ADP.P i 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]
В химической промышленности термин « промежуточное соединение» 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]
{{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link)