В химии промежуточное вещество реакции , или промежуточный продукт , представляет собой молекулярную сущность , возникающую в последовательности ступенчатой химической реакции . Он образуется как Продукт реакции элементарного шага , из реагентов и/или предшествующих промежуточных продуктов, но потребляется на более позднем шаге. Он не появляется в химическом уравнении для общей реакции. [1]
Например, рассмотрим такую гипотетическую реакцию:
Если эта общая реакция состоит из двух элементарных стадий, то:
тогда X является промежуточным продуктом реакции.
Фраза «промежуточный продукт реакции» часто сокращается до одного слова «промежуточный продукт» , и это предпочтительная форма термина ИЮПАК . [2] Но эта более короткая форма имеет и другие применения. Она часто относится к реактивным промежуточным продуктам . Она также используется более широко для химикатов, таких как кумол , которые продаются в химической промышленности, но обычно не представляют ценности за ее пределами.
Золотая книга ИЮПАК определяет [3] промежуточное соединение как соединение, которое имеет время жизни больше, чем молекулярная вибрация , образуется (прямо или косвенно) из реагентов и реагирует далее, давая (прямо или косвенно) продукты химической реакции . Условие времени жизни отличает истинные, химически различные промежуточные соединения, как от колебательных состояний, так и от переходных состояний (которые, по определению, имеют время жизни, близкое к времени жизни молекулярной вибрации).
Различные этапы многоэтапной реакции часто сильно различаются по скоростям реакции . Если разница существенна, промежуточный продукт, расходуемый быстрее другого, можно описать как относительный промежуточный продукт. Реактивный промежуточный продукт — это тот, который из-за своего короткого времени жизни не остается в смеси продуктов. Реактивные промежуточные продукты обычно имеют высокую энергию, нестабильны и редко изолируются.
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 . Это образует промежуточный карбокатион, а затем X связывается с доступным положительным углеродом, как в следующей двухэтапной реакции. [4]
Аналогично, в реакции присоединения H 2 O , пи-связь алкена действует как нуклеофил и связывается с протоном молекулы [H 3 O] + . Это образует промежуточный карбокатион (и атом H 2 O ); атом кислорода H 2 O затем связывается с положительным углеродом промежуточного продукта. Кислород в конечном итоге депротонируется, образуя конечный спиртовой продукт, как указано ниже. [4]
Реакции нуклеофильного замещения происходят, когда нуклеофильная молекула атакует положительный или частично положительный электрофильный центр, разрывая и создавая новую связь. S N 1 и S N 2 являются двумя различными механизмами нуклеофильного замещения, и S N 1 включает промежуточный карбокатион. В S N 1 уходящая группа разрывается, создавая промежуточный карбокатион. Затем нуклеофил атакует и образует новую связь с промежуточным карбокатионом, образуя конечный замещенный продукт, как показано в реакции 2-бром-2-метилпропана с образованием 2-метил-2-пропанола . [4]
В этой реакции (CH 3 ) 3 C + является образующимся промежуточным карбокатионом для образования спиртового продукта.
Реакции β-элиминирования или элиминирования происходят посредством потери замещающей уходящей группы и потери протона с образованием пи-связи. E1 и E2 — это два разных механизма реакций элиминирования, и E1 включает промежуточный карбокатион. В E1 уходящая группа отделяется от углерода с образованием промежуточного карбокатиона. Затем растворитель удаляет протон, но электроны, используемые для образования протонной связи, образуют пи-связь, как показано на изображенной реакции справа. [4]
Карбанион — это органическая молекула, в которой атом углерода не является электронно-дефицитным, но содержит общий отрицательный заряд. Карбанионы — сильные нуклеофилы, которые могут быть использованы для удлинения углеродного остова алкена в реакции синтеза, показанной ниже. [5]
Алкиновый карбанион CHC − является промежуточным продуктом в этой реакции. [4]
Радикалы очень реактивны и недолговечны, так как имеют неспаренный электрон, что делает их крайне нестабильными. Радикалы часто реагируют с водородами, присоединенными к молекулам углерода, эффективно превращая углерод в радикал, одновременно стабилизируя прежний радикал в процессе, называемом распространением. Образованный продукт, углеродный радикал, может реагировать с нерадикальной молекулой, чтобы продолжить распространение, или реагировать с другим радикалом, чтобы сформировать новую стабильную молекулу, такую как более длинная углеродная цепь или алкилгалогенид. [4]
Приведенный ниже пример хлорирования метана демонстрирует многоступенчатую реакцию с участием радикалов.
Хлорирование метана — это цепная реакция. Если проанализировать только продукты и реагенты, то результат будет следующим:
Однако эта реакция имеет 3 промежуточных реагента, которые образуются в ходе последовательности из 4 необратимых реакций второго порядка, пока мы не придем к конечному продукту. Вот почему это называется цепной реакцией. Следуя только углеродсодержащим видам в ряду:
Реагенты: CH4 + 4 Cl2
Продукты: CCl4 + 4HCl
Другие виды являются промежуточными продуктами реакции: CH 3 Cl, CH 2 Cl 2 , CHCl 3
Это набор необратимых реакций второго порядка:
Концентрации этих промежуточных видов 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 молекулярной связи хлора.
При разрыве связи образуются два высокореакционноспособных атома хлора.
Распространение : Эта стадия имеет два различных класса реакций. Первый — это отрыв водорода от углеродных видов радикалами хлора. Это происходит, потому что атомы хлора сами по себе нестабильны, и эти атомы хлора реагируют с одним из водородов углеродных видов. Результатом является образование соляной кислоты и новой радикальной метильной группы.
Эти новые радикальные углеродсодержащие виды теперь реагируют со второй молекулой CHCCl 2. Это регенерирует радикал хлора, и цикл продолжается. Эта реакция происходит, поскольку, хотя радикальные метильные виды более стабильны, чем радикальные хлоры, общая стабильность вновь образованных видов хлорметана более чем компенсирует разницу в энергии.
В ходе реакции образуется несколько высокореакционноспособных частиц, которые будут удалены и стабилизированы на этапе завершения.
Терминация : Этот тип реакции происходит, когда радикальные виды взаимодействуют напрямую. Продукты реакций терминации обычно имеют очень низкий выход по сравнению с основными продуктами или промежуточными продуктами, поскольку высокореактивные радикальные виды находятся в относительно низкой концентрации по отношению к остальной части смеси. Этот тип реакции производит стабильные побочные продукты, реагенты или промежуточные продукты и замедляет реакцию распространения, уменьшая количество радикалов, доступных для распространения цепной реакции.
Существует множество различных комбинаций завершения, вот некоторые примеры:
Объединение метильных радикалов из связи CC, приводящее к этану (побочный продукт).
Объединение одного метильного радикала с радикалом Cl с образованием хлорметана (еще одна реакция с образованием промежуточного продукта).
Объединение двух радикалов Cl для преобразования газообразного хлора (реакция преобразования 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 обычно используемым антибиотикам, таким как пенициллин . Металло-β-лактамаза может катализировать β-лактамы , семейство распространенных антибиотиков. Методы спектроскопии показали, что промежуточный продукт реакции металло-β-лактамазы использует цинк в пути устойчивости. [6]
Другой пример важности промежуточных продуктов реакции можно увидеть на примере AAA-ATPase p97, белка, который используется в различных клеточных метаболических процессах. p97 также связан с дегенеративными заболеваниями и раком . В исследовании, изучающем промежуточные продукты реакции функции AAA-ATPase p97, было обнаружено, что важный промежуточный нуклеотид ADP.P i важен в молекулярной работе p97. [7]
Дополнительный пример биологически значимых промежуточных продуктов реакции можно найти в ферментах RCL, которые катализируют гликозидные связи . При изучении с использованием метанолиза было обнаружено, что реакция требует образования промежуточного продукта реакции. [8]
В химической промышленности термин « промежуточный» может также относиться к (стабильному) продукту реакции, который сам по себе ценен только как прекурсорный химикат для других отраслей. Типичным примером является кумол , который производится из бензола и пропилена и используется для производства ацетона и фенола в кумольном процессе . Сам по себе кумол имеет относительно небольшую ценность и обычно покупается и продается только химическими компаниями. [9]
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )