Reaktion mellanliggande

Inom kemi är en reaktionsintermediär eller en intermediär en molekylär enhet som bildas från reaktanterna (eller föregående intermediärer) men som konsumeras i ytterligare reaktioner i stegvisa kemiska reaktioner som innehåller flera elementära steg. Intermediärer är reaktionsprodukten av ett elementärt steg, men förekommer inte i den kemiska ekvationen för en övergripande kemisk ekvation.

Tänk till exempel på denna hypotetiska stegvisa reaktion:

{\ce {A + B -> C + D}}

Reaktionen inkluderar två elementära steg:

{\ce {A + B -> X}}

{\ce {X -> C + D}}

I detta exempel är X en reaktionsmellanprodukt.

IUPAC definition

IUPAC Gold Book definierar en intermediär som en förening som har en livstid som är längre än en molekylär vibration som bildas (direkt eller indirekt) från reaktanterna och reagerar vidare för att ge (antingen direkt eller indirekt) produkterna från en kemisk reaktion . Livstidstillståndet skiljer sanna, kemiskt distinkta mellanprodukter från vibrationstillstånd eller sådana övergångstillstånd som per definition har en livslängd nära den för molekylär vibration.

Kinetiskt konsumeras intermediärer ofta snabbt i en stegvis mekanism. Beteckningen "snabb" eller "långsam" konsumtionshastighet är relativ, och en relativ mellanprodukt separeras ibland från en reaktionsmellanprodukt baserat på att den är relativt kortlivad. Reaktiva intermediärer är en instabil typ av reaktionsintermediär och är vanligtvis kortlivade, högenergiska och sällan isolerade. De finns inte kvar i produktblandningen på grund av sin korta livslängd, till skillnad från andra reaktionsmellanprodukter.

Vanliga reaktionsmellanprodukter

Kolhydrater

Katjoner , ofta karbokater , fungerar som mellanprodukter i olika typer av reaktioner för att syntetisera nya föreningar.

Carbocation intermediärer i alkentillsats

Karbokationer bildas i två stora alkenadditionsreaktioner . I en HX-additionsreaktion - bindningen av en alken som en nukleofil och binder till protonen i en HX-molekyl, där X är en halogenatom . Detta bildar en karbokatjon-mellanprodukt, och X binder till det positiva kolet som är tillgängligt, som i exempelreaktionen som visas nedan.

CH ₂ CH ₂ + HX → CH ₂ CH ₃⁺ + X ^-

CH ₂ CH ₃⁺ + X ^- → CH ₂ XCH ₃

På liknande sätt, i en H ₂ O-additionsreaktion, fungerar pi-bindningen av en alken som en nukleofil och binder till protonen i en H ₃ O ⁺ -molekyl. Detta bildar en karbokatjon-mellanprodukt, och sedan binder syreatomen i H ₂ O till det positiva kolet i mellanprodukten. Syret deprotoneras slutligen för att bilda en slutlig alkoholprodukt , som visas nedan.

CH ₂ CH ₂ + H ₃ O ⁺ → CH ₂ CH ₃⁺ + H ₂ O

CH ₂ CH ₃⁺ + H ₂ O → CH ₂ OH ₂ CH ₃⁺

CH ₂ OH ₂ CH ₃⁺ + H ₂ O → CH ₂ OHCH3 + _H3O⁺_{_} _

Carbocation intermediärer i nukleofil substitution

Nukleofila substitutionsreaktioner uppstår när en nukleofil molekyl attackerar ett positivt eller delvis positivt elektrofilt centrum genom att bryta och skapa en ny bindning. _{mellanprodukt} SN 1 och _. SN 2 är två olika mekanismer för nukleofil substitution, och SN ₁ involverar en karbocation- I S _N 1 bryts en utgående grupp av för att skapa en karbokatjonreaktionsintermediär. Sedan attackerar en nukleofil och bildar en ny bindning med karbokatjonmellanprodukten för att bilda den slutliga, substituerade produkten, som visas i reaktionen av 2-brom-2-metylpropan för att bilda 2-metyl-2-propanol.

(CH ₃ ) ₃ CBr → (CH ₃ ) ₃ C ⁺

(CH ₃ ) ₃ C ⁺ + H ₂ O → (CH ₃ ) ₃ OH ₂⁺

(CH ₃ ) ₃ OH ₂⁺ → (CH ₃ ) ₃ OH + H ⁺

I denna reaktion är (CH3 ₎ 3C ₊^den bildade karbokatjonmellanprodukten för att bilda alkoholprodukten.

Carbocation intermediärer i elimineringsreaktioner

β-eliminerings- eller elimineringsreaktioner sker genom förlust av en substituent som lämnar grupp och förlust av en proton för att bilda en pi-bindning. E1 och E2 är två olika mekanismer för elimineringsreaktioner, och E1 involverar en karbokatationsmellanprodukt. I E1 lösgörs en lämnande grupp från ett kol för att bilda en karbokatjonreaktionsmellanprodukt. Sedan tar ett lösningsmedel bort en proton, men elektronerna som används för att bilda protonbindningen bildar en pi-bindning, som visas i den avbildade reaktionen till höger.

Karbanjoner

En karbanjon är en organisk molekyl där en kolatom inte är elektronbrist utan innehåller en övergripande negativ laddning. Karbanjoner är starka nukleofiler, som kan användas för att förlänga en alkens kolryggrad i syntesreaktionen som visas nedan.

C ₂ H ₂ med NaNH ₂ i NH ₃ (l) → CHC ^-

CHC ^- + BrCH ₂ CH ₃ → CHCCH ₂ CH ₃

Alkynkarbanjonen, CHC-, ^är en reaktionsmellanprodukt i denna reaktion.

Radikaler

Radikaler är mycket reaktiva och kortlivade, eftersom de har en oparad elektron som gör den extremt instabil. Radikaler reagerar ofta med väte bundna kolmolekyler, vilket effektivt gör kolet till en radikal samtidigt som det stabiliserar den tidigare radikalen i en process som kallas förökning. Den bildade produkten, en kolradikal, kan reagera med icke-radikalmolekyl för att fortsätta fortplantningen eller reagera med en annan radikal för att bilda en ny stabil molekyl såsom en längre kolkedja eller en alkylhalid.

Exemplet nedan på metanklorering visar en flerstegsreaktion som involverar radikaler.

Metanklorering

Metanklorering är en kedjereaktion. Om endast produkterna och reaktanterna analyseras blir resultatet:

{\ce {CH4 + 4Cl2->CCl4 +4HCl}}

Denna reaktion har dock 3 mellanliggande reaktanter som bildas under en sekvens av 4 irreversibla andra ordningens reaktioner tills vi kommer fram till slutprodukten. Det är därför det kallas en kedjereaktion. Följer endast de kolinnehållande arterna i serie:

{\ce {CH4 -> CH3Cl -> CH2Cl2 -> CHCl3 -> CCl4}}

Reaktanter: ${\ce {CH4 + 4Cl2}}$

Produkter: ${\ce {CCl4 + 4HCl}}$

De andra arterna är reaktionsmellanprodukter: ${\ce {CH3Cl, CH2Cl2, CHCl3}}$

Dessa är uppsättningen av irreversibla andra ordningens reaktioner:

{\ce {CH4 + Cl2->CH3Cl + HCl}}

{\ce {CH3Cl + Cl2->CH2Cl2 + HCl}}

{\ce {CH2Cl2 + Cl2->CHCl3 + HCl}}

{\ce {CHCl3 + Cl2->CCl4 + HCl}}

Dessa mellanliggande arters koncentrationer kan beräknas genom att integrera systemet med kinetiska ekvationer. Den fullständiga reaktionen är en förökningsreaktion för fria radikaler som fylls i i detalj nedan.

Initiering : Denna reaktion kan ske genom termolys (uppvärmning) eller fotolys (absorption av ljus) vilket leder till att en molekylär klorbindning bryts.

{\ce {Cl-Cl ->[h \nu] Cl. + Cl.}}

När bindningen bryts producerar den två mycket reaktiva kloratomer.

Förökning : Detta stadium har två distinkta reaktionsklasser. Den första är avlägsnandet av ett väte från kolsorterna av klorradikaler. Detta beror på att enbart kloratomer är instabila, och dessa kloratomer reagerar med en av kolarternas väte. Resultatet är bildningen av saltsyra och en ny radikal metylgrupp.

{\ce {CH3-H + Cl. -> CH3.  + H-Cl}}

{\ce {CH2Cl-H + Cl. -> CH2Cl.  + H-Cl}}

{\ce {CHCl2-H + Cl. -> CHCI2.  + H-Cl}}

{\ce {CCl3-H + Cl. -> CCl3.  + H-Cl}}

Dessa nya radikalkolhaltiga ämnen reagerar nu med en andra Cl2- _molekyl . Detta regenererar klorradikalen och cykeln fortsätter. Denna reaktion inträffar på grund av att medan radikalmetylarterna är mer stabila än radikalklorerna, utgör den totala stabiliteten hos de nybildade klormetanspecies mer än energiskillnaden.

{\ce {CH3. + Cl-Cl -> CH3Cl + Cl.}}

{\ce {CH2Cl. + Cl-Cl -> CH2Cl2 + Cl.}}

{\ce {CHCl2. + Cl-Cl -> CHCl3 + Cl.}}

{\ce {CCl3. + Cl-Cl -> CCl4 + Cl.}}

Under fortplantningen av reaktionen finns det flera mycket reaktiva ämnen som kommer att avlägsnas och stabiliseras vid avslutningssteget.

Avslutning : Denna typ av reaktion äger rum när de radikala arterna interagerar direkt. Produkterna från termineringsreaktionerna har typiskt mycket lågt utbyte i jämförelse med huvudprodukterna eller mellanprodukterna, eftersom de mycket reaktiva radikalerna är i relativt låg koncentration i förhållande till resten av blandningen. Denna typ av reaktion producerar stabila biprodukter, reaktanter eller intermediärer och bromsar utbredningsreaktionen genom att sänka antalet radikaler som är tillgängliga för att sprida kedjereaktionen.

Det finns många olika uppsägningskombinationer, några exempel är:

Förening av metylradikaler från en CC-bindning som leder till etan (en biprodukt).

{\ce {CH3. + CH3.  -> CH3-CH3}}

Förening av en metylradikal till en Cl-radikal som bildar klormetan (en annan reaktion som bildar en mellanprodukt).

{\ce {CH3. + Cl.  -> CH3Cl}}

Förening av två Cl-radikaler för att reformera klorgas (en reaktion som reformerar en reaktant).

{\ce {Cl. + Cl.  -> Cl2}}

Ansökningar

Biologiska mellanprodukter

Reaktionsintermediärer tjänar syften i en mängd olika biologiska miljöer. Ett exempel på detta visas med enzymreaktionsintermediären av metallo-β-laktamas, som bakterier kan använda för att förvärva resistens mot vanliga antibiotika som penicillin . Metallo-β-laktamas kan katalysera β-laktamer , en familj av vanliga antibiotika. Spektroskopitekniker har funnit att reaktionsmellanprodukten av metallo-β-laktamas använder zink i resistensvägen.

Ett annat exempel på betydelsen av reaktionsmellanprodukter ses med AAA-ATPas p97, ett protein som används i en mängd olika cellulära metaboliska processer. p97 är också kopplat till degenerativ sjukdom och cancer . I en studie som tittade på reaktionsintermediärer av AAA-ATPas p97-funktionen fann man att en viktig ADP.Pi- _{nukleotidintermediär} är viktig i p97-molekylär drift .

Ett ytterligare exempel på biologiskt relevanta reaktionsintermediärer kan hittas med RCL-enzymer, som katalyserar glykosidbindningar . När man studerade med metanolys visade det sig att reaktionen krävde bildandet av en reaktionsmellanprodukt.

Kemisk processindustri

I den kemiska industrin kan termen intermediär också hänvisa till den (stabila) produkten av en reaktion som i sig är värdefull endast som en prekursorkemikalie för andra industrier. Ett vanligt exempel är kumen som tillverkas av bensen och propen och som används för att göra aceton och fenol i kumenprocessen . Kumenen i sig är av relativt lite värde i och för sig och köps och säljs vanligtvis endast av kemiföretag.

Se även

Aktiverat komplex