Перевод деловых документов

Слава интермедиатам!

Роалд Хофман,
лауреат Нобелевской премии по химии за 1981 год
«Химия и жизнь» №8, 2012

В предстоящей кампании по выбору президента США наверняка кого-нибудь из политиков назовут «катализатором перемен» — и это будет позитивная характеристика кандидата. Наша психика устроена таким образом, что надежда на перемены к лучшему в ней живет вечно, поэтому мы не устаем от этой фразы. «Катализ» — одно из немногих химических понятий, которое вошло в разговорный язык. Он захватывает наше воображение как символ перемен и трансформации. Но в равной степени заслуживают нашего внимания и промежуточные продукты, которые получаются в каталитической реакции. Их называют интермедиатами.

Как заставить ее идти

Предположим, что А и В — это молекулы, которые в соответствии со строгими требованиями термодинамики должны самопроизвольно реагировать и давать продукт, который мы назовем Р (P может быть и не одной, а несколькими молекулами). Под выражением «должны реагировать» я подразумеваю, что энергия Гиббса — это чудесное сочетание энтальпии и энтропии — уменьшается, как только А и B превращаются в Р. Другими словами, в реакции высвобождается энергия, поэтому она должна протекать самопроизвольно.

Однако часто реакция не идет, даже если мы добавим в систему умеренное количество энергии, например, подогреем реагирующие вещества. Причина этого — возможный выигрыш (энергия Гиббса, которая должна высвободиться в процессе реакции) просто не доступен, и молекулы мягко сталкиваются в тепловом равновесии, не реагируя между собой. Дело в том, что каждая реакция имеет энергию активации — это «холм», до верхушки которого должна подняться энергия, перед тем как она высвободится в реакции и станет доступной (рис. 1, верхний график). При комнатной температуре и обычном давлении только бесконечно малое число молекул при столкновениях друг с другом приобретает достаточную энергию, чтобы преодолеть этот холм активации.

Именно здесь нужен катализатор. С его участием происходит некая последовательность реакций, которую химики называют механизмом реакции.

A + Cat → Cat A
Cat A + B → P + Cat

Cat — обозначение катализатора, а Cat A — это промежуточный продукт реакции, или интермедиат. Энергетический профиль, который сопровождает эту последовательность из двух реакций (рис. 1, нижний график), совершенно иной, чем в отсутствие катализатора. Барьер, который надо преодолеть, чтобы началась каждая из реакций, существенно ниже, а это означает, что катализатор подобран хороший. Возможно, теперь будет достаточно комнатной температуры или совсем небольшого нагревания, чтобы «уговорить» реагирующие молекулы перебраться через два маленьких холма и преодолеть энергию активации. Реакция идет легко.

Катализатор сам участвует в реакции, но потом восстанавливается (химики говорят — регенерирует). Он исчезает, чтобы появиться. Воскресший катализатор снова готов провести новую пару молекул (А и B) через реакцию. Казалось бы, он может делать это бесконечно, но ни один катализатор не работает так хорошо — это идеальная схема. В растворе его все «отвлекает» от начертанного пути: он может реагировать с другими молекулами, закислиться, «отравиться». Число оборотов, или рабочих циклов — то есть число реагирующих молекул, проведенных через реакцию одной молекулой катализатора, — служит показателем его эффективности. Например, 10⁵ — очень хороший показатель, возможно уже достаточный, чтобы строить завод для реализации технологического процесса с его участием. При этом, чем больше циклов, тем дороже может быть сам катализатор.

У монеты две стороны

Однако катализатор — не единственный участник процесса. У него есть партнеры по реакции, которые часто бывают невидимыми — в нашем примере это интермедиат Cat А. На самом деле «партнер» — неточное слово, поскольку один не может существовать без другого. Только катализатор исчезает, а потом восстанавливается, в то время как интермедиат — в точности наоборот: появляется в процессе и потом исчезает, чтобы снова появиться в следующем цикле. Эти «отношения» катализатора и промежуточного продукта — отличительная черта всех каталитических циклов, от самого простого, который мы описали, до сложнейших реальных реакций. При этом в самих мимолетных преобразованиях нет ничего таинственного, никаких дистанционных взаимодействий — только обычная старая добрая химия. Например, очень полезная и важная реакция, в процессе которой образуется углерод-углеродная связь в сложной органической молекуле (рис. 2). Именно такого типа взаимодействие часто бывает нужно для синтеза биологически активных соединений. (Она известна как реакция Стилле, в честь ее первооткрывателя Джона Стилле.) В ней молекула 1 — это катализатор (палладий в нулевой степени окисления Pd⁰ с лигандами L), молекула 2 — реагент RX (R — органическая группа СН₃ или С₆Н₅, а X — атом галогена). Реагент добавляют к катализатору, Pd отдает два электрона для образования связей с R и X. Так получается соединение 3 — первый интермедиат из двух в этом цикле реакций.

Интермедиат, в свою очередь, реагирует с соединением 4 (оно состоит из олова Sn, трех бутильных групп Bu и еще одной органической группы R’), после чего получается два продукта. Один из них (под номером 5) побочный, а другой, под номером 6, имеет два заместителя R и R’, прикрепленные к палладию, которые и соединит в результате новая углерод-углеродная связь (7). Это, собственно, и есть цель реакции. Кстати, подобные реакции получили в 2010 году Нобелевскую премию по химии. (Ее получили Ричард Хек, Эйити Нэгиси и Акира Судзуки. — Примеч. ред.)

Реакция Стилле — пример гомогенного катализа, поскольку все реакции протекают в растворе. Такой же процесс спаривания с катализатором и образования интермедиата происходит и при гетерогенном катализе, когда реакция проходит на металлических частицах или реакционных центрах, привязанных к твердым частицам. Наверное, самый важный каталитический промышленный процесс в мире — тот, при котором на поверхности металлических частиц разрываются молекулы водорода и азота (H₂ и N₂) и получается полезный аммиак NH₃ (рис. 3). Эта реакция связывания водорода и атмосферного азота называется процессом Габера—Боша. Половина многочисленных атомов азота в нашем организме видела изнутри заводы, на которых работают подобные технологические линии, и посещала мелкие частицы металла, катализирующие эту невероятно успешную реакцию.

Интермедиатов полно и в нашем организме. Они образуются в многочисленных и очень эффективных биохимических реакциях, созданных эволюцией. Катализаторами работают ферменты, которые облегчают, например, отщепление аминокислот от съеденных нами белков. На каждой стадии активная сторона фермента связывает субстрат и временно образует интермедиат.

Невидимки

Одна из причин, по которым на интермедиаты не обращают пристального внимания, состоит в том, что они интермедиаты. Они легко разлагаются и не присутствуют в больших концентрациях. Они мимолетны. Нужно быть быстрым и ловким, чтобы мельком увидеть их, при этом ваш метод должен быть исключительно чувствительным. И чем лучше катализатор, тем меньше шансов у вас его поймать. Наоборот, если у вас есть долгоживущий интермедиат, то вряд ли вы работаете с хорошим катализатором.

Хватит рассуждений, нужен пример обнаружения интермедиатов. Не могу удержаться, чтобы не привести грандиозный пример: как хлорфторуглероды вызывают озоновые дыры. Процесс начинается с того, что инертные и безвредные хлорфторуглероды разлагаются в стратосфере под действием света, причем получается целый спектр хлорсодержащих соединений: Cl₂, HOCl, ClNO₂. Эти вещества адсорбируются на кристаллах льда в полярных облаках, а затем распадаются под весенними солнечными лучами, легко высвобождая атомы хлора. Последние инициируют целый ряд каталитических цепей, в которых разлагается озон. Простейший возможный механизм этого разложения впервые предложили в 1970 году:

Cl + O₃ → ClO + O₂
ClO + O → O₂ + Cl

Общая реакция выглядит так: О₃ + О → 2О₂. Но все непросто в этом мире (за исключением моментов, когда мы слушаем политическую рекламу), непрост и этот механизм. Последовательность указанных выше реакций требует атомов кислорода, которых, как выяснилось, не хватает в стратосфере Антарктики. Реальный ход событий сложнее и включает четыре основных реакции:

2Cl + 2O₃ → 2ClO + 2O₂
2ClO → ClOOCl
ClOOCl + hν → Cl + OOCl
OOCl → O₂ + Cl

Суммарная реакция: 2О₃ → 3О₂ (hν — это квант солнечного света).

В обоих механизмах атомы Cl — катализаторы, а ClO — интермедиат. Как и в реакции Стилле, второй механизм имеет несколько промежуточных продуктов, и к ним в том числе относятся ClOOCl и OOCl.

Интермедиат ClO очень активен, его невозможно снять с полки в баночке. В 1980-х годах было создано специальное спектроскопическое оборудование для обнаружения малых количеств ClO в полярной атмосфере. В 1987 году его поместили на борт самолета, который из Пунта-Аренас на юге Чили полетел на большой высоте к Южному полюсу, в озоновую дыру. Самолет был оснащен также зондом для озона. Экспериментальный график (рис. 4) показал со всей очевидностью, что концентрация озона падает именно там, где концентрация ClO растет. Единицы измерения ClO (частей на триллион объема) позволяют оценить уровень сложности эксперимента.

Охарактеризовать интермедиат очень трудно, я думаю, это гораздо тяжелее, чем найти катализатор. Когда я, как химик-теоретик, просматриваю химическую литературу, то вижу следующее: механизмы реакций, где невозможно обнаружить интермедиаты, легко записать, но чертовски трудно определить точно. Вообще для определения механизма нужна большая экспериментальная изобретательность в оценке данных скоростей реакций, анализе изотопных эффектов и прямом обнаружении промежуточных продуктов. Это верно и для некаталитических процессов. Отмечу, что лишь единичные реакции протекают одним махом, а абсолютное большинство их проходит через сложные последовательности с изобилием короткоживущих интермедиатов.

Как написал Льюис Кэрролл в своей поэме «Охота на Снарка»:

И со свечкой искали они, и с умом,
С упованьем и крепкой дубиной,
Понижением акций грозили притом
И пленяли улыбкой невинной.

Открыть новую реакцию или найти катализатор гораздо легче, чем разобраться с ее механизмом. Часто мы выбираем легкий путь.

Мифы и деньги

На самом деле катализаторы больше притягивают наше воображение не из-за нашей лени. Я вижу несколько причин, по которым они интереснее, чем промежуточные продукты реакции.

Волшебство. В работе катализатора есть что-то особенное, даже мифологическое. Часто они содержат драгоценные металлы, и при этом сначала исчезают, а потом возвращаются. Вспомните о возрождении феникса из пепла, о пребывании Персефоны в Аду и ее возвращениях, реинкарнации и воскресении. Чтобы перейти от алхимической концепции катализа в XIX веке к тем механизмам, которые мы знаем сегодня, понадобилось некоторое время. Тем не менее какое-то благоговение остается. Катализатор — волшебная субстанция и не теряет своей магии, даже если мы знаем, как она работает. Как с этим может конкурировать обычный промежуточный продукт? Он не воскресает, а просто исчезает. Обнаружение интермедиата, каким бы гениальным оно ни было, дает в лучшем случае чувство удовлетворения от распутанной детективной истории.

Прибыль. Чудо-катализатор (как и алхимия в предыдущие века) обещает богатство. Если с его помощью удастся заставить идти еще не покоренные реакции (те, которые обеспечивают производство рыночных продуктов) или если новый способ синтеза будет более эффективным, чем существующий, то катализатор очень ценен. Вот почему эти соединения защищают патентами, как важную интеллектуальную собственность. Правда, у меня есть ощущение, что не каждый важный катализатор запатентован. В случае специальных реакций зачастую бывает проще сохранять непатентованную коммерческую тайну, пусть даже и с риском, что ее украдут или конкурент обнаружит катализатор самостоятельно и запатентует. Поиск интермедиата откладывают на потом, после того как запатентуют найденный катализатор. На самом деле при желании можно было бы запатентовать и сам промежуточный продукт.

Служение человечеству. Тот факт, что половина атомов азота в нашем организме видела изнутри завод, на котором реализуется технология Габера—Боша, не только свидетельствует о том, что участвующие в этом компании получают прибыль. Это также доказывает, что сегодня живет в два раза больше людей, чем могло бы, если бы не было таких заводов по производству аммиака и удобрений из них. Катализ кормит мир.

Мы обычно думаем о катализаторах хорошо, поскольку они дают нам важные и нужные вещества (удобрения и прочие). Но природа не заботится о наших ценностях. В природных и искусственных процессах катализаторы ускоряют и нежелательные реакции (разложение озона, порча мяса).

Привилегированность интермедиатов

Интеллектуальной бонус от поимки промежуточного продукта — он сразу же дает вам точный механизм реакции. Если же вы нашли только катализатор, то он не дает механизма. Он только стимулирует вас придумывать альтернативные пути, по которым катализатор мог бы связываться с реагентом.

В последнее время найдены новые способы поиска катализаторов — оказалось, что это можно сделать, отталкиваясь от промежуточных продуктов. Один из подходов — разработка нового дизайна ферментов: выберите реакцию, которую вы хотите запустить, слепите активный центр (он вместе с субстратом будет образовывать интермедиат) и добавьте необходимые белки. Другой подход — направленная эволюция. В этом случае синтезируют библиотеку потенциальных катализаторов (не только ферментов) и тестируют их на способность ускорять реакцию. Оценить их активность можно по скорости исчезновения интермедиатов, а это способна обеспечить масс-спектрометрия. В несколько итераций отбирают наиболее эффективные. Каждый из новых подходов (а их много, поскольку катализ активно развивается) заслуживает внимания. Позволю себе привести два более старых примера.

Интермедиат найден первым. Трудно повернуть время вспять в такой динамичной области, как молекулярная биология. Но в середине 1950-х годов рибосомы только начинали исследовать, а детали синтеза белка были неизвестны. В ключевом эксперименте биохимики Махлон Хогленд и Пол Заменик обнаружили промежуточные продукты реакции, участвующие в синтезе белков, — аминоацил-аденилаты, которые получаются при активации аминокислот в реакции с аденозинтрифосфатом (АТФ). Не прошло и года после открытия, как многочисленные исследовательские группы начали описывать ферменты (то есть катализаторы), участвующие в этой реакции.

Те же ферменты оказались катализатором второй реакции — присоединения активированной аминокислоты к транспортной РНК (тРНК). Последняя перемещает аминокислотные остатки к рибосоме, где они присоединяются к растущей цепи аминокислот при синтезе белка. Фермент, о котором идет речь, сейчас хорошо известен как аминоацил-т-РНК синтетаза. Его обнаружили, поскольку соответствующие интермедиаты активации аминокислот нашли первыми. Между тем интермедиат аминоацил-аденилат настолько неустойчив и так легко присоединяется к тРНК, что его трудно выделить в присутствии последней.

Интермедиат, который стал катализатором. Как и все реальные истории, открытие Карлом Циглером катализатора полимеризации этилена прошло не очень гладко. Циглер и его коллеги изучали реакцию алюмогидрида лития (LiAlH₄) с этиленом. Из этилена в процессе реакции получается более длинная цепь углеводородов (от четырех до 12 атомов). От LiAlH₄ реагент перемещается к гидриду алюминия (AlH₃), который также катализирует реакцию. Но потом Циглер обнаружил, что промежуточный продукт, триэтилалюминий Al(CH₂CH₃)₃, даже лучше катализирует полимеризацию этилена. По-прежнему для проведения реакции было нужно давление, поэтому ситуацию исправили с помощью хлорида титана (TiCl₄). Сегодня детали этой реакции по-прежнему остаются тайной, но мир без полиэтилена представить трудно.

Вернемся к метафоре и использованию химических терминов для обозначения социальных изменений. Я бы сказал, что реальные изменения — это не результат действия одного каталитического вещества или яркого политического лидера. Изменения (отношение всего народа к сохранению электроэнергии, отказ от расовых или гендерных стереотипов и многие другие перемены) будут происходить через действия множества отдельных мелких лиц. В каком-то смысле их всех можно назвать интермедиатами.

Может быть, я слишком преувеличил роль и значение интермедиатов. На самом деле реалии таковы: поиск катализаторов дает нам возможность синтезировать нужные вещества (и потенциально получить прибыль), а поиск интермедиатов дает нам механизм. Но мне как теоретику важнее понимать, чем действовать.

Ассоциация «РОСХИМРЕАКТИВ»Фармкомпании не готовы строить собственные производства интермедиатов

Фармкомпании не готовы строить собственные производства интермедиатов

27 октября на площадке выставки «ХИМИЯ-2020» состоялась сессия «Химия для фармацевтики: импортозамещение и развитие». Центральной темой для обсуждения стала проблема зависимости российской фарминдустрии от импортных реагентов и интермедиатов. Участники дискуссии сошлись на том, что вопрос развития производств отечественных интермедиатов и реагентов необходимо включить в повестку стратегии «Фарма–2030» и выразили пожелание в разработке единого агрегатора продуктов малотоннажной химии. Мероприятие проходило в рамках VIII Московского международного химического форума. Организатором сессии выступила Ассоциация «Росхимреактив».

«Если сейчас ничего не делать, не стимулировать инвестиции в область производства АФС, через 3–5 лет мы столкнемся с тем, что определенные фармсубстанции просто негде будет брать», — такой мрачный прогноз высказал президент АО «Активный компонент» Александр Семенов. По его данным, Китай в ближайшее время собирается ограничить поставки АФС и сосредоточиться на экспорте готовых лекарственных препаратов собственного производства.

Учитывая, что на сегодняшний день совокупная доля фармсубстанций, импортируемых из Китая и Индии, составляет около 70% на российском фармацевтическом рынке, опасения Александра Семенова вполне понятны. И вроде бы даже российская фарминдустрия делает определенные успехи в развитии производств отечественных АФС.  Как сообщил Александр Семенов, в июле этого года в городе Пушкин под Санкт-Петербургом начал работу новый завод «Активного компонента», который позволит компании увеличить выпуск собственных АФС с 70 до 250 тонн в год. Коммерческий директор НТФФ «ПОЛИСАН» Дмитрий Борисов рассказал о дочернем предприятии ООО «ПОЛИСИНТЕЗ», которое также занимается производством фармсубстанций. «ПОЛИСИНТЕЗ» покрывает потребности материнской компании в АФС до 80% и еще 15% от производимой им продукции реализует на внешнем рынке.

Однако состоят отечественные фармсубстанции из продуктов мало- и микротоннажной химии, — интермедиатов, реагентов и реактивов, — которые опять-таки импортируются из-за рубежа, преимущественно из Китая. И здесь возникают свои барьеры: «китайцы могут, например, продавать какую-нибудь свою фармсубстанцию условно по 100 долларов, а интермедиаты, которые применяются в синтезе этой конкретной субстанции по 200 долларов. Понятно, что российской фармкомпании выгоднее продолжать импортировать АФС, а не заниматься собственным производством», — отметил генеральный директор МИЦ-РХТУ Ратмир Дашкин. Для иллюстрации уязвимости российской фарминдустрии он привел в пример схему синтеза лекарственного препарата «Лопинавир»: в производстве активной фармсубстанции, лежащей в его основе, применяется 11 малотоннажных продуктов и 12 интермедиатов.

Нетрудно сделать вывод, что в ситуации сбывшегося прогноза Александра Семенова, даже если российская фармкомпания сможет наладить синтез фармсубстанции, идентичной китайской, итоговая себестоимость российского лекарственного препарата будет на несколько порядков дороже, чем китайский аналог.  По признанию самого Дашкина, все интермедиаты, которые использует в своей работе Менделеевский инжиниринговый центр, зарубежного производства, а что касается малотоннажных продуктов — только 20%–30% из них от российского производителя.

При этом участники дискуссии согласились с тем, что производить мало- и микротоннажные продукты своими силами оказывается не очень выгодным занятием для фармкомпаний.  Дмитрий Борисов рассказал, что «ПОЛИСИНТЕЗ» прорабатывает вопрос о возможности налаживания выпуска некоторых интермедиатов, но подчеркнул, что это скорее вопрос сырьевой безопасности компании, чем вопрос экономической рентабельности. К такому же выводу пришел и Александр Семенов: «производство интермедиатов только под собственные нужды — это не очень окупаемая история». Ратмир Дашкин пояснил, что ассортимент микротоннажных продуктов составляет до нескольких десятков миллионов соединений — фактически под каждую АФС требуется свой набор уникальных интермедиатов, — налаживание их выпуска является довольно капиталоемким предприятием, а объем годового выпуска по каждой позиции может не превышать нескольких десятков тонн. Таким образом, ни одна фармкомпания не сможет полностью покрыть свои потребности в интермедиатах и реагентах за счет собственного производства.

Выход из сложившейся ситуации — налаживание более тесного сотрудничества между российскими фармкомпаниями и производителями малотоннажной химии. Участники сессии сформулировали сразу несколько вариантов подобного сотрудничества. Ратмир Дашкин и генеральный директор ООО «РЕАТОРГ» Георгий Хачиян предположили, что необходимо создать единую информационную базу, которая аккумулировала бы как данные об актуальном ассортименте мало- и микротоннажных продуктов российского производства, так и данные о потребностях фармкомпаний. Генеральный директор ООО «ГЕМ» Станислав Гольдберг отметил, что важную роль в сборе такого рода информации могут сыграть отраслевые ассоциации. Георгий Хачиян также выразил надежду, что продуктивными площадками для взаимодействия между российскими производителями фармы и МТХ могли бы стать химические кластеры. Александр Семенов предложил создать новый институт госконтрактов: государство заключает с одной или несколькими компаниями договор, в соответствии с которым те обязуются к определенному сроку  локализовать производство не только готового лекарственного препарата, но и всех его компонентов, включая АФС и интермедиаты. В свою очередь государство обязуется на протяжении 5–10 лет приобретать этот препарат в определенных количествах и по определенной формуле ценообразования.

«Давайте наши инициативы облекать в понятные формы, направлять их в соответствующие ведомства, чтобы уже потом можно было требовать исполнения этих пожеланий и, исходя из этого, будем развивать нашу химическую отрасль»,  — призвал участников дискуссии при подведении итогов Георгий Хачиян.

3.2.5: Промежуточные продукты реакции — Химия LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Промежуточное звено реакции — это переходное вещество в рамках многостадийного механизма реакции, которое образуется на предыдущем этапе и расходуется на последующем этапе для получения конечного продукта реакции. Промежуточные реакции распространены в биологическом мире; яркий пример можно увидеть в метаболизме метаболитов и питательных веществ.

Введение

Срок жизни промежуточного продукта обычно невелик, потому что он обычно расходуется для получения следующего продукта последовательности реакций. В биохимическом пути может показаться, что общая реакция образует только продукт, но для достижения этой цели может потребоваться несколько более мелких шагов. Следует иметь в виду, «что промежуточное звено всегда образуется на ранней элементарной ступени и расходуется на более поздней элементарной ступени» (1).

Пример \(\PageIndex{1}\):

Общая настройка многошагового уравнения:

\[ CH_4 + Cl_2 \rightarrow X \;\;\; \text{Шаг 1}\]

\[ X \rightarrow CH_3Cl + HCl \;\;\; \text{Стадия 2}\]

На первой стадии образуется вещество X, которое является промежуточным продуктом реакции хлорирования, «образующимся на пути между реагентами и продуктами» (2).

Пример \(\PageIndex{1}\):

Примером биологического процесса является гликолиз. Общее сбалансированное уравнение гликолиза:

D-Глюкоза + НАД ⁺ + 2 АДФ + 2 Пи —> 2 Пируват + 2НАДН + 2Н ⁺ +2АТФ + 2Н ₂ O

ГЖХ —> пируват

Глюкоза (ГЖХ) является исходным реагентом и превращается в конечный продукт, пируват (ПИР). Однако промежуточное соединение «появляется в механизме реакции, но не входит в общее сбалансированное уравнение». Одним из примеров промежуточного соединения в реакции стадии гликолиза является превращение:

Глюкоза —> Глюкозо-6-фосфат

КРАСНЫЙ = промежуточный продукт

Первая стадия гликолиза дает глюкозо-6-фосфат из молекулы глюкозы. Однако в общей сбалансированной реакции гликолиза присутствие глюкозо-6-фосфата не записано, поскольку он существует в течение короткого времени, прежде чем будет израсходован в следующей реакции.

Задачи

Определите и обведите промежуточные продукты пути гликолиза и объясните, почему они считаются промежуточными. ПРИМЕЧАНИЕ: *- ДГАФ изомеризуется в Г-3-П, поэтому последующие продукты должны быть удвоены.

Ссылки

1. Чанг, Рэймонд. Физическая химия для биологических наук. Саусалито, Калифорния: Университетские научные книги, 2005. Страница 325

.

2. Шор, Нил Э. и К. Питер К. Воллхардт. Органическая химия. 5-е изд. Нью-Йорк, Нью-Йорк: WH Freeman and Company, 2007. Страница 5

.

Авторы и авторство

• Кэлвин Ли (UCD)

3.2.5: Reaction Intermediates распространяется по незаявленной лицензии и был создан, изменен и/или курирован LibreTexts.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Показать страницу TOC

   № на стр.

2. Теги

   На этой странице нет тегов.

5.6. Реактивные промежуточные продукты | Органическая химия 1: открытый учебник

В химии реакционноспособный промежуточный продукт или промежуточный продукт представляет собой короткоживущую высокоэнергетическую высокореактивную молекулу. При образовании в результате химической реакции он быстро превращается в более стабильную молекулу. Только в исключительных случаях эти соединения могут быть выделены и сохранены, т.е. низкие температуры, матричная изоляция. Когда указывается на их существование, реакционноспособные промежуточные продукты могут помочь объяснить, как протекает химическая реакция.

Для завершения большинства химических реакций требуется более одной элементарной стадии, а реакционноспособный промежуточный продукт представляет собой высокоэнергетический, но стабильный продукт, который существует только на одной из промежуточных стадий. Последовательность шагов вместе составляет механизм реакции. Реакционноспособный промежуточный продукт отличается от реагента или продукта или промежуточного продукта простой реакции только тем, что его обычно нельзя выделить, а иногда его можно наблюдать только с помощью быстрых спектроскопических методов. Он стабилен в том смысле, что элементарная реакция образует реакционноспособный промежуточный продукт, и элементарная реакция на следующем этапе необходима для его разрушения.

Если реактивный промежуточный продукт не наблюдается, его существование должно быть установлено экспериментальным путем. Обычно это включает изменение условий реакции, таких как температура или концентрация, и применение методов химической кинетики, химической термодинамики или спектроскопии. Мы часто будем ссылаться на некоторые реакционноспособные промежуточные соединения на основе углерода, а именно на карбокатионы, радикалы, карбанионы и карбены.

Общие черты

Реактивные промежуточные соединения имеют несколько общих черт:

•  низкая концентрация по отношению к субстрату реакции и конечному продукту реакции
• часто образуется при химическом разложении химического соединения
•  часто можно доказать существование этого вида с помощью спектроскопических средств
•  должны учитываться эффекты клетки
•  часто стабилизация сопряжением или резонансом
• часто трудно отличить от переходного состояния
•  доказать существование с помощью химического улавливания 9 Мосс, Роберт А. ; Платц, Мэтью С .; Джонс-младший, Мейтленд (2004). Химия реактивных промежуточных продуктов . Хобокен, Нью-Джерси: Wiley-Interscience. ISBN9780471721499.

Карбкатион представляет собой ион с положительно заряженным атомом углерода. Среди простейших примеров: метений CH ₃ ⁺ , метаний CH ₅ ⁺ и этан C ₂ H ₇ ⁺ .   До начала 1970-х годов все карбокатионы назывались ионами карбония.[1] В современной химии карбокатион — это любой положительно заряженный атом углерода, классифицируемый по двум основным категориям в зависимости от валентности заряженного углерода:

• +3 в ионах карбения (протонированные карбены),
• +5 или +6 в ионах карбония (протонированные алканы, названные по аналогии с аммонием). Они встречаются гораздо реже.

Структура и свойства

Заряженный атом углерода в карбокатионе представляет собой «секстет», т. + [/латекс].

Порядок стабильности примеров третичных (3 ^o ), вторичных (2 ^o ) и первичных (1 ^o ) ионов алкилкарбения, а также метилового катиона (крайний справа). Метильная группа настолько нестабильна, что наблюдается только в газовой фазе.

Карбкатионы часто являются мишенью нуклеофильной атаки со стороны нуклеофилов, таких как вода или галогенид-ионы.

Карбкатионы обычно подвергаются реакциям перегруппировки из менее стабильных структур в столь же стабильные или более стабильные с константами скорости более 10 ⁹ /сек. Этот факт усложняет пути синтеза многих соединений. Например, при нагревании 3-пентанола с водным раствором HCl первоначально образовавшийся 3-пентилкарбокатион перегруппировывается в статистическую смесь 3-пентила и 2-пентила. Эти катионы реагируют с ионом хлорида с образованием примерно 1/3 3-хлорпентана и 2/3 2-хлорпентана.

Карбкатион может быть стабилизирован резонансом двойной углерод-углеродной связью рядом с ионизированным углеродом. Такие катионы, как аллил катион CH ₂ =CH–CH ₂ ⁺  и бензил катион C ₆ H ₅ –CH ₂ ⁺ более стабильны, чем большинство других октанатов. Молекулы, которые могут образовывать аллил- или бензилкарбокатионы, особенно реакционноспособны. Эти карбокатионы, в которых C+ соседствует с другим атомом углерода, имеющим двойную или тройную связь, обладают дополнительной стабильностью из-за перекрытия пустой p-орбитали карбокатиона с p-орбиталями π-связи. Это перекрытие орбиталей позволяет разделить заряд между несколькими атомами — делокализация заряда — и, следовательно, стабилизирует карбокатион.

Ссылки

1. Определение Gold Book для карбокатиона

Радикалы A представляют собой семиэлектронный промежуточный продукт, который принимает плоскую структуру sp ² , несмотря на то, что он имеет четыре электронные группы; одинокий электрон находится на наполовину заполненной р-орбитали. Эта структура sp ² позволяет радикалам делокализовать один электрон посредством резонанса. Мы подробно изучим радикальные реакции во втором семестре.

Будучи короче октета, радикалы электрофильны, поэтому они стабилизированы алкильными группами. Таким образом, порядок стабильности такой же, как и для карбокатионов, а именно третичный > вторичный > первичный > метил .

Карбанион представляет собой восьмиэлектронный промежуточный продукт со структурой sp ³ , как показано на рисунке A. Несмотря на полный октет, он очень реакционноспособен из-за того, что углерод не очень электроотрицателен. Хотя это sp ³ , он может участвовать в резонансе, потому что может легко регибридизироваться в структуру sp ² (см. B), которая допускает перекрытие.

Карбанионы богаты электронами и нуклеофильны, поэтому фактически дестабилизируются алкильными группами. Это означает, что порядок стабильности противоположен порядку для карбокатионов, а именно метил > первичный > вторичный > третичный .