Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Химиялық реакция – химиялық түрлердің бір-біріне өзара айналу процесі.
Process that results in the interconversion of chemical species
Химиялық реакция – бір химиялық заттар жиынының екінші жиынға химиялық түрленуіне әкелетін процесс. Химиялық реакциялар жүргенде атомдар қайта орналасады және жаңа өнімдер пайда болатын кезде энергия өзгерісімен бірге жүреді. Классикалық түрде химиялық реакциялар атомдар арасындағы химиялық байланыстардың түзілуі мен үзілуі кезінде электрондардың орнындағы ғана өзгерістерді қамтиды, ядролар өзгермейді (элементтердің құрамы өспейді) және көбінесе химиялық теңдеу арқылы сипатталады. Ядролық химия – химияның химиялық емес, тұрақсыз және радиоактивті элементтердің реакцияларын зерттейтін саласы, онда электрондық және ядролық өзгерістер де болуы мүмкін. Химиялық реакцияға бастапқы қатысатын заттарға реагенттер немесе реактивтер дейді. Химиялық реакциялар әдетте химиялық өзгерістермен сипатталады және бір немесе бірнеше өнімдерді береді, олардың қасиеттері бастапқы заттардан өзгеше болады. Реакциялар көбінесе жекелеген кіші қадамдардан тұрады, олар элементарлық реакциялар деп аталады, ал реакция механизмі осы қадамдардың нақты барысын көрсетеді. Химиялық реакциялар химиялық теңдеулермен сипатталады, олар бастапқы заттарды, соңғы өнімдерді және кейде аралық өнімдерді, сондай-ақ реакция жағдайларын көрсетеді. Химиялық реакциялар белгілі бір температурада және химиялық концентрацияда белгілі бір жылдамдықпен өтеді. Кейбір реакциялар жылу бөліп шығарады және экзотермиялық реакциялар деп аталады, ал басқалары реакцияның жүруі үшін жылуды қажет етеді және эндотермиялық реакциялар деп аталады. Әдетте, температура жоғарылаған сайын реакция жылдамдығы артады, себебі атомдар арасындағы байланыстарды үзу үшін қажетті белсендіру энергиясына жету үшін көбірек жылу энергиясы қолжетімді болады. Реакция тотығу және тотықсыздану процестерімен жүрсе, ол тотығу-тотықсыздану реакциясы деп, ал мұндай процестер болмаса, тотығу-тотықсыздану емес реакция деп жіктеледі. Көптеген қарапайым тотығу-тотықсыздану реакцияларын біріктіру, ыдырау немесе орынбастыру реакциялары деп жіктеуге болады. Химиялық синтезде қажетті өнімді алу үшін әртүрлі химиялық реакциялар қолданылады. Биохимияда, бір реакцияның өнімі келесі реакцияның реагенті болатын, бірнеше химиялық реакциялардың тізбегі метаболикалық жолдарды құрайды. Мұндай реакцияларды көбінесе ақуыз ферменттері катализдейді. Ферменттер биохимиялық реакциялардың жылдамдығын арттырады, соның салдарынан қалыпты жағдайда мүмкін емес метаболикалық синтездер мен ыдыраулар клетка ішіндегі температура мен концентрацияда жүзеге асырылады. Химиялық реакцияның жалпы ұғымы атомдардан кішірек бөлшектер арасындағы реакцияларға, соның ішінде ядролық реакцияларға, радиоактивті ыдырауға және кванттық өріс теориясында сипатталған элементарлық бөлшектер арасындағы реакцияларға дейін кеңейтілді.
A chemical reaction is a process that leads to the chemical transformation of one set of chemical substances to another. When chemical reactions occur, the atoms are rearranged and the reaction is accompanied by an energy change as new products are generated. Classically, chemical reactions encompass changes that only involve the positions of electrons in the forming and breaking of chemical bonds between atoms, with no change to the nuclei (no change to the elements present), and can often be described by a chemical equation. Nuclear chemistry is a sub discipline of chemistry that involves the chemical reactions of unstable and radioactive elements where both electronic and nuclear changes can occur. The substance (or substances) initially involved in a chemical reaction are called reactants or reagents. Chemical reactions are usually characterized by a chemical change, and they yield one or more products, which usually have properties different from the reactants. Reactions often consist of a sequence of individual sub steps, the so called elementary reactions, and the information on the precise course of action is part of the reaction mechanism. Chemical reactions are described with chemical equations, which symbolically present the starting materials, end products, and sometimes intermediate products and reaction conditions. Chemical reactions happen at a characteristic reaction rate at a given temperature and chemical concentration. Some reactions produce heat and are called exothermic reactions, while others may require heat to enable the reaction to occur, which are called endothermic reactions. Typically, reaction rates increase with increasing temperature because there is more thermal energy available to reach the activation energy necessary for breaking bonds between atoms. A reaction may be classified as redox in which oxidation and reduction occur or non redox in which there is no oxidation and reduction occurring. Most simple redox reactions may be classified as a combination, decomposition, or single displacement reaction. Different chemical reactions are used during chemical synthesis in order to obtain the desired product. In biochemistry, a consecutive series of chemical reactions (where the product of one reaction is the reactant of the next reaction) form metabolic pathways. These reactions are often catalyzed by protein enzymes. Enzymes increase the rates of biochemical reactions, so that metabolic syntheses and decompositions impossible under ordinary conditions can occur at the temperature and concentrations present within a cell. The general concept of a chemical reaction has been extended to reactions between entities smaller than atoms, including nuclear reactions, radioactive decays and reactions between elementary particles, as described by quantum field theory.
Тарих
Отпен жану, ашыту және кендерді металлға айналдыру сияқты химиялық реакциялар ежелден белгілі. Материалдардың өзгеруінің алғашқы теорияларын грек философтары, мысалы, Эмпедоклдың төрт элемент теориясы жасады, ол кез келген зат төрт негізгі элементтен – от, су, ауа және жерден тұрады десті. Орта ғасырларда алхимиктер химиялық өзгерістерді зерттеді. Олар, әсіресе, қорғасынды алтынға айналдыруға тырысты, бұл үшін қорғасын мен қорғасын-мыс қорытпаларын күкіртпен реакцияға түсірді. Химиялық заттарды жасанды түрде өндіру ортағасырлық алхимиктердің басты мақсаты болды. Мысалы, Джабир ибн Хаянға (шамамен 850–950) тиесілі еңбектерде сипатталғандай, органикалық заттардан аммоний хлоридін синтездеу немесе 1300 жылдан бастап кейінгі алхимиктердің күкірт және азот қышқылы сияқты минералды қышқылдарды өндіруі. Минералды қышқылдарды өндіру үшін мыс сульфаты, алюмин және тұздық сияқты сульфатты және нитратты минералдарды қыздыру қажет болды. 17 ғасырда Иоганн Рудольф Глаубер күкірт қышқылы мен натрий хлоридін реакцияға келтіріп, тұз қышқылы мен натрий сульфатын өндірді. 1746 жылы қорғасын камералық процесі мен Лебланк процесінің дамуы күкірт қышқылы мен натрий карбонатын ірі көлемде өндіруге мүмкіндік берді, соның нәтижесінде химиялық реакциялар өнеркәсіпке енгізілді. Күкірт қышқылы технологиясын одан әрі жетілдіру 1880 жылдары контактілік процеске, ал 1909–1910 жылдары аммиак синтезі үшін Хабер процесіне әкелді. 16 ғасырдан бастап Ян Баптист ван Гельмонт, Роберт Бойль және Исаак Ньютон сияқты зерттеушілер тәжірибе жүзінде байқалған химиялық өзгерістердің теорияларын жасауға тырысты. 1667 жылы Иоганн Йоахим Бехер флогистон теориясын ұсынды. Ол "флогистон" деп аталатын отқа ұқсас элементтің бар екенін болжады, ол жанғыш денелерде сақталады және жану кезінде босатылады. Бұл 1785 жылы Антуан Лавуазье тарапынан жоққа шығарылды, ол жануды ауадағы оттегімен болатын реакция ретінде дұрыс түсіндірді. Жозеф Луи Гей-Люссак 1808 жылы газдардың әрқашан бір-бірімен белгілі бір пропорцияда әрекеттесетінін анықтады. Осы идеяға және Джон Далтонның атомдық теориясына сүйене отырып, Жозеф Пруст пропорционалдық заңын жасады, ол кейін стехиометрия және химиялық теңдеулер туралы түсініктерге әкелді. Органикалық химияға қатысты, тірі организмдерден алынған қосылыстарды синтетикалық жолмен алу өте қиын деп ұзақ уақыт бойы саналды. Витализм тұжырымы бойынша, органикалық заттар "өмірлік күшпен" жаратылған және органикалық емес материалдардан ерекшеленеді. Бірақ 1828 жылы Фридрих Вёлер органикалық емес прекурсорлардан мочевинаны синтездеу арқылы бұл бөлінуге нүкте қойды. Органикалық химияға үлкен үлес қосқан басқа химиктердің қатарында Александр Уильям Уильямсон (эфир синтезімен) және Кристофер Келк Инггольд (алмастыру реакцияларының механизмдерін анықтаған) бар.
Chemical reactions such as combustion in fire, fermentation and the reduction of ores to metals were known since antiquity. Initial theories of transformation of materials were developed by Greek philosophers, such as the Four Element Theory of Empedocles stating that any substance is composed of the four basic elements – fire, water, air and earth. In the Middle Ages, chemical transformations were studied by alchemists. They attempted, in particular, to convert lead into gold, for which purpose they used reactions of lead and lead copper alloys with sulfur. The artificial production of chemical substances already was a central goal for medieval alchemists. Examples include the synthesis of ammonium chloride from organic substances as described in the works (c. 850–950) attributed to Jābir ibn Ḥayyān, or the production of mineral acids such as sulfuric and nitric acids by later alchemists, starting from c. 1300. The production of mineral acids involved the heating of sulfate and nitrate minerals such as copper sulfate, alum and saltpeter. In the 17th century, Johann Rudolph Glauber produced hydrochloric acid and sodium sulfate by reacting sulfuric acid and sodium chloride. With the development of the lead chamber process in 1746 and the Leblanc process, allowing large scale production of sulfuric acid and sodium carbonate, respectively, chemical reactions became implemented into the industry. Further optimization of sulfuric acid technology resulted in the contact process in the 1880s, and the Haber process was developed in 1909–1910 for ammonia synthesis. From the 16th century, researchers including Jan Baptist van Helmont, Robert Boyle, and Isaac Newton tried to establish theories of experimentally observed chemical transformations. The phlogiston theory was proposed in 1667 by Johann Joachim Becher. It postulated the existence of a fire like element called "phlogiston", which was contained within combustible bodies and released during combustion. This proved to be false in 1785 by Antoine Lavoisier who found the correct explanation of the combustion as a reaction with oxygen from the air. Joseph Louis Gay Lussac recognized in 1808 that gases always react in a certain relationship with each other. Based on this idea and the atomic theory of John Dalton, Joseph Proust had developed the law of definite proportions, which later resulted in the concepts of stoichiometry and chemical equations. Regarding the organic chemistry, it was long believed that compounds obtained from living organisms were too complex to be obtained synthetically. According to the concept of vitalism, organic matter was endowed with a "vital force" and distinguished from inorganic materials. This separation was ended however by the synthesis of urea from inorganic precursors by Friedrich Wöhler in 1828. Other chemists who brought major contributions to organic chemistry include Alexander William Williamson with his synthesis of ethers and Christopher Kelk Ingold, who, among many discoveries, established the mechanisms of substitution reactions.
Элементарлық реакциялар
Элементарлық реакция – химиялық реакцияны ең кішкентай бөліктерге жіктеуге болатын ең кіші бөлім, онда аралық өнімдер болмайды. Көптеген тәжірибелік байқалатын реакциялар параллель немесе тізбектелген түрде жүретін көптеген элементарлық реакциялардан тұрады. Жеке элементарлық реакциялардың нақты тізбегі реакция механизмі деп аталады. Элементарлық реакция, әдетте, бір немесе екі молекуланы қамтиды, себебі белгілі бір уақытта бірнеше молекуланың кездесу ықтималдығы төмен. Ең маңызды элементарлық реакциялар – мономолекулалық және бимолекулалық реакциялар. Мономолекулалық реакцияда тек бір молекула ғана қатысады; ол изомеризация немесе диссоциация арқылы бір немесе бірнеше басқа молекулаға айналады. Мұндай реакцияларға энергияны жылу немесе жарық түрінде қосу қажет. Мономолекулалық реакцияның классикалық мысалы – цис-транс изомеризациясы, онда қосылыстың цис формасы транс формаға немесе керісінше өзгереді. Реакцияның нәтижесі тепе-теңдікте тұрақтанады, бірақ реакциялық қоспадан өнімді алып тастау арқылы немесе температураны немесе қысымды арттыру арқылы өзгеруі мүмкін. Реагенттердің концентрациясының өзгеруі тепе-теңдік тұрақтысына әсер етпейді, бірақ тепе-теңдік позициясына әсер етеді.
The elementary reaction is the smallest division into which a chemical reaction can be decomposed, it has no intermediate products. Most experimentally observed reactions are built up from many elementary reactions that occur in parallel or sequentially. The actual sequence of the individual elementary reactions is known as reaction mechanism. An elementary reaction involves a few molecules, usually one or two, because of the low probability for several molecules to meet at a certain time. The most important elementary reactions are unimolecular and bimolecular reactions. Only one molecule is involved in a unimolecular reaction; it is transformed by isomerization or a dissociation into one or more other molecules. Such reactions require the addition of energy in the form of heat or light. A typical example of a unimolecular reaction is the cis–trans isomerization, in which the cis form of a compound converts to the trans form or vice versa. The reaction yield stabilizes at equilibrium but can be increased by removing the product from the reaction mixture or changed by increasing the temperature or pressure. A change in the concentrations of the reactants does not affect the equilibrium constant but does affect the equilibrium position.
Орынсыздану
Азылу реакциясы – бір күрделі заттың қарапайым заттарға ыдырауы. Осылайша, ол синтез реакциясының керісіне болып табылады және мына түрде жазылуы мүмкін:
A decomposition reaction is when a more complex substance breaks down into its more simple parts. It is thus the opposite of a synthesis reaction and can be written as
Күрделілену
Комплекс түзілу реакцияларында бірнеше лиганд металл атомымен әрекеттесіп, координациялық кешен құрайды. Бұл лигандтың бос электрон жұптарын металл атомының бос орбитальдарына ұсыну және дипольдік байланыстар жасау арқылы іске асырылады. Лигандтар – Льюис негіздері, олар иондар да, көміртек оксиді, аммиак немесе су сияқты бейтарап молекулалар да болуы мүмкін. Орталық металл атомымен әрекеттесетін лигандтардың санын 18 электрондық қағиданы қолдану арқылы анықтауға болады, бұл қағида бойынша өткіл металдың валенттік қабығында барлығы 18 электрон орналасады, ал түзілген кешеннің симметриясын кристаллдық өріс теориясы және лигандтық өріс теориясы көмегімен болжауға болады. Комплекс түзілу реакцияларына лиганд алмасу да жатады, онда бір немесе бірнеше лиганд басқа лигандтармен ауыстырылады, сондай-ақ орталық металл атомының тотығу дәрежесін өзгертетін тотығу-тотықсыздану процестері де кіреді.
In complexation reactions, several ligands react with a metal atom to form a coordination complex. This is achieved by providing lone pairs of the ligand into empty orbitals of the metal atom and forming dipolar bonds. The ligands are Lewis bases, they can be both ions and neutral molecules, such as carbon monoxide, ammonia or water. The number of ligands that react with a central metal atom can be found using the 18 electron rule, saying that the valence shells of a transition metal will collectively accommodate 18 electrons, whereas the symmetry of the resulting complex can be predicted with the crystal field theory and ligand field theory. Complexation reactions also include ligand exchange, in which one or more ligands are replaced by another, and redox processes which change the oxidation state of the central metal atom.
Жауын-шашын
Тұндыру – химиялық реакция кезінде ерітіндіде немесе басқа қатты заттың ішінде қатты заттың түзілуі. Бұл көбінесе еріген иондардың концентрациясы ерігіштік шегінен асып, ерімейтін тұз пайда болғанда жүзеге асады. Тұндыру процесіне тұндырғыш зат қосу арқылы немесе еріткішті жою арқылы көмектесуге болады. Жылдам тұндыру нәтижесінде аморфты немесе микрокристалды қалдық пайда болады, ал баяу процесте жеке кристалдар түзіледі. Соңғыларын микрокристалды тұздардан қайта кристалдау арқылы да алуға болады.
Precipitation is the formation of a solid in a solution or inside another solid during a chemical reaction. It usually takes place when the concentration of dissolved ions exceeds the solubility limit and forms an insoluble salt. This process can be assisted by adding a precipitating agent or by the removal of the solvent. Rapid precipitation results in an amorphous or microcrystalline residue and a slow process can yield single crystals. The latter can also be obtained by recrystallization from microcrystalline salts.
Қатты күйдегі реакциялар
Екі қатты зат арасында реакциялар жүруі мүмкін. Дегенмен, қатты заттардағы диффузия жылдамдықтары салыстырмалы түрде төмен болғандықтан, осыған байланысты химиялық реакциялар сұйық және газ фазасындағы реакцияларға қарағанда өте баяу өтеді. Реакция температурасын жоғарылату және реагенттерді ұсақтап, жанасу бетін кеңейту арқылы оларды жылдамдатуға болады.
Reactions can take place between two solids. However, because of the relatively small diffusion rates in solids, the corresponding chemical reactions are very slow in comparison to liquid and gas phase reactions. They are accelerated by increasing the reaction temperature and finely dividing the reactant to increase the contacting surface area.
Қатты/газ интерфейсіндегі реакциялар
Реакция қатты дене-газ интерфейсінде, өте төмен қысымдағы, мысалы, жоғары вакуум жағдайында жүзеге асуы мүмкін. Сканирлеушік түнельдік микроскопия арқылы реакцияның уақыт өлшемі қолайлы болса, қатты дене-газ интерфейсіндегі реакцияларды нақты кеңістікте байқауға болады. Қатты дене-газ интерфейсіндегі реакциялар кейбір жағдайларда катализбен байланысты.
The reaction can take place at the solid|gas interface, surfaces at very low pressure such as ultra high vacuum. Via scanning tunneling microscopy, it is possible to observe reactions at the solid|gas interface in real space, if the time scale of the reaction is in the correct range. Reactions at the solid|gas interface are in some cases related to catalysis.
Фотохимиялық реакциялар
Фотохимиялық реакцияларда атомдар мен молекулалар жарықтан энергияны (фотондарды) сіңіріп, оны қозған күйге айналдырады. Содан кейін олар химиялық байланыстарды үзіп, осы энергияны босатып, радикалдарды жасайды. Фотохимиялық реакцияларға сутек-оттектік реакциялар, радикалдық полимерлену, тізбекті реакциялар және изомерлену реакциялары кіреді. Көптеген маңызды процестер фотохимиямен байланысты. Ең маңызды мысал – фотосинтез, онда көптеген өсімдіктер көмірқышқыл газы мен суды глюкозаға айналдыру үшін күн энергиясын пайдаланады, ал оттегін қосалқы өнім ретінде бөліп шығарады. Адамдар D витаминінің түзілуі үшін фотохимияға тәуелді, ал көру rhodopsin фотохимиялық реакциясы арқылы басталады. Жарыққұрқақтардағы ішектегі фермент биолюминесценция реакциясын катализдейді. Озонның пайда болуы сияқты көптеген маңызды фотохимиялық реакциялар Жер атмосферасында жүзеге асады және атмосфералық химияның құрамын құрайды.
In photochemical reactions, atoms and molecules absorb energy (photons) of the illumination light and convert it into an excited state. They can then release this energy by breaking chemical bonds, thereby producing radicals. Photochemical reactions include hydrogen–oxygen reactions, radical polymerization, chain reactions and rearrangement reactions. Many important processes involve photochemistry. The premier example is photosynthesis, in which most plants use solar energy to convert carbon dioxide and water into glucose, disposing of oxygen as a side product. Humans rely on photochemistry for the formation of vitamin D, and vision is initiated by a photochemical reaction of rhodopsin. In fireflies, an enzyme in the abdomen catalyzes a reaction that results in bioluminescence. Many significant photochemical reactions, such as ozone formation, occur in the Earth atmosphere and constitute atmospheric chemistry.
Катализа
Катализде реакция тікелей жүрмейді, бірақ катализатор деп аталатын үшінші затбен реакция арқылы өтеді. Катализатор реакцияға қатысып, реактанттармен немесе аралық заттармен әлсіз байланыстар құрғанымен, реакция аяқталғанда бастапқы күйіне оралады, сондықтан тұтынылмайды. Дегенмен, оны екіншілік процестер арқылы тежеуге, белсенділігін жоғалтуға немесе толығымен жоюға болады. Катализаторлар реактивтермен бір фазада (гомогенді) немесе әртүрлі фазада (гетерогенді) қолданылуы мүмкін. Гетерогенді катализде, ең көп кездесетін екіншілік процестердің бірі – кокстеу, онда катализатор полимерлік қосалқы өнімдермен жабылады. Сонымен қатар, гетерогенді катализаторлар қатты-сұйық жүйеде ерітіндіге еріп немесе қатты-газ жүйесінде буланып кетуі мүмкін. Катализаторлар реакция жылдамдығын ғана арттырады – реакцияны баяулататын химиялық заттар ингибиторлар деп аталады. Катализаторлардың белсенділігін арттыратын заттар промоторлар, ал катализаторларды белсенділігінен айыратын заттар каталитикалық уларлар деп аталады. Катализатордың болуымен, жоғары белсендіру энергиясымен кинетикалық түрде тежелген реакция осы белсендіру энергиясын айналып өту арқылы жүзеге асуы мүмкін. Гетерогенді катализаторлар көбінесе қатты заттар болып табылады және олардың бетін максималды ету үшін ұнтақталған күйде қолданылады. Гетерогенді катализде платина тобындағы металдар және басқа да өтпелі металдар ерекше маңызды, олар сутегілендіруде, каталитикалық реформалауда және азот қышқылы мен аммиак сияқты маңызды химиялық заттардың синтезінде қолданылады. Қышқылдар – гомогенді катализаторлардың мысалы, олар карбонилдердің нуклеофилдігін арттырады, бұл электрофилдермен жүрмейтін реакцияға мүмкіндік береді. Гомогенді катализаторлардың артықшылығы – оларды реактивтермен оңай араластыру мүмкіндігі, бірақ оларды өнімдерден бөлу қиын болуы мүмкін. Сондықтан көптеген өнеркәсіптік процестерде гетерогенді катализаторлар артықшылыққа ие.
In catalysis, the reaction does not proceed directly, but through a reaction with a third substance known as catalyst. Although the catalyst takes part in the reaction, forming weak bonds with reactants or intermediates, it is returned to its original state by the end of the reaction and so is not consumed. However, it can be inhibited, deactivated or destroyed by secondary processes. Catalysts can be used in a different phase (heterogeneous) or in the same phase (homogeneous) as the reactants. In heterogeneous catalysis, typical secondary processes include coking where the catalyst becomes covered by polymeric side products. Additionally, heterogeneous catalysts can dissolve into the solution in a solid liquid system or evaporate in a solid–gas system. Catalysts can only speed up the reaction – chemicals that slow down the reaction are called inhibitors. Substances that increase the activity of catalysts are called promoters, and substances that deactivate catalysts are called catalytic poisons. With a catalyst, a reaction that is kinetically inhibited by high activation energy can take place in the circumvention of this activation energy. Heterogeneous catalysts are usually solids, powdered in order to maximize their surface area. Of particular importance in heterogeneous catalysis are the platinum group metals and other transition metals, which are used in hydrogenations, catalytic reforming and in the synthesis of commodity chemicals such as nitric acid and ammonia. Acids are an example of a homogeneous catalyst, they increase the nucleophilicity of carbonyls, allowing a reaction that would not otherwise proceed with electrophiles. The advantage of homogeneous catalysts is the ease of mixing them with the reactants, but they may also be difficult to separate from the products. Therefore, heterogeneous catalysts are preferred in many industrial processes.
Органикалық химиядағы реакциялар
Органикалық химияда тотығу, тотығу-тотеншелену немесе қышқылдық-негіздік реакциялардан өзге, көміртек атомдарының немесе көміртек пен гетероатомдардың (мысалы, оттегі, азот, галогендер және т.б.) арасындағы ковалентті байланыстарына қатысты көптеген басқа да реакциялар жүруі мүмкін. Органикалық химиядағы көптеген нақты реакциялар оларды ашқан ғалымдардың есімдерімен аталады. Өндірісте ең маңызды реакциялардың бірі – мұнай өңдеу зауыттарында ауыр көмірсутектерді ыдырату арқылы кішірек, қарапайым молекулалар жасау. Бұл процеске бензин өндіріледі. Органикалық реакциялардың белгілі бір түрлері олардың реакция механизмдері (әсіресе, орынбасу, қосылу және жою) немесе олар түзілетін өнімдердің түрлері (мысалы, метилдеу, полимерлеу және галогендеу) бойынша жіктелуі мүмкін.
In organic chemistry, in addition to oxidation, reduction or acid base reactions, a number of other reactions can take place which involves covalent bonds between carbon atoms or carbon and heteroatoms (such as oxygen, nitrogen, halogens, etc.). Many specific reactions in organic chemistry are name reactions designated after their discoverers. One of the most industrially important reactions is the cracking of heavy hydrocarbons at oil refineries to create smaller, simpler molecules. This process is used to manufacture gasoline. Specific types of organic reactions may be grouped by their reaction mechanisms (particulary substitution, addition and elimination) or by the types of products they produce (for example, methylation, polymerisation and halogenation).
Қосу және алып тастау
Қосу және оның қарсыласы – жою, көміртек атомындағы алмастырушылар санын өзгертетін және көптік байланыстарды құратын немесе үзуге түсетін реакциялар. Қосарлы және үштік байланыстарды тиісті кететін топты жою арқылы жасауға болады. Нуклеофильдік алмастыруға ұқсас, реакцияның бірнеше мүмкін механизмдері бар, олар тиісті реакция ретімен аталады. E1 механизмінде кететін топ бірінші кезекте кетеді, нәтижесінде карбокатион пайда болады. Келесі қадам – қос байланыстың қалыптасуы, протонның жойылуымен (депротондау) жүзеге асады. E1cb механизмінде кететін топтың реті кері болады, яғни, протон бірінші кезекте бөлінеді. Бұл механизм негіздің қатысуын қажет етеді. Ұқсас жағдайларға байланысты, E1 немесе E1cb жою реакциялары SN1 алмастырумен әрқашан бәсекелеседі. E2 механизмі де негізді қажет етеді, бірақ онда негіздің шабуылы мен кететін топтың жойылуы бір мезгілде жүреді және иондық аралық өнім пайда болмайды. E1 жоюдан айырмашылығы, E2 механизмінде реакция өнімінің әртүрлі стереохимиялық конфигурациялары мүмкін, себебі негіздің шабуылы кететін топқа қатысты анти-позицияда басымдықпен жүреді. Ұқсас жағдайлар мен реагенттерге байланысты, E2 жою SN2 алмастырумен әрқашан бәсекелеседі. Жоюдың қарсыласы – қосу, онда қос немесе үштік байланыстар жеке байланыстарға айналады. Субституциялық реакцияларға ұқсас, шабуылдайтын бөлшектің түріне қарай ерекшеленетін қосылудың бірнеше түрі бар. Мысалы, сутек бромидінің электрофильді қосылуында электрофил (протон) қос байланысқа шабуыл жасайды, нәтижесінде карбокатион пайда болады, ол кейін нуклеофилмен (броммен) әрекеттеседі. Карбокатион оның ұштарына байланысты топтарға байланысты қос байланыстың екі жағында да қалыптаса алады, ал таңдалған конфигурацияны Марковников ережесімен болжауға болады. Бұл ережеде "полярлық молекуланың алкенге немесе алкинге гетеролиттік қосылуында, полярлық молекуланың электронегативті (нуклеофильді) атомы (немесе бөлігі) сутек атомдарының саны аз көміртек атомына қосылады" делінген. Егер функционалдық топ қос байланыстың аз алмастырылған көміртек атомына қосылса, онда электрофильді қышқылдармен алмастыру мүмкін емес. Бұл жағдайда гидроборация-окистену реакциясын қолдану керек, онда бірінші қадамда бор атомы электрофил ретінде әрекет етеді және аз алмастырылған көміртек атомына қосылады. Екінші қадамда нуклеофильді гидропероксид немесе галоген анионы бор атомына шабуыл жасайды. Электронға бай алкендер мен алкиндерге қосылу негізінен электрофильді болса, нуклеофильді қосылу көміртек-гетероатомдық көптік байланыстарда маңызды рөл атқарады, әсіресе оның ең маңызды өкілі – карбонил тобы. Бұл процесс көбінесе жоюмен байланысты, сондықтан реакциядан кейін карбонил тобы қайтадан пайда болады. Сондықтан ол қосылу-жою реакциясы деп аталады және хлоридтер, эфирлер немесе ангидридтер сияқты карбоксил қышқылдарының туындыларында жүруі мүмкін. Бұл реакция көбінесе қышқылдар немесе негіздер арқылы катализделеді, онда қышқылдар карбонил тобының электрофильдігін оттегі атомына байланысу арқылы арттырады, ал негіздер шабуылдайтын нуклеофилдің нуклеофильдігін арттырады. Альфа, бета қанықпаған карбонил қосылысының қос байланысына карбанионды немесе басқа нуклеофилді нуклеофильді қосу Майкл реакциясы арқылы жүруі мүмкін, ол конъюгат қосылыстардың кең класына жатады. Бұл С-С байланыстарын қалыптастырудың ең пайдалы әдістерінің бірі. Кейбір қосылулар, нуклеофилдермен және электрофилдермен орындалмайтындықтан, еркін радикалдармен орындалуы мүмкін. Еркін радикалдар алмастыруы сияқты, радикалдар қосылуы тізбекті реакция ретінде жүреді, және мұндай реакциялар еркін радикалдар полимерленуінің негізі болып табылады.
The addition and its counterpart, the elimination, are reactions that change the number of substituents on the carbon atom, and form or cleave multiple bonds. Double and triple bonds can be produced by eliminating a suitable leaving group. Similar to the nucleophilic substitution, there are several possible reaction mechanisms that are named after the respective reaction order. In the E1 mechanism, the leaving group is ejected first, forming a carbocation. The next step, the formation of the double bond, takes place with the elimination of a proton (deprotonation). The leaving order is reversed in the E1cb mechanism, that is the proton is split off first. This mechanism requires the participation of a base. Because of the similar conditions, both reactions in the E1 or E1cb elimination always compete with the SN1 substitution. The E2 mechanism also requires a base, but there the attack of the base and the elimination of the leaving group proceed simultaneously and produce no ionic intermediate. In contrast to the E1 eliminations, different stereochemical configurations are possible for the reaction product in the E2 mechanism, because the attack of the base preferentially occurs in the anti position with respect to the leaving group. Because of the similar conditions and reagents, the E2 elimination is always in competition with the SN2 substitution. The counterpart of elimination is an addition where double or triple bonds are converted into single bonds. Similar to substitution reactions, there are several types of additions distinguished by the type of the attacking particle. For example, in the electrophilic addition of hydrogen bromide, an electrophile (proton) attacks the double bond forming a carbocation, which then reacts with the nucleophile (bromine). The carbocation can be formed on either side of the double bond depending on the groups attached to its ends, and the preferred configuration can be predicted with the Markovnikov's rule. This rule states that "In the heterolytic addition of a polar molecule to an alkene or alkyne, the more electronegative (nucleophilic) atom (or part) of the polar molecule becomes attached to the carbon atom bearing the smaller number of hydrogen atoms." If the addition of a functional group takes place at the less substituted carbon atom of the double bond, then the electrophilic substitution with acids is not possible. In this case, one has to use the hydroboration–oxidation reaction, wherein the first step, the boron atom acts as electrophile and adds to the less substituted carbon atom. In the second step, the nucleophilic hydroperoxide or halogen anion attacks the boron atom. While the addition to the electron rich alkenes and alkynes is mainly electrophilic, the nucleophilic addition plays an important role in the carbon heteroatom multiple bonds, and especially its most important representative, the carbonyl group. This process is often associated with elimination so that after the reaction the carbonyl group is present again. It is, therefore, called an addition elimination reaction and may occur in carboxylic acid derivatives such as chlorides, esters or anhydrides. This reaction is often catalyzed by acids or bases, where the acids increase the electrophilicity of the carbonyl group by binding to the oxygen atom, whereas the bases enhance the nucleophilicity of the attacking nucleophile. Nucleophilic addition of a carbanion or another nucleophile to the double bond of an alpha, beta unsaturated carbonyl compound can proceed via the Michael reaction, which belongs to the larger class of conjugate additions. This is one of the most useful methods for the mild formation of C–C bonds. Some additions which can not be executed with nucleophiles and electrophiles can be succeeded with free radicals. As with the free radical substitution, the radical addition proceeds as a chain reaction, and such reactions are the basis of the free radical polymerization.
Басқа органикалық реакция механизмдері
Қайта реттеу реакциясында молекуланың көміртек қаңқасы бастапқы молекуланың құрылымдық изомерін беру үшін қайта ұйымдастырылады. Бұларға Вагнер-Мервейн қайта орналасуы сияқты гидридтік орын ауыстыру реакциялары жатады, онда сутек, алкил немесе арил тобы бір көміртектен көршілес көміртектің үстіне көшеді. Көптеген қайта реттеулер жаңа көміртекті-көміртекті байланыстардың үзілуімен және пайда болуымен байланысты. Басқа мысалдар – сигматроптық реакциялар, мысалы Коптың қайта орналасуы. Циклдік қайта реттеулерге циклоаддициялар және, жалпы алғанда, перициклдік реакциялар жатады, онда екі немесе одан көп қос байланыс бар молекулалар циклдік молекула құрайды. Циклоаддиция реакциясының маңызды мысалы – конъюгацияланған диен мен алмастырылған алкен арасындағы алмастырылған циклогексен жүйесін түзетін Дильс-Альдер реакциясы (сонымен қатар [4+2] циклоаддициясы). Белгілі бір циклоаддицияның жүруі қатысушы түрлердің электрондық орбиталдарына байланысты, себебі жаңа байланыстарды құру үшін толқындық функциясының бірдей таңбасы бар орбиталдар ғана бірігіп, конструктивті әрекеттеседі. Циклоаддиция көбінесе жарық немесе жылу арқылы шақырылады. Бұл бұзылыстар молекулалардың қозу күйіндегі электрондардың әртүрлі орналасуына және демек, әртүрлі әсерлерге әкеледі. Мысалы, [4+2] Дильс-Альдер реакциясы жылу арқылы шақырылса, [2+2] циклоаддициясы жарық арқылы таңдап шақырылады. Орбиталық сипатына байланысты, циклоаддиция кезінде стереоизомерлік өнімдерді дамыту мүмкіндігі Вудвард-Хоффманн ережелерімен шектеледі.
In a rearrangement reaction, the carbon skeleton of a molecule is rearranged to give a structural isomer of the original molecule. These include hydride shift reactions such as the Wagner Meerwein rearrangement, where a hydrogen, alkyl or aryl group migrates from one carbon to a neighboring carbon. Most rearrangements are associated with the breaking and formation of new carbon carbon bonds. Other examples are sigmatropic reaction such as the Cope rearrangement. Cyclic rearrangements include cycloadditions and, more generally, pericyclic reactions, wherein two or more double bond containing molecules form a cyclic molecule. An important example of cycloaddition reaction is the Diels–Alder reaction (the so called [4+2] cycloaddition) between a conjugated diene and a substituted alkene to form a substituted cyclohexene system. Whether a certain cycloaddition would proceed depends on the electronic orbitals of the participating species, as only orbitals with the same sign of wave function will overlap and interact constructively to form new bonds. Cycloaddition is usually assisted by light or heat. These perturbations result in a different arrangement of electrons in the excited state of the involved molecules and therefore in different effects. For example, the [4+2] Diels Alder reactions can be assisted by heat whereas the [2+2] cycloaddition is selectively induced by light. Because of the orbital character, the potential for developing stereoisomeric products upon cycloaddition is limited, as described by the Woodward–Hoffmann rules.
Биохимиялық реакциялар
Биохимиялық реакциялар негізінен ферменттер деп аталатын күрделі ақуыздармен реттеледі, олар көбінесе тек бір ғана нақты реакцияны катализдеуге маманданған. Реакция ферменттің белсенді ортасында жүзеге асады, бұл аминқышқылы қалдықтарымен қапталған, әдетте ойық немесе қалта түріндегі кішкентай бөлігі, ал ферменттің қалған бөлігі негізінен тұрақтандыру үшін қолданылады. Ферменттердің катализдік әрекеті бірнеше механизмдерге сүйенеді, соның ішінде молекулалық пішін ("индукцияланған сәйкестік"), байланыс кернеуі, молекулалардың ферментке қатысты жақындығы және бағдары, протонның берілуі немесе алынуы (қышқыл-негіздік катализ), электростатикалық өзара әрекеттесулер және тағы да басқалар. Тірі организмдерде өтетін биохимиялық реакциялардың барлығы бірлесіп метаболизм деп аталады. Оның ең маңызды механизмдерінің бірі – анаболизм, онда әртүрлі ДНК және ферменттермен бақыланатын процестер нәтижесінде кішірек бірліктерден ақуыздар мен көмірсулар сияқты ірі молекулалар түзіледі. Биоэнергетика мұндай реакциялар үшін энергия көздерін зерттейді. Глюкоза және оттегі – маңызды энергия көздері, олар өсімдіктерде фотосинтез арқылы өндіріледі немесе тиісінше тағам мен ауадан сіңіріледі. Барлық организмдер бұл энергияны аденозин трифосфатын (АТФ) өндіру үшін пайдаланады, одан кейін оны басқа реакцияларды күшейту үшін қолдануға болады. Саңырауқұлақтар, бактериялар және басқа микроорганизмдер арқылы органикалық материалдың ыдырауы да биохимияның құрамына кіреді.
Biochemical reactions are mainly controlled by complex proteins called enzymes, which are usually specialized to catalyze only a single, specific reaction. The reaction takes place in the active site, a small part of the enzyme which is usually found in a cleft or pocket lined by amino acid residues, and the rest of the enzyme is used mainly for stabilization. The catalytic action of enzymes relies on several mechanisms including the molecular shape ("induced fit"), bond strain, proximity and orientation of molecules relative to the enzyme, proton donation or withdrawal (acid/base catalysis), electrostatic interactions and many others. The biochemical reactions that occur in living organisms are collectively known as metabolism. Among the most important of its mechanisms is the anabolism, in which different DNA and enzyme controlled processes result in the production of large molecules such as proteins and carbohydrates from smaller units. Bioenergetics studies the sources of energy for such reactions. Important energy sources are glucose and oxygen, which can be produced by plants via photosynthesis or assimilated from food and air, respectively. All organisms use this energy to produce adenosine triphosphate (ATP), which can then be used to energize other reactions. Decomposition of organic material by fungi, bacteria and other micro organisms is also within the scope of biochemistry.
Қолданбалар
Химиялық реакциялар химиялық инженерияның негізгі бөлігі болып табылады, олар мұнай, минералдық кендер және ауадағы оттегі сияқты табиғи шикізаттардан жаңа қосылыстарды синтездеу үшін қолданылады. Реакцияны мүмкіндігінше тиімді ету, өнімділікті максималдау және реагенттердің, энергия жұмсалымының және қалдықтардың мөлшерін азайту маңызды. Катализаторлар реакция үшін қажетті энергияны азайтуға және оның жылдамдығын арттыруға ерекше көмектеседі. Кейбір нақты реакциялардың өзіне тән қолданылу салалары бар. Мысалы, термит реакциясы пиротехникада және дәнекерлеуде жарық пен жылуды өндіру үшін пайдаланылады. Ол дәстүрлі отын-оксидті дәнекерлеу, доғалық дәнекерлеу және жылдам дәнекерлеуге қарағанда аз бақыланатын болса да, оған көп жабдық қажет емес және әлі де рельстерді жөндеу үшін қолданылады, әсіресе қашық аймақтарда.
Chemical reactions are central to chemical engineering, where they are used for the synthesis of new compounds from natural raw materials such as petroleum, mineral ores, and oxygen in air. It is essential to make the reaction as efficient as possible, maximizing the yield and minimizing the number of reagents, energy inputs and waste. Catalysts are especially helpful for reducing the energy required for the reaction and increasing its reaction rate. Some specific reactions have their niche applications. For example, the thermite reaction is used to generate light and heat in pyrotechnics and welding. Although it is less controllable than the more conventional oxy fuel welding, arc welding and flash welding, it requires much less equipment and is still used to mend rails, especially in remote areas.
Бақылау
Химиялық реакцияларды бақылау механизмдері реакция жылдамдығына күшті түрде байланысты. Салыстырмалы түрде баяу процестерді реакция ортасында (in situ) жеке компоненттердің концентрациясы мен табиғатын талдау арқылы зерттеуге болады. Нақты уақыттағы талдаудың маңызды құралдары – pH өлшемі және оптикалық сіңіру (түс) мен шығарылу спектрлерін талдау. Аз қолжетімді болғанымен, тиімді әдіс – реакцияға радиоактивті изотоп енгізіп, оның уақыт өте қалай өзгеретінін және қайда жылжығанын бақылау; бұл әдіс көбінесе адам организміндегі заттардың қайта таралуын зерттеу үшін қолданылады. Жылдам реакциялар көбінесе ультражылдам лазерлік спектроскопиямен зерттеледі, онда фемтосекундтық лазерлерді пайдалану арқылы қысқа мерзімді аралық күйлерді фемтосекундтарға дейін өлшеуге мүмкіндік береді.
Mechanisms of monitoring chemical reactions depend strongly on the reaction rate. Relatively slow processes can be analyzed in situ for the concentrations and identities of the individual ingredients. Important tools of real time analysis are the measurement of pH and analysis of optical absorption (color) and emission spectra. A less accessible but rather efficient method is the introduction of a radioactive isotope into the reaction and monitoring how it changes over time and where it moves to; this method is often used to analyze the redistribution of substances in the human body. Faster reactions are usually studied with ultrafast laser spectroscopy where utilization of femtosecond lasers allows short lived transition states to be monitored at a time scaled down to a few femtoseconds.