Химические реакции: процессы и механизмы

Введение

Процесс, приводящий к взаимопревращению химических видов.

Химическая реакция – это процесс, который приводит к химическому превращению одного набора химических веществ в другой. При протекании химических реакций происходит перегруппировка атомов, и реакция сопровождается изменением энергии при образовании новых продуктов. В классическом понимании, химические реакции охватывают изменения, затрагивающие лишь положение электронов при образовании и разрыве химических связей между атомами, без изменения ядер (без изменения представленных элементов), и часто могут быть описаны химическим уравнением. Ядерная химия является подразделом химии, изучающим химические реакции нестабильных и радиоактивных элементов, в которых могут происходить как электронные, так и ядерные изменения. Вещества (или вещества), первоначально участвующие в химической реакции, называются реагентами или исходными веществами. Химические реакции обычно характеризуются химическими изменениями и приводят к образованию одного или нескольких продуктов, свойства которых, как правило, отличаются от свойств реагентов. Реакции часто состоят из последовательности отдельных элементарных стадий, информация о точном механизме которых составляет часть механизма реакции. Химические реакции описываются химическими уравнениями, которые символически представляют исходные вещества, конечные продукты, а иногда и промежуточные продукты и условия реакции. Химические реакции протекают с определенной скоростью при заданной температуре и химической концентрации. Некоторые реакции выделяют тепло и называются экзотермическими, в то время как другим требуется тепло для начала реакции, и они называются эндотермическими. Как правило, скорость реакции увеличивается с повышением температуры, поскольку становится доступно больше тепловой энергии для преодоления энергии активации, необходимой для разрыва связей между атомами. Реакция может быть классифицирована как окислительно-восстановительная, в которой происходят процессы окисления и восстановления, или как неокислительно-восстановительная, в которой эти процессы отсутствуют. Большинство простых окислительно-восстановительных реакций можно классифицировать как реакции соединения, разложения или замещения. Различные химические реакции используются в химическом синтезе для получения желаемого продукта. В биохимии последовательная серия химических реакций (где продукт одной реакции является реагентом для следующей) формирует метаболические пути. Эти реакции часто катализируются белковыми ферментами. Ферменты увеличивают скорость биохимических реакций, позволяя метаболическим процессам синтеза и разложения, невозможным в обычных условиях, протекать при температуре и концентрациях, присутствующих в клетке. Общее понятие химической реакции было расширено на реакции между частицами, меньшими атомов, включая ядерные реакции, радиоактивный распад и реакции между элементарными частицами, как это описано в квантовой теории поля.

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.

История

Химические реакции, такие как горение, брожение и восстановление руд до металлов, были известны с древних времен. Первоначальные теории преобразования веществ были разработаны греческими философами, например, теория четырех элементов Эмпедокла, утверждавшая, что любое вещество состоит из четырех основных элементов – огня, воды, воздуха и земли. В Средние века химические превращения изучались алхимиками. Они пытались, в частности, превратить свинец в золото, для чего использовали реакции свинца и сплавов свинца с медью с серой. Искусственное получение химических веществ уже было центральной целью средневековых алхимиков. Примеры включают синтез хлорида аммония из органических веществ, описанный в трудах (ок. 850–950 гг.), приписываемых Джабиру ибн Хайяну, или производство минеральных кислот, таких как серная и азотная кислоты, более поздними алхимиками, начиная с ок. 1300 г. Производство минеральных кислот включало нагревание сульфатных и нитратных минералов, таких как сульфат меди, квасцы и селитра. В XVII веке Иоганн Рудольф Глаубер получил соляную кислоту и сульфат натрия, взаимодействуя серную кислоту и хлорид натрия. С развитием свинцовокамерного процесса в 1746 году и процесса Леблана, обеспечившего крупномасштабное производство серной кислоты и карбоната натрия соответственно, химические реакции стали внедряться в промышленность. Дальнейшая оптимизация технологии производства серной кислоты привела к контактному процессу в 1880-х годах, а процесс Габера был разработан в 1909–1910 годах для синтеза аммиака. Начиная с XVI века, исследователи, включая Яна Баптиста ван Гельмонта, Роберта Бойля и Исаака Ньютона, пытались установить теории экспериментально наблюдаемых химических превращений. Теория флогистона была предложена в 1667 году Иоганном Иоахимом Бехером. Она постулировала существование элемента, подобного огню, под названием «флогистон», который содержался в горючих телах и выделялся при горении. Эта теория была опровергнута в 1785 году Антуаном Лавуазье, который обнаружил правильное объяснение горения как реакции с кислородом из воздуха. Жозеф Луи Гей-Люссак в 1808 году установил, что газы всегда реагируют друг с другом в определенном соотношении. Основываясь на этой идее и атомной теории Джона Дальтона, Жозеф Пруст разработал закон определенных пропорций, который впоследствии привел к понятиям стехиометрии и химических уравнений. Что касается органической химии, то долгое время считалось, что соединения, получаемые из живых организмов, слишком сложны для синтетического получения. Согласно концепции витализма, органическое вещество наделялось «жизненной силой» и отличалось от неорганических материалов. Однако это разделение было преодолено синтезом мочевины из неорганических предшественников Фридрихом Вёлером в 1828 году. Другими химиками, внесшими значительный вклад в органическую химию, являются Александр Уильям Уильямсон с его синтезом эфиров и Кристофер Келк Ингголд, который, среди множества открытий, установил механизмы реакций замещения.

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.

Элементарные реакции

Элементарная реакция – это минимальное разделение, на которое можно разложить химическую реакцию, и она не имеет промежуточных продуктов. Большинство экспериментально наблюдаемых реакций состоит из множества элементарных реакций, протекающих параллельно или последовательно. Фактическая последовательность отдельных элементарных реакций называется механизмом реакции. Элементарная реакция включает в себя небольшое число молекул, обычно одну или две, из-за низкой вероятности одновременной встречи нескольких молекул. Наиболее важными элементарными реакциями являются одномолекулярные и бимолекулярные реакции. В одномолекулярной реакции участвует только одна молекула, которая преобразуется посредством изомеризации или диссоциации в одну или несколько других молекул. Такие реакции требуют подвода энергии в виде тепла или света. Типичным примером одномолекулярной реакции является цис-транс изомеризация, при которой цис-форма соединения превращается в транс-форму или наоборот. Выход реакции стабилизируется в состоянии равновесия, но может быть увеличен путем удаления продукта из реакционной смеси или изменен путем повышения температуры или давления. Изменение концентраций реагентов не влияет на константу равновесия, но влияет на положение равновесия.

Разложение

Реакция разложения — это процесс, при котором более сложное вещество распадается на более простые вещества. Таким образом, это противоположность реакции синтеза и может быть представлена в виде

Осложнения

В реакциях комплексообразования несколько лигандов реагируют с атомом металла, образуя координационный комплекс. Это достигается за счет предоставления неподеленных электронных пар лигандов в пустые орбитали атома металла и формирования диполярных связей. Лиганды являются основаниями Льюиса и могут быть как ионами, так и нейтральными молекулами, такими как монооксид углерода, аммиак или вода. Число лигандов, взаимодействующих с центральным атомом металла, можно определить, используя правило 18 электронов, согласно которому валентные оболочки переходного металла в совокупности могут вмещать 18 электронов, в то время как симметрия образующегося комплекса может быть предсказана с помощью теории кристаллического поля и теории поля лигандов. Реакции комплексообразования также включают обмен лигандов, при котором один или несколько лигандов замещаются другими, и окислительно-восстановительные процессы, изменяющие степень окисления центрального атома металла.

Осадки

Осаждение – это образование твердого вещества в растворе или внутри другого твердого вещества в ходе химической реакции. Обычно это происходит, когда концентрация растворенных ионов превышает предел растворимости и образуется нерастворимая соль. Этот процесс может быть ускорен добавлением осадителя или удалением растворителя. Быстрое осаждение приводит к образованию аморфного или микрокристаллического осадка, а медленный процесс может привести к образованию монокристаллов. Монокристаллы также могут быть получены путем перекристаллизации из микрокристаллических солей.

Реакции в твердом состоянии

Реакции могут протекать между двумя твердыми веществами. Однако из-за относительно низких скоростей диффузии в твердых телах соответствующие химические реакции протекают значительно медленнее, чем реакции в жидкой и газовой фазах. Их можно ускорить, повышая температуру реакции и измельчая реагенты для увеличения площади контакта.

Реакции на твердо-газовом интерфейсе

Реакция может происходить на границе раздела твердого тела и газа, на поверхностях при очень низком давлении, например, в сверхвысоком вакууме. С помощью сканирующей туннельной микроскопии можно наблюдать реакции на границе раздела твердого тела и газа в реальном пространстве, если временной масштаб реакции находится в подходящем диапазоне. Реакции на границе раздела твердого тела и газа в некоторых случаях связаны с катализом.

Фотохимические реакции

В фотохимических реакциях атомы и молекулы поглощают энергию (фотоны) света и преобразуют ее в возбужденное состояние. Затем они могут высвободить эту энергию, разрывая химические связи, тем самым образуя радикалы. Фотохимические реакции включают реакции водорода с кислородом, радикальную полимеризацию, цепные реакции и реакции перегруппировки. Многие важные процессы связаны с фотохимией. Наиболее ярким примером является фотосинтез, в ходе которого большинство растений используют солнечную энергию для преобразования углекислого газа и воды в глюкозу, выделяя кислород как побочный продукт. Человеческий организм полагается на фотохимию для выработки витамина D, а зрение начинается с фотохимической реакции родопсина. У светлячков фермент в брюшке катализирует реакцию, приводящую к биолюминесценции. Многие важные фотохимические реакции, такие как образование озона, происходят в атмосфере Земли и составляют ее химию.

Катализ

При катализе реакция протекает не напрямую, а через взаимодействие с третьим веществом, известным как катализатор. Хотя катализатор участвует в реакции, образуя слабые связи с реагентами или промежуточными соединениями, к концу реакции он возвращается в исходное состояние и, следовательно, не расходуется. Однако он может быть заторможен, деактивирован или разрушен вторичными процессами. Катализаторы могут использоваться в другой фазе (гетерогенный катализ) или в той же фазе (гомогенный катализ), что и реагенты. В гетерогенном катализе типичными вторичными процессами являются коксование, при котором катализатор покрывается полимерными побочными продуктами. Кроме того, гетерогенные катализаторы могут растворяться в растворе в твердо-жидкой системе или испаряться в твердо-газовой системе. Катализаторы могут только ускорять реакцию – вещества, замедляющие реакцию, называются ингибиторами. Вещества, повышающие активность катализаторов, называются промоторами, а вещества, деактивирующие катализаторы, – каталитическими ядами. С помощью катализатора реакция, кинетически заторможенная высокой энергией активации, может протекать, обходя этот энергетический барьер. Гетерогенные катализаторы обычно представляют собой твердые вещества в виде порошка для максимального увеличения площади поверхности. Особое значение в гетерогенном катализе имеют металлы платиновой группы и другие переходные металлы, которые используются в реакциях гидрирования, каталитического риформинга и синтезе базовых химических веществ, таких как азотная кислота и аммиак. Кислоты являются примером гомогенного катализатора, они повышают нуклеофильность карбонильных соединений, позволяя протекать реакциям, которые в противном случае не были бы возможны с электрофилами. Преимущество гомогенных катализаторов заключается в легкости их смешивания с реагентами, но их также может быть трудно отделить от продуктов реакции. Поэтому в многих промышленных процессах предпочтение отдается гетерогенным катализаторам.

Реакции в органической химии

В органической химии, помимо окисления, восстановления или кислотно-основных реакций, может происходить ряд других реакций, включающих ковалентные связи между атомами углерода или углерода и гетероатомами (такими как кислород, азот, галогены и т.д.). Многие специфические реакции в органической химии являются реакциями, названными в честь их первооткрывателей. Одной из наиболее важных промышленных реакций является крекинг тяжелых углеводородов на нефтеперерабатывающих заводах для получения более мелких и простых молекул. Этот процесс используется для производства бензина. Специфические типы органических реакций могут быть сгруппированы по механизмам реакций (в частности, замещение, присоединение и отщепление) или по типам образующихся продуктов (например, метилирование, полимеризация и галогенирование).

Добавление и удаление

Добавление и его аналог, элиминирование, – это реакции, которые изменяют число заместителей у атома углерода и формируют или разрывают множественные связи. Двойные и тройные связи могут быть получены путем элиминирования подходящей уходящей группы. Подобно нуклеофильному замещению, существует несколько возможных механизмов реакции, названных в соответствии с порядком реакции. В механизме E1 уходящая группа отщепляется первой, образуя карбокатион. Следующий этап – образование двойной связи – происходит с элиминированием протона (депротонированием). В механизме E1cb порядок отщепления обратный, то есть сначала отщепляется протон. Этот механизм требует участия основания. Из-за схожих условий обе реакции – элиминирование E1 или E1cb – всегда конкурируют с замещением SN1. Механизм E2 также требует основания, но там атака основания и элиминирование уходящей группы происходят одновременно, не образуя ионного интермедиата. В отличие от элиминирования E1, для продукта реакции в механизме E2 возможны различные стереохимические конфигурации, поскольку атака основания предпочтительно происходит в анти-положении относительно уходящей группы. Из-за схожих условий и реагентов элиминирование E2 всегда конкурирует с замещением SN2. Обратной реакцией элиминирования является присоединение, при котором двойные или тройные связи превращаются в одинарные. Как и в реакциях замещения, существуют различные типы присоединений, различаемые по типу атакующей частицы. Например, при электрофильном присоединении бромистого водорода электрофил (протон) атакует двойную связь, образуя карбокатион, который затем реагирует с нуклеофилом (бромом). Карбокатион может образовываться с любой стороны двойной связи в зависимости от групп, присоединенных к ее концам, и предпочтительную конфигурацию можно предсказать с помощью правила Марковникова. Это правило гласит: "При гетеролитическом присоединении полярной молекулы к алкену или алкину более электроотрицательный (нуклеофильный) атом (или часть) полярной молекулы присоединяется к атому углерода, несущему меньшее число атомов водорода". Если присоединение функциональной группы происходит к менее замещенному атому углерода двойной связи, то электрофильное замещение кислотами невозможно. В этом случае необходимо использовать реакцию гидроборирования-окисления, где на первом этапе атом бора выступает в роли электрофила и присоединяется к менее замещенному атому углерода. На втором этапе нуклеофильный гидропероксид или галогенид-анион атакует атом бора. В то время как присоединение к электронно-богатым алкенам и алкинам в основном электрофильное, нуклеофильное присоединение играет важную роль в кратных связях углерод-гетероатом, и особенно в ее наиболее важном представителе – карбонильной группе. Этот процесс часто сопровождается элиминированием, так что после реакции карбонильная группа снова присутствует. Поэтому он называется реакцией присоединения-элиминирования и может происходить в производных карбоновых кислот, таких как хлориды, эфиры или ангидриды. Эта реакция часто катализируется кислотами или основаниями, где кислоты повышают электрофильность карбонильной группы, связываясь с атомом кислорода, а основания усиливают нуклеофильность атакующего нуклеофила. Нуклеофильное присоединение карбаниона или другого нуклеофила к двойной связи альфа, бета-ненасыщенного карбонильного соединения может протекать по реакции Майкла, которая относится к более широкому классу конъюгированных присоединений. Это один из наиболее полезных методов для мягкого образования C–C связей. Некоторые присоединения, которые не могут быть осуществлены с помощью нуклеофилов и электрофилов, могут быть успешно проведены с использованием свободных радикалов. Как и при радикальном замещении, радикальное присоединение протекает как цепная реакция, и такие реакции лежат в основе радикальной полимеризации.

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.

Другие механизмы органической реакции

В реакции перегруппировки углеродный скелет молекулы перестраивается с образованием структурного изомера исходной молекулы. К ним относятся реакции сдвига гидрида, такие как перегруппировка Вагнера-Мервейна, где атом водорода, алкильная или арильная группа мигрируют от одного атома углерода к соседнему. Большинство перегруппировок связано с разрывом и образованием новых углерод-углеродных связей. Другие примеры – сигматропные реакции, такие как перегруппировка Копа. Циклические перегруппировки включают циклоприсоединения и, в более общем смысле, перициклические реакции, в которых две или более молекулы, содержащие двойные связи, образуют циклическую молекулу. Важным примером реакции циклоприсоединения является реакция Дильса-Альдера (так называемое циклоприсоединение [4+2]) между конъюгированным диеном и замещенным алкеном с образованием замещенной циклогексеновой системы. То, произойдет ли конкретное циклоприсоединение, зависит от электронных орбиталей участвующих частиц, поскольку только орбитали с одинаковым знаком волновой функции будут перекрываться и конструктивно взаимодействовать для образования новых связей. Циклоприсоединения обычно инициируются светом или теплом. Эти воздействия приводят к изменению расположения электронов в возбужденном состоянии участвующих молекул и, следовательно, к различным эффектам. Например, реакции Дильса-Альдера [4+2] могут быть инициированы теплом, в то время как циклоприсоединение [2+2] избирательно индуцируется светом. Из-за орбитального характера потенциал для образования стереоизомерных продуктов при циклоприсоединении ограничен, как описано правилами Вудварда-Хоффмана.

Биохимические реакции

Биохимические реакции в основном контролируются сложными белками, называемыми ферментами, которые обычно специализируются на катализе только одной конкретной реакции. Реакция протекает в активном центре – небольшой части фермента, которая обычно расположена в расщелине или углублении, выстланном аминокислотными остатками, а остальная часть фермента служит главным образом для стабилизации. Каталитическое действие ферментов основано на нескольких механизмах, включая молекулярную форму («индуцированное соответствие»), напряжение в связях, близость и ориентацию молекул относительно фермента, донирование или оттягивание протонов (кислотно-основной катализ), электростатические взаимодействия и многие другие. Совокупность биохимических реакций, происходящих в живых организмах, называется метаболизмом. Одним из важнейших его механизмов является анаболизм, в ходе которого различные процессы, контролируемые ДНК и ферментами, приводят к образованию крупных молекул, таких как белки и углеводы, из более мелких строительных блоков. Биоэнергетика изучает источники энергии для этих реакций. Важными источниками энергии служат глюкоза и кислород, которые растения могут производить посредством фотосинтеза или получать из пищи и воздуха соответственно. Все организмы используют эту энергию для синтеза аденозинтрифосфата (АТФ), который затем может быть использован для обеспечения энергией других реакций. Разложение органических веществ грибами, бактериями и другими микроорганизмами также входит в область изучения биохимии.

Приложения

Химические реакции играют центральную роль в химической инженерии, где они используются для синтеза новых соединений из природного сырья, такого как нефть, минеральные руды и кислород воздуха. Необходимо сделать реакцию максимально эффективной, максимизируя выход продукта и минимизируя количество реагентов, затрат энергии и образование отходов. Катализаторы особенно полезны для снижения энергии, необходимой для протекания реакции, и повышения её скорости. Некоторые специфические реакции имеют узкоспециализированные области применения. Например, термитная реакция используется для получения света и тепла в пиротехнике и сварке. Хотя она менее управляема, чем более традиционные виды сварки, такие как кислородно-ацетиленовая, дуговая и контактная сварка, она требует значительно меньше оборудования и до сих пор применяется для ремонта железнодорожных путей, особенно в удаленных районах.

Мониторинг

Механизмы мониторинга химических реакций сильно зависят от скорости реакции. Относительно медленные процессы могут быть проанализированы *in situ* для определения концентраций и идентификации отдельных компонентов. Важными инструментами анализа в реальном времени являются измерение pH и анализ спектров оптического поглощения (цвета) и эмиссии. Менее доступным, но весьма эффективным методом является введение радиоактивного изотопа в реакцию и отслеживание его изменений во времени и перемещения; этот метод часто используется для анализа перераспределения веществ в организме человека. Более быстрые реакции обычно изучаются с помощью ультрабыстрой лазерной спектроскопии, где применение фемтосекундных лазеров позволяет наблюдать за короткоживущими переходными состояниями в масштабе времени, уменьшенном до нескольких фемтосекунд.