Cơ chế phản ứng & con đường

Cơ chế phản ứng, hoặc con đường phản ứng, mô tả các bước tiếp theo ở cấp độ phân tử diễn ra trong phản ứng hóa học. Trong mỗi bước, các liên kết phân tử được tạo ra hoặc bị phá vỡ. Các cơ chế phản ứng được đưa ra, và sau đó được hỗ trợ hoặc bác bỏ nhưng các điều kiện bao quát để xác định một cơ chế phản ứng/con đường phản ứng là tất cả các bước rời rạc cùng nhau có ý nghĩa liên quan đến phương trình phản ứng tổng thể và định luật tốc độ cho bước chậm nhất tuân theo tốc độ tổng thể được đo theo kinh nghiệm.

Các bước riêng lẻ tạo nên hầu hết các cơ chế phản ứng được mô tả là đơn phân tử hoặc hai phân tử. Cơ chế đơn phân tử xảy ra khi một phân tử phân ly để tạo thành hai loài hoặc trải qua quá trình sắp xếp lại bên trong. Phương trình tốc độ cho phản ứng đơn phân tử được mô tả là bậc nhất vì nó chỉ phụ thuộc vào nồng độ của một chất phản ứng và được viết là d[A]/dt= - k[A], trong đó k là hằng số tốc độ. Phản ứng lưỡng phân tử xảy ra khi hai phân tử kết hợp với nhau và phương trình tốc độ là d[A]/dt = - k[A][B] (bậc hai) hoặc bậc hai trong một trong các loài phân tử, d[A]/dt = - k[A]²

Có một số cơ chế thường được sử dụng để giải thích phản ứng. Ví dụ, trong các phản ứng thay thế nucleophilic, nucleophile mang một cặp electron đến phân tử chất nền và nhóm rời đi với một cặp electron. Trong cơ chế S_n2, sự thay thế lưỡng phân tử là một quá trình một bước trong đó không có hình thức trung gian. Nucleophile tấn công và nhóm rời đi đồng thời. Trong cơ chế thay thế đơn phân tử S_{n 1}, có quá trình ion hóa chậm của chất nền, tạo thành một trạng thái chuyển tiếp ion cacboni nhanh chóng bị tấn công bởi nucleophile. Trong phản ứng này, bước xác định tốc độ là sự hình thành ion cacboni trạng thái chuyển tiếp.

Một ví dụ khác về cơ chế phản ứng phổ biến là thay thế ưa điện. Như trong phản ứng S_n2, trong cơ chế SE2, liên kết mới hình thành cùng lúc với liên kết cũ bị đứt. Trong cơ chế S_n2, nhóm đến tấn công ở vị trí 180 độ so với nhóm rời đi, do đẩy lùi các đám mây electron nên vị trí của các phối tử trên phân tử là khác nhau. Trong cơ chế SE2, nhóm đến có thể tiếp cận từ cùng một phía, dẫn đến việc giữ lại cấu hình. 

Phản ứng hóa học có thể phức tạp và các phản ứng cạnh tranh là phổ biến, làm phức tạp thêm kết quả. Với sự phức tạp và đa dạng như vậy, nhà hóa học phải hiểu các nguyên tắc cơ bản về lý do tại sao các phân tử phản ứng, do đó cho phép logic và khả năng dự đoán trong việc hiểu cách một phản ứng có khả năng tiến triển. Bằng cách hiểu chính xác các cơ chế xảy ra trong các bước phản ứng cơ bản, người ta có thể bắt đầu hiểu cách ảnh hưởng đến kết quả tổng thể.

Ví dụ, một số bước cơ bản có thể dẫn đến các loài hoặc chất trung gian thoáng qua quan trọng là trạng thái chuyển tiếp sang sản phẩm cuối cùng hoặc sản phẩm phụ. Hiểu được các cơ chế trong các bước cơ bản tuần tự của phản ứng cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách sửa đổi các điều kiện phản ứng có thể ảnh hưởng đến kết quả phản ứng tổng thể, độ tinh khiết và tốc độ phản ứng.

Các cơ chế phản ứng được giả định và sau đó được hỗ trợ hoặc bác bỏ. Dữ liệu thí nghiệm cần thiết thường phát sinh từ việc đo động học của các loài phản ứng chính, cho phép tính toán các định luật tốc độ cho các bước riêng lẻ bao gồm và phù hợp với cơ chế phản ứng được đề xuất.

Phương pháp phân tích để thực hiện các phép đo động học này được phân loại rộng rãi là trực tuyến và ngoại tuyến. Các kỹ thuật trực tuyến được sử dụng rộng rãi vì khối lượng dữ liệu đáng kể được thu thập như một hàm của thời gian. Với các phương pháp trực tuyến, thay vì chạy một số lượng lớn các phản ứng để hiểu sự phụ thuộc của tốc độ, chỉ cần một vài thí nghiệm có thể cung cấp thông tin cần thiết để xác định các động lực hỗ trợ cơ chế phản ứng. Hơn nữa, các loài phản ứng thoáng qua, thường có vai trò quan trọng trong cơ chế phản ứng, được bảo tồn bằng phương pháp tại chỗ. Các phương pháp trực tuyến khác bao gồm UV / Vis, Cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) và Khối phổ (MS). Việc lựa chọn công nghệ được sử dụng phụ thuộc vào loại phản ứng đang được nghiên cứu và thông tin cụ thể cần thiết.

Đối với một số phản ứng nhất định, chẳng hạn như những phản ứng cần theo dõi các loại nồng độ thấp hoặc khi hỗn hợp phản ứng phức tạp yêu cầu tách hợp chất vật lý, loại bỏ một mẫu hỗn hợp phản ứng theo khoảng thời gian, kết hợp với phân tích ngoại tuyến, là cách tiếp cận tốt nhất để thu được thông tin động học. Quá trình này rất tẻ nhạt và có vấn đề đối với các hóa chất:

• Bùn
• Hoạt động ở áp suất cao
• Nhiệt độ thấp và / hoặc đối với phản ứng với các chất trung gian thoáng qua
• Tỏa nhiệt cao

EasySampler cho phép lấy mẫu phản ứng tự động , không cần giám sát và loại bỏ nhiều khó khăn nói trên. Khi EasySampler được sử dụng cùng với các lò phản ứng hóa học, cho phép các phản ứng được chạy với các thông số được kiểm soát, thông tin động học chính xác sẽ thu được trên các hỗn hợp phản ứng phức tạp này.

Thiết bị quang phổ FTIR thường được sử dụng kết hợp với các kỹ thuật phân tích ngoại tuyến để hiểu đầy đủ về động học và cơ chế phản ứng. Ngoài ra, việc sử dụng EasySampler với các phép đo ngoại tuyến HPLC cung cấp dữ liệu cần thiết để hiệu chỉnh các phương pháp quang phổ trực tuyến, cho phép các phương pháp sau báo cáo dữ liệu dưới dạng nồng độ so với thời gian, thay vì độ hấp thụ so với thời gian.

ReactIR là một kỹ thuật thời gian thực, tại chỗ cung cấp phổ rung động hồng ngoại trung bình từng giây của phản ứng hóa học, trong điều kiện phản ứng thực tế. Bằng cách theo dõi các loài phản ứng riêng lẻ khi chúng thay đổi như một hàm của thời gian và các biến, thông tin chi tiết thu được về các bước cơ bản riêng lẻ góp phần vào cơ chế phản ứng giả thuyết. Ngoài ra, vì các phản ứng được đo mà không cần lấy mẫu, các chất trung gian thoáng qua, là manh mối quan trọng cho cơ chế phản ứng, được bảo tồn và xác định.

• Nghiên cứu phản ứng hóa học trong điều kiện phản ứng thực tế
• Xác định, theo dõi và đo lường các loài phản ứng chính bao gồm các sản phẩm phụ được hình thành
• Quan sát các hợp chất trung gian là manh mối quan trọng cho cơ chế phản ứng
• Xác định động học phản ứng của các bước cơ bản để hỗ trợ cơ chế giả định
• Kiểm tra ảnh hưởng của các biến đối với kết quả phản ứng và cơ chế phản ứng dự đoán

Xem Live eDemo từ cơ quan hoặc văn phòng tại nhà của bạn - theo lịch trình của bạn.

Lấy mẫu thủ công các phản ứng hóa học để phân tích ngoại tuyến bằng HPLC để xác định tiến trình phản ứng hoặc hồ sơ tạp chất là thực hành tiêu chuẩn. Lấy mẫu thủ công không phải lúc nào cũng là một hoạt động chính xác và có thể gặp khó khăn hoặc thậm chí nguy hiểm với các phản ứng ở nhiệt độ cao hoặc thấp, áp suất cao, có chất phản ứng độc hại, khả năng tỏa nhiệt cao hoặc các phản ứng có chứa bùn. Hỗn hợp phản ứng lấy mẫu thủ công sau đó phải được làm nguội và sự chậm trễ có thể dẫn đến kết quả thay đổi và không chính xác trong thông tin phân tích thu được. EasySampler được thiết kế để loại bỏ những thách thức này bằng cách cung cấp một phương pháp nội tuyến tự động và mạnh mẽ để lấy mẫu đại diện từ các phản ứng, ngay cả trong điều kiện khắc nghiệt.

EasySampler cung cấp các mẫu tự động, hẹn giờ để phân tích ngoại tuyến để đo:

• Chất lượng và năng suất sản phẩm
• Hồ sơ tạp chất
• Sự hình thành sản phẩm phụ
• Xu hướng và tiến độ phản ứng
• Động học và cơ chế phản ứng
• Các loài phản ứng: hỗ trợ hiệu chuẩn phân tích quang phổ trực tuyến (ReactIR, ReactRaman)

ReactIR và ReactRaman là các kỹ thuật thời gian thực, tại chỗ cung cấp quang phổ từng giây của phản ứng hóa học, trong các điều kiện phản ứng thực tế. Bằng cách theo dõi các loài phản ứng riêng lẻ khi chúng thay đổi như một hàm của thời gian và các biến, thông tin chi tiết thu được về các bước cơ bản riêng lẻ góp phần vào cơ chế phản ứng giả thuyết. Ngoài ra, vì các phản ứng được đo mà không cần lấy mẫu, các chất trung gian thoáng qua, là manh mối quan trọng cho cơ chế phản ứng, được bảo tồn và xác định.

• Nghiên cứu phản ứng hóa học trong điều kiện phản ứng thực tế
• Xác định, theo dõi và đo lường các loài phản ứng chính bao gồm các sản phẩm phụ được hình thành
• Quan sát các hợp chất trung gian là manh mối quan trọng cho cơ chế phản ứng
• Xác định động học phản ứng của các bước cơ bản để hỗ trợ cơ chế giả định
• Kiểm tra ảnh hưởng của các biến đối với kết quả phản ứng và cơ chế phản ứng dự đoán