background image

 

  Mechanizmy reakcji chemicznych - sposoby obrazowania  

 

Mechanizmy 

reakcji chemicznych 

to swoiste opisy ich faktycznego przebiegu, razem ze wszystkimi stadiami i 

produktami  pośrednimi.  Niektórzy  za  integralną  część  mechanizmu  reakcji  uważają  zapis  stanów 
energetycznych oraz podstawowych danych kinetycznych (szybkości reakcji i wpływu różnych czynników na 
tę szybkość: np. temperatury, ciśnienia, katalizatora). Mechanizm reakcji tłumaczy, jak reagujące cząsteczki 
oddziałują  ze  sobą,  tworząc  końcowy  produkt.  Mówi  o  sposobie  i  kolejności  powstawania  podczas  reakcji 
nowych  wiązań  i  rozrywania  starych.  Wyjaśnia,  co  dzieje  się  z  elektronami  walencyjnymi  w  cząsteczkach 
biorących  udział  w  reakcji”  [1].  „Pokazuje  jaka  jest  względna  szybkość  każdego  etapu.  Pełny  mechanizm 
musi również uwzględnić wszystkie substraty, wszystkie utworzone produkty oraz odpowiednie ilości każdego 
z nich” [2].  
Typowe  równania  chemiczne  są  zwykle  tylko  sumarycznym  zapisem  przebiegu  reakcji,  bez  wnikania  w  jej 
kolejne etapy. Większość reakcji obejmuje jednak kilka do kilkadziesiąt etapów pośrednich, w czasie których 
dochodzi  do  rozrywania  jednych  i  tworzenia  innych 

wiązań  chemicznych

.  Poszczególne  akty  zrywania  lub 

powstawania  wiązań  nazywa  się 

reakcjami  elementarnymi

.  Kompletny  zapis  wszystkich  równań 

elementarnych zachodzących w trakcie reakcji jest właśnie tym, co zwykło się nazywać jej mechanizmem. 
Znajomość  mechanizmu  reakcji,  oprócz  znaczenia  czysto  poznawczego,  ma  także  ogromne  znaczenie 
praktyczne.  Rozumiejąc  mechanizm  reakcji  można  nią  świadomie  sterować,  zmieniając  parametry  jej 
środowiska. Na podstawie mechanizmu wyznacza się także efekty energetyczne reakcji i jej kinetykę, które 
to dane są często niezbędne do zastosowania danej reakcji w przemyśle. 
  

Typy mechanizmów reakcji  

Jakkolwiek  reakcje  chemiczne  przebiegają  na  wiele  różnych  sposobów,  typowe  mechanizmy  zostały  dość 
dokładnie  sklasyfikowane.  Nazwy  klas  mechanizmów  reakcji  składają  się  ze  skrótów  literowo-cyfrowych. 
Wielkie  litery  określają  ogólny  rodzaj  reakcji  (eliminacja,  substytucja,  addycja),  małe  określają  charakter 
chemiczny 

cząsteczki 

„atakującej”, a cyfra określa ile cząsteczek uczestniczy w etapie limitującym szybkość 

całej reakcji (czyli najwolniejszym). I tak np. 

• 

S

N

1  to  substytucja  nukleofilowa  jednocząsteczkowa.  W  trakcie  reakcji  przebiegającej  według 

mechanizmu  S

N

1  następuje  jednoczesne  zerwanie  wiązania  C-X  i  utworzenie  wiązania  między 

reaktywnym  centrum  a  atakującym  nukleofilem.  W  stanie  przejściowym  nukleofil  zbliża  się  do 
atakowanej  cząsteczki  z  przeciwnej  strony  niż  grupa  odchodząca.  Cechą  charakterystyczną  reakcji 
zachodzących według tego  mechanizmu jest inwersja  centrum reaktywnego. Szybkość reakcji typu 
S

N

2 zależy zarówno od stężenia halogenku alkilowego jak i stężenia atakującego nukleofila. Reakcji 

tego typu ulegają halogenki 1˚ i 2˚, natomiast halogenki 3˚ reagują bardzo wolno 

• 

S

N

2  to  substytucja  nukleofilowa  dwucząsteczkowa  -  jest  reakcją  dwuetapową,  w  której  szybkość 

pierwszego  etapu  decyduje  o  szybkości  całego  procesu.  W  pierwszym  etapie  substytucji 
nukleofilowej  następuje  zerwanie  wiązania  C-X  i  halogenek  opuszcza  cząsteczkę  jako  anion 
halogenkowy.  Reszta  cząsteczki  staje  się  płaskim  karbokationem.  Jak  już  nadmieniono  szybkość 
całej  reakcji  jest  ograniczona  szybkością  pierwszego  etapu,  zależy  więc  ona  tylko  i  wyłącznie  od 
stężenia  halogenku  alkilowego.  W  drugim  etapie  następuje  związanie  karbokationu  z  nukleofilem. 
Wynikiem powstania nowego wiązania jest odtworzenie tetraedrycznego centrum o hybrydyzacji sp

3

 

• 

E1  to  eliminacja  elektrofilowa,  jednocząsteczkowa  -  czyli  w  kluczowym  etapie  reakcji  uczestniczy 
tylko jedna cząsteczka 

• 

E2 to eliminacja elektrofilowa, dwucząsteczkowa - czyli w reakcji z wyjściowej cząsteczki coś ubywa, 
cząsteczka  ma  w  kluczowym  etapie  charakter 

elektrofilowy 

i  w  etapie  tym  uczestniczy  tylko jedna 

cząsteczka 

• 

S

E

1 to substytucja elektrofilowa jednocząsteczkowa 

• 

S

E

2 to substytucja elektrofilowa dwucząsteczkowa 

• 

ACN4  to  addycja  skoordynowana  (czasami  mówi  się  też  jednoczesna)  (Concerted),  obojętna 
(Neutral)  czterocząsteczkowa  -  czyli  w  reakcji  dochodzi  do  połączenia  się  cząsteczek  w  sposób 
skoordynowany,  bez  powstawania  produktów  ubocznych,  a  w  kluczowym  etapie  uczestniczą 
wszystkie 4 cząsteczki na raz.  

background image

  

Ustalanie mechanizmów reakcji  

Mechanizmy reakcji ustala się na różne sposoby: 

• 

Najbardziej  podstawowym  jest  zbadanie 

kinetyki 

danej  reakcji.  Reakcje  chemiczne  zachodzące 

według jednego z ogólnych typów mają zazwyczaj bardzo zbliżony mechanizm i podobną kinetykę. 
Dzięki  temu  istnieją  stablicowane  katalogi  ogólnych  schematów  kinetycznych  odpowiadających 
danemu typowi reakcji. Typ reakcji można więc w dużym stopniu ustalić porównując dane kinetyczne 
(

  szybkość  reakcji 

,  jej 

rząd 

względem  wszystkich  substratów)  badanej  reakcji  ze  schematem 

przypisanym do danego typu. 

• 

Drugim sposobem jest próba analizy produktów pośrednich reakcji. Robi się to albo w trakcie samej 
reakcji  (zwykle  metodami 

spektroskopowymi 

)  albo  usiłuje  się  "zatrzymać"  reakcję  na  etapie 

pośrednim i wyodrębnić pośrednie produkty. 

• 

Trzecim sposobem jest bezpośrednia obserwacja przebiegu zrywania i powstawania kolejnych wiązań 
chemicznych. Pomocne są tu często tzw. szybkie (tj. możliwe do przeprowadzenia szybciej niż sama 
reakcja) techniki analityczne takie jak np. 

chromatografia 

stop flow. 

• 

Czwartym  jest 

izotopowe 

śledzenie,  co  się  dzieje  z  wybranymi  fragmentami  cząsteczek  w  czasie 

reakcji.  Robi  się  to  syntezując  najpierw  substraty  zawierające  duże  ilości  nietypowego  izotopu 
(izotopu C

14

 w określonych ściśle miejscach, a następnie analizując, w których miejscach znalazły się 

one w produktach. Wymaga to już jednak posiadania ogólnej koncepcji przebiegu danej reakcji. 

• 

Ostatnim etapem jest zwykle weryfikacja eksperymentalna proponowanego mechanizmu. Polega ona 
na  zmianach  tych  warunków,  które  według  proponowanego  mechanizmu  powinny  mieć  istotny 
wpływ na nią i badaniu, czy wpływ ten jest rzeczywiście taki, jak to wynika z mechanizmu [3]. 

  

Sposoby przedstawiania reakcji 

Poniżej  przytoczono  reakcje  z  zakresu  chemii  organicznej  w  celu  pokazania  stosowanej  w  podręcznikach  i 
książkach statycznej formy zapisu: 

Przykład 1.  
Ogólny zapis równania reakcji. 
Uwodornienie węglowodorów nienasyconych, czyli przyłączenie wodoru do cząsteczek związków chemicznych 
zawierających wiązania nienasycone [4]:  

 

Przykład 2.  
Zapis równania reakcji uwzględniający wiązania w postaci kreskowej.  
W  reakcji  przyłączenia  bromu  do  wiązania  potrójnego  powstaje  związek  z  wiązaniem  podwójnym  węgiel-
węgiel [5]: 

 

Jeżeli w naczyniu reakcyjnym znajduje się dostateczna ilość bromu, następuje drugi etap reakcji i powstaje 
związek z wiązaniem pojedynczym węgiel-węgiel: 

background image

 

Przykład 3.  
Zapis równania reakcji przedstawiający wiązania w postaci kropkowej. 
Reakcja  Würtza     czyli  reakcji  jednopodstawionych  halogenowych  pochodnych  węglowodorów  nasyconych z 
metalicznym sodem. W reakcji tej możemy otrzymać etan oraz węglowodory o dłuższym łańcuchu węglowym 
[6]: 

 

Przykład 4. 
Zapis równania reakcji przedstawiający ogólny mechanizm polimeryzacji alkenów. 
Polega  na  przyłączeniu  do  podwójnego  wiązania  inicjatora  (In

  — 

).  Reakcja  przebiega  w  następujący  sposób 

[7]: 

 

  
Do  najczęściej  stosowanych  inicjatorów  należą  nadtlenki,  które  rozpadają  się  na  wolne  rodniki,  te  zaś 
przyłączają się do cząsteczki alkenu wytwarzając jednocześnie inny wolny rodnik, który z kolei przyłączą się 
do następnej cząsteczki alkenu. Jest to polimeryzacja łańcuchowa. 
  

Przykład 5. 

Mechanizm reakcji addycji bromu do alkenów.  
Polega na przyłączeniu do podwójnego wiązania. Na uwagę zasługuje fakt, ze oprócz schematu umieszczono 
przestrzenne modele substratów z rozkładem ładunków ( d 

, d 

). Reakcja przebiega w następujący sposób 

[8]: 
 

background image

 

   

Przykład 6. 
Poniżej  przytoczono  reakcje  z  zakresu  chemii  organicznej  opierając  się  na  najnowszym  wydaniu  Chemii 
organicznej  J.  McMurry’ego,  w  którym  to  mechanizmy  reakcji  ujęto  w  nowatorski  sposób  stosując  zapis 
pionowy. 
Mechanizm  reakcji  hydrolizy  estrów  katalizowanej  zasadą  nazywanej  reakcją  zmydlania  (saponifikacji). 
Hydroliza  estru  przebiega  według  typowego  mechanizmu  substytucji  nukleofilowej  W  reakcji  tej  jon 
hydroksylowy jest nukleofilem, który przyłącza się do atomu węgla grupy karbonylowej w estrze [9]:  

 

                                                          
Addycja  nukleofilowa  jonu  OH

   do  estrowej  grupy  karbonylowej  prowadzi  do  powstania  typowego 

tetraedrycznego produktu pośredniego - alkoholanu:  

 

Eliminacja jonu alkoksylowego generuje następnie kwas karboksylowy: 

 

Jonu alkoksylowy odrywa kwasowy proton z kwasu karboksylowego i tworzy się jon karboksylanowy: 

 

background image

                                                         
Protonowanie  jonu  karboksylanowego  przez  dodanie  wodnego  roztworu  kwasu  nieorganicznego  daje  wolny 
kwas karboksylowy: 

 

  
Mechanizmy  reakcji  można  przedstawić  również  w  formie  pół-animowanej  w  postaci  pojawiających  się 
kolejno obrazów, tzw. GIF-ów.  
  

Przykład 7. 

Reakcja eliminacji jednocząsteczkowej.  
Obraz pół-animowany składający się z kilku plansz pojawiających się po sobie. Niektóre animacje opatrzone 
są napisem w postaci planszy [10]. 

 

  

Przykład 8. 

background image

Przykład  mechanizmu  reakcji  ukazany  w  sposób  statyczny,  związki  chemiczne  przedstawione  w  formie 
kulowo-czaszowej 

[11]. 

 

 

 
 
Przykład 9.  
Przykład animacji przedstawiającej mechanizm reakcji otrzymywania etenu (etylenu) przez depolimeryzację 
polietylenu.  Wyjaśnienie  przebiegu  reakcji  zostało  opatrzone  komentarzem  lektora  [12].  W  zamieszczonej 
poniżej tabeli umieszczono jedynie fragmenty animacji, tzw. zrzuty ekranowe, co z zasady nie oddaje ruchu 
charakterystycznego dla animacji, m.in. tworzenia i rozpadania wiązań.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  

Rodzaj wizualizacji: 

Komentarz lektora 

background image

ANIMACJA 

Depolimeryzacja polietylenu. 

Depolimeryzacja polietylenu polega na 

rozkładzie polimeru na pojedyncze 

monomery. W tym przypadku eten. Proces 

ten zachodzi pod wpływem ciepła. 

Prześledźmy teraz dokładniej kolejne etapy 

reakcji. 

Pod wpływem ciepła następuje rozerwanie 

wiązania polimeru z wytworzeniem rodników. 

Kolejna porcja ciepła powoduje dalsze 

rozrywanie wiązań polimeru. Powstałe rodniki 

przekształcają się w eten. 

 

 

background image

Proces ten powtarza się do czasu 

wyczerpania polimeru. 

Produktem depolimeryzacji polietylenu jest 

eten. 

  
Analiza  prostych  mechanizmów  nie  sprawia  zazwyczaj  kłopotu  uczącym  się.  Jednak  z  rozumieniem 
rozbudowanych  mechanizmów  jest  już  znacznie  gorzej.  I  tutaj  mogą  przyjść  z  pomocą  animacje 
multimedialne ilustrując to, czego nie można pokazać za pomocą kartki i ołówka. Przygotowane w Zakładzie 
Dydaktyki Chemii UAM w Poznaniu animacje oddziałując na wzrok i słuch jednocześnie, wpływają na lepsze 
zrozumienie i  zapamiętanie materiału oraz pozwalają pokazać to, co jest niedostrzegalne dla ludzkiego oka 
[12]. Sprawiają m.in., że widzimy ruch elektronów walencyjnych, „(...) a właśnie ruch tych elektronów jest 
istotą procesów chemicznych” [13].