Химическая индукция

Химическая индукция (англ. chemical induction, укр. хімічна індукція) — это явление, при котором в химической системе одна реакция ускоряет другую или вызывает протекание другой реакции, которая сама в отсутствии первой в данных условиях не идёт.

Описание

Данное взаимодействие возможно благодаря участию интермедиата или продукта первой реакции в другой. Химическая индукция часто наблюдается в окислительно-восстановительных, радикально-цепных и биохимических реакциях. Две реакции, из которых одна индуцирует другую, называют сопряжёнными. Сопряжёнными могут быть только сложные реакции, так как простые (элементарные) реакции протекают всегда независимо (при заданном состоянии среды).

Механизм

Механизм химической индукции заключается в участии одних и тех же промежуточных веществ — активных частиц — в каждой из двух сопряжённых реакций. Одна из реакций порождает такие частицы в количестве, достаточном для квазистационарного течения обеих реакций.

Некоторое вещество Х может вступать в реакцию с А₁, переводя его в активное производное, а само оно при этом превращается практически необратимо в какой-то продукт Y, то есть расходуется. Например, реакция окисления бензола в фенол при низкой температуре пероксидом водорода.

C₆H₆+H₂O₂ → C₆H₅OH+H₂O

Такая реакция должна идти с синхронным разрывом двух существующих и образованием двух новых связей в четырёхчленном циклическом активированном комплексе, что связано с преодолением высокого энергетического барьера. Поэтому прямое взаимодействие компонентов практически не приводит к образованию продуктов реакции. Если добавить в эту смесь соль железа (ІІ), то в результате реакции

Fe²⁺ + H₂O₂ → FeOH²⁺ + OH^-

(FeOH²⁺ представляет собой ион OH^- в координационной сфере иона Fe³⁺) образуется свободный радикал OH^-, который легко (через линейный трёхчленный активированный комплекс) отрывает атом H у бензола

C₆H₆ + OH^- → C₆H₅ + H₂O

с образованием свободного фенила. Последний еще с одним радикалом OH даёт фенол

C₆H₅ + OH^- → C₆H₅OH

В итоге происходит суммарный процесс

2Fe²⁺ + 2H₂O₂ + C₆H₆ → 2FeOH²⁺ + H₂O + C₆H₅OH

Если известен механизм сопряжения, можно управлять выходом продуктов одной из сопряжённых реакций, меняя условия протекания той из реакций, в которой производятся активные частицы.

Особенность

Важная особенность химической индукции: суммарное изменение энергии Гиббса при протекании сопряжённых реакций отрицательно, и такой процесс может протекать самопроизвольно.

Это свойство сопряжённых реакций играет исключительно важную роль в живой природе. Например, синтез важнейших компонентов живой материи — белков и нуклеиновых кислот соответственно из аминокислот и нуклеотидов сопровождается существенным увеличением энергии Гиббса. Эти процессы становятся возможными потому, что протекают сопряжённо с гидролизом аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), который сопровождается существенным уменьшением энергии Гиббса, перекрывающим её рост при синтезе указанных полимеров. Наоборот, образование АТФ из продуктов её гидролиза, сопровождающееся увеличением энергии Гиббса, происходит сопряжённо с окислением органических соединений (идущим с существенным уменьшением энергии Гиббса).

См. также

Сопряжённые реакции

Литература

• Эммануэль Н. М., Киорре Д. Г., Курс химической кинетики, 4 изд., М., 1984
• Нагиев Т. М., Химическое сопряжение, М., 1989