Reaction intermediate

Em uma reação química em etapas, um intermediário de reação é uma entidade molecular que aparece e depois desaparece ao longo do caminho. Ele se forma como produto de uma etapa elementar — seja a partir dos reagentes iniciais ou de intermediários anteriores — mas é consumido em uma etapa posterior. Por isso, nunca aparece na equação química global da reação. Por exemplo, em uma reação de duas etapas onde A + B primeiro forma X, e então X se transforma em C + D, X é o intermediário. O termo é frequentemente abreviado para apenas "intermediário", que é a forma preferida de acordo com a IUPAC.

Na maioria da química não biológica, um intermediário de reação também é um intermediário reativo: uma espécie de curta duração e alta energia, muito reativa para ser isolada. Uma vez gerado em uma reação, ele rapidamente se converte em uma molécula mais estável. Apenas em casos raros — como em temperaturas muito baixas ou através de isolamento em matriz — esses compostos podem ser armazenados. Geralmente, eles só podem ser detectados usando métodos espectroscópicos rápidos. Quando sua existência é inferida, os intermediários reativos ajudam a explicar como uma reação química ocorre.

O Livro de Ouro da IUPAC define um intermediário como um composto com um tempo de vida maior que uma única vibração molecular. Ele é formado, direta ou indiretamente, a partir dos reagentes e então reage novamente, direta ou indiretamente, para dar os produtos. Essa condição de tempo de vida separa intermediários verdadeiros, quimicamente distintos, de estados vibracionais e estados de transição, que têm tempos de vida próximos ao de uma vibração molecular.

Em reações de múltiplas etapas, as velocidades das diferentes etapas podem variar amplamente. Quando a diferença é significativa, um intermediário que é consumido mais rapidamente que outro pode ser chamado de intermediário relativo. Um intermediário reativo, devido ao seu curto tempo de vida, não permanece na mistura do produto. Geralmente é de alta energia, instável e raramente isolado.

Intermediários reativos comuns compartilham várias características: existem em baixa concentração em relação ao material de partida e ao produto final; exceto por carbânions, eles não obedecem à regra do octeto de Lewis (o que explica sua alta reatividade); são frequentemente gerados pela decomposição química de um composto; sua existência pode frequentemente ser comprovada por meios espectroscópicos; efeitos de gaiola devem ser considerados; são frequentemente estabilizados por conjugação ou ressonância; podem ser difíceis de distinguir de um estado de transição; e sua presença pode ser confirmada por aprisionamento químico.

Exemplos incluem carbocátions, que aparecem como intermediários em adição eletrofílica a alcenos, substituições SN1 e eliminações E1. Em uma reação de adição de HX, a ligação pi do alceno atua como um nucleófilo e se liga a um próton do HX, formando um intermediário carbocátion; o halogênio então se liga ao carbono positivo. O processo inverso é uma eliminação E1. Carbânions são moléculas orgânicas onde um átomo de carbono carrega uma carga negativa geral.

Eles são nucleófilos fortes e podem ser usados para estender a cadeia carbônica de um alceno; por exemplo, um carbânion de alcino atua como um intermediário em tal síntese. Radicais são altamente reativos e de curta duração porque possuem um elétron desemparelhado. Eles frequentemente reagem com hidrogênios ligados ao carbono, transformando esse carbono em um radical enquanto estabilizam o radical original — um processo chamado propagação. O radical de carbono resultante pode então reagir com uma molécula não radical para continuar a propagação, ou com outro radical para formar uma molécula estável, como uma cadeia carbônica mais longa ou um haleto de alquila.

Outros intermediários reativos incluem carbenoides, complexos íon-neutro, ceto-ânions, nitrenos, íons oxocarbênio, fosfinidenos, nitreto de fosforila e intermediários tetraédricos em reações de adição a carbonila.

Em contextos biológicos, os intermediários de reação são tipicamente moléculas estáveis porque as reações ocorrem através de catálise enzimática, e a reatividade descontrolada danificaria as células. Estudar esses intermediários ajuda a esclarecer a sinalização celular e os mecanismos catalíticos. Por exemplo, as bactérias resistem a antibióticos β-lactâmicos como a penicilina usando a enzima metalo-β-lactamase, e técnicas espectroscópicas mostraram que o intermediário da reação nessa via envolve zinco.

Outro exemplo é a AAA-ATPase p97, uma proteína envolvida em muitos processos metabólicos celulares e ligada a doenças degenerativas e câncer. A pesquisa sobre seus intermediários de reação revelou que um intermediário nucleotídeo ADP·Pi é importante para a operação molecular da p97. Da mesma forma, enzimas RCL, que catalisam ligações glicosídicas, foram descobertas através de estudos de metanólise como exigindo a formação de um intermediário de reação.