Reaktiomekanismit

Pyrittäessä ymmärtämään miten ja miksi orgaanisten yhdisteiden reaktiot tapahtuvat, ensimmäinen asia on tutkia yhdisteiden koostumusta ja rakennetta. Jo varhain orgaanisen kemian tutkijat havaitsivat, että molekyyliin sisältyvät samanlaiset atomiryhmät reagoivat miltei aina samalla tavalla. Näitä ryhmiä nimitetään funktionaalisiksi ryhmiksi. Funktionaalisen ryhmän reaktiokyky perustuu siihen, etteivät elektronit ole siinä tasaisesti jakautuneet atomien kesken: funktionaalinen ryhmä on poolinen. Funktionaalisen ryhmän poolisuudesta saadaan siis viitteitä siitä, miten ryhmä reagoi. Poolisuus puolestaan riippuu ryhmään sisältyvien atomien elektronegatiivisuudesta.
Esimerkki	Ketoneihin, aldehydeihin, karboksyylihappoihin, estereihin ja amideihin sisältyvä karbonyyliryhmä koostuu hiili- ja happiatomista, joiden välillä on kaksoissidos. Koska happi (3,5) on elektronegatiivisempi kuin hiili (2,5), sidoselektronit liikkuvat lähempänä happiatomia kuin hiiliatomia. Tämän takia ryhmä polarisoituu: hiiliatomiin syntyy positiivinen osittaisvaraus + ja happiatomiin negatiivinen osittaisvaraus –. Niinpä karbonyyliryhmän hiili reagoi nukleofiilien kanssa, kun happiatomi puolestaan reagoi elektrofiilien kanssa.
Nukleofiili (Nu:) on elektronidonori eli emäs tai pelkistin, mm. Br–, OH–, NH3. Elektrofiili (E) on elektroniakseptori eli happo tai hapetin, mm. H3O+, (CH3)2CH+, MnO4–, O3.
Orgaanisten yhdisteiden reagoidessa elektroniparit siirtyvät (ja siten myös varaukset) atomilta toiselle. Välivaiheina syntyy ioneja tai molekyylejä, jotka eivät ole reaktioseoksesta eristettävissä. Niiden elinaika on hyvin lyhyt (femtosekuntien luokkaa), joten niiden rakenteen päättely perustuu moniin erilaisiin kokeellisiin menetelmiin ja tulosten tulkintoihin. Reaktion välivaiheiden tunteminen on kuitenkin tarpeen reaktion hallinnan ja synteesien suunnittelun kannalta.
Femtosekunti: 1 fs = 10–15 s
Reaktion kulkua lähtöaineista tuotteiksi erilaisten välivaiheiden kautta sanotaan reaktion mekanismiksi.

Reaktion mekanismin kuvaus
Reaktion mekanismin kuvaus on teoria siitä, miten reaktio tapahtuu. Reaktion mekanismia kuvataan sarjalla reaktioyhtälöitä, joissa atomien varaukset tai osittaisvaraukset merkitään näkyviin ja elektroniparien siirtyminen osoitetaan kaarevilla nuolilla. Joskus joistakin välituotteista piirretään resonanssimuodot, jos rakennetta ei ole mahdollista esittää yhdellä tavanomaisella rakennekaavalla.
Esimerkki
sN1-mekanismi
Halogeenialkaanin RX nukleofiilinen substituutio voi tapahtua tämän mekanismin mukaisesti. Reaktio alkaa halogeeniin irtoamisella. Koska halogeeni on hiiltä elektronegatiivisempi, se vie mennessään sidoselektroniparin. Näin syntyy välivaiheena negatiivinen halogenidi-ioni ja positiivinen karboniumioni. Nukleofiilinä voi toimia vaikkapa hydroksidi-ioni, joka liittyy karboniumioniin muodostaen alkanolia. Miksi sitten halogeeniatomi irtoaa alkyyliryhmästä ja tilalle tulee hydroksidi-ioni? Jokaisessa halogeenialkaanin substituutioreaktiossa ei näin tapahdukaan. Mahdollisen karboniumionin rakenne ja reaktio-olosuhteet vaikuttavat siihen, minkä mekanismin mukaan reaktio etenee. Tarkemmin.

Ohjeita ja merkintöjä
Reaktion mekanismin kuvaus sisältää useita reaktioita, monesti myös tasapainoreaktioita, ja mahdollisesti lisäksi resonanssimuotoja.
1.	Hydroksidi-ionin merkintä reaktioyhtälöissä ja mekanismeissa.	Mekanismia luettaessa ja kirjoitettaessa on tärkeää seurata elektroniparien ja varausten kulkua atomilta toiselle. Siksi varaukset merkitään atomin kohdalle eikä esimerkiksi ionin kaavan jälkeen. Varausmerkkejä on usein tapana korostaa sijoittamalla ne ympyrän sisään.
2.	Elektroniparit	Vapaat elektroniparit kuvataan pisteillä, samoin radikaalin yksittäiset vapaa elektronit. Yhden elektroniparin muodostamaa sidosta kuvataan viivalla.
3.	Kaarevat nuolet	Kaarevat nuolet tarkoittavat elektroniparin siirtymistä.
		Nuolen alkupää on elektronilähde (elektronidonori) ja kärki osoittaa elektronien vastaanottajan (elektroniakseptorin).
Älä sekoita toisiinsa resonanssin ja kemiallisen tasapainon merkintöjä!
Resonanssimuodot eivät ole eri molekyylejä, ioneja tai radikaaleja, vaan saman molekyylin tai ionin rakenteita, joissa vain p-elektronien sijoittuminen on erilainen. Resonanssiin osallistuvat p-elektronit ovat -sidosten ja vapaiden elektroniparien elektroneja. Resonanssimuotoja kirjoitettaessa merkitään kaavojen väliin kaksipäinen nuoli. Kaavat sijoitetaan hakasulkeisiin.
Kemiallisessa tasapainossa on kyse eri yhdisteiden välisestä tasapainosta, joka syntyy kahdesta vastakkaisiin suuntiin tapahtuvasta reaktiosta. Reaktioyhtälöitä kirjoitettaessa käytetään tasapainonuolia, ei koskaan kaksipäistä nuolta.

Reaktiot