반응 중간체

반응물이 생성물로 변화하는 과정 중에 잠시 생성되었다가 사라지는 화학종을 가리키는 중간체 혹은 반응 중간체는 화학적으로 불안정한 상태에 있기 때문에 반응성이 높고, 짧은 시간 동안만 존재한다.

목차

전체 화학 반응식에는 나타나지 않는 반응 중간체는 반응을 구성하는 단일 단계 반응에서 생성되었다가 사라진다. 특수한 상황에서는 분리(isolation) 혹은 축적(accumulation)되기도 하지만 보통 직접 관찰하기 어렵지만, 중간체를 추적하면 반응 메커니즘을 이해하는 데 도움이 된다. 대부분 화학 반응은 여러 단일 단계 반응을 거치는데, 반응 중간체는 중간 반응 단계에서만 존재하는 불완전한 생성물이다.

다음 반응은 지구 오존층에서 일어나는 반응이다.

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ O3 + O -> 2O2 }@@NAMATH_DISPLAY@@

염소 라디칼이 관여하는 오존 분해 반응은 다음 두 단계 반응으로 기술할 수 있다.

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ Cl + O3 -> ClO + O2 }@@NAMATH_DISPLAY@@

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ ClO + O -> Cl + O2 }@@NAMATH_DISPLAY@@

이때 하이포 염소산( @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ClO }@@NAMATH_INLINE@@)은 첫 번째 반응에서 생성되지만 두 번째 반응에서 소멸하여 전체 반응식에는 나타나지 않는 반응 중간체이다. 이때 염소 라디칼(@@NAMATH_INLINE@@\ce{ Cl }@@NAMATH_INLINE@@)은 촉매로 작용한다.

화학 반응 속도론(chemical kinetics)에서는 종종 정류-상태 근사법(steady state approximation)을 도입하여 여러 반응 메커니즘을 기술하는데, 이 근사법의 기본 가정은 반응 과정에서 중간체의 농도가 일정하다는 것이다.

다음과 같이 일산화 질소와 산소 분자가 관여하는 반응을 생각해보자.

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ 2 NO (g) + O_2 (g) -> 2 NO_2 (g) }@@NAMATH_DISPLAY@@

이 반응이 진행되는 동안 중간 단계에서 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ N_2 O_2 }@@NAMATH_INLINE@@가 생성된다는 것이 관찰되었다. 하지만 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ N_2 O_2 }@@NAMATH_INLINE@@는 전체 반응식에 나타나지 않는다. 실제로 이 반응은 다음 두 단계 단일 단계 반응으로 이루어져 있다.

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ 2NO(g) -> N_2 O_2 (g) }@@NAMATH_DISPLAY@@

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ N_2 O_2 (g) + O_2 (g) -> 2 NO_2 (g) }@@NAMATH_DISPLAY@@

@@NAMATH_INLINE@@\ce{ N_2 O_2 }@@NAMATH_INLINE@@는 반응을 구성하는 단일 단계 반응에서만 나타나고, 전체 화학 반응식에서는 나타나지 않는 반응 중간체이다. 일산화 질소는 무색 기체이고 생성물인 이산화 질소는 갈색을 띠는 기체이다.

이미지 목록

갈색을 띄는 이산화 질소가 반응기 안에 포집된 모양 ()

효소의 촉매 반응 속도를 설명하는 미카엘리스-멘텐 식(Michaelis-Menten equation)은 다음과 같은 효소 (Enzyme, @@NAMATH_INLINE@@\ce{ E }@@NAMATH_INLINE@@)와 기질 (substrate, @@NAMATH_INLINE@@\ce{ S }@@NAMATH_INLINE@@) 사이의 반응 메커니즘을 기반으로 얻어진다.

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ E + S <=>[k_1][k_{-1}] ES <=>[k_2][k_{-2}] E + P }@@NAMATH_DISPLAY@@

여기서 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ES }@@NAMATH_INLINE@@는 반응물인 기질 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ E }@@NAMATH_INLINE@@와 촉매인 효소 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ S }@@NAMATH_INLINE@@가 결합한 반응 중간체에 해당한다. 첫 번째 반응 (@@NAMATH_INLINE@@\ce{ ES }@@NAMATH_INLINE@@가 생성되는 반응)은 가역 반응이고, 두 번째 반응은]에서 역반응이 일어나지 않는다고 가정한다(@@NAMATH_INLINE@@k_{-2} \approx 0@@NAMATH_INLINE@@).

또한 반응이 진행되는 동안 반응 중간체인 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ES }@@NAMATH_INLINE@@의 농도가 일정하다 (@@NAMATH_INLINE@@{d[\mathrm{ES}] \over dt} \approx 0@@NAMATH_INLINE@@)고 가정할 수 있기에,다음과 같이 정류-상태 근사법이 가능하다.

@@NAMATH_DISPLAY@@{d[\mathrm{ES}] \over dt} = k_{1}[\mathrm{E}][\mathrm{S}] - k_{-1}[\mathrm{ES}] -k_{2}[\mathrm{ES}] = 0@@NAMATH_DISPLAY@@

@@NAMATH_DISPLAY@@\therefore [\mathrm{ES}]={k_1 \over{k_{-1}+ k_{2}}} [\mathrm{E}][\mathrm{S}]={ [\mathrm{E}][\mathrm{S}] \over K_M } @@NAMATH_DISPLAY@@

여기서 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ E }@@NAMATH_INLINE@@의 농도 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ [E] }@@NAMATH_INLINE@@는 다음에서처럼 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ E }@@NAMATH_INLINE@@의 초기 농도 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ [E]_0 }@@NAMATH_INLINE@@에서 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ES }@@NAMATH_INLINE@@의 농도 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ [ES] }@@NAMATH_INLINE@@의 차이이다. 따라서 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ [ES] }@@NAMATH_INLINE@@는 다음과 같이 쓸 수 있다.

@@NAMATH_DISPLAY@@\therefore [\mathrm{ES}]={[\mathrm{E}]_0 [\mathrm{S}] \over (K_M +[\mathrm{S}] ) } @@NAMATH_DISPLAY@@

따라서 생성물 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ P }@@NAMATH_INLINE@@의 생성 속도 (@@NAMATH_INLINE@@{d[\mathrm{P}] \over dt}@@NAMATH_INLINE@@)는 다음과 같은 미카엘리스-멘텐 식으로 얻어진다.

@@NAMATH_DISPLAY@@{d[\mathrm{P}] \over dt} = k_2 [\mathrm{ES}] = k_2{[\mathrm{E}]_0 [\mathrm{S}] \over (K_M +[\mathrm{S}] ) } @@NAMATH_DISPLAY@@