化学反応

化学反応とは、ある一連の化学物質が別の化学物質に化学的に変化する過程のことである。^{[ 1 ]}

または、化学反応とは、2つ以上の物質（反応物）が結合して新しい物質（生成物）を形成する過程のことです。

化学反応が起こると、原子が再配置され、新しい生成物が生成されるにつれてエネルギー変化が生じます。従来、化学反応とは、原子間の化学結合の形成と切断における電子の位置の変化のみに関わるものであり、原子核（存在する元素）には変化がなく、多くの場合、化学式で表すことができます。核化学は、不安定な元素や放射性元素の化学反応を扱う化学の一分野であり、電子変化と核変化の両方が起こり得ます。

化学反応に最初に関与する物質（または複数の物質）は、反応物または試薬と呼ばれます。化学反応は通常、化学変化を伴い、1つ以上の生成物を生み出します。生成物は通常、反応物とは異なる性質を持ちます。反応は多くの場合、いわゆる素反応と呼ばれる一連の個々のサブステップから構成され、正確な反応経路に関する情報は反応機構の一部となります。化学反応は化学式で表され、化学式は出発物質、最終生成物、場合によっては中間生成物や反応条件を記号的に示します。

化学反応は、特定の温度と化学濃度において、それぞれ固有の反応速度で起こります。反応によっては熱を発生するものがあり、これらは発熱反応と呼ばれます。一方、反応を起こすために熱を必要とするものもあり、これらは吸熱反応と呼ばれます。一般的に、反応速度は温度の上昇とともに増加します。これは、原子間の結合を切断するために必要な活性化エネルギーに達するための熱エネルギーが増加するためです。

反応は、酸化と還元が起こる酸化還元反応と、酸化と還元が起こらない非酸化還元反応に分類される。ほとんどの単純な酸化還元反応は、化合反応、分解反応、または単置換反応に分類される。

化学合成では、目的の生成物を得るために様々な化学反応が用いられます。生化学では、一連の化学反応（ある反応の生成物が次の反応の反応物となる）が代謝経路を形成します。これらの反応はしばしばタンパク質酵素によって触媒されます。酵素は生化学反応の速度を速めるため、通常の条件下では不可能な代謝合成や分解が、細胞内の温度や濃度で起こるようになります。

化学反応の一般的な概念は、原子よりも小さな実体間の反応、例えば核反応、放射性崩壊、量子場理論で説明される素粒子間の反応などにまで拡張されている。

火による燃焼、発酵、鉱石の金属への還元などの化学反応は古代から知られていました。物質の変容に関する初期の理論は、ギリシャの哲学者によって発展しました。例えば、エンペドクレスの四元素説では、あらゆる物質は火、水、空気、土の4つの基本元素から構成されていると述べています。中世には、錬金術師が化学変化を研究しました。彼らは特に鉛を金に変えようと試み、そのために鉛と鉛銅合金と硫黄との反応を利用しました。^{[ 2 ]}

化学物質の人工的な製造は、中世の錬金術師にとって既に中心的な目標であった。^{[ 3 ]}例としては、ジャービル・イブン・ハイヤーンに帰せられる著作（850～950年頃）に記述されている有機物からの塩化アンモニウムの合成^{[ 4 ]} 、あるいは1300年頃から始まった後世の錬金術師による硫酸や硝酸などの鉱酸の製造[5]などが挙げられる。鉱酸の製造には、硫酸銅、ミョウバン、硝石^{などの硫酸}塩や硝酸塩鉱物の加熱が伴った。17世紀には、ヨハン・ルドルフ・グラウバーが硫酸と塩化ナトリウムを反応させて塩酸と硫酸ナトリウムを製造した。 1746年に鉛室法、そしてルブラン法が開発され、それぞれ硫酸と炭酸ナトリウムの大規模生産が可能になったことで、化学反応が産業に導入されるようになった。硫酸技術のさらなる最適化により、1880年代に接触法が開発され^{[ 6 ]}、 1909年から1910年にかけてアンモニア合成のためのハーバー・ボッシュ法が開発された^{[ 7 ]}。

16 世紀以降、ヤン・バプティスト・ファン・ヘルモント、ロバート・ボイル、アイザック・ニュートンなどの研究者たちは、実験的に観察された化学変化の理論を確立しようと試みた。フロギストン説は1667 年にヨハン・ヨアヒム・ベッヒャーによって提唱された。この説は、可燃物の中に含まれ、燃焼時に放出される「フロギストン」と呼ばれる火のような元素の存在を仮定した。しかし、1785 年にアントワーヌ・ラヴォアジエによって、燃焼は空気中の酸素との反応であるという正しい説明が見出されたことで、この説は誤りであることが証明された。^{[ 8 ]}

ジョセフ・ルイ・ゲイ＝リュサックは1808年に、気体は常に一定の関係で互いに反応することを認識した。この考えとジョン・ドルトンの原子論に基づいて、ジョセフ・プルーストは定比例の法則を発展させ、それが後に化学量論と化学方程式の概念につながった。^{[ 9 ]}

有機化学においては、生物から得られる化合物は複雑すぎて合成できないと長らく信じられてきた。生気論の概念によれば、有機物は「生命力」を宿しており、無機物とは区別されていた。しかし、この区別は1828年にフリードリヒ・ヴェーラーが無機前駆体から尿素を合成したことで覆された。有機化学に大きく貢献した他の化学者には、エーテルの合成を行ったアレクサンダー・ウィリアム・ウィリアムソンや、多くの発見の中でも特に置換反応のメカニズムを確立したクリストファー・ケルク・インゴールドなどがいる。

化学反応の中には、次のような特徴を持つものがある。

• 気体の進化
• 沈殿物の形成
• 温度変化
• 状態の変化
• 色の変化
• 質量の変化

化学方程式は、化学反応をグラフィカルに示すために使用されます。左側に反応物の化学式または構造式、右側に生成物の化学式または構造式が示されます。これらは矢印（→）で区切られ、反応の方向と種類を示します。矢印は「生成する」という単語として読みます。 ^{[ 10 ]}矢印の先端は、反応が進行する方向を指します。反対方向を指す二重矢印（⇌ ）は、平衡反応に使用されます。方程式は化学量論に従ってバランスが取れている必要があり、方程式の両辺で各種類の原子の数が同じである必要があります。これは、関与する分子の数（下の模式図の例ではA、B、C、D）を適切な整数a、b、c、dでスケーリングすることによって達成されます。^{[ 11 ]}

a A + b B → c C + d D

より複雑な反応は反応スキームで表され、反応スキームには出発物質と生成物に加えて、重要な中間体や遷移状態が示されます。また、反応矢印の上には、反応に比較的軽微な影響を与える物質（水、熱、光照射、触媒など）を示すことができます。同様に、少量の生成物は矢印の下に、マイナス記号を付けて示すことができます。

逆合成解析は、複雑な合成反応の設計に適用できます。ここでは、例えば特定の化学結合を切断することによって、生成物から解析を開始し、妥当な初期試薬に到達します。逆反応では特別な矢印（⇒）が使用されます。^{[ 12 ]}

素反応は化学反応を分解できる最小単位であり、中間生成物はありません。^{[ 13 ]}実験的に観察される反応のほとんどは、並行または連続して起こる多くの素反応から構成されています。個々の素反応の実際の順序は反応機構として知られています。素反応には少数の分子、通常は1つまたは2つの分子が関与します。これは、複数の分子が特定の時間に出会う確率が低いためです。^{[ 14 ]}

最も重要な素反応は、単分子反応と二分子反応です。単分子反応には1つの分子のみが関与し、異性化または解離によって1つ以上の他の分子に変換されます。このような反応には、熱または光の形でエネルギーを加える必要があります。単分子反応の典型的な例は、シス-トランス異性化であり、化合物のシス型がトランス型に変換されるか、その逆です。^{[ 15 ]}

典型的な解離反応では、分子内の結合が切断（破断）し、2つの分子断片が生成されます。この切断は、ホモリシス的またはヘテロリシス的のいずれかです。前者の場合、結合は切断され、各生成物は電子を保持して中性ラジカルになります。後者の場合、化学結合の2つの電子は一方の生成物に残り、電荷を帯びたイオンが生成されます。解離は、水素-酸素反応や重合反応などの連鎖反応を引き起こす上で重要な役割を果たします。

${\displaystyle {\ce {AB -> A + B}}}$

分子ABが断片AとBに解離する

二分子反応では、2つの分子が衝突して反応します。これらの分子の結合は、化学合成または付加反応と呼ばれます。

${\displaystyle {\ce {A + B -> AB}}}$

もう一つの可能​​性として、一方の分子の一部だけが他方の分子に移動するということが考えられます。このような反応は、例えば酸化還元反応や酸塩基反応で起こります。酸化還元反応では移動する粒子は電子ですが、酸塩基反応では陽子です。このような反応はメタセシスとも呼ばれます。

${\displaystyle {\ce {HA + B -> A + HB}}}$

例えば：

${\displaystyle {\ce {NaCl + AgNO3 -> NaNO3 + AgCl(v)}}}$

ほとんどの化学反応は可逆的であり、つまり両方向に進行することができます。正反応と逆反応は互いに競合し、反応速度が異なります。これらの速度は濃度に依存するため、反応時間とともに変化します。逆反応の速度は徐々に増加し、正反応の速度と等しくなり、いわゆる化学平衡が確立されます。平衡に達するまでの時間は、温度、圧力、関与する物質などのパラメータに依存し、最小自由エネルギーによって決定されます。平衡状態では、反応のギブズ自由エネルギーはゼロでなければなりません。圧力依存性は、ルシャトリエの原理で説明できます。たとえば、体積の減少による圧力の増加は、反応をガスのモル数が少ない側にシフトさせます。^{[ 16 ]}

反応収率は平衡状態で安定するが、反応混合物から生成物を取り除くことで増加させたり、温度や圧力を上げることで変化させたりすることができる。反応物の濃度変化は平衡定数には影響しないが、平衡位置には影響を与える。

化学反応は熱力学の法則によって決定されます。反応は、発エルゴン性、つまり自由エネルギーを放出する場合、それ自体で進行することができます。反応に伴う自由エネルギーの変化は、エンタルピーとエントロピーという2 つの異なる熱力学的量の変化から構成されます。^{[ 17 ]}

${\displaystyle \Delta G=\Delta HT\cdot \Delta S}$。

G：自由エネルギー、H：エンタルピー、T：温度、S：エントロピー、Δ：差（元の状態と生成物の変化量）

反応は発熱反応となる場合があり、その場合ΔHは負の値となり、エネルギーが放出されます。発熱反応の典型的な例としては、燃焼、沈殿、結晶化があり、これらは無秩序な気体または液体相から秩序だった固体が形成されます。一方、吸熱反応では、周囲から熱が消費されます。これは、系のエントロピーを増加させることによって起こり、多くの場合、エントロピーの高い気体または溶解した反応生成物の形成によって起こります。自由エネルギー変化におけるエントロピー項は温度とともに増加するため、多くの吸熱反応は高温で起こりやすいです。逆に、結晶化などの多くの発熱反応は低温で起こりやすいです。温度変化によって反応のエンタルピーの符号が反転することもあり、例えば一酸化炭素による二酸化モリブデンの還元反応などが挙げられます。

${\displaystyle {\ce {2CO(g) + MoO2(s) -> 2CO2(g) + Mo(s)}}}$;$\displaystyle \Delta H^{o}=+21.86\ {\text{298 K における kJ}}}$

二酸化炭素とモリブデンを生成するこの反応は低温では吸熱反応であり、温度の上昇とともに吸熱性は低下する。^{[ 18 ]} ΔH °はゼロである。1855 K で反応は開始し、それ以上の温度では発熱反応となる。

温度変化は反応の方向傾向を逆転させることもあります。例えば、水性ガスシフト反応が挙げられます。

${\displaystyle {\ce {CO(g) + H2O({v}) <=> CO2(g) + H2(g)}}}$

低温では有利だが、高温ではその逆が有利になる。反応方向の傾向の変化は、1100  K . ^{[ 18 ]}

反応は、エントロピー、体積、化学ポテンシャルの変化を考慮した内部エネルギー変化によっても特徴づけられる。後者は、とりわけ、関与する物質の活性に依存する。 ^{[ 19 ]}

${\displaystyle {d}U=T\cdot {d}Sp\cdot {d}V+\mu \cdot {d}n}$

U：内部エネルギー、S：エントロピー、p：圧力、μ：化学ポテンシャル、n：分子数、d：微小変化符号

反応速度論は、反応が起こる速度を研究する学問である。反応速度は、次のような様々なパラメータに依存する。

• 反応物の濃度は、通常、単位時間あたりの衝突回数を増やすことで反応速度を速めます。しかし、触媒部位の数が限られているため、反応速度が反応物濃度に依存しない反応もあります。これらはゼロ次反応と呼ばれます。
• 反応物同士、特に不均一系における固体同士が接触できる表面積。表面積が大きいほど反応速度は速くなる。
• 圧力― 圧力を上げると分子間の体積が減少し、その結果、分子間の衝突頻度が増加する。
• 活性化エネルギーとは、反応を開始させ、自発的に進行させるために必要なエネルギー量のことを指します。活性化エネルギーが高いほど、反応物を開始させるのに必要なエネルギーは、活性化エネルギーが低い反応よりも多くなります。
• 温度は、上昇すると分子のエネルギーが増加し、単位時間あたりの衝突回数が増えるため、反応を促進する。
• 触媒の存在または不在。触媒とは、反応物または中間体と弱い結合を形成し、反応経路（反応機構）を変化させる物質であり、その結果、反応に必要な活性化エネルギーが低下し、反応速度が速くなります。触媒は反応中に破壊されたり変化したりしないため、再利用できます。
• 一部の反応では、反応を開始するために結合を切断するのを促進するために、電磁波、特に紫外線の存在が必要となる。これは、ラジカルが関与する反応において特に顕著である。

いくつかの理論によって、分子レベルでの反応速度を計算することができる。この分野は反応動力学と呼ばれている。物質Aの分解など、一次反応の速度vは次のように表される。

${\displaystyle v=-{\frac {d[{\ce {A}}]}{dt}}=k\cdot [{\ce {A}}].}$

積分すると次のようになる。

${\displaystyle {\ce {[A]}}(t)={\ce {[A]}}_{0}\cdot e^{-k\cdot t}.}$

ここで、kは一次反応速度定数であり、次元は 1/時間、[A]( t ) は時刻tにおける濃度、[A] _₀は初期濃度です。一次反応の速度は、関与する物質の濃度と性質のみに依存し、反応自体は特徴的な半減期で表すことができます。高次の反応を記述するには、複数の時定​​数が必要です。速度定数の温度依存性は、通常、アレニウス式に従います。

${\displaystyle k=k_{0}e^{{-E_{a}}/{k_{B}T}}}$

ここで、E _aは活性化エネルギー、k _Bはボルツマン定数です。反応速度の最も単純なモデルの 1 つは衝突理論です。より現実的なモデルは特定の問題に合わせて調整されており、遷移状態理論、ポテンシャルエネルギー面の計算、マーカス理論、およびRice–Ramsperger–Kassel–Marcus (RRKM) 理論が含まれます。^{[ 20 ]}

触媒作用では、反応は直接進行するのではなく、触媒と呼ばれる第三の物質との反応を介して進行します。触媒は反応に関与し、反応物または中間体と弱い結合を形成しますが、反応の終わりには元の状態に戻るため消費されません。ただし、二次プロセスによって阻害、不活性化、または破壊される可能性があります。触媒は、反応物とは異なる相（不均一）または同じ相（均一）で使用できます。不均一触媒作用では、典型的な二次プロセスとして、触媒がポリマー副生成物で覆われるコークス化があります。さらに、不均一触媒は、固液系では溶液に溶解したり、固気系では蒸発したりします。触媒は反応を加速することしかできません。反応を遅くする化学物質は阻害剤と呼ばれます。^{[ 41 ] [ 42 ]}触媒の活性を高める物質は促進剤と呼ばれ、触媒を不活性化する物質は触媒毒と呼ばれます。触媒を用いることで、高い活性化エネルギーによって速度論的に阻害される反応も、その活性化エネルギーを回避する形で進行させることができる。

不均一系触媒は通常、表面積を最大化するために粉末状にした固体です。不均一系触媒において特に重要なのは、水素化、接触改質、硝酸やアンモニアなどの汎用化学品の合成に使用される白金族金属やその他の遷移金属です。酸は均一系触媒の一例であり、カルボニルの求核性を高め、そうでなければ求電子剤では進行しない反応を可能にします。均一系触媒の利点は、反応物との混合が容易であることですが、生成物からの分離が難しい場合もあります。そのため、多くの工業プロセスでは不均一系触媒が好まれます。^{[ 43 ]}

有機化学では、酸化反応、還元反応、酸塩基反応に加えて、炭素原子間、あるいは炭素原子とヘテロ原子（酸素、窒素、ハロゲンなど）間の共有結合を伴う様々な反応が起こり得る。有機化学における多くの特定の反応は、発見者の名前を冠した命名反応である。

工業的に最も重要な反応の一つは、石油精製所で重質炭化水素を分解してより小さく単純な分子を生成する反応です。このプロセスはガソリンの製造に用いられます。特定の種類の有機反応は、反応機構（特に置換反応、付加反応、脱離反応）または生成物の種類（例えば、メチル化、重合、ハロゲン化）によって分類することができます。

代替

置換反応では、特定の化学化合物中の官能基が別の官能基に置き換えられます。^{[ 44 ]}これらの反応は、置換する種のタイプによって、求核置換、求電子置換、またはラジカル置換に分類できます。

S _N 1 メカニズム

SN2機構_​

最初のタイプでは、求核剤（電子過剰、したがって負電荷または部分電荷を持つ原子または分子）が、「基質」分子の別の原子または一部と置換します。求核剤からの電子対が基質を攻撃して新しい結合を形成し、脱離基は電子対とともに脱離します。求核剤は電気的に中性または負電荷を持つ場合があり、基質は通常中性または正電荷を持ちます。求核剤の例としては、水酸化物イオン、アルコキシド、アミン、ハロゲン化物などがあります。このタイプの反応は主に脂肪族炭化水素で見られ、芳香族炭化水素ではまれです。後者は電子密度が高く、非常に強い電子吸引基を持つ場合にのみ求核芳香族置換反応が起こります。求核置換は、 SN1とSN2_の2つの異なるメカニズムで起こります。これらの名前では、Sは_置換、Nは求核を表し、数字は反応の速度次数、つまり単分子反応か二分子反応かを表します。 ^{[ 45 ]}

SN2反応の3つのステップ。求核剤は緑色、脱離基は赤色で示されている_。

S _N 2反応は立体反転（ウォルデン反転）を引き起こす

S _N 1反応は2段階で進行する。まず、脱離基が脱離してカルボカチオンが生成する。続いて、求核剤との迅速な反応が起こる。^{[ 46 ]}

_SN2機構では、求核剤は攻撃される分子と遷移状態を形成し、その後初めて脱離基が切断されます。これら2つの機構は、生成物の立体化学が異なります。SN1_は非立体特異的な付加を引き起こし、キラル中心は生成せず、幾何異性体（シス/トランス）のセットを生成します。対照的に、 _SN2機構では、以前に存在していた立体化学の反転（ウォルデン反転）が観察されます。^{[ 47 ]}

求電子置換反応は、攻撃する原子または分子（求電子剤）の電子密度が低く、正電荷を持つ点で、求核置換反応の対となる反応です。典型的な求電子剤は、カルボニル基の炭素原子、カルボカチオン、硫黄カチオン、またはニトロニウムカチオンです。この反応は、ほぼ芳香族炭化水素でのみ起こり、求電子芳香族置換反応と呼ばれます。求電子剤の攻撃により、いわゆるσ錯体と呼ばれる遷移状態が生じ、芳香族系が消失します。その後、通常はプロトンである脱離基が分離し、芳香族性が回復します。芳香族置換反応の代替として、求電子脂肪族置換反応があります。これは求核脂肪族置換反応に似ており、SE1とSE2の2つの主要なタイプ_があり_ます。^{[ 48 ]}

3番目のタイプの置換反応であるラジカル置換では、攻撃粒子はラジカルである。^{[ 44 ]}このプロセスは通常、連鎖反応の形をとり、たとえばアルカンとハロゲンの反応で起こる。最初のステップでは、光または熱によってハロゲンを含む分子が分解され、ラジカルが生成される。その後、2つのラジカルが出会って再結合するまで、反応は雪崩のように進行する。^{[ 49 ]}

${\displaystyle {\ce {X. + RH -> XH + R。}}}$

${\displaystyle {\ce {R. + X2 -> RX + X.}}}$

ラジカル置換連鎖反応中の反応

追加と削除

付加反応とその対となる脱離反応は、炭素原子上の置換基の数を変化させ、多重結合を形成または切断する反応です。適切な脱離基を脱離させることで、二重結合や三重結合を生成できます。求核置換反応と同様に、反応順序に応じて命名されたいくつかの反応機構が存在します。E1機構では、まず脱離基が脱離してカルボカチオンを形成します。次の段階である二重結合の形成は、プロトンの脱離（脱プロトン化）によって起こります。E1cb機構では、脱離順序が逆になり、プロトンが最初に脱離します。この機構では、塩基の関与が必要です。^{[ 50 ]}条件が似ているため、E1またはE1cb脱離反応のどちらの反応も、常にSN1_置換反応と競合します。^{[ 51 ]}

E1除去

E1cb除去

E2機構も塩基を必要とするが、塩基の攻撃と脱離基の脱離が同時に進行し、イオン中間体は生成しない。E1脱離とは対照的に、E2機構では塩基の攻撃が脱離基に対してアンチ位で優先的に起こるため、反応生成物の立体化学的配置が異なる可能性がある。条件と試薬が類似しているため、E2脱離は常にSN2_置換と競合する。^{[ 52 ]}

脱離反応の対となるのが付加反応で、二重結合または三重結合が単結合に変換されます。置換反応と同様に、付加反応にも攻撃する粒子の種類によって区別されるいくつかの種類があります。たとえば、臭化水素の求電子付加では、求電子剤（プロトン）が二重結合を攻撃してカルボカチオンを形成し、これが求核剤（臭素）と反応します。カルボカチオンは、その末端に結合している基に応じて二重結合のどちら側にも形成され、好ましい配置はマルコフニコフ則で予測できます。^{[ 53 ]}この規則は、「極性分子のアルケンまたはアルキンへのヘテロリティック付加では、極性分子のより電気陰性度の高い（求核性の高い）原子（または部分）が、水素原子の数が少ない炭素原子に結合する」と述べています。^{[ 54 ]}

官能基の付加が二重結合の置換基の少ない炭素原子で起こる場合、酸による求電子置換は不可能である。この場合、ヒドロホウ素化-酸化反応を使用する必要があり、その第一段階では、ホウ素原子が求電子剤として働き、置換基の少ない炭素原子に付加する。第二段階では、求核性のヒドロペルオキシドまたはハロゲンアニオンがホウ素原子を攻撃する。^{[ 55 ]}

電子豊富なアルケンやアルキンへの付加は主に求電子反応であるが、求核付加は炭素-ヘテロ原子多重結合、特にその最も重要な代表であるカルボニル基において重要な役割を果たす。この過程はしばしば脱離反応を伴うため、反応後にはカルボニル基が再び存在する。したがって、これは付加脱離反応と呼ばれ、塩化物、エステル、無水物などのカルボン酸誘導体で起こりうる。この反応はしばしば酸または塩基によって触媒され、酸は酸素原子に結合することでカルボニル基の求電子性を高め、一方、塩基は攻撃する求核剤の求核性を高める。^{[ 56 ]}

α,β-不飽和カルボニル化合物の二重結合へのカルバニオンまたは他の求核剤の求核付加は、共役付加のより大きなクラスに属するマイケル反応を介して進行する。これは、C-C結合を穏やかに形成するための最も有用な方法の1つである。^{[ 57 ] [ 58 ] [ 59 ]}

求核剤や求電子剤では実行できない付加反応の中には、フリーラジカルで実行できるものがある。フリーラジカル置換反応と同様に、ラジカル付加反応は連鎖反応として進行し、このような反応はフリーラジカル重合の基礎となっている。^{[ 60 ]}

その他の有機反応機構

ディールス・アルダー反応のメカニズム

ディールス・アルダー反応における軌道重なり

転位反応では、分子の炭素骨格が転位して、元の分子の構造異性体が得られます。これには、水素、アルキル基、またはアリール基が1つの炭素から隣接する炭素に移動するワグナー・メーアワイン転位などのヒドリドシフト反応が含まれます。ほとんどの転位は、新しい炭素-炭素結合の切断と形成に関連しています。その他の例としては、コープ転位などのシグマトロピー反応があります。^{[ 61 ]}

環状転位には、シクロ付加反応や、より一般的にはペリ環状反応が含まれ、2 つ以上の二重結合を含む分子が環状分子を形成します。シクロ付加反応の重要な例としては、共役ジエンと置換アルケンとの間のディールス・アルダー反応（いわゆる [4+2] シクロ付加）があり、これにより置換シクロヘキセン系が形成されます。^{[ 62 ]}

特定の環化付加反応が進行するかどうかは、関与する分子種の電子軌道に依存します。同じ符号の波動関数を持つ軌道のみが重なり合い、建設的に相互作用して新しい結合を形成します。環化付加反応は通常、光または熱によって促進されます。これらの摂動は、関与する分子の励起状態における電子の異なる配置をもたらし、したがって異なる効果をもたらします。たとえば、[4+2] ディールス・アルダー反応は熱によって促進される可能性がありますが、[2+2] 環化付加反応は光によって選択的に誘発されます。^{[ 63 ]}軌道特性のため、ウッドワード・ホフマン則で説明されているように、環化付加反応で立体異性体生成物を生成する可能性は制限されます。^{[ 64 ]}

生化学反応は主に酵素と呼ばれる複雑なタンパク質によって制御されており、酵素は通常、単一の特定の反応のみを触媒するように特化しています。反応は活性部位で起こり、活性部位は酵素の小さな部分で、通常はアミノ酸残基で裏打ちされた溝またはポケットにあり、酵素の残りの部分は主に安定化に使用されます。酵素の触媒作用は、分子の形状（「誘導適合」）、結合ひずみ、酵素に対する分子の近接性および配向、プロトンの供与または引き抜き（酸/塩基触媒作用）、静電相互作用など、いくつかのメカニズムに依存しています。^{[ 65 ]}

生物体内で起こる生化学反応は、総称して代謝と呼ばれます。その中で最も重要なメカニズムの一つが同化作用であり、これは、DNAや酵素によって制御される様々なプロセスによって、より小さな単位からタンパク質や炭水化物などの大きな分子が生成されるものです。 ^{[ 66 ]}生体エネルギー学は、このような反応のエネルギー源を研究します。重要なエネルギー源はグルコースと酸素であり、これらはそれぞれ植物が光合成によって生成したり、食物や空気から取り込んだりすることができます。すべての生物はこのエネルギーを使ってアデノシン三リン酸（ATP）を生成し、それが他の反応のエネルギー源として利用されます。真菌、細菌、その他の微生物による有機物の分解も生化学の範囲に含まれます。

化学反応は化学工学の中心であり、石油、鉱石、空気中の酸素などの天然原料から新しい化合物を合成するために利用されます。反応をできるだけ効率的にし、収率を最大化し、試薬、エネルギー投入量、廃棄物の数を最小限に抑えることが不可欠です。触媒は、反応に必要なエネルギーを削減し、反応速度を上げるのに特に役立ちます。^{[ 67 ] [ 68 ]}

特定の反応にはニッチな用途があります。たとえば、テルミット反応は花火や溶接で光と熱を発生させるために使用されます。より一般的な酸素燃料溶接、アーク溶接、フラッシュ溶接よりも制御性は劣りますが、必要な設備ははるかに少なく、特に遠隔地ではレールの補修に今でも使用されています。^{[ 69 ]}

化学反応のモニタリングのメカニズムは、反応速度に大きく依存します。比較的遅いプロセスでは、個々の成分の濃度と種類をその場で分析できます。リアルタイム分析の重要なツールは、pHの測定と光吸収 (色) スペクトルおよび発光スペクトルの分析です。アクセスは困難ですが、かなり効率的な方法は、放射性同位体を反応に導入し、それが時間とともにどのように変化し、どこに移動するかをモニタリングすることです。この方法は、人体内の物質の再分布を分析するためによく使用されます。より速い反応は通常、超高速レーザー分光法で研究され、フェムト秒レーザーを使用することで、数フェムト秒にまで縮小された時間スケールで短寿命の遷移状態をモニタリングできます。^{[ 70 ]}

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• 可逆反応

• アトキンス、ピーター・W.、フリオ・デ・パウラ（2006）。物理化学（第4 版）。ヴァインハイム：Wiley- VCH。ISBN 978-3-527-31546-8。
• ブロック、ウィリアム H. (1997)。Viewegs Geschichte der Chemie (ドイツ語)。ブラウンシュヴァイク: Vieweg。ISBN 978-3-540-67033-9。
• ラインハルトのブルックナー (2004)。Reaktionsmechanismen (ドイツ語) (第 3 版)。ミュンヘン: Spektrum Akademischer Verlag。ISBN 978-3-8274-1579-0。
• ウィバーグ、エゴン；ウィバーグ、ニルス；ホレマン、アーノルド・フレデリック（2001）。無機化学。アカデミック・プレス。ISBN 978-0-12-352651-9。
• 「化学反応」 。ブリタニカ百科事典。第 6巻（第11 版）。1911年。26～ 33ページ。