miniatura|440x440px|Esquema del mecanisme d'una reacció d'eliminació E2 d'un haloalcà per donar un alquè que transcorre en una sola etapa (reacció elemental). Les fletxes vermelles indiquen el moviment de les parelles d'electrons que canvien els enllaços covalents. Els electrons d'un nucleòfil Nu– ataquen l'hidrogen que té baixa densitat electrònica, provocant que els electrons que l'enllaçaven amb el carboni es desplacin cap a l'altre carboni i desplaci, a la vegada, els electrons de l'enllaç del segon carboni amb l'halogen X, perquè és un element electronegatiu, provocant la ruptura de l'enllaç. El mecanisme de reacció és la descripció dels distints processos elementals successius que componen una reacció química complexa.
L'estudi dels processos detallats dels mecanismes de reacció és important per diverses raons, incloent-hi l'ajuda que ofereix en la comprensió i el control de les reaccions químiques. Moltes reaccions d'una gran importància comercial poden seguir més d'un camí de reacció; el coneixement dels mecanismes de reacció pot permetre seleccionar les condicions de reacció que afavoreixen un camí sobre un altre, proporcionant així quantitats màximes dels productes desitjats i mínimes dels indesitjables. A més, basant-se en els mecanismes de reacció, a vegades és possible trobar correlacions entre sistemes que no estan relacionats de manera evident. La capacitat per establir aquestes analogies fa possible predir el curs de reaccions no experimentades. Finalment, la informació detallada sobre els mecanismes de reacció permet la unificació i la comprensió de grans cossos de fenòmens aparentment no relacionats, un aspecte de gran importància en la teoria i pràctica de la química. miniatura|Químic estudiant un mecanisme de reacció emprant polsos làser. Generalment, les reaccions químiques amb mecanismes d'interès per als químics són aquelles que ocorren en solució i que impliquen la ruptura i la reformació d'enllaços covalents entre àtoms. L'interès en aquestes reaccions és especialment gran perquè són les reaccions mitjançant les quals es preparen materials com els plàstics, els colorants, les fibres sintètiques i els fàrmacs, i perquè la majoria de les reaccions bioquímiques són d'aquest tipus. A més, aquestes reaccions solen ocórrer en uns temps convenients per a l'estudi, ni massa ràpides ni massa lentes, i en condicions que es poden manipular fàcilment per a fins experimentals. D'acord amb la realitat observable de la reacció química, en la qual uns reactius coneguts es transformen en uns productes, la investigació del camí a través del qual ocorre dita transformació, tot i que sovint és un procés molt complex, pot ser feta comptant amb l'ajut de diversos factors i tècniques, entre els quals cal esmentar el coneixement de la natura de tots els productes formats, com també llurs proporcions relatives respecte als reactius; la interpretació de dades cinètiques (cinètica química), que constitueix probablement la font més abundant per a la investigació del mecanisme; l'ús d'isòtops (marcatge, traçador); la detecció i l'estudi d'intermediaris de reacció, i l'aplicació de criteris estereoquímics i de relacions estructura-activitat. Fins i tot en les reaccions químiques més senzilles es produeixen una sèrie de processos (trencament d'enllaços, formació d'intermediaris de reacció i de nous enllaços) que tenen lloc en fraccions de segon (de l'ordre dels 10–12 s o picosegons) i que fan molt difícil l'anàlisi detallada del procés. miniatura|440x440px|Mecanisme de la transposició de Wolff en la qual l'α-diazocetona R1COCR2N≡N perd una molècula de nitrogen i es forma una cetena O=C=CR1R2. Els desplaçaments d'electrons s'indiquen amb fletxes vermelles. La reacció avança d'esquerra a dreta. miniatura|440x440px|Representació dels canvis de l'energia de Gibbs en la reacció de substitució SN1 del bromometà per a donar metanol. Les reaccions químiques impliquen canvis en les posicions relatives dels àtoms dins i entre les molècules, així com desplaçaments dels electrons que mantenen els àtoms units mitjançant enllaços químics. Els mecanismes de reacció, per tant, han d'incloure descripcions d'aquests moviments en relació amb el canvi espacial i també en relació amb el temps. La ruta global de canvi és anomenada curs de la reacció, i el procés detallat pel qual es produeix el canvi es coneix com el camí o la trajectòria de la reacció.
També són importants per a l'estudi dels mecanismes de reacció els requisits energètics de les reaccions. La majoria de les reaccions d'interès són processos activats, és a dir, processos que han de rebre un subministrament d'energia, dita energia d'activació, abans de poder ocórrer. L'energia es consumeix en portar els reactius a un complex activat o estat de transició. El complex activat es transforma en el producte de la reacció sense més consum d'energia, sovint, de fet, amb una alliberament d'energia. Quan són possibles diferents camins, el curs real que segueix qualsevol reacció és aquell que requereix menys energia d'activació.
Tipus de mecanismes Hi ha dos tipus de mecanismes, segons el nombre d'etapes que hi intervenen: Reaccions elementals miniatura|440x440px|La reacció d'eliminació E2 on l'1-bromo-2-metilpropà dona el metilpropè, per acció de l'acetat de potassi, té lloc en una sola etapa, és una reacció elemental. miniatura|440x440px|La reacció de substitució SN2 del bromoetà en medi bàsic per produir etanol té lloc en una sola etapa a través d'un complex activat on el carboni presenta cinc enllaços. S'anomenen reaccions elementals les que es desenvolupen en una sola etapa. Aquestes reaccions avancen a través de la formació d'un sol complex activat i només cal superar una barrera energètica. Es representen en una sola equació química.
La molecularitat és el nombre de molècules que prenen part com a reactius en una reacció elemental. Depenent del nombre de molècules que hi participen, es classifiquen en: unimoleculars, bimoleculars o trimoleculars, segons si participen una, dues o tres molècules, respectivament. A continuació hi ha:
Tres exemples de reaccions unimoleculars (dues reaccions de descomposició i una de reordenació), amb equacions de velocitat de reacció respectives , i :
miniatura|440x440px|La reacció d'hidròlisi del 3-bromo-3-metilhexà és una reacció de substitució SN1 que té lloc en dues etapes elementals amb un intermediari de reacció.
C2H5Br -> C2H4 + HBrCH3N2CH3 -> C2H6 + N2CH3-N\!\equiv\!C -> CH3-C\!\equiv\!N
Dues reaccions bimoleculars amb lleis de velocitat i , respectivament:
2NOI -> 2NO + I2CO + O2 -> CO2 + O
Una de trimolecular, que són més rares, amb llei de velocitat :
2NO + O2 -> 2NO2
Reaccions per etapes miniatura|440x440px|La reacció d'eliminació E1 del 2-bromo-2-metilpropà per a donar metilpropè, per acció de l'acetat de potassi, té lloc en dues etapes, hi ha dos estats de transició i un intermediari de reacció entre ells. Les reaccions complexes, reaccions compostes o reaccions per etapes, són reaccions químiques on hi ha implicades al menys dues reaccions elementals consecutives i un intermediari de reacció. Aquests intermediaris són molècules que apareixen en el mecanisme de la reacció, però, com que tenen una vida efímera, no apareixen en l'equació global. També hom pot dir que se superen almenys dues barreres energètiques. S'expressa en diverses equacions químiques o una de global que representa l'estat inicial i el final del conjunt de les reaccions, però no explica com ha transcorregut la reacció. És el cas de la reacció de transformació de l'ozó en oxigen 2O3 -> 3 O2 que té lloc en dues etapes que, sumades, donen l'equació global:
També té lloc en dues etapes la reacció del nitrogen amb l'oxigen a alta temperatura, per donar diòxid de nitrogen NO2, dins els motors d'explosió dels vehicles i que és un dels contaminants de l'aire més importants:
Espècies que intervenen en el mecanisme d'una reacció Trencament inicial d'enllaços En qualsevol reacció química es produeix la ruptura i la formació de nous enllaços químics. Es trenquen alguns enllaços als reactius i se'n formen d'altres als productes. Des del punt de vista electrònic, per trencar un enllaç covalent no hi ha més que dues formes: ruptura simètrica, quedant a cada fragment un electró dels dos que formaven l'enllaç covalent, i ruptura asimètrica, els dos electrons de l'enllaç queden en el mateix fragment:
miniatura|330x330px|Ruptura homolítica de la molècula de diclor per efecte de la llum ultraviolada. El procés de ruptura simètrica s'anomena homòlisi i es produeixen com a intermedis dos fragments amb electrons desaparellats, anomenats radicals lliures. Aquests tipus de reaccions s'anomenen reaccions radicalàries i transcorren a través d'un mecanisme radicalari. Als esquemes, per indicar el moviment d'un sol electró es fa servir una fletxa de mitja punta . miniatura|330x330px|Heteròlisi del 2-bromo-2-metilpropà. El parell d'electrons de l'enllaç covalent es mouen damunt del brom, formant l'anió bromur, i quedant un carbanió. El procés de ruptura asimètrica s'anomena heterolisi; el parell d'electrons de l'enllaç es queda en un fragment i, a l'altre fragment, l'orbital atòmic queda buit, i es produeixen dos tipus d'ions: cations o carbocations, amb càrrega elèctrica positiva, i anions o carbanions, amb càrrega elèctrica negativa. Aquest tipus de reaccions es denominen reaccions polars i el mecanisme de la reacció és un mecanisme iònic. Als esquemes, per indicar el moviment dels parells d'electrons, es fa servir una fletxa de punta sencera . miniatura|330x330px|Reacció amb un reactiu de Grignard on el carboni té densitat de càrrega negativa. Tot i que la majoria de les molècules orgàniques són elèctricament neutres, els enllaços poden estar polaritzats a conseqüència de la diferent electronegativitat dels àtoms. L'oxigen, el nitrogen, el fluor, el clor, el brom i el iode són més electronegatius que el carboni. El carboni que hi està unit mostra càrrega parcial positiva (δ+), mentre que els altres àtoms (O, N, F, Cl, ...) tenen càrrega parcial negativa (δ–). D'altra banda, l'electronegativitat dels elements metàl·lics és més petita que la del carboni; això fa que l'enllaç entre el carboni i un metall mostri càrrega parcial negativa (δ–) al carboni i càrrega parcial positiva (δ+) al metall i en la mateixa mesura es diu que l'enllaç té un caràcter iònic Per exemple en els reactius de Grignard. Per tant, com a conseqüència de la polaritat de l'enllaç i també com a conseqüència de l'efecte ressonant es creen zones positives i negatives a la molècula que condicionen la reactivitat dels composts. Tenint en compte que les càrregues de signe contrari s'atreuen, la característica principal de totes les reaccions polars és: les zones d'alta densitat electrònica (δ–) d'una molècula reaccionen amb les zones de baixa densitat (δ+) d'una altra molècula com a conseqüència de l'atracció electroestàtica. Per tant, el component que és ric en electrons s'aparella amb un altre que té deficiència d'electrons, originant un nou enllaç.
Tipus de reactius Hi ha dos tipus de reactius:
Un reactiu nucleòfil és una espècie química que té afinitat pels nuclis atòmics, per les càrregues positives. Se simbolitzen com Nu–. Posseeix un àtom ric en electrons i pot formar un enllaç donant un parell d'electrons a un àtom amb deficiència en electrons. Els nucleòfils poden tenir càrrega neutra o negativa. Són nucleòfils neutres: NH3, H2O… i nucleòfils amb càrrega: OH–, Br–, CN–… Les bases de Lewis són donadores d'electrons i es comporten com a nucleòfils.
Un reactiu electròfil és una espècie química que té afinitat pels electrons. Se simbolitzen com a E+. Té un àtom deficient en electrons i pot formar enllaços acceptant un parell d'electrons d'un reactiu nucleòfil. Els electròfils poden ser neutres o tenir càrrega positiva. Exemples: H+, H3O+, HNO3, BF3, CO2... Els àcids de Lewis són acceptors d'electrons i es comporten com a electròfils.