Control de reacción termodinámico versus cinético.

control de reacción termodinámica o el control de reacción cinética en una reacción química pueden decidir la composición de una mezcla de productos de reacción cuando vías en competencia conducen a diferentes productos y las condiciones de reacción influyen en la selectividad o estereoselectividad. La distinción es relevante cuando el producto A se forma más rápido que el producto B porque la energía de activación del producto A es menor que la del producto B. , sin embargo, el producto B es más estable. En tal caso, A es el producto cinético y se ve favorecido bajo control cinético y B es el producto termodinámico y se ve favorecido bajo control termodinámico.

Las condiciones de la reacción, como la temperatura, la presión o el disolvente, afectan qué vía de reacción puede favorecerse: ya sea la controlada cinéticamente o la controlada termodinámicamente. Tenga en cuenta que esto solo es cierto si la energía de activación de las dos vías difiere, y una vía tiene una E_a (energía de activación) menor que la otra.

La prevalencia del control termodinámico o cinético determina la composición final del producto cuando estas vías de reacción en competencia conducen a productos diferentes. Las condiciones de reacción mencionadas anteriormente influyen en la selectividad de la reacción, es decir, qué vía se toma.

La síntesis asimétrica es un campo en el que la distinción entre control cinético y termodinámico es especialmente importante. Debido a que los pares de enantiómeros tienen, para todos los efectos, la misma energía libre de Gibbs, el control termodinámico producirá una mezcla racémica por necesidad. Por lo tanto, cualquier reacción catalítica que proporcione al producto un exceso enantiomérico distinto de cero está bajo control cinético al menos parcial. (En muchas transformaciones asimétricas estequiométricas, los productos enantioméricos en realidad se forman como un complejo con la fuente de quiralidad antes de la etapa de elaboración de la reacción, lo que técnicamente hace que la reacción sea diastereoselectiva. Aunque tales reacciones todavía suelen ser cinéticamente controlado, el control termodinámico es al menos posible, en principio.)

Alcance

En las reacciones de Diels-Alder

La reacción de Diels-Alder del ciclopentadieno con furano puede producir dos productos isoméricos. A temperatura ambiente, prevalece el control cinético de la reacción y el endoisómero menos estable 2 es el principal producto de la reacción. A 81 °C y después de largos tiempos de reacción, el equilibrio químico puede afirmarse y se forma el exoisómero termodinámicamente más estable 1. El producto exo es más estable en virtud de un menor grado de congestión estérica, mientras que el producto endo se ve favorecido por la superposición orbital en el estado de transición.

Un ejemplo excepcional y muy raro del control completo de la reacción cinética y termodinámica en el proceso de la reacción inter/intramolecular de Diels-Alder en tándem de bisfuril dienos 3 con hexafluoro-2-butino o acetilendicarboxilato de dimetilo (DMAD) se descubrieron y describieron en 2018. A baja temperatura, las reacciones se producen de forma quimioselectiva y conducen exclusivamente a aductos de cicloadición en pinza-[4+2] (5). La formación exclusiva de aductos dominó (6) se observa a temperaturas elevadas.

Se realizaron cálculos teóricos de DFT de la reacción entre hexafluoro-2-butino y dienos 3a-c. La reacción que comienza con la cicloadición [4+2] de CF₃C≡CCF₃ en uno de los restos de furano se produce de forma concertada vía TS1 y representa el paso limitante de la velocidad de todo el proceso con la barrera de activación ΔG^‡ ≈ 23,1–26,8 kcal/mol.

Además, la reacción podría proceder a través de dos canales en competencia, es decir, conduciendo a productos tipo pinza 5 a través de TS2k o dando como resultado la formación del producto dominó 6 vía TS2t. Los cálculos mostraron que el primer canal es cinéticamente más favorable (ΔG^‡ ≈ 5,7–5,9 kcal/mol). Mientras tanto, los productos dominó 6 son más termodinámicamente estables que el 5 (ΔG^‡ ≈ 4,2-4,7 kcal/ mol) y este hecho puede causar la isomerización de 5 en 6 a temperatura elevada. De hecho, las barreras de activación calculadas para la isomerización 5 → 6 vía la reacción retro-Diels-Alder de 5 seguida de la cicloadición intramolecular [4+2] en el intermedio de cadena 4 para dar 6 son 34,0–34,4 kcal/mol.

En la química del enolato

En la protonación de un ion enolato, el producto cinético es el enol y el producto termodinámico es una cetona o aldehído. Los compuestos carbonílicos y sus enoles se intercambian rápidamente mediante transferencias de protones catalizadas por ácidos o bases, incluso en cantidades traza, en este caso mediadas por el enolato o la fuente de protones.

En la desprotonación de una cetona asimétrica, el producto cinético es el enolato resultante de la eliminación del α-H más accesible, mientras que el producto termodinámico tiene el resto enolato más sustituido. El uso de bajas temperaturas y bases estéricamente exigentes aumenta la selectividad cinética. Aquí, la diferencia en pKb entre la base y el enolato es tan grande que la reacción es esencialmente irreversible, por lo que el equilibrio que conduce al producto termodinámico es probablemente un intercambio de protones que ocurre durante la adición entre el enolato cinético y la cetona que aún no ha reaccionado. . Una adición inversa (agregar cetona a la base) con mezcla rápida minimizaría esto. La posición del equilibrio dependerá del contracatión y del disolvente.

Si se utiliza una base mucho más débil, la desprotonación será incompleta y habrá un equilibrio entre reactivos y productos. Se obtiene el control termodinámico; sin embargo, la reacción permanece incompleta a menos que el enolato del producto quede atrapado, como en el ejemplo siguiente. Dado que las transferencias de H son muy rápidas y la reacción de captura es más lenta, la proporción de productos atrapados refleja en gran medida el equilibrio de desprotonación.

En adiciones electrófilas

La reacción de adición electrófila de bromuro de hidrógeno a 1,3-butadieno por encima de la temperatura ambiente conduce predominantemente al aducto 1,4 termodinámicamente más estable, 1-bromo-2-buteno, pero disminuir la temperatura de reacción por debajo de la temperatura ambiente favorece la Aducto cinético 1,2, 3-bromo-1-buteno.

La justificación de las diferentes selectividades es la siguiente: Ambos productos resultan de la protonación de Markovnikov en la posición 1, dando lugar a una cación allílica estabilizada por resonancia. El acueducto 1,4 coloca el átomo más grande de Br en un sitio menos congestionado e incluye una mezcla de alkene más sustituida, mientras que el 1,2 aducto es el resultado del ataque por el nucleófilo (Br⁻) en el carbono de la cación allílica que tiene la mayor carga positiva (el carbono más sustituido es el lugar más probable para la carga positiva).

Características

• En principio, cada reacción está en el continuum entre el control cinético puro y el control termodinámico puro. Estos términos se refieren a una determinada temperatura y escala de tiempo. Un proceso se acerca al control cinético puro a baja temperatura y corto tiempo de reacción. Para una escala de tiempo suficientemente larga, cada reacción se acerca al control termodinámico puro, al menos en principio. Esta escala de tiempo se hace más corta a medida que la temperatura se eleva.
• En cada reacción, el primer producto formado es el que se forma más fácilmente. Así, cada reacción a priori comienza bajo control cinético.
• Una condición necesaria para el control termodinámico es la reversibilidad o un mecanismo que permite la equilibración entre los productos. Se considera que las reacciones tienen lugar bajo el control de reacción termodinámica cuando la reacción inversa es suficientemente rápida que el equilibrio se establece dentro del tiempo de reacción asignado. De esta manera, el producto termodinámicamente más estable es siempre favorecido.
• Bajo el control de reacción cinética, una o ambas reacciones delanteras que conducen a los posibles productos es significativamente más rápido que la equilibración entre los productos. Después del tiempo de reacción t, la relación del producto es la relación de las constantes de tasa k y así una función de la diferencia en las energías de activación E_a o ΔG^.:

In⁡ ⁡ ()[A]t[B]t)=In⁡ ⁡ ()kAkB)=− − Δ Δ EaRT{displaystyle ln left({frac {[A]_{}{[ B]_{t}}right)=ln left({frac Bueno... {Delta E_{a} {RT}}} (ecuación 1)

A menos que se impida la equilibración (por ejemplo, mediante la eliminación del producto de la mezcla de reacción tan pronto como forma), el control cinético "puro" es estrictamente imposible de decir, porque se producirá alguna cantidad de equilibración antes de que los reaccionarios se consuman por completo. En la práctica, muchos sistemas están bien aproximados como operativos bajo control cinético, debido a la limpieza mínimamente lenta. Por ejemplo, muchos sistemas catalíticos enantioselectivos proporcionan un producto casi enantiopure (Consejo 99% ee), aunque los productos enantioméricos tienen la misma energía libre de Gibbs y son igualmente favorecidos termodinámicamente.

• Bajo el control de reacción termodinámica pura, cuando se ha alcanzado el equilibrio, la distribución del producto será una función de las capacidades G°. Después de una cantidad infinita de tiempo de reacción, la proporción de concentraciones de productos equilibrará la constante del equilibrio K_eq y por lo tanto ser una función de la diferencia en las energías libres de Gibbs,

In⁡ ⁡ ()[A]JUEGO JUEGO [B]JUEGO JUEGO )=In⁡ ⁡ Keq=− − Δ Δ G∘ ∘ RT{displaystyle ln left({frac {[A]_{infty}{[B]_{infty }}}right)=ln K_{eq}=-{frac {Delta G^{circu} } {RT}}} (Ecuación 2)

En principio, el control termodinámico "puro" también es imposible, ya que el equilibrio sólo se logra después del tiempo de reacción infinito. En la práctica, si A y B interconversor con constantes de tasa global k_f y k_r, entonces para fines más prácticos, el cambio de composición se vuelve insignificante después t ~ 3.5/(k_f + k_r), o aproximadamente cinco vidas medias, y la relación del producto del sistema se puede considerar como el resultado del control termodinámico.

• En general, los cortos tiempos de reacción favorecen el control cinético, mientras que los tiempos de reacción más largos favorecen el control de reacción termodinámica. Las bajas temperaturas mejorarán la selectividad en ambos conjuntos de condiciones, ya que T está en el denominador en ambos casos. La temperatura ideal para optimizar el rendimiento del producto de forma más rápida será la temperatura más baja que garantizará la terminación de la reacción en una cantidad razonable de tiempo. La temperatura ideal para una reacción bajo control termodinámico es la temperatura más baja a la que se alcanzará el equilibrio en una cantidad razonable de tiempo. Si es necesario, la selectividad se puede aumentar para luego enfriar lentamente la mezcla de reacción para cambiar el equilibrio más hacia el producto más estable. Cuando la diferencia en la estabilidad del producto es muy grande, el producto termodinámico puede dominar incluso bajo condiciones de reacción relativamente vigorosas.
• Si una reacción está bajo control termodinámico a una temperatura determinada, también estará bajo control termodinámico a una temperatura superior para el mismo tiempo de reacción.
• De la misma manera, si una reacción está bajo control cinético a una temperatura determinada, también estará bajo control cinético a cualquier temperatura inferior para el mismo tiempo de reacción.
• Si uno presume que una nueva reacción será a priori bajo control cinético, se puede detectar la presencia de un mecanismo de equilibración (y por lo tanto la posibilidad de control termodinámico) si la distribución del producto:
  • cambios con el tiempo,
  • muestra que un producto es dominante a una temperatura mientras que otro domina a una temperatura diferente (inversión de dominio), o
  • cambios con la temperatura pero no es consistente con la ecuación 1, que es un cambio de temperatura (sin cambiar el tiempo de reacción) provoca un cambio en la relación del producto [A]t/[B]t{fnMicrosoft Sans Serif} B. que es más grande o más pequeño de lo que se espera del cambio de temperatura por sí solo, asumiendo que Δ Δ Ea{displaystyle Delta E_{a}} es en gran medida invariante con temperatura sobre un rango de temperatura modesto.
• Del mismo modo, se puede detectar la posibilidad de control cinético si un cambio de temperatura provoca un cambio en la relación de producto que es inconsistente con la ecuación 2, asumiendo que Δ Δ G∘ ∘ {displaystyle Delta G^{circ } es en gran medida invariante con temperatura sobre un rango de temperatura modesto.

Historia

Los primeros en informar sobre la relación entre el control cinético y termodinámico fueron R.B. Woodward y Harold Baer en 1944. Estaban volviendo a investigar una reacción entre el anhídrido maleico y un fulveno, reportada por primera vez en 1929 por Otto Diels y Kurt Alder. Observaron que si bien el isómero endo se forma más rápidamente, tiempos de reacción más largos, así como temperaturas relativamente elevadas, dan como resultado relaciones exo/endo más altas que debían ser consideradas a la luz de la notable estabilidad del exocompuesto por un lado y la muy fácil disociación del endoisómero por el otro.

C. K. Ingold con E. D. Hughes y G. Catchpole describieron de forma independiente un modelo de control de reacción termodinámico y cinético en 1948. Estaban reinvestigando un cierto reordenamiento alílico informado en 1930 por Jakob Meisenheimer. Se descubrió que la solvólisis de cloruro de gamma-fenilalilo con AcOK en ácido acético daba una mezcla de gamma y alfa acetato, convirtiéndose este último en el primero mediante equilibrio. Esto se interpretó como un caso en el campo de la anionotropía del fenómeno, familiar en prototropía, de la distinción entre control cinético y termodinámico en la recombinación de iones.