Cinetiva Tema 1 v2

Tema 1

Métodos de determinación de mecanismos de reacción. Métodos de determinación de mecanismos de reacción.

Efecto de la estructura molecular en la reactividad.

Repaso de conceptos de cinética aprendidos en la

asignatura:

Fundamentos de Química (primer curso del Grado)Fundamentos de Química (primer curso del Grado)

Algunas transparencias de la introducción están basadas

en transparencias de los Drs. Luis Rodríguez y Esteve Fàbregues

Obtención ecuación de velocidad de una reacción compuesta de varias etapas elementales

Teoria del estado Estacionario:

La concentración de los intermedios

permanece constante a lo largo de

la reacción

Reacción global: A + B + D E + F

A + B Ck1

k-1

C + D E + Fk2

v = k1[A][B]-k-1[C]

v = k2[C][D]

k1[A][B] = k2[C][D] + k-1[C]

formación de C destrucción de C

[C] =

k1[A][B]

k2[D] + k-1

Ejemplo:

Mecanismo:

“rds”: rate determining step, la que

Si k2[D] » k-1 v = k1[A][B] la 1ª etapa es la rds

formación de C destrucción de C

v = k2[C][D] = k2

k1[A][B]

k2[D] + k-1

[D]

Si k2[D] « k-1 v = [A][B][D] la 2ª etapa es la rdsk2k1

k-1

“rds”: rate determining step, la que

supone pasar por el punto más alto

en la coordenada energética de la

reacción

E

ECR

CR

Ecuación de Eyring

k = eKBT

h

–∆G‡/RT

Ecuación de Eyring:

e . e–∆H‡/RT ∆S‡/RKBT

hk =

Ecuación de Arrhenius:

k = A e-Ea/RT

Haciendo logaritmos,

Ln k = ln [Ae (-Ea/RT)] = ln A - Ea/RT

Entalpía de activación Entropía de activación

Deducción ecuación de Eyring

Teoría del estado de transición

A + B X‡

i) Reactivos en equilibrio con el complejo activado

ii) Todos los complejos activados evolucionan hacia los productos

a una velocidad fija

K‡ =[X‡]

[A][B]

K T

X‡ C

15

v = [X‡]KBT

h

[X‡] = K‡[A][B]

v = K‡[A][B]KBT

h

∆G‡ = -RT lnK‡ ; K‡ = e –∆G‡/RT

k = eKBT

h

–∆G‡/RT

Equación de Eyring

v = [X‡]KBT

h


hk =

Teoría del estado de transición. Perfil de reacción

El Estado de transicion (ET o TS) es el estado de mayor energía de los reactivos en su camino de reacción

hacia los productos. La estructura específica de los reactivos en el ET se llama complejo activado.

Los datos cinéticos dan información sobre la composición del complejo activado o el TS para el paso

determinante de la velocidad de la reacción, pero no dan información sobre la estructura del intermedio,

(ej. SN1 i SN2)

Perfil de reacción: diagrama bidimensional de la energía potencial respecto a la coordenada de Perfil de reacción: diagrama bidimensional de la energía potencial respecto a la coordenada de

reacción, que representa la evolución energética de la reacción (evolución de reactivos a productos)

La coordenada de reacción representa el progreso de la reacción en el transcurso de una modificación

paulatina de reactivos a productos (diversos parámetros se pueden representar en la coordenada de

reacción, per ejemplo una distancia de enlace para un enlace que se forma o se rompe)

Ejemplos de perfiles de reacción para una reacción de una sola etapa y para una de dos etapas

Teoria del estado de transición. Perfil de reacción

Se pueden relacionar con sus análogos termodinámicos.

Reflejan la estructura del complejo activado o estado de transición.

Entalpía de activación

Por definición: ∆∆∆∆H≠ = Hº (complejo activado) – Hº (reactivos)

Asociada a cambios energéticos de la reacción

(reorganización de enlaces, rotura o formación, efectos electrónicos)

Parámetros de activación

18

(reorganización de enlaces, rotura o formación, efectos electrónicos)

Se determina a partir de la pendiente de la recta que resulta de representar

ln k/T vs 1/ T en la expresión derivada de la ec. d’Eyring (dividir todo por T y aplicar ln)

ln k/T = ∆∆∆∆S≠ / R + ln kB/h – (∆∆∆∆H≠/R)1/T La pendiente es - ∆∆∆∆H≠/R

También se puede estimar por cálculos teóricos.

Entropía de activación

Por definición: ∆∆∆∆S≠ = Sº (complejo activado) – Sº (reactivos)

Puede ser > 0 o < 0 (a diferencia de la entalpia de activación que es siempre > 0)

Relacionada con el grado de orden del complejo activado respecto a los reactivos

Cuanto mayor sea el aumento del orden menor probabilidad de que se de la reacción.

∆∆∆∆S≠ < 0 TS más ordenado (menor entropía) que los reactivos


19

∆∆∆∆S≠ < 0 TS más ordenado (menor entropía) que los reactivos

Reacción retardada o de baja probabilidad

∆∆∆∆S≠ > 0 TS menos ordenado (mayor entropía) que reactivos

Reacción acelerada o de probabilidad elevada

Se determina a partir de la ordenada de origen de la recta que resulta de representar

ln k/T vs 1/ T en la expresión derivada de la ec. d’Eyring (dividir todo por T i aplicar ln)

ln k/T = ∆∆∆∆S≠ /R + ln kB/h – (∆∆∆∆H≠/R)1/T ordenada es ∆∆∆∆S≠ /R + ln kB/h

∆∆∆∆H≠ = 15.5 Kcal/mol

∆∆∆∆S≠ = - 34 eu


1) Dimerización del ciclopentadieno en la fase gas:

2) Descomposición del 1,1’-diazobutano en fase gas:

∆∆∆∆H≠ = 52 Kcal/mol

∆∆∆∆S≠ = + 19 eu

Disminución del grado de libertad traslacional, rotacional y vibracional en (A) comporta disminución de entropía en ET (DS≠ < 0)

Aumento de grados de libertad traslacional, rotacional y vibracionales en (B) comporta aumento de entropía en ET (DS≠ > 0)

∆G≠ = ∆ H≠ - T ∆ S≠

Permite relacionar las estructuras de los ET con las de los intermedios, reactivos y productos.

Si dos estados (por ej. un ET y un intermedio) se producen consecutivamente durante

la reacción y tienen energías similares, su interconversión implica solamente una

pequeña reorganización de la estructura molecular.

De forma más sencilla quiere decir que:

Postulado de Hammond

21

Un paso de reacción muy exotérmico presentará un ET similar a los reactivos

(early or reactant-like) (caso 1 diapositiva siguiente)

Un paso de reacción muy endotérmico presentará un ET similar a productos

(late or product-like) (caso 3 diapositiva siguiente)

Si en el perfil de reacció el ET es de energía mucho más elevada que reactivos y

productos, ni unos ni otros son buenos modelos de l’ET (caso 2 diapositiva siguiente)



23

El ET de la e.d.v es de tipo product-like (similar al complejo intermedio σσσσ)

Control cinético/Control termodinámico

CH(CH2)2CH3

H3C

O

CH3C(CH2)3CH3

O

H2C

O

(CH2)3CH3

CH(CH ) CH

HO

H C

OH

B B

Enolato termodinámico Enolato cinético

1

2 3

Formación de enolatos a partir de cetonas asimétricas

28

Con base fuerte y voluminosa, en disolvente aprótico se forma mayoritariamente el

enolato cinético 3.

Con la base más débil y en disolvente prótico, el enolato mayoritario es el

termodinámicamente más estable 2.

Disolventes próticos favorecen los equilibrios.

CH(CH2)2CH3

H3C

H2C

(CH2)3CH3


k = eKBT

h

–∆G‡/RT

Ecuación de Eyring:

Control Cinético

ET

Control Termodinámico

Estado de transición

(ET)

Intermedio

Intermedio ∆G‡A

∆G‡B

Energía

PB

h


hk =

Producto

cinético

Producto

de partida

Intermedio

Producto

termodinámico

PA

∆G0A

∆G0B

Coordenada de reacción



Principio de Curtin-Hammett

∆G‡A ∆G‡

B

- En una situación de equilibrio rápido entre dos

moléculas A y B que pueden reaccionar para dar

dos productos distintos: PA y PB

- La proporción entre los dos productos no depende

de la proporción inicial entre las moléculas A y B,

sino exclusivamente del ∆G‡ entre los Estados de

Transición que lleven a esos productos.

Energía

G‡B - G‡

A

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

- - - - - - - -

K1, K-1 >> KA, KB

KA KBK1

K-1

[PA]

[PB]=

d[PA]/dt

d[PB]/dt=

kA[A]

kB[B]

kA[B]

kBKeq[B]= =

kA

kBKeq

=

Transición que lleven a esos productos.


K = K B T

e -∆G‡/RT------h

Ecuación Eyring:

Ecuación Equilibrio:

K eq = [B]

[A]------

***

*

* ****

***

K eq = e –∆G0eq/RT

Efecto cinético de isótopo

Efecto Cinético de Isótopo:

- Variación de la velocidad de una reacción al substituir un determinado átomo de uno de los

reactivos por uno de sus isótopos.

- El caso más habitual es sustituir Hidrógeno por Deuterio.

Efecto Cinético de Isótopo Primario:

- En una reacción elemental: Al cambiar hidrógeno por

deuterio, un átomo más pesado, la velocidad de la

reacción disminuye: kH > kD

- A temperatura ambiente:E

32

kH

kD máximo

< 7

- Origen: la energía del nivel vibracional más

bajo de un enlace, es menor al aumentar la

masa de los átomos implicados.

Eo = ½ hνpunto cero:

niveles

vibracionales

permitidos

r

En = (n + ½) hν , n = 0, 1, 2, …

Llei de Hook: ν = 1

2π

f

m

2 <mínimo

∆G‡ < ∆G‡ H D

kH > kD

- En una reacción elemental donde el enlace C-H

o C-D se rompe: en el estado de transición (ET)

ya no existe energía vibracional (Evibr)∆G‡

D∆G‡

Hproducto

ET

R-HR-D

- Energía del nivel vibracional mas bajo:

enlace C-H > enlace C-D.

E

r


1) - En una reacción compleja, se observará Efecto Cinético Isótopo Primario cuando el enlace

C-H en el que se ha sustituido el H por D se rompa antes o durante la rds.

2) – El valor del Efecto Cinético Isótopo Primario indica la situacíón del ET en la coordenada de

reacción de la etapa donde se rompe el enlace:

- ET semejante al reactivo o al producto: enlace

C-H (D) poco roto, o muy formado en la nueva

molécula

- El ET mantiene las diferencias de Evibr:

Efecto Cinético Isótopo pequeño

- ET simétrico en la coordenada de reacción:

antiguo enlace C-H (D) medio roto, nuevo

enlace C-H (D) medio formado

- El ET no mantiene las diferencias de Evibr :

Efecto Cinético Isótopo cercano a 7

El efecto cinético teórico se puede calcular considerando que las diferencias en las energías

de activación corresponden a las diferencias en los puntos cero de los enlaces C-H / C-D

(aproximación)

A modo de ejemplo podéis ver la tabla siguiente que contiene los valores calculados

para diferentes parejas de isotopos:


34

Nuclis H /D H / T 12C/13C 12C/14C 14N/15N 16O/18O 32S/34S

klleuger/kpesat ~ 7 ~ 13 1.04 1.07 1.03 1.02 1.01


- Ocurre cuando el H sustituido por D está unido a un C que cambia de hibridación en el

transcurso de la reacción antes de la rds (H o D no están implicados directamente en la reacción)

Efecto cinético de isótopo secundario

- La diferencia E entre los niveles vibracionales

más bajos de los enlaces C-H y C-D es menor.

Efecto Cinético de isótopo

Secundario normal:

kH

kD

> 1Efecto Cinético de isótopo

Secundario inverso:

kH

kD< 1

- La diferencia E entre los niveles vibracionales

más bajos de los enlaces C-H y C-D es mayor.

Al pasar de C sp3 a C sp2 (enlace

C_H (D) más corto)

Al pasar de C sp2 a C sp3 (enlace

C-H (D) más largo)

(1,3 – 1) (0,7 – 1)

35

∆G‡ > ∆G‡ D H

kD < kH

sp3C-H

C-D

sp2C-HC-D

∆G‡ < ∆G‡ D H

kH < kD

sp3

sp2

C-H

C-D

C-HC-D


Ecuación de Hammett

Aproximación donde se comparan cambios en ∆G≠ como resultado de cambios en el

medio o en la estructura de los reactivos (diferentes sustituyentes sobre un anillo

aromático) para dos reacciones similares.

También se pueden comparar cambios en ∆G≠ con cambios en ∆Gº para la misma

reacción o entre reacciones diferentes

Efectos cinéticos electrónicos. Relaciones lineales de energía libre

37

reacción o entre reacciones diferentes

Si les variaciones en el medio o en la estructura son suficientemente pequeñas, se

encuentran relaciones lineales que describen las sensibilidades relativas entre la

reacción en estudio y la reacción de referencia delante de un cambio particular.

Linear free energy relationship (LFER) ∆∆∆∆∆∆∆∆G’ = (∆∆∆∆∆∆∆∆G). cte


Correlation of acid dissociation constants of benzoic acids with rates of basic hydrolysis of ethyl benzoates

Advanced Organic Chemistry, Part A: Structure and Mechanisms (Ed. A. Carey, R. J. Sundberg), 2007. Springer

Ecuación de Hammet

Ecuación de Hammett:

- Origen: Hammett constata que pueden

correlacionarse las elucidades de hidrólisis alcalina de

los benzoatos de etilo con las constantes de

disociación de los ácidos benzoicos con (L. P.

Hammett J. Am. Chem. Soc. 1937, 59, 96).

log = σ ρσ ρσ ρσ ρk

ko

p-NO2

m-NO2

p-Cl

p-Me

p-OMe m-NH2

Hlog

k/k

o

2.0

0.8

0.0

-0.4

39

p-NH2

-0.8 -0.4 0 0.4 0.8 1.2

-1.2

-2.0

log K/Ko

La Ecuación de Hammett solo puede aplicarse

en reacciones donde el centro reactivo está

unido a un anillo aromático que pueda estar

diferentemente sustituido (X).

Esta relación lineal indica que el cambio en la energía libre de activación en la

hidrólisis de los benzoatos de etilo a causa de la introducción de una serie de

sustituyentes, es directamente proporcional al cambio en la energía libre de

ionización causado por la misma serie de sustituyentes en los ácidos benzoicos.

La ec. de Hammett para datos de equilibrio y de velocidad:


40

log KK0

= σρ

log kk0

= σρ

Tal y como se ha definido, el valor de σσσσ refleja el efecto del sustituyente en la

energía libre de la ionización de los ácidos benzoicos. Después se extrapola este

efecto a las energías libres de activación de las reacciones en estudio.

El efecto de cada sustituyente resulta de la combinación de diversos factores

(inductivos, de campo, resonantes)

Efectos cinéticos electrónicos. Ecuación de Hammett

41

Efectos inductivos: transmisión de los enlaces dipolares a través del esqueleto de

enlaces sigma por polarización sucesiva de cada enlace. Disminuyen con la distancia.

Efectos resonantes: polarización y redistribución de carga a través de un sistema π

conjugado. Se mantienen con la distancia.

Efectos de campo: interacción electrostática a través del espacio.

La ec. de Hammett se aplica solamente a sustituyentes en posiciones meta y para,

ya que en estas se puede suponer que los efectos son puramente electrónicos,

mientras que los sustituyentes en orto presentaran una combinación de efectos

electrónicos y efectos estéricos


log kk

= σρ

42

σ > 0 para sustituyentes más electronegativos que H

σ< 0 para sustituyentes menos electronegativos que H

σm = σI ; σp = σI + σR (I = inductiva; R = resonante)

log k0

= σρ

Ejemplos correlaciones tipo Hammet aplicadas a otras reacciones:

-1) Ionización de fenoles:

ρ = 2.26

Ecuación de Hammet

- Valores de ρ > 0: reacciones en las que hasta la etapa

determinante de la velocidad de reacción (rds) tiene lugar un

-Sustituyentes electrón-atrayentes: valores de σ > 0

-Sustituyentes electrón-donadores: valores de σ < 0

p-

NO

2

m-NO2

p-Cl

p-Me

p-OMe

p-CN

H

0.8 0.4 0 0.4 0.

8

1.0

1

0

2

3

4

5

6

7

8

0.6 0.2 0.2 0.6

m-Mem-OMe

p-Br

m-Brm-Cl

m-CO2Et

p-CO2Et

σ +-

m-CN

ρ = -4.54

- 2) Solvólisis de cloruros de fenildimetilcarbinol:

- Valores de 0: reacciones en las que hasta la etapa

determinante de la velocidad de reacción (rds) tiene lugar un

desarrollo neto de carga negativa (o desaparición de positiva).

- Valores de ρ < 0: reacciones en las que hasta la etapa rds

tiene lugar un desarrollo neto de carga positiva (o

desaparición de negativa).

44



El parámetro ρρρρ representa la sensibilidad relativa de la reacción al cambio

electrónico, es decir, a la presencia de diferentes sustituyentes.

Es importante en investigación mecanística, ya que su signo y su

magnitud permiten hacer deducciones sobre el desarrollo de carga

en el centro reactivo en el estado de transición.


46

ρ > 0 si la reacción es acelerada por sustituyentes electroatrayentes

(en el paso de reactivos a ET se crea carga negativa o se destruye

carga positiva)

ρ < 0 si la reacción es acelerada por sustituyentes electrodadores

(en el paso de reactivos a ET se crea carga positiva o se destruye

carga negativa)




Parámetros σσσσ+ y σσσσ- de Hammett:

σ+ se utiliza para reacciones en las que hay una interacción resonante directa entre

un sustituyente electrodador y un centro reactivo catiónico.

σ- se utiliza para reacciones en las que hay una interacción resonante directa entre un

sustituyente electroatrayente y un centro reactivo aniónico.

En estos casos, los valores habituales de σ no se ajustarían a la recta


49

Direct resonance interaction with cationic center

Direct resonance interaction with anionic center


Curvas típicas de reacciones que cambian la etapa determinante de la velocidad según los sustituyentes


Gráficas típicas de reacciones que cambian de mecanismo en función de los sustituyentes


Gráficas típicas de reacciones que cambian de mecanismo en función de los sustituyentes

Ejemplos en investigación mecanística :

Hidròlisis bàsica de ésteres

(cambios en la etapa determinante de velocidad)

(se obtienen dos tramos rectos de pendientes diferentes)

Solvólisis de tosilatos bencílicos sustituidos


53

Solvólisis de tosilatos bencílicos sustituidos

(cambios de mecanismo: SN1 i SN2)

(se obtienen dos tramos rectos de pendientes diferentes)

Acetòlisis de tosilatos de ββββ-ariletilo

(cambios de mecanismo: SN2 i SN con asistencia anquimérica)

(se obtienen dos tramos rectos de pendente diferente)

Análisis de productos:

a) estructura de los productos de reacción

b) marcaje isotópico y/o experimentos de cruce

Métodos no cinéticos en el estudio de mecanismos de reacción

54

c) datos estereoquímicos

Marcaje isotópico

Proporciona una manera de conocer en que punto del producto final acaben los

átomos del producto de partida.

Una manera conveniente de determinar si el marcaje isotópico es apropiado para

resolver un problema mecanístico particular es numerar todos los átomos del


55

resolver un problema mecanístico particular es numerar todos los átomos del

reactivo y determinar si los diferentes mecanismos a considerar llevan a diferentes

conectividades en el producto final.

Hay que tener en cuenta las dificultades de síntesis de los reactivos marcados

isotópicamente, la asequibilidad de los isótopos requeridos y como llevar a cabo la

localización del marcaje en el producto final.

Isótopos más utilizados en marcaje: deuterio, tritio, carbono-13, carbono-14

Localización de D per EM o bien por ausencia de señal en RMN

Tritio y carbono-14 son radioactivos y se pueden detectar en base a medidas de


56

radioactividad, pero se requiere proceso degradativo para localizar en que punto

concreto es encuentra el marcaje. Puede resultar largo y laborioso.

El carboni-13 se puede localizar por RMN (tiene momento magnético nuclear),

dará una señal de mayor intensidad en la posición marcada. No se requiere

proceso degradativo

Técnica útil cuando se formen intermedios de reacción más simétricos que los

reactivos. Ejemplo de preparación de anilinas a partir de clorobencenos y amiduro

potásicos.

Ejemplo de aplicación del marcaje isotópico a la transposición de Claisen de éteres


57

alilarílicos. Mecanismo inter o intramolecular?

Experimentos de cruce para distinguir mecanismos inter- e intramoleculares en

transposiciones unimoleculares (reactivos doblemente marcados o sustratos

marcados de manera diferente, experimentos de incorporación). Ejemplos de

transposición de Fries de ésteres fenólicos y transposiciones aniónicas 1,2.


Marcaje isotópico

Propuesta de mecanismo para la isomerización del Z-1-fenilbutadieno al E-dieno

correspondiente en medio ácido:

Experimento de marcaje isotópico: uso de D+ en D2O

Mecanimo postulado:


Marcaje isotópico

SNAr via Bencino. Marcaje radioactivo con 14C

Degradación controlada: 50% marcaje en C1 I 50% en los dos C orto idénditoc


Experimentos de cruce

Isomerización de

sulfuros alílicos iniciada

por luz

Experimento de cruce: seguido por espectroscopía de masas

1 1 2

Propuesta de mecanismo: reacc. radicalaria en cadena, iniciada por ArS·

Datos estereoquímicos

a) Obtener información mecanística en procesos de estereoquímica establecida

b) Establecer la estereoquímica de nuevos procesos

Estudios de racemización en reacciones con sustratos quirales para determinar


61

Estudios de racemización en reacciones con sustratos quirales para determinar

formación de intermedios aquirales (Ej. SN1)

Correlación de configuraciones: determinación de la configuración absoluta

desconocida de una molécula determinada mediante su conversión en otros

compuestos de configuración conocida. Las reacciones implicadas en esta

transformación han de ser estereoquímicamente definidas (hay que saber si

transcurren con retención o inversión de configuración).

Intermedios de reacción

Corresponden a mínimos locales en el perfil de reacciones multietapa,

tienen vida media corta

es decir, si el intermedio se acumula y evoluciona lentamente hacia Si


Reactivos Intermedio Productosk1 k2

K1 > K2

62

productos, existe la posibilidad de detectarlo y/o aislarlo. Si

Cualquier intermedio real aislado de una reacción interrumpida ha de dar los

productos de reacción cuando se sitúa en las condiciones originales.

Si las dos k1 y k2 tienen valores grandes, no se podrán aislar, pero quizá se podrán

detectar espectroscópicamente (UV-Vis, IR, RMN, EPR, …) o atrapar.

Intermedios comunes: carbaniones, carbocationes, radicales, carbenos, nitrenos,

arinos

K1 > K2

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