Termodynamisk kontra kinetisk reaktionskontroll

Energiprofildiagram för kinetisk kontra termodynamisk produktreaktion.

Termodynamisk reaktionskontroll eller kinetisk reaktionskontroll i en kemisk reaktion kan avgöra sammansättningen i en reaktionsproduktblandning när konkurrerande vägar leder till olika produkter och reaktionsförhållandena påverkar selektiviteten eller stereoselektiviteten . Distinktionen är relevant när produkt A bildas snabbare än produkt B eftersom aktiveringsenergin för produkt A är lägre än för produkt B , men produkt B är mer stabil. I ett sådant fall A den kinetiska produkten och gynnas under kinetisk kontroll och B är den termodynamiska produkten och gynnas under termodynamisk kontroll.

Reaktionsförhållandena, såsom temperatur, tryck eller lösningsmedel, påverkar vilken reaktionsväg som kan gynnas: antingen den kinetiskt kontrollerade eller den termodynamiskt kontrollerade. Observera att detta endast är sant om aktiveringsenergin för de två vägarna skiljer sig, där en väg har en lägre _Ea ( aktiveringsenergi ) än den andra.

Prevalensen av termodynamisk eller kinetisk kontroll avgör produktens slutliga sammansättning när dessa konkurrerande reaktionsvägar leder till olika produkter. Reaktionsbetingelserna som nämnts ovan påverkar reaktionens selektivitet - dvs vilken väg som tas.

Asymmetrisk syntes är ett område där distinktionen mellan kinetisk och termodynamisk styrning är särskilt viktig. Eftersom par av enantiomerer har, för alla ändamål, samma Gibbs fria energi, kommer termodynamisk kontroll att producera en racemisk blandning av nödvändighet. Sålunda är varje katalytisk reaktion som ger produkt med icke-noll enantiomert överskott under åtminstone partiell kinetisk kontroll. (I många stökiometriska asymmetriska transformationer bildas de enantiomera produkterna faktiskt som ett komplex med kiralitetskällan före upparbetningsstadiet av reaktionen, vilket tekniskt gör reaktionen till en diastereoselektiv. Även om sådana reaktioner fortfarande vanligtvis är kinetiskt kontrollerade, är termodynamisk kontroll åtminstone möjligt i princip.)

Omfattning

I Diels–Alder reaktioner

Diels -Alder-reaktionen av cyklopentadien med furan kan producera två isomera produkter. Vid rumstemperatur råder kinetisk reaktionskontroll och den mindre stabila endo-isomeren 2 är den huvudsakliga reaktionsprodukten. Vid 81 °C och efter långa reaktionstider kan den kemiska jämvikten hävda sig och den termodynamiskt mer stabila exo-isomeren 1 bildas. Exo - produkten är mer stabil på grund av en lägre grad av sterisk congestion , medan endoprodukten gynnas av orbital överlappning i övergångstillståndet .

Ett enastående och mycket sällsynt exempel på fullständig kinetisk och termodynamisk reaktionskontroll i processen för tandem inter-/intramolekylär Diels-Alder-reaktion av bis-furyldiener 3 med hexafluoro-2-butyn eller dimetylacetylendikarboxylat (DMAD) har upptäckts och beskrevs 2018. Vid låg temperatur sker reaktionerna kemoselektivt vilket uteslutande leder till addukter av pincer-[4+2]-cykloaddition ( 5 ). Den exklusiva bildningen av domino -addukter ( 6 ) observeras vid förhöjda temperaturer.

Teoretiska DFT-beräkningar av reaktionen mellan hexafluoro-2-butyn och diener 3a - c utfördes. Reaktionen som börjar med [4+2] cykloaddition av CF ₃ C≡CCF ₃ vid en av furangrupperna sker på ett samordnat sätt via TS1 och representerar det hastighetsbegränsande steget för hela processen med aktiveringsbarriären Δ G ‡ ^≈ 23,1– 26,8 kcal/mol.

Gibbs fri energiprofil för reaktionen mellan bis -diener 3a-c och hexafluoro-2-butyn. Relativa energier visas i kcal/mol för X = CH ₂ (klar text), S ( kursiv ) och NC(O)CF ₃ ( fetstil ).

Vidare kan reaktionen fortskrida via två konkurrerande kanaler, dvs antingen leda till produkterna 5 av pincertyp via TS2k eller resultera i bildningen av dominoprodukten 6 via TS2t . Beräkningarna visade att den första kanalen är mer kinetiskt gynnsam (Δ G ^‡ ≈ 5,7–5,9 kcal/mol). Samtidigt är dominoprodukterna 6 mer termodynamiskt stabila än 5 ( AG ^‡ ≈ 4,2-4,7 kcal/mol) och detta faktum kan orsaka isomerisering av 5 till 6 vid förhöjd temperatur. Faktum är att de beräknade aktiveringsbarriärerna för 5 → 6 isomeriseringen via retro-Diels-Alder-reaktionen på 5 följt av den intramolekylära [4+2]-cykloadditionen i kedjeintermediären 4 för att ge 6 är 34,0-34,4 kcal/mol.

I enolatkemi

Vid protonering av en enolatjon är den kinetiska produkten enolen och den termodynamiska produkten en keton eller aldehyd . Karbonylföreningar och deras enoler utbyts snabbt genom protonöverföringar katalyserade av syror eller baser , även i spårmängder, i detta fall medierat av enolatet eller protonkällan.

Vid deprotonering av en osymmetrisk keton är den kinetiska produkten det enolat som härrör från avlägsnande av den mest tillgängliga a-H medan den termodynamiska produkten har den mer substituerade enolatdelen. Användning av låga temperaturer och steriskt krävande baser ökar den kinetiska selektiviteten. Här är skillnaden i ännu- pKb mellan _basen och enolatet så stor att reaktionen är väsentligen irreversibel, så jämvikten som leder till den termodynamiska produkten är sannolikt ett protonutbyte som sker under tillsatsen mellan det kinetiska enolatet och oreagerad keton. En omvänd tillsats (tillsats av keton till basen) med snabb blandning skulle minimera detta. Jämviktsläget kommer att bero på motkatjonen och lösningsmedlet.

Om en mycket svagare bas används kommer deprotoneringen att vara ofullständig, och det blir en jämvikt mellan reaktanter och produkter. Termodynamisk kontroll erhålls, men reaktionen förblir ofullständig om inte produktenolatet fångas, som i exemplet nedan. Eftersom H-överföringar är mycket snabba, varvid infångningsreaktionen är långsammare, speglar förhållandet mellan infångade produkter till stor del deprotoneringsjämvikten.

I elektrofila tillsatser

Den elektrofila additionsreaktionen av vätebromid till 1,3-butadien över rumstemperatur leder övervägande till den termodynamiskt mer stabila 1,4-addukten, 1-bromo-2-buten, men att sänka reaktionstemperaturen till under rumstemperatur gynnar kinetiken 1, 2 addukter, 3-bromo-1-buten.

Skälet för de olika selektiviteterna är som följer: Båda produkterna härrör från Markovnikov - protonering vid position 1, vilket resulterar i en resonansstabiliserad allylisk katjon. 1,4-addukten placerar den större Br-atomen på ett mindre överbelastat ställe och inkluderar en mer substituerad alkendel, medan 1,2-addukten är resultatet av attacken av nukleofilen (Br − ) ^på kolet i den allyliska katjonen som bär den största positiva laddningen (det mer substituerade kolet är den mest sannolika platsen för den positiva laddningen).

Egenskaper

• I princip är varje reaktion på kontinuumet mellan ren kinetisk kontroll och ren termodynamisk kontroll. Dessa termer är med avseende på en given temperatur- och tidsskala. En process närmar sig ren kinetisk kontroll vid låg temperatur och kort reaktionstid. För en tillräckligt lång tidsskala närmar sig varje reaktion ren termodynamisk kontroll, åtminstone i princip. Denna tidsskala blir kortare när temperaturen höjs.
• I varje reaktion är den första produkten som bildas den som är lättast att bilda. Således startar varje reaktion a priori under kinetisk kontroll.
• En nödvändig förutsättning för termodynamisk styrning är reversibilitet eller en mekanism som tillåter jämvikt mellan produkter. Reaktioner anses äga rum under termodynamisk reaktionskontroll när den omvända reaktionen är tillräckligt snabb för att jämvikten upprättas inom den tilldelade reaktionstiden. På så sätt gynnas alltid den termodynamiskt stabilare produkten.
• Under kinetisk reaktionskontroll är en eller båda framåtreaktionerna som leder till de möjliga produkterna betydligt snabbare än jämvikten mellan produkterna. Efter reaktionstid t är produktförhållandet förhållandet mellan hastighetskonstanter k och därmed en funktion av skillnaden i aktiveringsenergierna E _a eller Δ G ^‡ :

$\ln \left({\frac {[A]_{t}}{[ B]_{t}}}\right)=\ln \left({\frac {k_{A}}{k_{B}}}\right)=-{\frac {\Delta E_{a}}{ RT}}$ (ekvation 1)

Om inte utjämning förhindras (t.ex. genom att produkten avlägsnas från reaktionsblandningen så snart den bildas), är "ren" kinetisk kontroll strängt taget omöjlig, eftersom en viss jämviktsnivå kommer att ske innan reaktanterna är helt förbrukade. I praktiken är många system väl approximerade som att fungera under kinetisk kontroll, på grund av försumbart långsam jämvikt. Till exempel tillhandahåller många enantioselektiva katalytiska system nästan enantioren produkt (> 99 % ee), även om de enantiomera produkterna har samma Gibbs fria energi och är lika gynnade termodynamiskt.

• Under ren termodynamisk reaktionskontroll, när jämvikten har uppnåtts, kommer produktfördelningen att vara en funktion av stabiliteterna G °. Efter en oändlig mängd reaktionstid kommer förhållandet mellan produktkoncentrationerna att vara lika med jämviktskonstanten K _eq och därför vara en funktion av skillnaden i Gibbs fria energier ,

${\displaystyle \ln \left({\frac {[A]_{\infty }}{[B]_{\infty }}}\right)=\ln \ K_{eq }=-{\frac {\Delta G^{\circ }}{RT}}} ($ ekvation 2)

I princip är "ren" termodynamisk styrning också omöjlig, eftersom jämvikt uppnås först efter oändlig reaktionstid. I praktiken, om A och B konverterar med totala hastighetskonstanter k _f och k _r , så blir förändringen i sammansättning för de flesta praktiska ändamål försumbar efter t ~ 3,5/( k _f + k _r ), eller ungefär fem halveringstider, och systemproduktförhållandet kan betraktas som ett resultat av termodynamisk styrning.

• I allmänhet gynnar korta reaktionstider kinetisk kontroll, medan längre reaktionstider gynnar termodynamisk reaktionskontroll. Låga temperaturer kommer att öka selektiviteten under båda uppsättningarna av förhållanden, eftersom T är i nämnaren i båda fallen. Den ideala temperaturen för att optimera utbytet av den snabbast bildade produkten kommer att vara den lägsta temperaturen som säkerställer att reaktionen slutförs inom en rimlig tid. Den ideala temperaturen för en reaktion under termodynamisk kontroll är den lägsta temperatur vid vilken jämvikt kommer att uppnås inom en rimlig tid. Om det behövs kan selektiviteten ökas genom att sedan långsamt kyla reaktionsblandningen för att förskjuta jämvikten ytterligare mot den mest stabila produkten. När skillnaden i produktstabilitet är mycket stor kan den termodynamiskt kontrollerade produkten dominera även under relativt kraftiga reaktionsbetingelser.
• Om en reaktion är under termodynamisk kontroll vid en given temperatur kommer den också att vara under termodynamisk kontroll vid en högre temperatur under samma reaktionstid.
• På samma sätt, om en reaktion är under kinetisk kontroll vid en given temperatur, kommer den också att vara under kinetisk kontroll vid vilken som helst lägre temperatur under samma reaktionstid.
• Om man antar att en ny reaktion kommer att ske a priori under kinetisk kontroll, kan man upptäcka närvaron av en jämviktsmekanism (och därmed möjligheten till termodynamisk kontroll) om produktfördelningen:
  • förändras över tid,
  • visar att en produkt är dominant vid en temperatur medan en annan dominerar vid en annan temperatur (inversion av dominans), eller
  • ändras med temperaturen men är inte förenlig med ekvation 1, det vill säga en förändring i temperatur (utan att ändra reaktionstiden) orsakar en förändring i produktförhållandet [ $\displaystyle {[A]_{t }}/{[B]_{t}}}$ som är större eller mindre än vad som kan förväntas från enbart temperaturförändringen, förutsatt att $\Delta E_{a}$ i stort sett är invariant med temperatur över ett blygsamt temperaturområde.
• På samma sätt kan man upptäcka möjligheten till kinetisk styrning om en temperaturförändring orsakar en förändring i produktförhållandet som inte överensstämmer med ekvation 2, förutsatt att $\Delta G^{\circ }$ till stor del är invariant med temperatur över ett blygsamt temperaturområde.

Historia

De första som rapporterade om förhållandet mellan kinetisk och termodynamisk kontroll var RB Woodward och Harold Baer 1944. De undersökte på nytt en reaktion mellan maleinsyraanhydrid och en fulven som först rapporterades 1929 av Otto Diels och Kurt Alder . De observerade att medan endo-isomeren bildas snabbare, resulterar längre reaktionstider, såväl som relativt förhöjda temperaturer, i högre exo/endo-förhållanden som måste beaktas i ljuset av exo-föreningens anmärkningsvärda stabilitet på den ena. och den mycket lätta dissociationen av endo-isomeren å den andra.

CK Ingold med ED Hughes och G. Catchpole beskrev oberoende en termodynamisk och kinetisk reaktionskontrollmodell 1948. De undersökte en viss allylisk omarrangering som rapporterades 1930 av Jakob Meisenheimer . Solvolys av gamma-fenylallylklorid med AcOK i ättiksyra visade sig ge en blandning av gamma och alfaacetat, varvid det senare omvandlades till det första genom jämvikt. Detta tolkades som ett fall inom området anionotropi av fenomenet, bekant inom prototropin, av skillnaden mellan kinetisk och termodynamisk kontroll vid jonrekombination .