Из Википедии, свободной энциклопедии
  (Перенаправлено с управления кинетической реакцией на термодинамическую )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Обобщенная диаграмма профиля энергии для кинетической и термодинамической реакции продукта.
Диаграмма энергетического профиля кинетической реакции по сравнению с термодинамическим продуктом.

Термодинамический контроль реакции или кинетический контроль реакции в химической реакции могут определять состав смеси продуктов реакции, когда конкурирующие пути приводят к различным продуктам, а условия реакции влияют на селективность или стереоселективность . Это различие актуально, когда продукт A образуется быстрее, чем продукт B, потому что энергия активации для продукта A ниже, чем для продукта B , но продукт B более стабилен. В таком случае A является кинетическим продуктом и предпочтительнее при кинетическом контроле, а Bявляется термодинамическим продуктом и предпочтительнее при термодинамическом контроле. [1] [2] [3]

Условия реакции, такие как температура, давление или растворитель, влияют на то, какой путь реакции может быть предпочтительным: либо кинетически контролируемый, либо термодинамически контролируемый. Обратите внимание, что это верно только в том случае, если энергия активации двух путей различается, причем один путь имеет более низкую E a ( энергия активации ), чем другой.

Преобладание термодинамического или кинетического контроля определяет окончательный состав продукта, когда эти конкурирующие пути реакции приводят к различным продуктам. Условия реакции, как указано выше, влияют на селективность реакции, т. Е. На выбор пути.

Асимметричный синтез - это область, в которой особенно важно различать кинетический и термодинамический контроль. Поскольку пары энантиомеров имеют для всех намерений и целей одну и ту же свободную энергию Гиббса, термодинамический контроль обязательно приведет к образованию рацемической смеси . Таким образом, любая каталитическая реакция, которая дает продукт с ненулевым энантиомерным избытком, находится под, по крайней мере, частичным кинетическим контролем. (Во многих стехиометрическихПри асимметричных превращениях энантиомерные продукты фактически образуются в виде комплекса с источником хиральности до стадии обработки реакции, что технически делает реакцию диастереоселективной. Хотя такие реакции все еще обычно контролируются кинетически, термодинамический контроль в принципе возможен.)

Сфера [ править ]

В реакциях Дильса – Альдера [ править ]

Реакция Дильса-Альдера из циклопентадиена с фурана может производить два изомерных продуктов. При комнатной температуре преобладает кинетический контроль реакции, и менее стабильный эндо-изомер 2 является основным продуктом реакции. При температуре 81 ° C и после длительного времени реакции химическое равновесие может утверждаться, и образуется термодинамически более стабильный экзо-изомер 1 . [4] экзо продукт является более стабильным , в силу более низкой степенью стерического перегрузки , в то время как эндо продукт благоприятствует орбитальном перекрываются впереходное состояние .

Сравнение термодинамического и кинетического контроля реакции в реакции циклопанетдиена и фурана

Был обнаружен выдающийся и очень редкий пример полного кинетического и термодинамического контроля реакции в процессе тандемной меж- / внутримолекулярной реакции Дильса-Альдера бис-фурилдиенов 3 с гексафтор-2-бутином или диметилацетилендикарбоксилатом (DMAD) и описан в 2018. [5] [6] При низкой температуре реакции протекают хемоселективно, приводя исключительно к аддуктам клещевого- [4 + 2] циклоприсоединения ( 5 ). Исключительное образование домино- аддуктов ( 6 ) наблюдается при повышенных температурах.

Кинетический и термодинамический контроль тандемной реакции Дильса – Альдера.

Проведены теоретические DFT-расчеты реакции гексафтор-2-бутина с диенами 3a - c . Реакция, начинающаяся с [4 + 2] циклоприсоединения CF 3 C≡CCF 3 к одному из фурановых фрагментов, происходит согласованным образом через TS1 и представляет собой лимитирующую стадию всего процесса с активационным барьером Δ G ‡ ≈ 23,1– 26,8 ккал / моль.

Профиль свободной энергии Гиббса для реакции бис- диенов 3a-c с гексафтор-2-бутином. Относительные энергии показаны в ккал / моль для X = CH 2 (обычный текст), S ( курсив ) и NC (O) CF 3 ( жирный шрифт ).

Кроме того, реакция может протекать по двум конкурирующим каналам, т.е. либо вести к продуктам 5 типа клещей через TS2k, либо приводить к образованию продукта домино 6 через TS2t . Расчеты показали, что первый канал более кинетически выгоден (Δ G ‡ ≈ 5,7–5,9 ккал / моль). Между тем, продукты домино 6 более термодинамически стабильны, чем 5 (Δ G ‡ ≈ 4,2-4,7 ккал / моль), и этот факт может вызвать изомеризацию 5 в 6при повышенной температуре. Действительно, рассчитанные активационные барьеры для изомеризации 5 → 6 через ретро-реакцию Дильса-Альдера 5 с последующим внутримолекулярным [4 + 2] -циклоприсоединением в промежуточном звене цепи 4 с образованием 6 составляют 34,0–34,4 ккал / моль.

В енолятной химии [ править ]

В протонирования А.Н. енолята иона , кинетическая продукт является енольная и термодинамический продукт представляет собой кетон или альдегид . Карбонильные соединения и их енолы быстро обмениваются переносами протонов, катализируемыми кислотами или основаниями , даже в следовых количествах, в данном случае опосредованных енолятом или источником протонов.

При депротонировании несимметричного кетона кинетическим продуктом является енолят, полученный в результате удаления наиболее доступного α-H, в то время как термодинамический продукт имеет более сильно замещенный енолятный фрагмент. [7] [8] [9] [10] Использование низких температур и стерически сложных оснований увеличивает кинетическую селективность. Здесь разность p K bмежду основанием и енолятом настолько велико, что реакция по существу необратима, поэтому уравновешивание, приводящее к термодинамическому продукту, вероятно, является протонным обменом, происходящим во время добавления между кинетическим енолятом и еще непрореагировавшим кетоном. Обратное добавление (добавление кетона к основанию) с быстрым перемешиванием минимизирует это. Положение равновесия будет зависеть от противокатиона и растворителя.

Если используется гораздо более слабое основание, депротонирование будет неполным, и будет равновесие между реагентами и продуктами. Достигается термодинамический контроль, однако реакция остается неполной, если енолят продукта не улавливается, как в примере ниже. Поскольку перенос H происходит очень быстро, а реакция захвата протекает медленнее, соотношение захваченных продуктов в значительной степени отражает равновесие депротонирования.

В электрофильных дополнениях [ править ]

Электрофильного присоединения реакции бромистого водорода в 1,3-бутадиена выше комнатной температуры приводит преимущественно к термодинамически более стабильной 1,4 аддукта, 1-бром-2-бутена, но снижение температуры реакции до температуры ниже комнатной температуры способствует кинетическую 1, 2-аддукт, 3-бром-1-бутен. [3]

Обоснование разной селективности заключается в следующем: оба продукта являются результатом марковниковского протонирования в положении 1, в результате чего образуется аллильный катион, стабилизированный резонансом . Аддукт 1,4 помещает больший атом Br в менее загруженный сайт и включает более сильно замещенный алкеновый фрагмент, в то время как аддукт 1,2 является результатом атаки нуклеофила (Br - ) на углерод аллильного катиона. несущий наибольший положительный заряд (наиболее вероятным местом для положительного заряда является более замещенный углерод).

Характеристики [ править ]

  • В принципе, каждая реакция находится на континууме между чистым кинетическим контролем и чистым термодинамическим контролем. Эти условия относятся к заданной температуре и шкале времени. Процесс приближается к чистому кинетическому управлению при низкой температуре и коротком времени реакции. В течение достаточно длительного времени каждая реакция приближается к чистому термодинамическому контролю, по крайней мере, в принципе. Этот временной масштаб становится короче при повышении температуры.
  • В каждой реакции первым образуется продукт, который легче всего образуется. Таким образом, каждая реакция априори начинается под кинетическим контролем. [11]
  • Необходимым условием термодинамического контроля является обратимость или механизм, позволяющий уравновесить продукты. Считается, что реакции происходят под термодинамическим контролем реакции, когда обратная реакция протекает достаточно быстро, чтобы равновесие установилось в течение отведенного времени реакции. Таким образом, всегда предпочтение отдается термодинамически более стабильному продукту.
  • При кинетическом контроле реакции одна или обе прямые реакции, приводящие к возможным продуктам, проходят значительно быстрее, чем уравновешивание между продуктами. По истечении времени реакции t соотношение продуктов является отношением констант скорости k и, следовательно, функцией разницы в энергиях активации E a или Δ G ‡ :
    (уравнение 1)
Если не предотвратить уравновешивание (например, путем удаления продукта из реакционной смеси, как только он образуется), «чистый» кинетический контроль, строго говоря, невозможен, потому что некоторое количество уравновешивания будет иметь место до того, как реагенты будут полностью израсходованы. На практике многие системы хорошо аппроксимируются как работающие с кинетическим управлением из-за пренебрежимо медленного уравновешивания. Например, многие энантиоселективные каталитические системы обеспечивают почти энантиочистый продукт (> 99% ее), даже несмотря на то, что энантиомерные продукты имеют такую ​​же свободную энергию Гиббса и одинаково предпочтительны термодинамически.
  • При чисто термодинамическом контроле реакции, когда равновесие достигнуто, распределение продукта будет функцией стабильности G °. После бесконечного времени реакции соотношение концентраций продукта будет равно константе равновесия K eq и, следовательно, будет функцией разницы свободных энергий Гиббса ,
    (уравнение 2)
В принципе, «чистый» термодинамический контроль также невозможен, поскольку равновесие достигается только после бесконечного времени реакции. На практике, если A и B взаимно преобразуются с общими константами скорости k f и k r , то для большинства практических целей изменение состава становится незначительным после t ~ 3,5 / ( k f + k r ), или приблизительно пяти периодов полураспада, и соотношение продуктов системы можно рассматривать как результат термодинамического контроля.
  • Как правило, короткое время реакции способствует кинетическому контролю, тогда как более длительное время реакции способствует термодинамическому контролю реакции. Низкие температуры повысят селективность в обоих наборах условий, так как T в знаменателе в обоих случаях. Идеальной температурой для оптимизации выхода наиболее быстро образующегося продукта будет самая низкая температура, которая обеспечит завершение реакции за разумный промежуток времени. [12] Идеальная температура для реакции под термодинамическим контролем - это самая низкая температура, при которой равновесие будет достигнуто за разумное время. [13]При необходимости селективность можно повысить, затем медленно охлаждая реакционную смесь, чтобы еще больше сдвинуть равновесие в сторону наиболее стабильного продукта. Когда разница в стабильности продукта очень велика, термодинамически контролируемый продукт может доминировать даже в относительно жестких условиях реакции.
  • Если реакция находится под термодинамическим контролем при данной температуре, она также будет находиться под термодинамическим контролем при более высокой температуре в течение того же времени реакции.
  • Таким же образом, если реакция находится под кинетическим контролем при данной температуре, она также будет находиться под кинетическим контролем при любой более низкой температуре в течение того же времени реакции.
  • Если предположить, что новая реакция будет априори под кинетическим контролем, можно обнаружить присутствие механизма уравновешивания (и, следовательно, возможность термодинамического контроля), если распределение продукта:
    • меняется со временем,
    • показывает, что один продукт доминирует при одной температуре, а другой доминирует при другой температуре (инверсия доминирования), или
    • изменяется с температурой , но не согласуется с уравнением 1, то есть изменение температуры (без изменения времени реакции) вызывает изменение в соотношении продукта , который больше или меньше , чем можно было бы ожидать от изменения только температуры, при условии , что это практически не зависит от температуры в умеренном температурном диапазоне. [14]
  • Таким же образом можно обнаружить возможность кинетического управления, если изменение температуры вызывает изменение соотношения продуктов, которое несовместимо с уравнением 2, предполагая, что это в значительной степени инвариантно с температурой в умеренном диапазоне температур. [15]

История [ править ]

Первыми, кто сообщил о взаимосвязи между кинетическим и термодинамическим контролем, были RB Woodward и Harold Baer в 1944 году. [16] Они повторно исследовали реакцию между малеиновым ангидридом и фульвеном, о которой впервые сообщили в 1929 году Отто Дильс и Курт Альдер . [17] Они заметили, что, хотя эндо-изомер образуется быстрее, более длительное время реакции, а также относительно повышенные температуры приводят к более высоким отношениям экзо / эндо, что необходимо учитывать в свете замечательной стабильности экзо-соединения. с одной стороны, и очень легкая диссоциация эндо-изомера с другой.

CK Ingold с ED Hughes и G. Catchpole независимо описали термодинамическую и кинетическую модель управления реакцией в 1948 году. [18] Они повторно исследовали некоторую аллильную перегруппировку, о которой в 1930 году сообщил Якоб Мейзенхаймер . [19] Было обнаружено, что сольволиз гамма- фенилаллилхлорида с AcOK в уксусной кислоте дает смесь гамма- и альфа-ацетата, причем последний превращается в первый путем уравновешивания. Это было интерпретировано как случай в области анионотропии явления, известного по прототропии, различия между кинетическим и термодинамическим контролем в ионной рекомбинации .

Ссылки [ править ]

  1. ^ Органическая химия, 3-е изд., MA Fox & JK Whitesell, Jones & Bartlett, 2004 ISBN  0-7637-2197-2
  2. ^ Руководство по механизму в органической химии, 6-е издание, Питер Сайкс, Pearson Prentice Hall, 1986. ISBN 0-582-44695-3 
  3. ^ a b Введение в органическую химию I, Сет Роберт Эльшаймер, Blackwell Publishing, 2000 ISBN 0-632-04417-9 
  4. ^ Продвинутая органическая химия, часть A: структура и механизмы, 5-е изд., Фрэнсис А. Кэри, Ричард Дж. Сандберг, 2007 ISBN 978-0-387-44899-2 
  5. ↑ Ксения К. Борисова, Елизавета А. Квятковская, Евгения В. Никитина, Ринат Р. Айсин, Роман А. Новиков и Федор И. Зубков. «Классический пример полного кинетического и термодинамического контроля. Реакция Дильса-Альдера между DMAD и бис-фурилдиенами ». J. Org. Chem., 2018, 83 (8), стр 4840-4850. DOI: 10.1021 / acs.joc.8b00336 https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.joc.8b00336
  6. ↑ Ксения К. Борисова, Евгения В. Никитина, Роман А. Новиков, Виктор Н. Хрусталев, Павел В. Дороватовский, Ян В. Зубавичус, Максим Л. Кузнецов, Владимир П. Зайцев, Алексей В. Варламов и Федор И. Зубков . «Реакции Дильса-Альдера между гексафтор-2-бутином и бис-фурилдиенами: кинетический и термодинамический контроль». Chem. Commun., 2018, 54, с. 2850-2853. doi: 10.1039 / c7cc09466c http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/cc/c7cc09466c#!divAbstract
  7. ^ Термодинамический продукт против кинетического продукта
  8. ^ Jean d'Angelo, тетраэдр отчет номер 25: Кетоновые еноляты: региоспецифическая подготовка и синтетические применения , Tetrahedron, том 32, выпуск 24, 1976, страницы 2979-2990, ISSN 0040-4020 , DOI : 10.1016 / 0040-4020 (76) 80156-1 
  9. ^ Химия карбанионов. IX. Енолаты калия и лития, полученные из циклических кетонов Герберт О. Хаус, Барри М. Трост J. Org. Chem, 1965, 30 (5), стр 1341-1348. DOI : 10.1021 / jo01016a001
  10. ^ Химия карбанионов. XV. Стереохимия алкилирования 4-трет-бутилциклогексанона Herbert O. House, Ben A. Tefertiller, Hugh D. Olmstead J. Org. Chem, 1968, 33 (3), стр 935-942. DOI : 10.1021 / jo01267a002
  11. ^ Это неверно, только если последующее уравновешивание происходит так же быстро или быстрее.
  12. ^ Если не довольствоваться неполной реакцией, тогда может потребоваться отделение продукта от непрореагировавшего исходного материала.
  13. ^ В худшем случае K экв будет приближаться к 1 приповышении T, и доля наиболее стабильного продукта будет стремиться к 50% реакционной смеси.
  14. ^ будет не зависеть от температуры или почти не зависеть от температуры, еслиона мала, что было бы так, если бы этапы определения скорости, ведущие к каждому продукту, имели одинаковую молекулярность , например, если бы оба происходили столкновения с одним и тем же реагентом.
  15. ^ будет не зависеть от температуры или почти не зависеть от температуры, еслиона мала, что было бы так, если бы общие превращения для каждого продукта были одной и той же молекулярности , например, если бы оба были фрагментациями молекулы с образованием пары молекул или если бы оба были конденсации двух молекул в одну молекулу.
  16. ^ Исследования по реакциям присоединения диена. II.1. Реакция 6,6-пентаметиленфульвена с малеиновым ангидридом RB Woodward, Harold Baer J. Am. Chem. Soc, 1944, 66 (4), стр 645-649. DOI : 10.1021 / ja01232a042
  17. Перейти ↑ Diels, O. and Alder, K. (1929), Synthesen in der hydroaromatischen Reihe, IV. Mitteilung: Über die Anlagerung von Maleinsäure-anhydrid an arylierte Diene, Triene und Fulvene (Mitbearbeitet von Paul Pries). Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft (серии A и B), 62: 2081–2087. DOI : 10.1002 / cber.19290620829
  18. ^ Перегруппировка и замещение в анионотропных системах. Часть III. Механизм и равновесие анионотропных изменений AG Catchpole, ED Hughes и CK Ingold J. Chem. Soc, 1948, 8-17 DOI : 10.1039 / JR9480000008
  19. ^ Meisenheimer, J. и Link, J. (1930), Über умирают Verschiebung в дер аллил-Gruppe. 3. Mitteilung über Замена и добавление . Юстус Либигс Аннален дер Хеми, 479: 211–277. DOI : 10.1002 / jlac.19304790114