Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В химии , кинетический анализ хода реакции ( RPKA ) представляет собой подмножество широкого спектра кинетических методов , используемых для определения законов скорости химических реакций и для помощи в выяснении механизмов реакций . Хотя концепции, лежащие в основе кинетического анализа хода реакции, не новы, этот процесс был формализован профессором Донной Блэкмонд (в настоящее время работает в Исследовательском институте Скриппса ) в конце 1990-х годов и с тех пор находит все более широкое распространение. В отличие от более распространенных псевдо-первого порядкаАнализ, в котором используется подавляющий избыток одного или нескольких реагентов по отношению к интересующим видам, RPKA исследует реакции в синтетически релевантных условиях (т. е. с концентрациями и соотношениями реагентов, аналогичными тем, которые используются в реакции, когда не исследуется закон скорости). , этот анализ включает систему, в которой концентрации нескольких реагентов заметно изменяются в ходе реакции. Поскольку механизм может меняться в зависимости от относительной и абсолютной концентрацииДля вовлеченных видов этот подход дает результаты, которые гораздо более репрезентативны для поведения реакции в обычно используемых условиях, чем традиционная тактика. Кроме того, информация, полученная путем наблюдения за реакцией во времени, может дать представление о неожиданном поведении, таком как периоды индукции, дезактивация катализатора или изменения в механизме. [1] [2]

Наблюдение за ходом реакции [ править ]

Кинетический анализ хода реакции основан на способности точно контролировать конверсию реакции с течением времени. Эта цель может быть достигнута с помощью ряда методов, наиболее распространенные из которых описаны ниже. Хотя эти методы иногда классифицируются как дифференциальные (мониторинг скорости реакции с течением времени) или интегральные (мониторинг количества субстрата и / или продукта с течением времени), простые математические манипуляции ( дифференциация или интегрирование ) позволяют взаимное преобразование данных, полученных одним из двух методов. . Независимо от применяемого метода, обычно полезно подтверждать достоверность интересующей системы путем мониторинга с помощью дополнительного независимого метода. [2]

Ход реакции ЯМР [ править ]

ЯМР- спектроскопия часто является методом выбора для мониторинга хода реакции, где потребление субстрата и / или образование продукта можно наблюдать с течением времени по изменению интеграции пика по сравнению с нереакционноспособным стандартом. Из данных по концентрации, скорость реакции с течением времени может быть получен путем взятия производной из полинома подгонки к экспериментальной кривой. [3] Ход реакции ЯМР можно классифицировать как интегральный метод, поскольку собранные первичные данные пропорциональны зависимости концентрации от времени. [2]Хотя этот метод чрезвычайно удобен для четко определенных систем с четко выраженными изолированными пиками продуктов и / или реагентов, он имеет недостаток, заключающийся в том, что требуется гомогенная система, поддающаяся реакции в пробирке для ЯМР. Хотя наблюдение ЯМР может позволить идентифицировать промежуточные продукты реакции, присутствие любого данного вида в ходе реакции не обязательно подразумевает его участие в продуктивном процессе. [1] Ход реакции ЯМР часто можно проводить при переменной температуре, что позволяет регулировать скорость реакции до уровня, удобного для наблюдения. Примеры использования ЯМР хода реакции имеются в большом количестве, с яркими примерами, включая исследование аминирования Бухвальда-Хартвига.(Можно отметить, что вокруг лучшего подхода к механистическому развитию аминирования Бухвальда-Хартвига велись серьезные споры, о чем свидетельствует ряд противоречивых и конкурирующих отчетов, опубликованных за короткий период времени. См. Указанную статью и ссылки в ней.) [4]

На месте FT-IR [ править ]

Инфракрасная спектроскопия in situ может использоваться для мониторинга протекания реакции при условии, что реагент или продукт демонстрируют характерное поглощение в ИК- области спектра. Скорость потребления реагента и / или образования продукта может быть отделена от изменения абсорбции с течением времени (с применением закона Бирса ). Даже когда спектры реагента и продукта в некоторой степени перекрываются, современное программное обеспечение для КИП обычно способно точно деконволюционировать относительные вклады при условии резкого изменения абсолютного поглощения интересующего пика с течением времени. In situ IR можно классифицировать как интегральный метод, поскольку собранные первичные данные пропорциональны зависимости концентрации от времени. [2]Исходя из этих данных, исходный материал или продукт концентрации с течением времени может быть получена просто принимая интеграл от в полиномиальной подгонки к экспериментальной кривой. [3] С увеличением доступности спектрометров с возможностью мониторинга на месте в последние годы наблюдается рост использования FT-IR. Примеры включают в себя примечания механистического анализа амидо-тиомочевине катализируемой асимметричной Strecker синтеза неестественных аминокислот и на основании Льюиса , катализируемой halolactonization и cycloetherification . [5] [6]

In situ UV-vis [ править ]

Аналогично описанным выше экспериментам in situ в ИК-диапазоне, спектроскопия поглощения в УФ-видимой области на месте может использоваться для контроля за ходом реакции при условии, что реагент или продукт демонстрируют отчетливое поглощение в УФ-области спектра . Скорость потребления реагента и / или образования продукта может быть отделена от изменения абсорбции с течением времени (с применением закона Бера ), что снова приводит к классификации в качестве единого метода. [2] Из спектральной области , используемой, UV-VIS методы чаще используются на неорганических или металлоорганических систем , чем чисто органических реакций, и примеры включают в исследование самария реакции Барбье .[7]

Калориметрия реакции [ править ]

Калориметрию можно использовать для контроля за ходом реакции, поскольку отслеживается мгновенный тепловой поток реакции, который напрямую связан с изменением энтальпии реакции. Реакционная калориметрия может быть классифицирована как дифференциальный метод, поскольку собранные первичные данные пропорциональны скорости в зависимости от времени. Исходя из этих данных, исходный материал или продукт концентрации с течением времени может быть получена просто принимая интеграл от в полиномиальной подгонки к экспериментальной кривой. [2] [8] [9] Хотя реакционная калориметрия используется реже, чем ряд других методов, она нашла применение в качестве эффективного инструмента для отбора катализаторов. [10]Реакция калориметрия была также применена в качестве эффективного метода для изучения механистического индивидуальных реакций , включая трет.бутилпролината- - катализируемой альфа- аминирование из альдегидов [11] и палладий катализируемого Бухвальда-Хартвиг аминирования реакции. [4] [12]

Дальнейшие методы [ править ]

Хотя газовая хроматография , ВЭЖХ и масс-спектрометрия являются отличными методами для различения смесей соединений (а иногда даже энантиомеров ), временное разрешение этих измерений менее точное, чем у описанных выше методов. Несмотря на это, эти методы все еще находят применение, например, при исследовании реакции Хека, где гетерогенный характер реакции не позволяет использовать методы, описанные выше. [13] и SOMO-активация органокатализаторами [14] Несмотря на свои недостатки, эти методы могут служить отличными методами калибровки.

Обработка и представление данных [ править ]

a) Концентрации субстрата и / или продукта контролируются с течением времени такими методами, как in situ IR, UV-vis или ЯМР, или могут быть получены путем вычисления интеграла из (c). б) Представление дробного преобразования субстрата обеспечивает нормализацию данных в (а). c) Скорость протекания реакции (образование продукта) отслеживают с течением времени с помощью таких методов, как калориметрия хода реакции, или ее можно получить, взяв первую производную от (а). г)Описание скорости реакции по отношению к потреблению исходного материала распространяет данные в более информативное распределение, чем наблюдаемое в (c). Обратите внимание, что ход реакции читается справа (максимальная концентрация субстрата) налево (без остатка субстрата) в (d).

Данные о ходе реакции проще всего представить в виде графика зависимости концентрации субстрата ([A] t ) от времени ( t ) или преобразования фракции ( F ) от времени ( t ). Последнее требует незначительных алгебраических манипуляций для преобразования значений концентрации / поглощения в дробное преобразование ( F ) с помощью:

F =[A] 0 - [A] t/[A] 0

где [A] 0 - количество, абсорбция или концентрация изначально присутствующего субстрата, а [A] t - количество, абсорбция или концентрация этого реагента в момент времени t . Нормализация данных к дробному преобразованию может быть особенно полезной, поскольку она позволяет сравнивать несколько реакций с разными абсолютными количествами или концентрациями на одном и том же графике.

Данные также могут быть представлены в виде графика зависимости скорости реакции ( v ) от времени ( t ). Опять же, требуются простые алгебраические манипуляции; например, калориметрические эксперименты дают:

v =q/V Δ H

где q - мгновенная теплопередача , Δ H - известное изменение энтальпии реакции, а V - объем реакции . [2]

Данные экспериментов по кинетике протекания реакции также часто представляются в виде графика зависимости скорости ( v ) от концентрации субстрата ([S]). Это требует получения и объединения графиков [S] в зависимости от t и v от t, описанных выше (обратите внимание, что один может быть получен из другого путем простого дифференцирования или интегрирования). Комбинация приводит к стандартному набору кривых, в котором ход реакции считывается справа налево по оси x, а скорость реакции считывается снизу вверх по оси y . [2]Хотя эти графики часто обеспечивают наглядную демонстрацию основных кинетических тенденций, дифференциальные методы, как правило, лучше подходят для извлечения числовых констант скорости. (см. ниже)

Каталитическая кинетика и состояние покоя катализатора [ править ]

В каталитической кинетике два основных приближения полезны (в разных обстоятельствах) для описания поведения многих систем. Ситуации, в которых допустимы приближения предварительного равновесия и стационарного состояния, часто можно различить с помощью кинетического анализа хода реакции, и эти две ситуации тесно связаны с состоянием покоя катализатора.

Стационарное приближение [ править ]

а) В простейшем случае кинетики стационарного состояния один субстрат обратимо образует промежуточный комплекс (к которому применяется приближение стационарного состояния ) с катализатором, с последующим необратимым образованием продукта. б) В более сложном примере два субстрата связывают катализатор с последовательным образованием двух промежуточных продуктов (и приближение стационарного состояния применяется к обоим) с последующим необратимым образованием продукта. Обратите внимание: поскольку I2 кинетически невидим, это то же самое, что и в случае, когда I1 направляется непосредственно к свободному продукту и катализатору. Для обоих (а) и (б), i) описывает каталитический цикл с соответствующими константами скорости и концентрациями, ii)отображает концентрацию продукта и реагента в ходе реакции, iii) описывает скорость реакции по мере потребления субстрата справа налево, и iv) показывает, что состояние покоя катализатора является полностью свободным катализатором, в то время как концентрации промежуточные продукты остаются небольшими и примерно неизменными, поскольку субстрат расходуется справа налево.

В стационарных условиях катализатор и субстрат подвергаются обратимой ассоциации с последующим относительно быстрым расходом комплекса катализатор-субстрат (как в прямых реакциях с образованием продукта, так и в обратных реакциях с несвязанным катализатором). В стационарном приближении утверждается, что концентрация комплекс катализатор-субстрат не меняется со временем; общая концентрация этого комплекса остается низкой, так как он уносится почти сразу после образования. [15]Закон стационарной скорости содержит все константы скорости и вещества, необходимые для перехода от исходного материала к продукту, а знаменатель состоит из суммы членов, описывающих относительные скорости прямых и обратных реакций, потребляющих стационарное промежуточное соединение. В простейшем случае, когда один субстрат переходит в один продукт через одно промежуточное соединение:

d [P]/dt знак равно k 1 k 2 [A] [Cat] всего/к −1 + к 2

В несколько более сложной ситуации, когда два субстрата связываются последовательно с последующим высвобождением продукта:

d [P]/dt знак равно k 1 k 2 k 3 [A] [B] [Cat] всего/( k −1 + k 2 [B]) ( k −2 + k 3 ) [B]

Все более сложные системы можно просто описать с помощью алгоритма, описанного в этой ссылке. [16]

В случае стационарных условий, описанных выше, состояние покоя катализатора представляет собой несвязанную форму (поскольку связанный с субстратом промежуточный продукт, по определению, присутствует только в минимальной концентрации) [17].

Предравновесное приближение [ править ]

а) В простейшем случае предравновесной кинетики один субстрат быстро и обратимо образует промежуточный комплекс с катализатором с последующим необратимым образованием продукта. б) В более сложном примере два субстрата последовательно связывают катализатор быстро и обратимо с последующим необратимым образованием продукта. Для обоих (a) и (b), i) описывает каталитический цикл с соответствующими константами скорости и концентрациями, ii) отображает концентрацию продукта и реагента в ходе реакции, iii) описывает скорость реакции, поскольку субстрат потребляется справа налево, и iv) shows that the catalyst resting state is an equilibrium distribution of free catalyst and intermediates where the distribution is shifted increasingly toward free catalyst as substrate is consumed from right to left.

В предварительных равновесных условиях катализатор и субстрат подвергаются быстрой и обратимой ассоциации перед относительно медленной стадией, ведущей к образованию и высвобождению продукта. В этих условиях система может быть описана законом скорости "один плюс", где числитель состоит из всех констант скорости и веществ, необходимых для перехода от исходного материала к продукту, а знаменатель состоит из суммы членов, описывающих каждый из состояния, в которых существует катализатор (а 1 соответствует свободному катализатору). [18] В простейшем случае, когда один субстрат переходит в один продукт через одно промежуточное соединение:

d [P]/dt знак равно K 1 k 2 [A] [Cat]/1 + K 1 [A]

In the slightly more complex situation where two substrates bind in sequence followed by product release:

d[P]/dt = K1K2k2[A][B][Cat]/1 + K1[A] + K1K2[A][B]

In the case of the simple pre-equilibrium conditions described above, the catalyst resting state is either entirely or partially (depending on the magnitude of the equilibrium constant) the substrate bound complex.

Saturation kinetics[edit]

Main article: Michaelis–Menten kinetics

Условия насыщения можно рассматривать как частный случай предравновесных условий. При исследуемой концентрации субстрата образование комплекса катализатор-субстрат происходит быстро и по существу необратимо. [19] Состояние покоя катализатора полностью состоит из связанного комплекса, и [A] больше не присутствует в законе скорости; изменение [A] не повлияет на скорость реакции, потому что катализатор уже полностью связан и реагирует настолько быстро, насколько позволяет k 2 . Простейшим случаем кинетики насыщения является хорошо изученная модель кинетики ферментов Михаэлиса-Ментен .

Изменения в состоянии покоя катализатора [ править ]

а) Простейший случай кинетики насыщения простирается от предравновесной ситуации, в которой быстрое комплексообразование субстрата с катализатором сопровождается медленным образованием продукта. б) Прямой участок графика концентрации субстрата с течением времени указывает на зависимость нулевого порядка от субстрата для большей части реакции, но кривая на низком уровне [A] указывает на изменение (в данном случае) первого -зависимость порядка от [A]. c) Насыщение катализатора очевидно при высоких концентрациях субстрата (где скорость не зависит от [A], но по мере расходования субстрата скорость реакции падает с зависимостью первого порядка от [A], чтобы пройти через источник . г) Состояние покоя катализатора также изменяется, где он существует почти полностью в виде связанного с субстратом комплекса Cat – A при высоком [A], но все больше в виде свободного катализатора Cat, поскольку [A] уменьшается в ходе реакции.
Скорость образования продукта при цианосилилировании кетона A показывает небольшую нелинейную зависимость от загрузки катализатора при высоких концентрациях катализатора. а) Это наблюдение, среди прочего, объясняется обратимым образованием неактивных каталитических комплексов. б) Подобное поведение в нескольких точках конверсии согласуется с одним доминирующим механизмом, действующим на всем протяжении реакции. [20]

Хотя реакция может демонстрировать один набор кинетического поведения на ранней стадии превращения, это поведение может измениться из-за:

  • изменения в состоянии покоя катализатора под влиянием изменения концентрации субстрата
  • множественные или изменяющиеся механизмы, на которые влияют концентрации субстрата или продукта
  • активация катализатора (период инициирования)
  • ингибирование продукта
  • необратимая (или обратимая) смерть катализатора

В случае кинетики насыщения, описанной выше, при условии, что [A] не присутствует в большом избытке по сравнению с [B], условия насыщения будут применяться только в начале реакции. По мере того, как субстрат израсходован, его концентрация уменьшается, и в конечном итоге [A] становится недостаточно, чтобы полностью подавить [Cat]. Это проявляется в постепенном изменении скорости от 0-го порядка до более высокого (например, 1-го, 2-го и т.д.) порядка в [A]. Это также можно описать как изменение состояния покоя катализатора от связанной формы к несвязанной в ходе реакции.

Помимо простого замедления реакции, изменение состояния покоя катализатора в ходе реакции может привести к конкурирующим путям или процессам. Для доступа к продукту может присутствовать множество механизмов, и в этом случае порядок в катализаторе или субстрате может изменяться в зависимости от условий или точки реакции. Особенно полезный зонд для изменений в механизме реакции включает изучение нормированной скорости реакции в зависимости от загрузки катализатора при нескольких фиксированных точках превращения. Обратите внимание, что нормализованная скорость реакции:

k =v/[A] т

регулирует расход субстрата в ходе реакции, поэтому будут наблюдаться только изменения скорости из-за загрузки катализатора. Линейная зависимость от загрузки катализатора для данной конверсии указывает на зависимость первого порядка от катализатора при этой конверсии, и можно аналогичным образом представить себе нелинейные графики, являющиеся результатом зависимости более высокого порядка. Изменения линейности или нелинейности от одного набора точек превращения к другому указывают на изменения в зависимости от катализатора в ходе реакции. И наоборот, изменения в линейности или нелинейности участков графика, сохраняющихся в течение нескольких точек превращения (то есть при 30, 50 и 70%), указывают на изменение зависимости от катализатора на основе абсолютной концентрации катализатора.

Взаимодействие катализатора с несколькими компонентами реакционной смеси может привести к сложной кинетической зависимости. Хотя внецикловые взаимодействия катализатор-субстрат или катализатор-продукт обычно считаются «ядовитыми» для системы (конечно, в случае необратимого комплексообразования), все же существуют случаи, в которых внецикловые частицы фактически защищают катализатор от постоянной дезактивации. [21] [22] В любом случае часто важно понимать роль состояния покоя катализатора. [3] [11]

Эксперименты с одинаковым избытком [ править ]

Переменный параметр, представляющий наибольший интерес для кинетического анализа хода реакции, - это избыток ( е ) одного субстрата над другим, выраженный в единицах молярности. Начальные концентрации двух веществ в реакции могут быть определены следующим образом:

[B] 0 = [A] 0 + e

и, если исходить из стехиометрии реакции «один к одному», то избыток одного субстрата над другим количественно сохраняется в течение всей реакции таким образом, что: [3]

[B] t = [A] t + e

Подобный набор может быть построен для реакций со стехиометрией более высокого порядка, и в этом случае избыток предсказуемо меняется в ходе реакции. Хотя е может быть любым значением (положительным, отрицательным или нулевым), обычно положительные или отрицательные значения, меньшие по величине, чем один эквивалент субстрата, используются в кинетическом анализе хода реакции. (Можно отметить, что кинетика псевдонулевого порядка использует избыточные значения, намного большие по величине, чем один эквивалент субстрата).

Определение параметра избытка ( е ) позволяет построить эксперименты с одинаковым избытком, в которых два или более прогона кинетического эксперимента с разными начальными концентрациями, но одинаковый избыток позволяют искусственно вступить в реакцию в любой момент. Эти эксперименты имеют решающее значение для RPKA каталитических реакций, поскольку они позволяют исследовать ряд механистических возможностей, включая активацию катализатора (периоды индукции), дезактивацию катализатора и ингибирование продукта, более подробно описанные ниже. [2] [3]

Определение частоты смены катализатора [ править ]

Перед дальнейшими механистическими исследованиями важно определить кинетическую зависимость интересующей реакции от катализатора. Частоту оборота (TOF) катализатора можно выразить как скорость реакции, нормированную на концентрацию катализатора:

TOF = v/[Кот]

Этот TOF определяется путем проведения любых двух или более экспериментов с одинаковым избытком, в которых изменяется абсолютная концентрация катализатора. Поскольку концентрация катализатора постоянна в ходе реакции, полученные графики нормируются на неизменное значение. Если полученные графики полностью совпадают, то реакция на самом деле является катализатором первого порядка. Если реакция не наложена, то работают процессы более высокого порядка и требуют более подробного анализа, чем описано здесь. [3] Также стоит отметить, что описанная здесь манипуляция нормализацией и наложением - это только один из подходов к интерпретации необработанных данных. Столь же достоверные результаты могут быть получены путем подгонки наблюдаемого кинетического поведения к смоделированным законам скорости.

Изучение активации и деактивации катализатора [ править ]

а) Согласно предложенному механизму аминирования арилгалогенидов, катализируемого палладием, период индукции будет присутствовать, поскольку активный катализатор образуется из неактивного предкатализатора (где L = BINAP ). б) Этот период индукции можно наблюдать в точках ранней конверсии, до того, как катализируемая реакция достигнет своей максимальной скорости. В экспериментах с одинаковым избытком это будет проявляться в неперекрывающихся частях кривых, предназначенных для пересечения исходной реакции в промежуточных точках конверсии. Здесь одинаковый избыток ( e  = 0,60 M) [ArX] относительно [HNR 2 ] и [MOR] используется для каждой из кривых.

Как описано выше, эксперименты с одинаковым избытком проводятся с двумя или более экспериментами, поддерживающими избыток, ( e ) постоянным при изменении абсолютных концентраций субстратов (в этом случае катализатор также рассматривается как субстрат). Обратите внимание, что эта конструкция приводит к тому, что количество эквивалентов и, следовательно, молярный процент каждого реагента / катализатора различны между реакциями. [3] Эти эксперименты позволяют искусственно «войти» в реакцию в любой момент, так как начальные концентрации одного эксперимента (перехватывающая реакция) выбираются таким образом, чтобы они отображались непосредственно на ожидаемых концентрациях в некоторый промежуточный момент времени, t, в другом (исходная реакция). Можно было бы ожидать, что ход реакции, описываемый графиками зависимости скорости от концентрации субстрата, подробно описанными выше, будет отображаться непосредственно друг на друге с этой точки перехвата и далее. Однако это будет справедливо только в том случае, если скорость реакции не будет изменена из-за изменений концентрации активного субстрата / катализатора (например, в результате активации катализатора, дезактивации катализатора или ингибирования продукта) до этого перерыва. [2] [3]

Идеальное наложение нескольких экспериментов с одинаковым избытком, но разными начальными загрузками субстрата предполагает, что никаких изменений в концентрации активного субстрата / катализатора в ходе реакции не происходит. Отсутствие наложения графиков обычно указывает на активацию, дезактивацию катализатора или ингибирование продукта в условиях реакции. Эти случаи можно отличить по положению кривых протекания реакции относительно друг друга. Прерывание реакций, лежащих ниже (более медленные скорости при той же концентрации субстрата) исходных реакций на графике зависимости скорости от концентрации субстрата, указывает на активацию катализатора в условиях реакции. Перехват реакций, лежащих выше (более высокие скорости при той же концентрации субстрата) родительских реакций на графике зависимости скорости от концентрации субстрата,указывают на дезактивацию катализатора в условиях реакции; необходимы дальнейшие эксперименты, чтобы отличить ингибирование продукта от других форм гибели катализатора.[2]

One key difference between the intercepting reaction and the parent reaction described above is the presence of some amount of product in the parent reaction at the interception point. Product inhibition has long been known to influence catalyst efficiency of many systems, and in the case of same-excess experiments, it prevents the intercepting and parent reactions from overlaying. While same-excess experiments as described above cannot attribute catalyst deactivation to any particular cause, product inhibition can be probed by further experiments in which some initial amount of product is added to the intercepting reaction (designed to mimic the amount of product expected to be present in the parent reaction at the same substrate concentration). A perfect overlay of the rate vs. substrate concentration plots under same-excess-same product conditions indicates that product inhibition does occur under the reaction conditions used. While the failure of the rate vs. substrate concentration plots to overlay under same-excess-same product conditions does not preclude product inhibition, it does, at least, indicate that other catalyst deactivation paths must also be active.

Кинетический анализ хода реакции позволяет различить а) не ингибированный катализ, б) необратимую гибель катализатора и в) ингибирование продукта с помощью серии экспериментов с одинаковым избытком. Отсутствие наложения между скоростью и концентрацией субстрата для нескольких испытаний одной и той же реакции с одинаковым избытком, но разными начальными концентрациями указывает на ингибирование продукта или гибель катализатора. Их можно различить, где наложение экспериментов с одинаковым избытком и добавленным продуктом указывает на ингибирование продукта, а отсутствие наложения указывает на альтернативную форму гибели катализатора.

Эксперименты с одинаковым избытком, исследующие дезактивацию катализатора и ингибирование продукта, являются одними из наиболее широко используемых приложений кинетического анализа хода реакции. Среди многочисленных примеров в литературе, некоторые включают исследование аминоспирта-катализированный цинк алкилирование альдегидов, [23] амидо-тиомочевину , катализируемую асимметричный синтез Strecker из неестественных аминокислот , [5] и SoMo-активацию органокатализаторов. [14]

Определение стехиометрии реакции [ править ]

Дифференциальные методы извлечения констант скорости [ править ]

Благодаря огромному количеству данных, полученных в результате мониторинга прогресса реакции с течением времени в сочетании с мощью современных вычислительных методов, стало достаточно просто численно оценить закон скорости, сопоставив интегрированные законы скорости смоделированных путей реакций с соответствием развития реакции во времени. . Благодаря принципам распространения ошибки, константы скорости и законы скорости могут быть определены этими дифференциальными методами со значительно меньшей неопределенностью, чем путем построения графических уравнений скорости (см. Выше) [9].

Эксперименты с разным избытком [ править ]

Хотя RPKA позволяет наблюдать скорости в течение всей реакции, проведение только экспериментов с одинаковым избытком не дает достаточной информации для определения соответствующих констант скорости. Чтобы построить достаточно независимых зависимостей для решения всех неизвестных констант скорости, необходимо исследовать системы с разным превышением.

Рассмотрим простой пример, когда катализатор связывается с субстратом A, после чего следует реакция с B с образованием продукта, P и свободного катализатора. Независимо от применяемого приближения, для определения системы требуются несколько независимых параметров ( k 1 , k −1 и k 2 в случае стационарного состояния; k 2 и K 1 в случае предварительного равновесия). Хотя можно представить себе построение нескольких уравнений для описания неизвестных при разных концентрациях, когда данные получены из экспериментов с одинаковым избытком [A] и [B] не являются независимыми. Множественные эксперименты с разными значениями e are necessary to establish multiple independent equations defining the multiple independent rate constants in terms of experimental rates and concentrations. Non-linear least squares analysis may then be employed to obtain best fit values of the unknown rate constants to those equations.

Consider again the simple example discussed above where the catalyst associates with substrate A, followed by reaction with B to form product P and free catalyst. Regardless of the approximation applied, multiple independent parameters (k2 and K1 in the case of pre-equilibrium; k1, k−1, and k2 in the case of steady-state) are required to define the system. While one could imagine constructing multiple equations to describe the unknowns at different concentrations, when the data is obtained from a same-excess experiment [A] and [B] are not independent:

e = [B] − [A]

Multiple experiments using different values of e are necessary to establish multiple independent equations defining the multiple independent rate constants in terms of experimental rates and concentrations. Non-linear least squares analysis may then be employed to obtain best fit values of the unknown rate constants to those equations.

Graphical rate laws[edit]

One possible sequence for establishing kinetic order by reaction progress kinetic analysis. Adapted with modification from the process proposed by Donna Blackmond

Kineticists have historically relied on linearization of rate data to extrapolate rate constants, perhaps best demonstrated by the widespread use of the standard Lineweaver–Burke linearization of the Michaelis–Menten equation.[24] Linearization techniques were of particular importance before the advent of computing techniques capable of fitting complex curves, and they remain a staple in kinetics due to their intuitively simple presentation.[2] It is important to note that linearization techniques should NOT be used to extract numerical rate constants as they introduce a large degree of error relative to alternative numerical techniques. Graphical rate laws do, however, maintain that intuitive presentation of linearized data, such that visual inspection of the plot can provide mechanistic insight regarding the reaction at hand. The basis for a graphical rate law rests on the rate (v) vs. substrate concentration ([S]) plots discussed above. For example, in the simple cycle discussed with regard to different-excess experiments a plot of v/[A] vs. [B] and its twin v/[B] vs. [A] can provide intuitive insight about the order of each of the reagents. If plots of v/[A] vs. [B] overlay for multiple experiments with different-excess, the data are consistent with a first-order dependence on [A]. The same could be said for a plot of v/[B] vs. [A]; overlay is consistent with a first-order dependence on [B]. Non-overlaying results of these graphical rate laws are possible and are indicative of higher order dependence on the substrates probed. Blackmond has proposed presenting the results of different-excess experiments with a series of graphical rate equations (that she presents in a flow-chart adapted here), but it is important to note that her proposed method is only one of many possible methods to display the kinetic relationship. Furthermore, while the presentation of graphical rate laws may at times be considered a visually simplified way to present complex kinetic data, fitting the raw kinetic data for analysis by differential or other rigorous numerical methods is necessary to extract accurate and quantitative rate constants and reaction orders.[2][3]

Reaction stoichiometry and mechanism[edit]

It is important to note that even while kinetic analysis is a powerful tool for determining the stoichiometry of the turn-over limiting transition state relative to the ground state, it cannot answer all mechanistic questions. It is possible for two mechanisms to be kinetically indistinguishable, especially under catalytic conditions. For any thorough mechanistic evaluation it is necessary to conduct kinetic analysis of both the catalytic process and its individual steps (when possible) in concert with other forms of analysis such as evaluation of linear free energy relationships, isotope effect studies, computational analysis, or any number of alternative approaches. Finally, it is important to note that no mechanistic hypothesis can ever be proven; alternative mechanistic hypothesis can only be disproven. It is, therefore, essential to conduct any investigation in a hypothesis-driven manner. Only by experimentally disproving reasonable alternatives can the support for a given hypothesis be strengthened.[25]

See also[edit]

  • Chemical kinetics
  • Enzyme kinetics
  • Hill equation (biochemistry)
  • Langmuir adsorption model
  • Michaelis-Menten kinetics
  • Monod equation
  • Rate equation (chemistry)
  • Reaction mechanism
  • Steady state (chemistry)

References[edit]

  1. ^ a b Hartwig, J. F. (2010). Organotransition Metal Chemistry: From Bonding to Catalysis. Mill Valley, California: University Science Books. ISBN 978-1-891389-53-5.
  2. ^ a b c d e f g h i j k l m Blackmond, D. G. (2005). "Reaction Progress Kinetic Analysis : A Powerful Methodology for Mechanistic Studies of Complex Catalytic Reactions". Angew. Chem. Int. Ed. 44: 4302–4320. doi:10.1002/anie.200462544.
  3. ^ a b c d e f g h i Blackmond, D. G.; Ropic, M.; Stefinovic, M. (2006). "Kinetic Studies of the Asymmetric Transfer Hydrogenation of Imines with Formic Acid Catalyzed by Rh−Diamine Catalysts". Org. Process Res. Dev. 10: 457–463. doi:10.1021/op060033k.
  4. ^ a b Shekhar, S.; Ryberg, P.; Hartwig, J. F.; Mathew, J. S.; Blackmond, D. G.; Strieter, E. R.; Buchwald, S. L. (2006). "Reevaluation of the Mechanism of the Amination of Aryl Halides Catalyzed by BINAP-Ligated Palladium Complexes". J. Am. Chem. Soc. 128: 3584–3591. doi:10.1021/ja045533c.
  5. ^ a b Zuend, S. J.; Jacobsen, E. N. (2009). "Mechanism of Amido-Thiourea Catalyzed Enantioselective Imine Hydrocyanation: Transition State Stabilization via Multiple Non-Covalent Interactions". J. Am. Chem. Soc. 131: 15358–15374. doi:10.1021/ja9058958. PMC 2783581. PMID 19778044.
  6. ^ Denmark, S. D.; Burk, M. T. (2010). "Lewis base catalysis of bromo- and iodolactonization, and cycloetherification". Proc. Natl. Acad. Sci. 107: 20655–20660. Bibcode:2010PNAS..10720655D. doi:10.1073/pnas.1005296107. PMC 2996424. PMID 20705900.
  7. ^ Choquette, K. A.; Sadasivam, D. V.; Flowers, R. A. (2011). "Catalytic Ni(II) in Reactions of SmI2: Sm(II)- or Ni(0)-Based Chemistry?". J. Am. Chem. Soc. 133: 10655–10661. doi:10.1021/ja204287n.
  8. ^ Mathew, J. S.; Klussmann, M.; Iwamura, H.; Valera, F.; Futran, A; Emanuelsson, E. A. C.; Blackmond, D. G. (1999). "Investigations of Pd-Catalyzed ArX Coupling Reactions Informed by Reaction Progress Kinetic Analysis". J. Org. Chem. 71: 4711–4722. doi:10.1021/jo052409i.
  9. ^ a b Steel, C.; Naquvi, K. R. (1991). "Differential method in chemical kinetics". J. Phys. Chem. 95: 10703–10718. doi:10.1021/j100179a037.
  10. ^ Blackmond, D. G.; Rosner, T.; Pfaltz, A. (1999). "Comprehensive Kinetic Screening of Catalysts Using Reaction Calorimetry". Org. Process Res. Dev. 3: 275–280. doi:10.1021/op990024u.
  11. ^ a b Hein, J. E.; Armstrong, A.; Blackmond, D. G. (2011). "Kinetic Profiling of Prolinate-Catalyzed α-Amination of Aldehydes". Org. Lett. 13: 4300–4303. doi:10.1021/ol201639z.
  12. ^ Singh, U. K.; Strieter, E. R.; Blackmond, D. G.; Buchwald, S. L. (2002). "Mechanistic Insights into the Pd(BINAP)-Catalyzed Amination of Aryl Bromides:  Kinetic Studies under Synthetically Relevant Conditions". J. Am. Chem. Soc. 124: 14104–14114. doi:10.1021/ja026885r.
  13. ^ Herrmann, W. A.; Brossmer, C.; Reisinger, C. P.; Riermeier, T. H.; Öfele, K.; Beller, M. (1997). "Palladacycles: Efficient New Catalysts for the Heck Vinylation of Aryl Halides". Chem. Eur. J. 3: 1357–1364. doi:10.1002/chem.19970030823.
  14. ^ a b Devery, J. J.; Conrad, J. C.; MacMillan, D. W. C.; Flowers, R. A. (2010). "Mechanistic Complexity in Organo–SOMO Activation". Angew. Chem. Int. Ed. 49: 6106–6110. doi:10.1002/anie.201001673. PMC 3065936. PMID 20632343.
  15. ^ Srinivasan, Bharath (2020-10-08). "Explicit Treatment of Non Michaelis-Menten and Atypical Kinetics in Early Drug Discovery". dx.doi.org. Retrieved 2021-04-19.
  16. ^ Gilbert, H. F. (1977). ""Rule of thumb" for deriving steady state rate equations". J. Chem. Educ. 54: 492–493. Bibcode:1977JChEd..54..492G. doi:10.1021/ed054p492.
  17. ^ https://chem.libretexts.org/Core/Physical_and_Theoretical_Chemistry/Kinetics/Reaction_Mechanisms/Steady-State_Approximation
  18. ^ Helfferich, F. G. (1989). "Systematic approach to elucidation of multi-step reaction networks". J. Phys. Chem. 93: 6676–6681. doi:10.1021/j100355a022.
  19. ^ Srinivasan, Bharath (2020-09-27). "Words of advice: teaching enzyme kinetics". The FEBS Journal. 288 (7): 2068–2083. doi:10.1111/febs.15537. ISSN 1742-464X.
  20. ^ Zuend, S. J.; Jacobsen, E. N. (2007). "The mechanistic scheme and kinetic data are adapted from independent kinetic simulations using the rate and equilibrium constants reported for the amino-thiourea catalyzed cyanosilylation of ketones". J. Am. Chem. Soc. 129: 15872. doi:10.1021/ja0735352.
  21. ^ List, B. (2002). "Proline-catalyzed asymmetric reactions". Tetrahedron. 58: 5573–5590. doi:10.1016/S0040-4020(02)00516-1.
  22. ^ Seebach, D.; Beck, A. K.; Badine, D. M.; Limbach, M.; Eschenmoser, A.; Treasurywala, A. M.; Hobi, R.; Prikoszovich, W. (2007). "Are Oxazolidinones Really Unproductive, Parasitic Species in Proline Catalysis? – Thoughts and Experiments Pointing to an Alternative View". Helv. Chim. Acta. 90: 425. doi:10.1002/hlca.200790050.
  23. ^ Rosner, T.; Sears, P.J.; Nugent, W. A.; Blackmond. D.G. (2000). "Kinetic Investigations of Product Inhibition in the Amino Alcohol-Catalyzed Asymmetric Alkylation of Benzaldehyde with Diethylzinc". Org. Lett. 2: 2511–2513. doi:10.1021/ol006181r.
  24. ^ Lineweaver, H.; Burke, D. (1934). "The determination of enzyme dissociation constants". J. Am. Chem. Soc. 56: 658–666. doi:10.1021/ja01318a036.
  25. ^ Platt, J. R. (1964). "Strong Inference". Science. 146: 347–353. Bibcode:1964Sci...146..347P. doi:10.1126/science.146.3642.347. PMID 17739513.